UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERIA GEOLÓGICA, MINERA, METALÚRGICA Y GEOGRÁFICA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL
HIDROLOGIA
PROF. MG. ING. JORGE LUIS GASTELO VILLANUEVA
2015
I. 1.
Consideraciones Generales
Generalidades El estilo de vida al cual al cual la población se ha acostumbrado depende, en gran medida, de la disponibilidad de suficiente agua limpia y barata y que, luego de haber sido usada, su eliminación sea segura. La naturaleza limita la cantidad de agua disponible para nuestro uso. Aunque hay suficiente agua en el planeta, no siempre se encuentra en el lugar y momento adecuados. Además, existen evidencias de que los desechos químicos eliminados de forma inapropiada tiempo atrás están apareciendo actualmente en las fuentes de agua. Hay que enfrentarse, enfrentars e, en la actualidad, a unos consumos muy altos, abastecimientos inciertos, y demandas incrementadas de protección contra las inundaciones y la contaminación. Son preocupantes los efectos de la escasez de agua limpia sobre la economía y la salud.
2.
Definiciones Se denomina hidrología a la ciencia geográfica que se dedica al estudio de la distribución, espacial y temporal, y las propiedades del agua presente en la atmósfera y en la corteza la corteza terrestre. Esto terrestre. Esto incluye las precipitaciones, las precipitaciones, la la escorrentía, escorrentía, la la humedad del suelo, del suelo, la la evapotranspiración evapotranspiración y el equilibrio de las masas glaciares. masas glaciares. Por Por otra parte el estudio de las aguas subterráneas corresponde a la Hidrogeología. Existen muchas definiciones de hidrología, se recurre a la que es considerada la más completa, propuesta por U.S. Federal Council for Science and Technology (1962).
“Hidrología es la ciencia natural que estudia el agua, su ocurrencia, circulación y distribución en la superficie terrestre, sus propiedades químicas y físicas y su relación con el medio ambiente, incluyendo a los seres vivos”. También es conveniente mencionar la definición que plantea la Organización Meteorológica Mundial, por que destaca la importancia de la hidrología en relación con los recursos hidráulicos de la tierra y su aprovechamiento.
“Hidrología es la ciencia que trata de los procesos que rigen el agotamiento y recuperación de los recursos de agua en las áreas continentales de la tierra y en las diversas fases del ciclo hidrológico” hidrológico” La hidrología se ha desarrollado como ciencia en respuesta a la necesidad de comprender el complejo sistema hídrico de la Tierra y ayudar a solucionar los problemas de agua. Los hidrólogos juegan un papel importante en la búsqueda de soluciones a los problemas del agua y, para los que estudien hidrología, los retos son interesantes. La hidrología se nutre de disciplinas como la geología, química, edafología y fisiología vegetal, empleando muchos de sus principios y métodos. Los investigadores en el campo usan mucho (y cada vez más) las simulaciones computarizadas de los sistemas hidrológicos naturales y las técnicas de detección remota, como, por
ejemplo, el uso de satélites que orbitan el planeta equipados con cámaras infrarrojas para detectar cuerpos de aguas contaminadas o para seguir el flujo de manantiales termales.
3.
Objetivos En general los objetivos de la hidrología son:
4.
Adquirir los conocimientos teóricos básicos de los fenómenos hidrológicos, para resolver los problemas que en este campo se presenten en nuestro país.
Conocer la cantidad, frecuencia y naturaleza de ocurrencia del proceso lluvia – escurrimiento sibre la superficie terrestre; y
Determinar eventos de diseño, a partir de los datos hidrológicos de los diferentes fenómenos hidrológicos que son registrados en las redes de medición.
Hidrología e Hidrografía Por el contrario se denomina hidrografía al estudio de todas las masas de agua de la Tierra, y en sentido más estricto a la medida, recopilación y representación de los datos relativos al fondo del océano, las costas, las mareas y las corrientes, de manera que se puedan plasmar sobre un mapa, sobre una carta hidrográfica. No obstante esta diferencia, se usará los términos casi como sinónimos, ya que la parte de la hidrografía que interesa aquí es aquella que crea relieve, por lo tanto la que está en contacto con la superficie terrestre, y por eso mismo la que es objeto de un análisis hidrológico. Hay que tener en cuenta que un río es una corriente de agua que fluye por un cauce desde las tierras altas a las tierras bajas y vierte en el mar o en una región endorreica (río colector) o a otro río (afluente). Los ríos se organizan en redes. Una cuenca hidrográfica es el área total que vierte sus aguas de escorrentía a un único río, aguas que dependen de las características de la alimentación. Una cuenca de drenaje es la parte de la superficie terrestre que es drenada por un sistema fluvial unitario. Su perímetro queda delimitado por la divisoria o interfluvio. Los trazados de los elementos hidrográficos se caracteriza por la adaptación o inadaptación a las estructuras litológicas y tectónicas, pero también la estructura geológica actúa en el dominio de las redes hidrográficas determinando su estructura y evolución.
5.
Investigación Hidrológica La investigación hidrológica es importante para el desarrollo, gestión y control de los recursos de agua. Sus aplicaciones son muchas, incluyendo el desarrollo de sistemas de irrigación, control de inundaciones y erosión de suelos, eliminación y tratamiento de aguas usadas, disminución de la contaminación, uso recreacional del agua, la conservación de los peces y vida silvestre, la generación hidráulica, y el diseño de estructuras hidráulicas. Las personas interfieren el ciclo del agua para sus propias necesidades. El agua es desviada temporalmente de una parte del ciclo, ya sea extrayéndola del suelo o
tomándola de un río o lago. Esa agua es usada para diversas actividades en el hogar, los negocios y en las industrias; para el transporte de los desechos a través de las cloacas; para la irrigación de fincas y plazas; y para la producción de energía eléctrica. Luego de ser usada, el agua es regresada a otra parte del ciclo: descargada, quizás, aguas abajo o dejada a que se infiltre en el suelo. Normalmente, el agua usada es de menor calida, incluso luego de ser tratada, lo cual ocasiona problemas a los usuarios aguas abajo. El hidrólogo estudia los procesos fundamentales de transporte para poder describir la cantidad y calidad del agua que se desplaza por el ciclo (evaporaci ón, evaporación, escorrentía, infiltración, flujo subterráneo, y otros componentes). El ingeniero hidrólogo, o ingeniero de recursos hídricos, se encarga de la planificación, diseño, construcción y operación de los proyectos para el control, uso y gestión de los recursos hídricos. Los problemas del recurso agua también son estudiados por los meteorólogos, oceanógrafos, geólogos, químicos, biólogos, economistas, politólogos, especialistas en matemáticas aplicadas e informática, e ingenieros de varios campos.
6.
Ingeniería hidrológica o hidrología aplicada Generalmente los proyectos hidráulicos son de dos tipos: los proyectos que se refieren al uso de agua y los que se refieren a la defensa contra los daños que ocasiona el agua, tomando estos principios se define: La Ingeniería hidrológica es la ciencia aplicada, que usa principios hidrológicos en la solución de problemas de ingeniería, que surgen de la necesidad de uso y explotación de los recursos hídricos, así como para la protección contra daños ocasionados por éste. La hidrología aplicada moderna exige conocimientos avanzados de matemáticas, tales como la estadística, planteamientos y resoluciones analíticas del comportamiento del ciclo hidrológico que es muy complejo.
7.
División de la hidrología La hidrología puede catalogarse, de acuerdo con la forma de análisis, y el uso que se dará de los resultados puede clasificarse, aun sabiendo de la limitación de cualquier clasificación en:
Hidrología cualitativa : En la hidrología cualitativa el énfasis está dado en la descripción de los procesos. Por ejemplo en la determinación de las formas y causas que provocan la formación de un banco de arena en un río, estudio asociado al trasporte sólido de los cursos de agua; o al análisis de la ocurrencia de condensaciones en determinados puntos de una carretera, que afectan la visibilidad y por lo tanto pueden aconsejar a cambiar el trazado de la misma. Hidrología hidrométrica : La hidrología hidrométrica, o hidrometría, se centra en la medición de las variables hidrológicas, se trata básicamente de trabajos de campo, donde el uso adecuado de los instrumentos de medición, la selección adecuada de los locales en los cuales las medidas son efectuadas y la correcta interpretación de los resultados es fundamental para la calidad de la información recabada.
Hidrología cuantitativa : El énfasis de la hidrología cuantitativa esta en el estudio de la distribución temporal de los recursos hídricos en una determinada cuenca. Los instrumentos más utilizados en esta rama de la hidrología son los instrumentos matemáticos, modelos estadísticos y modelos conceptuales. Hidrología en tiempo real : Es la rama más nueva de la hidrología, y se populariza a partir de los años 1960 - 70, con el auge de las redes telemétricas, donde sensores ubicados en varios puntos de una cuenca transmiten, en t iempo real los datos a una central operativa donde son analizados inmediatamente para utilizarlos en auxilio de la toma de decisiones de carácter operativo, como abrir o cerrar compuertas de una determinada obra hidráulica. 9.
Objetivos de los Estudios Hidrológicos Los proyectos que usan el agua como componente principal se clasifican de la siguiente manera: a.
b.
c.
d.
Proyectos de Suministro de Agua
Captan caudales (Q) de corrientes superficiales o de depósitos subterráneos para abastecer demandas de agua en áreas específicas.
Entre estos proyectos se cuentan los de Acueductos y Alcantarillados y los de Riego y Drenaje de Campos Agrícolas.
Proyectos de suministro de Energía Hidráulica
Captan caudales (Q) de corrientes superficiales y aprovechan diferencias de cota (H) para entregar Energía Hidráulica a las Turbinas de las Centrales Hidroeléctricas.
Las turbinas convierten la Energía Hidráulica en Energía Mecánica la cual se transmite a los Generadores; éstos transforman la Energía Mecánica en Energía Eléctrica.
Diseño de Obras Viales, Drenajes de Aguas Lluvias y Estructuras de Protección contra ataques de ríos.
Los estudios hidrológicos analizan los regímenes de caudales medios y extremos de las corrientes de agua en los tramos de influencia de las obras viales, en las zonas que requieren de alcantarillados de aguas lluvias, y en las zonas inundables adyacentes a los cauces.
Los caudales de creciente y las avalanchas que se generan por deslizamientos son las variables importantes en este tipo de proyectos. Estas variables se relacionan luego con los niveles de inundación, con las velocidades de flujo y con los procesos de socavación lateral y de fondo.
Proyectos de Navegación Marítima y Fluvial.
10.
Los estudios de Hidrología en los proyectos de Navegación Marítima consisten en el análisis del Estado del Tiempo en mar profundo, en la plataforma continental y en los litorales. El Estado del Tiempo es una variable hidrológica que relaciona Temperatura, Humedad, Presión Atmosférica y Vientos, y es responsable de la presencia de olas en la superficie del mar.
En los proyectos de Navegación Fluvial la Hidrología estudia los regímenes de caudales medios y extremos en los tramos navegables, las relaciones Caudal-Profundidad, y los volúmenes de sedimentos que se mueven como carga de fondo y en suspensión.
En desarrollo de estos proyectos los estudios hidrológicos recolectan y procesan información histórica, programan y ejecutan programas de campo en topografía, batimetrías, aforos líquidos y sólidos, toma y análisis de muestras de sedimentos.
Aplicación de la hidrología en la Ingeniería Civil La Hidrología es aplicada con mucha frecuencia para el diseño de obras civiles. El ingeniero civil que se ocupa de proyectar, construir o supervisar el funcionamiento de instalaciones hidráulicas, sanitarias y otras obras civiles debe resolver numerosos problemas prácticos. Éstos pueden ser de muy variado carácter, pero en la mayoría de los casos será necesario el conocimiento de la hidrología para su solución. Los proyectos de ingeniería civil típicos de explotación y uso de los recursos hídricos (agua) son:
Abastecimiento de agua potable,
Irrigación (riego tecnificado y riego por inundación)
Aprovechamiento hidroeléctrico(centrales hidroeléctricas)
Suministro de agua para múltiples usos
Navegación
Recreación entre otros.
Los proyectos de ingeniería civil típicos para la protección contra los daños que ocasiona el agua son:
Drenaje urbano (drenajes fluviales, evacuación de desechos)
Drenaje vial (dimensionamiento de puentes, alcantarillas en carreteras)
Drenaje agrícola (drenaje superficial, para la eliminación de aguas superficiales, innecesarias y perjudiciales a la agricultura y a los asentamientos humanos; drenaje subsuperficial, para la eliminación de aguas perjudiciales para la agricultura y para las instalaciones técnicas)
Encauzamientos de ríos
Defensa contra inundaciones
Determinación de llanuras de inundación
Control de la erosión en cuencas
Dimensionamiento y operación de embalses
Como base para la realización de tales tareas, el ingeniero debe conocer los elementos básicos del ciclo hidrológico, los medios y métodos de medida de los mismos, las técnicas de tratamiento de datos y su interpretación. Además, debe saber establecerse adecuadamente las relaciones cuantitativas y cualitativas entre parámetros importantes, mediante la ayuda del análisis de sistemas, la estadística matemática, etc. En la Figura siguiente se muestra algunos ejemplos de obras civiles donde se aplico el conocimiento de la hidrología.
II. Ciclo Hidrológico 1.
Generalidades El agua constituye entre el 50 y el 90% del peso de todo organismo animado. Es una de las sustancias más abundantes e importantes de la Tierra. El agua sostiene a las plantas y a la vida animal, desempeña un papel importante en la formación del clima, ayuda a dar forma a la superficie del planeta, mediante la erosión y otros procesos, y cubre aproximadamente el 70% de la superficie de la Tierra. El agua circula continuamente entre la superficie de la Tierra y su atmósfera en un proceso que se denomina ciclo hidrológico. Este, también denominado ciclo del agua, es uno de los procesos básicos de la naturaleza. A pesar de su abundancia, no podemos utilizar gran parte del agua. Si representamos el agua de la Tierra con la cantidad de 100 litros, 97 de ellos son agua del océano y gran parte de lo que resta es hielo. Únicamente alrededor de 3 ml del total de 100 litros es agua que podríamos consumir; esa agua se extrae del subsuelo o se toma de los ríos y lagos. El agua participa en muchas reacciones químicas importantes, y la mayoría de sustancias son solubles en ella.
Los números en paréntesis representan a las reservas de agua disponibles en 10 3 km3 Debido a lo eficiente que resulta como disolvente, el agua en estado totalmente puro casi no existe en la naturaleza. El agua acarrea muchas impurezas naturales o introducidas por el ser humano a medida que viaja a través del ciclo hidrológico. Estas impurezas le dan a cada porción de agua su composición química característica o calidad. El agua y la nieve recogen pequeñas partículas de polvo o aerosoles del aire y la luz del sol hace que las emisiones de la quema de gasolina y otros combustibles fósiles reaccionen con el agua para formar ácido sulfúrico y nítrico. Estos
contaminantes regresan a la Tierra en forma de lluvia o nieve ácidas. Los ácidos del agua disuelven las rocas poco a poco y hacen que los sólidos disueltos vayan a parar al agua. Estos pequeños, pero visibles, trozos de roca y suelo también ingresan al agua y se quedan como sólidos en suspensión que tornan turbias a muchas aguas. Cuando el agua se filtra en el suelo, entra en contacto muy directo con las rocas y más minerales que se disuelven en el agua. Estas impurezas disuelta s o suspendidas determinan la calidad del agua.
2.
El Ciclo del Agua El ciclo del agua es único, aunque siempre renovado: evaporación, precipitaciones, escorrentías o infiltraciones, salida al mar y reinicio del proceso. Para su posterior utilización como recurso es preciso conocer no sólo el volumen total de las aportaciones que se introducen en ese ciclo (precipitaciones) sino la importancia relativa de cada fase (relaciones entre lluvias y evaporación, entre los caudales subterráneos y los superficiales) y las características físico-químicas del agua en cada momento del ciclo (estado sólido o líquido, salinidad, etc.). Se conoce como ciclo natural del agua el proceso que se inicia con el aporte de las precipitaciones desde la atmósfera a la tierra y a partir del cual el agua se evapora, transcurre sobre la superficie o se infiltra en mantos subterráneos.
El agua, elemento esencial para la configuración y la dinámica del medio físico y de las formas de vida, es, si cabe, especialmente importante en las regiones de la cuenca mediterránea, uno de cuyos rasgos definitorios es la relativa escasez y, sobre todo, la enorme irregularidad de las aportaciones naturales de agua. Ello se traduce en largos periodos de sequía que contrastan con momentos de precipitación torrencial que vienen a actuar sobre un medio escasamente protegido por la vegetación, provocando periódicos desbordamientos e inundaciones. El ciclo natural del agua depende fundamentalmente de la interrelación entre una serie de factores: el volumen de las precipitaciones, así como su distribución en el
tiempo y en el espacio; el sustrato geológico y el tipo de materiales, su permeabilidad y su resistencia; las características de los suelos, que influyen en la capacidad de retención de agua y de desarrollo de la vegetación. El ciclo del agua, único en su conjunto, está sin embargo lleno de matices y circunstancias especiales en cada lugar de la región. A veces esos matices cobran una importancia decisiva para la vida, para la vegetación, influyen poderosamente en las formas de instalarse el hombre sobre el territorio, de localizar los usos y las ciudades. Por ejemplo, en determinados lugares la pluviosidad es relativamente abundante, pero los materiales de que está compuesta son en su mayor parte impermeables, el ciclo del agua se realiza sobre todo en superficie. Los manantiales y acuíferos son raros y los encajonados arroyos apenas desarrollan llanuras aluviales en sus relativamente cortos recorridos. Esta forma especial del ciclo condiciona sobremanera la colonización humana: el poblamiento se concentra en los pocos lugares donde agua y suelo permiten el cultivo y se dispersa en el resto o incluso aparecen auténticos desiertos humanos. Modernamente, estas particulares circunstancias del ciclo del agua han sido ampliamente aprovechadas para la instalación de embalses y la producción de energía eléctrica: un papel de auténtico reservorio de agua transferida hacia otras zonas de la región. El gradiente de la aridez, más intensa en las zonas orientales, unido a la torrencialidad característica de las lluvias, dan como resultado que la mayor parte de los cursos fluviales sean de carácter estacional, con un elevado poder erosivo en los momentos de las crecidas, en las que frecuentemente se desbordan los cauces y se inundan las zonas adyacentes. En ello también incide la intensa deforestación de muchas sierras, lo que disminuye la capacidad de retención del agua y favorece la erosión. El intenso arrastre de materiales trae como consecuencia la formación de grandes depósitos en las desembocaduras, auténticas llanuras litorales que modifican la línea de costa y pueden llegar a producir fenómenos de endorreismo al impedir el contacto con el mar. En cualquier caso, el ciclo natural del agua no puede ser entendido sin considerar su intervención por parte del hombre: regulación de las aguas superficiales (embalses, captaciones, elevaciones) y explotación de las aguas subterráneas. Así, el balance hidrológico final no es ya sólo un resultado de procesos naturales, sino que han de considerarse las distintas formas de apropiación y consumo de los recursos en diferentes fases. Pero no sólo el consumo directo detrae importantes volúmenes de agua del ciclo natural, también existen otros mecanismos indirectos a través de los cuales la acción humana modifica los procesos naturales: la deforestación y la erosión son aspectos que influyen en una menor capacidad de retención del agua y alteran los procesos de circulación; la contaminación modifica la composición físicoquímica del agua, lo que no sólo afecta a los procesos biológicos sino que llega a comprometer la propia reutilización del recurso, etc.
En suma, el agua es un recurso esencial para la vida con un valor estratégico desde el punto de vista económico. Su ciclo natural aporta a la región potencialidades y limitaciones de partida, y su disponibilidad es un requisito indispensable para el desarrollo de las actividades sociales y económicas.
2.1
Etapas del ciclo del agua El U.S. Geological Survey (USGS) ha identificado en el ciclo del agua 15 componentes:
3.
Agua almacenada en los océanos Evaporación Agua en la atmósfera Condensación Precipitación Agua almacenada en los hielos y la nieve Agua de deshielo Escorrentía superficial Corriente de agua Agua dulce almacenada Infiltración Descarga de agua subterránea Manantiales Transpiración Agua subterránea almacenada Distribución global del agua
El Agua en la Tierra El agua se encuentra en la Tierra en cantidades considerables en sus tres estados físicos: líquido, sólido y gaseoso. Así también en la atmósfera, mares y océanos y los continentes. El agua pasa fácilmente de una fase a otra y de un ambiente a otro, a este comportamiento dinámico según el tiempo y espacio se le domina ciclo hidrológico o ciclo del agua.
4.
Definiciones Definición 1 El ciclo hidrológico se podría definir como el “proceso que describe la ubicación y el movimiento del agua en nuestro planeta". Es un proceso continuo en el que una partícula de agua evaporada del océano vuelve al océano después de pasar por las etapas de precipitación, escorrentía superficial y/o escorrentía subterránea. El concepto de ciclo se basa en el permanente movimiento o transferencia de las masas de agua, tanto de un punto del planeta a otro, como entre sus diferentes estados (líquido, gaseoso y sólido). Este flujo de agua se produce por dos causas principales: la energía Solar y la gravedad.
Definición 2
El ciclo hidrológico se define como la secuencia de fenómenos por medio de los cuales el agua pasa de la superficie terrestre, en la fase de vapor, a la atmósfera y regresa en sus fases líquida y sólida. La transferencia de agua desde la superficie de la Tierra hacia la atmósfera, en forma de vapor de agua, se debe a la evaporación directa, a la transpiración por las plantas y animales y por sublimación (paso directo del agua sólida a vapor de agua).
Definición 3 Se denomina Ciclo Hidrológico al movimiento general del agua, ascendente por evaporación y descendente primero por las precipitaciones y después en forma de escorrentía superficial y subterránea.
5.
Fases del Ciclo Hidrológico a.
Evaporación El ciclo se inicia sobre todo en las grandes superficies líquidas (lagos, mares y océanos) donde la radiación solar favorece que continuamente se forme vapor de agua. El vapor de agua, menos denso que el aire, asciende a capas más altas de la atmósfera, donde se enfría y se condensa formando nubes. La evaporación es el principal proceso mediante el cual, el agua cambia de estado líquido a gaseoso. La evaporación es el proceso por la cual el agua líquida de los océanos ingresa a la atmósfera, en forma de vapor, regresando al ciclo del agua. Diversos estudios han demostrado que los océanos, mares, lagos y ríos proveen alrededor del 90% de humedad a la atmósfera vía evaporación; el restante 10% proviene de la transpiración de las plantas. El calor (energía) es necesario para que ocurra la evaporación. La energía es utilizada para romper los enlaces que mantienen unidas a las moléculas de agua, es por esto, que el agua se evapora más fácilmente en el punto de ebullición (100 ºC, 212 ºF), pero se evapora más lentamente en el punto de congelamiento. Cuando la humedad relativa del aire es del 100 por ciento, que es el punto de saturación, la evaporación no puede continuar ocurriendo. El proceso de evaporación toma calor del ambiente, motivo por el cual, el agua que se evapora de la piel durante la transpiración te refresca. Sobre los océanos, la evaporación es más común que la precipitación; mientras que, sobre la tierra la precipitación supera a la evaporación. La mayor parte del agua que se evapora de los océanos, cae de vuelta sobre los mismos como precipitación. Solamente un 10 por ciento del agua evaporada desde los océanos, es transportada hacia tierra firme y cae como precipitación. Una vez evaporada, una molécula de agua permanece alrededor de diez días en el aire.
b.
Almacenamiento de agua en la atmósfera: Es el agua almacenada en la atmósfera como vapor, en forma de humedad y nubes La atmósfera está llena de agua Si bien la atmósfera no es un importante almacenador de agua, es una vía rápida que el agua utiliza para moverse por el globo terráqueo. Siempre hay agua en la atmósfera. Las nubes son la forma más visible del agua en la atmósfera, pero incluso el aire limpio contiene agua...partículas de agua que son muy pequeñas como para ser visibles. El volumen de agua en la atmósfera en cualquier momento es alrededor de 12,900 kilómetros cúbicos (3,100 millas cúbicas). Si toda el agua de la atmósfera cayera como lluvia al mismo tiempo, cubriría la superficie terrestre con una capa de agua de 2.5 cm de espesor, alrededor de 1 pulgada.
c.
Condensación Condensación: Es el proceso por el cual el agua cambia de estado gaseoso a líquido. La condensación es el proceso por el cual el vapor de agua del aire se transforma en agua líquida. La condensación es importante para el ciclo del agua ya que forma las nubes. Estas nubes pueden producir precipitación, la cual es la principal forma que el agua regresa a la Tierra. La condensación es lo opuesto a la evaporación. La condensación es responsable también de la niebla, de que se empañen tus lentes cuando pasas de un cuarto que está frío a uno más cálido, de la humedad del día, de las gotas que escurren por el lado de afuera de tu vaso y de las gotas que se forman del lado de adentro de las ventanas cuando el día esta frío.
Condensación en el aire
Incluso en aquellos días en que el cielo esta completamente despejado de nubes, el agua sigue presente en forma de vapor de agua y pequeñas gotas demasiado pequeñas como para ser vistas. Las moléculas de agua se combinan con diminutas partículas de polvo, sales y humo para formar gotas de nube, que crecen y forman las nubes. Cuando las gotas de nube se juntan entre si crecen en tamaño, formándose las nubes y, la precipitación puede suceder.
¿Por qué hace más frío a medida que nos desplazamos hacia arriba en la atmósfera? Las nubes se forman en la atmósfera por que el aire que contiene el vapor de agua se eleva y enfría. Lo crucial de este proceso, es que el aire cercano a la Tierra es calentado por la radiación solar. La razón por la que el aire se enfría sobre la superficie terrestre, es la presión de aire. El aire tiene peso, a nivel del mar, el peso de la columna de aire que esta encima de nuestra cabeza es de alrededor de 32 kilogramos (14 ½ libras) por pulgada cuadrada. La presión, llamada presión barométrica, es resultado de la densidad del aire que esta por encima nuestro. A mayores altitudes, hay una menor cantidad de aire, y por eso, una menor cantidad de aire ejerciendo presión. A mayores altitudes, la presión barométrica es menor, y el aire es menos denso. Esto provoca el enfriamiento del aire.
d.
Precipitación Cuando por condensación las partículas de agua que forman las nubes alcanzan un tamaño superior a 0,1 mm comienza a formarse gotas, gotas que caen por gravedad dando lugar a las precipitaciones (en forma de lluvia, granizo o nieve). El agua que precipita sobre los suelos va a repartirse, a su vez, en tres grupos: una que es devuelta a la atmósfera por evapotranspiración y dos que producen escurrimiento superficial y subterráneo. Esta división está condicionada por varios factores, unos de orden climático y otros dependientes de las características físicas del lugar donde ocurre la precipitación. Así, la precipitación, al encontrar una zona impermeable, origina escurrimiento superficial y la evaporación directa del agua que se acumula y queda en la superficie. Si ocurre en un suelo permeable, poco espeso y localizado sobre una formación geológica impermeable, se produce entonces escurrimiento superficial, evaporación del agua que permanece en la superficie y aún evapotranspiración del agua que fue retenida por la cubierta vegetal. En ambos casos, no hay escurrimiento subterráneo; este ocurre en el caso de una formación geológica subyacente permeable y espesa. La energía solar es la fuente de energía térmica necesaria para el paso del agua desde las fases líquida y sólida a la fase de vapor, y también es el origen de las circulaciones atmosféricas que transportan el vapor de agua y mueven las nubes.
La fuerza de gravedad da lugar a la precipitación y al escurrimiento. El ciclo hidrológico es un agente modelador de la corteza terrestre debido a la erosión y al transporte y deposición de sedimentos por vía hidráulica. Condiciona la cobertura vegetal y, de una forma más general, la vida en la Tierra.
La tasa de precipitación varía geográficamente y a lo largo del tiempo La cantidad de precipitación varía a lo largo del mundo, de los países, incluso dentro de una misma ciudad. El record mundial promedio de lluvia anual, pertenece a Mt. Waialeale, Hawai, donde el promedio es 1,140 cm (450 pulgadas) por año. Como algo excepcional se registro en este lugar, 1,630 cm. de lluvia durante un período de 12 meses, lo que corresponde a casi 5cm. por día. En contraste a esa precipitación excesiva, tenemos Arica, Chile, donde no llovió en 14 años. El mapa a continuación muestra la precipitación anual promedio, en milímetros y pulgadas, del mundo. Las áreas verde claro pueden ser consideradas "desiertos". Tu esperabas que el Sahara en África fuese un desierto pero, ¿pensaste que gran parte de Groenlandia y la Antártida fuesen desiertos?
c.
Retención: Pero no toda el agua que precipita llega a alcanzar la superficie del terreno. Una parte del agua de precipitación vuelve a evaporarse en su caída y otra parte es retenida (“agua de intercepción”) p or la vegetación, edificios, carreteras, etc., y luego se evapora. Del agua que alcanza la superficie del terreno, una parte queda retenida en charcas, lagos y embalses (“almacenamiento superficial”) volviendo una gran parte de nuevo a la atmósfera en forma de vapor.
d.
Escorrentía superficial: Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequeños cursos de agua, que luego se reúnen en arroyos y más tarde desembocan en los ríos (“escorrentía superficial”). Este agua que circula superficialmente irá a parar a lagos o al mar, donde una parte se evaporará y otra se infiltrará en el terreno. Escorrentía superficial. El agua de las precipitaciones que no es evaporada ni infiltrada, escurre superficialmente. Aún le pueden suceder varias cosas:
Parte es evaporada: desde la superficie de ríos, lagos y embalses también se evapora una pequeña parte.
Otra parte puede quedar retenida como nieve o hielo o en lagos o embalses. ("Escorrentía superficial diferida")
Finalmente una parte importante es la escorrentía superficial rápida que sigue su camino hacia el mar. La escorrentía superficial se presenta siempre que hay precipitación y termina poco después de haber terminado la precipitación.
La escorrentía superficial, es la escorrentía de lluvia que corre sobre el terreno. La mayor parte de las personas piensas simplemente que, la lluvia cae sobre la tierra, fluye sobre ella (escorrentía de lluvia), y corre hacía los ríos, los cuales se descargan a los océanos. Esto es algo simplificado, ya que los ríos también ganan y pierden agua a través del suelo. Sin embargo, la mayor parte del agua de los ríos proviene directamente de la escorrentía que fluye por la superficie, denominada escorrentía superficial. Generalmente, parte de la lluvia que cae es absorbida por el suelo, pero cuando la lluvia cae sobre suelo saturado o impermeable comienza a correr sobre el suelo, siguiendo la pendiente del mismo. Durante las lluvias fuertes, verás pequeños cordones de agua corriendo cuesta abajo. El agua corre por canales a medida que se dirige a los grandes ríos. Esta imagen muestra un ejemplo de cómo la escorrentía superficial entra en una pequeña cañada. En este caso, la escorrentía corre sobre suelo desnudo, arrastrando consigo gran cantidad de sedimento que es depositado en el río (esto es malo para la calidad del agua). El agua de escorrentía que esta ingresando a esta cañada esta comenzando su viaje de retorno hacia el océano. Como sucede en todas las partes del ciclo del agua, la relación entre precipitación y escorrentía superficial varía de acuerdo al tiempo y la geografía.
La escorrentía superficial es afectada por factores meteorológicos y por la geología física y topografía del lugar. Únicamente un tercio de la lluvia que cae corre en forma de escorrentía hacia los océanos; la fracción restante, se evapora o es absorbida por el suelo pasando a formar parte del agua subterránea.
Importancia de los ríos. Los ríos no son importantes únicamente para las personas, también lo son para el resto de los seres vivos. No son únicamente un lindo lugar para que las personas (y sus perros) jueguen, las personas también los utilizan para abastecerse de agua potable y agua de riego, para producir electricidad, para eliminar residuos (en el mejor de los casos, residuos tratados), para transportar mercadería, y para obtener comida. Los ríos son los principales ambientes donde se desarrollan plantas y animales. Los ríos ayudan a mantener los acuíferos llenos de agua, ya que descargan agua hacia los mismos a través de sus lechos. Y, los océanos se mantienen con agua, ya que los ríos y la escorrentía continuamente están descargando agua en ellos.
Las cuencas y los ríos Cuando se piensa en un río es importante pensar en su cuenca. ¿Qué es una cuenca?. Si tu estas parado sobre tierra en este momento, mira hacia abajo. Tu, y todas las personas están paradas en una cuenca. La cuenca, es el área donde toda el agua que cae dentro de esta y drena, se dirigirá hacia un mismo punto.. Cuencas pequeñas, se encuentran dentro de cuencas más grandes. Las cuencas son importantes ya que el cuerpo de agua y la calidad del mismo se ven afectados por lo que sucede en la cuenca, ya sea por causas naturales o provocado por el hombre.
La corriente de los cursos de agua está siempre cambiando La corriente esta siempre cambiando, día tras día, incluso minuto a minuto. La escorrentía en la cuenca producida por la lluvia, es el principal factor que afecta a la corriente. La lluvia provoca la crecida de los ríos; un río puede crecer aunque la lluvia se haya producido en un punto mucho más arriba de la cuenca--recuerda que toda al agua que cae en una cuenca, eventualmente, drena hacia un mismo punto. El tamaño de un río es altamente dependiente del tamaño de su cuenca. Los grandes ríos presentan cuencas grandes y los pequeños, cuencas pequeñas. De la misma forma, ríos de distintos tamaños, reaccionan de manera distintas frente a las tormentas y las lluvias. El nivel de los grandes ríos aumenta y disminuye de una forma más lenta que el de los de menor tamaño. En una cuenca pequeña, la crecida y la vuelta al nivel normal del agua, se produce posiblemente en cuestión de minutos o horas. A los grandes ríos les llevará días este proceso, por lo que las inundaciones pueden durar varios días.
e.
Infiltración:
Pero también una parte de la precipitación llega a penetrar la superficie del terreno (“infiltración”) a través de los poros y fisuras del suelo o las rocas, rellenando de agua el medio poroso.
El agua subterránea comienza como precipitación En cualquier parte del mundo, una porción del agua que cae como precipitación y nieve se infiltra hacia el suelo subsuperficial y hacia las rocas. La cantidad infiltrada depende de un gran número de factores. La infiltración de la precipitación que cae sobre la capa de hielo en Groenlandia, puede ser muy pequeña, mientras que, como muestra la figura del arroyo desapareciendo dentro de un cueva, un arroyo puede transformarse directamente en agua subterránea, desapareciendo. Parte del agua que se infiltra, permanece en las capas más superficiales del suelo y puede volver a entrar a un curso de agua debido a que se filtra hacia el mismo. Otra parte del agua puede infiltrarse a mayor profundidad, recargando así los acuíferos subterráneos. Si los acuíferos son lo suficientemente porosos y poco profundos como para permitir que el agua se mueva libremente a través de ellos, la gente puede realizar perforaciones en el suelo y utilizar el agua para satisfacer sus necesidades. El agua puede viajar largas distancias, o permanecer por largos períodos como agua subterránea antes de retornar a la superficie, o filtrarse hacia otros cuerpos de agua, como arroyos o océanos.
Agua subsuperficial A medida que el agua se infiltra en el suelo subsuperficial, generalmente forma una zona no-saturada y otra saturada. En la zona de no-saturación, hay algo de agua presente en las aperturas del material subsuperficial, pero el suelo no se encuentra saturado. La parte superior de la zona no-saturada es la zona del suelo. La zona del suelo presenta espacios creados por las raíces de las plantas que permite que la precipitación se infiltre dentro del suelo. El agua del suelo es utilizada por las plantas. Por debajo de la zona no-saturada, se encuentra una zona saturada, donde el agua ocupa por completo los espacios que se encuentran entre las partículas del suelo y las rocas. Las personas pueden realizar perforaciones para extraer el agua que se encuentra en esta zona.
Descarga de agua subterránea: El movimiento del agua hacia afuera del suelo Normalmente se observa el agua en lagos, ríos, hielo, lluvia y nieve. Pero también hay una gran cantidad de agua que no vemos --- el agua que existe y se mueve dentro del suelo. El agua subterránea es, en muchos casos, el principal contribuyente de los cursos de agua. Las personas han utilizado el agua subterránea por cientos de años y lo continúan haciendo hasta el día de hoy, principalmente para beber y para riego. La vida en la Tierra depende del agua subterránea como también depende del agua superficial.
El agua subterránea fluye bajo la superficie Una porción de la precipitación que cae sobre la tierra, se infiltra en el suelo y pasa a formar parte del agua subterránea. Una vez en el suelo, parte de esta agua se mueve cerca de la superficie de la tierra y emerge rápidamente siendo descargada en los lechos de las corrientes de agua, pero debido a la gravedad, una gran parte de ésta continúa moviéndose hacia zonas más profundas. La dirección y velocidad del movimiento del agua subterránea están determinadas por varias características del acuífero y de las capas confinadas del suelo (donde el agua tiene dificultad en penetrar). El movimiento del agua por debajo de la superficie depende de la permeabilidad (que tan fácil o difícil es el movimiento del agua) y de la porosidad (la cantidad de espacio abierto en el material) de la roca subsuperficial. Si la roca permite que el agua se mueva
de una forma relativamente libre dentro de ella, el agua puede moverse distancias significativas en un corto período de tiempo. Pero el agua también puede moverse hacia acuíferos más profundos, desde donde demorará años en volver a ser parte del ambiente.
Manantial: Lugar donde el agua subterráneas es descargada hacia la superficie. ¿Qué es un manantial? Un manantial resulta cuando un acuífero se llena hasta el punto en que el agua se desborda a la superficie de la tierra. Los manantiales varían en tamaño, desde pequeños manantiales que únicamente fluyen después de grandes lluvias, a grandes piscinas donde fluyen millones de litros de agua diariamente. Los manantiales pueden formarse en cualquier tipo de roca, pero se encuentran principalmente en las calizas y dolomitas. Este tipo de roca se disuelve fácilmente con la lluvia y se fractura. El agua resultante es ácida. A medida que la roca se disuelve y fractura, se forman espacios que permiten que el agua fluya. Si el flujo es horizontal, éste puede alcanzar la superficie de la tierra, resultando en un manantial.
El agua de un manantial no siempre es transparente. El agua de un manantial generalmente es transparente, aunque en algunos casos puede presentar cierto color marrón. Esta imagen muestra un manantial natural Este color rojo hierro se debe a que el agua ha estado en contacto con minerales. La descarga de agua de un manantial fuertemente coloreada puede indicar que el agua esta fluyendo rápidamente por grandes canales dentro del acuífero, sin estar siendo filtrada a través de la roca caliza.
Manantiales termales
Los manantiales termales son manantiales comunes. Muchos manantiales termales se encuentran en regiones con actividad volcánica reciente, su agua es caliente ya que el agua que los alimenta ha estado en contacto con rocas que están a altas temperaturas ubicadas en las zonas más profundas. Las rocas se vuelven más calientes a medida que aumenta la profundidad, si el agua subterránea profunda alcanza una gran grieta que ofrece un camino hacia la superficie, se puede producir un manantial termal.
f.
Evapotranspiración: En casi todas las formaciones geológicas existe una parte superficial cuyos poros no están saturados en agua, que se denomina “zona no saturada”, y una parte inferior saturada en agua, y denominada “zona saturada”. Una buena parte del agua infiltrada nunca llega a la zona saturada sino que es interceptada en la zona no saturada. En la zona no saturada una parte de esta agua se evapora y vuelve a la atmósfera en forma de vapor, y otra parte, mucho más importante cuantitativamente, se consume en la “transpiración” de las plantas . Los fenómenos de evaporación y transpiración en la zona no saturada son difíciles de separar, y es por ello por lo que se utiliza el término “evapotranspiración” para englobar ambos términos.
Transpiración: Proceso mediante el cual el vapor de agua se escapa de las plantas y entra a la atmósfera Transpiración y las hojas el las plantas La transpiración es el proceso por el cual el agua es llevada desde las raíces hasta pequeños poros que se encuentran en la cara inferior de las hojas, donde se transforma en vapor de agua y se libera a la atmósfera. La transpiración, es esencialmente la evaporación del agua desde las hojas de las plantas. Se estima que alrededor de un 10% de la humedad de la atmósfera proviene de la transpiración de las plantas. La transpiración de las plantas es un procesos que no se ve---debido a que el agua se evapora de la superficie de la hoja, tu no ves las hojas "transpirando". Durante la estación de crecimiento, una hoja transpirará una cantidad de agua mucho mayor a su propio peso. Un acre plantado con maíz, produce cerca de 11,400 - 15,100 litros (3,000- 4,000 galones) de agua por día, y un roble grande puede transpirar alrededor de 151,000 litros (40,000 galones) por año.
Factores atmosféricos que afectan la transpiración La cantidad de agua que transpiran las plantas varía según la región geográfica y a través del tiempo. Hay varios factores que determinan las tasas de transpiración:
Temperatura: La tasa de transpiración aumenta a medida que aumenta la temperatura, especialmente durante la estación de crecimiento, cuando el aire está más cálido.
Humedad relativa: A medida que aumenta la humedad del aire que rodea a la planta, la tasa de transpiración disminuye. Es más fácil para el agua evaporarse hacia el aire seco que hacia el aire saturado.
El viento y el movimiento del aire: El aumento en el movimiento del aire que rodea a la planta, provocará una mayor transpiración
Tipos de plantas: Las distintas plantas, presentan distintas tasas de transpiración. Algunas de las plantas que crecen en las zonas áridas, como los cactus, conservan la tan preciada agua transpirando menos.
Agua subterránea almacenada: El agua debajo de la tierra, ha estado ahí por millones de años El agua almacenada forma parte del ciclo del agua
Grandes cantidades de agua son almacenadas en el suelo. El agua se sigue moviendo, aunque de manera muy lenta, y sigue siendo parte del ciclo del agua. La mayor parte del agua del suelo proviene del agua de lluvia que se infiltra a través de la superficie del suelo. La capa superior del suelo, es la zona nosaturada, donde las cantidades de agua varían con el tiempo, pero no alcanzan a saturar el suelo. Por debajo de esta capa, se encuentra la zona de saturación, dónde todos los poros, grietas y espacios entre las partículas de roca se encuentran llenos de agua. El término agua subterránea es utilizado para describir esta zona. Otro término para el agua subterránea es "acuífero". Los
acuíferos, son los grandes almacenes de agua en la Tierra y muchas personas alrededor de todo el mundo dependen del agua subterránea en su diario vivir.
Para encontrar agua, mira debajo de la capa—la napa Espero que valores la hora que pase bajo el radiante sol, excavando este pozo en la playa. Esta es una buena forma de ilustrar el concepto de cómo a cierta profundidad, el suelo, si es lo suficientemente permeable como para almacenar agua, se satura de agua. La parte superior de esta piscina que se formó en el pozo es la napa. Las olas del océano se encuentran a la derecha de este pozo, el nivel de agua en el mismo, es igual al nivel del agua del océano. El nivel del agua del océano varía minuto a minuto, debido al movimiento de la marea, por lo que el nivel del agua de la napa también lo hace. De alguna manera, este hoyo puede ser utilizado para obtener agua. Si esta imagen mostrara agua dulce, las personas podrían tomar un balde y abastecerse con esta agua. Tu sabes que en la playa, si tomas un balde y tratas de vaciar el hoyo, éste se llenará inmediatamente, esto sucede debido a que la arena es tan permeable que el agua fácilmente pasa a través de ella, esto significa que nuestro "pozo" tiene un gran rendimiento. Para obtener agua, las personas deben excavar lo suficientemente profundo como para alcanzar un acuífero. El pozo puede alcanzar docenas o miles de pies de profundidad. Pero el concepto es el mismo al de nuestro hoyo en la playa —hay que alcanzar la zona del suelo dónde los espacios libres de roca están llenos de agua.
Distribución global del agua Para una descripción detallada de donde se encuentra el agua de la Tierra, mira el gráfico de barras de abajo y la tabla de datos. Observa que, del total de agua de la Tierra, 1,386 millones de kilómetros cúbicos (332.5 millones de millas cúbicas), alrededor de un 96 por ciento, es agua salada. Del agua dulce total, un 68 por ciento está confinada en los glaciares y la nieve. Un 30 por ciento del agua dulce está en el suelo. Las fuentes superficiales de agua dulce, como lagos y ríos, solamente corresponden a unos 93,100 kilómetros cúbicos (22,300 millas cúbicas), lo que representa un 1/700 del uno por ciento del total del agua. A pesar de esto, los ríos y lagos son la principal fuente de agua que la población usa a diario.
6.
Volumen de Agua del Ciclo Hidrológico Según datos estimativos publicados por UNESCO, el volumen total de agua que participa en el ciclo hidrológico es de 1,386 millones de kilómetros cúbicos aproximadamente, de los cuales:
7.
El 97,5 %, es agua salada.
El 2,24 % es agua dulce está conformada por las aguas congeladas en las profundidades de la Antártida y en las aguas subterráneas profundas.
El 0,26 % es agua dulce accesible para el consumo y se encuentr a en los lagos, embalses, suelos y de los acuíferos poco profundos
El agua en el Perú El Perú posee una superficie de 1´285,215 km 2 con una población de cerca de 26 millones de habitantes. Se encuentra localizado en la parte central y occidental de América del Sur. Hidrográficamente el territorio peruano se divide en tres vertientes; la vertiente del océano Pacífico con un área de 283 600 km2 (22%), la vertiente del Amazonas con 952 800 km2 (74%), y la vertiente del lago Titicaca con 48 800 km2 (4%). La vertiente del Amazonas es la más húmeda, presenta precipitaciones que fluctúan entre 1,500 mm/año y 4,000 mm/año, y su escorrentía media anual fluctúa entre 300 mm/año y 500 mm/año. La masa anual promedio de agua superficial que producen las 106 cuencas de las vertientes del territorio. La masa anual promedio de agua superficial que producen las 106 cuencas de las tres vertientes del territorio peruano es de 2'044,000 MMC (64,814.8 m3/s), pero el 90 % es agua que se va al Atlántico a través del río Amazonas, y del otro 10 % sólo se aprovecha una pequeña parte, debido al régimen estacional de nuestras corrientes de agua.
III. Aspectos Climatológicos y Meteorológicos Definiciones de clima Clima es una palabra griega (klima) que, etimológicamente, significa “inclinación”, aludiendo indudablemente a la inclinación del eje de la Tierra sobre el plano de la elíptica que sigue el planeta alrededor del sol. Históricamente es curioso señalar, como paralelamente al descubrimiento de esta inclinación del eje de la Tierra, aparecieron las primeras clasificaciones climatológicas. La más antigua de las que se tiene referencia fue establecida por Ptolomeo, quien diferenciaba 24 zonas climáticas en la Tierra. El criterio para separar unas de otros se fundaba en el sucesivo incremento de la duración del día. En tiempos modernos, se publican diversas clasificaciones, establecidas por los geógrafos, de manera que puede decirse que la Climatología ha entrado en el campo de la Ciencia de la mano de la Geografía, tanto es así que los primeros estudios climatológicos se diferenciaban muy poco de los geográficos.
Las primeras definiciones de “clima” se refirieron casi todas al estado medio de la atmósfera.
Hann define el clima como el conjunto de fenómenos Meteorológicos que caracterizan el estado medio de la atmósfera en un punto de la superficie de la tierra.
Para Monn el clima es un estado medio de los elementos meteorológicos en un lugar, así como las variaciones ordinarias, diarias y anuales de los mismos.
En las definiciones más recientes, es dable observar como los criterios puramente geográficos se van dejando de lado.
Thornthwaite presentó esta definición: clima es la integración de los factores meteorológicos y climáticos que concurren, para dar a una región su carácter e individualidad.
Poncelet define el clima como el conjunto fluctuante de elementos físicos, químicos y biológicos que caracterizan a la atmósfera en un lugar y su influencia sobre los seres vivos.
En las sucesivas definiciones, se han ido teniendo en cuenta cada vez más los factores biológicos, dándosele paralelamente mayor importancia a un concepto climatológico de gran interés: la evapotranspiración, la cual no es únicamente atribuible a las condiciones físicas de un lugar, sino que en ella interviene fundamentalmente la acción de los seres vivos. Finalmente la definición que hoy en día se debe admitir de Clima y que figura en las publicaciones oficiales de la Organización Meteorológica Mundial (OMM), es la siguiente: Clima es el conjunto fluctuante de condiciones atmosféricas, caracterizado por los estados y la evolución del tiempo, en el curso de un periodo suficientemente largo en un dominio espacial determinado.
Factores y Elementos
Al estudiar el clima se suelen considerar en él dos aspectos fundamentales o bien dos tipos de parámetros, factores y elementos:
Factores son aquellos aspectos físicos y geofísicos que condicionan el clima.
Elementos son cada uno de sus componentes, que no son otra cosa que las variables meteorológicas que lo determinan.
Factores Entre los factores que condicionan el clima de un lugar determinado, cabe citar: a)
La latitud, que es el factor más importante, que condiciona la radiación solar.
b)
La altitud, pues disminuye con ella la temperatura, a la vez que se altera la radiación.
c)
La continentalidad, es decir la mayor o menor distancia de un lugar a los mares.
d)
La orografía, puesto que los cordones montañosos constituyen verdaderos muros de contención al flujo normal del aire.
e)
La orientación, de importancia en configuraciones de relieve complicado, relacionado con el punto anterior y la inclinación del terreno.
f)
La naturaleza propia del terreno.
g)
La vegetación, debiendo destacarse que existe una interacción mutua entre clima y vegetación, pues se condicionan recíprocamente.
h)
Regímenes de vientos en altura.
Elementos Los elementos del clima están dados prácticamente por las variables meteorológicas del lugar considerado, en especial la radiación, la temperatura, la precipitación, la presión y los vientos, los valores medios y extremos que éstas toman y sus regímenes de variación.
Series Para el estudio de la climatología deben utilizarse exhaustivamente los datos existentes, dado que al ser una ciencia descriptiva, trabaja con los valores surgidos de sus propias observaciones. La definición de clima de la OMM, hacía referencia a “un período suficientemente largo”. En términos muy generales se ha establecido que un lapso de 30 a 35 años es suficiente para definir las variables climatológicas de un determinado lugar, dado que en el mismo se desarrollaría un ciclo meteorológico completo. La precipitación, presenta una variabilidad sumamente grande, pudiendo variar de un año a otro del 300% al 400%, y no en el orden del 5% como ocurre con la presión. Esta situación se traduce en un significativo conflicto para el análisis estadístico, justamente en el fenómeno cuya evaluación es la que más interesa en la Ingeniería Hidrológica. Para la caracterización de la temperatura en un determinado lugar, dados los valores usuales y su variación, la serie de registros necesarios resulta menor que para el caso de las precipitaciones.
Otro problema que presenta el análisis de las precipitaciones, es que su límite inferior puede ser cero y no tiene significado otro valor menor, no así las series de temperaturas, que siempre se hallan abiertas en ambos extremos. Tal circunstancia dificulta el estudio estadístico, el cálculo de las asimetrías, etc.
Clasificación El objetivo fundamental de la clasificación de los climas estriba en su comparación, con el fin de poder usar los datos hidrológicos en regiones distintas. En climas homogéneos, la temperatura y la precipitación (y eventualmente otros elementos climáticos) son similares (no equivalentes) en cantidad, variación y distribución. Así por ejemplo, el estudio comparativo de las cuencas, para las cuales son conocidos los valores medios anuales de pluviometría y erosión, ha permitido comprobar que en aquellas cuencas en que se presentaba una desigual repartición de las lluvias en el año, con una concentración de precipitaciones en un lapso relativamente corto del mismo, se producía una degradación específica elevada. Por el contrario, las cuencas con degradaciones específicas débiles predominan en climas cuya distribución anual de lluvias es más uniforme. Puesto que el clima es una compleja combinación de elementos, la que a su vez depende de una no menos compleja combinación de factores, resulta muy difícil intentar una clasificación satisfactoria y de aceptación unánime, de los variadísimos tipos climáticos que se presentan en la superficie terrestre. Sin embargo, si puede establecerse una primera clasificación o, para una mejor comprensión, una doble acepción conceptual, basada en el ámbito espacial del que se estudia el clima, y que responde a: “m acroclima” y “microclima”. Ambos términos definen por sí mismos el objetivo a alcanzar y su campo de utilización.
Macroclimatología Clasificaciones Generales Las primeras clasificaciones fueron establecidas con criterio puramente geográfico y posteriormente, fueron perfeccionándose al considerar los parámetros climatológicos en toda su amplitud. Dado que las clasificaciones generales abarcan la totalidad de los climas presente en la superficie terrestre, brindan su descripción y definen sus características. Martone, en función básicamente de la temperatura, la humedad y la situación continental, estableció seis tipos de climas: 1.
Climas calurosos sin período seco o Climas Ecuatoriales
2.
Climas calurosos con período seco o Climas Tropicales
3.
Climas templados sin estación fría o Subtropicales
4.
Climas templados con estación fría
5.
Climas Desérticos. Son determinados en general por el relieve del suelo (condiciones orográficas especiales), como ser llanos rodeados de cordilleras que sirven de barrera a los vientos húmedos y a las lluvias. Se distinguen dos tipos:
6.
a.
Climas Desérticos Calurosos, con un total anual de lluvia inferior a los 250 mm, con distribución irregular, variación térmica anual muy fuerte en la situación continental y más débil en el tipo oceánico.
b.
Climas Desérticos Fríos, cuya diferencia con el anterior estriba en que aparte de contar con estación fría, dado que suelen registrarse en verano temperaturas elevadas, tienen una mayor amplitud anual.
Climas Fríos con verano templado y climas fríos sin estación templada Una de las clasificaciones climatológicas más difundidas, es la establecida por Köppen, que basada en la temperatura y lluvias, establece 5 zonas, que a su vez dan lugar a 11 categorías, cada una con diversas variedades. Tal clasificación comprende: Zona A Tropical Lluviosa Zona B Seco Zona C Templado Lluvioso Zona D Boreal Zona E Nevado
Índices de Clasificación Diversos autores han propuesto una serie de índices para clasificar climatológicamente una región determinada, en forma genérica y en función de diversos parámetros meteorológicos. Tales índices son los más usados en la práctica de los estudios hidrológicos referidos a áreas específicas, especialmente para fines de implantaciones agrícolas.
Índice de Martone Se expresa por:
Donde: T es la temperatura media del año, en °C y P es la precipitación anual, en mm.
Según los valores de I M se tiene la siguiente clasificación:
Clasificación de Thornthwaite Este investigador ha definido dos índices generales, el de precipitación efectiva PE y el de temperatura efectiva TE , que responden a las siguientes expresiones:
Donde: T temperatura media del año, en °C
P precipitación mensual correspondiente al mes “i”, en mm Ti temperatura media mensual correspondiente al mes “i”, en °C El significado, de acuerdo al valor de cada índice es:
Índice de Knoche
Se expresa por:
Donde: T y P tienen la misma definición del índice anterior y n es el número de días de lluvia en el año. Para este índice y a escala anual, puede considerarse la siguiente clasificación:
Índice de Gasparin Se utiliza como índice de humedad del suelo referida a un año, y está dado por:
Donde: T temperatura media del año, en C °
P precipitación anual, en mm
Índice de Blair
Está dado por:
Donde: P precipitación anual, en mm
Microclimatología El microclima es el conjunto de condiciones climáticas que actúan efectivamente sobre los organismos en su hábitat natural y que difieren, a veces de modo considerable, del clima regional entendido en sentido geográfico. Un microclima afecta normalmente a un área limitada, pudiendo variar sus condiciones propias en distancias muy pequeñas. Las clasificaciones genéricas de climas, así como los índices que se calculan para una región, pueden no ajustarse a la realidad cuando se los aplica a áreas reducidas. Ello se debe a que los diversos factores que condicionan el clima, tales como relieve, orientación, altitud, naturaleza del suelo, vegetación, etc., ofrecen distintos matices, lo que origina, dentro de cada tipo general de clima, una infinidad de variedades localizadas. Es decir, las múltiples circunstancias locales condicionan el clima de un lugar, particularizándolo en diversos microclimas. En la producción y definición de las características de los microclimas, ejercen una influencia preponderante, las condiciones que presentan los accidentes de la superficie terrestre, en virtud de ello los microclimas se van debilitando hasta casi desaparecer en regiones muy elevadas sobre el nivel del mar, en donde sólo reina el clima zonal del lugar. El aspecto de mayor incidencia a nivel de obras hidráulicas, lo constituyen los microclimas que pueden generarse como consecuencia de la construcción de presas y la consiguiente conformación de los embalses a que las mismas dan lugar, debiéndose por ello evaluar, en la fase de proyecto, las tendencias microclimáticas probables a que tenderá su zona de influencia, valorando los aspectos positivos y negativos de las mismas.
IV. Cuenca Hidrográfica 1.
Definiciones
Definición 1 Cuenca Hidrográfica: Unidad natural definida por la existencia de la divisoria de las aguas en un territorio dado. Las cuencas hidrográficas son unidades morfográficas superficiales. Sus límites quedan establecidos por la divisoria geográfica principal de las aguas de las precipitaciones; también conocido como "divisoria de aguas". La divisoria de aguas, teóricamente, es una línea imaginaria que une los puntos de máximo valor de altura relativa entre dos laderas adyacentes pero de exposición opuesta; desde la parte más alta de la cuenca hasta su punto de emisión, en la zona hipsométricamente más baja. Al interior de las cuencas se pueden delimitar subcuencas o cuencas de orden inferior. Las divisorias que delimitan las subcuencas se conocen como divisoria de aguas secundarios. Cuenca Hidrológica: La definición de cuenca hidrológica es más integral que la de cuenca hidrográfica. Las cuencas hidrológicas son unidades morfológicas integrales y además de incluir todo el concepto de cuenca hidrográfica, abarcan en su contenido, toda la estructura hidrogeológica subterránea del acuífero como un todo. Tanto las cuencas hidrográficas como las hidrológicas se pueden subdividir en tres zonas de funcionamiento hídrico principales:
Zona de Cabecera de las Cuencas Hidrográficas: garantizan la captación inicial de las aguas y el suministro de las mismas a las zonas inferiores durante todo el año. Los procesos en las partes altas de la cuenca invariablemente tienen repercusiones en la parte baja dado el flujo unidireccional del agua, y por lo tanto toda la cuenca se debe administrar como una sola unidad. En este contexto, los bosques en las cabeceras de las cuencas cubren una importante función reguladora ya que controlan la cantidad y temporalidad del flujo del agua, y protegen a los suelos de ser erosionados por el agua con la consecuente sedimentación y degradación de los ríos, y la pérdida de fertilidad en las laderas.
Zonas de Cabecera y Captación - Transporte en condiciones de Cuencas Semiáridas. Zonas de Emisión de los Acuíferos. Las lagunas costeras regulan el funcionamiento de los ecosistemas marinos adyacentes. Los manglares están considerados entre los ecosistemas más productivos y la actividad socioeconómica
asociada a los mismos abarca actividades forestales, pesqueras, turístico-recreativas y otras.
Definición 2 Partiendo de una definición básica, una cuenca es el territorio que aporta agua al río que contiene, o sea, es el área total que desagua en forma directa o indirecta en un arroyo o en un río. Suele recibir el nombre de la corriente pluvial a la que alimenta, (Nebel y Wrigth; 1999:267, 670). Completando el concepto, una cuenca es un área natural en la que el agua proveniente de la precipitación pluvial forma un curso principal de agua, hasta que llega al mar, lago u otro río mayor. La cuenca es una unidad hidrográfica , conformada por el conjunto de sistemas de curso de aguas y delimitada por las cumbres, o el relieve que la comprende, siendo sus límites la “divisoria de aguas”. La cuenca es un sistema dinámico con componentes físicos tales como el agua, el aire, el suelo, subsuelo, el clima y los minerales; biológicos como la flora y la fauna; antropogénicos como los socioeconómicos, culturales e institucionales. Todos estos componentes están interrelacionados y en un determinado equilibrio, de manera que al afectar uno de ellos, se produce un desbalance en el sistema que de acuerdo a la capacidad de carga del mismo tiende a recuperar nuevamente el balance o a producir una nueva condición pero deteriorada. Además, siendo la cuenca un sistema dinámico presenta innumerables cambios en el tiempo, en donde los de origen antropogénico reflejan la cultura de la sociedad que la habita. Por lo que, una cuenca hidrográfica es una unidad natural adecuada para la coordinación de procesos de manejo diseñados para asegurar el desarrollo sustentable. Para efectos prácticos, una cuenca hidrográfica puede ser dividida en las secciones:
Cuenca alta, que corresponde con las áreas montañosas limitadas en su parte superior por las líneas divisorias de aguas.
Cuenca media, que comprende las zonas de pie de monte y valles bajos, donde el río principal mantiene un cauce definido.
Cuenca baja o zonas transicionales (como los estuarios o humedales), donde el curso de agua divaga o desaparece como tal.
Definición 3 Una cuenca hidrológica es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser drenadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida. La definición anterior se refiere a una cuenca superficial; asociada a cada una de éstas existe también una cuenca subterránea cuya forma en planta es semejante a la superficial. De ahí la aclaración de que la definición es válida si la superficie fuera impermeable. Desde el punto de vista de su salida, existen fundamentalmente, dos tipos de cuencas: endorreicas, exorreicas y arreicas . En las primeras el punto de salida está dentro de los límites de la cuenca y generalmente es un lago; en las segundas, el
punto de salida se encuentra en los límites de la cuenca y está en otra corriente o en el mar y en las terceras no tienen salida a un punto de agua.
Cuencas a) endorreicas b) exorreicas .
2.
Funciones de la Cuenca Los procesos de los ecosistemas que describen el intercambio de materia y flujo de energía a través de la vinculación de los elementos estructurales del ecosistema pueden ser vistos como un sistema: Dentro de la cuenca, se tienen los componentes hidrológicos, ecológicos, ambientales y socioeconómicos, cuyas funciones a continuación se describen:
Función Hidrológica
Captación de agua de las diferentes fuentes de precipitación para formar el escurrimiento de manantiales, ríos y arroyos.
Almacenamiento del agua en sus diferentes formas y tiempos de duración.
Descarga del agua como escurrimiento.
Función Ecológica
Provee diversidad de sitios y rutas a lo largo de la cual se llevan a cabo interacciones entre las características de calidad física y química del agua.
Provee de hábitat para la flora y fauna que constituyen los elementos biológicos del ecosistema y tienen interacciones entre las características físicas y biológicas del agua
Función Ambiental
Constituyen sumideros de CO 2.
Regula la recarga hídrica y los ciclos biogeoquímicos.
Conserva la biodiversidad.
Mantiene la integridad y la diversidad de los suelos
Función Socioeconómica
3.
Suministra recursos naturales para el desarrollo de actividades productivas que dan sustento a la población.
Provee de un espacio para el desarrollo social y cultural de la sociedad.
Aspectos Físicos de la Cuenca De Drenaje Características de la Cuenca y los Cauces El ciclo hidrológico, visto a nivel de una cuenca, se puede esquematizar como un estímulo, constituido por la precipitación, al que la cuenca responde mediante el escurrimiento en su salida. Entre el estímulo y la respuesta ocurren varios fenómenos que condicionan la relación entre uno y otra, y que están controlados por las características geomorfológicas de la cuenca y su urbanización. Dichas características se clasifican en dos tipos, según la manera en que controlan los fenómenos mencionados: las que condicionan el volumen de escurrimiento, como el Area de la cuenca y el tipo de suelo, y las que condicionan la velocidad de respuesta, como son el orden de Corrientes, pendiente de la cuenca y los cauces, etc. A continuación se describen las características de la cuenca y los cauces de mayor importancia por sus efectos en la relación precipitación-escurrimiento.
La divisoria de aguas es una línea imaginaria formada por los puntos de mayor nivel topográfico y que separa la cuenca de las cuencas vecinas. Esta línea separa las precipitaciones que caen en cuencas inmediatamente vecinas y dirige la escorrentía resultante para uno u otro sistema fluvial. Esta línea atraviesa el curso de agua unicamente en la salida de la cuenca. Une los puntos de máxima cota entre cuencas, lo que no impide que dentro de la cuenca existan cotas más elevadas que cualquier punto de la divisoria. En las figuras siguientes se muestra un ejemplo del trazo de la divisoria de aguas, considerando en todo momento que éste debe ser perpendicular a las líneas de igual elevación. A su vez se muestran los escarpes por los que se traza el borde, siempre pensando en la dirección en la que una gota de agua se movería hacía la cuenca de drenaje, hasta llegar al punto de análisis. Recuerde siempre que el agua corre siempre de cotas altas a cotas bajas y que el camino más corto para este recorrido es el perpendicular a las líneas de nivel.
Determinación de las Características Físicas de una Cuenca Las características físicas de una cuenca son elementos que tienen una gran importancia en el comportamiento hidrológico de la misma. La cuenca posee dichas características se clasifican en dos tipos: las que condicionan el volumen de escurrimiento como el área y tipo de suelo de la cuenca, y las que condicionan la velocidad de respuesta como el orden de corriente, la pendiente, sección transversal, etc. Existe una estrecha correspondencia entre el régimen hidrológico y dichos elementos por lo cual el conocimiento de éstos reviste gran utilidad práctica, ya que al establecer relaciones y comparaciones de generalización de ellos con datos hidrológicos conocidos, pueden determinarse indirectamente valores hidrológicos en secciones de interés práctico donde falten datos o donde por razones de índole fisiográfica o económica no sea factible la instalación de estaciones hidrométricas.
Delimitación
Calcular la superficie y perímetro de la cuenca El área de la cuenca se define como la superficie, en proyección horizontal, delimitada por la divisoria de aguas o divisoria de cuenca. El área de la cuenca tiene importancia porque: a)
Sirve de base para la determinación de otros elementos (parámetros, coeficientes, relaciones, etc.);
b)
Por lo general los caudales de escurrimiento crecen a medida que aumenta la superficie de la cuenca;
c)
El crecimiento del área actúa como un factor de compensación de modo que es más común detectar crecientes instantáneas y de respuesta inmediata en cuencas pequeñas que en las grandes cuencas.
Siguiendo el criterio de investigadores como Ven Te Chow se pueden definir como cuencas pequeñas aquellas con áreas menores a 250 Km 2 , mientras que las que poseen áreas mayores a los 2500 km 2 se clasifican dentro de las grandes cuencas.
Digitalización y medición con sistemas de Diseño Gráfico Asistido por Computadora (CAD). Para la obtención de la superficie por medio del digitalizado de la cuenca se debe primero ajustar la cuenca a un sistema de coordenadas de referencia.
Medición del Perímetro El Perímetro recorre el contorno de la cuenca, leyéndose directamente la longitud en Km en la escala correspondiente a la cartografía de trabajo.
Parámetros que caracterizan la forma de la cuenca: El Índice de Compacidad o de GRAVELIUS y el factor de forma adimensional de HORTON La forma superficial de las cuencas hidrográficas tiene interés por el tiempo que tarda en llegar el agua de los límites de la cuenca a la salida de la misma. Uno de los índices para determinar la forma es el Coeficiente de Compacidad (Gravelius) que es la relación “K” existente entre el perímetro de la cuenca “P” y el perímetro de un círculo que tenga la misma superficie “A” que dicha cuenca: P K = 0.28 * --------
√Ā El índice será mayor o igual a la unidad, de modo que cuanto más cercano a ella se encuentre más se aproximará su forma a la del círculo, en cuyo caso la cuenca tendrá mayores posibilidades de producir crecientes con mayores picos (caudales). Por otra parte “K” es un número adimensional independiente de la extensión de las cuencas. Cuando K se aleja más del valor unidad significa un mayor alargamiento en la forma de la cuenca.
Factor de Forma Horton ha sugerido un factor adimensional de forma designado como R f que puede deducirse a partir de la ecuación:
Donde: A: área de la cuenca (km2) ; Lb: longitud de la cuenca, medida desde la salida hasta el límite, cerca de la cabecera del cauce principal, a lo largo de una línea recta.
Rectángulo Equivalente
Rectángulo que tenga igual superficie, perímetro, coeficiente de compacidad y distribución hipsométrica. En esta representación, los lados del rectángulo son los límites de la cuenca y las curvas de nivel se transforman en rectas paralelas al lado menor de dicho rectángulo. Los lados del rectángulo pueden conocerse a través de la información del área y perímetro de la cuenca
3.8
Drenaje de la Cuenca Con base en el tiempo en que un curso de agua lleva un caudal las corrientes se pueden dividir en:
Perennes:
Corrientes con agua todo el tiempo.
El nivel de agua subterráneo mantiene la alimentación continua y no desciende nunca debajo del lecho del río.
Intermitentes:
Corrientes que escurren en estaciones de lluvia y se secan durante el estiaje.
El nivel de agua subterráneo se conserva por encima del nivel del lecho del río sólo en la estación lluviosa. En la estación de estiaje el escurrimiento cesa, u ocurre solamente durante o inmediatamente después de las tormentas.
Efímeros:
Existen apenas durante o inmediatamente después de los períodos de precipitación, y sólo transportan escurrimiento superficial.
El nivel de agua subterráneo se encuentra siempre por debajo del nivel inferior del lecho del río, no hay, por lo tanto, posibilidades de escurrimiento subterráneo.
Los cauces de los ríos también se pueden clasificar en función de su posición topográfica, de la siguiente manera:
De montaña o juveniles. Son los cauces que se forman en zonas de alta topografía y pendiente, se caracterizan por presentar zonas en las que el cauce se angosta formando zonas de alta velocidad del agua (conocidos como: rápidos). De Transición. La topografía es menos agreste, la velocidad del agua es menor, aunque no pueden ser usados para la navegación. Maduros. Estos ríos se caracterizan por presentar una velocidad de agua bastante baja, pueden ser usados para la navegación y presentan en general un amplio número de meandros. La pendiente topográfica es bastante suave. La corriente principal Es la corriente que pasa por la salida de la misma. Nótese que esta definición se aplica solamente a las cuencas exorreicas. Las demás Corrientes de una cuenca de este tipo se denominan corrientes tributarias. Todo punto de cualquier corriente tiene una cuenca de aportación, toda cuenca tiene una y solo una corriente principal.
Las cuencas correspondientes a las corrientes tributarias o a los puntos de salida se llaman cuencas tributarias o subcuencas. Entre más corrientes tributarias tenga una cuenca, es decir, entre mayor sea el grado de bifurcación de su sistema de drenaje, más rápida será su respuesta a la precipitación. Por ello, se han propuesto un cierto número de indicadores de dicho grado de bifurcación, algunos de los cuales son los siguientes:
El Orden de las Corrientes Se determina como se muestra en la figura siguiente:
Una corriente de orden 1 es un tributario sin ramificaciones, una de orden 2 tiene sólo tributarios de primer orden, etc. Dos Corrientes de orden 1 forman una de orden 2, dos Corrientes de orden 3 forman una de orden 4, etc., pero, por ejemplo, una corriente de orden 2 y una de orden 3 forman otra de orden 3. El orden de una cuenca es el mismo que el de la corriente principal en su salida; así, por ejemplo, el orden de la cuenca de la figura es 4. Nótese que el orden de una cuenca depende en mucho de la escala del plano utilizado para su determinación; en este sentido, las comparaciones entre una cuenca y otra deben hacerse con cuidado, especialmente cuando los planos correspondientes no están a la misma escala o están editados por diferentes Organismos.
Densidad de Corrientes Ds, definida como el número de corrientes perennes e intermitentes por unidad de Area
Ns: número de corrientes perennes e intermitentes.
Densidad de Drenaje Dd, definida como la longitud de corrientes
Ls: longitud total de las Corrientes A: área de la cuenca Un orden de Corrientes alto o una densidad elevada refleja una cuenca altamente disectada, que responde rápidamente a una tormenta. Las densidades u órdenes de Corrientes pequeñas se observan donde los suelos son muy resistentes a la erosión o muy permeables; donde estos indicadores son elevados, los suelos se erosionan fácilmente o son relativamente impermeables, las pendientes son altas y la cobertura vegetal es escasa.
Pendiente Media de la Cuenca Uno de los indicadores más importantes del grado de respuesta de una cuenca a una tormenta es la pendiente del cauce principal. Dado que está pendiente varía a lo largo del cauce, es necesario definir una pendiente media; para ello existen varios métodos.
Pendiente Media La pendiente media constituye un elemento importante en el efecto del agua al caer a la superficie, por la velocidad que adquiere y la erosión que produce. La pendiente media es igual al desnivel entre los extremos de la corriente dividido entre su longitud medida en planta
Criterio de Alvord:
Analiza la pendiente existente entre curvas de nivel, trabajando con la faja definida por las líneas medias que pasan entre las curvas de nivel, Para una de ellas la pendiente es:
Donde: D :
desnivel entre líneas medias, aceptado como desnivel entre curvas (equidistancia);
Wi :
ancho de la faja analizada;
ai :
área de la faja;
li :
longitud de la curva de nivel correspondiente a la faja.
Así la pendiente media de la cuenca será el promedio pesado de la pendiente de cada faja en relación con su área:
D
:
desnivel constante entre curvas de nivel; (en Km.)
A
:
área de la cuenca, en Km2.
S
:
pendiente media de la cuenca.
Pendiente del río Principal En general, la pendiente de un tramo de río se considera como el desnivel entre los extremos del tramo, dividido por la longitud horizontal de dicho tramo, de manera que:
Donde: H
:
desnivel entre los extremos del tramo del cauce, en m;
L
:
longitud horizontal del tramo del cauce, en m;
S
:
pendiente del tramo del cauce.
La Pendiente Compensada o Equivalente del Río Es la de una línea recta que, apoyándose en el extremo de aguas abajo de la corriente, hace que se tengan áreas iguales entre el perfil del cauce y arriba y abajo de dicha línea
Pendiente del cauce principal de la cuenca en estudio, aplicando el criterio de TAYLOR y SCHWARZ
Una forma más precisa de aproximarse al valor real consiste en aplicar el criterio de Taylor y Schwarz, que considera al río formado por una serie de canales de pendiente uniforme, en los cuales el tiempo de recorrido del agua es igual al del río. Entonces, dividiendo al cauce principal del río en “m” tramos iguales de longitud ∆x, el tiempo de recorrido por tramo será:
Vi = velocidad media del agua en el tramo. Adoptando como válida la expresión de CHEZY tendremos:
Entonces el tiempo de recorrido del tramo será:
El tiempo total de recorrido (T) será la suma de los tiempos parciales de los “m” tramos, que puede calcularse como:
e igualando expresiones:
y como L = m * ∆x , entonces:
Y finalmente:
S
=
pendiente del cauce en estudio;
M
=
número de segmentos iguales en los que se divide el cauce principal;
S1, S2,......, Sm =
pendiente de cada tramo
Para la resolución se debe confeccionar la siguiente tabla:
Curva Hipsométrica de la Cuenca Es la representación gráfica del relieve de una cuenca. Representa la variación de la elevación de los varios terrenos de la cuenca con referencia al nivel medio del mar. Esta variación puede ser indicada por medio de un gráfico que muestre el porcentaje de área de drenaje que existe por encima o por debajo de varias elevaciones. Dicho
gráfico se puede determinar por el método de las cuadriculas del inciso anterior o planimetrando las áreas entre curvas de nivel. Se define como curva hipsométrica la representación gráfica del relieve medio de la cuenca, construida llevando en el eje de las abscisas longitudes proporcionales a las superficies proyectadas en la cuenca, en km2 o en porcentaje, comprendidas entre las curvas de nivel consecutivas hasta alcanzar la superficie total, llevando al eje de las ordenadas la cota de las curvas de nivel consideradas.
La altura o elevación media tiene importancia principalmente en zonas montañosas donde influye en el escurrimiento y en otros elementos que también afectan el régimen hidrológico, como el tipo de precipitación, la temperatura, etc. Para obtener la elevación media se aplica un método basado en la siguiente fórmula:
Donde ai :
sumatoria de las áreas entre curvas de nivel;
ci :
altura media entre curvas de nivel
A :
área total de la cuenca.
Alternativamente a la fórmula anterior se aplica el uso de la gráfica de curva hipsométrica, como si se dividiera el volumen total del relieve de la cuenca sobre su superficie proyectada, ingresando por el eje que representa el área con el valor correspondiente al 50% y leyendo el valor de cota correspondiente.
La curva hipsométrica relaciona el valor de la cota, en las ordenadas, con el porcentaje del área acumulada, en las abscisas. Para su construcción se grafican, con excepción de los valores máximos y mínimos de cota hallados, los valores menores de cota de cada intervalo de clase contra su correspondiente área acumulada. Al valor de la cota mayor encontrada corresponde el cero por cien del porcentaje de área acumulada. Al valor de la cota mínima encontrada corresponde el cien por cien del porcentaje de área acumulada. La curva hipsométrica representa, entonces, el porcentaje de área acumulado igualado o excedido para una cota determinada. La moda de una curva hipsométrica es el valor más frecuente (mayor área) del intervalo de clase de cota que se encuentra en una cuenca hidrográfica.
Ejercicio
Cuadro de datos para la elaboración de las curvas hipsométricas Cota
Áreas Parciales
Área acum. por debajo Área acum. por encima
(msnm)
(m2)
(%)
(m2)
(%)
(m2)
3080.00 3100.00 3125.00 3150.00 3175.00 3200.00 3225.00 3250.00 3275.00 3300.00 3325.00 3350.00 3375.00 3391.88
0.00 3587.50 16993.75 32887.50 52431.25 67500.00 34825.00 29418.75 25175.00 30443.75 26037.50 23262.50 14925.00 5125.00 362612.50
0.00 0.99 4.69 9.07 14.46 18.61 9.60 8.11 6.94 8.40 7.18 6.42 4.12 1.41
0.00 3587.50 20581.25 53468.75 105900.00 173400.00 208225.00 237643.75 262818.75 293262.50 319300.00 342562.50 357487.50 362612.50
0.00 0.99 5.68 14.75 29.20 47.82 57.42 65.54 72.48 80.87 88.06 94.47 98.59 100.00
362612.50 359025.00 342031.25 309143.75 256712.50 189212.50 154387.50 124968.75 99793.75 69350.00 43312.50 20050.00 5125.00 0.00
(%) 100.00 99.01 94.32 85.25 70.80 52.18 42.58 34.46 27.52 19.13 11.94 5.53 1.41 0.00
Curva Hipsométrica 3450.00 3400.00 s 3350.00 o r t e 3300.00 m n 3250.00 e d u 3200.00 t i t l A 3150.00
3100.00 3050.00 0.00
20.00
40.00 A rea A cum % (-)
60.00
80.00
100.00
120.00
A rea A cum % (+)
Polígono de frecuencias de una Cuenca El polígono de frecuencias es un gráfico de barras de las áreas parciales (%) con respecto a las altitudes (msnm) que las encierran. Representa la variación de las áreas parciales comprendidas entre determinadas curvas de nivel consecutivas. De este polígono es posible encontrar el área parcial más f recuente.
Con los datos de áreas parciales (%), del Cuadro anterior, se ha elaborado el polígono de frecuencias que se presenta en la figura siguiente. Se observa que el área parcial más frecuente es la comprendida entre las curvas 3150 y 3300 msnm (frecuencia del 75.20%).
Polígono de frecuen cias de áreas parciales
3391.88 3375.00 3350.00 3325.00 ) m n s m ( d u t i t l A
3300.00 3275.00 3250.00 3225.00 3200.00 3175.00 3150.00
3125.00 3100.00 3080.00 0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
16.00
18.00
Areas parciales (%)
Rect áng ulo eq uiv alente.
Este parámetro geomorfológico es muy importante, porque expresa el comportamiento hidrológico de una cuenca, mediante un rectángulo de igual área, el mismo perímetro, igual coeficiente de compacidad e idéntica variación hipsométrica. En otras palabras, se dice que es una expresión que relaciona el perímetro y el área de una cuenca tratando de reducirla a las dimensiones de un rectángulo. L
l
Donde:
Kc A
1,12 Kc A
1,12
{1 1 (1,12
)2 }
Kc
{1
1 (1,12
Kc = Coeficiente de Compacidad A = Área de la cuenca L = Lado mayor del rectángulo l = Lado menor del rectángulo
Kc
)2 }
Para una cuenca en desarrollo ( A = 0.362 km2; P = 2.684 km) se ha estimado las dimensiones de su rectángulo equivalente: L = 0.984 km; l = 0.368 km. Para la ubicación, dentro de este rectángulo equivalente, de las curvas de nivel utilizadas para definir las áreas parciales, se ha preparado el Cuadro y la Figura siguiente que presenta el rectángulo equivalente para la cuenca en estudio mencionada anteriormente. Datos para la elaboración del rectángulo equivalente
Cota (msnm)
Áreas Parciales Ancho (m2) ai Cod (m) ci
3080.00 3100.00 3125.00 3150.00 3175.00 3200.00 3225.00 3250.00 3275.00 3300.00 3325.00 3350.00 3375.00 3391.88
0.00 3587.50 16993.75 32887.50 52431.25 67500.00 34825.00 29418.75 25175.00 30443.75 26037.50 23262.50 14925.00 5125.00
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13
0.00 9.75 46.17 89.36 142.46 183.41 94.62 79.93 68.40 82.72 70.75 63.21 40.55 13.93
∑ = 362612.50
Altitud sobre el nivel del mar (msnm) 0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
8
0
0
5
0
5
0
5
0
5
0
5
0
5
1
.0
.0 8
.0
0
0 3
2 0
5 7
3
3
5.
.7
0
5 .5 8
6
4 2
2
1 =
=
3 A
1 A
A
3
= A
4
=
= 5
6 A
A
7 A
984.04
Valores de C i (km). L =
Perfil longitudinal del cauce principal
ci = 984.04 m
A
=
0 A
9
5
=
= 8
1
=
=
1
2
3
=
4
2
2
2
3
0
2
9
6
5
3
5
2
4
9
6
= 2
4
5
2
0
1
0
6
4
4
7
3
.0
3
7
8
m 5
2 .0
2
3
1
5
0
m .5
7
5
2
2
.7
8
0
8
3
5
3
9
6
0
3
0
m .5
.0
3
2
5
.7
9 3
0
m
0
.0
3
3
2 m
5
.0 1
9 5,
0
.2 7
8 8
0
7 3
3
2 m
.8
5 3
3
2 m
.0
2 3
3
2 m
.0
0 2
3
2 m
.0
7 2
3
2 m
.0
5 2
3
2
.0
2 2
3
m
.0
0 1
2 m
.0
7 1
3
m
.0
5 1
2
0.
.0
2 1
3
4
.0
A
1
=
1 A
1
2
3 A
1 A
1
En el Cuadro siguiente se presentan los datos obtenidos de una cuenca que se utilizan para elaborar el perfil longitudinal del cauce principal, que se puede observarse en la Figura N° 1.6., luego de graficar el perfil longitudinal, se observa que la pendiente del curso de agua es menor en la parte baja de la cuenca y se incrementa hacia la parte alta de la misma. Datos para la elaboración del perfil longitudinal de un cauce. Distancia (m)
Distancia Acumulada (m)
Cota inicial
Cota final
(m)
(m)
Pendiente promedio (%)
81.10
81.10
3360.51
3328.93
38.94
3.54
84.63
3328.49
3327.56
26.23
35.00
119.63
3327.62
3314.86
36.44
80.92
200.55
3314.76
3290.89
29.73
17.68
218.23
3290.48
3286.42
22.93
193.31
411.54
3286.45
3220.03
34.78
38.09
449.63
3219.87
3202.38
45.91
34.17
483.80
3202.40
3186.59
46.26
107.27
591.07
3186.77
3157.86
26.96
19.53
610.60
3157.65
3151.15
33.27
84.04
694.64
3150.98
3113.47
45.94
43.71
738.35
3113.96
3110.00
9.12
19.04
757.39
3110.01
3108.79
6.49
6.73
764.12
3108.53
3109.04
7.63
17.68
781.80
3108.90
3100.50
47.50
20.53
802.33
3100.73
3100.06
4.16
27.66
829.98
3100.00
3097.60
12.43
22.55
852.53
3096.99
3090.86
34.74
54.06
906.60
3090.20
3090.00
18.13
40.43
947.02
3090.33
3083.71
36.55
Perfil Longitudinal 3400.00 3350.00 s 3300.00 o r t e m3250.00 n e d 3200.00 u t i t l A 3150.00
3100.00 3050.00 0.00
100.00
200.00
Perfil Longitudinal
300.00
400.00
500.00
600.00
Longitud en metros
700.00
800.00
900.00 1000.00
Cuencas Hidrográficas del Pacífico Código 1001 1002 1003 1004 1005 1006 1007 1008 1009 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022 1023 1024 1025 1026 1027 1028 1029 1030 1031 1032 1033 1034 1035 1036 1037 1038 1039 1040 1041 1042 1043 1044 1045 1046 1047 1048 1049 1050
Nombre de la Cuenca ZARUMILLA TUMBES BOCAPAN CHIRA PIURA - CASCAJAL OLMOS MOTUPE - LA LECHE - CHANCAY SAÑA JEQUETEPEQUE CHICAMA MOCHE VIRU CHAO SANTA LACRAMARCA NEPE A CASMA CULEBRAS HUARMEY FORTALEZA PATIVILCA SUPE HUAURA CHANCAY - HUARAL CHILLON RIMAC LURIN CHILCA MALA OMAS CA ETE TOPARA SAN JUAN PISCO ICA GRANDE ACARI YAUCA CHALA CHAPARRA ATICO CARAVELI OCOÑA CAMANA QUILCA TAMBO ILO - MOQUEGUA LOCUMA SAMA CAPLINA
Cuencas Hidrográficas del Atlantico Código
Nombre de la Cuenca
Gran Cuenca
2101
TIGRE
MARAÑON
2102
PASTAZA
MARAÑON
2103
MORONA
MARAÑON
2104
SANTIAGO
MARAÑON
2105
NIEVA
MARAÑON
2106
CENEPA
MARAÑON
2107
IMAZA
MARAÑON
2108
CHINCHIPE
MARAÑON
2109
UTCUBAMBA
MARAÑON
2110
CHAMAYA
MARAÑON
2111
LLAUCANO
MARAÑON
2112
CRISNEJAS
MARAÑON
2113
ALTO MARAÑON
MARAÑON
2114
BAJO MARAÑON
MARAÑON
2201
MAYO
HUALLAGA
2202
BIABO
HUALLAGA
2203
SISA
HUALLAGA
2204
SAPOSOA
HUALLAGA
2205
HUALLABAMBA
HUALLAGA
2206
BAJO HUALLAGA
HUALLAGA
2207
ALTO HUALLAGA
HUALLAGA
2301
PUTUMAYO
AMAZONAS
2302
NAPO
AMAZONAS
2303
NANAY
AMAZONAS
2304
YAVARI
AMAZONAS
2305
INTERCUENCA DEL AMAZONAS
AMAZONAS
2401
AGUAYTIA
UCAYALI
2402
PACHITEA
UCAYALI
2403
URUBAMBA
UCAYALI
2404
YAVERO
UCAYALI
2405
PERENE
UCAYALI
2406
TAMBO
UCAYALI
2407
ENE
UCAYALI
2408
MANTARO
UCAYALI
2409
APURIMAC
UCAYALI
2410
PAMPAS
UCAYALI
2411
UCAYALI
UCAYALI
2501
YARUA
MADRE DE DIOS
2502
PURUS
MADRE DE DIOS
2503
DE LAS PIEDRAS
MADRE DE DIOS
2504
TAMBOPATA
MADRE DE DIOS
2505
INAMBARI
MADRE DE DIOS
2506 2507
ALTO MADRE DE DIOS INTERCUENCAS MADRE DE DIOS
MADRE DE DIOS MADRE DE DIOS
Cuencas Hidrográficas del Titicaca Código 3001 3002 3003 3004 3005 3006 3007 3008 3009
Nombre de la Cuenca HUANCANE RAMIS CABANILLAS ILLPA ILAVE ZAPATILLA CALLACAME MAURE CHICO MAURE
V. PRECIPITACION Precipitación es cualquier agua meteórica recogida sobre la superficie terrestre. Esto incluye básicamente: lluvia, nieve y granizo. (También rocío y escarcha que en algunas regiones constituyen una parte pequeña pero apreciable de la precipitación total) La precipitación es una parte importante del ciclo hidrológico y es responsable por depositar agua en el planeta. La precipitación es generada por las nubes, cuando alcanzan un punto de saturación; en este punto las gotas de agua (o pedazos de hielo) se forman, que caen a la Tierra por gravedad. Las precipitaciones se definen como cualquier agua que proviene de la humedad atmosférica y que cae a la superficie terrestre, principalmente en estado líquido (lluvia) y sólido (nieve o granizo). Éstas representan el elemento más importante del ciclo hidrológico, siendo su unidad de medición el milímetro. En este contexto, las precipitaciones son la principal entrada de agua en una cuenca. Su importancia radica en ser la forma de suministro natural de agua a los ecosistemas, condicionando la vida de los organismos y el desarrollo de las actividades humanas (agrícolas, económicas, industriales, etc.). Es por ello que es muy importante su conocimiento y estudio, tanto para su cuantificación del recurso como para la utilización en la prevención de avenidas, diseños de obras públicas, estudios de erosión, etc.
Clasificación Morfológica Puesto que las condiciones atmosféricas varían mucho geográfica y estacionalmente, son posibles diferentes formas de precipitación. Las más comunes son la lluvia y nieve. Según la apariencia de los elementos, la precipitación se clasifica en: a)
Lluvia: se define como una precipitación de agua líquida que llega al suelo, con gotas de diámetro entre 0.5 y 5 milímetros.
b)
Llovizna: Riego tenue de gotitas pequeñas, de diámetro menor que 0.5 milímetros, muy denso o compacto. Se puede considerar débil, moderada o fuerte dependiendo de la visibilidad.
c)
Neblina o garúa: llovizna mucho más tenue aún.
d)
Nieve: la nieve se forma de cristales de hielo cuando el vapor de agua se congela en diminutas partículas sólidas en niveles donde las temperaturas son muy inferiores a 0º C. Los cristales de hielo se van uniendo para formar los copos de nieve. Cuando los copos de nieve tienen suficiente peso, caen al suelo. Su tamaño, forma y concentración depende de la temperatura de donde se formen y por donde pasan y tienen una gran variedad de formas, pero todos tienen la característica de ser hexagonales, con un motivo único que no se repite. La nieve es transparente, aunque las reflexiones de los muchos lados de sus cristales hacen que parezca blanca.
e)
Aguanieve: Nieve fundente o mezcla de nieve y lluvia.
f)
Lluvia helada: Se produce cuando la temperatura en el nivel de las nubes son negativas y las gotas de lluvia están sobre enfriadas. La lluvia se congela al llegar a la superficie y chocar con los objetos.
g)
Agujas de hielo: Delgadas barritas o pequeñas chapas de hielo muy livianas que flotan.
h)
Granizo: se forma cuando las gotas de agua sobre enfriadas circulan en una zona de corrientes ascendentes en el interior de un cumulonimbos. El granizo cae de la nube como precipitación sólida de terrones de hielo duro, redondeados o irregulares, cuando adquiere demasiado peso para que las corrientes ascendentes lo mantengan en el aire. Es tal vez la forma más destructiva de precipitación, pueden provocar daños materiales por miles de millones de dólares cada año. En el año 1986, una tormenta de granizo sobre Bangladesh con piedras de más de un kilo de peso, mató a 92 personas. Los signos que pueden indicarnos si una tormenta será de granizo pueden ser un tono verdoso de la base de la nube o el color blanquecino de la lluvia.
Clasificación Genética La clasificación de la precipitación que se ha descrito anteriormente, se basa solo en el aspecto de los elementos de la misma. También se puede clasificar la precipitación en forma genética, relacionada directamente con el proceso de formación. El amplio espectro de esta clasificación se puede resumir en continua, chubascos y llovizna, como sigue: a)
Precipitación continua: sin variaciones bruscas en su intensidad, tal como la lluvia o nieve que cae suavemente. Esta precipitación es debida a movimientos de grandes masas de aire que ascienden lentamente en una amplia extensión horizontal. Estos son los sistemas asociados corrientemente con los frentes y los ciclones.
b)
Chubascos: precipitación de corta duración y con intervalos en claro. Esta clase de precipitación procede de los Cumulonimbos y tienen lugar rápidos movimientos verticales del aire.
c)
Llovizna: gotas pequeñas y numerosas cayendo de una niebla. En buena parte, las pequeñas gotas pueden caer por la ausencia de movimiento vertical del aire hacia arriba.
En relación a su origen, pueden distinguirse los siguientes tipos:
Las ciclónicas son las provocadas por los frentes asociados a una borrasca o ciclón. La mayor parte del volumen de precipitación recogido en una cuenca se debe a este tipo de precipitaciones. ocurre cuando 2 masas de aire
de distintas presiones, tales como la fría (más pesado) y la cálida (más liviana) chocan una con la otra.
Este tipo de precipitación puede clasificarse en frontal, relacionada a frentes cálidos y frentes fríos, y no frontal.
Las de convección se producen por el ascenso de bolsas de aire caliente; son las tormentas de verano. Se produce
generalmente en regiones cálidas y húmedas, cuando masas de aire calidas, al ascender en altura, se enfrían, generándose de esta manera la precipitación.
Las precipitaciones orográficas se presentan cuando masas de aire húmedo son obligadas a ascender al encontrar una barrera montañosa. es
la que se genera durante el ascenso de una nube sobre un relieve como lo son las montañas y la cordillera. Esto ocurre porque el vapor de agua se eleva demasiado y su temperatura baja lo suficiente como para precipitar en forma líquida.
El estudio de las precipitaciones es básico dentro de cualquier estudio hidrológico regional, para cuantificar los recursos hídricos, puesto que constituyen la principal (en general la única) entrada de agua a una cuenca. También es fundamental en la previsión de avenidas, diseño de obras públicas, estudios de erosión, etc.
Altura de Precipitación Medida de la altura del agua de lluvia que cubriría la superficie del suelo, en el àrea de influencia de una estación pluviométrica, si pudiese mantenerse sobre la misma sin filtrarse ni evaporarse. Se expresa generalmente en mm. La lluvia se mide con el más elemental de los instrumentos, que se llama pluviómetro, formado por un envase cilíndrico, en cuyo extremo superior tiene una entrada de 200 cm 2 de área por donde ingresa el agua de lluvia, que cae por un embudo a un envase colector interior graduado en mm, que se encuentra aislado del exterior por una capa de aire intermedia que evita la evaporación del agua. Una sofistificación a este instrumento es el pluviógrafo. Al igual que el pluviómetro posee una entrada en la parte superior por donde ingresa el agua hacia un depósito llamado cámara de sifonaje, en cuyo interior existe un flotador, el cual al recibir una cierta cantidad de precipitación (10 mm) provoca una sifonada hacia un colector que esta en la parte inferior del instrumento. Este ciclo se va repitiendo hasta que el periodo de precipitación termina. El flotador tiene incorporado un pequeño brazo con un plumón de tinta, el cual, grafica las variaciones de la precipitación en un pluviograma que está adherido a un tambor de relojería semanal.
La nieve se mide considerando su profundidad media, obtenida de mediciones en diversos lugares, y la cantidad de agua equivalente, que se obtiene derritiendo la nieve y midiéndola como lluvia. La precipitación se mide en milímetros de agua caída, donde un milímetro corresponde a un litro de agua por metro cuadrado de superficie. Por ejemplo 15 mm de agua caída significa que sobre cada metro cuadrado de superficie ha llovido 15 litros de agua. Un ejemplo de una fracción de un pluviograma semanal se muestra en la figura siguiente, en este gráfico en el eje vertical se tiene la cantidad de lluvia en milímetros hasta un máximo de 10 mm, cuando se alcanza ese valor se produce el sifonaje; y en el eje horizontal el tiempo en horas, durante tres días.
Medición de las Precipitaciones El volumen total de las precipitaciones que llegan al suelo durante un período determinado se expresa en función del nivel que alcanzarían sobre una proyección horizontal de la superficie terrestre, una vez se hayan fundido todas las precipitaciones caídas en forma de nieve o hielo. Las nevadas se miden también en función del espesor de la nieve fresca que cubre una superficie plana y horizontal. El objetivo principal de cualquier método de medición de las precipitaciones es obtener muestras representativas de la precipitación en la zona a que se refiera la medición. En hidrología, es fundamental medir el valor exacto de las precipitaciones. Por lo tanto, es muy importante que se tenga en cuenta la elección del emplazamiento y la forma y exposición del pluviómetro; además, deben tomarse medidas para impedir las pérdidas por evaporación, efectos del viento y salpicaduras.
Pluviómetros no Registradores Los pluviómetros no registradores, utilizados por la mayoría de los Servicios Meteorológicos e Hidrológicos para las mediciones oficiales, consisten casi siempre en receptáculos abiertos con lados verticales, por lo general en forma de cilindros rectos. En los distintos países, se utilizan diferentes alturas y tamaños de boca, por lo tanto las mediciones no son en realidad comparables. La altura de la precipitación captada en un pluviómetro se calcula por medio de un tubo medidor o de una regla graduados. En pluviómetros que posean paredes no verticales, la medición se hace, ya sea pasando o midiendo el volumen del contenido, o midiendo la profundidad con una varilla o regla de medir especialmente graduadas.
Pluviómetros normalizados El pluviómetro ordinario utilizado para la lectura tiene, con frecuencia, la forma de un tubo colector que desemboca en un recipiente. El diámetro de la boca del tubo colector no tiene importancia; lo más práctico es una superficie de recepción de 200 a 500 cm2, aunque en algunos países se utiliza un área ár ea de 1 000 cm2. Es conveniente que el diámetro del tubo medidor sea igual a 0,1 del diámetro de la boca del colector. Los pluviómetros utilizados en lugares donde sólo se pueden efectuar lecturas semanales o mensuales, deben tener un diseño similar al del tipo usado para lecturas diarias, pero con un colector de mayor capacidad y una construcción más sólida.
Emplazamiento del Pluviómetro En una instalación ideal, el agua recogida en un pluviómetro representará las precipitaciones que se hayan producido en la zona circundante. Sin embargo, en la práctica es difícil crear estas condiciones debido a los efectos del viento, por lo que habrá que prestar gran atención a la elección del emplazamiento. Los efectos del viento se pueden considerar desde dos aspectos: a.
Efectos sobre el instrumento mismo, que en general reducen la cantidad de agua recogida, y
b.
Efectos del emplazamiento sobre la trayectoria trayect oria del viento, a menudo más importantes important es y pueden dar resultados superiores o inferiores de la precipitación medida.
Las perturbaciones creadas por un obstáculo dependen de la relación entre sus dimensiones lineales y la velocidad de caída de la precipitación. Este efecto se reduce, aunque no se elimina del todo, al elegir el emplazamiento de modo que la velocidad del viento al nivel de la boca del instrumento sea lo más pequeña posible, pero de manera que la lluvia no sea detenida por objetos circundantes, y/o al modificar los alrededores del pluviómentro de modo que la corriente de aire que pase sobre la boca de éste sea lo más horizontal posible. Todos los pluviómetros de una región o país deben estar instalados de manera similar y en las mismas condiciones. El pluviómetro se debe exponer con su boca en posición horizontal sobre el nivel del suelo. Si el emplazamiento lo permite, el pluviómetro deberá estar protegido del viento en todas las direcciones por objetos (árboles, arbustos, etc.), cuya altura sea lo más uniforme posible. La altura de estos objetos sobre la boca del pluviómetro deberá ser por lo menos la mitad de la distancia que existe entre el instrumento y los objetos (para proporcionarle una protección adecuada del impacto del viento), pero no deberá exceder la distancia existente entre el pluviómetro y los objetos (para evitar la intercepción de parte de la lluvia que llega al pluviómetro). La situación ideal es tener ángulos de 30° y 45° entre la cima del pluviómetro y la de los objetos circundantes. La precipitación en forma de nieve está mucho más condicionada a los efectos adversos del viento que la lluvia. En lugares excepcionalmente excepcionalmente ventosos, la captación en un pluviómetro pluviómetro con o sin protección contra el viento, puede ser inferior a la mitad de la caída de nieve real. Los emplazamientos elegidos para medir nevadas y/o la capa de nieve deben, en lo posible, estar en zonas protegidas del viento. Las pantallas de protección, acopladas a los pluviómetros, han demostrado ser bastante efectivas para reducir los errores de captación de la precipitación debidos al viento, en especial para precipitaciones sólidas. Sin embargo, ningún protector hasta el momento elimina por completo los errores de medición causados por el viento.
La medición de la precipitación se efectúa por medio de pluviómetros o pluviógrafos, pluviógrafos, los segundos son utilizados principalmente cuando se trata de determinar precipitaciones intensas de corto período. Para que los valores sean comparables, en las estaciones pluviométricas, se utilizan instrumentos estandarizados. estandarizados. En los desiertos las precipitaciones son del orden 0 a 200 mm de precipitación por año, en zonas muy lluviosas, la precipitación precipitaci ón anual supera los 5.000 mm. Podemos cuantificar las precipitaciones caídas en un punto mediante cualquier recipiente de paredes rectas, midiendo después la lámina de agua recogida. La unidad de medida es el milímetro. Es obvio que el tamaño del recipiente de medida no influye en el espesor de la lámina de agua recogida. La intensidad de precipitación, aunque conceptualmente se refiere a una instante, suele expresarse en mm./hora. Para Pluviómetros: Para
poder leer con más precisión el agua recogida (± 0,1 mm) un pluviómetro recoge el agua en una bureta de sección menor a la de la boca del pluviómetro. La lectura del agua recogida se efectúa una o dos veces vez al día.
En realidad, sí se aprecian pequeñísimas variaciones dependiendo del tamaño del recipiente, y también de la altura desde el suelo, por lo que cada país fija estos parámetros: La boca del pluviómetro es de 200 cm2 y debe estar a 1,5 m de altura sobre el suelo.
El máximo error puede proceder de una ubicación defectuosa del pluviómetro. La norma fundamental es que debe estar alejado de árboles o construcciones elevadas, en general a más del doble de la altura del obstáculo.
Aparatos registradores Se utilizan en general tres tipos de registradores, a saber: de pesada, de cangilones y de flotador. El único instrumento que sirve para medir todos los tipos de precipitación se basa en el principio del peso. Los otros dos se utilizan sobre todo para medir las precipitaciones líquidas.
Pluviógrafos: En general, una medida al día de la precipitación puede ser suficiente, pero en muchas ocasiones necesitamos un registro continuo del fenómeno; por ejemplo, si en un día han caído 100 mm., la avenida que podría originarse sería diferente si se han registrado a lo largo de todo el día o si han caído en una hora. Un pluviógrafo clásico funciona como un pluviómetro pero que registra la evolución de la
precipitación con el tiempo, bien con tinta y papel, bien digitalmente. En algunos modelos, el pluviógrafo está dotado de un flotador que hace subir a una plumilla que registra gráficamente el llenado del recipiente a lo largo del tiempo.
Otros modelos (de “cangilones”) funcionan con dos pequeños recipientes dispuestos en forma de columpio o balancín, y que recogen alternativamente agua en uno y otro lado (Cuando un lado se llena, el peso vuelca el balancín y el agua comienza a caer en el otro lado) El agua recogida en cada vuelco equivale normalmente a 0,2 mmm de precipitación. Con cualquiera de los sistemas los aparatos mas modernos registran registran los datos electrónicamente, electrónicamente, no se dibujan sino que son grabados en un ordenador, o los comunican instantáneamente a una oficina central (por ejemplo, para previsión de avenidas). El gráfico obtenido directamente con la plumilla o representando representa ndo los datos digitales, se denomina pluviograma, y refleja la precipitación acumulada acumulada en función del tiempo. La pendiente del gráfico obtenido en el pluviógrafo nos permite calcular la intensidad de precipitación en cada momento.
Pluviómetros totalizadores Los pluviómetros totalizadores se utilizan para medir la precipitación total de una estación en zonas aisladas o escasamente habitadas. Estos pluviómetros se componen de un colector unido a un embudo que desemboca en un recipiente que tiene la capacidad necesaria para contener las lluvias estacionales. Al instalar estos pluviómetros, deben tenerse en cuenta los criterios de exposición y protección. En las zonas en las que se producen nevadas muy importantes, el colector se debe colocar a una altura superior a la capa de nieve máxima prevista. Esto se logra instalando el pluviómetro en una torre o montando el colector en un tubo de acero de 30 cm de diámetro y de una altura suficiente para que la cubeta esté siempre por encima de la altura máxima de la nieve acumulada. En el recipiente se vierte una solución anticongelante para que se derrita la nieve que cae en el pluviómetro. Una solución apropiada de este tipo consiste en una mezcla, por unidad de peso, de 37,5 por ciento de cloruro de calcio comercial (con una pureza del 78 por ciento) y de 62,5 por ciento de agua. También puede utilizarse una solución de etilenglicol. La segunda solución anticongelante, aunque más cara, es menos corrosiva que el cloruro de calcio y da mayor protección sobre una gama más amplia de concentraciones. El volumen del anticongelante vertido en el recipiente no debe exceder un tercio de la capacidad total del pluviómetro. Para evitar la pérdida de agua por evaporación debe usarse una fina película de aceite, en este caso 8 mm de espesor son suficientes. Se recomienda usar aceites de motor no detergentes y de baja viscosidad. No se deben utilizar aceites de transformador o con siliconas. El valor de las precipitaciones estacionales se determina al pesar o medir el volumen del líquido contenido en el recipiente. Sea cual fuere el método que se emplee, debe tenerse en cuenta la cantidad de anticongelante introducida en el recipiente al comienzo de la estación.
Redes pluviométricas. Cada país dispone de una red de pluviómetros y son estos datos los que se utilizan para cualquier estudio; raramente se instalan algunos para una investigación concreta. Una red de pluviómetros debe estar adecuadamente diseñada, dependiendo del
relieve, de la densidad de población, del interés para obras hidráulicas, previsión de avenidas, etc. Como primera aproximación, en zonas llanas puede bastar con un pluviómetro cada 250 km2, pero en zonas de montaña la densidad debe ser mayor.
Importancia de las precipitaciones en la ingeniería Muchas obras de ingeniería civil son profundamente influenciadas por factores climáticos, entre los que se destaca por su importancia las precipitaciones pluviales. En efecto, un correcto dimencionamiento del drenaje garantizarla la vida útil de una carretera, una vía férrea, un aeropuerto. El conocimiento de las precipitaciones pluviales extremas y el consecuente dimencionamiento adecuado de los órganos extravasores de las represas garantizará su seguridad y la seguridad de las poblaciones y demás estructuras que se sitúan aguas abajo de la misma. El conocimiento de las lluvias intensas, de corta duración, es muy importante para dimencionar el drenaje urbano, y así evitar inundaciones en los centros poblados. Las características de las precipitaciones pluviales que deben conocerse para estos casos son: La intensidad de la lluvia y duración de la lluvia: estas dos características están asociadas. Para un mismo tiempo de retorno, al aumentarse la duración de la lluvia disminuye su intensidad media, la formulación de esta dependencia es empírica y se determina caso por
caso, con base en datos observados directamente en el sitio estudiado o en otros sitios vecinos con las mismas características orográficas. Las precipitaciones pluviales extremas, es decir con tiempos de retorno de 500, 1.000 y hasta 10.000 años, o la precipitación máxima probable, o PMP, son determinadas, para cada sitio particular, con procedimiento estadísticos, con base en observaciones de larga duración.
Precipitación Promedio sobre la cuenca para una tormenta dada Es usual en los estudios hidrológicos la determinación del volumen de agua precipitado sobre un área dada, el cual puede determinarse para una tormenta o para una sucesión de tormentas caídas en un período de duración fija, como puede ser un mes, un trimestre (coincidente con una estación climática) o un año. En todos los casos lo que se calcula es la lluvia media y para ello se utilizan comúnmente tres métodos: media aritmética, polígonos de Thiessen e isohietas.
Método de la Media Aritmética Consiste en realizar la suma del valor registrado en cada una de las estaciones pluviométricas y/o pluviográficas del área en estudio y dividirla por el número total de estaciones analizadas, siendo el valor así hallado la lluvia media. Se trata de un método de resolución rápida de que conlleva un grado de precisión muy relativo, el cual depende de: el número de estaciones pluviométricas y/o pluviográficas, la forma en que estén localizadas y la distribución de la lluvia estudiada. Es el único método que no requiere de un conocimiento previo de la ubicación de cada estación. El valor buscado se calcula haciendo:
n: número de estaciones utilizadas.
Método de los Polígonos de Thiessen
Para aplicar este método se requiere conocer la ubicación de cada estación dentro o en la periferia de la cuenca, identificando el área de influencia de cada pluviómetro. Así se van formando triángulos entre las estaciones más cercanas uniéndolas con segmentos rectos sin que éstos se corten entre sí y tratando que los triángulos sean lo más equiláteros posibles. A partir de allí se trazan líneas bisectoras perpendiculares a todos los lados de los triángulos, las que al unirse en el baricentro de cada triángulo conforma una serie de polígonos que delimitan el área de influencia de cada estación. La lluvia media es:
donde: P : lluvia media sobre la cuenca, en mm; Pi : lluvia en la estación i, en mm; Ai : área del polígono correspondiente a la estación i, en Km2 A : área total de la cuenca, en km2; n : número de estaciones pluviométricas y pluviográficas El cálculo ordenado de la lluvia media por el método de Thiessen se realiza utilizando la Tabla siguiente:
El área de influencia de cada estación considerada (polígono) está comprendida exclusivamente dentro de la cuenca.
Método de las Curvas Isohietas Para aplicar este criterio se debe contar con un plano de curvas isohietas de la tormenta en estudio. Las isohietas son curvas que unen puntos de igual valores de lluvia y para trazarlas se requiere un conocimiento general del tipo de tormentas que se producen en las zonas de precipitaciones orográficas. Primeramente, se utilizan los mismos segmentos que unen las estaciones en estudio, según Thiessen; y para cada uno de ellos, en función de los montos de lluvia de dichas estaciones, se van marcando sobre los mismos, los valores de lluvia con el cual se irán formando las isohietas, de manera proporcional entre la distancia y la diferencia de lluvia de las dos (2) estaciones unidas por cada segmento.
Una vez que las isohietas se han volcado sobre el plano de la cuenca se procede a planimetrar la superficie encerrada entre curvas, para multiplicarla por la lluvia de esa faja, que es la media entre las dos isohietas que delimitan la faja, actuando con procedimiento similar al aplicado para curvas de nivel. La sumatoria de tantos términos así calculados como fajas entre isohietas haya, dividida por el área de la cuenca, nos da el valor de la lluvia media. La tabla para el cálculo es la siguiente:
Pi x Ai/A = P
Realizar la estimación de un dato faltante de lluvia
Con bastante frecuencia es necesario conocer el dato de lluvia de una o varias tormentas o períodos mensuales, el o los cuales no se han podido medir o que habiéndose medido no han sido volcado a la planilla de registros de la estación. En esos casos existen criterios para obtener el dato buscado conociendo los valores registrados en estaciones vecinas que tienen influencia sobre la zona de ubicación del dato faltante, la cual llamaremos Estación Incógnita. El criterio general consiste en tomar tres (3) estaciones cercanas que posean datos confiables y comparar la lluvia media anual en cada una de las estaciones mencionadas, las que llamaremos Estaciones Base, con la lluvia media anual de la estación incógnita. En ese caso, se puede presentar dos situaciones: 1.
Si la lluvia media anual en la estación incógnita difiere en menos de un 10% con la lluvia media anual de cada una de las estaciones base, entonces el dato faltante se obtiene como el promedio aritmético de los tres datos de las estaciones base correspondientes a la tormenta o período que se está tratando;
2.
Si la lluvia media anual de la estación incógnita difiere en más de un 10% con la lluvia media anual de alguna de las estaciones base, para valuar el dato faltante se usa la siguiente ecuación;
donde: hpx = lluvia buscada para la tormenta en la estación incógnita; hpa, hpb, hpc = lluvia conocida para la tormenta en las estación base, en mm; Pa, Pb, Pc = lluvia media anual en las estaciones base; Px = lluvia media anual en la estación incógnita. También deberá aplicarse un segundo criterio, el cual ha sido desarrollado por el Servicio Meteorológico de los Estados Unidos (U.S. Nacional Weather Service), consistente en estimar la precipitación en el punto incógnita, como un promedio ponderado de otras cuatro (4) estaciones datos conocidos, ubicadas cada una de ellas en un cuadrante de los cuatro obtenidos por una delimitación en línea N-S y E-O que se cortan en el punto incógnita. Cada estación debe cumplir con la condición de ser la más cercana a la incógnita en su respectivo cuadrante y el peso que le corresponde en el valor a determinar es igual a la inversa del cuadrado de la distancia a la estación incógnita. En cada estación se multiplica el valor registrado por ese factor de ponderación, para así conocer el dato faltante;
Cuando hay algún cuadrante que carece de estaciones, no se considera en el cálculo y se utilizan los tres restantes, manteniendo el método su validez.
Realizar el ajuste de datos anuales de precipitación, aplicando el análisis de Doble Masa Cuando se quiere comprobar si los registros de una estación pluviométrica, anuales o estacionales, no han sufrido variaciones que conduzcan a valores erróneos, se utiliza la técnica de Doble Masa. Esas variaciones pueden ser por un cambio en la ubicación del instrumental, una variación en las condiciones periféricas del lugar de medición o un cambio del observador que efectúa las lecturas. El método de doble masa considera que en una zona meteorológica homogénea, los valores de lluvia que ocurren en diferentes puntos de esa zona en períodos anuales o estacionales, guardan una relación de proporcionalidad que puede representarse gráficamente. Esa representación consiste en identificar la estación que queremos controlar, tomar los valores anuales del primero. Luego deben contarse con por lo menos tres (3) estaciones vecinas cuyos registros anuales sean confiables y que llamaremos estación base, cuya serie de datos anuales debe coincidir con el de la estación a controlar. En cada año, a partir del primero con registro, se promedia los valores de las estaciones base y se acumulan por años sucesivos, obteniéndose una lluvia media anual acumulada. Luego, en un sistema de ejes coordenados, se grafican en ordenadas los valores de lluvia anual acumulada de la estación a controlar y en abcisas los de lluvia media anual acumulada de las estaciones base. Si los registros no han sufrido variaciones, los puntos se alinean en una recta de pendiente única, por lo tanto no será necesario efectuar correcciones. Si por el contrario hay variaciones en la pendiente de la recta,
significa que parte de la serie contiene valores erróneos por lo cual el registro de datos debe ser corregido a partir del año en el que cambia la pendiente de la recta. Se obtiene en ese caso un Factor de Corrección que es proporcional a la variación de la pendiente de la recta.
El factor de corrección se obtiene haciendo Pc/Pe que en el ejemplo del gráfico será 1, debido a que los registros anuales medidos han sido menores a los reales y deben corregirse a partir del año del error, tomando los valores anuales sin acumular y afectándolos a cada uno por el factor de corrección. Para graficar la recta del Doble Masa se construye la tabla siguiente:
Se grafican los datos de la columnas (6) en abcisas contra los datos de la columna (8) en ordenadas y se verifica la necesidad o no de efectuar una corrección. En caso afirmativo, deben corregirse los valores erróneos de la columna (7) y presentarse en la columna (9) de la Tabla anterior.
VI. Curva Intensidad - Duración - Frecuencia Se define tormenta el conjunto de lluvias que obedecen a una misma perturbación meteorológica y de características bien definidas. Una tormenta puede durar desde unos pocos minutos hasta varias horas y aun días y puede abarcar desde una zona pequeña hasta una extensa región. De las tormentas interesa conocer las curvas intensidad - duración - frecuencia.
Intensidad.- Se mide en mm/h. y su valor varía durante la tormenta. Duración.- Se mide en minutos o en horas. Es el tiempo transcurrido entre el comienzo y el fin de la tormenta. Período de duración.- Es un concepto importante. Es un período de tiempo dentro de la duración de la tormenta. Se escogen períodos de duración tipos. Por ejemplo: 10 m., 30 m., 60 m., 120 m., 240 m. Lo que se busca, como veremos, son las intensidades máximas para estos períodos de duración. Frecuencia.- Aclararemos este concepto mediante un ejemplo. Una tormenta de frecuencia 1/15 significa que es probable que se presente como término medio, una vez cada 15 años. Los 15 años vienen a constituir el tiempo de retorno o período de retornó de dicha tormenta. El análisis de tormentas tiene por objeto obtener aseveraciones, por ejemplo: "En el lugar tal es probable que se presente una tormenta de intensidad máxima de 48 mm/h., para un período de duración de 20 minutos, cada 15 años en promedio". El análisis de tormentas se hace a partir del siguiente procedimiento:
Se parte de un pluviograma, es decir el registro de un pluviógrafo, como el de la figura.
Se hace la siguiente tabulación, a partir del pluviograma.
Hora. Se anotan las horas en que cambia la intensidad.
Intervalo de tiempo. Es el intervalo entre las horas de la primera columna Lluvia parcial. Es la lluvia caída en cada intervalo de tiempo. Se saca por diferencia. Intensidad. Es la precipitación referida a 1 hora, para cada intervalo de tiempo. Se obtiene mediante una regla de tres. Para el segundo intervalo, por ejemplo:
Se dibuja el gráfico intensidad - tiempo, que recibe el nombre de histograma. El histograma permite apreciar más objetivamente cómo varía la intensidad durante la tormenta.
Se calcula la intensidad máxima para diferentes períodos de duración. Fijemos 10 m, 30 m, 60 m, 120 m y 240 m.
a)
Tomemos la intensidad máxima: 10.2 mm/h durante 50 minutos, luego la intensidad máxima para períodos de duración de 10 m. y 30 m. es 10.2rnm/h.
b)
Para 60 minutos faltan 10 minutos. Hay que buscar antes o después de los 50 minutos la intensidad máxima inmediata inferior: 8.6 mm/h durante 70 minutos Luego, la intensidad máxima para 60 minutos será:
c)
Análogamente, para 120 minutos:
d)
Para 240 minutos:
Después del paso 4 se tiene la siguiente tabla:
Para determinar la frecuencia Para esto, se procede a analizar todas las tormentas caídas en el lugar siguiendo el proceso ya indicado; es decir que para cada tormenta se haya la intensidad máxima en diferentes períodos de duración.
Se tabulan los resultados en orden cronológico. Tomando intensidad mayor de cada año para cada período de duración.
Procediendo por separado para cada período de duración, se colocan en orden decreciente, prescindiendo del año, los valores de la tabla última.
Se construyen las curvas intensidad-duración-frecuencia.
Se ilustra el uso de estas curvas con un par de ejemplos. En este lugar, es probable que se presente una tormenta de intensidad máxima igual a 72 mm/h. para un período de duración de 30 min., cada 15 años en término medio. En este lugar, la intensidad máxima para un período de duración de 120 mino y período de retorno de 30 años es 44 mm/h. A las tormentas de frecuencias 1/15, 1/10, 1/5, etc. Se les llama “tormenta de los 15, 10,5 años", etc., respectivamente. La probabilidad de que un año cualquiera se presente una tormenta de magnitud igualo mayor que la magnitud de la tormenta de los 5 años, es: 1/5 = 0.20 = 20 %.
VII. EVAPORACION En hidrología, la evaporación es una de las variables hidrológicas importantes al momento de establecer el balance hídrico de una determinada cuenca hidrográfica o parte de esta. En este caso, se debe distinguir entre la evaporación desde superficies libres y la evaporación desde el suelo. La evaporación es un proceso físico que consiste en el pasaje lento y gradual de un estado líquido hacia un estado más o menos gaseoso, en función de un aumento natural o artificial de la temperatura, lo que produce influencia en el movimiento de las moléculas, agitándolas. Con la intensificación del desplazamiento, las partículas escapan hacia la atmósfera transformándose, consecuentemente, en vapor. La evaporación es un fenómeno en el cual átomos o moléculas en el estado líquido (o sólido, se la sustancia sublima) ganan energía suficiente para pasar al estado de vapor. Hay otra forma especial de evaporación, la que se produce a partir de la nieve y de los hielos, el paso no es del estado líquido al gaseoso, sino del sólido al gaseoso; este fenómeno se conoce como sublimación o volatilización. El movimiento térmico de una molécula de líquido debe ser suficiente para vencer la tensión superficial y evaporar, esto es, su energía cinética debe exceder el trabajo de cohesión aplicado por la tensión superficial a la superficie del líquido. Por eso, la evaporación acontece más rápidamente a altas temperaturas, a altos caudales entre las fases líquidas y vapor y en líquidos con bajas tensiones superficiales (esto es, con presión de vapor más elevadas). Con solamente una proporción pequeña de moléculas localizada cerca de la superficie y moviéndose en la dirección correcta para escapar del líquido en un cierto instante, la tasa de evaporación es limitada. Además, como las moléculas de mayor energía escapan y las que quedan tienen menor energía cinética media, la temperatura del líquido se reduce. Este fenómeno también es llamado de enfriamiento evaporativo. Un ejemplo para dicho fenómeno es la transpiración (sudor).
Definiciones Evaporación Proceso físico por el cual el agua cambia de estado líquido a gaseoso, retornando directamente a la atmósfera en forma de vapor, a partir de superficies de agua libre como océanos, lagos y ríos, de zonas pantanosas, del suelo, y de la vegetación húmeda. Transpiración Proceso por el cual el agua de la vegetación a través de las hojas de las plantas pasa a la atmósfera en forma de vapor. Naturalmente esta agua tomada por las plantas del suelo. Evapotranspiración Cantidad de agua transferida del suelo a la atmósfera por evaporación y transpiración de las plantas; dicho de otra forma: es la pérdida de agua debida a la transpiración de la vegetación más la evaporación del suelo. Uso consuntivo Es la cantidad de agua utilizada cada año por el cultivo o la vegetación natural en transpirar y construir sus tejidos conjuntamente con el agua evaporada desde el suelo adyacente o de la precipitación interceptada; (aproximadamente representa el 1% de la
evapotranspiración), por lo que los términos evapotranspiración y uso consuntivo se usan como sinónimos.
Sublimación Se denomina sublimación cuando el agua en estado sólido (nieve, hielo, etc.) puede pasar directamente a vapor. Evaporación Potencial (ET0) Es la cantidad de vapor de agua que puede ser emitida desde una superficie libre de agua. La evaporación potencial representa la demanda evaporante de la atmósfera. Evapotranspiración potencial Cantidad de agua evaporada y transpirada si ha existido en todo momento un exceso de humedad disponible. Evapotranspiración Real Es la cantidad de agua perdida por el complejo suelo-planta en las condiciones meteorológicas, edafológicas (en las que se incluye el contenido de humedad y la fuerza con que esta humedad es mantenida). Déficit de escurrimiento Diferencia entre la precipitación caída y la lámina de agua escurrida, expresada en mm. (Déficit = P – Q). Factores que controlan la evaporación La tasa de evaporación varía dependiendo de los factores meteorológicos y factores geográficos (naturaleza de la superficie evaporante).
Factores meteorológicos
Radiación solar
Temperatura del aire
Viento
Presión atmosférica
De todos los factores que intervienen en la evaporación, la radiación solar es el más importante, la evaporación varia con la latitud, época del año, hora del día y condiciones de nubosidad.
Radiación solar.- Fuente de energía para suministrar el calor latente de vaporización. Temperatura del aire.- El papel de la temperatura del aire es doble por que aumenta la energía cinética de las moléculas y disminuye la tensión superficial que trata de retenerlas. Viento.- La velocidad del viento será necesaria para remover y mezclar las capas húmedas inferiores con las superiores de menor contenido de humedad. Presión Atmosférica.- La evaporación aumenta, al disminuir la presión atmosférica, manteniendo constantes los demás factores. Sin embargo, se ha observado que al aumentar la altitud, decrece la evaporación. Es difícil de evaluar el efecto relativo de cada uno de los factores meteorológicos mencionados que controlan la evaporación, cualquier conclusión debe estar limitada en términos del periodo de tiempo considerado.
Factores geográficos (naturaleza de la superficie evaporante)
Volumen de agua
Calidad del agua
Superficie libre del agua
Hielo, nieve, otros
Suelos
Profundidad del volumen de agua.- Los lagos o embalses profundos tienen mayor capacidad de almacenamiento de calor que los almacenamientos someros, este hecho tiene una influencia notoria en las variaciones estacionales y aun en la fluctuación diaria de la evaporación. Calidad del agua.- El efecto de la salinidad o la presencia de sólidos disueltos en el agua, reducen la tensión de vapor de la solución, y con ello disminuye la evaporación. Por ejemplo en el agua de mar, la evaporación es del orden de 2 % menor que en el agua dulce, entonces los efectos de la salinidad pueden despreciarse en la estimación de la evaporación de un embalse. Evaporación de nieve y hielo.- La evaporación a partir de la nieve y del hielo es un fenómeno aún poco estudiado. Se sabe únicamente que la evaporación a partir de la nieve aumenta cuanto mayor contenido tenga en fase líquida, de allí que las evaporaciones sean mayores poco antes de los deshielos. Evaporación desde los suelos.- La taza de evaporación desde un suelo saturado es aproximadamente igual a la evaporación desde una superficie de agua cercana, a la misma temperatura. Al comenzar a secarse el suelo la evaporación disminuye, y finalmente cesa porque no existe un mecanismo que transporte el agua desde una profundidad apreciable. Medición de la evaporación Con el fin de homogeneizar las medidas de las magnitudes que intervienen en el ciclo hidrológico, la evaporación se mide en milímetros Por lo general se acompaña el periodo de tiempo considerado en mm/día, mm/mes, etc. Cabe observar que el adoptar como unidad de medida el mm es muy significativo, pues indica que la evaporación es un fenómeno de superficie. Así por ejemplo, será menor la evaporación de un embalse de pequeña superficie y muy profundo, que aquélla correspondiente a uno de gran superficie y escasa profundidad, aunque el volumen de agua almacenada en ambos sea el mismo. Para realizar la medición de la evaporación se tienen los siguientes métodos:
Métodos instrumentales (Tanques de Evaporación y evaporímetros)
Métodos teóricos (Balances Hídricos)
Formulas Empíricas (Meyer, Penman,)
Tanques de evaporación Uno de los instrumentos más empleados para la medición de la evaporación está constituido por tanques, tienen como principio común la medida del agua perdida por evaporación contenida en un depósito de regulares dimensiones. Generalmente son fabricados de hierro galvanizado, zinc o cobre, diferenciándose los distintos modelos entre sí, por su tamaño, forma y ubicación en el terreno.
Los depósitos o tanques de evaporación pueden ser de t res tipos:
exteriores, (colocados sobre la superficie del suelo)
enterrados
flotantes, (para efectuar mediciones en grandes masas líquidas, embalses y lagos).
Tanques exteriores Consiste en un depósito cilíndrico construido con chapa de hierro galvanizado Nº 22, sin pintar, con un diámetro interior de 1,22 m y 25,4 cm. de altura. El fondo está soldado interiormente y debe ser plano. La chapa que forma la pared lateral del cilindro no tiene costura, para evitar filtraciones, y el borde superior está reforzado con un aro de hierro galvanizado de 2,5 cm. de alto y 0,25 cm. de espesor.
Tanques de evaporación Tipo “A” Se instala sobre una base construida con tirantes de madera dura, en f orma de enrejado, de modo que su fondo quede a unos 15 cm. del suelo, a efectos que el aire pueda circular libremente bajo el tanque. Con el objeto de uniformar las instalaciones se sigue el criterio de colocarlo en un lugar expuesto a la máxima insolación posible. El nivel del agua dentro del tanque debe llegar hasta 5 cm. de su borde superior y se agregará o extraerá agua cuando la variación del nivel, en un sentido u otro, sea superior a 2,5 cm.
Tanques enterrados Son menos sensibles a las influencias de la temperatura ambiente y de la radiación solar sobre las paredes, pero aunque su borde sobrepasa el nivel del suelo en alrededor de una docena de centímetros, las gotas de lluvia que rebotan en el suelo así como los detritos que recogen, pueden causar errores de medida. Son de instalación y mantenimiento más delicados y la altura de la vegetación en su vecindad inmediata, influye en el valor de las mediciones. Deben ser revisados periódicamente a los efectos de verificar que no existan fugas, que falsearían las lecturas. Los tipos de tanques enterrados más conocidos son:
Tanque tipo "B" Constructivamente reúne las mismas condiciones del tipo "A". Su diámetro interior es de 1,829 m y su altura de 0,61 m. Se instala enterrándolo de modo que su borde sobresalga
10 cm del terreno, conformando al mismo alrededor del tanque con un pequeño talud de pendiente aproximada del 5%. Debe llenarse con agua hasta 10 cm de su borde o sea hasta el nivel del terreno exterior circundante, y se le agregará o extraerá agua cuando la variación del nivel era un sentido u otro sea superior a 2.5 cm.
Tanque enterrado "colorado" Tiene forma paralelepipédica con sección recta cuadrada de 0,914 m de lado y 0,462 m de altura. Para instalarlo se lo entierra en el terreno de manera que sus aristas superiores queden a 10 cm sobre la superficie de aquél. El nivel de agua en el tanque es mantenido enrasando aproximadamente con el terreno adyacente.
Tanques flotantes Los tanques o evaporímetro flotante es más utilizado por el Servicio Geológico de los EE.UU., es de sección circular, con un área de 0,28 m2 (3 pies cuadrados) y 45,7 cm (18 pulgadas) de profundidad. Está soportado por rodillos flotantes en el centro de una balsa de 4,20 x 4,80 metros. El nivel del agua en el tanque es el mismo que el del agua circundante. Posee además, deflectores diagonales para reducir el efecto de las olas. Este tipo de tanques son para estudiar la evaporación de grandes superficies de agua. Su instalación suele ser difícil por los problemas de amarre y estabilidad; además, las mediciones, aparte de ser mucho menos cómodas que en tierra pueden verse falseadas, sobre todo en días de vientos fuertes, por el agua introducida en el tanque por el oleaje o la vertida fuera de aquél bajo la acción de los movimientos de balanceo.
Métodos de medición en los tanques Para la medición del agua evaporada en los tanques, se realiza con frecuencia de una medición por día, a igual hora, existen dos métodos:
Método volumétrico, consiste en medir los volúmenes de agua que es preciso añadir (o eventualmente extraer) periódicamente al tanque para reponer en éste el nivel inicial o de referencia, el que se obtiene haciendo que el agua del depósito enrase con la punta metálica de un vástago, soldado al fondo o a la pared del tanque. Medida de los niveles de agua, consiste en medir la diferencia de la evaporación producida en el tiempo transcurrido entre las mediciones (24 hrs.). En este caso, el nivel puede determinarse mediante un tornillo medidor, que consiste en un vástago roscado y graduado que termina en un gancho semicircular de punta afilada (dirigida en consecue ncia hacia arriba), la que se enrasa con el nivel del agua. Instrumental complementario La evaporación depende de las condiciones atmosféricas, por lo tanto en cada emplazamiento deben recogerse en forma simultánea datos meteorológicos,
principalmente la velocidad media del viento, temperatura del aire, temperatura de la superficie del agua, humedad del aire y precipitación (Cuadro 4.1). Para medir la temperatura del agua del tanque, se utilizan termómetros comunes graduados en grados centígrados. El termómetro se lo coloca sobre un flotador de madera o plástico levemente inclinados, de modo que la parte superior del bulbo quede a 3 ó 4 mm. por debajo de la superficie del agua y provisto de un separador que evita su contacto con las paredes del tanque. La lectura se realiza en f orma directa, sin sacarlo del agua.
Balance hídrico (método teórico) La medida directa de la evaporación en el campo no es posible, en el sentido en que se puede medir la profundidad de un rio, la precipitación, etc. Debido a esto se han desarrollado una serie de técnicas para estimar la evaporación desde la superficie de un embalse. El método del balance hídrico consiste en escribir la ecuación de balance hídrico en términos de volúmenes:
Donde: Ev=Evaporación; S=Almacenamiento; I=Caudal de Entrada; P=Precipitación; O=Caudal de Salida; Og = Infiltración Subsuperficial En teoría el método es muy simple, pero en la práctica rara vez da resultados confiables. La razón está en que los errores en la medición de los volúmenes que intervienen y de los almacenamientos repercuten directamente en el cálculo de la evaporación. De todos los términos que entran en la ecuación, el más difícil de evaluar es la infiltración (Og), porque debe ser estimada indirectamente a partir de niveles de agua subterránea, permeabilidad, etc.
Formulas empíricas (superficies de agua libre) Muchas expresiones empíricas se han desarrollado para estimar la evaporación desde superficies de agua libre, relacionándola con algunos factores que influyen en el fenómeno, englobando los demás en coeficientes empíricos (constantes para cada lugar), que deben ajustarse según las medidas experimentales obtenidas. La mayor parte de las fórmulas empíricas que se han propuesto se basan en el planteamiento aproximado de la ley de Dalton Ev = k(es-ea) Existe una gran cantidad de fórmulas de este tipo, pero todas ellas son muy similares, por lo que en este apartado se mencionaran solamente algunas.
Formula de Meyer
Propuesta en el año 1915, no toma en cuenta la disponibilidad energética:
Donde: Em = Evaporación mensual en cm. es = Presión de vapor de saturación media mensual en pulgadas de mercurio ea = Presión de vapor media mensual en pulgadas de mercurio. Vw = Velocidad media mensual del viento, medida a 10 m de la superficie, en km/h. C = Coeficiente empírico, cuyo valor puede tomarse como de 38 para depósitos pequeños y evaporímetros y de 28 para grandes depósitos. ea y es se determinan con base en la temperatura y la humedad relativa medias mensuales y con ayuda de la Figura siguiente para determinar la presión de vapor:
Fórmula de Fitzgerald
Fórmula de Rohwer
Fórmula de Lugeon
Fórmula de los servicios Hidrológicos de la ex URSS:
En las expresiones anteriores de las formulas empíricas, las notaciones empleadas son: Ev = evaporación diaria, en mm. es = tensión de vapor saturante para la temperatura superficial del agua, mmHg. ea = tensión de vapor en el aire, en mmHg. V2 = velocidad del viento a 2 m de altura Vo = velocidad del viento sobre la superficie del agua d = número de días del mes t = temperatura media mensual de las máximas diarias, en °C Pat = presión atmosférica, en mmHg Cabe tener presente que e s, ea, V y P son valores medios diarios cuando se calcula E y medios mensuales si se calcula Evm. Todas estas fórmulas tienen validez local o regional. Se deberá precisar el valor de los coeficientes que ellas contienen por medio de observaciones locales.
Nomograma de Penman En 1948 Penman propuso dos formas de calcular la evaporación diaria (E o) en mm, a partir de una superficie libre de agua. La primera de ellas es mediante el uso de un nomograma y segunda mediante un balance energético. Para el uso del nomograma se requiere la siguiente información: t = temperatura media del aire. h = humedad relativa media u2 = velocidad media del viento a 2m de altura, en m/seg. n/D = duración relativa de insolación n/D = 0 (cielo completamente cubierto) n/D = 1 (cielo completamente despejado) n = duración de insolación efectiva D = duración del día astronómico (desde la salida hasta la puesta del sol)
RA = valor de Angot. Es la cantidad de radiación solar, en calorías por día en un plano horizontal de 1 cm2., entrante en los límites exteriores de la atmósfera. Es una función de la posición geográfica y la época del año, tal como se indica en la Tabla siguiente: Valores de A en CAL/(CM2-DIA)
En el nomograma se encuentra E o como la suma de tres términos: Eo = E1 + E2 + E3
Control de la evaporación Se recomienda el uso de cortinas de árboles corta-vientos implantadas en las márgenes de los embalses, a fin de reducir la turbulencia y velocidad del viento, y por consiguiente la evaporación, se observó que aquéllas son efectivas solamente en embalses muy
pequeños; habiéndose determinado que una reducción del 25% en la velocidad del viento, normalmente produce una disminución aproximada de sólo un 5% de la evaporación a largo plazo, aún esta disminución no es factible en grandes embalses. Se han llevado a cabo también amplias investigaciones mediante la aplicación de sustancias capaces de formar una delgada película monomolecular, de un espesor del orden de 10-8 mm, sobre la superficie líquida. El elemento con el que se obtuvieron en principio los mejores resultados es el hexadeconal, que para los efectos producidos tiene un costo permisible y además, no altera las cualidades físicas (olor, sabor, color, etc.) ni las biológicas del agua. Los resultados obtenidos arrojan reducciones de la evaporación variables entre 10% y 60%. Sin embargo, a pesar del optimismo inicial, este enfoque tiene poco uso en la actualidad, radicando los principales inconvenientes en que la película se rompe con el oleaje y es fácilmente oxidable y degradable por la acción de microorganismos.
VIII. EVAPOTRANSPIRACION Transpiración La mayor parte del agua evaporada por las plantas es agua que ha pasado a través de la planta, absorbida absorb ida por las raíces, pasando por los tejidos vasculares y saliendo por las hojas, a través de las estomas, aunque a veces también ocurre a través de la cutícula. Esta evaporación de agua a través de las plantas es la denominada transpiración. Movimiento del agua durante el proceso de transpiración
En sentido amplio, en el concepto se incluye también el agua perdida por la planta en forma líquida (goteo o exudación), que puede alcanzar valores relativamente importantes, en especial cuando las condiciones ambientales para que se produzca transpiración no son favorables. Asimismo debe incluirse el agua que la planta incorpore a su estructura en el período de crecimiento. Según su manera de abastecerse de agua, existen 3 tipos de plantas:
las hidrófilas, hidrófila s, que viven total o parcialmente parcialment e sumergidas en agua
las mesófitas mesófit as y xerófitas, xerófita s, que toman el agua de la zona no saturada del suelo
las freatófitas, freatóf itas, que pueden, alternativamente, alternativa mente, tomar agua de la zona no saturada o de la zona saturada del suelo
Proceso de Transpiración El agua del suelo penetra por las células epidérmicas de los pelos absorbentes de las raíces, debido al fenómeno de ósmosis y a la imbibición que rompe el equilibrio osmótico entre una célula y la contigua interior, pasando así el agua de célula en célula, hasta los vasos y traqueidas del tallo, a los que el agua llega con cierta presión (por causas no bien conocidas), llamada presión radicular, mientras que a su vez la transpiración desde las hojas efectúa una potente aspiración de tal agua. Se denomina succión a la combinación
de ambos efectos. Cuando el agua alcanza la hoja, humedece las membranas celulares del mesodermo y a través de la cutícula o a través de pequeñas aberturas (estomas), se pone en contacto con el aire, que lo recibe en forma de vapor, bien porque ya ha habido evaporación en el interior de la hoja, o bien al producirse evaporación por este contacto agua-aire.
Factores que afectan la transpiración En su aspecto físico, la transpiración está influenciada por los mismos factores que afectan a la evaporación, a los que puede clasificarse como factores medioambientales, y los factores fisiológicos, que dependen de la planta propiamente dicha y la vegetación general del lugar. Básicamente estos últimos son: la especie vegetal (considerando la planta en forma individual), edad, desarrollo, profundidad radicular, follaje (número, tipo, funcionamiento y estructura de las hojas), cantidad de suelo cubierto por plantas, etc. La especie de la planta reduce su influencia cuando se consideran grandes extensiones de cultivo. Los factores esenciales medioambientales son:
La temperatura, influyendo sobre todo la exposición de la hoja al sol.
La radiación solar, dado que la absorción de esta energía por la hoja aumenta su tensión de vapor de agua.
El viento, que al arrastrar las partículas de vapor de agua próximas a la superficie de las hojas aumenta la transpiración.
La humedad del aire
La humedad del suelo, de la que depende la cantidad de agua que puede disponer la planta.
Unidades de medida Las cantidades de agua que vuelven a la atmósfera por transpiración, se expresan de dos maneras: En milímetros de agua, equivalentes a dividir el volumen transpirado por la superficie ocupada por la vegetación. Mediante un coeficiente de transpiración (transpiration ratio), cociente entre el peso de agua consumida y el peso de materia seca producida (excluidas las raíces, por razones prácticas). Su uso es preferentemente agronómico, pues mide en cierto modo, el rendimiento con que las plantas aprovechan el agua.
Determinación de la transpiración Los procedimientos para medir la transpiración, son generalmente en laboratorio. A continuación se citan algunos, brevemente, por ser mayor su interés teórico que su interés práctico. Un primer procedimiento consiste en medir el vapor de agua que recoge una campana de vidrio, cerrada en su base por una hoja de la planta, por el aumento de peso de una sustancia higroscópica colocada en el interior. El fitómetro ofrece un método práctico para la medición de la transpiración. Consiste en un recipiente relleno con suelo en el que crecen una o más plantas. La superficie del suelo se cubre con parafine para
evitar la evaporación, siendo el único escape de humedad la transpiración, que puede determinarse por las pérdidas de peso del conjunto. Este método brinda resultados satisfactorios, siempre que se ofrezca al experimento las mismas condiciones medioambientales que se encontrarán en la realidad.
Evapotranspiración (Et)
La Evapotranspiración es la combinación de dos procesos independientes por los cuales se pierde agua, la evaporación del agua de la superficie del suelo y la transpiración del cultivo, por consiguiente, todos los factores que inciden en la evaporación y en la transpiración, influirán en la evapotranspiración. El conocimiento de la evapotranspiración o uso consuntivo es un factor determinante en el diseño de los sistemas de riego, incluyendo las obras de almacenamiento, conducción, distribución y drenaje. Especialmente el volumen útil de una presa para abastecer a una zona de riego depende en gran medida del uso consuntivo.
Factores que influyen la evapotranspiración (ET) La ET es un fenómeno dependiente en buena parte de las condiciones atmosféricas, del suelo y de la vegetación. Después de una lluvia o de un riego por aspersión, la interface entre el sistema terreno-planta y la atmósfera está saturada, y evidentemente la transpiración y la evaporación están en el valor potencial, siendo entonces la evapotranspiración función de muchos factores (ET = f(c, s, v, f, g, Q)):
Factores climatológicos (c): radiación, temperatura y humedad del aire, velocidad del viento, etc.
Factores edáficos (s): conductibilidad hídrica, espesor del estrato activo, calor superficial, capacidad hídrica, rugosidad de la superficie, etc.
Factores de la planta (v): conductibilidad hídrica de los tejidos, estructura de la parte epigea, índice LAI, profundidad y densidad del sistema radical, etc.
Factores fitotécnicos (f): laboreo del suelo, rotación de cultivos, orientación de las líneas de siembra, densidad poblacional, tipo e intensidad de la poda, etc.
Factores geográficos (g): extensión del área, variación de las características climáticas en el borde del área considerada, etc.
Agua disponible en la interface con la atmósfera (Q): cuyo origen es la lluvia, el riego y/o el aporte hídrico de la capa freática.
Medición de la evapotranspiración Desde el punto de vista práctico, dado que la evapotranspiración depende, entre otros, de dos factores muy variables y difíciles de medir, tales como el contenido de humedad del suelo y el desarrollo vegetativo de la planta, Thornthwaite introdujo un nuevo concepto, optimizando ambos factores la evapotranspiración potencial Et o.
Evapotranspiración potencial de referencia (Eto) La evapotranspiración potencial de un cultivo de referencia (Eto) en mm/día, fue definida por Doorembos y Pruit (FAO, 1975) como: "La tasa de evaporación en mm/día de una extensa superficie de pasto (grama) verde de 8 a 15 cm de altura uniforme, en crecimiento activo, que sombrea completamente la superficie del suelo y que no sufre de escasez de agua".
Evapotranspiración real (Etr ) En la práctica, los cultivos se desarrollan en condiciones de humedad muy lejanas de las óptimas. Por este motivo para calcular por ejemplo la demanda de riego se ha de basar en la evapotranspiración real (Et r ), la cual toma en consideración al agua disponible en el suelo y las condiciones ambientales en las cuales se desarrolla un cultivo determinado. La evapotranspiración real de un cultivo, en cierto momento de su ciclo vegetativo, puede expresarse como: Etr = Eto * Kc * kh Donde: Eto = Evapotranspiración potencial del cultivo de referencia Kc = Coeficiente de cultivo Kh = Coeficiente de humedad del suelo El coeficiente de cultivo kc, depende de las características anatomorfológicas y fisiológicas de la especie y expresa la variación de su capacidad para extraer agua del suelo durante el ciclo vegetativo. El coeficiente de humedad kh, es una expresión del mecanismo de transporte de agua a la atmósfera a través del suelo y de la planta, que depende del grado de disponibilidad de agua, del gradiente de potencial hídrico entre el suelo y la atmósfera circundante y de la capacidad de dicho sistema para conducir agua.
Evapotranspiración del cultivo (Etc) Se determina mediante el empleo de coeficientes de cultivo ( Kc) que corresponden a la relación entre la evapotranspiración del cultivo de referencia (ET o) y la "de una determinada especie cultivada, exenta de enfermedades, que crece en un campo extenso, en condiciones óptimas de suelo, en el que se ha llegado a un potencial de máxima producción " (FAO 1976).
Etc = Kc * Eto Siempre y cuando el cultivo en consideración disponga de agua en abundancia (después de un riego o de una lluvia intensa) y en condiciones de buena aireación del suelo, Et r equivale a Et c. La Etr nunca será mayor que Et c. Al aumentar la tensión del agua en el suelo, disminuye la capacidad de las plantas para obtener el volumen de agua requerido al ritmo impuesto por las condiciones del ambiente. Bajo estas condiciones disminuye la transpiración del cultivo por lo tanto Et r es inferior a Et c y también inferior a Et o.
Unidades de medición La unidad más usual para expresar las pérdidas por evapotranspiración es el milímetro de altura de agua, que equivale a un volumen de 10 m3/ha., referidos siempre a un determinado intervalo de tiempo.
Métodos para estimar la evapotranspiración en una cuenca La evapotranspiración en una cuenca es considerada como la evaporación procedente de la superficie del agua, el suelo, la nieve, el hielo, la vegetación y de otras superficies, más la transpiración. No es posible medir la evapotranspiración directamente de una región de dimensiones importantes en condiciones naturales. Por esta razón, la estimación de la evapotranspiración para períodos largos de tiempo se calcula utilizando el método del balance hídrico y para valores a corto plazo mediante la utilización de relaciones empíricas. Los métodos pueden clasificarse en métodos directos e indirectos. Los métodos directos proporcionan directamente el consumo total del agua requerida, utilizando para ello aparatos e instrumentos de medición. En los métodos indirectos se emplean fórmulas empíricas.
Método de Thornthwaite Fue desarrollada en los Estados Unidos, se puede aplicar con relativa confianza en regiones húmedas como Costa Rica. Para su cálculo se requieren datos de temperaturas medias mensuales. Para el cálculo de la evapotranspiración por el método de Thornthwaite, hacer lo siguiente: 1.
Calcular la evapotranspiración mensual e, en mm por mes de 30 días de 12 horas de duración.
e = 16 (10 tI )a Donde: e = t
=
evapotranspiración mensual en mm por mes de 30 días, y 12 horas de duración temperatura media mensual en °C I = ∑2 = j
i = ( 5 )1.514
I = Índice térmico anual i = índice térmico mensual
a = 0.6751x10-6 I3 – 0.771x10-4 I2 + 0.01792 I + 0.49239 a 2.
=
exponente que varía con el índice anual de calor de la localidad
Corregir el valor de e, de acuerdo con el mes considerado y a la latitud de la localidad que determinan las horas de sol, cuyos valores se obtienen de la tabla 1. ETo = f * e Donde: ETo = evapotranspiración de referencia mensual corregida, en mm f = factor de corrección e = evapotranspiración mensual sin corregir, en mm El factor de corrección f, puede también encontrarse con la ecuación: f=
N 2
*
3
Donde: N
=
d
=
número máximo de horas de sol, dependiendo del mes y la latitud, sus valores se encuentran en las tablas 2 y 3 siguientes. número del día del mes Factor de corrección f, por duración media de las horas de sol expresada en unidades de 30 días, con 12 horas de sol cada una
Horas Máximas, Promedio diario de fuerte insolación, N (horas/día),
tabuladas por mes y por latitud (hemisferio norte)
Lat.
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Set
Oct
Nov
Dic
50
8.5
10.1
11.8
13.8
15.4
16.3
15.9
14.5
12.7 10.8
9.1
8.1
48
8.8
10.2
11.8
13.6
15.2
16.0
15.6
14.3
12.6 10.9
9.3
8.3
46
9.1
10.4
11.9
13.5
14.9
15.7
15.4
14.2
12.6 10.9
9.5
8.7
44
9.3
10.5
11.9
13.4
14.7
15.4
15.2
14.0
12.6 11.0
9.7
8.9
42
9.4
10.6
11.9
13.4
14.6
15.2
14.9
13.9
12.9 11.1
9.8
9.1
40
9.6
10.7
11.9
13.3
14.4
15.0
14.7
13.7
12.5 11.2 10.0
9.3
35
10.1
11.0
11.9
13.1
14.0
14.5
14.3
13.5
12.4 11.3 10.3 10.0
30
10.4
11.1
12.0
12.9
13.6
14.0
13.9
13.2
12.4 11.5 10.6 10.2
25
10.7
11.3
12.0
12.7
13.3
13.7
13.5
13.0
12.3 11.6 10.9 10.3
20
11.0
11.5
12.0
12.6
13.1
13.3
13.2
12.8
12.3 11.7 11.2 10.9
15
11.3
11.6
12.0
12.5
12.8
13.0
12.9
12.6
12.2 11.8 11.4 11.2
10
11.6
11.8
12.0
12.3
12.6
12.7
12.6
12.4
12.1 11.8 11.6 11.5
5
11.8
11.9
12.0
12.2
12.4
12.4
12.3
12.3
12.1 12.0 11.9 11.8
0
12.1
12.1
12.1
12.1
12.1
12.1
12.1
12.1
12.1 12.1 12.1 12.1
Horas Máximas, Promedio diario de fuerte insolación, N (horas/día), tabuladas por mes y por latitud (hemisferio sur)
Método de Blaney-Criddle
La fórmula original de Blaney-Criddle fue desarrollada en la región árida al oeste de los Estados Unidos, para calcular la evapotranspiración potencial durante un período dado. El método considera que la ET es proporcional al producto de la temperatura por el porcentaje de horas de sol diarias anuales durante el período considerado, generalmente un mes. Con objeto de definir mejor los efectos del clima sobre las necesidades de agua del cultivo, el método de Blaney-Criddle fue modificado por Doorenbos y Pruitt (1974) para obtener la evapotranspiración de referencia (ETgr). Al considerarse los niveles generales de humedad, viento e insolación, la ETgr calculada recoge mejor los efectos del clima sobre la evapotranspiración. De acuerdo a FAO (1986) la ecuación del método Blaney-Criddle es la siguiente: Donde: Eto
=
evapotranspiración de referencia (mm/dia)
T
=
Temperatura media diaria
P
=
Porcentaje medio diario de las horas luz anuales.
Método de Hargreaves
De acuerdo al método de Hargreaves, la temperatura y la radiación pueden ser utilizadas juntas para predecir efectivamente la variación de la ET o. Hargreaves y Ryley (1985), publicaron una ecuación para la ETo, desarrollada en base a mediciones de varios lisímetros, y en comparaciones con otros métodos se calibró en base a 8 años de valores de ET medidos para el pasto Alta Festuca y a datos climáticos correspondientes a Davis (California, EEUU). De acuerdo a Hargreaves y Samani (1991), la ecuación de Hargreaves se expresa de la siguiente manera:
Donde: Eto
=
Evapotranspiración de referencia (mm/día).
RA
=
Radiación extraterrestre expresada en mm/día de evaporación
T
=
Temperatura media (T max+Tmin)/2 (ºC).
TD
=
Amplitud térmica Tmax-Tmin (ºC)
Método de Penman - Monteith El panel de expertos, organizado por la FAO (1990), recomendó la adopción de la ecuación Penman Monteith como un nuevo estándar de la Evapotranspiración de referencia y sugiere procedimientos para el cálculo de los diferentes parámetros de la ecuación. Se define el cultivo de referencia como un cultivo hipotético con una altura de 0.12 m, una resistencia de la superficie de 70 s/m y un albedo de 0,23, que cercanamente reproduce la evapotranspiración de una superficie extensa de pasto verde de altura uniforme, que crece activamente sin restricciones de suelo y agua.
Donde: ETo
=
Evapotranspiración de referencia (mm/dia)
Rn
=
Radiación neta en la superficie del cultivo (MJ/m2d)
G
=
Flujo de calor del suelo (MJ/m2d)
T
=
Temperatura media del aire (ºC)
U2
=
Velocidad del viento a 2 m de altura (m/s)
(es-es) =
Déficit de presión de vapor (Kpa)
Δ
=
Pendiente de la curva de presión de vapor (KPa/ºC)
Ɣ
=
Constante psicométrica (KPa/ºC)
IX.
CAUDALES
Para llegar a conocer los recursos hidráulicos de una cuenca es necesario conocer el caudal, diariamente, a la misma hora, y durante el mayor número posible de años. Así es como se llega a conocer el régimen de los ríos. Todos los países cuidan de organizar este servicio, estableciendo estaciones de aforo y publicando los resultados. En el Perú esta labor la realiza principalmente SENAMHI. Los términos caudal, gasto y descarga son sinónimos. Aforar significa medir caudales. El principal método para aforar corrientes naturales es el del correntómetro. Después de seleccionar adecuadamente la sección del río, se establece la sección de aforo y se procede a medir diariamente el caudal; también se mide el nivel. Luego de un tiempo es posible dibujar la curva de descarga del río en el lugar de la estación. Es una curva de caudales versus niveles o alturas de agua. Los niveles se miden con limnímetros o limnígrafos instalados a un costado de la estación de aforo. Dibujada la curva de descarga pueden suspenderse los aforos directos, pues bastará entonces con medir el nivel para conocer el caudal. Se recomienda revisar periódicamente la curva de descarga con mediciones directas de caudal.
MEDICIÓN DE CAUDALES De los varios métodos disponibles para aforar corrientes naturales el principal es con correntómetro. De estos aparatos hay dos tipos, de hélice y de rueda de copas. Instalar el correntómetro significa ubicar la hélice en el punto (P) donde se va a medir la velocidad del agua. Tomar lectura significa anotar el número de revoluciones (r) de la hélice en el tiempo arbitrario (t) en segundos. El fabricante proporciona para cada hélice la fórmula de calibración. V=an+b V n a,b
: : :
velocidad en el punto número de revoluciones por segundo = r / t constantes de calibración.
Para iniciar un aforo es necesario dividir la sección transversal (área mojada) en franjas, como indica la figura, usando verticales.
El área de cada franja se asimila a un rectángulo de igual ancho y de altura igual al promedio de las alturas de las 3 verticales que definen la franja.
La idea es medir el caudal en cada franja (ΔQ) y luego obtener el caudal total por sumatoria (Q = ΣΔQ). El caudal en una franja es igual a la velocidad media en la franja multiplicada por el área. Se toma como velocidad media en la franja la velocidad media en la vertical. Y esta última se define en función de la velocidad puntual medida con el correntómetro, según el siguiente argumento
En la vertical 1-1 el diagrama de velocidades es una curva logarítmica, con velocidad máxima más o menos a un quinto del tirante a partir de la superficie. La velocidad media es tal que el área del rectángulo 1-5-6-11 es igual al área real 1-2-3-4-11. Como reglas prácticas para obtener la velocidad media en la vertical ( Vm) se usan las siguientes:.
Descripción del correntómetro
Según la magnitud de la corriente se hace trabajar el correntómetro suspendido de un cable o sujeto a una barra que se hinca en el lecho. El cable es para mantener el aparato suspendido desde un puente o una oroya. El lastre es para impedir que sea sacado de posición por la fuerza de la corriente. En el eje de la hélice hay una serie de finos "engranajes para poder contar el número de revoluciones. La pequeña cámara de contacto hace el cambio de 10 revoluciones a una señal luminosa y otra auditiva. De esta manera lo único que hace el operario es contar el número de señales en un tiempo arbitrario, a fin de obtener n (número de revoluciones por segundo) en cada puesta en estación del aparato. Las corrientes moderadas son vadeables. En ese caso se usa la barra debiendo el operario hacerse a un lado a fin de no interrumpir corriente que va a ser registrada.
UNIDADES La unidad básica de flujo es el m3/seg. El volumen de flujo se puede expresar en m3, pero como esto lleva a números demasiado grandes se acostumbra expresar en miles de m3 o en millones de m3. Los caudales pueden expresarse también en m3/seg/km2 , para comparar casos de flujo en ríos con áreas tributarias diferentes, y son iguales al caudal en m3/seg dividido entre el área de drenaje en km2. El mm es la cantidad de agua necesaria para cubrir el área de drenaje con una profundidad de un milímetro; es una unidad de volumen bastante útil para comparar caudales con la precipitación que ha sido la causa.
CAUDALES MEDIOS En época de caudales estables sólo es necesario determinar el caudal (m3/seg.) una vez al día, siempre a la misma hora. Ese valor es considerado el caudal medio diario. En época de variación de caudales es necesario determinar el caudal dos o tres veces al día a fin de obtener el caudal medio diario. Ahora, el promedio mensual de las descargas medias diarias proporciona la descarga media mensual y el promedio de éstas la descarga media anual.
HIDROGRAMAS Reciben el nombre de hidrogramas los gráficos Q-t, en general. Un hidrograma de creciente es el hidrograma que corresponde a una crecida aislada del río por efecto de una tormenta importante en la cuenca colectara.
En cuanto a las unidades, éstas dependen del tamaño de la cuenca, pudiendo emplearse m3jseg y minutos u horas para las hoyas más pequeñas, hasta miles de m3/seg y horas o días para las hoyas más grandes.
RÉGIMEN DE LOS RÍOS El régimen de un río se refiere a la forma cómo se distribuyen los caudales medios mensuales a lo largo del año. Puede considerarse el año calendario o el año hidrológico. La figura muestra el régimen general de los ríos del Perú de la vertiente del Pacífico. Se observa que hay una época de estiaje o de caudales mínimos, otra de caudales intermedios y una tercera de caudales máximos.
Régimen de los Ríos en el Perú
CURVA DE DESCARGA DE CORRIENTES SIN AFORAR El método para dibujar la curva de descarga de una corriente sin aforar se basa en la aplicación de la fórmula de Manning para determinar la capacidad de conducción del cauce. Para aplicar el método se requieren los siguientes trabajos de campo: -
selección de la sección de interés; levantamiento de la sección transversal; determinación de la pendiente media del fondo del cauce; elección de un valor del coeficiente de rugosidad n, de tabla
Cuando por razones económicas no es posible tomar medidas detalladas en el campo, la construcción de la curva puede hacerse a partir de un plano a curvas de nivel.
X.
Curva de Duración y Capacidad de Embalse
INTRODUCCIÓN Los problemas relacionados con los recursos hídricos y el proyecto de depósitos de almacenamiento (reservorio) incluyen la determinación del caudal disponible, estimación de la demanda de agua potable y la elección de la capacidad apropiada a la demanda y disponibilidad de agua. La cuantificación del caudal disponible se realiza en una estación hidrométrica ubicada en un río que se orienta hacia el embalse. Si la estación no está en la cabecera del embalse, hay que ajustar el registro para la afluencia entre la estación y el embalse. El caudal disponible “real” tendrá en cuenta la precipitación. La demanda probable de agua depende del uso del almacenamiento, esto es, para satisfacer las necesidades de industrias, municipios, centrales eléctricas y de regadío. Las necesidades para regadío se determinan generalmente combinando las áreas de regadío en potencia con el consumo probable por área unidad. La demanda probable “real” incluirá la infiltración y evaporación. evaporación. Conocidos el caudal disponible y las demandas probables es posible proyectar la capacidad de embalse. Existen métodos que permiten calcular la capacidad de un reservorio (diagrama de RIPPL, Montecarlo, Algoritmos, etc.) En el proceso de determinar la capacidad del reservorio, es necesario estudiar los caudales medios mensuales o diarios de un curso de agua.
GENERALIDADES Los caudales de un curso de agua obedecen a una Ley de variación, conforme al período en el que se hacen las observaciones. Tomándose como referencia las estaciones anuales, se nota una tendencia de valores mayores en verano y menores en invierno. Hay lógicamente, también una aleatoriedad en la ocurrencia de esas variaciones que dependen de variables tales como: lluvias y factores f actores geológicos. geológicos. A partir del estudio de esas descargas, descargas, se hace el planeamiento planeamiento de los recursos aprovechables. Para las pequeñas cuencas, es necesario el estudio de descargas diarias o hasta horarias, dada la influencia de las aguas de precipitación sobre la cuenca, llegando estas rápidamente al lecho del curso través del escurrimiento escurrimiento superficial. Y para las grandes cuencas, el conocimiento de las descargas medias anuales sería suficiente.
Factores Responsables Responsables de la Variación de la Descarga en un Curso de Agua 1.
Factores Geológicos Una cuenca permeable que tiene una gran infiltración inicial, acumula aguas subterráneas, presentando un pico de descarga bastante atrasado en relación al
inicio de la lluvia. Esto no ocurre en cuencas impermeables impermeables donde el pico está bien próximo al inicio de la lluvia debido al rápido escurrimiento superficial. superficial. 2.
Factores Pluviométricos Pluviométricos Para las pequeñas cuencas, lluvias muy intensas provocan inundaciones, mientras que en grandes cuencas las inundaciones ocurren cuando hay precipitaciones de menor intensidad, pero de gran duración. Siendo así, el área de la cuenca y la altura de la lluvia precipitada se asocian para producir un escurrimiento superficial. superficial.
3.
Otros Factores -
Humedad del suelo Temperatura Topografía Tipo de vegetación Dirección del temporal, vientos predominantes. predominantes.
Serie de Tiempo Una serie de tiempo es una secuencia de valores arreglados en orden de ocurrencia que pueden ser caracterizados por piedades estadísticas. Matemáticamente, Matemáticamente, una serie de tiempo se define por los valores Y 1, Y2 , .. de una variable Y (precipitación, caudal) en los momentos t 1, t2, … Así, Y es una función de t, simbolizada simbolizada por Y= f(t). Una forma de representar la información hidrometeorológica disponible, es graficando en un eje de coordenadas cartesianas cartesianas el valor de la información (precipitación, (precipitación, temperatura, temperatura, evaporación, caudal) y en el eje de las abscisas el tiempo cronológico respectivo (anuales, mensuales, semanales, diarios). Figura 1. De la apreciación visual de los gráficos – para significativos tiempos de medición de la variable-, es posible deducir ciertos movimientos característicos de la variable aleatoria tales como: Movimientos seculares o tendencias, movimientos cíclicos, movimientos estacionales y movimientos irregulares. Es posible también considerara través de estas series si la información es aceptable o dudosa, al confrontar por ejemplo la serie con la información de campo o con otra serie histórica cuando se tiene otra estación vecina; en este caso, se hará un análisis de consistencia de la información. Particularmente, las series pluviométricas son importantes cuando se analizan problemas de abastecimiento de agua. Con el gráfico de esta serie es posible visualizar que para una una demanda de agua dada la necesidad de una obra de almacenamiento puede ser o no necesaria. En la Figura 1, se presenta una serie hidrológica, hidrológica , Q (t), en la que se señalan tres niveles de demanda de agua para irrigar una determinada área de cultivo, X 1, X2, y X. Para demandas de agua X 1, X2, no es necesario represar o almacenar agua, pero sí para la demanda de agua X.
Curva Caudal – Duración Cuando los valores de un evento hidrológico son arreglados en el orden de sus magnitudes decrecientes, es posible calcular el porcentaje de tiempo en la que cada magnitud puede ser igualada o excedida. Al graficar las magnitudes en la ordenada contra el correspondiente porcentaje de tiempo en la abscisa resulta la llamada curva de duración. Si la magnitud a ser trazada es la descarga de una corriente de agua la curva de duración es conocida como curva caudal-duración. caudal-duración. En una interpretación estadística, la curva duración es una curva de frecuencia acumulada de una serie de tiempo continua presentando la duración relativa de varias magnitudes. La inclinación de la curva duración depende grandemente del periodo de observación usado en el análisis. Los datos medios diarios producen una curva de mayor pendiente respecto a la curva de datos anuales.
En la Figura anterior, se observa varias curvas típicas caudal duración. Considerando la curva caudal-duración de descargas medias mensuales, observamos que en 80% del tiempo considerado la descarga será superior a 50 m3/seg. y en apenas 40% del tiempo, la descarga será superior al valor medio de 140 m3/m. Por lo tanto, en líneas generales, el porcentaje del tiempo indica la probabilidad de ocurrencia de un valor igual o mayor que un valor prefijado. El procedimiento para la construcción de la curva de duración es el siguiente: 1.
Con la amplitud de variación de las descargas A, se define la amplitud del intervalo de clase K. K = A / N …………………… (1) Según Sturges
N = 1 + 3.3 log n ………….. (2) Identificando términos: N = Números de datos de descargas medias A = Amplitud de variación de las descargas = Q máx - Q min. N = Número de intervalo de clase. K = Amplitud del intervalo de clase. Conviene resaltar que no es adecuada la presencia de intervalos de clase sin cualquier valor de descarga, siendo esto también un factor decisivo para la definición de la amplitud de estos intervalos. 2.
Ordenar los intervalos en orden decreciente y verificar el número de eventos ocurridos en cada intervalo. Se tiene por lo tanto una frecuencia absoluta.
3.
Calcular la frecuencia relativa (frecuencia absoluta/número de datos) para cada intervalo y acumularlos siguiendo el orden anterior.
4.
Se plotea en un gráfico el correspondiente límite inferior de cada intervalo con la duración relativa calculada en el último item. Se tiene así, la curva de duración de las descargas o curva caudal – duración.
La Curva de Duración La curva de duración, llamada también curva de persistencia, es una curva que indica el porcentaje del tiempo durante el cual los caudales han sido igualados o excedidos. Para dibujarla, los gastos medios diarios, semanales o mensuales, se ordenan de acuerdo a su magnitud y luego se calcula el porcentaje de tiempo durante el cual ellos fueron igualados o excedidos (figura). Así el caudal de persistencia 75% es el caudal que es igualado o excedido el 75% del tiempo, por ejemplo, 9 de los 12 meses del año.
Las curvas de duración permiten estudiar las características de escurrimiento de los ríos. Su principal defecto como herramienta de diseño es que no presenta el escurrimiento en secuencia natural; no es posible decir si los caudales más bajos escurrieron en períodos consecutivos fueron distribuidos a lo largo del registro. Las curvas de duración son mas útiles para estudios preliminares y para comparaciones entre corrientes. La figura compara las curvas de duración de dos corrientes, P y R. El río P tiene características mucho más estables de escurrimiento; el río R no permite ninguna derivación permanente, en cambio el río P puede proporcionar como mínimo 10 m3/seg para derivación directa. Para ambas corrientes sería necesario el almacenamiento para satisfacer una demanda de por ejemplo 15 m3/seg, pero el volumen exigido por P (ABC) es mucho menor que para R (EBD). Por último, el río R produce un escurrimiento mucho más considerable que el P y con almacenamiento adecuado proporcionará un rendimiento mucho más alto. Sin embargo, las exigencias exactas de almacenamiento dependen de la secuencia efectiva del escurrimiento y no puede estimarse con precisión con las curvas de duración.
Comparación entre dos Corrientes
Construcción El método de construcción de la curva de duración que se va a describir es el método del año calendario. Se ordenan los caudales medios mensuales para cada año en forma decreciente y se les asigna un número de orden. Luego se promedian los caudales para un mismo número de orden. Por último se grafica: caudales en ordenadas y número de orden o probabilidad de excedencia en abscisas. Año 1 4.2 13.8 4.5 12.8
1972 1973 1974 1975 .. .. .. 1987 1988 Promedio 15.7 % 8.3
2 3.9 13.7 4.1 10.6
3 3.6 13.3 3.8 9.9
12.2 16.7
11.6
4
Número de Orden 5 6 7 8
9
10
11 0.3 0.2 0.4 0.5
12 0.1 0.1 0.2 0.3
0.4 91.7
0.2 100
Capacidad Efectiva de Embalse – Diagrama de Rippl La función principal de un reservorio es embalsar el agua en épocas que se presentan excesos para ser entregados en los periodos de alta necesidad. Esto implica desde el punto de vista de un sistema, que el reservorio actúe como almacén, el cual experimentará entradas y salidas. Xt (entrada) ----
St (almacén) --- Yt (salida)
La relación básica entre el gasto de la entrada, la salida y el almacenamiento queda expresada por la ecuación matemática de almacenamiento (ecuación de masa).
∆ St = Xt - Yt …………… (3) ∆t Donde : St = almacenamiento del embalse en el tiempo Xt = entrada neta después de haber descontado las pérdidas por evaporación e infiltración Yt = salida o demanda del embalse. De la formula (3) St - St-1 = Xt ∆t
-
Yt
St - St-1 = ∆ t (Xt - Yt)
Si ∆ t = 1 St
= St-1 + (Xt - Yt) ……. (4)
A la ecuación 4 se le identifica como la ecuación general estocástica de almacenamiento. En base a la ecuación 4 y considerando solamente los factores hidrológicos y las normas de manejo del reservorio, se han desarrollado varios métodos para estimar el almacenaje que sería requerido para abastecer una demanda dada con un suministro también dado. Los méritos relativos de estos métodos descansan grandemente en los errores introducidos por las consideraciones determinísticas y estocásticas a este problema. Tales métodos son: 1.
Método tradicional, curva caudal-masa o diagrama de RIPPL.
2.
Método analítico o matemático, que utiliza la teoría de probabilidades, estadística matemática y proceso estocástico.
3.
Método experimental o de Montecarlo, se basa en la generación de varias series de caudales a partir de las cuales se determinan en forma aproximada los momentos y la distribución de probabilidades de las variables relacionadas con la capacidad de un embalse.
Para nuestros propósitos sólo trataremos el primer método.
Curva Caudal - Masa ó Diagrama de Rippl Es un balance de masas basado en el record hidrográfico histórico y la variación esperada de la demanda en el tiempo. Este es un procedimiento determinístico que en efecto supone que el almacenamiento que habrá sido adecuado en el pasado histórico será adecuado en el futuro. Mientras esto rara vez es verdad no es necesariamente un error. Por lo tanto, la solución de la ecuación 4 para este método se realizará mediante un procedimiento determinístico, donde: Xt = Representa las disponibilidades de agua dada por la serie histórica en el tiempo t Yt = Son las demandas del proyecto en el tiempo t St = Almacenamiento en el embalse en el tiempo t St-1 = Almacenamiento del embalse en el tiempo t anterior
La Curva Masa La curva masa, llamada también curva de volúmenes acumulados, es una curva que se utiliza en el estudio de regularización de los ríos por medio de embalses. Proporciona el volumen acumulado que ha escurrido en una estación en función del tiempo, a partir de un origen arbitrario. Es por ello una curva siempre creciente, que contiene a lo más pequeños tramos horizontales o casi horizontales correspondientes a los meses se coso
Supondremos, para los efectos de explicación, que se ha dibujado la curva masa para los tres años de mayor irregularidad dentro del tiempo de registros del río. La idea es estar prevenidos en caso se presente más adelante un período crítico como éste.
Volumen Acumulado
Dibujada la curva se puede conocer: a) b) c) d) e)
El volumen discurrido desde el inicio del período hasta una fecha dada. El volumen discurrido entre dos fechas El caudal medio correspondiente a un intervalo t2 – t1 que viene a ser proporcional a la pendiente de la recta que une los puntos de curva de abscisas t2, t1. El caudal en una fecha, que viene a ser proporcional a la pendiente de la recta tangente a la curva en el punto correspondiente. El caudal medio correspondiente a todo el período (tangente trigonométrica de la recta AB).
Entre A y Q el caudal natural es mayor que el caudal regulado: hay un volumen disponible QR que se puede almacenar. Entre Q y P la relación se invierte, el caudal natural es ahora menor que el regulado: tiene que hacerse uso del volumen QR almacenado. Un primer resumen entonces es que entre A y P se puede atender el caudal solicitado almacenando QR con agua del propio río. Entre P y B, un análisis similar conduce a ver que para satisfacer el caudal solicitado hay necesidad de almacenar previamente un volumen ST y que esto hay que hacerlo antes que empiece a funcionar el embalse. Trazando por T una paralela a AB tendremos entonces:
QU AC QR En Q En T
: : : : :
capacidad mínima del embalse volumen que hay que tener almacenado antes que empiece el período. volumen que hay que almacenar durante el período colmada la capacidad del reservorio reservorio vacío
El estudio efectuado se refiere al aprovechamiento máximo de las aguas del río, es decir a una regulación óptima. También se puede pensar en regular el río a un caudal menor que el caudal medio del período. La determinación del volumen que debe tener el embalse se hace mediante un análisis similar, pero ya no para la recta AB sino para una recta cuya pendiente corresponda al gasto por regular. Tal cosa se ha efectuado en la figura, donde se obtiene que para regular un caudal dado por la inclinación de la recta r se necesita un embalse de capacidad EF. Las líneas de demanda se trazan tangentes a la curva masa en los puntos más altos (M, N).
Uso y Descripción del Diagrama de Rippl El diagrama de RIPPL es bastante aplicado en: a.
Determinar la capacidad del embalse para satisfacer una demanda especificada.
b.
Estudios de regulación de descargas para los reservorios, esto es en estudios que garantice el abastecimiento constante de agua tanto en periodo lluvioso como en seco.
El diagrama tiene una ordenada de volúmenes referentes a un mes, los volúmenes acumulados (Qdt) y en la abscisa el tiempo. Si las descargas medias adoptadas fueran referentes a un mes, los volúmenes acumulados son obtenidos sumándose sucesivamente las descargas mensuales y sus unidades será: m3 / seg x mes. La fig. 3. representa un diagrama de RIPPL.
Son muchas las conclusiones que se pueden sacar del diagrama de RIPPL; así por ejemplo: a)
El declive del segmento de recta AB representa una descarga media del periodo considerado y que coincide con la descarga media calculada sin la utilización de este diagrama.
b)
La diferencia de ordenadas entre dos puntos cualquiera del gráfico representa el volumen escurrido en el intervalo correspondiente.
c)
La tangente en cualquier punto de la curva representa la descarga en el punto considerado (descarga instantánea)
A través del diagrama de RIPPL se obtiene una descarga de regulación que es la mínima descarga a nivel del reservorio que consigne atender las necesidades de ciudades, industrias o campos agrícolas, amén de ser la descarga garantía para el reservorio, aún en periodo de estiaje. El método para obtener la descarga de regulación a partir del diagrama de RIPPL involucra el trazado de tangentes a la curva y paralelas a una descarga dada a ser regulada. Supóngase la regulación para una descarga media representada por la inclinación del segmento de recta AB en el periodo considerado (figura 3). Se desea encontrar un valor de volumen para garantizar la descarga deseada y así mismo dimensionar el reservorio. Por tanteo, trazamos tangentes a la curva de masa y paralela al segmento AB. La mayor distancia entre las tangentes es el volumen necesario para regular la descarga, en este caso la mayor distancia es GH (Figura. 4).
Obsérvese que trazando tangentes en el gráfico desde el punto A hasta el punto C, se comprueba que esas tangentes tienen un mayor coeficiente angular ( ) mayor que el coeficiente angular de la recta AB ( ) – que representa una descarga media, en consecuencia, del punto A al punto C la descarga que entra al reservorio es mayor que la descarga media, caracterizando un periodo de crecida (Figura 4); de la misma forma, las tangentes del punto C al punto D se verifica que ocurre lo inverso, los coeficientes angulares son menores que el de la descarga media ( ), por lo tanto, la descarga que entra al reservorio es menor que la media, caracterizando un periodo de estiaje y un déficit de descarga (Figura 4). Así mismo, el mayor espaciamiento entre tangentes y que define el volumen necesario para regular la descarga será tomando del periodo de crecida al periodo de estiaje (comunmente denominado déficit).
La determinación del volumen para garantizar una descarga dada puede ser calculada por dos métodos de regulación: - Anual:
Fijando un periodo de años, el volumen para regulación es definido por el mayor distanciamiento entre las tangentes, con valor máximo y mínimo subsiguiente, esto es, valores definidos en intervalos de un año (Figura 5). Es el caso tratado.
- Plurianual : Fijando un periodo de n años, el volumen para regulación es definido por el mayor distanciamiento entre las tangentes a la curva a lo largo del periodo de n años, esto es, el mayor déficit ocurrido en todo el periodo (Figura 6)
El diagrama de RIPPL también nos puede indicar si es o no necesario un reservorio para regulación de una descarga para abastecimiento. A través de la aplicación de tangentes a la curva masa (descargas instantáneas) y su comparación a la recta cuya inclinación representa la descarga necesaria, podremos decidir por la necesidad o no de un reservorio. La Figura 7, esclarece para varias descargas de abastecimiento la necesidad e un reservorio para una de ellas y dispensa de la utilidad del mismo para la otra. En la Figura 7 :
Q abast1, Q abast2 = descargas necesarias para abastecimiento 1 y 2.
y 2 = coeficientes angulares de las descargas de abastecimiento 1 y 2.
i
= coeficiente angular de una tangente a la curva en el punto i.
Se verifica que ningún valor de es menor que el valor de del Q abast1, por lo tanto, la descarga de abastecimiento 1 es suficiente para atender lo necesario, sin que se utilice reservorio. No es el caso del Q abast2, donde se tiene valores de que son inferiores al valor de 2, esto es la descarga necesaria es más que la dispuesta por el Q abast 2, entonces se hace necesario la construcción de un reservorio y se debe calcular el volumen necesario para la regulación como dijéramos anteriormente.
Para finalizar este breve estudio sobre el diagrama de RIPPL, retomemos la evaluación de mayor déficit (presencia de una crecida y un estiaje consecutivo). Esta vez lo haremos analizando un nivel de agua en un reservorio supuesto. La Fig. 8 supone una descarga necesaria Qr que debemos regularizar.
La Figura 9 muestra la disposición de los niveles de agua deducidos de la Figura 8.
Debemos suponer el reservorio lleno en el punto A para interpretación de la Figura 8 en conjunto con la Figura 9. Entre los puntos A y C el reservorio desborda y por lo tanto mantiene el nivel C en el reservorio igual al nivel A. Entre los puntos C y D el reservorio descarga pues el caudal que sale es mayor que el caudal que entra (note que cualquier tangente entre C y D tiene coeficiente angular menor al de Qr) y el nivel del reservorio disminuye (nivel D en la Fig. 8).
Del punto D hasta el punto D’ el reservorio está llenando y en D’ está lleno (observe los niveles en la Figura 9) Entre D’ y E el reservorio está desbordando. Entre E y F el reservorio está descargando. Entre F y F’ el reservorio está llenando.
Se observa en la Figura 9 que el nivel F es el mas bajo. El segmento LM es el de mayor déficit, implicando el volumen con el que se debe dimensionar el reservorio de regulación.
Desventajas 1.
Utiliza la muestra de datos registrados en el pasado, la cual es de un periodo corto por lo general.
2.
El análisis no corrige pérdidas por evaporación, infiltración y precipitación
3.
Determina un valor único de la capacidad del embalse, el cual depende del tamaño muestral de la serie histórica
4.
La capacidad del embalse calculado está afectado grandemente por los errores maestrales y depende de los valores extremos considerados.
5.
No se puede determinar el riesgo
6.
Se produce un sesgo de inconsistencia y no homogeneidad, cuando en la información histórica, estos no son identificados, cuantificados, corregidos y/o eliminados previamente.
Ejercicio Con los datos de descargas medias mensuales de la estación hidrométrica elegida, trazar la serie de tiempo, la curva caudal – duración y la curva caudal – masa. A partir de dichas curvas dar respuesta a las preguntas siguientes: a)
Indicar si es necesario un embalse para una descarga media Q m
b)
Durante cuanto tiempo la descarga del río es superior a una descarga media (Q m) del periodo considerado?
c)
Cual es la descarga que es superada o excedida durante el 50% del tiempo?
d)
Durante cuanto tiempo la descarga permanece entre el intervalo 0.6Q m y 1.1 Qm?
e)
Durante cuanto tiempo la descarga es superior a 0.8Q m?
f)
Cual será el volumen de reservorio para garantizar al mínimo una descarga reguladora Q r = 0.5Qm?
g)
Cual será el volumen de reservorio para garantizar los meses húmedos, Qr=0.8Qm y los meses secos Q r = 0.5Qm?.
h)
Para el caudal regulador Q r = 0.5Qm, esquematizar las fluctuaciones del nivel de agua en el reservorio partiendo del supuesto que esté se encuentra lleno.
Información Hidrológica para Curva de Duración y Curva de Volúmenes Acumulados Descargas Medias Mensuales m3/s Año
E
F
M
A
M
J
J
Valores Medios A
S
O
N
D
Anual
Máxima Mensual
Mínima Mensual
1990
49.24
117.92
285.95
648.80
96.21
17.93
10.87
9.41
17.14
15.20
17.53
22.50
109.06
648.80
9.41
1991
157.54
184.95
143.45
119.95
161.45
72.83
45.29
31.38
25.95
22.47
33.01
29.92
85.68
184.95
22.47
1992
227.72
329.52
460.58
449.39
65.82
27.88
24.18
15.69
13.94
14.79
19.75
38.21
140.62
460.58
13.94
1993
48.04
176.52
722.25
591.16
307.08
98.10
98.15
45.90
21.52
20.06
18.41
42.68
182.49
722.25
18.41
1994
293.56
785.16
829.41
673.48
266.67
174.19
122.18
84.69
68.15
42.05
19.67
31.09
282.53
829.41
19.67
1995
109.10
269.41
337.67
169.09
161.95
72.43
42.55
28.79
13.17
13.65
15.17
48.49
106.79
337.67
13.17
1996
97.11
329.53
767.63
496.44
221.88
122.19
88.39
63.27
41.30
41.32
23.51
22.60
192.93
767.63
22.60
1997
99.84
625.51
825.39
558.24
275.71
131.01
80.97
52.63
38.66
20.21
15.28
20.02
228.62
825.39
15.28
1998
79.88
302.55
276.50
322.33
146.53
64.92
39.48
22.37
16.04
12.87
9.58
12.09
108.76
322.33
9.58
1999
22.90
32.94
103.95
169.67
86.73
41.00
25.48
14.32
9.97
11.56
9.42
13.17
45.09
169.67
9.42
2000
37.08
115.66
278.47
172.07
81.69
58.70
39.52
26.76
20.39
16.26
13.72
12.09
72.70
278.47
12.09
2001
22.35
177.91
111.99
233.03
133.17
85.22
51.12
31.63
23.91
16.21
11.82
40.40
78.23
233.03
11.82
2002
68.25
223.85
440.44
239.85
134.33
76.14
47.79
30.74
21.21
14.33
10.56
12.54
110.00
440.44
10.56
Media
100.97
282.42
429.51
372.58
164.56
80.20
55.07
35.20
25.49
20.08
16.73
26.60
134.12
478.51
14.49
Máxima
293.56
785.16
829.41
673.48
307.08
174.19
122.18
84.69
68.15
42.05
33.01
48.49
282.53
829.41
22.60
Mínima
22.35
32.94
103.95
119.95
65.82
17.93
10.87
9.41
9.97
11.56
9.42
12.09
45.09
169.67
9.41
XI. La Infiltración Cuando llueve, parte de la lluvia del comienzo es retenida en la cobertura vegetal como intercepción y en las depresiones del terreno como almacenamiento superficial. Conforme continúa la lluvia, el suelo se cubre de una delgada capa de agua conocida como detención superficial y el flujo comienza pendiente abajo hacia los cursos, lo que constituye la escorrentía superficial. Inmediatamente debajo de la superficie tiene lugar la escorrentía subsuperficial y las dos escorrentías, la superficial y la subsuperficial, constituyen la escorrentía directa. La infiltración es el paso del agua a través de la superficie del suelo hacia el interior de la tierra; la percolación es el movimiento del agua dentro del suelo y ambos fenómenos la infiltración y la percolaci6n, están íntimamente ligados puesto que la primera no puede continuar sino cuando tiene lugar la segunda. El agua que se infiltra en exceso de la escorrentía - subsuperficial puede llegar a formar parte del agua subterránea, la que eventualmente puede llegar a los cursos de agua. El agua de un río, en general, puede así estar formada de dos partes: Una parte de escorrentía (superficial y subsuperficial) que recibe el nombre de escorrentía directa y otra parte de agua subterránea que recibe el nombre de flujo base.
Ecuación de Balance Hídrico Escribamos la ecuación de balance hídrico para una cuenca, referida a un período corto. P = R + F+ E+ S + Pn La suma de los términos R, S, E, constituye la retención superficial, de modo que:
Constituye una preocupación permanente de la Hidro10gía la obtención de la escorrentía directa que corresponde a una determinada lluvia en un cierto lugar. La primera manera es a través de la fórmula simple de escorrentía: Pn = CP El término C recibe el nombre de coeficiente de es correntía y para evaluarlo han sido sugeridas diversas tablas. VALORES DE C
VALORES DE C
Aun cuando la ecuación Pn = CP parece resolver de manera sencilla el problema de obtener la escorrentía directa Pn correspondiente a una lluvia P, hay que tener presente que la determinación del valor apropiado del coeficiente de escorrentía C es algo sumamente complejo. En la práctica, esta labor se deja para los ingenieros con más experiencia de campo, quienes pueden interpretar mejor las diferentes características de la cuenca en estudio.
Capacidad de Infiltración Debido a los fenómenos de infiltración y percolación, el agua de lluvia llega hasta el nivel del agua subterránea, pero no a un ritmo constante. La tasa de infiltración disminuye a medida que progresa la tormenta, debido a que se van llenando los espacios capilares del suelo.
La tasa máxima a la cual puede penetrar agua a un suelo, en un sitio en particular y con tasa de abastecimiento suficiente, se llama capacidad de infiltración (fp). Es máxima al comienzo de una tormenta (fo) y se aproxima a una tasa mínima (fc) a medida que el suelo se satura. El valor límite está controlado por la permeabilidad del suelo.
Horton encontró que las curvas de infiltración se aproximan a la forma:
t k
: :
tiempo transcurrido desde el inicio de la lluvia constante empírica.
Integrando esta ecuación con respecto al tiempo se obtiene la cantidad acumulada de infiltración F al cabo del tiempo t :
Por su parte Philip sugirió la ecuación:
a, b ... constantes empíricas Análogamente, la infiltración acumulada será:
Otras numerosas fórmulas han sido propuestas para determinar la infiltración, indicando la mayoría de ellas que la capacidad de infiltración es una función exponencial del tiempo. De lo expuesto surge una segunda manera de obtener la escorrentía directa correspondiente a una lluvia
Obtención de la Escorrentía Directa
Esta segunda manera de obtener la escorrentía directa por separación en el histograma es también sencilla sólo en apariencia. En primer lugar se requiere una estación con pluviógrafo, en segundo lugar el suelo de la cuenca no es homogéneo de modo que la curva de infiltración no es la dibujada y en tercer lugar la determinación de la retención tiene también sus complicaciones.
Factores de la Infiltración La capacidad de infiltración depende de muchos factores. Los principales son:
el tipo de suelo;
el contenido de materia orgánica;
el contenido de humedad;
la cobertura vegetal; y
la época del año.
De aquellas características del suelo que afectan la infiltración la porosidad es posiblemente la más importante. La porosidad determina la capacidad de almacenamiento y también afecta la resistencia al flujo. La infiltración tiende a aumentar con el aumento de la porosidad. El aumento en el contenido de materia orgánica también tiende a aumentar la capacidad de infiltración, debido sobre todo a que produce un aumento en la porosidad. La infiltración, para un mismo tipo de suelo, es menor en un suelo húmedo que en un suelo seco y esta disminución es más notoria en los momentos iniciales. De este modo la curva de infiltración sufre un cambio como el que muestra la figura.
El efecto de la cobertura vegetal en la capacidad de infiltración es difícil de determinar ya que también afecta a la intercepción. No obstante, la vegetación aumenta la infiltración en comparación con la del mismo suelo desnudo. La explicación está en que: 1)
Retarda el flujo de superficie dando al agua más tiempo para que penetre en el suelo.
2)
Los sistemas de raíces hacen al suelo más permeable;
3)
El follaje protege al suelo de la erosión causada por las gotas de agua y reduce la compactación de la superficie del suelo.
Medición de la Infiltración La mayoría de datos sobre tasas de infiltración se obtienen mediante ensayos con un infiltrómetro. En los casos en que existe una amplia variación en los suelos o en la vegetación dentro del área, la cuenca se divide en subcuencas homogéneas f cada una de las cuales está cubierta por un complejo se suelo único. Repitiendo varias veces el ensayo se pueden obtener datos fidedignos de cada subárea. . Un infiltrómetro es un tubo u otro contorno metálico diseñado para aislar una sección del suelo. El área efectiva varía desde menos de 1 pie hasta varias decenas de pie2. El procedimiento clásico consiste en inundar el infiltrómetro, aplicando agua en una lámina de altura constante sobre el área encerrada y medir el tiempo que tarda en infiltrarse. Esta práctica está siendo reemplazada por los simuladores de lluvia. Como en este caso no se puede medir directamente la cantidad de agua que penetra el suelo, la infiltración se calcula como la diferencia entre el agua aplica da y la escorrentía directa medida.
El Ciclo de Escorrentía Ciclo de escorrentía es el término que se emplea para describir aquella parte del ciclo hidrológico entre la precipitación que cae sobre una área y la descarga subsiguiente de esa agua a través de cauces o bien por evapotranspiración. Las aguas procedentes de las precipitaciones llegan al cauce del río por diferentes vías: - escorrentía superficial - escorrentía subsuperficial
- agua subterránea - lluvia que cae en el espejo de agua La figura muestra esquemáticamente las variaciones temporales de los factores hidrológicos durante una tormenta extensa en una cuenca relativamente seca. El área punteada representa la porción de la lluvia total que eventualmente llega a ser el flujo de la corriente, medido a la salida de la cuenca. La precipitación sobre el cauce es el único incremento del flujo en el cauce que ocurre durante el período inicial de la lluvia. A medida que aumenta la corriente aumenta su espejo de agua y por lo tanto aumenta también el volumen de precipitación sobre el cauce. La tasa de intercepción es alta al comienzo de la lluvia, especialmente en una cobertura vegetal densa, y disminuye conforme se copa la capacidad de intercepción disponible. La tasa a la cual se reduce el almacenamiento de depresión también disminuye rápidamente a partir de un valor inicial alto, a medida que se eliminan las depresiones más pequeñas.
La mayor parte de la diferencia de humedad del suelo es satisfecha antes de que tenga lugar una escorrentía superficial apreciable. El agua que se infiltra y no es retenida como humedad del suelo, se mueve hacia los cauces como escorrentía subsuperficial o penetra en la capa freática y alcanza eventualmente el cauce como agua subterránea (flujo base). La tasa de escorrentía superficial comienza en cero, aumenta lentamente al principio y luego rápidamente hasta alcanzar un valor porcentual, en relación a la intensidad de precipitación, relativamente constante. La figura sólo pretende ilustrar, sobre uno de los infinitos casos posibles, en cuanto a la magnitud relativa de los diferentes factores del ciclo de escorrentía. En la práctica se producen complicaciones debido a las variaciones de la intensidad de la lluvia durante la tormenta, así como también al hecho de que todos los factores varían de un punto a otro de la cuenca.
Estimativos de la Escorrentía usando Infiltración
La figura muestra cómo se puede obtener la escorrentía directa correspondiente a una lluvia. Ya se indicó que ésta es una manera sencilla de obtener la escorrentía directa sólo en apariencia. Hay que agregar ahora que el problema se complica aún más porque: 1)
La intensidad de la lluvia puede fluctuar por encima y por debajo de la curva capacidad de infiltración;
2)
La curva misma de capacidad de infiltración es función de las condiciones de humedad antecedente;
3)
El histograma de una tormenta no es uniforme en todos los puntos de la cuenca.
Índices de Infiltración Las dificultades inherentes al método directo de infiltración, para evaluar la escorrentía directa, han conducido al uso de los índices de infiltración. El más simple de estos es el índice Ф definido como la tasa de precipitación por encima de la cual el volumen de lluvia es igual al volumen de escorrentía directa. Ver figura.
Pero, para ser aplicado, el índice tiene que ser previamente obtenido para la cuenca en estudio. Para esto se requieren mediciones de caudal y de lluvia en la forma que se describe a continuación. Se tiene de un lado el hidrograma de la cuenca (gráfico Q-t) y de otro el histograma de la tormenta que lo provocó (gráfico i-t). Hidrograma
Histograma
Supongamos que el área sombreada del hidrograma corresponde al volumen de escorrentía directa. Dividiendo dicho volumen entre el área de la cuenca se obtiene la lámina de escorrentía directa. Se traza luego en el histograma por tanteos, una horizontal, de modo que la porción del histograma situada por encima de esta horizontal represente la lámina de es correntía directa La ordenada de esta horizontal es el índice Φ; buscado. Ejercicio Se trata de determinar el valor del índice Φ para la información siguiente:
La última columna de la tabla contiene los valores de la precipitación horaria sobre la cuenca, con los que se construye la curva masa en la cuenca. Si además, una estación de aforo ubicada en el punto de salida de la cuenca ha permitido medir el escurrimiento directo correspondiente a la misma tormenta, encontrándose que es 2.0 pg., es posible obtener el índice Φ por tanteos.
La tabla siguiente muestra el procedimiento seguido en este caso. El valor de 0.17 pg/h supuesto en el tercer tanteo produce la mejor concordancia entre la lluvia neta calculada (1.96 pg.) y la escorrentía directa medida (2.0 pg).
Con este procedimiento se pueden obtener los valores del índice Φ para varias tormentas importantes, siendo el promedio de estos valores el valor medio del índice Φ para la cuenca. La duración de lluvia neta es el tiempo durante el cual los incrementos de precipitación exceden al valor del índice Φ . Después del tercer tanteo se encuentra que esta duración es de 9 horas. En la figura se ha dibujado el histograma de lluvia neta.
Cálculo del Indice Ф
Histograma de lluvia Neta en la Cuenca
XII. ESCURRIMIENTO El escurrimiento es la parte de la precipitación que aparece en las corrientes fluviales superficiales, perennes, intermitentes o efímeras, y que regresa al mar o a los cuerpos de agua interiores. Dicho de otra manera, es el deslizamiento virgen del agua, que no ha sido afectado por obras artificiales hechas por el hombre. De acuerdo con las partes de la superficie terrestre en las que se realiza el escurrimiento, éste se puede dividir en:
Escurrimiento superficial o escorrentía. Es la parte del agua que escurre sobre el suelo y después por los cauces de los ríos. Escurrimiento subsuperficial. Es la parte del agua que se desliza a través de los horizontes superiores del suelo hacia las corrientes. Una parte de este tipo de escurrimiento entra rápidamente a formar parte de las corrientes superficiales y a la otra le toma bastante tiempo el unirse a ellas. Escurrimiento subterráneo. Es aquél que, debido a una profunda percolación del agua infiltrada en el suelo, se lleva a cabo en los mantos subterráneos y que, posteriormente, por lo general, descarga a las corrientes fluviales.
A la parte de la precipitación que contribuye directamente al escurrimiento superficial se le llama precipitación en exceso. El escurrimiento subterráneo y la parte retardada del escurrimiento subsuperficial constituyen el escurrimiento base de los ríos. La parte de agua de escurrimiento que entra rápidamente en el cauce de las corrientes es a lo que se llama escurrimiento directo y es igual a la suma del escurrimiento subsuperficial más la precipitación que cae directamente en los cauces.
Ciclo del escurrimiento El ciclo del escurrimiento se describe en cinco fases: Primera fase 1.
Comprende la época seca en la que la precipitación es escasa o nula.
2.
La corriente de los ríos es alimentada por los mantos de agua subterránea.
3.
La evapotranspiración es bastante intensa, y si esta fase no fuera interrumpida, llegarían a secarse las corrientes.
4.
En regiones de clima frío, donde la precipitación es en forma de nieve, si la temperatura permite el deshielo, habrá agua disponible para mantener las corrientes fluviales, interrumpiéndose así la primera fase e iniciándose la segunda.
Segunda fase 1.
Caen las primeras precipitaciones cuya misión principal es la de satisfacer la humedad del suelo.
2.
Las corrientes superficiales, si no se han secado, siguen siendo alimentadas por el escurrimiento subterráneo.
3.
Si se presenta escurrimiento superficial, éste es mínimo.
4.
La evapotranspiración se reduce.
5.
Cuando existe nieve, ésta absorbe parte de la lluvia caída y su efecto de almacenamiento alargará este segundo período.
6.
A través del suelo congelado puede infiltrarse el agua precipitada si su contenido de humedad es bajo.
Tercera fase 1.
Comprende el período húmedo en una etapa más avanzada.
2.
El agua de infiltración satura la capa del suelo y pasa, por gravedad, a aumentar las reservas de agua subterránea.
3.
Se presenta el escurrimiento superficial, que puede o no llegar a los cauces de las corrientes, lo cual depende de las características del suelo sobre el que el agua se desliza.
4.
Si el cauce de las corrientes aún permanece seco, el aumento del manto freático puede ser, en esta fase, suficiente para descargar en los cauces.
5.
Si la corriente de agua sufre un aumento considerable, en lugar de que sea alimentada por el almacenamiento subterráneo (corriente efluente), la corriente contribuirá al incremento de dicho almacenamiento (corriente influente;
6.
La evapotranspiración es lenta.
7.
En caso de que exista nieve y su capacidad para retener la lluvia haya quedado satisfecha, la lluvia caída se convertirá directamente en escurrimiento superficial.
8.
Si el suelo permanece congelado, retardará la infiltración, lo que favorecerá al escurrimiento, pero en cuanto se descongele, el escurrimiento superficial disminuirá y aumentará el almacenamiento subterráneo.
Cuarta fase 1.
Continúa el período húmedo.
2.
La lluvia ha satisfecho todo tipo de almacenamiento hidrológico.
3.
En algunos casos el escurrimiento subsuperficial llega a las corrientes tan rápido como el escurrimiento superficial.
4.
El manto freático aumenta constantemente y puede llegar a alcanzar la superficie del suelo, o bien la velocidad de descarga hacia las corrientes puede llegar a ser igual a la de recarga.
5.
Los efectos de la nieve y el hielo son semejantes a los de la tercera fase.
Quinta fase 1.
El período de lluvia cesa.
2.
Las corrientes de agua se abastecen del escurrimiento subsuperficial, del subterráneo y del almacenamiento efectuado por el propio cauce.
3.
La evapotranspiración empieza a incrementarse.
4.
En caso de existir nieve, cuando la temperatura está bajo 0º C, produce la prolongación de esta fase.
5.
Esta fase termina cuando las reservas de agua quedan de tal manera reducida que se presentan las características de la primera fase.
Factores que afectan al escurrimiento Los factores que afectan al escurrimiento se refieren a las características del terreno (cuencas hidrográficas), y se dividen en dos grandes grupos: los climáticos y los relacionados con la fisiografía.
1.
Factores climáticos Son aquéllos que determinan, de la cantidad de agua precipitada, la destinada al escurrimiento. A.
Precipitación. Es el elemento climático de más importancia para el escurrimiento, debido a que depende de ella. Interesan varios aspectos de este elemento para el conocimiento del escurrimiento. a.
Forma de precipitación. Si la precipitación es en forma líquida, el escurrimiento se presenta con relativa rapidez; si es en forma sólida no hay ningún efecto, a menos que la temperatura permita la rápida licuefacción.
b.
Intensidad de la precipitación. Cuando la precipitación es suficiente para exceder la capacidad de infiltración del suelo, se presenta el escurrimiento superficial y cualquier aumento en la intensidad repercute rápidamente en dicho escurrimiento.
c.
Duración de la precipitación. Entre más dure la precipitación mayor será el escurrimiento, independientemente de su intensidad. Una lluvia prolongada, aun cuando no sea muy intensa, puede causar gran escurrimiento superficial, ya que con la lluvia decrece la capacidad de infiltración.
d.
Distribución de la precipitación en el espacio. Generalmente la lluvia nunca abarca toda la superficie de la cuenca; para cuencas pequeñas, los mayores escurrimientos superficiales resultan de tormentas que abarcan áreas pequeñas, y para cuencas grandes, resultan de aguaceros poco intensos que cubren una mayor superficie.
e.
Dirección del movimiento de la precipitación. La dirección del centro de la perturbación atmosférica que causa la precipitación tiene influencia en la lámina y duración del escurrimiento superficial. Si la tormenta se mueve dentro del área de la cuenca, el escurrimiento será mayor que si únicamente la atraviesa. Por otro lado, si el temporal avanza en sentido contrario al drenaje, el escurrimiento será más uniforme y moderado que si se mueve en el sentido de la corriente.
f.
B.
2.
Precipitación antecedente y humedad del suelo. Cuando el suelo posee un alto contenido de humedad, la capacidad de infiltración es baja y se facilita el escurrimiento.
Otras condiciones del clima. Además de la precipitación existen otros elementos que se deben tomar en cuenta, pues aunque indirectamente, también afectan al escurrimiento; entre ellos la temperatura, el viento, la presión y la humedad relativa.
Factores fisiográficos Se relacionan por una parte con la forma y características físicas del terreno y por la otra con los canales que forman el sistema fluvial. A.
B.
Factores morfométricos. Son aquellas particularidades de las formas terrestres que influyen en el agua de la lluvia al caer a la superficie, por la velocidad que adquiere, por los efectos que produce y por el tiempo que tarda en llegar al punto de desagüe. a)
Superficie. La superficie de las cuencas hidrográficas está limitada por la divisoria topográfica o parteaguas que determina el área de la cual se derive el escurrimiento superficial. Las cuencas pequeñas se comportan de manera distinta a las cuencas grandes en lo que se refiere al escurrimiento. No existe una extensión definida para diferenciar a las cuencas pequeñas de las grandes, sin embargo, hay ciertas características que distinguen a unas de otras. Las cuencas pequeñas son más sensibles al uso del suelo y a las precipitaciones de gran intensidad que abarcan zonas de poca extensión. En las cuencas grandes es muy importante el efecto de almacenamiento en los cauces de las corrientes.
b)
Forma. Interviene principalmente en la manera como se presenta el volumen de agua escurrido a la salida de la cuenca. Generalmente los volúmenes escurridos en cuencas alargadas son más uniformes a lo largo del tiempo, en cambio, en cuencas compactas el agua tarda menos en llegar a la salida, en donde se concentra en un tiempo relativamente corto.
c)
Pendiente. La pendiente del terreno está relacionada con la infiltración, con el escurrimiento superficial, con la contribución del agua subterránea a la corriente y con la duración del escurrimiento.
d)
Orientación. La orientación de la cuenca y la de sus vertientes se relaciona con el tipo de precipitación, los vientos predominantes y la insolación.
e)
Altitud. Influye principalmente en la temperatura y en la forma de precipitación.
Factores físicos. Se refieren a las características físicas del terreno con su estructura y utilización.
