PRECIPITACIÓN

Se denomina precipitación al agua que proviene de la humedad atmosférica y cae a la superficie terrestre, principalmente en estado líquido (llovizna y lluvia) o en estado sólido (escarcha, nieve y granizo). La precipitación es uno de los procesos meteorológicos más importantes para la hidrología, y junto a la evaporación constituyen la forma mediante la cual la atmósfera interactúa con el agua superficial en el ciclo hidrológico del agua.

CLASIFICACIÓN DE LAS PRECIPITACIONES.

De acuerdo a sus características físicas .

La precipitación puede adquirir diversas formas como producto de la condensación del vapor de agua atmosférico, formado en el aire libre o en la superficie de la tierra, y de las condiciones locales, siendo las más comunes las que se detallan a continuación:

a) LloviznaEn algunas regiones es más conocida como garúa, consiste en diminutas gotitas de agua líquida cuyo diámetro fluctúa entre 0.1 y 0,5 mm; debido a su pequeño tamaño tienen un asentamiento lento y en ocasiones parecen que flotaran en el aire. La llovizna usualmente cae de estratos bajos y rara vez excede de 1 mm/h.b) LluviaEs la forma de precipitación más conocida y la que habitualmente se presenta en el departamento de Cajamarca. Consta de gotas de agua líquida comúnmente mayores a los 5 mm de diámetro. En muchos países suelen clasificarla como ligera, moderada o fuerte según su intensidad (ver Tabla 4. 1).

c) EscarchaEs un depósito blanco opaco de gránulos de hielo más o menos separados por el aire atrapado y formada por una rápida congelación efectuada sobre gotas de agua sobrecongeladas en objetos expuestos (ver Figura 4.3), por lo que generalmente muestran la dirección predominante del viento. Su gravedad específica puede ser tan baja como 0,2 ó 0,3.d) NieveAparece cuando las masas de aire cargadas de vapor de agua se encuentran con otras cuya temperatura es inferior a 0°C. Está compuesta de cristales de hielo, de forma hexagonal ramificada (ver Figura 4.4), y a menudo aglomerada en copos de nieve, los cuales pueden alcanzar varios centímetros de diámetro. La densidad relativa de la nieve recién caída varía sustancialmente, pero en promedio se asume como 0,1.

e) GranizoEs la precipitación en forma de bolas de hielo, producida en nubes convectivas. El granizo se forma a partir de partículas de hielo que, en sus desplazamientos por la nube, van "atrapando" gotas de agua. Las gotas se depositan alrededor de la partícula de hielo y se congelan formando capas, como una cebolla. Los granizos pueden ser esferoidales, cónicos o irregulares en forma, y su tamaño varía desde 5 hasta 125 mm de diámetro, pudiendo llegar a destrozar cosechas.

De acuerdo al mecanismo de formación.La precipitación puede clasificarse teniendo en cuenta el factor principalmente responsable, ya que lo más frecuente es que sea generada por varios factores, del elevamiento de la masa de aire que la genera. Con base en ello se pueden distinguir tres tipos de precipitación, a saber:

a) Precipitación CiclónicaCuando dos masas de aire, una caliente y una fría, se encuentran, en lugar desimplemente mezclarse, aparece una superficie de discontinuidad definida entre ellas, llamada frente (ver Figura 4.5). El aire frío al ser más pesado, se extiende debajo del aire caliente por lo que el aire caliente se eleva y su vapor de agua se puede condensar y producir precipitación.

b) Precipitación ConvectivaEs el tipo de precipitación que predomina en la zona costera por acción de los anticiclones norte y sur del atlántico. Se presenta cuando una masa de aire que se calienta tiende a elevarse, por ser el aire cálido menos pesado que el aire de la atmósfera circundante. La diferencia en temperatura puede ser resultado de un calentamiento desigual en la superficie (Figura 4.6), enfriamiento desigual en la parte superior de una capa de aire, o por la elevación mecánica cuando el aire se fuerza a pasar sobre una masa de un aire más denso (ciclones), o sobre una barrera montañosa.

c) Precipitación OrográficaResulta del choque entre las corrientes oceánicas de aire que cruzan sobre la tierra y las barreras montañosas (figura 4.7), generando la elevación mecánica del aire, el cual posteriormente se enfría bajo la temperatura de saturación y vierte humedad, este tipo de precipitación suele ser la que se presentan en la zona montañosa del departamento de Cajamarca, por ejemplo.

ELEMENTOS FUNDAMENTALES DEL ANÁLISIS DE LAS TORMENTAS

Durante el análisis de las tormentas hay que considerar:

a) La IntensidadQue es la cantidad de agua caída por unidad de tiempo. Lo que interesa particularmente de cada tormenta es la intensidad máxima que se haya presentado. Es decir, la altura máxima de agua caída por unidad de tiempo. De acuerdo a esto la intensidad se expresa de la siguiente manera:

b) La DuraciónCorresponde al tiempo que transcurre entre el comienzo y el fin de la tormenta. Aquí conviene definir el período de duración, que es un determinado período de tiempo tomado en minutos u horas, dentro del total que dura la tormenta. Tiene mucha importancia en la determinación de las intensidades máximas como veremos más adelante. Ambos parámetros se obtienen de un pluviograma o banda pluviográfica, tal como se muestra en la figura 4.12

c) La FrecuenciaEs el número de veces que se repite una tormenta de características de intensidad y duración definidas en un período de tiempo más o menos largo, tomado generalmente en años. Así, se puede decir por ejemplo que; para tal localidad puede presentarse una tormenta de intensidad máxima igual a 56 mm/h con una duración de 30 minutos cada 10 años.

El Hietograma

Esto se consigue mediante el hietograma o histograma de precipitación, que es un gráfico deforma escalonada que representa la variación de la intensidad (en mm/h) de la tormenta en el transcurso de la misma (en minutos u horas). En la Figura 4.13 se puede ver esta relación que corresponde a la tormenta registrada por el pluviograma.

Ejemplo del análisis de una tormenta registrada por un pluviograma

a) Identificación de los puntos de cambio de intensidad; Marcar en el pluviograma los puntos correspondientes a los momentos en que la intensidad ha cambiado, que se reconoce por el cambio en la pendiente de la línea que marca la precipitación, o sea que la línea es más o menos inclinada de acuerdo a un aumento o disminución de la intensidad.b) Tabulación; Ya identificados los puntos de interés según se explica en el punto anterior; se procede a tabular la información según se aprecia en la Tabla 4.2 y en el que se indica:- Hora, Corresponde a la hora (indicada en el Pluviógrafo en abcisas) en que la precipitación cambia de intensidad.- Lluvia acumulada, Corresponde a la lluvia registrada en las ordenadas del pluviograma. Tener en cuenta el vaciado del sifón, sumando 10 mm cada vez que se produce.- Intervalo de tiempo o tiempo parcial, Es el tiempo que ha transcurrido entre estos cambios de intensidad, se expresa en minutos.- Tiempo acumulado, Es la suma sucesiva de los tiempos parciales de la columna anterior.- Intensidad, Se obtiene por el cociente entre lluvia parcial y tiempo parcial.

c) Cálculo de la intensidad máxima para períodos de duración diferentes, En la tabla descrita y en la figura correspondiente puede verse claramente que la intensidad varía durante el transcurso de la tormenta. Así por ejemplo, entre las 12:00 y 12:50, es decir en 50 minutos cayeron 8,5 mm de lluvia, en una hora hubieran caído 10,2 mm; entonces decimos que la intensidad durante estos 50 minutos fue de 10,2 mm/h. Entre las 12:50 y 2:00 (70 minutos) cayeron 10 mm de lluvia, lo que quiere decir que en una hora han caído 8,57 mm, se dirá que la intensidad durante este intervalo fue de 8,57 mm/h.

Lo que nos interesa es determinar, para esta tormenta, las intensidades máximas para determinados períodos de duración sea por ejemplo 5, 10, 30, 60, 120, 240 minutos; dentro del tiempo total de duración de la tormenta.

Aquí vemos que la intensidad máxima es de 10,2 mm/h y que esta intensidad duró 50 minutos.Luego, la intensidad máxima para 5 ó 10 ó 30 es de 10,2 mm/h. Para calcular la intensidad máxima correspondiente a 60 minutos realicemos el siguiente razonamiento:

- Durante 50 minutos, la intensidad máxima fue de 10.2 mm/h.- Para 60 minutos nos faltan 10 minutos; entonces, hay que buscar antes o después del período de 50 minutos, la intensidad máxima inmediata inferior a 10,2 mm/h, vemos que en este caso es 8,6 mm/h; entonces podemos establecer las siguientes relaciones: 50/60 corresponden a una intensidad máxima de 10,2 mm/h.10/60 corresponden a una intensidad máxima de 8,6 mm/h.

Para buscar la intensidad máxima correspondiente a 120 minutos se procede de la misma manera y tendremos:- Durante 50 minutos la intensidad máxima fue de 10,2 mm/h.- Para 120 minutos nos faltan 70 minutos.- Vemos que durante los 70 minutos siguientes precisamente se tuvo la intensidad máxima inmediata inferior correspondiente a 8,6 mm/h.

ANÁLISIS DE FRECUENCIAS DE LAS TORMENTAS

Ya se ha visto como se procede para calcular la intensidad y duración de las tormentas; ahora se determinará la frecuencia con que una determinada tormenta se puede repetir en el tiempo. Para esto, se procede a analizar las 2, 3 ó 4 tormentas mayores (mm) de cada año registradas en una localidad siguiendo el procedimiento ya explicado. Es decir, que para cada una de esas tormentas se determina la intensidad máxima en diferentes períodos de duración.

Estos resultados se tabulan en orden cronológico como se puede ver en la Tabla 4.3 donde por comodidad sólo se han consignado las intensidades máximas correspondientes a los períodos de duración de 10, 30, 60 y 120 minutos.A partir de cada año se toma de la tabla la intensidad máxima para cada una de las cuatro duraciones, obteniendo una nueva tabla de 30 registros para cada duración. Para determinar la frecuencia, el siguiente paso es ordenar de manera decreciente, e independientemente de la duración, los valores de las intensidades máximas correspondientes a cada duración. Se obtiene entonces la tabla 4.4 donde pueden verse las intensidades máximas de 10, 30, 60 y 120 minutos con indicación de su frecuencia, que se calcula de acuerdo a la siguiente relación:

De la misma manera el período de retorno (Tr) será la inversa de la frecuencia. Así, para 10 minutos de duración, el primer valor o valor más alto es 116 mm/h; entonces decimos que una precipitación de esa intensidad tiene una frecuencia de 3,22 %, es decir, que en el transcurso de 100 años será igualada o superada sólo tres veces en promedio y que su período de retorno es 31 años.

Por otra parte, la segunda magnitud 113 mm/h tiene una frecuencia de 6,44% lo que significa que en el período de 100 años será igualada o superada solamente 6 veces en promedio, con un Tr de 16 años. Además se observa que a mayor magnitud del intervalo de duración menor es la intensidad.

CURVAS INTENSIDAD - DURACIÓN – FRECUENCIA

Los valores consignados en el cuadro anterior dan los elementos de juicio básicos para la realización de cálculos previos al diseño de obras de ingeniería hidráulica. Por eso conviene representar estos valores en otras formas más manejables y de más fácil lectura, con el fin de poder interpolar valores que no se encuentren en la tabla.

Mediante la construcción de gráficos llamados familias de curvas de duración-intensidad frecuencia como pueden verse en la figura 4.5

Este gráfico nos permite saber, por ejemplo, cual será el valor de la intensidad máxima para 45 ó 90 minutos de período de referencia que se presente con una frecuencia de cada año o cada 10 años, o cada cualquier otro período de tiempo.