2013 HIDROLOGÍA
UNIVERSIDAD DE HUANUCO 11/02/2013
HIDROLOGÍA
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INTRODUCCIÓN El ciclo hidrológico o ciclo del agua es el proceso de circulación del agua entre los distintos compartimientos de la hidrósfera. Se trata de un ciclo biogeoquímico en el que hay una intervención mínima de reacciones químicas, y el agua solamente se traslada de unos lugares a otros o cambia de estado físico. La mayor parte de la masa del agua se encuentra en forma líquida, sobre todo en los océanos y mares y en menor medida en forma de agua subterránea o de agua superficial por ejemplo ríos y arroyos. El segundo compartimento por su importancia es el del agua acumulada como hielo sobre todo en los casquetes glaciares antártico y groenlandés, con una participación pequeña de los glaciares de montaña, sobre todo de las latitudes altas y medias, y de la banquisa. Por último, una fracción menor está presente en la atmósfera como vapor o, en estado gaseoso, como nubes. Esta fracción atmosférica es sin embargo muy importante para el intercambio entre compartimentos y para la circulación horizontal del agua, de manera que se asegura un suministro permanente a las regiones de la superficie continental alejadas de los depósitos principales.
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DEFINICIONES BASICAS La evaporación: Es un fenómeno de la naturaleza que ocurre cuando la radiación solar hace subir el agua en forma de vapor o humedad desde el mar hasta la atmósfera.
Evapotranspiración: Es un fenómeno que explica la evaporación del agua contenida en las plantas de la tierra.
La precipitación: Es la caída del agua desde la atmósfera hacia la superficie de la tierra. La infiltración: Se le llama así al paso del agua que cae de las lluvias y penetra entre la superficie y las capas del suelo, a través de los poros y aberturas que se encuentran entre las rocas del suelo.
Las corrientes subterráneas: Son las aguas que se han infiltrado en el suelo que en algunos casos fluyen subterráneamente y se unen a ríos o lagos
La escorrentía superficial: es el movimiento del agua de lluvia que llega a la superficie de la tierra, y se concentra en pequeños recorridos de agua, que luego forman arroyos
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DESARROLLO DEL TEMA
CICLO HIDROLÓGICO DEFINICION El agua existe en la Tierra en tres estados: sólido (hielo, nieve), líquido y gas (vapor de agua). Océanos, ríos, nubes y lluvia están en constante cambio: el agua de la superficie se evapora, el agua de las nubes precipita, la lluvia se filtra por la tierra, etc. El ciclo hidrológico comienza con la evaporación del agua desde la superficie del océano. A medida que se eleva, el aire humedecido se enfría y el vapor se transforma en agua: es la condensación. Las gotas se juntan y forman una nube. Luego, caen por su propio peso: es la precipitación. Si en la atmósfera hace mucho frío, el agua cae como nieve o granizo. Si es más cálida, caerán gotas de lluvia. Una parte del agua que llega a la superficie terrestre será aprovechada por los seres vivos; otra escurrirá por el terreno hasta llegar a un río, un lago o el océano. A este fenómeno se le conoce como escorrentía. Otro porcentaje del agua se filtrará a través del suelo, formando capas de agua subterránea, conocidas como acuíferos. Este proceso es la percolación. Tarde o temprano, toda esta agua volverá nuevamente a la atmósfera, debido principalmente a la evaporación.
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FASES DEL CICLO DEL AGUA El ciclo del agua tiene una interacción constante con el ecosistema debido a que los seres vivos dependen de este elemento para sobrevivir y a su vez ayudan al funcionamiento del mismo. Por su parte, el ciclo hidrológico presenta cierta dependencia de una atmósfera poco contaminada y de un cierto grado de pureza del agua para su desarrollo convencional, ya que de otra manera el ciclo se entorpecería por el cambio en los tiempos de evaporación, condensación, etc.
EVAPORACIÓN La evaporación se define como "el proceso físico por el cual un sólido o líquido pasa a estar en fase gaseosa." La evaporación del agua a la atmósfera ocurre a partir de superficies de agua libre como océanos, lagos y ríos, de zonas pantanosas, del suelo, y de la vegetación húmeda.
Disponibilidad de energía (radiación solar)
Capacidad de la atmósfera de recibir humedad (poder evaporante de la atmósfera) Los principales factores que controlan la evaporación son los siguientes:
Radiación solar. Es, sin duda, el factor más importante.
Temperatura del aire. Cuanto más frío está el aire mayor será la convección térmica hacia el mismo y por tanto menos energía habrá disponible para la evaporación. Por otra parte, cuanto mayor sea la
temperatura del aire, mayor es su presión de vapor de
saturación.
Humedad atmosférica. El aire seco se satura más tarde y tiene menor tensión de vapor (e), por lo que cuanto mayor es la humedad relativa menor será el déficit de saturación (D).
Viento. El proceso de la evaporación implica un movimiento neto de agua hacia la atmósfera. Si el proceso perdura, las capas de aire más cercanas a la superficie libre se saturarán. Para que el flujo continúe, debe establecerse un gradiente depresiones de vapor en el aire. Por ello, cuanto mayor sea la renovación del aire, esto es el viento, mayor será la evaporación.
Tamaño de la masa de agua Salinidad
Estimación de la evaporación
La evaporación se puede calcular mediante fórmulas empíricas y semi-teóricas, mediante la realización de un balancee energético de la masa de agua o bien aplicando la ecuación de Penman, que es el método más preciso. No obstante, es recomendable utilizar métodos
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experimentales, a pesar de los inconvenientes que presentan. Las fórmulas empíricas no tienen en cuenta la disponibilidad energética y sólo dan una idea de la capacidad evaporante de la atmósfera, al contrario que el método del balance energético, de difícil aplicación, que ignora el poder evaporante de la atmósfera.
Determinación experimental
La medida más frecuente de la evaporación se obtiene mediante los denominados tanques de evaporación, que pueden ser enterrados, flotantes y de superficie. Las condiciones de evaporación en los tanques no son las mismas que en una superficie mayor y hay que normalizar las medidas con el denominado coeficiente de tanque (0.7-0.8). Los tanques presentan problemas de mantenimiento y es necesario protegerlos con redes. Existen otros aparatos para medir la evaporación, como son los evaporímetros, como los de tipo Piché, que tienen una cápsula de evaporación y una escala de medida
ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL Se define como ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL al exceso de Precipitación que se desplaza sobre la superficie del terreno por gravedad, formando una red hidrográfica sobre el terreno, hacia un punto de salida del Area de Drenaje de la cuenca.
Se define como CUENCA a la
superficie que colecta toda el agua de excesos de precipitación hacia un punto determinado del cauce, al que se refiere la cuenca.
La manera de valorar el Escurrimiento es a traves del
CAUDAL (Volumen/Tiempo). Generalmente veremos en este tema los caudales expresados en m3/seg, lts/seg, etc.
La representación gráfica de los caudales del curso de agua de una
cuenca en función del tiempo se denomina HIDROGRAMA.
El estudio de Hidrogramas de
Crecida de una cuenca, resulta muy importante para el dimensionamiento de estructura, predicción de hidrogramas, etc.
INFILTRACIÓN La Infiltración es un elemento importante del ciclo hidrológico interviniente en muchos problemas de evaluación, planificación y diseños de ingeniería.
Se define a la infiltración como al proceso hidrológico por el cual el agua ingresa al suelo a través de su superficie La superficie a través de la cual se produce el proceso de ingreso del agua al suelo puede ser: * La superficie del suelo en terreno natural no inundado.
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* El lecho de un río o cauce natural o artificial. * El fondo de una laguna o estero. * Cualquier otro tipo de interfase suelo-agua por donde
pueda producirse este proceso.
A través de lo expresado surge claramente la interacción de dos elementos: al agua que es la que sufre el proceso de infiltración y el suelo, el cual se transforma en el receptor de dicha infiltración ( en forma temporal o permanente ). El agua que da origen a la infiltración puede provenir de fenómenos naturales (lluvia, agua de depresiones, de cursos de aguas, etc. ) o artificial ( riego agrícola ). fenómenos distintos:
A partir del agua que se infiltra al terreno, se producen tres a) retención como humedad del suelo y posterior uso por parte de las
plantas a través del fenómeno de evapotranspiración. subsuelo.
b) alimentación de los acuíferos del
c) constituir un flujo de escurrimiento subsuperficial que puede alimentar
posteriormente al flujo o escurrimiento superficial.
Intensidad de lluvia y capacidad de infiltración Si la intensidad de precipitación nunca excede la capacidad de infiltración final, no habrá escurrimiento. El gradiente de potencial por encima del frente de mojadura tiende a uno y la velocidad de infiltración será igual a la intensidad de precipitación. Si la intensidad de precipitación es mayor que la capacidad de infiltración final y menor que la capacidad de infiltración inicial, y continúa durante un período suficientemente largo, se tendrá un período inicial desde el comienzo de la precipitación en que el suelo absorbe el agua que cae. Esa capacidad de absorción irá disminuyendo y llegará un momento en que será menor que la precipitación. En ese instante comenzará a formarse una lámina de encharcamiento. La intensidad de lluvia excederá la capacidad de infiltración en el momento en que la precipitación acumulada se acerque a la infiltración acumulada que ha sido predicha para el encharcamiento continuo de la superficie.
PRECIPITACIÓN
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La lluvia, la nieve, el cellisco o aguanieve, o bien el granizo, se refieren a un mismo fenómeno denominado precipitación. Solamente donde las extensas masas de aire experimentan una continua disminución de las temperaturas por debajo del punto de rocío, la precipitación adquiere una considerable magnitud. Además, requiere un ascenso de la masa de aire hasta elevadas cotas.
ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL Se define como ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL al exceso de Precipitación que se desplaza sobre la superficie del terreno por gravedad, formando una red hidrográfica sobre el terreno, hacia un punto de salida del Area de Drenaje de la cuenca.
Se define como CUENCA a la
superficie que colecta toda el agua de excesos de precipitación hacia un punto determinado del cauce, al que se refiere la cuenca.
La manera de valorar el Escurrimiento es a traves del
CAUDAL (Volumen/Tiempo). Generalmente veremos en este tema los caudales expresados en m3/seg, lts/seg, etc.
La representación gráfica de los caudales del curso de agua de una
cuenca en función del tiempo se denomina HIDROGRAMA.
El estudio de Hidrogramas de
Crecida de una cuenca, resulta muy importante para el dimensionamiento de estructura, predicción de hidrogramas, etc.
TRANSPIRACIÓN La mayor parte del agua evaporada por las plantas es agua que ha pasado a través de la planta, absorbida por las raíces, pasando por los tejidos vasculares y saliendo por las hojas, a través de los estomas, aunque a veces también ocurre a través de la cutícula. Esta evaporación de agua a través de las plantas es la denominada transpiración. El agua absorbida por las raíces cumple las siguientes funciones: incorporación a su estructura (1%), transporte de alimentos, eliminación de sales y refrigeración. La transpiración está controlada por muchas variables ya que depende de algunos aspectos dinámicos de la actividad de la planta:
• Las diferentes especies vegetales pueden transpirar cantidades muy diferentes de agua en función de la naturaleza de las aberturas de evaporación que tienen las hojas, los denominados estomas, sobretodo por su tamaño, densidad y localización o exposición • La estación del año, que determina si las plantas tienen hojas y por cuánto tiempo • la hora del día, que altera el balance de la radiación, y los ritmos de fotosíntesis y crecimiento de la planta, y la actividad de los estomas. Por la noche la transpiración es del orden del 5-10% de la tasa de transpiración diurna
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• El estado de crecimiento de la planta, dado que las plantas consumen mucha más agua en estado de crecimiento activo o periodos de construcción de biomasa, o cuando el sistema radicular ha alcanzado el máximo de expansión y eficiencia. Para ciertas especies vegetales el máximo de evapotranspiración tiene lugar cuando ha conseguido cubrir toda la superficie del suelo • los factores meteorológicos también influyen en la apertura de los estomas, dándose la circunstancia de que con fuertes vientos, sobretodo si son cálidos, los estomas se cierran, como mecanismo para no perder grandes cantidades de agua. Por el contrario, en casos de gran humedad ambiental, las plantas pueden seguir eliminando agua incluso en forma líquida para permitir el movimiento de la savia • las propiedades del suelo, por supuesto, también condic ionan la cantidad de agua disponible para la planta, siendo un factor limitante a tener en consideración, de manera que, en función de la litología, las plantas van a ser capaces de extraer más o menos cantidad del agua retenida por el suelo
ESCURRIMIENTO SUBTERRANEO La medición de la profundidad del nivel de agua se realiza con una sonda como la que se presenta en la Figura 18.
El registro sistemático de estas profundidades aporta importante
información sobre las variaciones de la disponibilidad de agua en los reservorios subterráneos y sobre el movimiento del agua en los acuíferos (escurrimientosubterráneo).
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CLUCIONES
El ciclo hidrológico se refiere al movimiento y circulación natural que el agua tiene en toda la tierra y su atmósfera.
El ciclo hidrológico es un proceso continuo pero irregular en el espacio y en el tiempo. Una gota de lluvia puede recorrer todo el ciclo o una parte de él. Vale destacar que cualquier acción del hombre en una parte del ciclo, alterará el ciclo entero para una determinada región.
El ciclo hidrológico además de mantener en movimiento el agua, cumple con una función importante, colaborando en mantener la superficie de la Tierra más fría y la atmósfera más caliente.
El ciclo del agua emite una gran cantidad de energía, la cual procede de la que aporta la insolación. La evaporación es debida al calentamiento solar y animada por la circulación atmosférica, que renueva las masas de aire y que es a su vez debida a diferencias de temperatura igualmente dependientes de la insolación.
Si despreciamos las pérdidas y las ganancias debidas al vulcanismo y a la subducción, el balance total es cero. Pero si nos fijamos en los océanos, se comprueba que este balance es negativo; se evapora más de lo que precipita en ellos
El agua, al desplazarse a través del ciclo hidrológico, transporta sólidos y gases en disolución. El carbono, el nitrógeno y el azufre, elementos todos ellos importantes para los organismos vivientes, son volátiles y solubles, y por lo tanto, pueden desplazarse por la atmósfera y realizar ciclos completos, semejantes al ciclo del agua.
Si el agua del suelo se mueve en sentido ascendente, por efecto de la capilaridad, y se está evaporando en la superficie, las sales disueltas pueden ascender también en el suelo y concentrarse en la superficie, donde es frecuente ver en estos casos un estrato blancuzco producido por la acumulación de sales.
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