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UN MÉTODO APROXIMADO PARA ESTIMARCAUDALES MEDIOS MENSUALES EN PEQUEÑAS

CUENCAS DE MONTAÑA

JOSÉ CARLOS ROBREDO SÁNCHEZ1, IGNACIO ROJO NÚÑEZ2

Y JUAN ÁNGEL MINTEGUI AGUIRRE1

RESUMEN

Se expone un método aproximado para determinar el caudal medio mensual en pequeñas cuencasde montaña, basado en la suma de los caudales superficiales y subterráneos medios mensuales.Los primeros estimados mediante unas correlaciones precipitación/escorrentía, establecidas a par-tir de un estudio, realizado por ROJO (2004), del comportamiento de dos pequeñas cuencas demontaña de la Sierra de Guadarrama (cuencas de los ríos Moros, 38,36 km2, y Riaza, 36,43 km2) enel periodo 1966-80. Los segundos aplicando el procedimiento de THORNTHWAITE & MATHER(1955) extendido a toda la cuenca y también modificado por ROJO (2004). Los resultados obteni-dos con el citado método en la sección de salida de las cuencas estudiadas, se compararon con lasmediciones registradas en el periodo 1966-80 en las estaciones de aforo núm. 9 (río Riaza) y núm.51 (río Moros) de la Confederación Hidrográfica del Duero. La simulación también se aplicó en lacuenca del arroyo del Romeral, 2,70 km2, que discurre por el monte de la Jurisdicción en El Esco-rial, con los datos disponibles del periodo 1915-17 en una antigua estación foronómica, operativa aprincipios del siglo XX, ubicada en dicho arroyo. En los tres casos se comprobó la idoneidad delmétodo propuesto.

Palabras clave: Escorrentías superficiales y subterráneas, conversión de escorrentías en caudales,relación entre la escorrentía superficial mensual y la precipitación mensual.

SUMMARY

An approximate method to determine the mean monthly flow in small mountain catchments ispresented, which is based on the sum of mean monthly surface and groundwater runoff. Surfacerunoff was calculated from the rainfall-runoff correlation established by ROJO (2004) for two smallmountain catchments in the Guadarrama mountain range (The Moros River basin, with 38.36 km2,and the Riaza River basin, with 36.43 km2) in the period 1966-80. Groundwater runoff was calcu-lated applying the THORNTHWAITE & MATHER (1955) procedure, extended to the whole catch-ment and modified by ROJO (2004). The results obtained with this method were compared with

Ecología, N.º 24, 2012, pp. 27-42

1 Universidad Politécnica de Madrid; E. T. S. Ingenieros de Montes; Departamento Ingeniería Forestal; Unidadde Hidráulica e Hidrología; Ciudad Universitaria s/n, 28040 MADRID. [email protected] Dirección General de Medio Ambiente. Región de Murcia. 30008 MURCIA.

Recibido: 02/11/2011.Aceptado: 05/12/2011.

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observed data at the study catchments outlet, using the flow gauges nº 9 (Riaza River) and nº 51(Moros River) of the Duero River Basin Authority, in the period 1966-80. The simulation was alsoapplied to the Romeral stream basin, of 2.70 km2, which is located at the Monte de la Jurisdicción(Jurisdicción Forest) in El Escorial, using for comparison the available data from the period 1915-17, using the records of an old flow gauge, operative at the beginning of the 20th century. For all thethree study cases, the suitability of the proposed method was proved.

Key words: surface and groundwater runoff; runoff-streamflow conversion; monthly surfacerunoff and monthly rainfall relationship.

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JOSÉ CARLOS ROBREDO SÁNCHEZ Y COLS. «Un método aproximado para estimar caudales medios mensuales»

INTRODUCCIÓN

El estudio del medio físico de las cuencas hi-drográficas ha posibilitado el desarrollo demodelos cada vez más complejos, que permi-ten considerar la gran variabilidad de factoresque condicionan el ciclo del agua, simular sudinámica y establecer modelos hidrológicosdistribuidos con base física, como el SHE(ABBOT et al., 1986) o el SHETRAN (EWEN etal. 2002) incluso el modelo de ROBREDO et al.(1994) más sencillo que los dos anteriores.

Sin embargo, estos modelos resultan muycomplejos para aplicarlos en la mayoría de lascuencas forestales de montaña; muchas deellas carentes de la información necesaria paraalimentarlos y a posteriori para calibrarlos.Por otra parte, en la práctica tanto de la Hi-dráulica Torrencial como de la Hidrología Fo-restal en nuestro país, ha sido más frecuente elempleo de modelos hidrológicos integrados,orientados a fines específicos como el cálculode caudales de avenida en determinadas sec-ciones de un cauce torrencial; como el modeloCAUDAL3 desarrollado por ROBREDO(1993).

Dado que los caudales ordinarios de los cursosde montaña presentan cada día mayor interés,tanto como base hidrológica para interpretarlos caudales ecológicos, como para servir dereferencia en la instalación de minicentrales enlas áreas de montaña, entre otros usos posi-bles; el cubrir la necesidad de estimarlos conuna aproximación razonable, fue el objetivodel modelo desarrollado por ROJO (2004) en lamemoria de su tesis doctoral: «Modelo para

estimar las disponibilidades hídricas en unacuenca de carácter forestal. Aplicación a lascuencas de los ríos Moros y Riaza» que poste-riormente lo simplificó parcialmente ROJO etal. (2009).

Ante la frecuencia de eventos torrenciales(pre ci pitaciones o fusiones del manto denieve) que inciden en las áreas de montaña, elconocimiento de los caudales máximos de cre-cida que corresponden a la escorrentía superfi-cial presenta especial relevancia; pero tambiénresulta importante estimar los caudales ordi-narios asociados a la escorrentía sub-superfi-cial o subterránea, que son más estables y uni-formes en el tiempo y en definitiva suponenmayores aportaciones de agua.

OBJETIVO

Se pretende establecer un método aproximadoy sencillo para determinar el caudal mediomensual en pequeñas cuencas de montaña,basado en la suma de los caudales superficia-les y subterráneos medios mensuales. Los vo-lúmenes de agua correspondientes a los pri-meros se estiman mediante unas correlacionesprecipitación/escorrentía, establecidas a par-tir del estudio del comportamiento de dos pe-queñas cuencas de montaña de la Sierra deGuadarrama (cuencas de los ríos Moros yRiaza) realizado por ROJO (2004) para el pe-riodo 1966-80. Los segundos aplicando el pro-cedimiento THORNTHWAITE & MATHER(1955) extendido a una cuenca por ROJO(2004). El método se estructura de modo quepueda aplicarse utilizando una informacióngeneral básica (la que normalmente facilita la

Ecología, N.º 24, 2012

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Figura 1. Esquema del mo-delo integrado propuestopara la determinación delos caudales medios conti-nuos en una cuenca demontaña ROJO (2004).

Figure 1. Diagram of theintegrated model propo-sed for continuous meanstreamflow determinationin mountain catchments,ROJO (2004).

Agencia Estatal de Meteorología), como sonlos valores medios mensuales de temperatu-ras y precipitaciones.

METODOLOGÍA

Fundamentos del método propuesto

El método propuesto para el cálculo del caudalmensual medio en pequeñas cuencas de mon-taña, se fundamenta en un modelo integradodesarrollado por ROJO (2004) en el transcursode la investigación que condujo a la memoriade su tesis doctoral. El esquema de este mo-delo, mostrado en la Figura 1, presenta la si-guiente estructura: a) un balance hídrico delagua en el suelo, para simular con ello el com-portamiento del agua subterránea, cuyo des-arrollo aparece en el lado izquierdo del es-quema representado en la Figura 1, y b) unmodelo de estimación de las escorrentías direc-tas, que en la Figura 1 se representa por Q(mm), basado en datos diarios de precipitacióny en la aplicación del método del Número deCurva del USDA SOIL CONSERVATION SER-VICE (1956) para estimar la escorrentía superfi-cial. La diferencia entre la precipitación regis-trada P (mm) y la escorrentía superficial Q

(mm), obtenida con el procedimiento comen-tado, establece la parte de la precipitación in-corporada al suelo INF (mm). Estos cálculos serealizaron inicialmente con valores diarios (Pd,Qd, inf); posteriormente por suma de los mis-mos se transformaron en mensuales (P, Q, INF)

Para el balance hídrico el autor utilizó el pro-cedimiento de THORNTHWAITE & MATHER(1955), pero introduciendo como precipitaciónúnicamente la parte de la misma incorporadaal suelo INF (mm).

Sumando a la escorrentía unitaria mensual R(mm) procedente del agua subterránea, apor-tada por el balance hídrico a la salida de lacuenca, la escorrentía directa superficial unita-ria mensual Q (mm), anteriormente calculada,se obtuvo la escorrentía unitaria mensual total(R+Q); que extendida a toda la superficie de lacuenca y utilizando las unidades adecuadas,proporcionó el caudal mensual medio a la sa-lida de la cuenca (m3·s-1). Este valor se con-trastó posteriormente con los valores aporta-dos en el mismo periodo en los aforos situadosa la salida de la cuenca.

Las variables de entrada (precipitación y tem-peratura media) se corrigieron ajustándolas a

una altitud correspondiente a la media de lacuenca vertiente y considerado las característi-cas medias de la misma; mientras que las va-riables resultado (caudales) se situaron en lasección de salida o sección final de la cuenca.Para la corrección de los valores meteorológi-cos aportados por las estaciones seleccionadas,se utilizaron los gradientes de 8% de precipita-ción y 0,65ºC de temperatura, ambos por cada100 m de incremento en altitud, propuestospor GANDULLO (1994).

Los resultados de la aplicación del modelo in-tegrado a las dos pequeñas cuencas de mon-taña de la Sierra de Guadarrama (cuencas delos ríos Moros, 38,36 km2, y Riaza, 36,43 km2)para el periodo 1966-80, se comprobaron conlos caudales aforados en las secciones finalesde las mismas cuencas, donde se ubican las es-taciones núm. 51 en el caso del río Moros ynúm. 9 en el caso del río Riaza de la Confede-ración Hidrográfica del Duero. El ajuste entrelos caudales aforados y los simulados con elmodelo integrado ROJO (2004) en dichas esta-ciones, se llevó a cabo para ambas cuencas uti-lizando los algoritmos siguientes: Error Medio(EM), que define el sesgo de una población ytiene por valor óptimo el cero; mide el errormedio sistemático entre las simulaciones y lasobservaciones COFFEY et al. (1999). Las unida-des son las mismas en ambas variables.

Error Cuadrático Medio (ECM), que permitecomparar el ajuste entre los datos simulados ylos datos observados. Las unidades son lasmismas en ambos datos. Los mejores valoresdel ECM son los próximos a cero, ya quecuando ECM es cero la relación es perfecta,puede presentar cualquier valor positivo.

Coeficiente de Eficiencia de Nash & Sutcliffe (CE),permite verificar el grado de relación 1:1 de losdatos en análisis y fue establecido por NASH& SUTCLIFFE (1970). Su rango varía desde -∞a 1. El valor uno indica el ajuste perfecto. Unvalor mayor de 0,7 se considera como estadís-ticamente ajustado; pero la precisión de unmodelo depende siempre de la aplicación re-querida.

En las ecuaciones anteriores sus términos re-presentan:

ei = Qsi – Qoi, donde: 1≤ i ≤ T

Qsi, el caudal simulado con el modelo en el ins-tante de tiempo i.

Qoi, el caudal aforado (observado) en el ins-tante de tiempo i.

Qom, el caudal medio de la serie aforada u ob-servada

T, el tiempo total de la simulación-observación

En la cuenca del río Moros los algoritmos ante-riores aportaron los valores siguientes:

EM = -0,005; ECM = 0,348; CE = 0,459

En la cuenca del río Riaza fueron:

EM = -0,322; ECM = 0,349; CE = 0,412.

Tratándose de los procesos que se analizan,estos valores representan un rango de ajusteapropiado, superior a los habituales en situa-ciones similares; lo que valida la adecuacióndel modelo para el objetivo previsto.

Pero la aplicación del modelo integrado deROJO (2004) resulta muy compleja, pues pre-cisa de precipitaciones diarias. El métodopropuesto a continuación simplifica este pro-blema utilizando: a) para estimar el porcen-

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taje de escorrentía directa mensual, unas re-gresiones lineales en función de la precipita-ción mensual, obtenidas a partir del análisisde los valores mensuales de escorrentía su-perficial, deducidas tras la aplicación diariadel procedimiento del NC del USDA. SOILCONSERVATION SERVICE (1956) a las cuen-cas del río Moros y del río Riaza durante elperiodo 1966-80 y su posterior integración anivel mensual, ROJO (2004); b) para las esco-rrentías procedentes de aguas subterráneas,una extensión a la cuenca vertiente del proce-dimiento de THORNTHWAITE & MATHER(1955), en el que al dato de la precipitaciónmensual se le detrae la cantidad de la esco-rrentía superficial o escorrentía directa; c) elcaudal medio mensual resultante es la sumade la aportación superficial, calculada utili-zando las regresiones comentadas, más laaportación estimada mediante el balance hí-drico calculado según THORNTHWAITE YMATHER (1955) con las modificaciones in-corporadas a dicho procedimiento, anterior-mente comentadas.

Información de partida

El método propuesto se ha aplicado también alas cabeceras de las cuencas de los ríos Moros(38,36 km2) y Riaza, (36,43 km2) ubicadas en laprovincia de Segovia y a la cuenca del arroyodel Romeral, que discurre por el monte de laJurisdicción en el término municipal de El Es-corial en la provincia de Madrid. Todas ellasestaban provistas de estaciones de aforo enfuncionamiento en las fechas que se realizaron

los estudios: 1966-80 en el caso de las cuencassegovianas y 1915-17 en la cuenca madrileña.

Evidentemente, tanto el modelo integradocomo el método propuesto han precisado yprecisan de información sobre el estado físicode las cuencas estudiadas. A continuación secomentan los elementos más significativos delas cuencas segovianas, que tienen mayor re-percusión en los comportamientos hidrológi-cos de las mismas.

Las cuencas de los ríos Moros y Riaza están si-tuadas en la vertiente norte del Sistema Cen-tral y sus características de forma y relieve sonsimilares, presentando una altitud media de1618 m y 1503 m snm respectivamente. Las ca-racterizaciones climáticas, edáficas y ecológi-cas de ambas cuencas fueron descritas porGANDULLO et al. (1976) y en el caso de la ve-getación se corroboraron mediante un recono-cimiento de campo posterior.

La clasificación en los tipos hidrológicos A, B,C y D (que se establece en el procedimiento delNC del USDA-SCS) de los suelos presentes enlas citadas cuencas, se llevó a cabo a partir deun estudio geológico-litológico realizado aambas cuencas en el transcurso de la tesis doc-toral de ROJO (2004); completándose con la in-formación edafológica de las mismas obtenidade los resultados de los análisis efectuados acuatro muestras de suelo en el caso de lacuenca del río Moros y de cinco en el de lacuenca del río Riaza GANDULLO et al. (1976).El resultado de estas operaciones se sintetizaen la Tabla 1. En cuanto a los valores del NC se


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Cuenca vertiente Posición fisiográfica Profundidad(cm.) Textura Perfil edáfico Tipo de suelo

según el SCS

Río Moros

Fondo de valle 100 Franco-arenosa A(B)C B-C

Ladera 75-50 Franco-arenosa AC B-C

Cumbre 25 Franco-arenosa AC D

Río Riaza

Fondo de valle 100-125 Franca A(B)C C

Ladera 100-50 Franca AC C

Cumbre 50-25 Franca AC C-D

Tabla 1. Tipos de suelos según la clasificación del USDA-SCS en las cuencas de los ríos Moros y Riaza.

Table 1. Soil types of the Moros and Riaza river basins according to the USDA-SCS classification.

asignaron en función de las distintas combina-ciones de tipo de suelo y vegetación o uso delsuelo en cada una de las diferentes zonas deambas cuencas, como se muestra en la Tabla 2.Los valores medios de NCmedio para las mis-mas, en condición II (de humedad normal delsuelo), fueron 73 para la cuenca del río Morosy 77 para la del río Riaza.

La capacidad media de retención de agua en elsuelo, necesaria en el cálculo de los balanceshídricos de ambas cuencas, se estimó tambiéna través de los datos edafológicos disponibles,comentados anteriormente, estableciendopara definirlas una CCmedia = 92 mm.

Las restantes variables requeridas, tanto parael modelo integrado como para el método

propuesto, se obtuvieron a partir de la infor-mación meteorológica diaria o mensual (de-pendiendo de la información necesaria encada situación) proporcionada por el InstitutoNacional de Meteorología (actual Agencia Es-tatal de Meteorología) y, en el caso concreto dede la cuenca del arroyo de El Romeral, de lainformación particular disponible CAMPO(1917). También se tuvo en cuenta, en el análi-sis de los datos diarios de precipitaciones ytemperaturas, la posibilidad de existencia deun manto de nieve, que retardase la incorpo-ración del dato de la precipitación al fenó-meno de infiltración/escorrentía; así como laintegración de los resultados a escala men-sual. Todo ello contribuyó a establecer paralas citadas cuencas una relación entre la preci-pitación mensual y la escorrentía directa (su-

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CUENCA Uso del suelo (vegetación) SUELO NCi Sup. (ha) NCmedio

RÍO MOROS

Improductivo – 98 14,00

Herbáceas D 84 0,00

Herbáceas/arbustivas C 86 700,00

Herbácea/arbórea/arbustiva C 86 0,00

Herbácea/arbórea C 86 0,00

Arbórea/arbustiva C 86 0,00

Arbóreas en buen estado B-C 63 941,00

Arbórea en regular estado B-C 70 1.508,00

Arbóreas en mal estado C 78 673,00

TOTAL 3.836,00 73

RÍO RIAZA

Improductivo – 98 46,00

Herbáceas C 79 514,00

Herbáceas/arbustivas C-D 77 1.622,00

Herbácea/arbórea/arbustiva C-D 77 0,00

Herbácea/arbórea C-D 78 0,00

Arbórea/arbustiva C 78 0,00

Arbóreas en buen estado C 70 235,00

Arbórea en regular estado C 74 0,00

Arbóreas en mal estado C 78 1.226,00

TOTAL 3.643,00 77

Tabla 2. Números de Curva (NCi) en las diferentes zonas de las cuencas de los ríos Moros y Riaza y Números de Curva medio(NCmedio) de cada una de las cuencas

Table 2. Curve Numbers (NCi) for the different areas of the Moros and Riaza river basins and averaged Curve Number (NCmedio)for each watershed.


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Figura 2. Datos estimados de escorrentía superficial mensual frente a los valores correspondientes de precipitación total mensual.

Figure 2. Estimated monthly surface runoff Vs. total monthly precipitation

Segovia-Observatorio núm. 2465 Navacerrada-Puerto núm. 2462

Altitud 1005 m snm 1890 m snm

MESESTemperatura media:

Tm (º C)Precipitación

P (mm)Temperatura media:

Tm (º C)Precipitación

P (mm)

ENE 4,30 47,71 –0,41 179,61

FEB 5,29 39,03 –1,04 189,01

MAR 6,45 42,17 –0,11 130,63

ABR 8,83 40,83 1,93 133,73

MAY 12,52 58,36 5,71 158,20

JUN 17,03 41,91 10,73 82,27

JUL 21,27 19,81 15,61 29,39

AGO 20,83 15,80 15,38 29,52

SEP 17,51 32,73 12,03 63,49

OCT 12,30 45,87 6,55 167,13

NOV 6,89 48,27 1,98 193,63

DIC 3,85 36,98 –0,37 160,38

Tabla 3. Valores de temperatura y precipitación media mensual interanual correspondientes a las estaciones meteorológicas de Se-govia-Observatorio y Navacerrada-Puerto, para el periodo entre 1966 y 1980.

Table 3. Interannual mean monthly temperature and precipitation from weather stations of Segovia-Observatorio and Navace-rrada-Puerto for the period 1966-1980.

perficial) mensual, que permite la aplicacióndel método objeto específico de este docu-mento.

Esta relación entre precipitación mensual y es-correntía directa (superficial) mensual tam-bién ha permitido dar unos valores de Porcen-taje de Escorrentía Directa, concepto utilizadopor MONTERO DE BURGOS (1974) y que di-ferencia entre los dos posibles caminos de laprecipitación, en principio muy distintos,como son la vía superficial (rápida) y la víasub-superficial (lenta). En la Figura 2 se apre-cian los valores de escorrentía directa estima-dos por ROJO (2004) y que han sido utilizadospara establecer las regresiones mensuales.

En lo que sigue, para la información meteoro-lógica se han utilizado los valores de la esta-ción de Segovia-Observatorio (núm. 2465), si-tuada a una altitud de 1005 m snm y laestación de Navacerrada-Puerto (núm. 2462),situada a una altitud de 1890 m snm, cuyosdatos se muestran en la Tabla 3.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Para la exposición de los resultados se esta-blece la secuencia siguiente: a) los relativos a laestimación de los porcentajes mensuales de es-correntía directa o superficial Q (mm) a partirde los módulos pluviométricos mensuales P(mm) y b) los que se refieren a los caudales me-dios mensuales resultantes en la sección de sa-lida de la cuenca.

Estimación de los porcentajes mensualesde escorrentía directa superficial Q (mm)a partir de los módulos pluviométricosmensuales P (mm)

Para deducir una regla general, a fin de obte-ner valores de la escorrentía directa superficiala partir de los datos mensuales de precipita-ción, se integraron los datos de las dos cuencas(las de los ríos Moros y Riaza) en un mismobloque de información, para así obtener un cri-terio lo más generalizable posible, dentro de lalimitación que supone trabajar con cuencas de

características similares.

Como regla general se observó que para preci-pitaciones mensuales bajas, la escorrentía su-perficial que cabe esperar es prácticamentenula. A partir del intervalo entre 75 a 100 mmaparece una aportación superficial directa a lared de drenaje.

Partiendo de este punto, se ajustó, para cadames del año, una regresión lineal entre el valorde la precipitación mensual por encima delumbral de 75 mm y la escorrentía superficialestimada mediante el método del Número deCurva. La pendiente de estas regresiones semuestra en la Tabla 4. Analizando los mesespor separado, se detectan cuatro grupos; cadauno de ellos con una tendencia determinada.Esta información puede servir de base para es-timar la escorrentía directa mensual, partiendode la precipitación del mes en entornos simila-res al estudiado. Los grupos mencionados son:

1) El que comprende los meses de julio,agosto y septiembre, en los que la escorren-tía superficial es prácticamente nula, portratarse de meses de escasa precipitación ycon el perfil edáfico seco, que permitiría re-tener la precipitación de un evento torren-cial intenso, aunque lógicamente aislado, sillegase ocurrir en algún momento. A esatendencia prácticamente nula le corres-ponde una pendiente media para estosmeses de 0,0237 mm/mm.

2) En el mes de octubre los valores de la esco-rrentía para precipitaciones superiores a 75mm presentan una tendencia que se puededefinir por una línea de 0,0819 mm/mm dependiente. Esta baja respuesta señala lagran capacidad de retención de humedadque todavía presenta el suelo, tras un ve-rano en el que se ha secado gran parte delmismo.

3) El formado por los meses de noviembre, di-ciembre, enero, febrero, marzo y abril en losque la respuesta de la escorrentía es má-xima. En estos meses las precipitacionespueden llegar a ser importantes y el suelo seencuentra cada vez más saturado por la es-

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Meses del año Pendiente R2

Enero 0,3723 0,8871

Febrero 0,3062 0,1896

Marzo 0,3028 0,5744

Abril 0,4062 0,7513

Mayo 0,1805 0,7265

Junio 0,2191 0,0170

Julio 0,0110 –0,2666

Agosto 0,0301 –1,2297

Septiembre 0,0301 –0,0608

Octubre 0,0819 0,7973

Noviembre 0,2927 0,5284

Diciembre 0,3439 0,9492

Tabla 4. Pendiente de la línea de tendencia que relaciona la precipitación mensual por encima de 75 mm y la escorrentía superfi-cial estimada mediante el método del Número de Curva para dicha precipitación; en la última columna aparece el coeficiente decorrelación.

Table 4. Slope of the trend line relating monthly rainfall above 75 mm and surface runoff calculated from the Curve Number me-thod; coefficient of correlation in the last column

Figura 3. Representación gráfica de la pendiente de la línea de tendencia que relaciona la precipitación mensual por encima de 75mm y la escorrentía superficial estimada mediante el método del Número de Curva; para cada mes y los valores medios para loscuatro grupos que se establecen a nivel anual.

Figure 3. Graphic representation of the trend line slope relating monthly rainfall above 75 mm and surface runoff calculated fromthe Curve Number method, shown by month and mean values for the four annual groups.

casa evapotranspiración debida a las bajastemperaturas del periodo. Para este inter-valo del año la tendencia de la escorrentíasuperficial se puede representar, como unvalor medio de todos los meses, por 0,3374mm/mm de pendiente para una precipita-ción mensual que exceda de los 75 mm.

4) El que abarca los meses de mayo y junio, enlos que la temperatura activa la evapotrans-piración y contribuye al secado el suelo, losuficiente como para que la respuesta de laescorrentía directa se reduzca con respectoa los meses anteriores. En este caso, la pen-diente de la línea que representa la tenden-

cia de la escorrentía superficial resulta0,1998 mm/mm.

La Figura 3 muestra los valores de la pen-diente correspondiente a cada mes y la pen-diente media de cada uno de los cuatro gru-pos establecidos. La información gráficaanterior se completa con la Figura 4 en la que,a modo de ejemplos, se muestra las tenden-cias de la correlación entre la precipitaciónmensual por encima de los 75 mm y la esco-rrentía directa para los meses de marzo,mayo, septiembre y octubre; ajustada a unaregresión lineal, de la que se da su ecuación ycoeficiente de correlación.

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Figura 4. Distintas tendencias de respuesta en escorrentía superficial en función del módulo pluviométrico mensual, restados losprimeros 75 mm del mismo.

Figure 4. Different trends for surface runoff response depending on the monthly rainfall rate after subtracting the first 75 mm.

Determinación de los caudales mediosmensuales resultantes en la sección desalida de la cuenca

La determinación de los caudales medios men-suales en la sección de salida de la cuenca im-plica, además de estimar las escorrentías su-perficiales Q (mm), como se ha expuesto en elepígrafe anterior; estimar también las escorren-tías subterráneas. Para estas últimas se aplicóel procedimiento de cálculo del balance hídricode THORNTHWAITE & MATHER (1955), conla variante de introducir en su desarrollo laprecipitación que realmente se incorpora alsuelo (P-Q) = INF (mm), en sustitución de laprecipitación mensual P (mm). A través de estebalance hídrico medio interanual se determinael valor de la escorrentía procedente del aguasubterránea R (mm). A continuación la sumade las escorrentías Q + R (mm) se transformaen caudal en la sección de salida de la cuencaen función de la superficie de ésta. Todos los

cálculos se realizaron con la información proce-dente las estaciones meteorológicas: Segovia-Observatorio y Navacerrada-Puerto.

Los resultados obtenidos de los caudales me-dios mensuales en la sección de salida de lascuencas de cabecera de los ríos Moros y Riaza,obtenidos con el método propuesto y a partirde la información meteorológica indicada, semuestran en las Figuras 5 y 6; junto con lasaportaciones reales de esas mismas cuencas re-gistradas en sus correspondientes estacionesde aforo.

La Figura 5 muestra los resultados de los cau-dales medios mensuales obtenidos con el mé-todo propuesto utilizando la información delas estaciones de Segovia-Observatorio y Na-vacerrada-Puerto, comparados con los valoresde sus aportaciones reales correspondientes.En la Figura 5 los datos meteorológicos, tantode la precipitación como en la temperatura,

están modificados en función del gra-diente altitudinal para adaptarse alpunto representativo de la orografía decada una de las cuencas. En la Figura 6los datos meteorológicos no han sido so-metidos a ninguna modificación.


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Figura 5. Caudales medios mensuales simulados a partirde los datos de las estaciones meteorológicas situadas enel entorno de las cuencas, modificando los datos origina-les en función de los gradientes altitudinales de precipi-tación y temperatura.

Figure 5. Mean monthly streamflow simulated usingdata from weather stations placed on the study basins su-rroundings, modifying the original data depending onthe precipitation and temperature altitudinal gradient.

Se observa que, si bien en rasgos generales losdatos corregidos de la estación de Navace-rrada se ajustan mejor al balance de los cauda-les aforados en ambas cuencas, en los mesesde verano y otoño quedan mejor representa-dos con la información procedente de la esta-ción de Segovia. Es importante hacer notarque en cualquier caso se mueve dentro delmismo orden de magnitud en los caudales yque, de no haberse realizado las correccionescomentadas, los resultados estarían más aleja-dos de los registros reales, como se puedeapreciar en la Figura 6.

Es evidente que los buenos resultados de laaplicación del método, radican en la disponi-bilidad de una información meteorológica querepresente fielmente las condiciones a las queestá sometida la cuenca en estudio y que losgradientes de corrección sean los adecuados.

Como se observa, la utilización de informa-ción de la zona puede proporcionar resultadosaceptables; sin embargo, son claramente mejo-rables o por lo menos indican que sería acon-sejable buscar información de algún observa-torio que reflejara mejor las condiciones delárea en cuestión.

Cabría preguntarse si, en el caso de disponerde una información detallada de la precipita-ción y de la temperatura que se registran en lacuenca, el método podría mejorar los valoresestimados y en que grado podría hacerlo.

Con esta finalidad se aplicó el método a unacuenca con información meteorológica deta-llada, aunque antigua. Se trata de la cuenca delarroyo del Romeral, situada en el monte de laJurisdicción (San Lorenzo de El Escorial, Ma-drid). Esta cuenca estuvo instrumentalizada a

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Figura 6. Caudales medios mensuales simulados sinmodificar los datos originales en función de los gra-dientes altitudinales de precipitación y temperatura.

Figure 6. Mean monthly streamflow simulated wi-thout modifying the original data depending on theprecipitation and temperature altitudinal gradient.

principios del siglo XX, cuando la entonces Es-cuela Especial de Ingenieros de Montes estabaubicada en dicha localidad.

La cuenca disponía de siete pluviómetros re-partidos por su superficie y en la sección desalida tenía una estación de aforos, hoy en díadesaparecida, en el enclave de la Fuente de laTeja. Se ha considerado que el número de esta-ciones de registro y su localización a lo largode la cuenca, permitían representar fielmentela meteorología a la que estuvo sometida lamisma durante el periodo estudiado, desdeseptiembre de 1915 hasta agosto de 1917(única información publicada de la época a laque se ha tenido acceso).

En este caso no se han corregido los valores dela precipitación y de la temperatura, dado quese han considerado directamente representa-dos por los valores registrados sobre la super-ficie de la cuenca, limitándose a obtener unvalor medio y aplicarlo posteriormente como

valor único representativo. En la Figura 7 seaprecia el buen ajuste obtenido, en este casocon la aplicación del balance hídrico deTHORNTHWAITE & MATHER, en la estima-ción de las aportaciones del arroyo del Rome-ral y permite ser optimista en su aplicación acuencas de características similares a las estu-diadas.

CONCLUSIONES

1) Se ha presentado un método aproximado ysencillo para determinar el caudal medio men-sual a la salida de una pequeña cuenca demontaña, basado en la suma de los caudalesgenerados por las escorrentías superficiales ysubterráneas. Las primeras, rápidas, estima-das mediante unas correlaciones precipita-ción/escorrentía –obtenidas a partir de un es-tudio del comportamiento hidrológico de dospequeñas cuencas ubicadas en la vertientenorte de la Sierra de Guadarrama, realizado


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Figura 7. Simulación del caudal medio mensual en la cuenca del arroyo del Romeral.

Figure 7. Simulation of mean monthly streamflow in the Romeral stream basin.

por ROJO (2004)–. Las segundas, más dilata-das en el tiempo, utilizando el procedimientodel balance hídrico de THORNTHWAITE &MATHER (1955) con la modificación plante-ada por el propio método, que ha consistidoen sustituir en el cálculo del balance hídrico laprecipitación mensual P (mm) por la que real-mente se incorpora al suelo INF (mm). Exten-diendo ambas escorrentías a toda la cuenca, sehan determinado sus correspondientes cauda-les en su sección de salida.

2) Para mejorar la aplicación del método, losdatos de precipitación mensual y temperaturamedia mensual registrados en una estaciónmeteorológica cercana a la cuenca en cuestión,se deben corregir atendiendo a la diferencia dealtitud entre la mencionada estación y la alti-tud media de la cuenca. Se han realizado estoscálculos con datos de dos estaciones diferen-tes, una de altitud inferior a la de la cuenca yotra situada a mayor altitud, observando deesta forma el rango de variabilidad que puedeaparecer al utilizar distintas estaciones de refe-rencia, aplicando en ambos casos los mismosvalores de gradiente, 8% de incremento de laprecipitación por cada 100 m de aumento dealtitud y 0,65 ºC de disminución de la tempe-ratura por cada 100 m de incremento de cota,propuestos como aproximación general porGANDULLO (1994). Se podrían haber utili-zado los gradientes mensuales locales calcula-dos a partir de los datos de las dos estacionesconsideradas, pero el objetivo del método hasido realizar una primera aproximación con lainformación más general disponible, asu-miendo que en muchas ocasiones en la mon-taña no se dispone de un número de estacio-nes suficiente para calcular los gradienteslocales.

3) En las tres cuencas analizadas (las de losríos Moros y Riaza y la del arroyo del Rome-ral) el contraste entre los resultados obtenidoscon la aplicación del método y los datos medi-dos en las estaciones de aforo situadas a la sa-lida de las mismas, han aportado un buenajuste dentro del orden de magnitud esperableen un procedimiento de primera aproxima-ción, como es el que se facilita.

4) Se ha observado en la cuenca del río Morosque el gradiente de precipitación utilizado damejores resultados cuando se aplica a los datosde la estación de Navacerrada, que cuando seaplica sobre los datos de la estación de Segoviadurante los meses de febrero a junio, mientrasque los datos de Segovia corregidos reflejaríanmejor los meses de julio a enero. Sin embargo,en la cuenca del río Riaza ofrece mejores resul-tados la estación de Navacerrada a lo largo detodo el año.

5) Una aportación adicional surgida con el mé-todo propuesto ha sido que, al establecer lascorrelaciones entre la escorrentía mensual di-recta o superficial y la precipitación mensual,se han definido cuatro tipos de regresiones li-neales claramente diferenciados por su pen-diente, entre el valor de la precipitación men-sual por encima del umbral de 75 mm y laescorrentía superficial estimada mediante elmétodo del Número de Curva. Estas regresio-nes guardan una gran similitud con el con-cepto de Porcentajes de Escorrentía Directa defi-nido por MONTERO DE BURGOS (1974) alestablecer la capacidad bio-climática de unaestación, lo que supone una información adi-cional en caso de plantearse la restauración hi-drológico-forestal de la cuenca. A continua-ción se adjuntan las citadas regresiones:

a) Noviembre-abril. Periodo de mayor res-puesta de la escorrentía superficial o di-recta. Pendiente: 0,3374 mm/mm.

b) Mayo-junio. Pendiente: 0,1998 mm/mm.

c) Julio-septiembre. Periodo con una res-puesta prácticamente nula de la escorrentíasuperficial. Pendiente: 0,0237 mm/mm.

d) Octubre. Pendiente: 0,0819 mm/mm.

6) Por último, se ha tratado de diferenciar, entodo momento y con la mayor claridad posi-ble, el modelo integrado elaborado por ROJO(2004) para estimar los caudales medios conti-nuos en una cuenca de montaña y el métodopropuesto en este texto, que manteniendo elmismo objetivo, supone una simplificacióndel mismo. Conviene precisar que el método

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propuesto se apoya en las regresiones estable-cidas entre la precipitación y escorrentía men-suales, obtenidas mediante un estudio delcomportamiento del ciclo del agua en dos pe-queñas cuencas ubicadas en la Sierra de Gua-darrama, localizada en medio del SistemaCentral; por lo que su aplicación se puede ex-tender a dicho Sistema, pero no a otras cade-nas montañosas de España, donde se requeri-ría de nuevas correlaciones pre cipitación-escorrentía obtenidas en pequeñas cuencas si-tuadas en las mismas. El método tiene portanto la virtualidad de poder extender el mo-delo integrado establecido por ROJO (2004) alentorno de las cuencas en donde ha sido apli-cado.

AGRADECIMIENTOS

Al Instituto Nacional de Meteorología (actualAgencia Estatal de Meteorología) y a la Confe-deración Hidrográfica del Duero, por facilitarla información necesaria para realizar el mo-delo integrado para estimar los caudales me-dios continuos en una cuenca de montaña,ROJO (2004), cuya simplificación ha generadoel método propuesto en este documento.

LISTA DE SÍMBOLOS

CC, capacidad de retención de agua delsuelo accesible por la vegetación enmilímetros.

CCmedio, valor medio para la cuenca de la capa-cidad de retención de agua del sueloaccesible por la vegetación en mm.

Tm, temperatura media mensual corre-gida en altitud en ºC.

Pd, precipitación diaria corregida en alti-tud en mm.

P precipitación mensual en mm.

Qd, escorrentía directa superficial diariaen mm.

Q, escorrentía directa superficial men-sual en mm.

inf, infiltración diaria en mm.

INF, infiltración mensual en mm.

NC, Número de Curva.

NCmedio, Número de Curva medio de la cuencaintegrador de las características desuelo y vegetación existentes.

R, aportación mensual de agua por esco-rrentía subterránea en mm.


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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ABBOTT, M. B., BATHURST, J. C., CUNGE, J. A., O’CONNELL, P. E. & RASMUSSEN, J. (1986). Anintroduction to the European Hydrological System - Systeme Hydrologique Europeen, SHE, 1:History and philosophy of a physically-based, distributed modelling system. Journal ofHydrology, 87, 45-49.

CAMPO BARTOLOMÉ, M. (1915): Observaciones hidrológico-forestales en el monte «La Jurisdic-ción». Selvicultura Española. Madrid.

CAMPO BARTOLOMÉ, M. (1917): Dos años de observaciones hidrológico-forestales en el monte«La Jurisdicción». Selvicultura Española. Madrid.

COFFEY, M. E., WORKMAN, S. R., TARABA, J. L. & FOGLE, A. W. (1999). Procedures for evaluat-ing daily streamflow predictions with the SWAT model, ASAE, 992104.

EWEN, J., BATHURST, J. C., PARKIN, G., O’CONNELL, E., BIRKINSHAW, S., ADAMS, R., HILEY,R., KILSBY, C. & BURTON, A. (2002), SHETRAN physically-based distributed river basin mod-elling system. In: Mathematical Modelling of Small Watershed Hydrology, V.P. Singh, D. K. Frevert& S. P. Meyer (eds.). Water Resources Publications, Englewood, Colorado, USA, 43-68.

GANDULLO, J. M., SÁNCHEZ PALOMARES, O. & GONZÁLEZ ALONSO, S. (1976): Contribu-ción al estudio ecológico de la Sierra de Guadarrama. An. INIA/ Serv. Recursos Naturales.

GANDULLO, J. M. (1994) Climatología y ciencia del suelo. Fundación Conde del Valle de Salazar. E.T. S. Ingenieros de Montes. Madrid, 403 pp.

MINTEGUI, J. A. & ROBREDO J. C. (1993): Métodos para la estimación de los efectos torrenciales en unacuenca hidrográfica. Manual para un programa básico. Fundación Conde del Valle de Salazar. E. T.S. Ingenieros de Montes. Madrid, 88 pp.

MISHRA, S. K. & SINGH, V. P. (2003) Soil Conservation Service Curve Number Methodology, Klu-wer Academic Pub

MONTERO DE BURGOS J. L. & GONZALEZ REBOLLAR J. L. (1974) Diagramas Bioclimáticos,ICONA - MAPA, 379 pp.

NASH, J. E., SUTCLIFFE. J. V. (1970) River flow forecasting through conceptual models: I. A dis-cussion of principles, Journal of Hydrology, 10, pp. 282-290.

PONCE, V. M. (1989) Engineering Hydrology: Principles and practices, Prentice Hall. New Jersey, 640pp.

ROBREDO, J. C. & MINTEGUI, J. A. (1994) Diseño de un modelo distribuido elemental para elanálisis del comportamiento hidrológico de una cuenca vertiente, Ingeniería del Agua. 1 (4), 79-102

ROJO NÚÑEZ, I. (2004) Modelo para estimar las disponibilidades hídricas en una cuenca de carác-ter forestal. Aplicación a las cuencas de los ríos Moros y Riaza. Tesis Doctoral. Departamentode Ingeniería Forestal. E. T. S. Ingenieros de Montes. UPM, 215 pp.

ROJO NÚNEZ, I., ROBREDO SÁNCHEZ, J. C. & MINTEGUI AGUIRRE, J. A. (2009) Simplificaciónde un método para la estimación de caudales continuos en pequeñas cuencas de montaña,5CFE01-410 Actas 5º Congreso Forestal Español: Montes y Sociedad: Saber qué hacer; Ávila 21-25septiembre, Editores SECF y Junta de Castilla y León, CD-ROM, 9 pp.

THORNTHWAITE, C. W. & J. R. MATHER J. R. (1955): The Water Balance, Publ. Climatol. Lab. Cli-matol. Drexel. Inst. Technol. 8(1) 1-104.

USDA SCS (1956) National Engineering Handbook, Hydrology, Section 4, Soil Conservation Serv-ice, US Department of Agriculture, Washington DC.

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