Organización Meteorológica Mundial
Bienvenido
GUÍA GUIDE
DE PRÁCTICAS HIDROLÓGICAS
YDROLOGICAL PRACTICES
WMO-No. 168
OMM–N° 168
ADQUISICIÓN Y PROCESO DE DATOS, ANÁLISIS, PREDICCIÓN Y OTRAS APLICACIONES
Organización Meteorológica Mundial
GUÍA DE PRÁCTICAS HIDROLÓGICAS
Quinta e dición 1994
OMM–Nº 168
ADQUISICIÓN Y PROCESO DE DATOS, ANÁLISIS, PREDICCIÓN Y OTRAS APLICACIONES
© 1994, Organización Meteorológica Mundial ISBN 92-63-30168-9
NOTA
Las denominaciones empleadas en esta publicación y la forma en que aparecen presentados los datos que contiene no implican, de parte de la Secretaría de la Organización Meteorológica Mundial, juicio alguno sobre la condición jurídica de ninguno de los países, territorios, ciudades o zonas citados o de sus autoridades, ni respecto de la demarcación de sus fronteras o límites.
ÍNDICE Página Prefacio
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PARTE A — GENERALIDADES CAPÍTULO 1 — INTRODUCCIÓN A LA GUÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Alcance de la Guía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Plan y contenido de la Guía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Referencias cruzadas entre la Guía y el Manual de Referencia del HOMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 2 — ACTIVIDADES DE LA OMM RELACIONADAS CON EL AGUA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Objetivos y alcances de las actividades relacionadas con el agua . . . . . 2.1.2 Organización del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Aplicación del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Desarrollo de los recursos humanos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5 Cooperación Técnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Bases de datos internacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Servicio de referencias e información sobre datos hidrológicos (INFOHYDRO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Centro Mundial de Datos de Escorrentía (CMDE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Servicio mundial de referencias e información sobre datos climáticos (INFOCLIMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Sistema de Hidrología Operativa para Fines Múltiples (HOMS). . . . . . 2.3.1 Estructura del HOMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Organización y funcionamiento del HOMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Formación en hidrología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 3 — SERVICIOS HIDRÓLOGICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Funciones de los Servicios Hidrológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Usos de la información hidrológica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Funciones y responsabilidades de un Servicio Hidrológico . . . . . . . . . . 3.1.3 Tipos de datos requeridos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Página 3.1.4 Predicción de fenómenos extremos en tiempo real . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Organización de los Servicios Hidrológicos y Meteorológicos . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 4 — NORMAS Y REGLAS HIDROLÓGICAS . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Unidades y símbolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Prácticas y procedimientos recomendados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Exactitud de las mediciones hidrológicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Principios básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Definiciones de los términos relacionados con la exactitud . . . . . . . . . . 4.3.3 Tipos de error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4 Fuentes de errores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5 Errores de medición secundarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.6 Caracterización de los instrumentos y métodos de observación . . . . . . 4.3.7 Exactitud recomendada en las mediciones hidrológicas . . . . . . . . . . . . . 4.4 Claves hidrológicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Claves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3 Identificación de estaciones de observación hidrológica . . . . . . . . . . . . . 4.4.4 Claves BUFR y GRIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 5 — ORGANIZACIONES INTERNACIONALES QUE REALIZAN ACTIVIDADES EN MATERIA DE HIDROLOGÍA Y RECURSOS HÍDRICOS . . . . . . . . . 5.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Organizaciones Intergubernamentales (OIG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Naturaleza y coordinación de las actividades de las organizaciones de las Naciones Unidas en el desarrollo de los recursos hídricos . . . . . 5.4 Organización de la cooperación en el sistema de las Naciones Unidas a nivel mundial, regional y sectorial . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Organizaciones No Gubernamentales (ONG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6 Cooperación institucional en cuencas fluviales y lacustres internacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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PARTE B — INSTRUMENTOS HIDROLÓGICOS Y MÉTODOS DE OBSERVACIÓN Y DE ESTIMACIÓN CAPÍTULO 6 — RESUMEN DE LOS INSTRUMENTOS HIDROLÓGICOS Y MÉTODOS DE OBSERVACIÓN 6.1 El ciclo hidrológico como materia de observación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Técnicas emergentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6.2.1 Teledetección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Microelectrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.3 Microprocesadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.4 Registradores automáticos de varios parámetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 7 — MEDICIÓN DE LAS PRECIPITACIONES . . . . . . . . . . . . . 7.1 Condiciones generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Emplazamiento del pluviómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Pluviómetros no registradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.2 Pluviómetros normalizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.3 Pluviómetros totalizadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.4 Métodos de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.5 Error y exactitud de las lecturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.6 Corrección de errores sistemáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4 Aparatos registradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.1 Pluviógrafo de pesada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.2 Pluviógrafo de flotador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.3 Pluviógrafo de cangilones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.4 Registradores de intensidad de las lluvias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.5 Métodos de registro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5 Nevadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.1 Espesor de la nevada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.2 Equivalente de una nevada en agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 Medición de la precipitación por radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.1 Uso del radar en hidrología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.2 Ecuación radar – precipitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.3 Factores que afectan a las mediciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.3.1 Tipo de precipitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.3.2 Anchura del haz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.3.3 Refracción del haz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.3.4 Atenuación atmosférica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.3.5 Atenuación por la distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.4 Métodos y procedimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.4.1 Métodos fotográficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.4.2 Técnicas manuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.4.3 Técnicas automáticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.5 Radar Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7 Observaciones por satélite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.8 Rocío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Página 7.9 Muestreos para controlar la calidad de las precipitaciones . . . . . . . . . . . 7.9.1 Colectores de muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.9.1.1 Colectores de lluvia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.9.1.2 Colectores de nieve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.9.1.3 Recolección de deposición seca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 8 — CAPA DE NIEVE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Rutas nivométricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1 Puntos de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.2 Equipo extractor de muestras de nieve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.3 Procedimientos para tomar muestras de nieve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.4 Exactitud de las mediciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 Profundidad y extensión de la capa de nieve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1 Mediciones con estacas graduadas para medir la nieve . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2 Medición con un muestreador de nieve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.3 Medición por métodos fotogramétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4 Nivómetros de isótopos radiactivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.1 Nivómetros de isótopos radiactivos verticales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.2 Nivómetros de isótopos radiactivos horizontales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5 Almohadas de nieve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6 Radiación gamma natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.1 Medición aérea de la capa de nieve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.2 Medición sobre el terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.7 Medición del equivalente en agua de la nieve utilizando la radiación cósmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 9 — EVAPORACIÓN Y EVAPOTRANSPIRACIÓN . . . . . . . . 9.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Tanque de evaporación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Evaporímetros y lisímetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4 Evaporación de la nieve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5 Métodos indirectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.2 Radiación solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.3 Radiación de onda larga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.4 Temperatura del aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.5 Temperatura de la superficie del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.6 Humedad o presión de vapor del aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.7 Viento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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9.5.8 Dispositivos de integración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 10 — NIVELES DE RÍOS, LAGOS Y EMBALSES . . . . . . . . . . 10.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Instrumentos para medir el nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.1 Limnímetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.2 Limnígrafos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 Procedimientos para medir el nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.1 Establecimiento del cero del limnímetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.2 Limnígrafos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.3 Funcionamiento de los limnígrafos en invierno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4 Frecuencia de las mediciones del nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
143 143 143 143 144 145 145 145 145 146 146
CAPÍTULO 11 — MEDICIONES DEL CAUDAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Medición con molinete hidrométrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.1 Selección del sitio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.2 Medición de la sección transversal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.3 Medición de la velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.3.1 Instrumentos para la medición de la velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.3.2 Medición de la velocidad usando el molinete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.3.3 Determinación de la velocidad media en la vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.4 Cálculo del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.5 Medición del caudal bajo una capa de hielo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.5.1 Selección del sitio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.5.2 Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.5.3 Medición del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.5.4 Cálculo del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.6 Exactitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Medición del caudal por el método del flotador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.1 Selección de secciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.2 Flotadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.3 Procedimientos de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.4 Cálculo de la velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.5 Cálculo del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4 Medición del caudal por el método de dilución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.1 Condiciones generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.2 Selección del sitio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.3 Trazadores y equipo de detección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.4 Cálculo del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
147 147 147 148 148 150 150 150 151 153 154 154 154 155 156 156 156 156 157 157 157 158 158 158 159 159 160
viii
ÍNDICE
Página 11.5 11.6 11.6.1 11.6.2 11.6.3 11.6.4 11.6.5
Medición del nivel correspondiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cálculo del caudal por métodos indirectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inspección sobre el terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Medición por la pendiente del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Medición del caudal a través de alcantarillas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Medición del caudal por contracción del ancho de la corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.6.6 Medición del caudal sobre presas y terraplenes de autopistas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7 Medición del caudal en condiciones difíciles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7.1 Cauces inestables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7.2 Ríos de montaña . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7.3 Medición de caudales inestables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7.3.1 Medición del caudal durante las crecidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7.3.2 Medición del caudal en tramos con mareas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7.4 Crecimiento de la maleza en el lecho del río . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8 Métodos no tradicionales de medición del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.2 Método del bote móvil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.3 Método ultrasónico (acústico) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.4 Método electromagnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
161 161 161 162 162 162
CAPÍTULO 12 — ESTACIONES DE AFORO DE CAUDALES . . . . . . . . . . 12.1 Objetivo de las estaciones de aforo de caudales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Selección del sitio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3 Controles de la relación nivel-caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4 Estructuras de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.1 Campo de aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.2 Selección de la estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.3 Medición del nivel del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.4 Funcionamiento de las estructuras de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5 Relación nivel-caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5.1 Estabilidad de la relación nivel-caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5.2 Frecuencia en la medición del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
175 175 175 176 177 177 178 178 179 179 179 181 181
CAPÍTULO 13 — CAUDAL DE SEDIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2 Selección del sitio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3 Medición del caudal de sedimentos en suspensión . . . . . . . . . . . . . . . . . .
183 183 183 183
162 163 163 163 164 165 165 166 169 169 169 170 170 171 173
ÍNDICE
ix Página
13.3.1 13.3.2 13.3.3 13.3.4 13.3.5
Muestreadores y aforadores in situ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Métodos de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Determinación de la concentración de sedimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cálculo del caudal de sedimentos en suspensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Registro continuo del caudal de sedimentos en suspensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.4 Medición del caudal de arrastre de fondo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.4.1 Instrumentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.4.2 Método de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.4.3 Cálculo del caudal de material de fondo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.4.4 Registro continuo del caudal de arrastre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 14 — HIELO EN RÍOS, LAGOS Y EMBALSES . . . . . . . . . . . . . 14.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2 Elementos del régimen de hielos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3 Métodos de observación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4 Época y frecuencia de las observaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.5 Exactitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
191 191 191 191 192 192 193
CAPÍTULO 15 — MEDICIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO . . . . . . . . 15.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2 Método gravimétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.1 Recolección de muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.2 Descripción de los instrumentos de muestreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.2.1 Barreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.2.2 Tubo sacamuestras o portatestigos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.3 Procedimiento de laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3 Método de resistencia eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4 Método neutrónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4.1 Instrumentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4.2 Tubos de acceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4.3 Calibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4.4 Mediciones y exactitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.5 Atenuación de rayos gamma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.6 Métodos dieléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.6.1 Reflectometría en el dominio temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.6.2 Método de capacitancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.7 Teledetección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.8 Método tensiométrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
195 195 195 196 197 197 197 198 198 199 199 199 200 200 201 201 202 203 203 204 206
186 187 187 188 189 190 190
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ÍNDICE
Página CAPÍTULO 16 — AGUAS SUBTERRÁNEAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2 Instalación de pozos de observación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3 Prueba de pozos de observación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.4 Sellado y relleno de pozos abandonados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.5 Instrumentos y métodos de observación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.5.1 Instrumentos manuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.5.2 Instrumentos automáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.5.3 Extractores de muestras para pozos que no se bombean . . . . . . . . . . . . . 16.5.4 Sensores de salinidad y temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.6 Control de la calidad de las aguas subterráneas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
207 207 208 214 216 217 217 219 223 223 224 225
CAPÍTULO 17 — CALIDAD DEL AGUA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2 Métodos de muestreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.1 Tipos de muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.1.1 Muestras tomadas al azar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.1.2 Muestras compuestas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.2 Recolección de una muestra representativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.3 Técnicas y equipos de muestreo sobre el terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.3.1 Muestreadores de gancho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.3.2 Muestreadores de oxígeno disuelto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.3.3 Muestreadores automáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.3.4 Procedimientos de muestreo según la ubicación de la estación y la temporada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.3 Preparación de los trabajos sobre el terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.3.1 Preparación general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.3.2 Selección de los volúmenes de las muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.3.3 Lista de control previa al trabajo sobre el terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.4 Procedimientos de conservación y filtración sobre el terreno . . . . . . . . 17.4.1 Filtración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.4.2 Técnicas de conservación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.4.2.1 Contenedores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.4.2.2 Adición de conservantes químicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.4.2.3 Congelación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.4.2.4 Refrigeración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.4.2.5 Aspectos prácticos de la conservación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.5 Mediciones sobre el terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.5.1 Control automático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.5.2 Parámetros medidos sobre el terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.5.2.1 Medición del pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
227 227 227 227 227 228 228 228 228 232 232 233 234 234 234 234 235 235 236 236 237 237 237 237 238 238 238 238
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xi Página
17.5.2.2 Medición de la conductividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.5.2.3 Medición del oxígeno disuelto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.5.2.4 Medición de la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.5.2.5 Medición de la turbiedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.5.2.6 Medición del color . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.5.2.7 Medición de la transparencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.5.2.8 Resumen general de los procedimientos sobre el terreno . . . . . . . . . . . . 17.6 Medición de la radioactividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.6.1 Fuentes de radioactividad del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.6.2 Recolección y conservación de muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.7 Muestreo para análisis biológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.7.1 Análisis microbiológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.7.2 Organismos multicelulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.8 Demanda bioquímica de oxígeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.8.1 Métodos de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.8.2 Exactitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
240 240 242 242 243 243 244 244 244 245 245 245 248 250 250 251 252
CAPÍTULO 18 — CONSIDERACIONES DE SEGURIDAD . . . . . . . . . . . . . . 18.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2 Seguridad en estaciones registradoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.1 Acceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.2 Plataformas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.3 Pozos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3 Precauciones cuando se trabaja desde puentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3.1 Riesgos debidos al tráfico de vehículos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3.2 Riesgos debidos al equipo suspendido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4 Precauciones durante el vadeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4.2 Evaluación de la situación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4.3 Uso de chalecos salvavidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4.4 Líneas de seguridad y líneas indicadoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4.5 Técnica de vadeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4.6 En caso de accidente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4.7 Responsabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.5 Precauciones cuando se trabaja desde embarcaciones . . . . . . . . . . . . . . . 18.5.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.5.2 Chalecos salvavidas y equipo de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.5.3 Uso de cables de maniobra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.5.4 Uso de botes neumáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.6 Precauciones cuando se utiliza un teleférico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.7 Precauciones cuando se manejan equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
253 253 253 253 253 253 254 254 254 255 255 255 255 255 255 256 256 256 256 256 257 257 258 258
xii
ÍNDICE
Página 18.7.1 Inspección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.7.2 Sierra de cadenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.7.3 Equipo eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.7.4 Herramientas mecánicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.7.5 Ropa protectora y equipo de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.7.6 Productos radioactivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.7.7 Precauciones en el monitoreo de aguas subterráneas . . . . . . . . . . . . . . . . 18.8 Precauciones cuando se manejan productos químicos . . . . . . . . . . . . . . . 18.9 Precauciones especiales en condiciones de mucho frío . . . . . . . . . . . . . . 18.9.1 Hipotermia (exposición) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.9.2 Congelación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.9.3 Trabajo sobre lagos y cursos de agua cubiertos de hielo . . . . . . . . . . . . . 18.9.4 Trabajo en zonas montañosas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.9.5 Supervivencia en aguas heladas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.10 Precauciones especiales en condiciones de mucho calor . . . . . . . . . . . . . 18.10.1 Insolación (hipotermia) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.10.2 Quemaduras de sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.11 Viaje y transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.11.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.11.2 Helicópteros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.11.3 Vehículos de motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.12 Caja de herramientas y raciones de supervivencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.13 Otros riesgos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
258 258 259 259 259 259 260 260 261 261 262 262 263 263 264 264 264 264 264 265 265 265 266 266
PARTE C — RECOLECCIÓN, PROCESO Y DIFUSIÓN DE DATOS HIDROLÓGICOS CAPÍTULO 19 — PAPEL DE LOS DATOS HIDROLÓGICOS EN SISTEMAS DE INFORMACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1 Sistemas de información . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2 Técnica informática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3 Personal y formación profesional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
267 267 269 270 271
CAPÍTULO 20 — DISEÑO Y EVALUACIÓN DE REDES HIDROLÓGICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1 Conceptos generales sobre el diseño de redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.1 Definición de diseño de red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.2 Métodos de substitución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.3 La red básica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.3.1 La red mínima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
273 273 274 276 276 277
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xiii Página
20.1.3.2 Expansión de la base de información . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.4 Diseño de redes integradas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.4.1 Estaciones para fines operativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.4.2 Estaciones de referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.4.3 Cuencas representativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.5 Análisis de una red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2 Densidad de estaciones para una red mínima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.1 Densidades mínimas para estaciones climatológicas . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.1.1 Estaciones pluviométricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.1.2 Estudio nivométrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.1.3 Estaciones de evaporación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.2 Densidades mínimas para estaciones hidrométricas . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.2.1 Estaciones de flujo fluvial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.2.2 Nivel de ríos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.2.3 Nivel de lagos y embalses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.2.4 Caudal de sedimentos y sedimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.2.5 Estaciones de medición de la calidad del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.2.6 Temperatura del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.2.7 Capa de hielo en ríos y lagos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.3 Observaciones del agua subterránea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4 Requisitos específicos para controlar la calidad del agua . . . . . . . . . . . . 20.4.1 Parámetros de calidad del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4.2 Calidad del agua superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4.3 Calidad de las precipitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4.4 Calidad de los sedimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4.5 Calidad del agua subterránea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
277 278 279 280 280 280 282 284 284 286 286 287 287 289 289 289 290 291 291 292 294 294 296 300 301 303 303
CAPÍTULO 21 — RECOLECCIÓN DE DATOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1 Selección del sitio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Identificación de la estación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.1 Identificación de los sitios de recolección de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.2 Información descriptiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.2.1 Descripción de una estación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.2.2 Croquis detallado de la ubicación de la estación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.2.3 Mapa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.2.4 Coordenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.2.5 Descripción narrativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Frecuencia y programa de visitas a una estación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3.1 Estaciones manuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3.2 Estaciones registradoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4 Mantenimiento de los sitios de recolección de datos . . . . . . . . . . . . . . . . .
305 305 305 305 309 309 312 312 313 314 314 314 315 316
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Página 21.5 Observaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.5.1 Estaciones manuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.5.2 Estaciones registradoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.5.3 Informes en tiempo real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.5.4 Instrucciones adicionales para los observadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.6 Sistemas de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.6.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.6.2 Líneas de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.6.3 Criterios de selección de los sistemas de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . 21.7 Control de la calidad del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.7.1 Identificación de la estación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.7.2 Hojas de terreno para el monitoreo de la calidad del agua . . . . . . . . . . . . 21.7.3 Transporte de las muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.7.4 Verificación de calidad in situ de los datos sobre la calidad del agua . . . 21.8 Recolección de datos especiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.8.1 Requerimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.8.2 Estudio de chubascos por medio de diversos recipientes . . . . . . . . . . . . . 21.8.3 Datos suministrados por radares meteorológicos y por satélites . . . . . . 21.8.4 Niveles y caudales extremos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
317 317 319 320 320 321 321 322 323 324 324 324 324 325 328 328 328 328 329 329
CAPÍTULO 22 — CONTROL DE DATOS Y CODIFICACIÓN . . . . . . . . . . 22.1 Control de calidad y detección de errores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1.1 Inspección de las estaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1.2 Control preliminar de los datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1.3 Detección del error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1.4 Resultados del control de calidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Procedimientos de validación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.1 Procedimientos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.2 Técnicas combinadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.3 Procedimientos específicos de validación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.3.1 Datos climatológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.3.2 Datos de precipitación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.3.3 Datos de hielo y nieve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.3.4 Datos de niveles del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.3.5 Datos de aforos de río . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.3.6 Datos de calidad del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.3.7 Datos de sedimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.4 Datos faltantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3 Codificación de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3.1 Códigos de ubicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3.2 Códigos para las variables (parámetros) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
331 331 331 332 333 335 335 336 337 339 341 342 342 343 344 345 347 347 347 350 350
ÍNDICE
xv Página
22.3.3 Códigos de calificación de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3.4 Códigos de datos faltantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3.5 Códigos de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
351 351 357 357
CAPÍTULO 23 — PROCESO PRIMARIO DE DATOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.2 Entrada de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.2.1 Uso del teclado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.2.2 Proceso de gráficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.2.3 Estaciones manuales que utilizan la telemetría . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.2.4 Estaciones automatizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.2.4.1 Banda de papel y registradores de cassette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.2.4.2 Memorias de estado sólido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.3 Procedimientos de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.3.1 Procedimientos generales del proceso primario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.3.2 Procedimientos específicos del proceso primario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.3.2.1 Datos climatológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.3.2.2 Observaciones de la evaporación y de la evapotranspiración . . . . . . . . 23.3.2.3 Datos de precipitación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.3.2.4 Datos de caudales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.3.2.5 Datos sobre la calidad del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
359 359 360 360 363 364 365 366 368 368 368 372 372 373 373 374 378 380
CAPÍTULO 24 — ALMACENAMIENTO Y RECUPERACIÓN DE DATOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.1 Almacenamiento de datos originales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2 Gestión y almacenamiento de datos procesados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.2 Control del flujo de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.3 Procedimientos de actualización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.4 Compresión y exactitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.5 Organización de los archivos físicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.6 Organización de los archivos lógicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.7 Extracción de datos de una sola variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.8 Almacenamiento de datos en línea y fuera de línea . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.3 Recuperación de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
381 381 381 381 383 383 385 387 388 390 391 393 396
CAPÍTULO 25 — DIFUSIÓN DE DATOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.2 Catálogos de información . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
397 397 398
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Página 25.3 Informes de resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.4 Publicación de los datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.4.1 Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.4.2 Frecuencia de las publicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.4.3 Contenido y formato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.5 Soportes magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.5.1 Cintas magnéticas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.5.2 Discos magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.5.3 Discos ópticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.6 Formatos de intercambio de datos en tiempo real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
400 403 403 404 404 407 408 409 409 410 410
PARTE D — ANÁLISIS HIDROLÓGICO CAPÍTULO 26 — INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS HIDROLÓGICO ..... 26.1 Métodos de análisis utilizados en hidrología ........................................ 26.2 Propósito de la Parte D ...........................................................................
411 411 412
CAPÍTULO 27 — ANÁLISIS DE FRECUENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.1 Uso del análisis de frecuencias en hidrología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.2 Series estadísticas y periódos de retorno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.3 Enfoque matemático para el análisis de frecuencias . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.3.1 Distribuciones de probabilidades usadas en hidrología . . . . . . . . . . . . . . 27.3.2 Estimación de parámetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.3.3 Homogeneidad de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
413 413 413 415 415 416 416 417
CAPÍTULO 28 — FRECUENCIA E INTENSIDAD DE LA LLUVIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.1 28.1.1 28.1.1.1 28.1.1.2
Frecuencia de la lluvia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lluvia puntual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ajuste de datos para intervalos de observación fijos . . . . . . . . . . . . . . . . . Estimación indirecta de datos de frecuencia de lluvia puntual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.1.1.3 Lluvias máximas observadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.1.2 Nivel de lluvia en una región . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.1.3 Mapas generalizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.1.4 Sequía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.2 Intensidad de la lluvia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.2.1 Lluvia puntual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.2.2 Lluvia en una región . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
419 419 419 419 420 423 425 425 426 426 426 428 429
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CAPÍTULO 29 — ANÁLISIS DE LA LLUVIA DE UNA TORMENTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.2 Curvas de valores acumulados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.3 Análisis de altura–superficie–duración de la lluvia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.4 Precipitación Máxima Probable (PMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.4.1 Métodos para calcular la PMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.4.2 Estimaciones preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.4.3 Selección de la duración de la lluvia de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.4.4 Selección de subcuencas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.4.5 Transposición de tormentas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.4.6 Selección y análisis de las tormentas principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.4.7 Maximización de las tormentas seleccionadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.4.8 Orientación de los modelos de lluvia de tormenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.4.9 Uniformidad regional de las estimaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.4.10 Estimaciones en ausencia de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
431 431 431 432 432 433 435 435 436 436 437 437 438 438 438 441
CAPÍTULO 30 — INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS DE PRECIPITACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.2 Ajuste de los datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.2.1 Período básico normalizado de observaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.2.2 Análisis mediante la curva de doble acumulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.2.3 Estimación de datos faltantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.3 Distribución espacial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.3.1 Representación en mapas de isoyetas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.3.2 Evaluación de los efectos fisiográficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.4 Cálculo de la precipitación media de una zona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.4.1 Media aritmética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.4.2 Método de los polígonos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.4.3 Método de isoyetas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.4.4 Método del porcentaje del valor normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.4.5 Método hipsométrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
443 443 443 444 445 446 446 446 447 448 448 449 450 450 450 452
CAPÍTULO 31 — ANÁLISIS DEL ESCURRIMIENTO DE LA FUSIÓN DE NIEVE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Teoría de la fusión de la nieve en un punto determinado . . . . . . . . . . . . . 31.3 Estimación del derretimiento de la nieve en una cuenca en ausencia de lluvia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
453 453 453 457
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Página 31.4
Estimación del derretimiento de la nieve en una cuenca con lluvia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.5 Estimación del escurrimiento debido al deshielo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.6 Evaporación a partir de una capa de nieve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.7 Máximos probables de precipitación y derretimiento de nieve . . . . . . . 31.7.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.7.2 Acumulación máxima probable de nieve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.7.3 Estimación del derretimiento de nieve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.8 Escurrimiento de un deshielo de período corto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.8.1 Regiones planas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.8.2 Terreno montañoso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CAPÍTULO 32 — EVALUACIÓN DE DATOS DE FLUJO FLUVIAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 Ajuste de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.3 Distribución espacial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.3.1 Mapas de la escorrentía anual media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.3.2 Escurrimiento medio a partir de datos de precipitación y de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.3.3 Correlación entre estaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.3.4 Longitud efectiva de un registro extendido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CAPÍTULO 33 — RELACIONES LLUVIA – ESCURRIMIENTO . . . . . . . 33.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.2 Volúmenes de escurrimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.2.1 Índice de precipitación anterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.2.2 Caudal de base inicial como índice del volumen de escurrimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.2.3 Técnicas de evaluación de la humedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.3 Distribución de un escurrimiento en el tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.3.1 Hidrograma unitario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.3.1.1 Construcción del hidrograma unitario a partir de registros de escurrimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.3.1.2 Deducción por métodos sintéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.3.1.3 Conversión de la duración de un hidrograma unitario . . . . . . . . . . . . . . . 33.3.2 Método de las isocronas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.4 Modelos distribuidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
460 461 463 464 464 464 465 466 466 466 466
467 467 467 468 468 469 472 474 474 475 475 475 475 478 479 480 480 481 484 485 486 488 488
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CAPÍTULO 34 — TRÁNSITO DE AVENIDAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.2 Métodos hidrodinámicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.2.1 Método completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.2.2 Difusión y tránsito cinemático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.3 Métodos hidrológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.4 Tránsito de avenidas en embalses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
489 489 489 489 492 493 495 496
CAPÍTULO 35 — ANÁLISIS DE ESTIAJES Y SEQUÍAS . . . . . . . . . . . . . . . . 35.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.2 Curvas de duración de caudales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.3 Frecuencia de caudales bajos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.4 Análisis estadístico de sequías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.5 Análisis de la curva de recesión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
497 497 497 499 500 501 503
CAPÍTULO 36 — FRECUENCIA DE CRECIDAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.1 Análisis de los datos recopilados en las estaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.1.1 Caudal máximo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.1.2 Análisis estadístico de hidrogramas de crecidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.2 Regionalización de caudales de crecidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.2.1 Método de crecida índice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.2.2 Métodos basados en la regresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
505 505 505 506 507 507 508 510
CAPÍTULO 37— ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN EN LAGOS Y EMBALSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.2 Método del balance hídrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.2.1 Caudales afluente y efluente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.2.2 Precipitación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.2.3 Infiltración neta y almacenamiento en las orillas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.2.4 Variación del volumen almacenado en el embalse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.3 Método del balance energético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.3.1 Radiación de onda larga reflejada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.3.2 Radiación emitida por el embalse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.3.3 Variación de la energía almacenada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.3.4 Energía utilizada para la evaporación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.3.5 Energía transmitida por convección a la masa de agua o por ésta como calor sensible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.3.6 Energía transmitida por advección por el agua evaporada . . . . . . . . . . .
513 513 513 514 514 514 514 514 516 516 516 517 517 518
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Página 37.3.7 37.3.8 37.4 37.4.1 37.4.2 37.4.3 37.4.4 37.4.5 37.5
Intercambio de energía entre el agua del embalse y el fondo . . . . . . . . . Evaporación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Métodos aerodinámicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Valor del coeficiente N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Viento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatura en la superficie del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Humedad o presión del vapor de agua en el aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Método de correlación turbulenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Combinación de las ecuaciones del método aerodinámico y las del balance energético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.6 Extrapolación a partir de mediciones de tanques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
518 518 520 521 522 522 522 523 523 526 531
CAPÍTULO 38 — ESTIMACIÓN DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN EN UNA CUENCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.2 Evapotranspiración potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.3 Evapotranspiración real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.4 Método del balance hídrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.4.1 Precipitación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.4.2 Escurrimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.4.3 Variación del almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.4.4 Infiltración profunda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.5 Método del balance energético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.6 Método aerodinámico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.7 Método de Penman-Monteith . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.8 Método de Priestley-Taylor (de radiación) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.9 Método complementario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
532 532 532 532 534 534 534 534 535 535 535 536 536 536 537
CAPÍTULO 39 — MODELIZACIÓN DE SISTEMAS HIDROLÓGICOS 39.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.2 Modelos de caja negra (enfoque sistemático) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.3 Modelos conceptuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.3.1 Modelo del Centro Hidrometeorológico de la ex URSS . . . . . . . . . . . . . 39.3.2 Modelo Sacramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.3.3 Modelo tanque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.3.4 Selección de modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.4 Modelos hidrodinámicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.5 Evaluación de parámetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.6 Simulación estocástica de series hidrológicas de tiempo . . . . . . . . . . . . . 39.6.1 Modelos markovianos lag-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
539 539 540 542 542 544 547 548 550 552 553 554
ÍNDICE
xxi Página
39.6.2 39.6.3
Modelos autoregresivos de media móvil (ARMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modelos fraccionales gaussianos de ruido y de proceso de línea quebrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.7 Modelización de la calidad de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.7.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.7.2 Tipos de modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.7.3 Modelos del transporte de contaminantes en un río . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.7.4 Aplicaciones y ejemplos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.8 Selección de modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
CAPÍTULO 40 — MEDICIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS FISIOGRÁFICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.2 Sistemas de referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.3 Mediciones puntuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.4 Problemas lineales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.4.1 Corriente de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.4.2 Red de drenaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.4.3 Perfil de la corriente de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.4.4 La red de drenaje o hidrográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.4.5 Sección transversal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.4.6 Características físicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.5 Mediciones de superficie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.5.1 La cuenca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.5.2 La malla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.6 Mediciones volumétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.6.1 Métodos batimétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.6.2 Métodos topográficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.7 Sistemas de información geográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
555 556 556 556 557 558 558 559 560
565 565 565 566 566 567 567 569 570 570 571 571 571 577 577 577 578 578 579
PARTE E — PREDICCIÓN HIDROLÓGICA CAPÍTULO 41 — INTRODUCCIÓN A LA PREDICCIÓN HIDROLÓGICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Características de las predicciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Efectividad de las predicciones hidrológicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3.1 Exactitud y oportunidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3.2 Costo y beneficio de las predicciones hidrológicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4 Servicio de predicción hidrológica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
581 581 581 583 584 585 588
xxii
ÍNDICE
Página 41.4.1 41.4.2 41.5
Organización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Difusión de predicciones y avisos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
588 590 590
CAPÍTULO 42 — DATOS NECESARIOS PARA LA PREDICCIÓN HIDROLÓGICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Datos para desarrollar los procedimientos de predicción . . . . . . . . . . . . . 42.2.1 Variables hidrológicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2.2 Características de la cuenca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2.3 Características del río . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3 Datos requeridos en la preparación de una predicción . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.1 Lluvia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.2 Nieve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.3 Niveles y caudales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.4 Otras necesidades de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.4 Uso de predicciones meteorológicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.5 Precisión de las observaciones y frecuencia de las mediciones . . . . . . . 42.6 Adquisición de datos con fines operativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.6.1 Redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.6.2 Teledetección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.6.2.1 Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.6.2.2 Métodos basados en Satélites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.6.2.3 Detección con aeronaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.6.3 Sistemas de comunicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.6.3.1 Satélites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.6.3.2 Impulso meteórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
593 593 593 594 594 594 595 595 595 596 596 596 597 597 597 600 600 601 603 603 605 605 606
CAPÍTULO 43 — MÉTODOS DE PREDICCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.2 Correlación y regresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.3 Índice de humedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.4 Predicción del nivel de cresta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.5 Predicción de flujo basada en el volumen almacenado . . . . . . . . . . . . . . . 43.6 Predicción de decrecida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.7 Modelos conceptuales de flujo fluvial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.8 Tránsito de avenidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.9 Análisis de series cronológicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.10 Técnicas de ajuste de predicción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.11 Predicción probabilística . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
607 607 608 609 610 612 613 613 614 614 615 616 617
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xxiii Página
CAPÍTULO 44 — PREDICCIONES DE CRECIDA Y DE ABASTECIMIENTO DE AGUA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44.2 Predicciones de crecidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44.3 Crecida repentina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44.3.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44.3.1.1 Programas de predicción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44.3.1.2 Sistemas de alarma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44.3.1.3 Vigilancias y avisos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44.3.1.4 Crecidas repentinas y calidad del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44.3.2 Inundaciones en áreas urbanas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44.3.3 Rotura de presas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44.4 Marea de tormenta en los ríos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44.5 Predicción de abastecimiento de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44.6 Caudal bajo (caudal de estiaje) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 45 — PREDICCIONES DE FUSIÓN DE NIEVES . . . . . . . . . . . 45.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.2 Procesos de escorrentía por fusión de nieve en ríos de tierras bajas y de montañas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.3 Modelos de predicción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.3.1 Métodos de índice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.3.2 Modelos conceptuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.3.3 Predicción extendida de flujo fluvial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.3.4 Datos de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.4 Predicciones a corto y mediano plazo de la escorrentía por fusión de nieve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.5 Predicciones de fusión de nieve a largo plazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.6 Predicciones estacionales de fusión de nieve para regiones llanas . . . . 45.7 Predicciones estacionales de fusión de nieve para regiones montañosas Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
629 629
634 634 635 636 637
CAPÍTULO 46 — PREDICCIONES DE LA FORMACIÓN Y LA ROTURA DE HIELO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.2 Predicciones de la formación del hielo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.3 Predicciones de la rotura de hielo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.3.1 Predicciones de la rotura de hielo en embalses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.3.2 Predicciones de la rotura de hielo en ríos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.4 Predicciones del hielo a largo plazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.4.1 Formación de hielo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
639 639 639 642 643 643 644 644
629 630 630 632 632 633
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Página 46.4.2 Rotura de hielo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.4.3 Uso de la circulación atmosférica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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PARTE F — APLICACIONES PARA LA GESTIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS CAPÍTULO 47 — INTRODUCCIÓN A LAS APLICACIONES PARA LA GESTIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS . . . . . . 47.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47.2 Objetivos de un proyecto de gestión de recursos hídricos . . . . . . . . . . . . 47.3 Proyectos de múltiples aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47.4 Sistemas de recursos hídricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47.5 Investigación preliminar de los proyectos de gestión de recursos hídricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CAPÍTULO 48 — DESARROLLO SOSTENIBLE DE LOS RECURSOS HÍDRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.2 Variabilidad del recurso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.2.1 Cambios naturales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.2.2 Cambios antropógenos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.3 Cambios de actitud en la gestión de los recursos hídricos . . . . . . . . . . . . 48.3.1 Gestión de cuencas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.3.2 Fragmentación de la gestión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.4 Programas de datos sobre el agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.4.1 Evaluación de las necesidades de datos para el futuro . . . . . . . . . . . . . . . 48.4.2 Carácter y eficacia de las redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.4.3 Opciones de estrategias para las redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.5 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CAPÍTULO 49 — CALIDAD DEL AGUA Y PROTECCIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.2 Relación entre la cantidad y la calidad del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.2.1 Arroyos y ríos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.2.2 Grandes lagos y embalses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.3 Efectos de los proyectos de recursos hídricos en la calidad del agua de arroyos y ríos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.3.1 Presas y diques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.3.2 Obras de regulación del río . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
647 647 647 648 648 649 652 653 653 653 653 654 654 656 656 657 657 659 660 661 661 663 663 663 663 665 666 666 667
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xxv Página
49.3.3 49.4
Reducción y aumento del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Efectos de los proyectos de recursos hídricos en la calidad de agua en grandes lagos y embalses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.5 Cambios en la calidad del agua debido a la contaminación . . . . . . . . . . 49.5.1 Eutrofización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.5.2 Materia orgánica y autodepuración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.5.3 Adsorción y acumulación de contaminantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.5.4 Contaminación térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.6 Medidas para reducir los efectos de la contaminación en la calidad del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.6.1 Medidas preventivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.6.2 Medidas correctivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 50 — EVALUACIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS . . . . 50.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50.2 Necesidad de una evaluación de los recursos hídricos . . . . . . . . . . . . . . . 50.3 Usos de la información sobre los recursos hídricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50.4 Tipos de información relativa a los recursos hídricos . . . . . . . . . . . . . . . . 50.5 Componentes de un programa de evaluación de recursos hídricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50.6 Evaluación de las actividades de evaluación de recursos hídricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 51 — ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA DE AGUA . . . . . . . . 51.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2 Uso del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.1 Suministro de agua a nivel urbano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.2 Uso doméstico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.3 Uso comercial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.4 Riego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.5 Ganadería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.6 Uso industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.7 Energía termoeléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.8 Reducción de la contaminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.9 Recreación, estética y tradición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.10 Conservación de la pesca y la vida silvestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.11 Navegación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.12 Control de inundaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Página CAPÍTULO 52 — ESTIMACIÓN DE LA CAPACIDAD DE UN EMBALSE 52.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Evaluación de las pérdidas de agua desde los sistemas hídricos de superficie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2.1 Naturaleza de las pérdidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2.2 Pérdidas en zonas de regadío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2.3 Evaporación en los embalses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2.4 Infiltración en los embalses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3 Influencia del emplazamiento del embalse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.4 Influencia de la sedimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.5 Análisis secuencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.5.1 Método numérico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.5.2 Método gráfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.6 Método probabilístico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.6.1 Métodos rigurosos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.6.2 Métodos aproximados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.7 Relación almacenamiento–extracción–fiabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.8 Embalses para fines múltiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.9 Sistemas de embalses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.10 Efectos incidentales de los embalses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.10.1 Efectos en los regímenes hidráulicos e hidrológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.10.2 Efectos en el medio ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.11 Estimación de los niveles máximos del embalse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.11.1 Sobreelevación del nivel por efecto del viento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.11.2 Olas generadas por el viento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.11.3 Ondulaciones periódicas de la superficie del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 53 — ESTIMACIÓN DE LAS CRECIDAS DE DISEÑO . . . . . 53.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2 Clase de crecidas de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2.1 Magnitud y métodos de cálculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2.2 Período de vida útil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2.3 Crecidas de diseño para grandes embalses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2.4 Crecida máxima probable (CMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2.5 Crecida de proyecto estándar (CPE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.3 Preparación de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.4 Técnicas para el cálculo de crecidas de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.4.1 Métodos empíricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.4.2 Modelos determinísticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.4.3 Métodos probabilísticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 54 — CONTROL DE CRECIDAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.2 Embalses para el control de crecidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.2.1 El problema de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.2.1.1 Almacenamiento de retención regulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.2.1.2 Almacenamiento de retención no regulado en el río . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.2.1.3 Almacenamiento de retención no regulado fuera del río . . . . . . . . . . . . . 54.2.2 Consideraciones sobre el funcionamiento para la elaboración del diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.2.3 Otras consideraciones referentes a los embalses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.2.3.1 Intervalo de tiempo entre crecidas sucesivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.2.3.2 Efectos de la sedimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.2.3.3 Efectos del desarrollo de la zona aguas arriba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.3 Otras medidas estructurales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.3.1 Desviación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.3.2 Modificación de cauces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.3.3 Diques y muros de protección contra las crecidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.4 Medidas no estructurales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.4.1 Control de las planicies de inundación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.4.2 Aviso de crecidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.5 Diseño de las obras de drenaje de cuencas urbanas y de pequeñas cuencas rurales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.5.1 Características de los sistemas de drenaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.5.2 Cálculo de las descargas de los sistemas de drenaje . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.6 Efectos en el ciclo hidrológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 55 — RIEGO Y DRENAJE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55.1 Riego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55.1.1 Necesidades de agua de las cosechas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55.1.1.1 Método de Blaney–Criddle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55.1.1.2 Humedad del suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55.1.1.3 Calidad del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55.1.2 Pérdidas de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55.2 Drenaje agrícola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55.2.1 Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55.2.2 Factores que afectan el drenaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55.2.3 Beneficios del drenaje agrícola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55.2.4 Tipos básicos de drenaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55.2.4.1 Drenaje de alivio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55.2.4.2 Drenaje de intercepción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55.2.5 Métodos de drenaje artificial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Página 55.2.5.1 Drenaje superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55.2.5.2 Drenaje subsuperficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55.2.6 Factores económicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 56 — ENERGÍA HIDROELÉCTRICA Y PROYECTOS ENERGÉTICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56.2 Energía hidroeléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56.2.1 Ventajas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56.2.2 Potencial de un lugar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56.2.3 Disposiciones operacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56.2.4 Calidad del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56.3 Proyectos relativos a la producción de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56.3.1 Generación de energía a partir de combustibles fósiles o nucleares .... 56.3.2 Extracción y procesamiento del carbón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56.3.3 Extracción y procesamiento del uranio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56.3.4 Producción de petróleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56.3.5 Producción de metanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 57 — NAVEGACIÓN Y CORRECCIÓN DE UN CAUCE . . . 57.1 Aplicación de la hidrología a la navegación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57.1.1 Aplicación de datos hidrológicos a la caracterización de las vías fluviales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57.1.1.1 Parámetros geométricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57.1.1.2 Parámetros hidrológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57.1.1.3 Parámetros hidráulicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57.1.2 Utilización de los datos hidrológicos en la navegación operacional .... 57.1.2.1 Recopilación de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57.1.2.2 Predicciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57.1.2.3 Transmisión de datos y predicciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57.1.3 Navegación en lagos, ríos y canales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57.2 Aplicación de los datos hidrológicos a la corrección de un cauce . . . . 57.2.1 Evolución y caracterización de los meandros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57.2.2 Determinación de la descarga y alturas de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57.2.2.1 Determinación de la descarga de diseño para la regulación del lecho mayor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57.2.2.2 Determinación de la descarga de diseño para la regulación del lecho medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Página CAPÍTULO 58 — GESTIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS URBANOS 58.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58.2 Drenaje de aguas pluviales en zonas urbanas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58.3 Modelización de sistemas de precipitaciones, escorrentía y drenaje de aguas pluviales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPÍTULO 59 —TRANSPORTE DE SEDIMENTOS Y DEFORMACIÓN DEL LECHO DEL RÍO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59.2 Erosión de las captaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59.3 Erosión de los cauces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59.4 Transporte de sedimentos en los cauces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59.4.1 Transporte de sedimentos en suspensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59.4.2 Transporte de la carga del lecho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59.5 Sedimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59.6 Medidas que deben tomarse para la regulación de sedimentos . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Uno de los objetivos de la Organización Meteorológica Mundial es promover la normalización de las observaciones meteorológicas e hidrológicas y asegurar la publicación uniforme de observaciones y estadísticas. Con este propósito el Congreso Meteorológico Mundial adoptó el Reglamento Técnico, en el que se incluyen las prácticas y los procedimientos meteorológicos e hidrológicos a ser seguidos por los Estados Miembros de la Organización. El Reglamento Técnico se complementa con algunas guías en las que se describen con más detalles las prácticas, los procedimientos y las estipulaciones que los Miembros están invitados a respetar y aplicar al establecer y llevar a cabo sus acuerdos en cumplimiento del Reglamento Técnico, y al establecer y poner en funcionamiento los Servicios Meteorológicos e Hidrológicos en sus respectivos países. La presente publicación surgió como consecuencia de la primera reunión (Washington, 1961) de la Comisión de Hidrología de la OMM, en la que se reconoció la urgente necesidad de preparar una guía de prácticas hidrológicas. En 1965 se publicó la primera edición titulada Guía de Prácticas Hidrometeorológicas. La segunda y la tercera edición de esta Guía se publicaron en 1970 y 1974, respectivamente. El título de la tercera edición se cambió por el de Guía de Prácticas Hidrológicas para tener en cuenta el alcance más amplio de su contenido. La revisión y los importantes aditivos a la Guía, aprobados por la Comisión en su quinta reunión (Ottawa, 1976), hizo necesaria la publicación de la cuarta edición en dos volúmenes: Volumen I – Adquisición y proceso de datos; y Volumen II – Análisis, predicción y otras aplicaciones. Los Volúmenes I y II de la cuarta edición fueron publicados en 1981 y 1983 respectivamente. En la octava reunión de la Comisión (Ginebra, 1988) se aprobó una nueva estructura para la quinta edición de la Guía; los capítulos de la cuarta edición se convierten en partes, subdivididas en capítulos, cada uno con su propia lista de referencias bibliográficas. Se decidió que cada capítulo versara sobre una variable o tema hidrológico para simplificar la consulta, las revisiones futuras y las referencias cruzadas con el Manual de Referencia del HOMS. Esta edición de la Guía contiene seis partes y 59 capítulos, publicados en un solo volumen. Además de la versión inglesa, la Guía está traducida en los tres otros idiomas oficiales de la Organización
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PREFACIO
(español, francés y ruso). Asimismo, como para las versiones anteriores, varios Miembros de la Organización manifestaron su intención de traducir esta Guía a su idioma nacional. El objetivo de la Guía de Prácticas Hidrológicas es brindar, a todos aquellos vinculados a la hidrología, información actualizada sobre prácticas, procedimientos e instrumentos que les pueda ser útil para llevar a cabo sus tareas con buenos resultados. Una descripción más detallada de las bases teóricas y del margen de aplicación de los métodos y técnicas hidrológicas está más allá del alcance de esta Guía. Sin embargo, cuando se considera oportuno se hace referencia a dicha documentación. Se espera que la presente Guía será útil no sólo para los Servicios Hidrológicos y Meteorológicos, sino también para muchos organismos del mundo que participan en el control y la evaluación de los recursos hídricos. Se invita a los usuarios de la Guía a continuar enviando sus comentarios y sugerencias a la Secretaría General, para seguir mejorándola. Me complace expresar el agradecimiento de la Organización Meteorológica Mundial a más de 40 expertos de todo el mundo que contribuyeron a la preparación de esta edición de la Guía. Agradecemos especialmente a los señores M. Roche (Francia) y A.R Perks (Canadá) que se encargaron de recopilar el borrador inicial y revisar la parte B; a los señores A. Hall y B. Stewart (Australia) que revisaron la parte C; a los señores F. Bultot (Bélgica), S. Zevin (EE.UU.) y V.R. Schneider (EE.UU.) que revisaron las partes D, E y F, respectivamente. Por cuanto se refiere a los nuevos textos, nuestro más profundo agradecimiento al Sr. N. Normand (Francia) por el capítulo 15 (Medición de la humedad del suelo); al Dr. P. Pilon (Canadá) por el capítulo 36 (Frecuencia de crecidas), al Dr. G. Young y al Sr. A. Perks (Canadá) por el capítulo 48 (Desarrollo sostenible del agua); y al Dr. L. Goda (Hungría) por el capítulo 57 (Navegación y corrección de cauces). Nuestra especial gratitud al Dr. M. Moss (EE.UU.) por su ayuda en la preparación del borrador final y al Dr. Starosolszky (Hungría) por sus excelente consejos durante toda la preparación de la presente edición de la Guía.
(G. O. P. Obasi) Secretario General
PARTE A GENERALIDADES CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LA GUÍA
1.1 Alcance de la Guía La hidrología es la ciencia que estudia la presencia y la distribución de las aguas en la tierra, sus propiedades químicas, biológicas y físicas, y su interacción con el medio ambiente físico. De esta manera, es la base para resolver problemas prácticos de inundaciones y sequías, erosión y transporte de sedimentos y contaminación del agua. En efecto, la creciente preocupación por la contaminación de las aguas superficiales y subterráneas, la lluvia ácida, el drenaje de zonas húmedas y otros tipos de cambios en el uso de la tierra, así como la amenaza que se cierne sobre los recursos hídricos debida a los cambios climáticos y al aumento del nivel del mar, han destacado el papel esencial que desempeña la hidrología en muchos proyectos relativos al medio ambiente. La presente Guía aborda éstos y varios otros aspectos del ciclo hidrológico, en especial sus fases sobre y bajo la superficie terrestre. Naturalmente, está enfocada hacia esas áreas que están dentro del alcance de las actividades de la Organización Meteorológica Mundial en materia de hidrología y recursos hídricos, para aumentar el apoyo que se ofrece a los Servicios Hidrológicos Nacionales y a los organismos que tienen una misión similar. La Guía trata, por lo tanto, sobre las principales variables del ciclo hidrológico y sus expresiones en el desplazamiento y el almacenamiento del agua: a) precipitaciones; b) capa de nieve (distribución, espesor, densidad, equivalente en agua); c) nivel del agua (ríos, lagos, embalses, pozos); d) flujo fluvial, descarga de sedimentos y calidad de las aguas superficiales; e) evaporación y evapotranspiración; f) humedad del suelo; y g) aguas subterráneas, incluida la calidad del agua. 1.2 Plan y contenido de la Guía Las actividades nacionales en materia de hidrología han aumentado rápidamente en los últimos decenios. Existen también numerosos programas de asistencia bilateral en este campo, además de las Naciones Unidas y de sus órganos especializados, y no es
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CAPÍTULO 1
de extrañar que los programas hidrológicos coincidan en un mismo país. Por lo tanto, se ha hecho muy necesario disponer de guías y normas internacionales, y se espera que la presente Guía responda a dicha necesidad. Con este fin, se trabajó con ahínco para mejorar y completar la Guía (quinta edición) que está compuesta de seis partes: Parte A: Generalidades — capítulos 1 a 5; Parte B: Instrumentos hidrológicos y métodos de observación y de estimación — capítulos 6 a 18; Parte C: Recopilación, proceso y difusión de datos hidrológicos — capítulos l9 a 25 Parte D: Análisis hidrológico — capítulos 26 a 40 Parte E: Predicción hidrológica — capítulos 41 a 46 Parte F: Aplicaciones para la gestión de los recursos hídricos — capítulos 47 a 59 Los capítulos 1 a 5 (Parte A) contienen información de carácter general sobre las actividades relativas al agua que efectúan la OMM y otras organizaciones internacionales, así como sobre las normas y reglas de la OMM en materia de hidrología y sobre las funciones y responsabilidades de los Servicios Hidrológicos Nacionales. Los capítulos 6 a 25 (Partes B y C) se refieren a los instrumentos y métodos de observación, el diseño de redes hidrológicas y la recopilación, el proceso y la publicación de datos. Se invita a los Miembros a que, al establecer y explotar sus Servicios Hidrológicos Nacionales, sigan y pongan en práctica estas pautas y estipulaciones. La adopción de las normas recomendadas beneficiará a los países donde se están estableciendo las redes hidrológicas o donde ya son explotadas por varias instituciones u órganos privados o gubernamentales. El contenido de estos capítulos coincide, hasta cierto punto, con la documentación que figura en otras guías de la OMM, pero en ellos se destacan el desarrollo y la gestión de los recursos hídricos. Se prevé que utilicen la presente Guía otros organismos que no sean los Servicios Hidrológicos y, por ese motivo, se consideró necesario elaborar una obra completa, que no se refiera con frecuencia a otras guías de la OMM. Los capítulos 26 a 59 (Partes D, E y F) tratan sobre métodos de análisis, predicción hidrológica y otras aplicaciones a proyectos de gestión de los recursos hídricos y los problemas conexos. Si bien se logró un cierto nivel de normalización (y se espera que todavía se puedan realizar otros progresos) de los instrumentos, los métodos de observación y las prácticas de publicación, la situación es totalmente diferente por cuanto se refiere a los análisis hidrológicos y a sus aplicaciones. Por lo tanto, en la Guía se describen otros posibles enfoques que, de acuerdo con la experiencia adquirida, resultan prácticos y satisfactorios. El objetivo es dirigir la atención hacia la existencia de varias técnicas útiles y presentar las principales características y ventajas de cada una de ellas, en vez de recomendar una de ellas. Los múltiples factores que participan (régimen hidrológico y climático, información y datos disponibles,
INTRODUCCIÓN A LA GUÍA
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objetivos previstos, etc.) exigen que se formulen recomendaciones basadas en la comprensión total de cada uno de ellos. En los últimos años, la creciente utilización de microcomputadoras ha permitido la introducción de más métodos y técnicas de análisis perfeccionadas y, como actualmente su uso está muy generalizado, se incluyen en esta Guía. Como ya se mencionó, existen repeticiones y algunos temas pueden figurar en dos o más capítulos. Por ejemplo, no hay una diferencia exacta entre proceso y análisis de datos. Si los mapas de isoyetas se publican mensualmente, se pueden considerar como datos de precipitación procesados. En otros casos, la preparación de un mapa de isoyetas es una etapa del análisis de los datos hidrológicos para establecer una relación lluvia-caudal con fines de predicción. Una dificultad similar surge con otros elementos hidrológicos y climatológicos derivados. Se ha tratado de atenuar dicha dificultad mediante la referencia cruzada entre capítulos. Una descripción completa de la base teórica de las prácticas recomendadas y el examen detallado de sus métodos de aplicación están fuera del alcance de la presente Guía. Para estos detalles, el lector es referido a los manuales e informes técnicos adecuados de la OMM, así como a otros libros de texto, guías de referencia o manuales. Las referencias aparecen al final de cada capítulo. 1.3
Referencias cruzadas entre la Guía y el Manual de Referencia del HOMS A fin de facilitar una referencia cruzada con el Manual de Referencia (MRH) del Sistema de Hidrología Operativa para Fines Múltiples (HOMS), (sección 2.3), se incluyen referencias (entre corchetes) a las subsecciones pertinentes del MRH cuando procede, en el margen derecho de los títulos de las secciones de la Guía.
CAPÍTULO 2 ACTIVIDADES DE LA OMM RELACIONADAS CON EL AGUA
2.1 Generalidades La Organización Meteorológica Mundial, con por 172 Estados y Territorios Miembros, es un organismo especializado de las Naciones Unidas. De conformidad con el artículo 2 del Convenio de la OMM[1], las finalidades de la Organización son: a) facilitar la cooperación mundial para crear redes de estaciones que efectúen observaciones meteorológicas, así como hidrológicas y otras observaciones geofísicas relacionadas con la meteorología y favorecer la creación y el mantenimiento de centros encargados de prestar servicios meteorológicos y otros servicios conexos; b) fomentar la creación y el mantenimiento de sistemas para el intercambio rápido de información meteorológica y conexa; c) fomentar la normalización de las observaciones meteorológicas y conexas y asegurar la publicación uniforme de observaciones y estadísticas; d) intensificar la aplicación de la meteorología a la aviación, la navegación marítima, los problemas del agua, la agricultura y otras actividades humanas; e) fomentar actividades en materia de hidrología operativa y proseguir una estrecha colaboración entre los Servicios Meteorológicos y los Hidrológicos; f) fomentar la investigación y enseñanza de la meteorología y, cuando proceda, de materias conexas, y cooperar en la coordinación de los aspectos internacionales de tales actividades. La Organización comprende: a) el Congreso Meteorológico Mundial, órgano supremo de la Organización. En el se reúnen los delegados de todos los Miembros una vez cada cuatro años, a fin de determinar políticas generales para lograr los objetivos de la Organización; b) el Consejo Ejecutivo, compuesto de 36 directores de Servicios Meteorológicos o Hidrometeorológicos Nacionales, se reúne una vez al año para coordinar los programas aprobados por el Congreso; c) las seis Asociaciones Regionales (África, Asia, América del Sur, América del Norte y América Central, Suroeste del Pacífico y Europa), compuestas por Miembros gubernamentales, coordinan todas las actividades meteorológicas y conexas en sus respectivas Regiones;
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CAPÍTULO 2
d) las ocho Comisiones Técnicas, compuestas por expertos designados por los Miembros, estudian todas las cuestiones relativas a sus ámbitos de competencia (se han establecido comisiones técnicas para los sistemas básicos, los instrumentos y métodos de observación, las ciencias atmosféricas, la meteorología aeronáutica, la meteorología agrícola, la meteorología marina, la hidrología y la climatología); e) la Secretaría sirve de centro administrativo, de documentación y de información de la Organización; cumple con las tareas establecidas en el Convenio y otros documentos fundamentales y proporciona apoyo de secretaría al trabajo que realizan los órganos integrantes de la OMM descritos anteriormente. La figura 2.1 contiene la estructura organizativa de la OMM y en la figura 2.2 se delimitan las seis Asociaciones Regionales de la OMM. 2.1.1 Objetivos y alcances de las actividades relacionadas con el agua El compromiso en el campo de la hidrología operativa, descrito en el Artículo 2 e) del Convenio, se ejerce a través del Programa de Hidrología y Recursos Hídricos (PHRH). Este programa asiste a los Servicios Hidrológicos de los Miembros en materia de hidrología operativa y en la mitigación de los riesgos relacionados con el agua, como inundaciones y sequías. Promueve también la cooperación entre países a nivel regional y subregional, particularmente donde existen cuencas de ríos compartidos, incluidas actividades de formación y enseñanza en hidrología. El alcance de PHRH es básicamente la hidrología operativa, que como se define en el Reglamento General de la OMM [2], comprende: a) la medición de los elementos hidrológicos básicos a partir de las redes de estaciones meteorológicas e hidrológicas: concentración, transmisión, proceso, almacenamiento, recuperación y publicación de datos hidrológicos básicos; b) la predicción hidrológica; c) la preparación y el mejoramiento de métodos, procedimientos y técnicas en materia de: i) diseño de redes; ii) características de los instrumentos; iii) normalización de instrumentos y métodos de observación; iv) transmisión y proceso de datos; v) suministro de datos meteorológicos e hidrológicos para efectos de diseño; vi) predicción hidrológica. Cabe señalar que, en el presente contexto, los datos hidrológicos incluyen datos sobre la cantidad y la calidad de las aguas superficiales y las aguas subterráneas. La hidrología operativa está, por lo tanto, muy relacionada con la evaluación de los recursos hídricos. En la actualidad el objetivo principal y general del PHRH, como figura en el Tercer Plan a Largo Plazo de la OMM (1992-2001) [3], es:
ACTIVIDADES DE LA OMM RELACIONADAS CON EL AGUA
7
CONGRESO Órgano supremo en el que están representados todos los Miembros: se reúne una vez cada cuatro años
COMISIONES TÉCNICAS
ASOCIACIONES REGIONALES
Comisión de Sistemas Básicos (CSB)
Asociación Regional I (África) Asociación Regional II (Asia)
Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación (CIMO)
Asociación Regional III (América del Sur)
Comisión de Hidrología (CHi)
Asociación Regional IV (América del Norte y América Central)
Comisión de Ciencias Atmosféricas (CCA)
Asociación Regional V (Suroeste del Pacífico) Asociación Regional VI (Europa)
CONSEJO EJECUTIVO Compuesto de 36 Miembros incluido el Presidente, tres Vicepresidentes y los seis Presidentes de las Asociaciones Regionales que son miembros ex officio del Consejo; se reúne todos los años
Grupos de trabajo y ponentes de las Asociaciones Regionales
Comisión de Meteorología Aeronáutica (CMAe) Comisión de Meteorología Agrícola (CMAg) Comisión de Meteorología Marina (CMM) Comisión de Climatología (CCI)
Asesores hidrológicos regionales
Grupos consultivos de trabajo, grupos de trabajo y ponentes de las Comisiones Técnicas
Grupos de trabajo, comités y grupos de expertos del Consejo Ejecutivo
Otros órganos afiliados a la OMM, por ej., el CCM del PMIC, el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático, el CMCT para el SMOC
SECRETARIO GENERAL SECRETARÍA La Secretaria, bajo la dirección del Secretario General, brinda apoyo a los órganos y grupos antes mencionados
Figura 2.1 — Estructura organizativa de la Organización Meteorológica Mundial.
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REGIÓN VI
REGIÓN IV
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AMÉRICA DEL NORTE Y AMÉRICA CENTRAL
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EUROPA
REGIÓN II ASIA
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0
REGIÓN I 20
REGIÓN III
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AMÉRICA DEL SUR
REGIÓN V
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SUROESTE DEL PACÍFICO
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Figura 2.2 — Límites de las Regiones de la OMM
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CAPÍTULO 2
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ACTIVIDADES DE LA OMM RELACIONADAS CON EL AGUA
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“Garantizar la evaluación y predicción cuantitativa y cualitativa de los recursos hídricos, a fin de satisfacer las necesidades de todos los sectores de la sociedad, atenuar los efectos de los riesgos relacionados con el agua y mantener o mejorar el estado del medio ambiente del planeta.”
Este objetivo concuerda con las recomendaciones de la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Agua (Mar del Plata, 1977) [4] y la Conferencia Internacional sobre el Agua y el Medio Ambiente (Dublín, enero 1992) [5]. El PHRH está estrechamente vinculado a otros programas de la OMM que tienen importantes componentes hidrológicos, como el Programa sobre Ciclones Tropicales (PCT) y el Programa Mundial sobre el Clima (PMC). Además, una gran parte de la cooperación técnica de la OMM, financiada sobre todo por el PNUD, se realiza en el ámbito de la hidrología operativa. Las tareas regionales de los proyectos del PHRH se llevan a cabo principalmente por intermedio de los seis grupos de trabajo de hidrología de las seis Asociaciones Regionales de la OMM. El PHRH contribuye con numerosos programas, o está relacionado con ellos, como los de la UNESCO, el PNUMA, la OMS, la FAO y las Comisiones Económicas Regionales de las Naciones Unidas. Como la OMM desempeña una función rectora en materia de riesgos naturales, como ciclones, inundaciones y sequías, se pidió a la Organización que participara ampliamente en el Decenio Internacional de las Naciones Unidas para la Reducción de los Desastres Naturales (DIRDN, 1990-1999) [6]. 2.1.2 Organización del Programa El PHRH, uno de los principales Programas de la OMM, tiene tres componentes que se complementan mutuamente: Programa de Hidrología Operativa (PHO) — Sistemas Básicos • Este componente se limita a la organización básica, al funcionamiento y al fortalecimiento de los Servicios Hidrológicos; incluye la creación, la comparación, la normalización y el perfeccionamiento de instrumentos y métodos hidrológicos para la concentración y el almacenamiento de información sobre los recursos hídricos (cantidad y calidad del agua superficial y subterránea), y el desarrollo de los recursos humanos. El Sistema de Hidrología Operativa para Fines Múltiples (HOMS) (sección 2.3) proporciona el apoyo necesario para la transferencia de tecnología. Programa de Hidrología Operativa — Aplicaciones y Medio Ambiente • Este componente agrupa las actividades hidrológicas de apoyo al desarrollo y la gestión de los recursos hídricos, incluida la modelización y la predicción hidrológicas, y el suministro de datos para una variedad de proyectos, como para los de la protección del medio ambiente. Aporta una contribución a los diversos programas de meteorología y climatología de la OMM, como el Programa de Ciclones Tropicales y el Programa Mundial sobre el Clima.
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CAPÍTULO 2
Programa sobre cuestiones relacionadas con el agua • Este componente contribuye con los programas internacionales de otros órganos dentro del marco del sistema de las Naciones Unidas (capítulo 5), y con los de las organizaciones intergubernamentales y no gubernamentales a través de una coordinación y colaboración interorganismos en actividades hídricas, como proyectos regionales asociados con grandes cuencas fluviales internacionales. El futuro desarrollo del PHRH se establece en los sucesivos Planes a Largo Plazo de la OMM [3], aprobados por el Congreso de la Organización. El programa regular de la OMM abarca un período financiero de cuatro años para realizar actividades en el marco del PHRH. 2.1.3 Aplicación del Programa El Programa de Hidrología Operativa (PHO) se planifica y ejecuta bajo los auspicios de la Comisión de Hidrología (CHi) de la OMM. Se pone en práctica, principalmente, a través de un sistema de grupos de trabajo y ponentes individuales, que abordan cuestiones concretas de la hidrología operativa pertinentes a sus especializaciones, al celebrar reuniones técnicas y simposios, y organizar cursos de formación. Se diseñan proyectos específicos para investigar y comparar tecnologías, como las relativas a instrumentos, modelos de predicciones y técnicas de diseño de redes. Los resultados de los proyectos se publican sobre todo en las series de informes de hidrología operativa de la OMM. La parte básica de ésta y otras actividades se resume en esta Guía de Prácticas Hidrológicas, que proporciona directrices para cuestiones fundamentales sobre una amplia gama de condiciones climáticas y de terreno. El Volumen III (Hidrología) del Reglamento Técnico de la OMM [2] (vea también el capítulo 4) contiene las prácticas normalizadas adoptadas. Las seis asociaciones regionales de la OMM establecen también grupos de trabajo de hidrología para trabajar sobre algunas cuestiones relativas al PHRH y problemas hidrológicos de sus respectivas Regiones, como: a) encuestas sobre la efectividad de las redes de estaciones hidrológicas, de transmisión de datos hidrológicos y de sus mecanismos de proceso, de bancos de datos, y de predicción hidrológica; b) aplicación de las normas de la OMM y prácticas recomendadas en hidrología; c) desarrollo y fomento del Sistema de Hidrología Operativa para Fines Múltiples (HOMS); d) contribuciones a proyectos bajo el Programa Mundial sobre el Clima – Agua. El Sistema de Hidrología Operativa para Fines Múltiples (HOMS) es un sistema de transferencia de tecnología para la hidrología operativa, establecido en 1981 en el marco del PHO. Su objetivo es asistir a los hidrólogos, principalmente de los países en desarrollo, suministrándoles una tecnología apropiada y moderna para ayudarlos a resolver sus problemas hidrológicos. La sección 2.3 contiene una descripción del HOMS.
ACTIVIDADES DE LA OMM RELACIONADAS CON EL AGUA
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Se han establecido dos bases de datos informatizadas como parte del PHRH, a saber: a) el Servicio de referencias e información sobre datos hidrológicos (INFOHYDRO), que contiene información sobre institutos hidrológicos nacionales y regionales, las redes y los bancos de datos de los Miembros de la OMM; b) el Centro Mundial de Datos de Escorrentía (CMDE), en el Instituto Federal de Hidrología (Coblenza, Alemania), que tiene el registro de caudales diarios y mensuales de estaciones seleccionadas de más de 100 países. Estas bases de datos son actualizadas periódicamente, y se publica la información más importante. La sección 2.2 contiene información más detallada sobre estas bases de datos. 2.1.4 Desarrollo de los recursos humanos La formación profesional en hidrología se puede impartir en el lugar de trabajo o en instituciones educativas, en los cursillos, seminarios o, durante los cortos períodos de estancia de expertos. La OMM otorga becas de estudio en hidrología operativa y organiza cursos de formación en esta materia. Asimismo, prepara y publica textos de orientación y de formación relativos a la hidrología. Muchas de las actividades de apoyo de la Organización a la formación se realizan con la colaboración de la UNESCO. En la sección 2.4 se describe la formación en hidrología. 2.1.5 Cooperación Técnica El objetivo del Programa de Cooperación Técnica de la OMM es asistir a los Miembros en el desarrollo de sus capacidades y autosuficiencia para que los Servicios Hidrológicos y Meteorológicos puedan contribuir efectivamente al desarrollo socioeconómico. En la actualidad, la cooperación técnica se basa en tres fuentes principales de apoyo y, en menor medida, en las actividades del HOMS: a) Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD); b) Programa de Cooperación Voluntaria (PCV) de la OMM. Los países solicitan asistencia de diversos tipos y los distintos donantes aceptan dar su apoyo a las solicitudes que desean financiar (el PCV fue recientemente expandido a hidrología y recursos hídricos); y c) acuerdos de fondos fiduciarios, mediante los cuales los países donantes proporcionan ayuda a proyectos concretos. Otras fuentes de fondos, como el Banco Mundial, bancos y fondos de desarrollo regional, y grupos económicos como la Comunidad para el Desarrollo de África Meridional (SADC), aumentan la asistencia prestada. Los fondos de cooperación técnica, asignados en el presupuesto ordinario de la OMM, son muy limitados, y se utilizan casi exclusivamente para la enseñanza y las becas de formación profesional.
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CAPÍTULO 2
En promedio, se asigna el 40 por ciento de los gastos anuales en asistencia técnica de la OMM a la hidrología y la hidrometeorología. Se ofrecen servicios sectoriales de asesoramiento en hidrología a las oficinas de representación del PNUD y a los Miembros de la OMM que lo soliciten. 2.2 2.2.1
Bases de datos internacionales
Servicio de referencias e información sobre datos hidrológicos (INFOHYDRO) El Servicio de referencias e información sobre datos hidrológicos (INFOHYDRO) es un servicio encargado de la difusión de información sobre: a) las organizaciones nacionales e internacionales (gubernamentales y no gubernamentales), instituciones y organismos relacionados con la hidrología; b) las actividades hidrológicas y conexas que realizan los organismos mencionados en a); c) las principales cuencas fluviales y lacustres internacionales del mundo; d) las redes de estaciones de observación hidrológica de los Miembros de la OMM: número de estaciones y períodos de registros; e) los bancos de datos hidrológicos nacionales: sistemas de recopilación, proceso y archivo de datos; f) los bancos de datos internacionales relacionados con la hidrología y los recursos hídricos. INFOHYDRO, como base de datos, no contiene o maneja datos hidrológicos, ni duplica los sistemas de referencias nacionales. Está diseñado para facilitar la rápida difusión de información hidrológica actualizada a los países Miembros, en particular, para el beneficio de sus expertos, órganos, y empresas encargados de la evaluación, el desarrollo y la gestión de los recursos hídricos que requieren el apoyo de instituciones nacionales, regionales e internacionales relacionadas con la hidrología operativa. La información disponible en INFOHYDRO ofrece una buena indicación de las actividades de evaluación de los recursos hídricos que realizan los países Miembros. El Manual INFOHYDRO [7] contiene información sobre toda la base de datos y su funcionamiento. Contiene, asimismo, toda la información hidrológica disponible actualmente en INFOHYDRO. Así pues, el Manual abarca, en un solo volumen, información completa sobre los Servicios Hidrológicos de todos los países y de sus actividades de recopilación de datos. INFOHYDRO se utiliza como una base de datos informatizada y los datos se pueden suministrar en disquetes. La información se envía a un país o una Región de la OMM y se refiere a los elementos antes descritos en los apartados a) a e). Las solicitudes se deben dirigir a la OMM.
ACTIVIDADES DE LA OMM RELACIONADAS CON EL AGUA
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2.2.2 Centro Mundial de Datos de Escorrentía (CMDE) El 1º de mayo de 1987, se estableció el Centro Mundial de Datos de Escorrentía (CMDE) en el Instituto Federal de Hidrología, en Coblenza (Alemania), bajo los auspicios de la OMM. El CMDE funciona para el beneficio de los Miembros de la OMM y de la comunidad científica internacional. Proporciona un mecanismo para el intercambio internacional de datos relativos a los caudales fluviales y a la escorrentía de aguas superficiales durante períodos continuos y a largo plazo. El CMDE recibe datos de muchas fuentes, principalmente a través de la OMM. Todos los datos archivados en el CMDE están a la disposición de los usuarios. Al mes de noviembre de 1991, el banco de datos del CMDE contenía datos de caudales de 2 930 estaciones de 131 países. Se disponía de datos completos de caudales diarios de 1 478 estaciones, así como de datos parciales de caudales diarios para la creación de otras 186 series de datos; 1 266 estaciones suministraban datos mensuales de caudales. El centro del banco de datos está compuesto de los datos diarios de caudales procedentes de 1 237 estaciones de 75 países que anteriormente recopilaba la OMM en el marco del Programa de Investigación de la Atmósfera Global (GARP), de la OMM/CIUC, para utilizarlos en la validación de los modelos de circulación general (MCG) de la atmósfera, y luego en el Programa Mundial sobre el Clima (PMC). El primer año disponible para este grupo de datos fue 1978 y existen datos hasta 1980 de casi todas las estaciones. Los datos de 40 países también están disponibles hasta 1982-1983 y de Australia se tiene datos hasta 1984-1985. Esta base de datos se actualiza periódicamente. Las estaciones han sido seleccionadas según los siguientes criterios: a) distribución geográfica nacional uniforme (de conformidad con las normas de la red), con con mayores densidades en zonas donde el caudal presenta variaciones rápidas; b) cobertura, en la medida de lo posible, de cada tipo de región hidrológica homogénea de cada país; c) cuencas fluviales relativamente pequeñas (hasta alrededor de 5 000 Km2, y en algunos casos excepcionales hasta 10 000 Km2); d) datos de caudales que representan el caudal natural del río, es decir que se debieron corregir porque la desviación, abstracción, o redistribución por almacenamiento de agua es muy importante; y e) registros de muy buena calidad. El CMDE ha establecido una serie de programas para ofrecer al usuario un grupo de opciones de selección para que los datos y la información sean más accesibles. Se disponen actualmente las siguientes opciones para la obtención de datos: tablas de caudales medios diarios o mensuales; hidrogramas de caudales medios diarios o
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CAPÍTULO 2
mensuales, tablas o curvas de duración de caudales; información sobre estaciones y cuencas. Las solicitudes de datos pueden hacerse a través de comunicaciones escritas o por medio de visitas personales al CMDE en Coblenza. Se deben asignar contribuciones para poder cubrir los gastos del servicio prestado a los usuarios (por ejemplo, el precio de cintas o disquetes, gastos de manejo y transporte). Se puede eximir de este pago a las personas o instituciones que contribuyen con datos al CMDE. Servicio mundial de referencias e información sobre datos climáticos (INFOCLIMA) El Servicio mundial de referencias e información sobre datos climáticos (INFOCLIMA) se ocupa de la recopilación y difusión de información sobre la existencia y disponibilidad de datos sobre el clima mundial. La información consiste sobre todo en: a) descripciones de las series de datos disponibles, que conservan los centros y/o se han publicado; b) redes de estaciones climatológicas y radiométricas del mundo y su historia; c) bancos de datos climatológicos nacionales, con el sistema de recopilación, proceso y archivo de los datos. La OMM pone en marcha el servicio mundial INFOCLIMA a través del Programa Mundial sobre el Clima. La información de INFOCLIMA procede de los países Miembros de la OMM; y las series de datos son también contribuciones de centros individuales de datos y de organizaciones internacionales. INFOCLIMA no dispone de datos climáticos reales sino que proporciona información sobre la existencia y la disponibilidad de los datos climatológicos a nivel mundial. Se mantiene como una banco de datos informatizado. El catálogo de INFOCLIMA contiene descripciones de series de datos preparadas con un sistema de recopilación o un programa de proceso de datos. La información sobre los grupos de datos que suministran los Miembros o los centros internacionales se editan e introducen en la base de datos informatizada de INFOCLIMA en un formato normalizado, después de la verificación realizada con los centros concernidos. Se podrán obtener, previa solicitud, copias en cintas de grabación o disquetes de una parte de la base de datos. Por razones prácticas, los datos climatológicos se han dividido en un número de categorías: datos de alta atmósfera; datos climatológicos en superficie, datos sobre radiación (en superficie); datos marítimos y oceánicos, datos de la criosfera, datos sobre la composición atmosférica, datos hidrológicos, y datos históricos y representativos. Se puede obtener gratuitamente, previa solicitud a la OMM, un ejemplar del catálogo completo [8], o un resumen de los datos hidrológicos. 2.2.3
ACTIVIDADES DE LA OMM RELACIONADAS CON EL AGUA
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2.3 Sistema de Hidrología Operativa para Fines Múltiples (HOMS) En los ú1timos decenios se han hecho substanciales progresos en la ciencia de la hidrología y en la tecnología y, se han aportado importantes contribuciones en el desarrollo y la gestión de los recursos hídricos. El sistema de transferencia de tecnología HOMS, creado por la OMM y en funcionamiento desde 1981, ofrece un medio sencillo pero efectivo de difusión de una amplia gama de técnicas probadas destinadas al uso de los hidrólogos. 2.3.1 Estructura del HOMS El HOMS transfiere tecnología hidrológica en forma de componentes separados que pueden tener muchas formas: series de diseños para la construcción (o manuales de instrucción) de equipos hidrológicos, informes para describir una amplia variedad de procedimientos hidrológicos, y programas informáticos, que cubren el proceso, control de calidad y archivo de datos hidrológicos, así como la modelización y el análisis de los datos procesados. Existen unos 400 componentes disponibles cuyos autores los utilizan operativamente, garantizando así que cada componente es útil y realmente funciona. Hasta la fecha, 35 países han suministrado componentes al HOMS; cada uno tiene una descripción resumida de dos páginas, escrita en un formato modelo, con información sobre el contenido y las aplicaciones del componente, junto con detalles del autor y del apoyo disponible. Estas descripciones están recabadas en el Manual de Referencia del HOMS (MRH) [9], y cada país participante del HOMS posee una copia del mismo. El Manual está dividido en secciones y subsecciones sobre la base del tema tratado (véase la tabla 2.1), y los componentes están codificados de acuerdo al tema y a su complejidad. Al inicio de las secciones de esta Guía se hace referencia al HOMS; el MRH contiene también un sistema completo de referencia a la Guía. Los componentes del HOMS se pueden agrupar en secuencias de componentes compatibles que podrían utilizarse para llevar a cabo tareas más complejas. Las secuencias también proporcionan un medio de acceder al componente o los componentes necesarios para realizar una tarea en particular. 2.3.2 Organización y funcionamiento del HOMS La organización del HOMS se basa en un esfuerzo cooperativo de los Miembros de la OMM, con alrededor de 117 países participantes (febrero 1994). Cada país participante designa un Centro Nacional de Referencia del HOMS (CNRH), que generalmente forma parte del Servicio Hidrológico Nacional. Se han establecido también centros de coordinación regionales para determinadas zonas. Las funciones de un CNRH son: a) proporcionar componentes y secuencias nacionales adecuados para el uso en el HOMS;
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CAPÍTULO 2
TABLA 2.1 Secciones y subsecciones del HOMS Sección A Política, planificación y organización Sección B Diseño de redes Sección C C00 C05 C06 C09 C10 C12 C14 C16 C21 C25 C26 C27 C30 C33 C35 C37 C39 C41 C43 C45 C46 C48 C52 C53 C55 C56 C58 C60 C62 C65 C67 C71 C73 C79 C85
Instrumentos y equipos Generalidades Calidad del agua, instrumentos de control de varias variables Temperatura del agua Carga de sedimentos Carga en suspensión Arrastre de fondo Carga de lavado Calidad química Calidad biológica Datos meteorológicos generales; estaciones climatológicas y meteorológicas Precipitación, generalidades Precipitación, pluviómetros manuales y totalizadores Precipitación, pluviógrafos y pluviómetros telemétricos Precipitación, medición por radar Temperatura del aire Temperatura del suelo Humedad Horas de luz solar Radiación solar Evaporación, generalidades Evaporación, tanques Evaporación, lisímetros Dirección y velocidad del viento Nieve, espesor de manto, equivalente en agua Humedad del suelo, generalidades Humedad del suelo, muestreadores de suelo Humedad del suelo, métodos nucleares Humedad del suelo, métodos eléctricos Humedad del suelo, tensiómetro Agua subterránea, nivel Agua subterránea, sensores para perforación Nivel o altura del agua Caudal, canal aforador, vertedero, métodos ultrasónicos, y electromagnéticos Velocidad del agua, molinetes hidrométricos o flotadores Aforo de río, generalidades
ACTIVIDADES DE LA OMM RELACIONADAS CON EL AGUA
Tabla 2.1 (continuación) C86 C88 C90 C92
Aforo de río, teleféricos Aforo de río, grúas, puentes y pasarelas, malacates y tornos Aforo de ríos, equipos para usar en botes Mediciones de hielo
Sección D Teledetección Sección E E00 E05 E09 E25 E53 E55 E65 E70 E71 E73 E79 E85 E88
Métodos de observación Generalidades Calidad del agua Sedimentos Observaciones meteorológicas aplicadas a la hidrología Nieve y hielo, glaciología Humedad del suelo Agua subterránea Agua superficial, nivel y flujo Nivel del agua Medición del caudal, aforo por dilución Medición de velocidad, uso de molinetes hidrométricos Medición de características hidrológicas a partir de mapas Estudios de reconocimiento
Sección F
Transmisión de datos
Sección G G00 G05 G06 G08 G10
Archivo, recuperación y difusión de datos Generalidades Normas, manuales y recomendaciones Sistemas de almacenamiento de datos hidrológicos en general Sistemas de almacenamiento de datos de agua superficial o de ríos Sistemas de almacenamiento de datos de agua subterránea: niveles, química del agua, rendimiento hídrico de pozos y flujos Sistemas de almacenamiento de datos meteorológicos Sistemas de almacenamiento de datos de calidad del agua Programas para tabulación de datos hidrológicos en general Anuarios hidrológicos Sistemas de difusión de información o datos Transferencia de datos entre autoridades, normas, recomendaciones, manuales y métodos de codificación Transferencia de datos entre autoridades, programas para la verificación de las normas en G40
G12 G14 G20 G25 G30 G40 G42
Sección H Proceso de datos primarios H00 Sistemas de proceso de diversos tipos de datos H05 Datos generales de calidad del agua
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CAPÍTULO 2
Tabla 2.1 (continuación) H06 H09 H16 H21 H25 H26 H33 H35 H39 H41 H45 H52 H53 H55 H65 H70 H71 H73 H76 H79 H83 Sección I I00 I05 I06 I09 I25 I26 I36 I41 I45 I50 I53 I55 I60 I65
Datos de temperatura del agua Datos de transporte de sedimentos Datos de calidad química Datos de calidad biológica Datos meteorológicos generales para uso en hidrología Datos de precipitación, obtenidos por medio de diversos procedimientos, excepto radar Datos de precipitación obtenidos por radar, incluyendo calibración por comparación con escalas telemétricas Datos de temperatura del aire Datos de humedad del aire Datos solares, horas de luz solar o radiación Datos de evaporación Datos de viento Datos de nieve y hielo, capa de nieve, espesor y equivalente en agua Datos de humedad del suelo Datos de agua subterránea Agua superficial (nivel y flujo) en general Datos de nivel del agua, nivel de río, niveles de lagos o embalses Datos de caudal, todo tipo Deducción de curvas de caudales, conversión de nivel en caudal por medio de curvas de caudales Datos de velocidad del agua, cálculo del caudal a partir de mediciones de velocidad en puntos Procesamiento de la información histórica sobre crecidas Proceso secundario de datos Generalidades Datos generales de calidad del agua Datos de temperatura del agua (incluyendo el fenómeno de hielo en ríos) Datos de transporte de sedimentos Datos meteorológicos generales para el uso en hidrología Datos de precipitación Contaminación aerotransportada Datos solares, horas de luz solar o radiación Evaporación, generalidades Evaporación, cálculo a partir de mediciones meteorológicas Datos de nieve Datos de humedad del suelo Balance hídrico Niveles de agua subterránea
ACTIVIDADES DE LA OMM RELACIONADAS CON EL AGUA
Tabla 2.1 (continuación) I71 I73 I80 I81
Datos de niveles de agua Datos de caudal Cauces menores Crecidas y análisis de frecuencia de crecidas
Sección J J04
Modelos de predicción hidrológica Predicción de flujos de corriente a partir de datos hidrometeorológicos Tránsito de flujos de corriente a efectos de predicción Modelos combinados de predicción y de tránsito de flujos de corriente Predicción de flujos estacionales Predicción de caudales de estiajes Predicción de la humedad del suelo Predicción de hielo Predicción de la temperatura del agua superficial Predicción de calidad del agua superficial Predicción del aporte de sedimentos Análisis del rendimiento de modelos
J10 J15 J22 J28 J32 J45 J54 J55 J65 J80
Sección K Análisis hidrológicos para la planificación y diseño de estructuras hidráulicas y sistemas de recursos hídricos K10 Análisis regionales K15 Estudios de crecidas en lugares específicos K22 Modelos de simulación lluvia-escorrentía K35 Simulación y tránsito de flujos de corriente K45 Tránsito a través de embalses y lagos K54 Estudios de temperatura del agua K55 Estudios de calidad del agua K65 Estudios de sedimentos K70 Evaluación económica de proyectos de recursos hídricos e inundaciones K75 Políticas de diseño y de explotación de embalses Sección L L10 L20 L22 L30
Aguas subterráneas Análisis de datos de pozos y sondeos Modelos de simulación de acuíferos Calibración y verificación de modelos de agua subterránea Predicción de agua subterránea
Sección X Cálculos matemáticos y estadísticos Sección Y Material auxiliar para la formación en hidrología operativa
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CAPÍTULO 2
b) procesar las solicitudes de componentes nacionales procedentes de otros CNRH; c) obtener componentes del extranjero para los usuarios nacionales; y d) llevar el HOMS a la atención de usuarios potenciales del país, y ayudar en la selección y el uso de componentes apropiados. Las actividades internacionales del HOMS son supervisadas y coordinadas por un comité directivo que actúa dentro del marco de la Comisión de Hidrología de la OMM. La oficina del HOMS, ubicado en la Secretaría de la OMM, actualiza la información de los CNRH mediante el suministro de suplementos del Manual de Referencia, que contienen detalles de los nuevos componentes, y la publicación del Boletín sobre las actividades del HOMS. Los hidrólogos, que desean utilizar componentes HOMS, deben dirigirse al CNRH de su país, donde podrán consultar el Manual de Referencia del HOMS [9]. El CNRH podrá además aconsejar sobre la selección del componente. Una vez que se decide cuáles son los componentes necesarios, el CNRH envía las solicitudes oficiales a los CNRH concernidos. En la oficina del HOMS se lleva un registro de las solicitudes y, si procede, se ayuda a completar los trámites administrativos. En un principio, el objetivo del HOMS era la transferencia gratuita de tecnología en todos los ámbitos de la hidrología. Sin embargo, algunos programas informáticos tienen un origen comercial y, en consecuencia, se debe pagar su adquisición. En el caso de la transferencia a países en desarrollo, los fondos necesarios a veces se pueden obtener por intermedio de instituciones financieras internacionales o bilaterales y algunos CNRH han concertado acuerdos con los organismos financieros de sus respectivos países para financiar la transferencia de componentes. 2.4 Formación en hidrología La mayoría de los Servicios Hidrológicos reconocen tres categorías de personal: hidrólogos profesionales, técnicos en hidrología y observadores hidrológicos. Las Directivas de la OMM de orientación profesional del personal de meteorología e hidrología operativa [10] definen tres categorías: a) hidrólogos profesionales: personal con grado universitario en ingeniería civil, ingeniería agrícola, minas, geología o geofísica o equivalente, que se ha especializado luego en hidrología o en otros campos relacionados con las ciencias del agua. Sus trabajos y actividades pueden abarcar desde la gestión de los servicios hidrológicos hasta la investigación y la enseñanza pudiendo incluir el diseño hidrológico de proyectos de recursos hídricos y el análisis de datos hidrológicos; b) técnicos en hidrología: el personal de esta categoría puede dividirse en dos grupos: i) los que cuentan con 12 a 14 años de enseñanza primaria, secundaria y suplementaria, incluida la especialización en una de las actividades hidrológicas; y ii) los que cuentan con 10 años de enseñanza primaria y secundaria más una formación profesional hidrológica técnica.
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ACTIVIDADES DE LA OMM RELACIONADAS CON EL AGUA
TABLA 2.2 Necesidades de personal para la concentración, el proceso y el análisis de datos de aguas superficiales Número de miembros del personal por 100 estaciones Sector Profesionales
I Estaciones hidrométricas Actividades sobre el y mantenimiento Proceso, análisis e interpretación de datos Supervisión Subtotal II Estaciones pluviómétricas y evaporimétricas Actividades sobre el terreno y mantenimiento Proceso, análisis e interpretación de datos Supervisión Subtotal
Técnicos Técnicos Observadores superiores
1
5
5
100
2
3
3
-
0,5 3,5
8
8
100
0,5
2
2
100
1
2
2
-
0,25 1,75
4
4
100
Fuente: Organización Meteorológica Mundial, 1984: Directrices de orientación profesional del personal en meteorología e hidrología operativa, OMM – Nº 258, Ginebra. Notas: 1. Muchos observadores trabajan a tiempo parcial. 2. A menudo, el mismo personal que trabaja sobre el terreno realiza las tareas previstas para los sectores I y II. 3. Las características topográficas e hidrográficas y la facilidad de acceso, condicionan las necesidades de mano de obra sobre el terreno y de mantenimiento, razón por la cual las cifras indicadas se ajustarán convenientemente a cada situación.
22
CAPÍTULO 2
El personal del primer grupo se denominan técnicos superiores y los del segundo grupo, técnicos. Sus funciones incluyen la asistencia a hidrólogos profesionales y la supervisión de los trabajos de observadores hidrológicos. Más específicamente, llevan a cabo tareas, como mediciones especiales, concentración y proceso de datos, instalación de equipos hidrológicos y formación de observadores hidrológicos. c) observadores hidrológicos: la enseñanza básica de esta categoría es de nueve años de educación primaria y secundaria, como mínimo, complementada con una formación técnica en uno de los campos de las actividades hidrológicas. Sus funciones incluyen efectuar observaciones, tener registros y mantener los instrumentos menos complejos instalados en las estaciones a las que están destinados. La OMM y la UNESCO también han formulado recomendaciones sobre el número de miembros necesario para las categorías antes mencionadas en función del tamaño de la red de observaciones. En la tabla 2.2, tomada de la publicación de la OMM/UNESCO, Evaluación de los Recursos Hídricos; Manual para un estudio de apreciación de las actividades nacionales [11], figura el número de miembros requerido según la categoría por cada 100 estaciones hidrométricas y pluviométricas/ evaporimétricas. Para el uso de esta tabla cabe señalar que la mayoría de los observadores se podrían considerar trabajadores a tiempo parcial o voluntarios, en ese caso no forman parte del personal a tiempo completo del servicio hidrológico. Sin embargo, esta clase de personal necesita formación profesional, y los números indicados constituyen una estimación del volumen de formación profesional que se debe impartir en este caso. La publicación titulada Directivas de orientación profesional del personal de meteorología e hidrología operativa [10], contiene en detalle los planes de estudio para el personal de estas categorías. Los observadores hidrológicos reciben una amplia formación sobre su trabajo, mientras que los técnicos tienen una capacitación técnica formal tras finalizar la secundaria, así como los conocimientos prácticos adquiridos en el curso de su labor. Por otra parte, los profesionales en hidrología se graduan en universidades. Como las carreras universitarias pocas veces se especializan en hidrología, el grado universitario es en ingeniería civil, ciencias ambientales, geografía, ciencias (especialmente una de las geociencias), agricultura o en una materia similar. Muchos profesionales en hidrología también estudian para obtener título de postgrado o de maestría y, a ese nivel, se dispone de más cursos especializados en hidrología o en recursos hídricos. En algunas universidades e instituciones similares se han establecido, con el patrocinio de la UNESCO, cursos internacionales de postgrado en hidrología. La UNESCO ofrece información detallada al respecto. La OMM ofrece ayuda para la formación, y en especial para hidrólogos profesionales. En cuanto al personal de nivel superior, la ayuda de la Organización está
ACTIVIDADES DE LA OMM RELACIONADAS CON EL AGUA
23
dirigida, en general, a la formación de instructores. Se organizan cursos de corta duración sobre determinados aspectos de hidrología operativa para hidrólogos profesionales, cuando los fondos lo permiten; con frecuencia, estos cursos se organizan para una Región en particular de la OMM. Se envía información más detallada sobre los cursos programados a los servicios meteorológicos e hidrológicos de los países Miembros. Asimismo, los Miembros preparan cursos de corta duración e invitan a otros Miembros a que participen en dichos cursos. Todos los proyectos de cooperación técnica de la OMM tienen un componente de formación profesional y, en el caso de los proyectos regionales, la formación puede constituir una parte muy importante del proyecto La OMM también proporciona un número limitado de becas para la formación y, sobre todo, cuando se trata de cursos reconocidos internacionalmente como los patrocinados por la UNESCO. Las becas pueden solicitarse a través del Representante Permanente ante la OMM del país del aspirante.
Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1991: Documentos Fundamentales, Nº 1, OMM–Nº 15, Ginebra. 2. Organización Meteorológica Mundial, 1988: Reglamento Técnico. Volumen III, Hidrología, OMM–Nº 49, Ginebra. 3. Organización Meteorológica Mundial, 1992: Tercer Plan a Largo Plazo. Parte II, Volumen V, Programa de Hidrología y Recursos Hídricos de la OMM 1992-2001, OMM–Nº 765, Ginebra. 4. Naciones Unidas, 1977: Plan de Acción de Mar del Plata. Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Agua, Argentina. 5. Naciones Unidas, 1992: Conferencia Internacional sobre el Agua y el Medio Ambiente: El desarrollo en la perspectiva del Siglo XXI. 26–31 de enero de 1992, Dublín, Irlanda. 6. Naciones Unidas, 1989: Documentos oficiales de la Asamblea General, Cuadragésimo cuarto período de sesiones, Reuniones de la plenaria, Suplemento Nº 49 (A/44/49), Resolución 44/236, Decenio Internacional para la Reducción de los Desastres Naturales. 7. Organización Meteorológica Mundial, 1987: Servico de Referencias e Información sobre Datos Hidrológicos — Manual INFOHYDRO. Informe de hidrología operativa Nº 28, OMM–Nº 683, Ginebra. 8. Organización Meteorológica Mundial, 1989: Catálogo de registro de datos sobre el sistema climático. Resumen de los datos hidrológicos. PMDC–8, OMM/DT–Nº 343, Ginebra.
24
CAPÍTULO 2
9. Organización Meteorológica Mundial, 1988: Manual de Referencias del Sistema de Hidrología Operativa para Fines Múltiples (HOMS). Segunda edición, Ginebra. 10. Organización Meteorológica Mundial, 1984: Directivas de orientación profesional del personal de meteorología e hidrología operativa. Tercera edición, OMM–Nº 258, Ginebra. 11. Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura/ Organización Meteorológica Mundial, 1993: Evaluación de los recursos hídricos. Manual para un estudio de apreciación de las actividades nacionales.
CAPÍTULO 3 SERVICIOS HIDROLÓGICOS
3.1 Funciones de los Servicios Hidrológicos Para alcanzar el desarrollo socioeconómico de un país y conservar la calidad del medio ambiente, se requiere una información exacta sobre la condición y la evolución de los recursos hídricos (aguas superficiales y subterráneas, así como cantidad y calidad). Los usos de la información sobre los recursos hídricos son muchos y variados: casi todos los sectores de la economía de un país utilizan información hidrológica en la planificación, el desarrollo y los objetivos prácticos. El agua es un recurso de valor inestimable para todas las naciones, y a medida que aumenta la competencia por el agua, aumenta la utilidad de la información hidrológica. Como se debe justificar adecuadamente el costo de los programas gubernamentales, es importante demostrar los beneficios de la información hidrológica [1]. Se han sido citado proporciones de costo-beneficio de hasta 40 a 1, o sea que el valor de la información equivale a cuarenta veces el costo de la recopilación. Sin embargo, es más factible que la relación de costo-beneficio sea de 5 a 10 habiéndose obtenido valores de 9,3 y 6,4 en estudios realizados en Canadá y Australia, respectivamente [2,3]. Sin tener en cuenta los valores numéricos reales, los responsables nacionales de la gestión de los recursos hídricos están de acuerdo en afirmar que la información hidrológica es una actividad rentable y un requisito previo para la gestión sensata de los recursos hídricos. 3.1.1 Usos de la información hidrológica La misión principal de un servicio hidrológico, o de un organismo equivalente, es suministrar información a los decisores sobre el estado y la evolución de los recursos hídricos del país. Dicha información puede ser necesaria para: a) la evaluación de los recursos hídricos de un país (cantidad, calidad, distribución temporal y espacial), el potencial para el desarrollo de este recurso y la capacidad de satisfacer la demanda actual y futura; b) la planificación, el diseño y la ejecución de proyectos hídricos; c) la evaluación de los efectos ambientales, económicos y sociales de las prácticas de gestión, actuales o previstas, de los recursos hídricos, así como la adopción de políticas y estrategias adecuadas;
26
CAPÍTULO 3
d) la evaluación de las repercusiones en los recursos hídricos de las actividades de otros sectores, como la urbanización o la explotación forestal; o e) la seguridad de personas y bienes frente a los riesgos relacionados con el agua, en particular las inundaciones y las sequías. En general, un Servicio Hidrológico suministra la información necesaria para la evaluación de los recursos hídricos, que se define [4,5] como: la determinación de las fuentes, la extensión, la fiabilidad y calidad de los recursos hídricos, sobre la que se basa una evaluación de las posibilidades en materia de utilización y control.
Gracias a la creciente preocupación por cuestiones como el cambio climático global y el impacto del desarrollo urbano en el medio ambiente, es cada vez mayor el énfasis puesto en la demanda de una información hidrológica fiable que sirva para establecer un desarrollo y una gestión sostenible de los recursos hídricos. Esto implica que la futuras generaciones, así como la nuestra, seguirán disfrutando del suministro de agua adecuado y asequible para que puedan satisfacer las necesidades sociales, ambientales y económicas. Un programa hidrométrico diseñado sólo para las necesidades específicas actuales sería inadecuado a largo plazo. 3.1.2 Funciones y responsabilidades de un Servicio Hidrológico Se puede necesitar información sobre los recursos hídricos de un lugar determinado, como el sitio previsto para un embalse, o de toda una región, por ejemplo, del trayecto completo de una futura autopista que atraviesa numerosos cursos de agua. En el primer caso, será más económico recopilar la información en el sitio elegido para construir el embalse o en la cuenca aguas arriba; dicha información se denomina de “uso específico”. En el segundo caso, no es práctico recoger información de cada río que se cruza. Se deben reunir datos generales de algunos sitios representativos de toda la región, y transferir esta información a otros lugares de los que no se tienen datos. Para lograrlo, se requiere una red básica de estaciones de observación. La característica principal de los datos obtenidos es que se podrán utilizar en diversas aplicaciones que se desconocen, son representativos del funcionamiento hidrológico de la región, y se deben recopilar según ciertas normas a fin de que otros usuarios puedan utilizarlos. Para satisfacer las diversas necesidades, un Servicio Hidrológico debe: a) establecer las necesidades de los usuarios actuales o futuros en materia de información sobre los recursos hídricos; b) determinar las normas (exactitud, precisión, frecuencia, disponibilidad, etc.) de los datos que se requieren para satisfacer esas necesidades; c) diseñar y establecer redes hidrométricas para medir los diferentes tipos de datos requeridos; se necesitan tanto redes de uso específico como redes básicas, que puedan ser complementarias, o incluso superponerse;
SERVICIOS HIDROLÓGICOS
27
d) establecer métodos para la transferencia de información desde los sitios de medición hasta otras localidades de la región en las que sea representativa; e) recoger datos y mantener el control de calidad del proceso de recopilación de datos mediante la inspección de los equipos y las prácticas de campo; f) procesar y archivar los datos y mantener un control en la calidad y seguridad de los datos archivados; g) facilitar a los usuarios el acceso a los datos, para los períodos, los lugares y de acuerdo con las características solicitadas, sobre todo: i) difusión de predicciones hidrológicas y alertas; ii) publicación de anuarios de datos básicos en papel, microfichas, o sistemas informatizados compatibles (CD-ROM, disquetes, etc.); iii) preparación de informes sobre los recursos hídricos, con un resumen de datos analizados; por ejemplo, la publicación de atlas hidrológicos o la creación de bases de datos en sistemas de información geográfica, la preparación de material informativo o didáctico para ser utilizados por el público en general, los medios de información y las escuelas; iv) información para el diseño de proyectos y en especial sobre las frecuencias de caudales extremos; h) informar a los usuarios potenciales de la información disponible y ayudarlos a hacer el mejor uso de ella; i) crear nuevas técnicas y realizar investigaciones sobre los procesos hidrológicos y conexos para ayudar al usuario a interpretar y comprender los datos; j) fomentar la formación continua del personal y otras actividades relacionadas con la calidad, como la preparación de manuales de instrucción e informes de evaluación de nuevos instrumentos; k) asegurar la coordinación con otros órganos que obtengan información relativa al agua o sobre otras cuestiones importantes como la hidrogeología, el uso del agua, la topografía, la utilización de la tierra o la información climática. La figura 3.1 contiene un organigrama simplificado sobre las actividades de un servicio hidrológico. El Servicio Hidrológico puede llevar a cabo estas funciones como un servicio para un cliente en particular, por ejemplo para una compañía de energía, quizá sobre la base de un contrato. Por otra parte, también puede funcionar como un servicio público, financiado con los fondos del régimen fiscal, porque se considera que sus productos son de utilidad pública. En todo caso, se debe conceder atención especial a la comunicación con los usuarios, para determinar las necesidades y garantizar que se puede acceder fácilmente a los productos del Servicio Hidrológico y que se utilizan en la mayor medida posible. Cada vez más, los recursos naturales se gestionan de manera global para lo cual es necesario disponer de una variedad de datos: hidrológicos, geológicos, topográficos, utilización de la tierra, socioeconómicos (por
CAPÍTULO 3
28
Diseño de redes de concentración de datos
Adquisición de datos
Concentración de datos
Transmisión de datos
Almacenamiento y proceso de datos
Proceso de datos
Análisis de datos
Preparación de datos operacionales y de datos de proyecto Toma de decisiones Información al público
Figura 3.1 – Actividades de un Servicio Hidrológico
29
SERVICIOS HIDROLÓGICOS
ejemplo, uso del agua) y otros. La rápida evolución de la tecnología informática facilita este proceso, pero con frecuencia supera la capacidad de las organizaciones de colaborar e intercambiar información. Tipos de datos requeridos 3.1.3 Se han propuesto muchas clasificaciones sobre los usos de la información hidrológica [6]. Los ámbitos de aplicación identificados por los Servicios Hidrológicos de Canadá, Australia y Estados Unidos [2,3,7] indican la diversidad de usos que existen sólo para los datos de caudal y señalan que los otros tipos de datos hidrológicos también tienen aplicaciones adicionales. En un nuevo enfoque de clasificación, la publicación de la UNESCO/ OMM Evaluación de los recursos hídricos. Manual para un estudio de apreciación de las actividades nacionales [3] distingue varios tipos de proyectos de recursos hídricos que requieren información hidrológica (sección 5.4). El Australian Water Resources Council [3] propone una organización similar basada en una definición más tradicional de los sectores de información hidrológica. Los principales elementos del sistema hidrológico que se deben examinar para realizar una evaluación básica de los recuros hídricos son: caudales afluentes, almacenamiento y caudales efluentes (figura 3.2). En muchos casos, se podrían necesitar otros tipos de datos, como los de los niveles de agua subterránea y la calidad del ALMACENAMIENTO
EFLUENTE
o su nt co n U so
po tra
iv
ns pi ra
or ac i Ev a
da
ta
ón
ci
ita
r po
im
ip ec
Ev ap
Pr
ua Ag
Embalses de superficie
ón ci
ón
de
na
tu
em
ra
l
ba
ls
e
AFLUENTE
Canales, lagos, estanques, humedales
C p su
o
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ga
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d au
l da au
C
R
Agua subterránea Afluente ± Variaciones en almacenamiento = Efluente
Figura 3.2 – Diagrama de los principales elementos de un sistema hidrológico necesarios para obtener el balance hídrico de una cuenta fluvial típica en una región subhúmeda
30
CAPÍTULO 3
agua, el uso del agua (consumo, caudales para riego, usos no consuntivos, como la demanda biológica de oxígeno (DBO) de los vertidos de residuo en un curso de agua, etc.) y los datos no hidrológicos, por ejemplo, la proporción de agua utilizada en actividades de recreación, el volumen de peces de río capturado, etc. Eso supone una amplia gama de datos e información sobre el agua que deben suministrar los Servicos Hidrológicos y órganos conexos. Los diferentes niveles de desarrollo socioeconómico, la fragilidad del medio ambiente natural debida a las actividades humanas y los elementos del entorno físico (clima, topografía, abundancia o escasez de agua, etc.) determinan el nivel de información requerida. Una estructura propuesta [4] recomienda el cambio de orientación ecológica a constructiva, y por último a una orientación de gestión de los recursos. En cada fase, se requieren diversos tipos de información, en función del número y de la clase de decisión que deben tomarse. En la primera fase, la sociedad se adapta al medio ambiente, que incluye el régimen hidrológico natural. En la segunda, los recursos hídricos son cada vez más explotados, pero siguen siendo abundantes en relación con la demanda. La toma de decisiones tiende a centrarse en los medios de explotación de los recursos mediante la construcción de embalses, redes de riego, etc. La principal información que se requiere es sobre la variabilidad espacial y temporal de los recursos hídricos. En la tercera fase, los recursos ya no son relativamente abundantes. Las actividades humanas influyen cada vez más (por lo general, en forma negativa) en el volumen y la calidad del recurso; la toma de decisiones se orienta más hacia la reglamentación de la demanda y la oferta para suministrar de manera más eficaz este valioso recurso entre los diversos usuarios. Por lo tanto, se requiere información no sólo sobre los recursos hídricos, sino también sobre el uso y las consecuencias de ese uso. Las posibles decisiones que deben tomarse aumentan en las tres fases, y la cantidad y el tipo de información que se requiere aumenta en la misma proporción. Esto supone una evolución progresiva del papel que desempeña el Servicios Hidrológico de un país determinado, y que los Servicios Hidrológicos en distintos países tengan necesidades muy diferentes. Sin embargo, la actividad fundamental de la mayoría de los Servicios Hidrológicos sin duda es suministrar información sobre la cantidad de agua: volumen, variabilidad anual y valores externos. La calidad del agua resulta cada vez más importante en numerosos países por diversas razones, como la importancia que tiene para el consumo (doméstico, industrial y agrícola), la explotación y la utilización de los cursos de agua (la pesca, la piscicultura y las actividades de recreación) y la preocupación ecológica (eutrofización de lagos, deterioro de los ecosistemas de agua dulce y los estuarios). 3.1.4 Predicción de fenómenos extremos en tiempo real En las secciones anteriores se destacó el papel que desempeñan los Servicios Hidrológicos en materia de evaluación de los recursos hídricos, para lo cual se deben
SERVICIOS HIDROLÓGICOS
31
recopilar datos constantemente y largo plazo, así como tener en cuenta las necesidades futuras y la gestión actual. No obstante, una de las tareas esenciales en numerosos países es suministrar predicciones y alertas de eventos hidrológicos extremos, sobre todo los riesgos de inundación, sequía, mareas de tormentas y avalancha. Muchos de estos fenómenos están vinculados a las características atmosféricas e hidrológicas, de manera que las predicciones se transmiten en cooperación con el Servicio Meteorológico Nacional. En general, dada la importancia social que reviste pronosticar dichos fenómenos, se establece una estrecha colaboración con otros institutos nacionales como el ministerio de defensa civil o la policía. Estas instituciones tienen la infraestructura necesaria para difundir la alerta, evacuar la población o prestar ayuda y asistencia en la reparación de daños. Si bien la información necesaria para suministrar predicciones y alertas puede ser muy similar a la requerida para evaluar los recursos hídricos (por ejemplo, intensidad de la precipitación, niveles de agua, etc.), en realidad los requisitos específicos son muy diferentes. Para la predicción, se requiere sobre todo que la información sea oportuna, fácil de comprender y exacta, de manera que se puedan tomar decisiones rápidas y con toda seguridad; en cambio, tiene menos importancia la alta precisión de la información, la constante recopilación de datos o la conformidad con métodos científicos de muestreo. La gran diferencia entre las necesidades de datos para evaluar los recursos y para elaborar predicciones y alertas puede ocasionar importantes problemas de orden práctico a un Servicio Hidrológico que debe cumplir ambas funciones y para lo cual necesitará otros instrumentos, sistemas de transmisión y procedimientos de difusión de datos. 3.2 Organización de los Servicios Hidrológicos y Meteorológicos La organización de los Servicios Hidrológicos varía mucho de un país a otro en función de factores como el sistema político y gubernamental, el tamaño del territorio, el estado de desarrollo económico, el ambiente físico, y las necesidades particulares de información del país. Como se indica en la sección 3.1.3, las necesidades de información cambian, lo cual implica que la forma más apropiada de organización para suministrar la información necesaria también cambia con el tiempo. Existen cuatro principales modelos de organización [6]: a) un Servicio Hidrológico y Meteorológico que depende del gobierno central; b) un Servicio Hidrológico autónomo, que forma parte de un departamento del gobierno central, y cuya principal responsabilidad es el agua; c) en ausencia de un Servicio Hidrológico, varios departamentos del gobierno central comparten la responsabilidad de la adquisición de información sobre los recursos hídricos y otros aspectos de la hidrología operativa; d) algunos aspectos de la hidrología operativa son responsabilidad de varios organismos especializados a nivel de un emplazamiento, una cuenca fluvial, de una región o de una provincia y, con mucha frecuencia, la coordinación a nivel del gobierno central.
32
CAPÍTULO 3
En algunos países existen varios de esos modos de organización. Recientemente, la tendencia ha sido la comercialización de los productos de institutos y Servicios Hidrológicos, pues los gobiernos les exigen que se orienten más hacia la satisfacción de las necesidades del mercado. De lo contrario, si el Servicio Hidrológico o el instituto se establece como parte del sector privado, el Estado y otros clientes adquieren los servicios de conformidad con los contratos concertados. En general, el Servicio Meteorológico Nacional suministra predicciones meteorológicas y una amplia gama de datos meteorológicos y climatológicos relacionados con el agua para la hidrología operativa. Con frecuencia, sin embargo, las redes de recopilación de datos que explotan los Servicios Meteorológicos están ubicadas en las zonas urbanas, y más concretamente en los aeropuertos debido a la estrecha relación que siempre ha existido entre la meteorología, la aviación y la ubicación de los observadores. Por lo tanto, los Servicios Hidrológicos, a nivel nacional, regional o local, han de complementar los datos procedentes de los Servicios Meteorológicos con los de sus redes de recopilación de datos. Asimismo, los pluviómetros telemétricos o estaciones de control de río están instalados en zonas no pobladas de las cabeceras de ríos para asegurar un sistema de alerta temprana de las inundaciones o completar las redes de recopilación de datos necesarios para la evaluación de los recursos hídricos de toda la cuenca. La historia del desarrollo de los recursos hídricos en numerosos países, para los cuales la principal preocupación fue la explotación con fines hidroeléctricos, de riego o el control de inundaciones, ha hecho que la hidrología y la evaluación de los recursos hídricos sea responsabilidad de departamentos gubernamentales, como el ministerio de energía o el de agricultura y pesca. En efecto, es frecuente que, varios de estos departamentos preparen sus propios programas de evaluación y explotación de recursos hídricos. En consecuencia, muchos de estos países tienen varias redes de recolección de datos y varios archivos hidrológicos. En esas circunstancias, los riesgos son múltiples: duplicación de esfuerzos, contradicción en las normas de recolección de datos, incompatibilidad de los sistemas de proceso y de archivo de datos, dificultades para utilizar todos los datos disponibles, o competencia en el uso de los recursos necesarios. Casi todos los países reconocen la necesidad de una coordinación de los organismos con responsabilidades en materia de agua, y muchos han establecido una estructura de coordinación a nivel del gobierno central. Existen ejemplos excelentes donde dicha coordinación ha funcionado muy bien, pero ello supone grandes esfuerzos en materia de comunicaciones y de trabajo. En otros países, estos acuerdos no han sido efectivos. Los ejemplos de coordinación con mayor posibilidad de éxito son los relativos a cuencas de ríos internacionales donde todos los países tienen un interés común en normalizar sus técnicas de adquisición de datos, en facilitar las comunicaciones, etc. En principio, la solución más eficaz sería que todas las actividades relativas al agua estén bajo la responsabilidad de un solo organismo. Sin embargo, en la práctica, los países con Servicios Hidrológicos fragmentados pueden evaluar y administrar los recursos hídricos
SERVICIOS HIDROLÓGICOS
33
tan eficazmente como otros con un servicio centralizado. Si bien hay una tendencia general a una coordinación o centralización de las funciones hidrológicas, algunos países han adoptado una actitud contraria al delegar tantas responsabilidades como fuera posible a nivel local. Lo esencial es llegar a evitar cualquier obstáculo o contratiempo a la transimisión de información entre proveedores y usuarios de datos. Los medios para lograrlo pueden variar según las diferentes circunstancias: un ministerio de recursos hídricos, un comité de coordinación interorganismos, un consejo de recursos hídricos con responsabilidad de supervisión nacional o los contactos diarios. Varias publicaciones [6, 8, 9] contienen ejemplos y consejos sobre los posibles tipos de organización de los Servicios Hidrológicos. Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1990: Economic and Social Benefits of Meteorological and Hydrological Services. Actas de la Conferencia Técnica, Ginebra, 26–30 de marzo de 1990, OMM–Nº 733, Ginebra. 2. Acres Consulting Services, 1977: Economic evaluation of hydrometric data. Report to the Department of Fisheries and Environment, Ottawa. 3. Australian Water Resources Council, 1988: The Importance of Surface Water Resources Data to Australia. Water Management Series 16, Australian Government Publishing Service, Canberra. 4. Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura/Organización Meteorológica Mundial, 1988: Evaluación de los recursos hídricos. Manual para un estudio de apreciación de las actividades nacionales. 5. Organización Meteorológica Mundial/Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura, 1991: Progress in the implementation of the Mar del Plata Action Plan and a strategy for the 1990s. Report on Water Resources Assessment. 6. Rodda, J. C. y Flanders, A. F., 1985: The Organization of Hydrological Services: Facets of Hydrology. Volumen 2, Capítulo 14, Wiley, Nueva York. 7. Fontaine, R. A., Moss, M. E., Smith, J. A. y Thomas, W. O., 1984: Cost effectiveness of the stream-gauging program in Maine: a prototype for nationwide implementation. U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 2244, Reston, Virginia. 8. Godwin, R. B., Foxworthy, B. L. y Vladimirov, V. A., 1990: Guidelines for water resource assessments of river basins. Technical Documents in Hydrology, IHP-III Project 9.2, UNESCO, París. 9. Organización Meteorológica Mundial, 1977: Casebook of Examples of Organization and Operation of Hydrological Services. Informe de hidrología operativa Nº 9, OMM–Nº 461, Ginebra.
CAPÍTULO 4 NORMAS Y REGLAS HIDROLÓGICAS
4.1 Unidades y símbolos Convendría normalizar las unidades y los símbolos utilizando las recomendaciones que figuran en las tablas 4.1 a 4.3 [1, 2]. Se mencionan también otras unidades y los factores de conversión comúnmente usados. Se ha hecho un esfuerzo para lograr que todos los símbolos y las unidades en esta Guía estén contemplados dentro de estas tablas. 4.2 Prácticas y procedimientos recomendados La uniformidad y la normalización, cuando proceda, de las prácticas y los procedimientos hidrológicos facilitarán la cooperación entre los Miembros en esta materia. En los siguientes capítulos de la Guía se describen las prácticas y los procedimientos hidrológicos recomendados. No obstante, el lector debe referirse al Volumen III del Reglamento Técnico [3] para el texto relativo a las prácticas y los procedimientos recomendados en materia de hidrología operativa, aprobados por la OMM. El Volumen I del Reglamento Técnico [4] contiene las prácticas y los procedimientos recomendados o normalizados. Las instrucciones detalladas relativas a los instrumentos y los métodos de observación se encuentran en la Parte B de esta Guía, así como en otros documentos de referencia de la OMM como la Guía de instrumentos meteorológicos y métodos de observación [5] y la Guía de prácticas climatológicas [6]. Los métodos de recopilación y almacenamiento de datos hidrológicos, descritos en la Parte C de esta Guía, se deberán aplicar siempre que sea posible. Para la comodidad del lector, a continuación se resumen las prácticas y los procedimientos generalmente recomendados. Se invita a los Miembros a que cumplan estas prácticas y procedimientos recomendados en el establecimiento de los servicios hidrológicos y en las actividades que realizan: a) la red básica de estaciones hidrométricas debería estar concebida de manera que pueda suministrar los datos y la información indispensable para realizar una evaluación global de los recursos hídricos nacionales o regionales. En el capítulo 20 de esta Guía se indican las densidades mínimas recomendadas para la red. En vista de la estrecha relación que existe entre la meteorología y la hidrología, sería útil una buena coordinación entre las redes hidrométricas y climatológicas;
36
TABLA 4.1 Símbolos, unidades y factores de conversión recomendados I
II
III
Elemento
Símbolo
IV
V Unidades
Recomendada Aceleración debida a la gravedad
g
2
Albedo
r
3
Área de la sección transversal (cuenca de drenaje)
4
Calidad química
m s-2
VII
Factor de conversión*
Observaciones
También en uso pie s-2
0,305
ISO
Expresado en forma decimal m2
pie2
0,0929
ISO
km2
acre ha milla2
0,00405 0,01 2,59
ISO
mg l-1
ppm
~1
(Para soluciones diluidas)
A
Nota: Cuando existen símbolos internacionales, éstos se han utilizado en los casos adecuados y se indican con la expresión ISO en la última columna. * Columna IV = Factor de conversión (Col.IV) x Col.V.
CAPÍTULO 4
1
VI
Tabla 4.1 (continuación)
I
II
III
Elemento
Símbolo
IV
V Unidades
VII
Factor de conversión*
Observaciones
También en uso
5
Coeficiente de Chézy [v (RhS)-1/2]
C
m1/2 s-1
pie1/2 s-1
0,552
ISO
6
Conducción
K
m3 s-1
pie3 s-1
0,0283
ISO
7
Grado día
D
Grado día
Grado día
Fórmula de Conver- Col. IV en °C sión C = 5/9 (°F-32) y Col. V en °F
8
Densidad
p
kg m-3
lb pie-3
16,0185
ISO
9
Profundidad, diámetro, espesor
d
m cm
pie pulgada
0,305 2,54
ISO
Q Qwe
m3 s-1 1 s-1
pie3 s-1 gal (U.S.) min-1
0,0283 0,063
ISO
m3 s-1 km2 1 s-1 km-2
pie3 s-1 milla-2
0,0109 10,9
ISO
10
Caudal (de un río) (de un pozo)
(área unitaria-Q A-1, q o parcial)
NORMAS Y REGLAS HIDROLÓGICAS
Recomendada
VI
37
I
38
Tabla 4.1 (continuación)
II
III
Elemento
Símbolo
IV
V Unidades
Recomendada
VI
VII
Factor de conversión*
Observaciones
También en uso
Descenso del nivel
s
m cm
pie
0,305 30,5
12
Viscosidad dinámica (absoluta)
η
N s m-2
13
Evaporación
E
mm
pulgadas
25,4
14
Evapotranspiración
ET
mm
pulgadas
25,4
15
Número de Froude
Fr
16
Carga, altura
z
ISO Pa, s, kg m-1 s-1 también en uso
Número adimensional m
pie
ISO 0,305
ISO
CAPÍTULO 4
11
Tabla 4.1 (continuación)
I
II
III
Elemento
Símbolo
IV
V Unidades
17
18
Carga, presión
hp
m
VII
Factor de conversión*
Observaciones
También en uso kg (fuerza) cm-2 lb (fuerza) pulgada-2
10,00
cm m
pie
30,05 0,305
ISO
ISO
0,705
Carga estática (nivel de agua) = z + hp
h
19
Carga total = z + h p + hv
H
m
pie
0,305
20
Carga cinética = v2 (2g)-1
hv
cm m
pie
30,5 0,305
21
Conductividad hidráulica (permeabilidad)
K
cm s-1
m d-1 pie min-1
0,00116 0,508
h
NORMAS Y REGLAS HIDROLÓGICAS
Recomendada
VI
39
I
40
Tabla 4.1 (continuación)
II
III
Elemento
Símbolo
IV
V Unidades
Recomendada
VI
VII
Factor de conversión*
Observaciones
También en uso
Difusividad hidráulica = T C-1 s
D
cm2 s-1
23
Radio hidráulico = A P-1 w
Rh
m
pie
0,305
24
Espesor del hielo
dg
cm
pulgada
2,54
25
Infiltración
f
mm
pulgada
25,4
26
Tasa de infiltración
If
mm h-1
pulgada h-1
25,4
27
Permeabilidad intrínseca
k
10-8 cm2
Darcy
0,987
28
Viscosidad cinemática
v
m2 s-1
pie2 s-1
0,0929
ISO
ISO
CAPÍTULO 4
22
Tabla 4.1 (continuación) I
II
III
Elemento
Símbolo
IV
V Unidades
VII
Factor de conversión*
Observaciones
También en uso
29
Longitud
l
cm m km
pulgada pie milla
2,54 0,305 1,609
ISO
30
Coeficiente de Manning 1/2 -1 = R2/3 h S v
n
s m-1/3
s pie-1/3
1,486
ISO l/n = k, coeficiente de rugosidad también puede utilizarse
31
Masa
m
kg g
lb oz
0,454 28,35
ISO
32
Porosidad
n
%
33
Precipitación
P
mm
NORMAS Y REGLAS HIDROLÓGICAS
Recomendada
VI
Se puede usar α si es necesario pulgada
25,4 41
I
42
Tabla 4.1 (continuación)
II
III
Elemento
Símbolo
IV
V Unidades
Recomendada
VI
VII
Factor de conversión*
Observaciones
También en uso
Intensidad de la precipitación
Ip
mm h-1
pulgada h-1
25,4
35
Presión
p
Pa
hPa mm Hg pulgada Hg
100,0 133,3 3386,0
36
Radiación** (cantidad de energía radiante por unidad de área)
R
J m-2
ly
4,187 x 104
37
Intensidad de radiación** (flujo por unidad de área)
IR
J m-2 s-1
ly min-1
697,6
Véase también carga, piezométrica
** Términos generales. Para más detalles sobre la terminología y los símbolos, véase la Guía de instrumentos y métodos de observación hidrológicos , (OMM–Nº 8) [5].
CAPÍTULO 4
34
Tabla 4.1 (continuación) I
II
III
Elemento
Símbolo
IV
V Unidades
r2
VII
Factor de conversión*
Observaciones
También en uso
Radio de influencia
39
Coeficiente de recesión Cr
40
Humedad relativa
41
Número de Reynolds Re
42
Escorrentía
R
mm
pulgada
25,4
43
Concentración de sedimentos
cs
kg m-3
ppm
Depende de la densidad
44
Caudal de sedimentos
Qs
t d-1
ton (EE.UU.) d-1
0,907
45
Tensión de corte
τ
Pa
U
m
pie
0,305
Expresado en forma decimal % Número adimensional
ISO
ISO 43
38
NORMAS Y REGLAS HIDROLÓGICAS
Recomendada
VI
I
44
Tabla 4.1 (continuación) II
III
Elemento
Símbolo
IV
V Unidades
Recomendada
VI
VII
Factor de conversión*
Observaciones
También en uso
Pendiente (hidráulica, cuenca)
S
Número adimensional
ISO
47
Capa de nieve
An
%
48
Profundidad de la nieve
dn
cm
pulgada
2,54
49
Fusión de la nieve
M
mm
pulgada
25,4
50
Humedad del suelo
Us
% volumen
% masa
Depende de la densidad
51
Deficiencia de humedad del suelo
Us’
mm
pulgada
25,4
CAPÍTULO 4
46
Normalmente expresado como medida diaria
Tabla 4.1 (continuación)
I
II
III
Elemento
Símbolo
IV
V Unidades
VII
Factor de conversión*
Observaciones
También en uso
52
Capacidad específica = Qwe s-1
Cs
m2 s-1
pie2 s-1
53
Conductancia específica
K
µS cm-1
54
Rendimiento específico
Ys
55
Almacenamiento
S
56
Coeficiente de almacenamiento (agua subterránea)
CS
Expresado en decimales
57
Insolación
n/N
Expresado en decimales
0,0929 a θ = 25°C
Expresado en decimales m3
pie3
0,0283
NORMAS Y REGLAS HIDROLÓGICAS
Recomendada
VI
Valor real (n)/ número posible de horas (N) 45
I
46
Tabla 4.1 (continuación) II
III
Elemento
Símbolo
IV
V Unidades
Recomendada 58
Tensión superficial
σ
N m-1
VI
VII
Factor de conversión*
Observaciones
También en uso ISO
Temperatura
θ
°C
°F
Fórmula de conversión °C = 5/9 (°F-32)
ISO puede usarse también t
60
Total de sólidos disueltos
md
mg l-1
ppm
~ 1
(Para soluciones diluidas)
61
Transmisividad
T
m2 d-1
pie2 d-1
0,0929
62
Presión de vapor
e
Pa
hPa mm Hg pulgada Hg
100,0 133,3 3386,0
63
Velocidad del agua
v
m s-1
pie s-1
0,305
ISO
64
Volumen
V
m3
pie3 acre pie
0,0283 1230,0
ISO
wn
mm
pulgada
25,4
65
Equivalente en agua de la nieve
CAPÍTULO 4
59
Tabla 4.1 (continuación) I
II
III
Elemento
Símbolo
IV
V Unidades
Recomendada
VI
VII
Factor de conversión*
Observaciones
También en uso
Número de Weber
We
67
Perímetro mojado
Pw
m
pie
0,305
68
Anchura (de una sección transversal o de una cuenca
b
m km
pie milla
0,305 1,609
69
Velocidad del viento
u
m s-1
km h-1 milla h-1 kn (o kt)
0,278 0,447 0,514
70
Actividad (cantidad de radioactividad)
A
Bq (Becquerel)
Ci (Curie)
3,7 x 1010
OIEA
71
Fluencia de la radiación o fluencia energética
F
Jm-2
erg cm-2
103
OIEA
72
Intensidad del flujo de radiación (o del flujo de energía)
I
Jm-2 s-1
erg cm-2 s-1
103
OIEA
Número adimensional
ISO
NORMAS Y REGLAS HIDROLÓGICAS
66
47
48
CAPÍTULO 4
TABLA 4.2 Símbolos diversos Elemento 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Símbolo
Concentración Coeficiente (en general) Diferencia
c C ∆
Caudal afluente Tiempo de respuesta Carga Número de (categoría) Caudal efluente Recarga Número total
I ∆t L m O f N
Observaciones ISO ISO ISO, valores expresados en las mismas unidades unidades variables ISO (véase infiltración en la Tabla 4.1)
TABLA 4.3 Unidades recomendadas indicadas en la Tabla 4.1 Unidad 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Centímetro Día Grados Celsius Gramo Hectárea Hectopascal Hora Julio Kilogramo Kilómetro Nudo Litro Metro Microsiemens Miligramo Milímetro Minuto Newton Partes por millón Pascal Porcentaje Segundo Tonelada (métrica) Año Becquerel
Símbolo
Observaciones
cm d °C g ha hPa h J kg km kn, kt l m µS mg mm min N ppm Pa % s t a Bq
ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO OIEA
NORMAS Y REGLAS HIDROLÓGICAS
49
b) las estaciones que forman parte de la red básica deberían funcionar siempre durante un período relativamente largo, por ejemplo unos 10 años como mínimo, para obtener información satisfactoria sobre los valores medios de los parámetros observados y sobre sus variaciones temporales; c) además de las estaciones que forman parte de la red básica, se podrían establecer estaciones hidrológicas para fines especiales, destinadas a funcionar únicamente para investigaciones especiales durante un período limitado. El programa de observación de estas estaciones puede contener muchos elementos. Para garantizar un funcionamiento continuo y seguro es fundamental proceder a una inspección regular y frecuente de todas las estaciones; d) para evitar malentendidos, las estaciones deben ser identificadas por su nombre y coordenadas geográficas y, cuando proceda, por el nombre de la cuenca del río principal y el nombre del río, el lago o el embalse donde está ubicada la estación. Es indispensable disponer de un directorio exacto y actualizado de las características de las estaciones y de los cambios que ocurran durante el período de funcionamiento; e) convendría mantener cierta uniformidad en las horas de observación entre las estaciones de una cuenca, teniendo en cuenta los intervalos más adecuados para los elementos que se han de observar. En condiciones excepcionales, por ejemplo en caso de crecidas, se deben realizar mediciones más frecuentes de los elementos adecuados y transmitir lo antes posible los datos obtenidos; f) para los intercambios internacionales es recomendable utilizar las siguientes unidades de tiempo: el año del calendario gregoriano, los meses de dicho calendario y el día solar medio, de medianoche a medianoche, de acuerdo al huso horario. Sin embargo, en algunos casos, es preferible usar otros períodos que se aproximen más a las fases de los ciclos hidrológicos; g) para facilitar la interpretación de los fenómenos observados, convendría presentar los datos en forma de valores estadísticos, como promedios, valores máximos y mínimos, desviaciones típicas, distribución de frecuencias (tablas o curvas), etc. Las frecuencias calculadas a partir de la recopilación de datos para períodos relativamente cortos se deben comparar con frecuencias períodos largos (30 años o más). De esta manera, se puede comparar el carácter de un período dado con las condiciones medias de un largo período. Alguno de los datos obtenidos se publicarán en los anuarios hidrológicos. Para cada estación, un resumen estadístico aclarará el significado de los datos del año en cuestión. Un anuario debe contener información completa sobre todas las estaciones: nombre, coordenadas, altitud, área de drenaje, fenómenos observados, horas de observación, período que abarca el registro, etc. A este respecto, conviene que se tengan en cuenta los modelos de tablas que figuran en el capítulo 25 de esta Guía;
50
CAPÍTULO 4
h) para las actividades internacionales, es conveniente emplear los idiomas español, francés, inglés o ruso y utilizar únicamente símbolos, letras, abreviaturas y unidades internacionalmente reconocidos; i) los datos hidrológicos observados y procesados permitirán comprender bien las condiciones hidrológicas de un área determinada. Servirán para mejorar o establecer un programa de pronósticos con fines hidrológicos, cuando se necesite dicho programa. Un programa de esta clase debe incluir pronósticos de niveles de agua, caudales, condiciones de hielo, inundaciones y mares de tempestad. 4.3 Exactitud de las mediciones hidrológicas 4.3.1 Principios básicos En teoría, los valores reales de los elementos hidrológicos no se pueden determinar por medición porque los errores de medición no se pueden eliminar completamente. La incertidumbre en la medición tiene un carácter probabilístico que se puede definir como el intervalo donde se espera que el valor real permanecerá con una cierta probabilidad o nivel de confianza. La anchura del intervalo de confianza se denomina también margen de error. Si las mediciones son independientes unas de otras, se puede estimar la incertidumbre en los resultados de las mediciones tomando unas 20 a 25 observaciones y calculando el valor de la desviación típica, y luego determinando el nivel de confianza de los resultados. En general, este procedimiento no puede aplicarse en mediciones hidrométricas, debido a los cambios en el valor a medir durante el período de medición. Por ejemplo, es evidente que, sobre el terreno, no se pueden realizar mediciones consecutivas de caudal con un molinete a nivel constante. En consecuencia, se tiene que hacer una estimación de la incertidumbre, examinando las diferentes fuentes de error en la medición. Otro problema que se plantea en la aplicación de datos estadísticos a los datos hidrológicos se debe al supuesto de que las observaciones son variables aleatorias independientes de una distribución estadística fija. Esta condición raras veces se cumple en las mediciones hidrológicas. El caudal de un río, por naturaleza, no es aleatorio, depende de valores previos. Generalmente se admite que no es muy importante la manera como se produce el apartamiento entre los datos hidrológicos y los conceptos teóricos de errores. Sin embargo, cabe insistir en que ningún análisis estadístico puede reemplazar las observaciones correctas, en particular porque con estos análisis no se pueden eliminar los errores sistemáticos. Sólo errores aleatorios pueden caracterizarse por medios estadísticos. Esta sección contiene definiciones de términos básicos relativos a la exactitud de las mediciones hidrológicas. Se indican los métodos para realizar estimaciones de incertidumbre y se dan los valores numéricos de la exactitud, que se requieren para los parámetros hidrológicos más importantes. Se incluyen también, referencias a las recomendaciones existentes, contenidas en el Reglamento Técnico de la OMM [3] y en otras publicaciones.
NORMAS Y REGLAS HIDROLÓGICAS
51
4.3.2 Definiciones de los términos relacionados con la exactitud Las definiciones de los términos relacionados con la exactitud, que figuran a continuación, tienen en cuenta las contenidas en el Volumen III (Hidrología), del Reglamento Técnico de la OMM [3], y en la Guía de instrumentos y métodos de observación meteorológicos de la OMM [5]: Exactitud: nivel de aproximación entre una medición y el valor real. Esto supone que se han aplicado todas las correcciones conocidas. Intervalo de confianza: intervalo que incluye el valor real con una probabilidad determinada y que es función de las estadísticas de la muestra (figuras 4.1 y 4.2). Nivel de confianza: probabilidad de que el intervalo de confianza incluya el valor verdadero (figuras 4.1 y 4.2). Corrección: valor que se debe agregar al resultado de una medición para tener en cuenta cualquier error sistemático conocido y, por lo tanto, obtener la mejor aproximación al valor verdadero. Error: diferencia entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la cantidad medida. NOTA: este término designa también la diferencia entre el resultado de una medición y la mejor aproximación al valor verdadero (en vez del propio valor verdadero). La mejor aproximación puede ser la media de varias o muchas mediciones. Valor probable: la mejor aproximación al valor verdadero; puede ser la media de varias mediciones. Histéresis (del instrumento): propiedad de un instrumento por la cual da mediciones diferentes del mismo valor real, de acuerdo a si ese valor se alcanzó por un cambio creciente continuo o por un cambio decreciente continuo de la variable. Medición: acción que tiene por objeto asignar un número como valor de una magnitud física en las unidades establecidas. (NOTA: el resultado de una medición es completo si incluye una estimación (necesariamente en términos estadísticos) de la magnitud probable de la incertidumbre). Distribución normal: distribución continua, definida matemáticamente, simétrica, en forma de campana, que tradicionalmente se supone que representa los errores aleatorios. Precisión: es la proximidad de acuerdo entre mediciones independientes de una sola magnitud obtenidas por la aplicación varias veces de un procedimiento de medición establecido, en condiciones definidas. (NOTA: a) la exactitud se relaciona en la proximidad al valor verdadero, la precisión se refiere únicamente a la proximidad que existe entre varias mediciones; b) la precisión de la observación o de la lectura, es la unidad más pequeña de división de una escala de medida en la cual es posible hacer la lectura directamente o por estimación). Error aleatorio: parte del error total que varía de manera imprevisible en magnitud y en signo, cuando se hacen mediciones de una variable determinada en las mismas condiciones.
52
CAPÍTULO 4
Error espurio Error aleatorio
× Valor medio de la magnitud value of medida quantity
×
×
×
×
× × ×
Valor de la magnitud medida α Sy α Sy
×
× ×
Incertidumbre aleatoria (ER )95= αSy evaluada con un nivel de confianza específico
Error sistemático Valor verdadero de la magnitud
Densidad de probabilidad Intervalo de confianza αSy Tiempo
Tiempo durante el cual se evalúa un valor constante en la magnitud Y
Figura 4.1 — Explicación de los errores
Intervalo de confianza de la media Nivel
Intervalo de confianza
Relación nivel-caudal relation
Límite de confianza del error típico de la estimación Se
Límite de confianza del error típico de la media Smr Caudal
Figura 4.2 – Explicación de los errores en una regresión lineal Rango: intervalo entre los valores mínimos y máximos de la magnitud que se ha de medir, para la que se han construido, ajustado o instalado los instrumentos. (NOTA: puede expresarse como la relación entre los valores máximos y mínimos medidos).
NORMAS Y REGLAS HIDROLÓGICAS
53
Medición de referencia: medición en la que se han utilizado los conocimientos científicos más recientes y las técnicas más avanzadas. El resultado de la medición de referencia se usa para obtener la mejor aproximación del valor verdadero. Repetibilidad: proximidad del acuerdo, en presencia de errores aleatorios, entre las mediciones de una misma magnitud, obtenidas en condiciones iguales, por ejemplo: el mismo observador, el mismo instrumento, en el mismo emplazamiento y a intervalos de tiempo suficientemente cortos para que las diferencias reales sean insignificantes. Reproducibilidad: proximidad del acuerdo entre mediciones del mismo valor de una magnitud obtenida en diferentes condiciones, por ejemplo: diferentes observadores, instrumentos, emplazamientos y a intervalos de tiempo suficientemente largos como para que las diferencias erróneas sean insignificantes. Resolución: cambio más pequeño de una variable física que puede causar una variación en la respuesta de un sistema de mediciones. Sensibilidad: relación entre el cambio de la respuesta y el correspondiente cambio del estímulo, o valor del estímulo requerido para producir una respuesta que excede en una cantidad determinada, la respuesta, ya presente, debido a otras causas. Valor falso: valor del cual se está seguro que es un error, por ejemplo debido a errores humanos o al mal funcionamiento de los instrumentos (figura 4.1). Desviación típica (Sy): raíz cuadrada positiva de la suma de los cuadrados de las desviaciones de la media aritmética, dividido entre (n-1); está dada por la expresión: n 2 ∑ ( yi − y ) Sy = 1 n−1
1/ 2
(4.1)
donde –y es la media aritmética de la muestra de n mediciones independientes de la variable y; (n-1) indica la pérdida de un grado de libertad. Error típico de estimación (Se): medición de la variación o dispersión de las observaciones con respecto a una regresión lineal. Es numéricamente similar a la desviación típica, salvo que la relación de regresión lineal sustituye a la media aritmética y (n-1) es sustituido (n-m): ∑ ( d )2 Se = n − m
1/ 2
(4.2)
donde d es la desviación de una observación con respecto al valor de regresión calculado, m el número de constantes en la ecuación de regresión, y (n-m) representa el grado de libertad en la derivación de la ecuación.
54
CAPÍTULO 4
Error sistemático: parte del error que: a) permanece constante durante un número de mediciones del mismo valor de una magnitud determinada; o b) varía según una ley definida cuando cambian las condiciones (figura 4.1). Tolerancia: exactitud permitida en la medición de una variable dada. Límite de tolerancia: valor del límite inferior o superior determinado para una característica cuantitativa. valor verdadero: valor que caracteriza una magnitud en las condiciones que existen en el momento en que se observa dicha magnitud. Es un valor ideal que sólo podría determinarse si todas las causas de error fueran eliminadas. Incertidumbre: intervalo dentro del cual cabe esperar que se sitúe el valor verdadero de una magnitud con una probabilidad establecida (figura 4.1) (NOTA: el valor numérico de la incertidumbre es el producto de la desviación típica real de los errores y de un parámetro numérico cuyo valor depende del nivel de confianza: e = ± α σ y ≈ ± α sy
(4.3)
La desviación típica, sy, calculada a partir de n observaciones, se aproxima a la desviación típica real, σy, como n se aproxima al infinito. En el caso de una distribución normal de errores, los parámetros numéricos son: Nivel de confianza 0,50 0,60 0,66 0,80 0,90 0,95 0,98 0,99 0,999
α 0,674 0,842 0,954 1,282 1,645 1,960 2,326 2,576 3,291
4.3.3 Tipos de error Los errores espurios deben ser eliminados al descartar los valores de las mediciones correspondientes. Estos errores se pueden identificar por una prueba estadística de dato anómalo, como la descrita en el documento ISO 5168 [7] en el que figuran criterios de rechazo. Los errores sistemáticos provienen principalmente de los instrumentos y no se pueden reducir aumentando el número de mediciones, si los instrumentos y las condiciones de medición permanecen invariables. Si el error sistemático tiene un valor conocido, este valor se debe sumar o restar del resultado de la medición y el error
NORMAS Y REGLAS HIDROLÓGICAS
55
debido a esta fuente se debe considerar como nulo. El error sistemático debe ser eliminado mediante correcciones, ajustes apropiados o cambiando el instrumento, y/o cambiando las condiciones del caudal, por ejemplo, la longitud del tramo recto del canal de aproximación a una estación de aforo. Con frecuencia estos errores se deben a condiciones de medición difíciles, como caudales no estacionarios, río de meandro y la mala localización de las estaciones. Los errores aleatorios no se pueden eliminar, pero se pueden reducir sus efectos mediante la repetición de las mediciones de los elementos. La incertidumbre en la media aritmética calculada a partir de n medidas independientes es la raíz cuadrada de n veces más pequeña que la incertidumbre de una sola medición. La distribución de los errores aleatorios se puede considerar como normal (gaussiana). En algunos casos, la distribución normal puede o debería ser remplazada por otras distribuciones estadísticas. 4.3.4 Fuentes de errores Cada instrumento y método de medición tiene sus propias fuentes de error, por lo tanto, sería difícil dar una lista exhaustiva de todas las fuentes de errores posibles. Las fuentes de error específicas generalmente figuran en las descripciones del diseño de los instrumentos y en el modo de empleo, como aparecen en las normas de la ISO, y en el Manual on Stream Gaugin de la OMM [8]. Algunas de las fuentes típicas de error son: a) error del punto de referencia o del cero que proviene de la determinación incorrecta del punto de referencia de un instrumento, por ejemplo: el nivel cero de la escala limnimétrica, la diferencia entre el cero de la escala limnimétrica y el nivel de la cresta de un vertedero; b) error de lectura que resulta de la lectura incorrecta de lo indicado por el instrumento de medición, por ejemplo, a causa de la mala visibilidad, el oleaje o el hielo en la escala limnimétrica; c) error de interpolación causado por la evaluación inexacta de la posición del índice con respecto a las dos marcas consecutivas de la escala entre las cuales está situado el índice; d) error de observación, similar al error de lectura, pero se atribuye al observador; e) histéresis (véase la definición del párrafo 4.3.2); f) error de no linealidad, parte del error por el cual un cambio de indicación o de respuesta no es proporcional al cambio correspondiente del valor de la magnitud medida en un rango determinado; g) error de insensibilidad, se produce cuando el instrumento no puede detectar un cambio dado en el elemento medido; h) error de desviación, se debe a las características del instrumento en el que, con el tiempo y en condiciones de uso particular, cambian las propiedades de medición, por ejemplo: la desviación en la mecánica de la relojería con el tiempo o debido a la temperatura;
56
CAPÍTULO 4
i)
error de inestabilidad, resulta de la incapacidad de un instrumento para mantener constantes ciertas propiedades meteorológicas específicas; error fuera de rango causado por el uso de un instrumento más allá del alcance de medición efectiva, inferior al mínimo o superior al máximo valor para el que se ha construido, ajustado o instalado el instrumento, por ejemplo: una altura inesperada del nivel de agua; error de exactitud causado por el uso inadecuado de un instrumento, cuando el error mínimo es mayor que la tolerancia para la medición.
j)
k)
4.3.5 Errores de medición secundarios Las observaciones hidrológicas se calculan frecuentemente a partir de varios componentes medidos, por ejemplo, el caudal al nivel de las estructuras de medición se calcula como una función del coeficiente de caudal, de las dimensiones características, y de la carga. Para estimar la incertidumbre resultante, se puede aplicar la teoría de transferencia (propagación) del error de Gauss. La incertidumbre resultante con frecuencia se remite a la incertidumbre total, que se puede calcular a partir de las incertidumbres de los componentes individuales, si los errores de los componentes individuales se consideran estadísticamente independientes. Si una magnitud, Q, es función de varias magnitudes medidas, x, y y z, el error resultante, eQ, de Q debido a los errores, ex, ey y ez, de x, y y z, respectivamente, deben ser evaluados mediante la ecuación de transferencia (propagación) simplificada:
(e ) Q
2
2
2
∂ ∂ ∂ = Q ex + Q ey + Q ez ∂x ∂z ∂y
2
(4.4)
donde ∂Q/∂x, ∂Q/∂y y ∂Q/∂z son las derivadas parciales de la función que expresa con claridad la relación entre la variable dependiente y las variables independientes. En las mediciones hidrológicas, es muy raro que una medición pueda repetirse bajo las mismas condiciones de campo. La desviación típica debería, por lo tanto, determinarse mediante el uso de datos de variables no estables (como en el caso de la curva de caudales). El error típico de estimación: ∑d2 se = n − 2
1/ 2
(4.5)
del promedio de las observaciones es muy importante para la caracterización de la relación altura-caudal, que requiere un tratamiento especial porque esta relación no es lineal, pero aproximadamente logarítmica. Es una estimación de la exactitud de la relación media calculada en una regresión y, por tanto, representa el ámbito en el que debe estar ubicada la media real (figura 4.2).
NORMAS Y REGLAS HIDROLÓGICAS
smr =
se n
57
(4.6)
Para una relación no lineal de dos variables, la desviación típica relativa es más característica y se puede calcular con la siguiente fórmula: 2 y −y c sy % = ∑ m yc n − 1
1/ 2
(4.7)
donde ym es el valor medido y yc el valor calculado a partir de la ecuación de regresión (o leído en un gráfico). 4.3.6 Caracterización de los instrumentos y métodos de observación La exactitud de un instrumento de medición se puede caracterizar por una incertidumbre a un valor dado, correspondiente al valor medible máximo o mínimo. La exactitud de un instrumento sin ese valor de referencia puede mal entenderse o mal interpretarse. En muchos casos, la exactitud con que se caracteriza un instrumento no es más que un componente de la exactitud global de la medición. Para la caracterización de la incertidumbre se usa un nivel de confianza al 95%, es decir que, en el cinco por ciento de los casos, el error podrá estar fuera del intervalo de confianza. Según el Reglamento Técnico de la OMM [3], las incertidumbres de las mediciones se deben presentar en una de las siguientes formas: a) incertidumbres expresadas en términos absolutos: valor medido de los elementos hidrológicos, por ejemplo: caudal Q = .... Incertidumbre aleatoria (er)95 = ..... b) incertidumbres expresadas en términos porcentuales: valor medido de los elementos hidrológicos, Q = .... Porcentaje de incertidumbre (er)95 = ..... En la práctica, las incertidumbres de las mediciones son dadas en forma de relación (o porcentaje) del valor medido Qm. Por ejemplo, en el caso de (er)95 = 10%, Qm ± 0,10 Qm contendrá el valor real de Q en 95% de los casos. En este caso, la incertidumbre se formula suponiendo unas condiciones medias de medición.
58
CAPÍTULO 4
4.3.7 Exactitud recomendada en las mediciones hidrológicas La exactitud recomendada depende sobre todo del uso previsto de los datos medidos (objetivo de la medición), de los instrumentos potencialmente disponibles, y de los recursos financieros disponibles. Por lo tanto, no puede ser un valor constante, sino un rango flexible. La tabla 4.4 contiene los niveles de exactitud recomendados, como una guía general para los instrumentos y métodos de observación. En muchos países, las normas nacionales regulan las exactitudes requeridas. TABLA 4.4 Exactitud recomendada (niveles de incertidumbre) expresada al 95 por ciento del intervalo de confianza
Precipitación (cantidad y forma) Intensidad de la lluvia Espesor de nieve (puntual) Contenido de agua en la nieve Evaporación (puntual) Velocidad del viento Nivel del agua Altura de ola Profundidad del agua Anchura de la superficie del agua Velocidad de la corriente Caudal Concentración de sedimento suspendido Transporte de sedimento suspendido Transporte de carga de fondo Temperatura del agua Oxígeno disuelto (temperatura del agua superior a 10°C) Turbidez Color pH Conductividad eléctrica Espesor de hielo Capa de hielo Humedad del suelo
3-7% 1 mm/h 1 cm debajo de 20 cm o 10% sobre 20 cm 2,5-10% 2-5%, 0,5 mm 0,5 m/s 10-20 mm 10% 0,1 m, 2% 0,5% 2-5% 5% 10% 10% 25% 0,1-0,5°C 3% 5-10% 5% 0,05-0,1 unidad de pH 5% l-2 cm, 5% 5% para ≥ 20 kg/m3 1 kg/m3 ≥ 20 kg/m3
NOTA: cuando se recomienda una variedad de niveles de exactitud, el valor inferior se aplica a las mediciones en condiciones relativamente buenas y el valor superior a las mediciones en situaciones difíciles
NORMAS Y REGLAS HIDROLÓGICAS
59
4.4 Claves Hidrológicas 4.4.1 Generalidades Todos los sistemas de transmisión de datos utilizan métodos de codificación cuyo objetivo es garantizar una transmisión rápida y fiable de la información. En los sistemas completamente automatizados, la información debe ser codificada antes de ser procesada. Por estas razones, las claves están compuestas de formatos estándar que permiten transmitir la información de manera compatible con el procesamiento ulterior. Este procesamiento, en general, es precedido de un control de calidad (sección 22.1). La estructura de las claves internacionales está reglamentada por acuerdos que resultan de un esfuerzo colectivo. Durante mucho tiempo, la OMM ha creado claves para permitir el intercambio de datos meteorológicos. En hidrología operativa, las necesidades de datos no son a escala mundial y hasta el momento se han introducido numerosas claves en este ámbito. Esto condujo a la Comisión de Hidrología de la OMM a preparar claves hidrológicas internacionales. El objetivo de estas claves es atender los requerimientos generales para normalizar en la medida de lo posible los procedimientos de codificación y recopilación de datos hidrológicos. Las claves de la OMM relativas a la hidrología son las claves HYDRA e HYFOR. Los datos transmitidos en estas claves normalizadas son conformes a las normas de la OMM. Por lo tanto, estos datos se pueden difundir a través de los canales de telecomunicaciones de la Vigilancia Meteorológica Mundial (VMM), si se procede. Estas claves pueden ser muy útiles para grandes cuencas nacionales o internacionales, donde numerosas estaciones están conectadas a un centro de procesamiento de datos. El observador codifica las observaciones generalmente de forma manual y se transmiten a un centro de concentración para su procesamiento. Más recientemente, se creó la forma universal de la representación binaria de datos meteorológicos (BUFR) para el intercambio eficiente entre computadoras de datos meteorológicos y la clave GRID para los datos elaborados en forma de valores para puntos de cuadrícula. 4.4.2 Claves En el Volumen I del Manual de Claves [9] se describen las claves HYDRA e HYFOR. Se invita al lector a que se remita a este Manual para usar estas claves que se describen a continuación. La forma de clave FM 67-VI HYDRA – Informe de observación hidrológica proveniente de una estación de observación hidrológica, puede ser usada para transmitir: a) datos hidrológicos referentes a la altura del agua; b) datos hidrológicos referentes al caudal; c) datos referentes a la precipitación y a la capa de nieve;
60
CAPÍTULO 4
d) datos referentes a la temperatura del aire y del agua; e) datos sobre el estado del hielo en río, lago, o embalse. La clave FM 68-VI HYFOR – Pronóstico hidrológico, se puede utilizar para transmitir pronósticos de altura, caudal y de hielo. 4.4.3 Identificación de estaciones de observación hidrológica Cuando se transmiten datos de una estación, siempre se da el número de identificación de la estación. Como base para un sistema internacional de estaciones de observación hidrológica, la OMM ha preparado una lista de indicadores internacionales para las cuencas en una determinada Región de la OMM, así como indicadores de los países para cada cuenca donde están ubicadas las estaciones de observación hidrológica. El Volumen II del Manual de Claves [9] contiene dichas listas. 4.4.4 Claves BUFR y GRIB La clave FM 94-IX Ext. BUFR ha sido diseñada para el archivo e intercambio de datos meteorológicos. Se creó para las aplicaciones informáticas y es similar, en concepto, a las técnicas de compresión de datos utilizadas en diversos bancos de datos hidrológicos (capítulo 24). Actualmente se estudia la expansión del código BUFR para incluir el intercambio de datos hidrológicos en esta forma a través de la VMM. Si se trata de grandes volúmenes de datos, convendría más utilizar la clave BUFR que la clave HYDRA. La clave FM 47-IX Ext. GRID fue diseñada para la transmisión de datos procesados en forma de valores numéricos para puntos de cuadrícula, por ejemplo, los análisis y pronósticos de variables meteorológicas y de otros parámetros geofísicos. Se dispone también de una clave abreviada, GRAF, para la transferencia de datos elaborados en forma de valores reticulares. La clave FM 92-IX Ext. GRIB, es otra versión de la clave GRID que contiene datos en formato binario. Todas estas claves se pueden procesar en computadoras pero también se pueden descodificar manualmente. Como los datos de teledetección y los datos espaciales o distribuidos, así como datos de sistemas de información geográfica se utilizan cada vez más en hidrología operativa, se espera un amplio uso de estas claves y su adopción para los parámetros hidrológicos. Referencias 1. Organización Internacional de Normalización, 1979: Units of Measurement, ISO Standards Handbook 2, Ginebra. 2. Organización Meteorológica Mundial, 1966: International Meteorological Tables (S. Letestu). OMM–Nº 188, Ginebra. 3. Organización Meteorológica Mundial, 1988: Reglamento Técnico. Volumen III, Hidrología, OMM–Nº 49, Ginebra.
NORMAS Y REGLAS HIDROLÓGICAS
61
4. Organización Meteorológica Mundial, 1988: Reglamento Técnico. Volumen I, Generalidades, OMM–Nº 49, Ginebra. 5. Organización Meteorológica Mundial, 1983: Guía de instrumentos y métodos de observación meteorológicos. Quinta edición, OMM–Nº 8, Ginebra. 6. Organización Meteorológica Mundial, 1983: Guía de prácticas climatológicas. Segunda edición, OMM–Nº 100, Ginebra. 7. Organización Internacional de Normalización, 1978: Measurement of Fluid Flow: Estimation of Uncertainty of a Flow-rate Measurement. ISO-5168-1978, Ginebra. 8. Organización Meteorológica Mundial, 1980: Manual on Stream Gauging. Volúmenes I y II, Informe de hidrología operativa, Nº 13, OMM–Nº 519, Ginebra. 9. Organización Meteorológica Mundial, 1988: Manual de Claves. Volúmenes I y II, OMM–Nº 306, Ginebra.
CAPÍTULO 5 ORGANIZACIONES INTERNACIONALES QUE REALIZAN ACTIVIDADES EN MATERIA DE HIDROLOGÍA Y RECURSOS HÍDRICOS 5.1 Generalidades Este capítulo ofrece una visión general de la participación de las organizaciones internacionales (gubernamentales y no gubernamentales) en el ámbito de los recursos hídricos y en las diversas disposiciones de coordinación y cooperación en el sistema de las Naciones Unidas así como a nivel regional y global. Fue preparado sobre la base de la información suministrada por la Secretaría del Grupo intersecretarías sobre recursos hídricos (ISGWR) del Comité Administrativo de Coordinación de las Naciones Unidas (CAC) [1,2] (véase también la sección 5.4).
5.2 Organizaciones Intergubernamentales (OIG) Estas organizaciones se establecen mediante acuerdos entre dos o más Estados. Dichas organizaciones pueden ser mundiales o regionales. Algunas de ellas permanecen activas en el ámbito de los recursos hídricos. En la tabla 5.1 se enumeran las organizaciones y los órganos especializados de las Naciones Unidas que tienen actividades a nivel mundial, y la tabla 5.2 contiene información sobre organizaciones regionales de las Naciones Unidas y de otras organizaciones regionales. Ambas tablas incluyen las siglas oficiales y las direcciones de las organizaciones. 5.3
Naturaleza y coordinación de las actividades de las organizaciones de las Naciones Unidas en el desarrollo de los recursos hídricos Las actividades de las organizaciones del sistema de las Naciones Unidas en el ámbito de los recursos hídricos abarcan una muy amplia variedad de temas. Su contribución ha aumentado en los últimos 30 años, tanto en términos de importancia como en la complejidad de los temas que abordan. La tabla 5.3 presenta una visión sinóptica de la participación de las organizaciones de las Naciones Unidas con una indicación de los principales sectores de interés y de aplicación. La agrupación se hizo de conformidad con las principales áreas de interés consideradas en la Conferencia Internacional sobre el Agua y el Medio Ambiente [3], a saber: a) evaluación de los recursos hídricos e impactos del cambio climático en éstos; b) protección de los recursos hídricos, calidad del agua y ecosistemas acuáticos;
Nombre
Abreviatura
Dirección
DDES
United Nations Headquarters, Nueva York, N.Y. 10017, EE.UU.
Fondo de las Naciones Unidas para la Infancia
UNICEF
Three United Nations Plaza, Nueva York, NY l00l7, EE.UU.
Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo
PNUD
One United Nations Plaza, Nueva York, NY l00l7, EE.UU.
Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente PNUMA
P.O. Box 30552, Nairobi, Kenya
Universidad de las Naciones Unidas
UNU
Toho Seimei Building, 15-1 Shibuya, 2-Chome, Shibuya-ku, Tokio 150, Japón
Programa Mundial de Alimentación
PMA
Via Cristoforo Colombo 426, 00145 Roma, Italia
Centro de las Naciones Unidas para los Asentamientos Humanos
HABITAT
United Nations Office in Nairobi P.O. Box 30030, Nairobi, Kenya
Departamento de Asuntos Humanitarios – Oficina del Coordinador de las NU para el Socorro en Casos de Desastres
DAH-ONUSCD
Palais des Nations, CH-l2ll Ginebra l0, Suiza
Consejo Mundial de la Alimentación
CMA
Via delle Terme di Caracalla, 00100 Roma, Italia
CAPÍTULO 5
NACIONES UNIDAS Departamento de Desarrollo Económico y Social
* Situación en 1992.
64
TABLA 5.1 Organizaciones intergubernamentales relacionadas con la hidrología y los recursos hídricos – nivel mundial *
Tabla 5.1 (continuación)
Instituto Internacional de Investigaciones y Capacitación para la Promoción de la Mujer
P.O. Box 21747, Santo Domingo, República Dominicana
OIT
4, route des Morillons, CH-l2ll Ginebra 22, Suiza
Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación
FAO
Via delle Terme di Caracalla, 00100 Roma, Italia
Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura
UNESCO
7, place de Fontenoy, 75700 París, Francia
Organización Mundial de la Salud
OMS
20, avenue Appia, CH-l2ll Ginebra 27, Suiza
Banco Mundial
BIRF
l8l8 H Street, N.W., Washington, D.C. 20433, EE.UU.
Organización Meteorológica Mundial
OMM
P.O. Box 2300, CH-l2ll Ginebra 2, Suiza
Fondo Internacional de Desarrollo Agrícola
FIDA
Via del Serafico l07, 00l42 Roma, Italia
Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial
ONUDI
P.O. Box 300, Vienna International Centre, A-l400, Viena, Austria
Agencia Internacional de la Energía Atómica
AIEA
P.O. Box l00, Vienna International Centre, A-l400 Viena, Austria
ÓRGANOS ESPECIALIZADOS Y OTRAS ORGANIZACIONES Organización Internacional del Trabajo
ORGANIZACIONES INTERNACIONALES
INSTRAW
65
Nombre
Abreviatura
66
TABLA 5.2 Organizaciones intergubernamentales relacionadas con la hidrología y los recursos hídricos – nivel regional * Dirección
ÓRGANOS DE LAS NACIONES UNIDAS CEPA
P.O. Box 300l, Addis Abeba, Etiopía
Comisión Económica para Europa
CEPE
Palais des Nations, CH-12ll Ginebra l0, Suiza
Comisión Económica para América Latina y el Caribe
CEPALC
Casilla l79-D, Santiago, Chile
Comisión Económica y Social para Asia y el Pacífico
CESPAP
The United Nations Building, Rajadamnern Ave., Bangkok 10200, Tailandia
Comisión Económica y Social para Asia Occidental
CESPAO
P.O. Box 927 115, Amán, Jordania
Oficina de las Naciones Unidas para la Región Saheliana
ONUS
One United Nations Plaza, Room DC-1100, Nueva York, NY l00l7, EE.UU.
Comisión Regional sobre el Aprovechamiento de Tierras y Aguas para el Cercano Oriente (FAO)
RNEA-LWU
Via delle Terme di Caracalla, 00100 Roma, Italia
OTROS Centro Árabe de Estudios de las Zonas Áridas y las Tierras de Secano
ACSAD
P.O. Box 2440, Damasco, Siria
Organización Metorológica del Caribe
CMO
P.O. Box 46l, Puerto España, Trinidad y Tabago
* Situación en 1992.
CAPÍTULO 5
Comisión Económica para África
Tabla 5.2 (continuación) CILSS
BP 7049, Uagadugú, Burkina Faso
Comité Regional para los Recursos Hídricos del Istmo Centroamericano
CRRH
c/o ICE, P.O. Box l0032, San José, Costa Rica**
Comisión de las Comunidades Europeas
CEC
200 rue de la Loi, Bruselas l040, Bélgica
Consejo de Europa
CE
Avenue de l’Europe, 67 Estrasburgo, Francia
Consejo de Ayuda Mutua Económica
CAME
Prospekt Kalinina 56, Moscú G-205, Federación de Rusia
Comunidad Económica de los Países de los Grandes Lagos
CEPGL
BP 58, Gisenyi, Rwanda
Agencia Espacial Europea
AEE
8-l0 rue Mario Nikis, 75738 París, CEDEX l5, Francia
Comité interafricain d’études hydrauliques
CIEH
B.P. 369, Uagadugú 01, Burkina Faso
Consejo Nórdico
NC
Gamla Rigsdagshuset, Estocolmo, Suecia
Organización de la Unidad Africana
OUA
P.O. Box 3243, Addis Abeba, Etiopía
Organización de los Estados Americanos
OEA
Pan American Union Building, Washington, D.C. 20006, EE.UU.
Organización de Cooperación y Desarrollo Económicos
OCDE
Château de la Muette, 2 rue André Pascal, 75775 París, Francia
ORGANIZACIONES INTERNACIONALES
Comité Interestatal para la Lucha contra la Sequía en el Sahel
** Secretaría por rotación
67
Sector de interés
Organizaciones especializadas
Organizaciones interesadas en las aplicaciones del sector indicado
OMM, UNESCO, DDES, FAO, BIRF, AIEA
OMS, PNUD, CEPA, CEPE, CEPALC, CESPAP, CESPAD, ONUSCD
2. Protección de los recursos hídricos, calidad del agua y ecosistemas acuáticos
OMS, OMM, PNUMA, DDES, CEPE
Todas las otras organizaciones
3. El agua y el desarrollo urbano sostenible; abastecimiento de agua potable y saneamiento en los centros urbanos
BIRF, HABITAT, OMS, PNUD, UNICEF, INSTRAW
DDES, CEPA, CEPALC, CESPAP, CESPAD, UNEP
4. Agua para una producción alimentaria y un desarrollo rural sostenibles, así como para el abastecimiento de agua potable y saneamiento en las zonas rurales
FAO, BIRF, PNUD, WFP, OMS, UNICEF, DDES, HABITAT, INSTRAW, OIT
CEPA, CEPALC, CESPAP, CESPAD
5. Gestión integrada de los recursos hídricos
DDES, CEPA, CEPE, CEPALC, CESPAP, INSTRAW, PNUD, BIRF
ONUSCD, UNESCO, OMM, OMS, FAO
CAPÍTULO 5
1. Evaluación de los recursos hídricos e impactos del cambio climático en éstos
* Situación en 1992.
68
TABLA 5.3 Participación de las organizaciones del sistema de las Naciones Unidas en el desarrollo de los recursos hídricos: indicación de los principales sectores de interés y de aplicaciones*
ORGANIZACIONES INTERNACIONALES
c)
69
agua y desarrollo urbano sostenible; abastecimiento de agua potable y saneamiento en los centros urbanos; d) agua para una producción alimentaria y un desarrollo rural sostenibles, así como para el abastecimiento de agua potable y saneamiento en las zonas rurales; y e) gestión integrada de los recursos hídricos. Estos temas corresponden también a los del capítulo 18 del Programa 21 de la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo (CNUMAD) [4]. El sexto tema examinado en la Conferencia (los mecanismos de ejecución y coordinación en los niveles mundial, nacional y local) se refiere a la naturaleza y el alcance de las actividades de las organizaciones del sistema de las Naciones Unidas, y a los medios de coordinación de estas actividades. Las cuestiones relativas a la creación de capacidad inevitablemente se encuentran en todos los temas antes mencionados. La tabla 5.4, contiene más detalles de las actividades de las organizaciones. Cada división de la tabla indica las organizaciones que se ocupan del desarrollo y de la gestión de sectores específicos de los recursos hídricos. Las funciones de desarrollo y de gestión se han clasificado en la siguiente forma: a) hidrología de aguas superficiales; b) hidrología de aguas subterráneas; c) control de la calidad del agua superficial; d) control de la calidad del agua subterránea; e) información sobre la utilización del agua; f) desarrollo de los servicios de aguas superficiales; g) desarrollo de los servicios de aguas subterráneas; h) reutilización de las aguas usadas; i) gestión integrada de los recursos hídricos; j) gestión del uso del agua; k) gestión de las aguas residuales; l) fortalecimiento de las instituciones; m) legislación; n) enseñanza y formación profesional; o) desarrollo de los recursos humanos. Los sectores específicos de los recursos hídricos son: a) uso del agua en la agricultura; b) abastecimiento de agua potable; c) uso del agua en la industria; d) energía hidráulica; e) navegación; f) control de crecidas; g) gestión de la sequía; h) uso del agua con diversos fines.
70
TABLA 5.4 Participación de las organizaciones del sistema de las Naciones Unidas en el ámbito de los recursos hídricos * Sectores específicos Funciones de desarrollo y de gestión
Abastecimien- Uso to de agua del agua en potable la industria
Energía Navegación Control hidroeléctrica de crecidas DDES, CEPA, INSTRAW, UNESCO, BIRF
1
Hidrología del agua superficial
DDES, CEPA, FAO, BIRF
DDES, UNICEF, CEPA, CESPAP, CESPAO, INSTRAW, BIRF, HABITAT
DDES, CEPA, BIRF, HABITAT
2
Hidrología del agua subterránea
DDES, CEPA, FAO, BIRF
DDES, CEPA, INSTRAW, BIRF, HABITAT
CEPA, BIRF, HABITAT
* Situación en 1992.
DDES, CEPA, CESPAP, BIRF
Gestión de la sequía
Uso del agua con diversos fines
DDES, CEPA, CESPAP, CESPAO, UNESCO, FAO, OMM, BIRF, HABITAT
DDES, CEPA, CESPAP, CESPAO, UNESCO, FAO, OMM, BIRF
DDES, CEPA, CESPAP, CESPAO, BIRF, UNESCO, OMM, HABITAT
CEPA, HABITAT, UNESCO, OMM
DDES, CEPA, CESPAP, UNESCO, FAO, OMM, BIRF
DDES, CEPA, CESPAP, CESPAO, HABITAT, UNESCO, OMM, BIRF
CAPÍTULO 5
Uso del agua en la agricultura
Tabla 5.4 (continuación) DDES, CEPA, FAO, OMS, BIRF
DDES, UNICEF, CEPA, CESPAP, PNUMA, OMS, BIRF, HABITAT
DDES, OMS, BIRF, HABITAT
4
Control de la calidad del agua subterránea
CEPA, FAO, OMS, BIRF
UNICEF, CEPA, CESPAP, PNUMA, OMS, BIRF, HABITAT
OMS, BIRF, HABITAT
5
Información sobre el uso del agua
CEPA, UNICEF, CEPE, CEPA, CEPALC, CEPE, CESPAP, CEPALC, INSTRAW, CESPAP, FAO, INSTRAW, BIRF OMS, BIRF, HABITAT
CEPA, CEPE, CEPALC, CESPAP, BIRF, HABITAT
CEPA
CEPA, CEPE, CEPALC, CESPAP, INSTRAW, BIRF
CEPA, CESPAP
CEPA, CEPE, CEPALC, CESPAP,
CEPA, CEPE, CEPALC, CESPAP, UNESCO, OMM
DDES, CEPA, UNESCO, FAO, OMM
DDES, CEPA, CESPAP, PNUMA, UNESCO, OMS, OMM, HABITAT
CEPA, CESPAP, UNESCO, FAO, OMM
CEPA, CESPAP, PNUMA, UNESCO, OMS, OMM, HABITAT
CEPA, CEPALC, CESPAP, UNESCO, OMM, FAO, BIRF
CEPA, CEPE, CEPALC, CESPAP, INSTRAW, HABITAT, UNESCO, OMM, BIRF
71
Control de la calidad del agua superficial
ORGANIZACIONES INTERNACIONALES
3
72
Tabla 5.4 (continuación) Desarrollo de los servicios de agua superficial
DDES, CEPA, CESPAP, FAO, PMA, BIRF
DDES, UNICEF, CEPA, CESPAP, OMS, PMA, BIRF, HABITAT
DDES, CEPA, BIRF, HABITAT
7
Desarrollo de los servicios de agua subterránea
DDES, CEPA, CESPAP, FAO, PMA, BIRF
DDES, UNICEF, CEPA, CESPAP, OMS, PMA, BIRF, HABITAT
8
Uso de las aguas usadas
DDES, CEPA, CEPE, FAO, BIRF
DDES, OMS
DDES, CEPA, CESPAP, BIRF
CEPA, CESPAP, BIRF
DDES, CEPA, CESPAP, CESPAO, FAO, PMA, BIRF, HABITAT, UNESCO, OMM
DDES, CEPA, CESPAP, UNESCO, OMM, FAO, PMA, BIRF
DDES, CEPA, CEPALC, CESPAP, CESPAO, PMA, UNESCO, OMM, BIRF, HABITAT
CEPA, BIRF, HABITAT
DDES, CEPA, CESPAP, UNESCO, OMM, FAO, PMA, BIRF
DDES, CEPA, CESPAP, CESPAO, PMA, BIRF, HABITAT, UNESCO, OMM
CEPA, CEPE, OMS, BIRF, HABITAT
CESPAP
DDES, CEPA, CEPE, CEPALC, CESPAP, CESPAO, HABITAT, UNESCO, OMM
CAPÍTULO 5
6
Tabla 5.4 (continuación)
9
Gestión integrada de los recursos hídricos
DDES, CEPA, ECE, CESPAP, OMS, PMA, BIRF, HABITAT
DDES, CEPA, ECE, CESPAP, OMS, BIRF, HABITAT
DDES, CEPA, ECE, BIRF
CEPA, ECE, ESCAP, BIRF
DDES, CEPA, ECE, CESPAP, CESPAO, PMA, BIRF, HABITAT, UNESCO, OMM
DDES, CEPA, ECE, CESPAP, UNESCO, FAO, OMM, PMA, BIRF
DDES, CEPA, ECE, ECLAC, CESPAP, CESPAO, PMA, BIRF, OMM, UNESCO, HABITAT
DDES, FAO, CEPA, CEPALC, CESPAP, BIRF
DDES, CEPA, CEPALC, CESPAP, INSTRAW, OMS, BIRF, HABITAT
DDES, CEPA, CEPALC, CESPAP, BIRF, HABITAT
CEPA, CESPAP, CEPALC, INSTRAW, BIRF
CEPA, CEPALC, BIRF
CEPA, CEPALC, CESPAP, FAO, UNESCO, OMM, BIRF
CEPA, CEPALC, CESPAP, FAO, BIRF, UNESCO, OMM
DDES, CEPA, CEPALC, CESPAP, INSTRAW, UNESCO, OMM, BIRF, HABITAT
ORGANIZACIONES INTERNACIONALES
10 Gestión del uso del agua
DDES, CEPA, ECE, CESPAP, FAO, OMS, PMA, BIRF
73
74
Tabla 5.4 (continuación) Gestión de las aguas residuales
CEPA, CEPE, FAO, OMS, PMA
CEPA, OMS, IBRD, HABITAT
CEPA, CEPE, OMS, BIRF, HABITAT
CEPA, CEPE, CEPALC, CESPAP, CESPAO, OMM, HABITAT, UNESCO
12
Fortalecimiento de las instituciones
CEPA, CEPALC, FAO, BIRF
UNICEF, CEPA, CESPAP, CEPALC, OMS, BIRF, HABITAT
CEPA, CEPALC, BIRF, HABITAT
CEPA, CEPALC, BIRF
CEPA, CESPAP
CEPA, CEPALC, CESPAP, BIRF, HABITAT, UNESCO, OMM
CEPA, CEPALC, UNESCO, FAO, OMM, BIRF
CEPA, CEPALC, CESPAP, CESPAO, BIRF, HABITAT, UNESCO, UNESCO, OMM
13
Legislación
DDES, CEPA, CEPE, FAO
DDES, CEPA, CEPE, OMS, HABITAT
DDES, CEPA, CEPE
DDES, CEPA, CEPE
CEPA, CEPE, CESPAP
CEPA, CESPAP, FAO, HABITAT
CEPA, FAO
DDES, CEPA, CEPE, CEPALC, CESPAP, CESPAO, FAO, BIRF, HABITAT
CAPÍTULO 5
11
Tabla 5.4 (continuación)
Enseñanza y formación profesional
CEPA, INSTRAW, FAO, OMS, PMA, BIRF
DDES, UNICEF, CEPA, CESPAP, INSTRAW, OMS, BIRF, HABITAT
15
Desarrollo de los recursos humanos
CEPA, DDES, INSTRAW, UNICEF, FAO, CEPA, OMS, CESPAP, BIRF INSTRAW, OMS, BIRF, HABITAT
CEPA, OMS, BIRF
CEPA, INSTRAW, UNESCO, BIRF
DDES, CEPA, CESPAP
CEPA, CESPAP, PMA, UNESCO, OMM, BIRF, HABITAT
CEPA, CESPAP, FAO, PMA, UNESCO, OMM, BIRF
CEPA, CEPALC, CESPAP, INSTRAW, UNESCO, OMM, BIRF, HABITAT
CEPA, BIRF, HABITAT
CEPA, BIRF
CEPA, CESPAP,
CEPA, CESPAP, BIRF, HABITAT, UNESCO, OMM
DDES, CEPA, CESPAP, UNESCO, FAO, OMM, BIRF
CEPA, CESPAP, INSTRAW, BIRF, HABITAT, UNESCO, OMM
ORGANIZACIONES INTERNACIONALES
14
75
76
CAPÍTULO 5
En las publicaciones The United Nations Organizations and Water [1] y en The United Nations Organizations and Water: Briefing Note on the Scope and Nature of the Activities of the Organizations of the United Nations System [2], figura información adicional sobre la clase de funciones que desempeña cada organización, así como la descripción del alcance y naturaleza de las actividades relacionadas con el agua de cada una de las organizaciones del sistema de las Naciones Unidas, con ejemplos de proyectos típicos que estas organizaciones han realizado. 5.4
Organización de la cooperación en el sistema de las Naciones Unidas a nivel mundial, regional y sectorial Para consolidar los respectivos cometidos e incrementar la complementariedad de los esfuerzos con el fin de asistir a países en desarrollo, las organizaciones del sistema de las Naciones Unidas tienen dispositivos formales de cooperación y colaboración en muchos programas, incluidos los relativos al agua. Como puede verse en los resúmenes de la tabla 5.5, algunos de estos dispositivos son muy amplios, abarcan todo el ámbito de desarrollo de los recursos hídricos e implican un amplio sistema de coordinación a nivel global y regional. Otros, de naturaleza sectorial, requieren una colaboración bilateral o multilateral en el marco de un aspecto particular del desarrollo de los recursos hídricos. Las referencias [1, 2] contienen más detalles sobre estos dispositivos de cooperación interorganizaciones. La intensa cooperación en el ámbito del agua se facilita a través del Grupo intersecretarías para recursos hídricos del Comité Administrativo de Coordinación de las NU, que constituye un núcleo de colaboración esencial para las actividades de las NU relativas al agua. Las OIG, enumeradas en la tabla 5.1, y las comisiones económicas regionales de las Naciones Unidas, enumeradas en la tabla 5.2, son miembros de este Grupo intersecretarías. Como ejemplo de esta cooperación interorganizaciones, el Comité de enlace mixto OMM/UNESCO sobre actividades hidrológicas permite una coordinación eficaz de las actividades pertinentes a los recursos hídricos de ambas organizaciones. Es muy importante el vínculo que existe entre la OMM y la UNESCO, y entre los programas de hidrología y recursos hídricos de ambas organizaciones [5], prueba de ello es que la UNESCO se dedica a la investigación y la educación y la OMM a la hidrología operativa y los servicios. 5.5
Organizaciones No Gubernamentales (ONG) Son organizaciones internacionales que no están establecidas por acuerdos intergubernamentales, incluidas las organizaciones que aceptan miembros designados por las autoridades gubernamentales, a condición de que dicha participación no impida la libre expresión de las opiniones de la organización. En la tabla 5.6 figuran, en orden alfabético en inglés las ONG que se ocupan de la hidrología y los recursos
77
ORGANIZACIONES INTERNACIONALES
Estados y Territorios Miembros
UNESCO Conferencia General
Consejo Ejecutivo
UNESCO ORCYT y oficinas fuera de la sede
Congreso de la OMM
Asociaciones Regionales
Consejo Ejecutivo
Grupos de trabajo sobre hidrología Consejo Mesa
Grupos de trabajo
Secretaría Programa Hidrológico Internacional
ONG internacionales
Comisión de Hidrología
Secretaría Comité de enlace mixto UNESCO/ OMM sobre actividades hidrológicas Grupo intersecretarías NU/CAC para recursos hídricos
NU y otras organizaciones
Comisiones Técnicas
Grupos de trabajo y ponentes
Programa de Hidrología y Recursos Hídricos
Donantes
Enlaces organizacionales entre la OMM y la UNESCO
hídricos: las organizaciones pueden pertenecer a cualesquiera de las siguientes categorías: a) federaciones de organizaciones internacionales; b) organizaciones mundiales; c) organizaciones intercontinentales; d) organizaciones regionales; e) organismos semiautónomos; y f) organizaciones especiales. La presentación de la tabla 5.6 es como sigue: a) columna 1: nombre de la organización; b) columna 2: siglas; c) columna 3: dirección de la organización; la dirección indicada es la de la secretaría internacional o del contacto principal que se conoce para 1992. Algunas secretarías pueden cambiar de dirección en función de las modificaciones de la composición de los órganos rectores.
78
TABLA 5.5 Disposiciones tomadas para coordinar el desarrollo de los recursos hídricos en el marco del sistema de las Naciones Unidas (nivel mundial y regional) y a nivel sectorial (cooperación bilateral o multilateral)* Organismo Subcomité de Recursos Hídricos del Comité Administrativo de Coordinación (SCRH-CAC)
Coordinación general en todo el ámbito del agua
Organizaciones interesadas Todas las organizaciones que participan en actividades relativas al agua
1. Garantizar el seguimiento del plan de acción de Mar del Plata 2. Fomentar la planificación y el examen común de los programas relativos al agua. 3. Promover la cooperación en la ejecución de las actividades relacionadas con el agua a nivel nacional y regional
Comité de dirección para el abastecimiento de agua y el saneamiento
Coordinación de las actividades relativas al abastecimiento del agua y las medidas de saneamiento
Términos del acuerdo:
1. Fomentar el abastecimiento de agua y el saneamiento a nivel global, sobre todo en el marco de los programas de las organizaciones del sistema de las Naciones Unidas y de la gestión y la planificación de los recursos hídricos y del medio ambiente. 2. Controlar continua y efectivamente las necesidades y tomar las medidas necesarias para alcanzar los objetivos nacionales, regionales y globales. 3. Garantizar la consulta la continua y efectiva entre las organizaciones del sistema de las Naciones Unidas mediante el intercambio de información sobre políticas, programas, criterios y métodos adoptados, y la difusión de información.
* Stituación en 1992.
NU, comisiones regionales, UNICEF, PNUD, PNUMA HABITAT, IIICPM, FAO, UNESCO, OMS, BIRF, OMM, CRI
CAPÍTULO 5
Términos del acuerdo:
Objetivo
Tabla 5.5 (continuación) Grupo especial interinstitucional Asia y el Pacífico
Oficiales designados para ocuparse de cuestiones sobre el medio ambiente
Términos del acuerdo:
CESPAP, NU/DDES, PNUMA, UNICEF, UNIDO, PNUD, FAO, BIRF, OIT, UNESCO, OMS, OMM, CRI, BID, Comité MEKONG
Fomentar la cooperación entre organizaciones en el ámbito de los recursos hídricos a nivel regional Coordinar en el sistema de las Naciones Todas las organizaciones involucradas Unidas, las actividades efectuadas en materia de medio ambiente, incluidas las realtivas al desarrollo de los recursos hídricos Promover la cooperación entre organizaciones Proporcionar productos alimentarios para proyectos cuyo objetivo es promover el desarrollo social y económico, y el riego
FAO y Programa Mundial de Alimentos de las NU
Términos del acuerdo:
Movilizar y distribuir productos alimentarios y otros suministros para: 1. Garantizar el desarrollo de los recursos humanos destinados a los programas sobre la alimentación infantil y el almuerzo escolar 2. El establecimiento o el desarrollo de la infraestructura
Programa de cooperación entre el Banco Mundial y la FAO
Determinar los proyectos y tomar medidas Banco Mundial y FAO. necesarias para la inversión en la agricultura
Términos del acuerdo:
Combinar los recursos y la experiencia del personal de ambas organizaciones para identificar y preparar los proyectos de inversión financiados por el Banco Mundial; la FAO contribuye por intermedio de su Centro de Inversión
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FAO/Programa Mundial de Alimentación
ORGANIZACIONES INTERNACIONALES
Términos del acuerdo:
Todo el ámbito del agua
Programa de cooperación entre el Banco Mundial y la UNESCO Términos del acuerdo:
Acuerdos de trabajo entre el Banco Mundial y la OMS para el abastecimiento de agua y el saneamiento Términos del acuerdo:
Términos del acuerdo:
Acuerdos de trabajo entre el Banco Mundial y el FIDA Términos del acuerdo:
Identificar el proyecto para realizar las inversiones en el sector educativo
Banco Mundial y UNESCO
Emprender conjuntamente la evaluación y la preparación de un proyecto en el ámbito de la educación Actividades previas a la inversión relativas al OMS y Banco Mundial abastecimiento de agua, eliminación de desechos, y evacuación del agua debida a una tormenta Iniciar conjuntamente estudios y misiones previos a la inversión en los países en desarrollo Miembros de ambas Organizaciones Identificación de proyectos y preparación de pequeñas empresas industriales que requieren mucha mano de obra
Banco Mundial y ONUDI
Estudios y misiones mixtas para evaluar y preparar proyectos, dando mayor importancia a la ayuda al empleo, la creación de pequeñas empresas manufactureras y de construcción que necesitan gran cantidad de mano de obra, sobre todo las pequeñas plantas hidroeléctricas Preparación y evaluación de proyectos relativos a la agricultura y al desarrollo rural
Banco Mundial y FIDA
El Banco Mundial asiste en la preparación, evaluación y supervisión de proyectos financiados por el FIDA (o financiados conjuntamente por el FIDA y el Banco Mundial
CAPÍTULO 5
Banco Mundial/ONUDI
80
Tabla 5.5 (continuación)
Tabla 5.5 (continuación) Cooperación a largo plazo en el ámbito de la hidrología
Términos del acuerdo:
1. Mantener y desarrollar la colaboración en todo el ámbito de la hidrología 2. Establecer estrecha cooperación con sus respectivos programas hidrológicos (el PHO de la OMM y el PHI de la UNESCO)
Acuerdos de trabajo entre la FAO y la OMM en el ámbito de la hidrología y los recursos hídricos
La hidrología y sus aplicaciones en la agricultura
Términos del acuerdo:
UNESCO y OMM.
FAO y OMM
División general de responsabilidades entre las dos Organizaciones para la recopilación y el análisis de datos hidrológicos y meteorológicos Establecimiento de procedimientos para colaborar y tomar medidas a fin de prevenir y luchar contra las enfermedades transmitidas por vectores
FAO, OMS, PNUMA. Se prevé también la cooperación de otras organizaciones.
Términos del acuerdo:
1. Celebrar reuniones para examinar las actividades de los programas e identificar las medidas que se han de tomar; 2. Intercambio de información, datos sobre proyectos e instrucciones sobre países; 3. Preparación de normas y formación profesional
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Memorándum de entendimiento OMS/ FAO/PNUMA relativo a la protección contra las enfermedades transportadas por el agua durante las mejoras del abastecimiento de agua a la agricultura
ORGANIZACIONES INTERNACIONALES
Acuerdos de trabajo en el ámbito de la hidrología y cooperación a largo plazo entre las Secretarías de la UNESCO y la OMM
Memorándum de entendimiento FAO/ OMS relativo al abastecimiento de agua y el saneamiento del agua en las zonas rurales y el desarrollo de la agricultura Términos del acuerdo:
Términos del acuerdo:
Comité Mixto ONUDI/PNUMA
Términos del acuerdo:
Capacitación de trabajadores de divulgación rural e integración de cuestions sobre el abastecimiento de agua y el saneamiento en programas de desarrollo rural
FAO y OMS, y la cooperación de otras organizaciones, si procede
1. Planificación y ejecución conjunta de proyectos relativos al abastecimiento de agua potable y al de riego en zonas rurales 2. Realización de estudios y formación profesional en la aplicación de técnicas adecuadas y en los beneficios del abastecimiento de agua y el saneamiento en zonas rurales Programas relacionados con la hidrología y el desarrollo de los recursos hídricos
FAO, UNESCO
1. Consultas regulares para unificar la planificación de los programas de trabajo sobre cuestiones comunes a las dos Organizaciones; 2. Intercambio de asesoramiento e información en materia de hidrología y de recursos hídricos
Coordinación de las actividades relacionadas con el uso industrial del agua y los aspectos ambientales del desarrollo industrial
ONUDI, PNUMA.
El Comité se reúne una vez al año para coordinar las actividades
CAPÍTULO 5
Acuerdos de colaboración entre las Secretarías de la FAO y la UNESCO en el ámbito de la hidrología y recursos hídricos
82
Tabla 5.5 (continuación)
TABLA 5.6 Organizaciones internacionales no gubernamentales (ONG) que se ocupan de hidrología y los recursos hídricos* Organismo
Abreviatura
Dirección
AIH
National Rivers Authority, 550 Steetsbrook Road, Solihul, West Midlands, B91 1QT, Reino Unido
International Association of Sedimentologists
IAS
Université de Liège, Place du Vingt-Août 7, B-4000 Liège, Bélgica
Asociación Internacional de Limnología Teórica y Aplicada
SIL
Sil Secretariat/Central Office, Department of Biological Sciences, University of Alabama, Tuscaloosa, Alabama 35487-0344, EE.UU.
Asociación Internacional de Derecho de Aguas
AIDA
Via Montevideo 5, I-00198 Roma, Italia
Asociación Internacional de la Calidad del Agua
AICA
Alliance House, 29-30 High Holborn, Londres WC1V 6BA, Reino Unido
Consejo Internacional de Uniones Científica – Comité de Investigaciones Espaciales – Comité de Ciencia y Tecnología en Países en Desarrollo – Comité sobre Datos para la Ciencia y la Tecnología – Comité Científico de Investigaciones Hidrológicas (CIUC-UATI) – Comité Científico sobre Problemas del Medio Ambiente
CIUC COSPAR COSTED
Bd. de Montmorency 51, F75016 París, Francia véase CIUC véase CIUC
CODATA COWAR
véase CIUC CHO-TNO, P.O. Box 6067, 2500 JA, Delft, Países Bajos véase CIUC 83
* Situación en 1992.
SCOPE
ORGANIZACIONES INTERNACIONALES
Asociación Internacional de Hidrogeólogos
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Tabla 5.6 (continuación)
UGI
University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canadá T6G 2H4
International Institute por Applied Systems Analysis
IIASA
A-2361 Laxenburg, Austria
International Association on Water Pollution Research
IAWPRC
1 Queen Anne’s Gate, Londres SW1H 9BT, Reino Unido
Organización Internacional de Normalización
ISO
1, rue de Varembé, CH-1211 Ginebra 20, Suiza
Sociedad Internacional de Ciencia del Suelo
SICS
P.O. Box 353, 9 Duivendaal, 6700 AJ Wageningen, Países Bajos
Centro Internacional de Formación en Gestión de los Recursos Hídricos
ITCWRM (CEFIGRE)
BP 13, Sophia Antipolis, F-06561 Valbonne CEDEX, Francia
Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza y de los Recursos Naturales
UICN
Avenue du Mont-Blanc, CH-1196 Gland, Suiza
Unión Internacional de Geodesia y Geofísica (miembro del CIUC) – Asociación Internacional de Ciencias Hidrológicas – Asociación Internacional de Meteorología y Física Atmosférica
IUGG
Observatoire Royal, avenue Circulaire 3, B-1180 Bruselas, Bélgica P.O. Box 6067, 2500 JA, Delft, Países Bajos National Centre for Atmospheric Research , P.O. Box 3000, Boulder, CO 80307 EE.UU.
Unión Internacional de Ciencias Geológicas (miembro del CIUC)
UICG
AICH AIMFA
Maison de la Géologie, Rue Claude-Bernard 77, F-75005 París, Francia
CAPÍTULO 5
Unión Geográfica Internacional (miembro del CIUC)
AIREH
University of Illinois, 205 North Mathews Avenue, Urbana, IL 61801 EE.UU.
Asociación Internacional de Distribución del Agua
IWSA
1 Queen Anne’s Gate, London SW1H 9BT, Reino Unido.
Unión de Asociaciones Técnicas Internacionales (miembro del CIUC)
UITA
UNESCO, 1 rue Miollis, F-75015 París, Francia.
Comisión Internacional de Ingeniería Agrícola
CIGR
CHO-TNO, P.O. Box 6067, 2600 JA Delft, Países Bajos.
Unión Internacional de Química Pura y Aplicada
IUPAC
Bank Court Chambers, 2-3 Pound Way, Templars Square, Cowley, Oxford OX4 3YF, Reino Unido.
– Asociación Internacional de Investigaciones Hidráulicas AIIH
Rotterdamseweg 185, P.O. Box 177, 2600 MH Delft, Países Bajos.
– International Commission on Large Dawns
ICOLD
Bd. Haussmann 151, F-75008 París, Francia.
– Comisión Internacional de la Irrigación y Saneamiento
ICID
48 Nyaya Marg, Chanakyapuri, Nueva Delhi 110021, India.
– World Energy Conference
WEC
34 St. James Street, London SW1A 1HD, Reino Unido.
Asociación Internacional Permanente de los Congresos de Navegación
PIANC
WTC-Tour 3, 26e étage, Boulevard S. Bolivar 30, B-1210 Bruselas, Bélgica
ORGANIZACIONES INTERNACIONALES
Asociación Internacional de Recursos Hídricos
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86
CAPÍTULO 5
5.6
Cooperación institucional en cuencas fluviales y lacustres internacionales Existen numerosos acuerdos y tratados internacionales relativos al uso común de ríos internacionales y aguas limítrofes, y muchos de dichos acuerdos y tratados son el resultado de una cooperación institucional entre los países interesados. La lista de las principales instituciones internacionales de esta clase figura, según las regiones de la OMM, en el Manual INFOHYDRO [6]. Referencias 1. Naciones Unidas, 1982: The United Nations Organizations and Water, 8300237, Nueva York. 2. Naciones Unidas, 1992: The United Nations Organizations and Water: Briefing Note on the Scope and Nature of the Activities of the Organizations of the United Nations System. 3. Naciones Unidas, 1992: Conferencia Internacional sobre el Agua y el Medio Ambiente. El desarrollo en la perspectiva del siglo XXI. Declaración de Dublín e Informe de la Conferencia, 26-31 de enero de 1992, Dublín, Irlanda. 4. Naciones Unidas, 1992: Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo (CNUMAD). Programa 21, Río de Janeiro, Brasil. 5. Organización Meteorológica Mundial/Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura, 1991: Progress in the implementation of the Mar del Plata Action Plan and a strategy for the 1990s. Report on Water Resources Assessment. 6. Organización Meteorológica Mundial, 1987: Servicio de información y referencias hidrológicas — Manual INFOHYDRO. Informe de hidrología operativa Nº 28, OMM – Nº 683, Ginebra.
PARTE B INSTRUMENTOS HIDROLÓGICOS Y MÉTODOS DE OBSERVACIÓN Y DE ESTIMACIÓN CAPÍTULO 6 RESUMEN DE LOS INSTRUMENTOS HIDROLÓGICOS Y MÉTODOS DE OBSERVACIÓN 6.1 El ciclo hidrológico como materia de observación El agua se encuentra en la Tierra en cantidades considerables en sus tres estados físicos: líquido, sólido y gaseoso. Se encuentra también en los tres principales ambientes accesibles al hombre: la atmósfera, los mares y océanos, y los continentes. Como el agua pasa fácilmente de un ambiente a otro y de una fase a otra, según el entorno, es una materia dinámica tanto en espacio como en tiempo. El ciclo hidrológico se puede considerar, desde un punto de vista conceptual, como un sistema con diversas variables: unas representan las transferencias hídricas y otras las masas de agua presentes en los espacios donde se pueden acumular. El ciclo hidrológico se resume en la figura de abajo. En general, la ciencia de la hidrología no abarca todo el ciclo hidrológico, sino que se limita a la parte continental del ciclo y a sus interacciones con los océanos y la atmósfera. En vista de que el hombre pasa una gran parte de su tiempo en la superficie terrestre, y de que el agua es a la vez indispensable para la vida y un peligro potencial para la misma, el conocimiento hidrológico es inestimable para la supervivencia de la humanidad y su bienestar. Una manera frecuente de adquirir este conocimiento es realizando mediciones puntuales de los almacenamientos y caudales de agua en el tiempo y el espacio. El análisis o la síntesis de estas mediciones o datos constituyen el conocimiento o la información en hidrología. La parte D de esta Guía, versa sobre el análisis hidrológico. Dos de las ecuaciones básicas que describen la física del ciclo hidrológico se aplican también a los sistemas utilizados para hacer mediciones de sus propiedades transitorias: 1) la ecuación de continuidad de la masa y 2) la ecuación de la continuidad de la energía. Por ejemplo, una forma de la ecuación para la continuidad de la masa: Q = AV
(6.1)
a menudo sirve como base para determinar el flujo en una corriente o un canal. En la ecuación 6.1, Q es el flujo instantáneo a través de una sección transversal de un canal con un área A, y V la velocidad media de la corriente. Con frecuencia, el flujo, llamado también caudal, no se puede medir directamente en los ríos, incluso en pequeñas corrientes de agua. Por otra parte, la superficie de la sección transversal se
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CAPÍTULO 6
puede medir mediante un muestreo de las dimensiones espaciales y las velocidades utilizando molinetes. De esta manera, la ecuación 6.1, que se describe en detalle en el capítulo 11, permite determinar el caudal de los ríos, incluso los más grandes del mundo. Otro ejemplo de la función de la ecuación de la continuidad de la masa se refiere a la evaporación del agua de un lago. En este ejemplo, la ecuación toma la forma: P + I - O - E = ∆S
(6.2)
Nubes de lluvia Formación de nubes
PRECIPITACIONES EVAPORACIÓN
Escorrentía superficial Infiltración
SUELO ROCA Percolación profunda
Agua subterránea
OCÉANO
El ciclo hidrológico es un sistema cerrado en el interior del cual circula el agua. Todo el sistema funciona por el exceso de radiaciones solares descendentes con respecto a las radiaciones ascendentes. El ciclo está compuesto de los siguientes subsistemas: atmosférico, escorrentía superficial y subterránea.
Concepto general del ciclo hidrológico
RESUMEN DE LOS INSTRUMENTOS HIDROLÓGICOS
89
donde P es la cantidad de precipitaciones que caen sobre la superficie del lago durante un período de observación, I y O el agua superficial y subterránea que entra y sale, respectivamente, en este período, E la cantidad de agua evaporada desde la superficie del lago, y ∆S la variación en el volumen de agua del lago durante el período considerado. Las precipitaciones se pueden medir según las técnicas descritas en el capítulo 7; las entradas y salidas de agua se pueden medir usando las técnicas descritas en los capítulos 10, 11, 12 y 16; las variaciones en el volumen de agua del lago se pueden calcular en función de la diferencia de nivel de la superficie del lago al inicio y al final del período de observación. El capítulo 10 versa sobre la medición del nivel de agua. Al obtener cuatro de los cinco términos de la ecuación 6.2, por medición u observación, el quinto término, la evaporación, se deduce algebraicamente. La exactitud de la evaporación que se obtiene con la ecuación 6.2 depende de la de los otros cuatro términos. El resultado, con frecuencia, no es satisfactorio cuando es difícil medir uno o varios de esos términos. En ese caso, se recomienda utilizar la ecuación de la continuidad de la energía para estimar la evaporación a partir de la energía requerida para que el agua pase de la fase líquida a la fase de vapor. El capítulo 9 contiene directrices sobre este enfoque. Además de los temas antes mencionados, esta parte de la Guía contiene instrucciones sobre la estimación de la capa de nieve y sus propiedades (capítulo 8), la medición del caudal de sedimentos (capítulo 13), la medición de la humedad del suelo (capítulo 15) y el análisis de la calidad del agua (capítulo 17). Al limitar el volumen de la Guía se debe restringir su contenido. Con el fin de obtener información más detallada sobre los temas tratados, el lector puede consultar: para la medición del caudal, el Manual de Aforos de Caudales [1] y para el análisis de muestra, la Guía operativa del SIMUVIMA–Agua [2]. Si bien las normas internacionales existentes de la ISO no son obligatorias, se ruega al lector que se refiera a las normas internacionales de esa Organización relativas a los métodos para medir caudales líquidos en canales abiertos. La ISO ha establecido más de 26 normas [3] para varios tipos y métodos de mediciones. Se pueden encontrar también referencias importantes en las actas de los simposios, seminarios y cursillos internacionales sobre hidrometría, organizados por la AICH, la OMM y la UNESCO. Esta parte de la Guía cubre una amplia gama de instrumentos y métodos de observación de variables hidrológicas. En la práctica, la mayoría de los métodos de medición que se describen en esta Guía se sigue utilizando, a pesar del advenimiento de nuevas técnicas. La selección de las nuevas técnicas se debe hacer a partir de una variedad, constantemente en aumento, de instrumentos y métodos de observación. Los Servicios Hidrológicos tienen la tendencia de retrasar la adopción de nuevas técnicas debido a los gastos que ocasiona la compra del equipo y la formación del personal. Prefieren, en general, mantener una cierta homogeneidad en los
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CAPÍTULO 6
instrumentos para reducir al mínimo los gastos de capacitación del personal y el mantenimiento de los equipos. 6.2 Técnicas emergentes Los capítulos siguientes de esta parte de la Guía se refieren a las técnicas probadas y de uso corriente en muchas partes del mundo. Sin embargo, como se indicó antes constantemente surgen nuevas técnicas. En esta sección se hace un breve resumen de estas técnicas para que los Servicios Hidrológicos se mantengan informados de las posibilidades que éstas ofrecen. 6.2.1 Teledetección En el ámbito de las mediciones hidrológicas se usan a menudo dos tipos de técnicas de teledetección: técnica activa (mediante la emisión de un haz de radiación artificial hacia un objetivo, y el análisis de la respuesta del objetivo), o pasiva (mediante el análisis de la radiación natural de un objeto). En los métodos activos, la radiación es electromagnética de alta frecuencia (radar) o acústica (dispositivos ultrasónicos). El aparato se instala en el suelo (radar ultrasónico) en aviones o en satélites (radar). Los dispositivos ópticos (láser) todavía no se utilizan con mucha frecuencia en hidrología. La teledetección activa se utiliza generalmente para la medición de zonas, pero puede también usarse para mediciones puntuales (dispositivos ultrasónicos). En los métodos pasivos, la radiación es electromagnética (desde el infrarrojo hasta el violeta y muy pocas veces el ultravioleta). Las aplicaciones más corrientes se realizan con un analizador multiespectro, que es aerotransportado, y más frecuentemente instalado en un satélite. La medición con este método se realiza siempre en una zona determinada. El radar se usa actualmente para medir la intensidad de la lluvia en una superficie dada. Otros usos de la teledetección están todavía muy limitados en hidrología; se utilizan, sin embargo, en la medición de masas de agua y en la extensión de las inundaciones. Además, el uso de hiperfrecuencias (microondas) podría ofrecer algunas posibilidades para medir la humedad del suelo. 6.2.2 Microelectrónica Una visión general de la fabricación, características técnicas, adquisición y mantenimiento de productos microelectrónicos, da una idea de la posible aplicación en la instrumentación hidrológica. No es necesario que un Servicio Hidrológico tenga experiencia en el diseño y fabricación de instrumentos hidrológicos basados en la microelectrónica. La industria de la microelectrónica es muy dinámica; todos los años aparecen nuevos componentes y dispositivos electrónicos que presentan empresas recientemente implantadas. Cada año salen al mercado nuevos productos comerciales, siem-
RESUMEN DE LOS INSTRUMENTOS HIDROLÓGICOS
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pre más numerosos y variados, y con frecuencia más baratos. Esto se debe a las nuevas técnicas de fabricación y de creación de diseños, así como a la economía de escala que permite reducir el precio de costo de la producción en grandes cantidades. El precio unitario bajo se obtiene porque el costo del diseño y la preparación de la fabricación se distribuye entre numerosas unidades. Es muy importante saber también que todos los años se interrumpe la producción de numerosos componentes y productos existentes. Desafortunadamente, la demanda de instrumentos hidrológicos es en general muy pequeña, en comparación con otros mercados. Por lo tanto, el costo de dichos instrumentos no se beneficia de la economía de escala al mismo nivel que muchos otros productos. Asimismo, es necesario que los instrumentos hidrológicos funcionen automáticamente, con corriente eléctrica de baja potencia y en un entorno que pueda incluir una amplia gama de temperaturas, grados de humedad, polvo y otros factores ambientales. Esto incrementa mucho el costo unitario. Otros aparatos microelectrónicos que han sido diseñados para usarlos en situaciones rigurosas, como los de uso militar, están con frecuencia en un orden de costos que supera las posiblidades de muchos Servicios Hidrológicos. Existe en el mercado una extensa serie de instrumentos hidrológicos producidos en su mayoría por pequeñas o medianas empresas especializadas. Cada empresa publica una documentación sobre el funcionamiento, las interfases y las normativas ambientales impuestas a los instrumentos. Es responsabilidad del usuario, cuando acepta el instrumento, verificar que éste responda eficazmente a las normas prescritas. 6.2.3 Microprocesadores Técnicamente, los microprocesadores son computadoras. Su introducción en las actividades de recopilación de datos hidrológicos tuvo lugar a mediados de los años 70 con la fabricación de plataformas de recopilación de datos (PRD) para la adquisición y transmisión de datos hidroclimáticos. El uso de microprocesadores permite: a) corregir, en tiempo real, las señales indicadas por el sensor; b) obtener sobre el terreno una primera información a partir de datos en bruto (por ejemplo cálculo de la media y extracción de extremos); c) convertir la señal de un sensor en otro parámetro (por ejemplo nivel de agua en caudal mediante la aplicación de la curva de caudales); d) variar el programa de medición (por ejemplo la frecuencia de acuerdo al valor del parámetro). Los microprocesadores son también muy útiles ya que facilitan la aplicación de otros métodos de medición (por ejemplo el método del bote móvil para mediciones de caudal), así como para realizar en tiempo real diversas operaciones de cálculo de datos.
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CAPÍTULO 6
6.2.4 Registradores automáticos de varios parámetros Las características de funcionamiento de los registradores automáticos de varios parámetros incluyen la medición, el almacenamiento y el control y, para muchos registradores, la telemetría de datos hidrológicos. Estas tres funciones se reflejan en la estructura de estos instrumentos. Como su nombre lo indica, los registradores automáticos de varios parámetros están diseñados para integrar datos procedentes de dos o más subsistemas de mediciones, con un subsistema de almacenamiento y control. El registrador debe interactuar con otros factores exteriores, como el sistema de suministro de energía eléctrica, el ambiente hidrológico propiamente dicho, la pantalla de visualización de datos y los operadores que dan inicio o ponen en funcionamiento de rutina el subsistema. La función de un subsistema de medición hidrológica es captar una señal específica del agua y convertirla en un dato adecuado para ser visualizado, registrado o procesado. Por ejemplo, la medición mecánica del nivel del agua se obtiene con un flotador conectado a una plumilla que marca sobre una banda registradora, o una perforadora de cinta de papel, mientras que los sistemas microelectrónicos generan una señal eléctrica. Los datos que suministran los aparatos mecánicos también se pueden observar directamente en una pantalla. Otros subsistemas más recientes, utilizan otras técnicas de medición. Los subsistemas de almacenamiento y control de los registradores aceptan señales de dos o más subsistemas de medición y las almacenan en un formato adecuado para la recuperación, el análisis o la telemetría. Estas señales se pueden transmitir continuamente o a intervalos de tiempo fijos o irregulares. La transferencia de datos se puede ordenar de cualquier parte de las interfases entre los subsistemas. La comunicación de los datos a través de las interfases debe estar claramente definida para cada subsistema y éstos deben ser compatibles. Muchos subsistemas modernos de almacenamiento y control pueden realizar análisis complejos de datos en tiempo real y usar estos análisis para calcular información derivada, compactar datos o iniciar una acción. Por ejemplo, con algunos subsistemas se pueden recopilar datos en condiciones que cambian rápidamente, como la velocidad y la dirección del viento (un conjunto de parámetros muy variables), y calcular y almacenar datos estadísticos, en vez de valores discretos. El subsistema puede tomar el control automático en función de los valores recibidos. Los subsistemas modernos son capaces de enviar señales de control al subsistema de medición para aumentar la frecuencia de las medidas, o enviar señales al subsistema telemétrico para iniciar los avisos o mensajes de alerta que se transmiten. Asimismo, algunos registradores de datos multiparámetros equipados con telemetría pueden tener un sistema de funcionamiento que se controla a distancia, a través del subsistema telemétrico. Los subsistemas hidrológicos de telemetría consisten también en tres elementos: un equipo de detección sobre el terreno, un medio de comunicación, como el teléfono
RESUMEN DE LOS INSTRUMENTOS HIDROLÓGICOS
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o enlaces de radiocomunicación, y las estaciones de recepción. El equipo de detección sobre el terreno es un registrador de datos de varios parámetros como el antes definido. Los párrafos siguientes tratan del subsistema de telemetría sobre el terreno. En algunos modelos, se ha previsto una comunicación bidireccional entre una estación hidrológica a distancia y una estación central de recepción. En otros modelos, el sistema sólo acepta una comunicación unidireccional desde la estación a distancia hasta la estación central de recepción. En el primer caso, la estación se interroga y se le ordena transmitir los datos. En el segundo caso, la estación inicia una transmisión después de un tiempo determinado o cuando el dato hidrológico excede una condición límite. Se puede controlar la transmisión de manera que se produzca a intervalos fijos o aleatorios. Los subsistemas hidrológicos actuales de telemetría comunican por microondas, radio o teléfono. La transmisión por microondas requiere un enlace visual directo, mientras que la transmisión por radio puede ser visual directa o retransmitida mediante un enlace de transmisión en tierra o instalado a bordo de un satélite de órbita terrestre. En los subsistemas telemétricos es necesario que el sistema instalado a distancia satisfaga las normas del medio de comunicación utilizado. Por ejemplo, como las calidades particulares de líneas telefónicas sólo pueden aceptar algunas velocidades de comunicación de datos, el subsistema telemétrico debe ajustarse a esas velocidades de transmisión. Asimismo, el uso de un satélite como relé para la transmisión telemétrica de datos requiere que el sistema a distancia emita los datos dentro de los límites bien definidos de potencia y frecuencia, y según otras normas de comunicación propias al satélite, que determina el operador del satélite. Las características de los registradores automáticos de datos de varios parámetros son los componentes materiales, los programas informáticos y las características físicas como el tamaño, el peso y la potencia eléctrica. El microprocesador, los circuitos, y otros componentes físicos de estos registradores forman lo que se denomina hardware; y el principal componente es el microprocesador (véase la sección 6.2.3). Los primeros microprocesadores comercializados podían procesar de cuatro a ocho bits de información a la vez, y se conocían como microprocesadores de 4 a 8 bits. Más adelante se introdujeron en el mercado los microprocesadores de 16 a 32 bits. Los microprocesadores utilizados en los registradores de datos de varios parámetros hidrológicos deben tener una secuencia de instrucciones muy bien definidas (programas) para determinar las operaciones de los registradores. Estas instrucciones definen muchas facetas del funcionamiento interno del sistema, así como la manera en que el microprocesador funciona con otros elementos del hardware. El programa informático determina cómo el microprocesador mantiene el tiempo, cómo y a qué frecuencia
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CAPÍTULO 6
envía los datos a los dispositivos de almacenamiento de datos o al subsistema telemétrico, y todas las múltiples tareas que debe realizar. La programación del funcionamiento de un registrador de datos se realiza por medio de un dispositivo separado o por interruptores, o un teclado diseñado como parte integrante del subsistema de almacenamiento y control. En la actualidad, los registradores automáticos de datos de varios parámetros son pequeños y ligeros en comparación con los instrumentos tradicionales de recopilación de datos hidrológicos que sustituyen. Gracias a su pequeño tamaño y a las bajas exigencias de potencia eléctrica, con frecuencia funcionan con baterías y se pueden instalar en pequeñas garitas protegidas de la intemperie. Muchos de ellos tienen una pantalla, lo que permite, en la visitas de técnicos o hidrológos, evaluar el estado de funcionamiento y revisar la calidad de los datos recopilados. Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1980: Manual on Stream Gauging. Volúmenes I y II, Informe de hidrología operativa Nº 13, OMM–Nº 519, Ginebra. 2. Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente/Organización Mundial de la Salud/Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura/Organización Meteorológica Mundial, 1992: Global Environment Monitoring System (GEMS)/Water Operational Guide. Canada Centre for Inland Waters, Burlington, Ontario. 3. Organización Internacional de Normalización, 1983: Measurement of Liquid Flow in Open Channels. ISO Standards Handbook 16, Ginebra.
CAPÍTULO 7 MEDICIÓN DE LAS PRECIPITACIONES
7.1 Condiciones generales 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. En este capítulo se examinan las facetas de la medición de precipitaciones más importantes para las prácticas hidrológicas. La Guía de Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos [1] contiene más información sobre este tema. 7.2 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 efecto 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: efectos sobre el instrumento mismo, que en general reducen la cantidad de agua recogida, y efectos del emplazamiento sobre la trayectoria del viento, a menudo más importantes 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
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CAPÍTULO 7
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. Deben evitarse, como protección para el pluviómetro, objetos como rompevientos consistentes en una sola hilera de árboles, pues tienden a aumentar la turbulencia en el sitio del pluviómetro. También debe evitarse la protección aislada o irregular cerca del pluviómetro, debido a los efectos variables e impredecibles que puedan tener sobre lo que éste capte. Cuando no sea posible garantizar una protección adecuada contra el viento, es mejor suprimir todos los obstáculos situados a una distancia del instrumento igual a cuatro veces sus respectivas alturas. Asimismo, deberá elegirse un emplazamiento cubierto de la fuerza del viento para impedir los errores de mediciones que se puedan originar por este motivo. Siempre habrá que actuar con precaución, de modo que el emplazamiento elegido no produzca perturbaciones significativas en el flujo del viento. Convendrá evitar las pendientes y los suelos fuertemente inclinados en una dirección (sobre todo si ésta coincide con la del viento predominante). El terreno circundante puede estar cubierto de césped, grava, o ripio, pero una superficie plana y dura como la de cemento origina salpicaduras excesivas. La boca del pluviómetro debe hallarse lo más baja posible con relación al suelo (la velocidad del viento aumenta con la altura), pero ha de estar al mismo tiempo lo suficientemente elevada para evitar que el agua que cae al suelo salpique el pluviómetro. En las regiones donde la nieve es escasa y donde no hay peligro de que las inmediaciones del pluviómetro estén cubiertas por charcos de agua, incluso en caso de lluvias intensas, se recomienda una altura normalizada de 30 centímetros. Si no se cumplen estas condiciones, se recomienda una altura normalizada de un metro. En lugares expuestos, en los que no se dispone de una protección natural, se ha observado que se pueden obtener mejores resultados, al medir las precipitaciones líquidas, si el pluviómetro se instala en un pozo, de modo que su borde esté a nivel del suelo (figura 7.1). El pozo se cubre con una rejilla antisalpicaduras, de plástico fuerte o metal, con una abertura central para el embudo del pluviómetro. La rejilla antisalpicaduras debe componerse de finos listones de unos 12,5 cm de largo, colocados
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MEDICIÓN DE LAS PRECIPITACIONES
verticalmente con un espaciamiento de unos 12,5 cm en un modelo simétrico cuadrado. La zona que rodea al pluviómetro deberá estar nivelada y libre de obstrucciones importantes, por lo menos, en 100 metros hacia todas las direcciones. Otra posible instalación, pero no tan efectiva, sería instalar el pluviómetro en el centro de un muro circular de césped. La pared interior del muro deberá ser vertical, con un radio de cerca de 1,5 metros. La pared exterior deberá inclinarse en un ángulo de unos 15° con respecto a la horizontal. La parte superior del muro debe estar al mismo nivel que la boca del pluviómetro. Deberán tomarse medidas para el drenaje. Debe tenerse en cuenta que el pluviómetro de pozo está previsto para medir precipitaciones líquidas y que no debe usarse en mediciones de nevadas. Otro medio de modificar las inmediaciones del pluviómetro consiste en disponer pantallas apropiadas en torno al instrumento. Cuando están bien concebidas, estas pantallas permiten obtener resultados mucho más representativos que los que se consiguen con los pluviómetros no protegidos, totalmente expuestos al viento. La protección ideal debe: a) asegurar un flujo de aire paralelo a la boca del pluviómetro; b) evitar toda aceleración local del viento sobre la boca del pluviómetro; c) reducir en lo posible la velocidad del viento que azota lateralmente el pluviómetro; en estas condiciones, la altura de la boca del pluviómetro por encima del suelo reviste mucha menos importancia; d) evitar toda salpicadura en dirección de la boca del pluviómetro; en estas condiciones, la altura de la boca del pluviómetro por encima del suelo reviste mucha menos importancia; e) evitar que la nieve obstruya la boca del pluviómetro.
; ;
E
C
N
D
B C D E N
v v v v v
B
5 cm 5 cm 60 cm 60 cm 30 cm
Figura 7.1 — Pluviómetro enterrado para medir las precipitaciones líquidas
98
CAPÍTULO 7
La precipitación en forma de nieve está mucho más condicionada a los efectos adversos del viento que la lluvia. En lugares excepcionalmente ventosos, la captación en un 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. 7.3 Pluviómetros no registradores 7.3.1 Generalidades 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. 7.3.2 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 de 1 000 cm2. Es conveniente que el diámetro del tubo medidor sea igual a 0,1 del diámetro de la boca del colector. Cualquiera que sea el tamaño elegido, la graduación del dispositivo de medición debe estar en relación con éste. Las características más importantes de un pluviómetro son las siguientes: a) el borde del colector debe tener una arista cortante, descender verticalmente en la parte interior y estar biselado en pendiente rápida en el exterior; los nivómetros se deben diseñar de modo que sean muy reducidos los errores debidos a la obturación parcial de la boca por la acumulación de nieve húmeda en sus bordes; b) la superficie de la boca debe conocerse con una precisión del 0,5 por ciento y la construcción del dispositivo debe ser de manera que esta superficie sea constante; c) el colector debe estar diseñado de modo que se evite toda clase de salpicadura; esto puede lograrse dando la suficiente profundidad a la pared vertical y una inclinación bastante pronunciada al embudo (como mínimo 45°);
MEDICIÓN DE LAS PRECIPITACIONES
99
d) el cuello del tubo colector debe ser estrecho y estar bien protegido de la radiación para minimizar las pérdidas de agua por evaporación; e) cuando parte de la precipitación cae en forma de nieve, el embudo debe ser bastante profundo para almacenar la caída de nieve de un día; esto es importante para impedir que la nieve se amontone fuera del embudo. 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. 7.3.3 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 indicados en secciones anteriores. 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 instlando 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. 7.3.4 Métodos de medición Para la medición de la lluvia recogida en el pluviómetro se utilizan corrientemente dos métodos: una probeta graduada y una varilla graduada para la medición del nivel.
100
CAPÍTULO 7
La probeta graduada debe estar hecha de vidrio transparente, con un reducido coeficiente de dilatación, y llevar claramente indicadas las dimensiones del pluviómetro con el que ha de usarse. Su diámetro no debe ser superior a un tercio del de la boca del pluviómetro. Las graduaciones deben marcarse con cuidado; por lo general, sólo se deben hacer cada 0,2 mm, indicando claramente las líneas correspondientes a cada milímetro entero. Es también conveniente que se marque la línea correspondiente a 0,1 mm. Cuando no sea necesario medir las precipitaciones con tanta exactitud, la graduación será de 0,2 a 1,0 mm, y después cada milímetro siguiente, y señalar bien claro cada graduación correspondiente a 10 mm. Si se quiere que las mediciones sean exactas, el error máximo de las graduaciones no debe exceder de ±0,05 mm en la graduación correspondiente a 2 mm o por encima de ella, ni de ±0,02 mm por debajo de esa marca. Para lograr esta exactitud con pequeñas cantidades de lluvia, el interior de la probeta debe tener una base de forma cónica. En todas las mediciones, se debe tomar como línea básica el punto inferior del menisco de agua; es importante mantener vertical la probeta y evitar los errores de paralaje. Es útil, al respecto, que las principales líneas de graduación se repitan en el interior de la probeta. Las varillas medidoras de nivel deben ser de cedro o de otro material apropiado que no absorba mucho el agua y cuyo efecto de capilaridad sea reducido. Las varillas de madera no deben usarse si se ha añadido aceite al colector para evitar la evaporación del agua; se usarán varillas de metal o de otro material fácil de limpiar. Estas varillas deben tener un pie de metal para evitar el desgaste y estar graduadas de acuerdo con la relación entre la superficie de los cortes transversales de la entrada del pluviómetro y del recipiente, teniendo en cuenta el agua que desplaza la propia varilla. Se deben hacer marcas cada 10 mm. El error máximo de graduación admisible en una varilla de medición de nivel no debe exceder ±0,5 mm en ningún punto. Si bien la medición puede hacerse con una varilla, siempre que sea posible, será mejor controlar el resultado con una probeta graduada. Se puede también medir la cantidad de agua por el peso; este método tiene varias ventajas. Para ello, se pesa el recipiente y su contenido y se sustrae el peso del recipiente vacío. De este modo no existe peligro de que se produzcan derrames ni que parte del agua quede adherida a las paredes del recipiente. Los métodos corrientes son, sin embargo, más simples y baratos. 7.3.5 Errores y exactitud de las lecturas Siempre que las lecturas se hagan con el debido cuidado, los errores que puedan cometerse en la medición del agua recogida en el pluviómetro son mínimos comparados con los errores debidos a la instalación del instrumento. Las lecturas diarias deben redondearse a los 0,2 mm más cercanos y de preferencia a la décima de milímetro más próximo, y las lecturas semanales o mensuales pueden redondearse al
MEDICIÓN DE LAS PRECIPITACIONES
101
milímetro más cercano. Las principales fuentes de error en la medición son el uso de probetas o varillas de medición sin graduación exacta, el derrame de parte del líquido cuando es transferido a la probeta y la incapacidad de trasvasar toda el agua del receptor a la probeta. Además de estos errores, pueden producirse pérdidas por evaporación. Éstas sólo pueden ser considerables en regiones de clima cálido y seco y en caso de que los pluviómetros se observen a intervalos poco frecuentes. Las pérdidas por evaporación se pueden reducir poniendo algo de aceite en el recipiente o diseñando el pluviómetro de modo que sea pequeña la superficie de agua expuesta a la evaporación, haya poca ventilación y que no se eleve mucho la temperatura interna del pluviómetro. La superficie receptora del pluviómetro debe ser lisa a fin de que las gotas de lluvias no se adhieran a ella. Esta superficie nunca se debe pintar. En invierno cuando las lluvias son a menudo seguidas de heladas, se pueden evitar los daños del recipiente, y por lo tanto las pérdidas por filtración, agregando una solución anticongelante. Esta medida se aplica a los pluviómetros visitados con poca frecuencia. Al proceder a la lectura del pluviómetro hay que tener en cuenta la solución añadida. Todos los pluviómetros se deben controlar periódicamente para detectar posibles pérdidas. 7.3.6 Corrección de errores sistemáticos Los efectos del viento, la humedad, la evaporación, la ventisca de nieve y las salpicaduras son en general la causa de que la cantidad de precipitación medida sea inferior (de tres a 30 por ciento o más) a la que realmente ocurrió. Este error sistemático puede ser corregido si los datos recogidos van a ser usados para cálculos hidrológicos [2]. Antes de hacer las correcciones, los datos originales deben archivarse. Los datos publicados deben llevar la mención “medidos” o “corregidos”, según proceda. Las correcciones que se pueden hacer a la medición de las precipitaciones dependen de las relaciones entre los componentes del error y los factores meteorológicos. Así, la pérdida debida a la perturbación del campo del viento cercano a la boca del pluviómetro está relacionada con la velocidad del viento y la estructura de la precipitación. Esta última se puede caracterizar según el período de tiempo usado, por la proporción de las precipitaciones de baja intensidad (ip ≤ 0,03 mm min-1), por un logaritmo de la intensidad de la lluvia, por la temperatura del aire y/o la humedad, y por el tipo de precipitación. La pérdida debida a las mojaduras está relacionada con el número de ocasiones y/o de días de lluvia, mientras que la pérdida por evaporación es una función del déficit de saturación y de la velocidad del viento. El error por exceso de precipitación medida como resultado de la ventisca o el esparcimiento de nieve está relacionado con la velocidad del viento. Si se deben aplicar correcciones diarias, se pueden utilizar los datos de las observaciones de los factores meteorológicos antes indicados, obtenidas en el sitio
102
CAPÍTULO 7
de medición o en sus inmediaciones. En sitios donde no se disponga de esas observaciones meteorológicas, sólo deben utilizarse estimaciones para períodos de tiempo mayores que un día, por ejemplo un mes. El valor de la corrección varía entre 10 y 40 por ciento para meses individuales y depende de la estimación de los factores meteorológicos empleados. El tabla 7.1 contiene los principales componentes del error sistemático en la medición de la precipitación. En la figura 7.2 se indica el factor de corrección k por el efecto de la deformación del campo de viento sobre el orificio del pluviómetro, estimado experimentalmente con varios pluviómetros. Es una función de dos variables: la velocidad del viento durante la precipitación al nivel del borde del pluviómetro y la velocidad de caída de las partículas de precipitación. Esta última depende de la estructura de la precipitación. El valor absoluto de la pérdida por humedad depende de la geometría y del material del colector y del depósito del pluviómetro, del número de mediciones de precipitaciones y de la cantidad, frecuencia y forma de las precipitaciones. Este valor es diferente si las precipitaciones caen en forma líquida, mezclada o sólida, y se pueden estimar por peso o por mediciones volumétricas en laboratorio. La pérdida por humedad para precipitaciones sólidas es en general más pequeña que para las precipitaciones líquidas porque el colector sólo se humedece una vez que la nieve se derrite. La pérdida total mensual por humedad, ∆P1, se puede calcular con la ecuación: _ ∆P1 = a M (7.1) donde P1 es el promedio de la pérdida por humedad diaria para un colector determinado y M el número de días de lluvia. Si la cantidad de precipitaciones se miden más de una vez al día, la pérdida total mensual por humedad se obtiene de la siguiente manera:
∆P1,2 = ax Mp
(7.2)
donde ax es el promedio de la pérdida a causa de la humedad y la medición de la precipitación para un pluviómetro determinado y una forma de precipitación, mientras que Mp es el número de mediciones de precipitaciones durante el período que se examina. La pérdida por evaporación se puede estimar de la siguiente forma:
∆P3 = ie τe
(7.3)
El valor de ie depende de la construcción, material y color del pluviómetro, de la forma y cantidad de precipitación, del déficit de saturación del aire y de la velocidad del viento al nivel del borde del pluviómetro durante la evaporación. Es difícil calcular ie teóricamente debido a la compleja configuración del instrumento. Sin embargo, ie se puede calcular con ecuaciones empíricas o funciones gráficas como
TABLA 7.1 Principales componentes del error sistemático en la medición de las precipitaciones y sus factores meteorológicos e instrumentales, enumerados en orden de importancia
(
Pk = kPc = k Pg + ∆P1 + ∆P2 + ∆P3 ± ∆P4 − ∆P5
)
donde Pk es la cantidad de precipitación ajustada, k factor de corrección, Pc la cantidad de precipitación captada por el colector del pluviómetro, Pg la cantidad medida de precipitación en el pluviómetro y P1 — P5 son ajustes para corregir errores sistemáticos como se definen más abajo:
k
Componente de error
Magnitud
Factores meteorológicos
Factores instrumentales
Pérdida debida a la deformación 2-10% del campo de viento por encima 10-50% * de la boca del pluviómetro
Velocidad del viento en la boca del pluviómetro y estructura de la precipitación
La forma, la superficie del receptor y la altura del receptor y del depósito del pluviómetro
Pérdidas debidas a la mojadura de las paredes interiores del colector y del depósito cuando se lo vacía
2-10%
Frecuencia , tipo y cantidad de precipitación, tiempo de secado del instrumento y frecuencia del vaciado del depósito
Los mismos que los anteriores y, además, el material, color y edad del colector y el depósito del pluviómetro
∆P3
Pérdidas debidas a la evaporación del depósito
0-4%
Tipo de precipitación, déficit de saturación del aire y velocidad del viento en la boca del pluviómetro durante el intervalo de tiempo que hay entre el fin de la precipitación y la medición
La superficie del receptor y la isolación del depósito, el color y, en algunos casos, la edad del colector o el tipo de embudo (fijo o desmontable)
∆P4
Salpicaduras hacia adentro y hacia afuera del pluviómetro
1-2%
Intensidad de las lluvias y velocidad del viento
La forma y la altura del colector y el tipo de instalación del pluviómetro
∆P5
Ventiscas de nieve
Intensidad y duración de la tormenta de nieve, velocidad del viento y estado de la cobertura de la nieve
La forma, la superficie del receptor y la altura del receptor y del depósito del pluviómetro
∆P1 + ∆P2
103
* Nieve.
MEDICIÓN DE LAS PRECIPITACIONES
Símbolo
104
CAPÍTULO 7
a)a)
100
80
60 N (%)
1.3 1 2
100 80 60 40 40
1.2
k 20 1.1
20
1.0 0
2
4
6
8
10
U ph (m s -1 )
27°
C
1 2
8° C
5
<-
b)
7° C
<1
1<-
b)
k
-2
4
27°C 1
3
°C 1>-8 °C <1<2 -2°C
2
1
0
2
4
6
8
U ph (m s -1 ) Factor de corrección k como una función de la velocidad del viento durante la precipitación al nivel del borde del pluviómetro (uph) y el parámetro de la estructura de la precipitación N y t para: a) precipitación líquida y b) precipitación mixta y sólida. 1= pluviómetro Hellman sin protección; 2 = pluviómetro Tretyakov con protección; t = temperatura del aire durante la tormenta de nieve; N = fracción en porcentaje de los totales mensuales de lluvia caída con una intensidad menor que un mínimo de 0,031 [3].
Figura 7.2 — Factor de corrección k como una función de la velocidad del viento
MEDICIÓN DE LAS PRECIPITACIONES
105
se señala en la figura 7.3. El valor de τe puede ser estimado usando instrumentos registradores o pluviógrafos, pero también depende del número de observaciones de las precipitaciones diarias; esto es, de tres a seis horas para las precipitaciones líquidas medidas dos veces al día, y seis horas para la nieve porque hay evaporación al caer la nevada. El error que resulta por la ventisca de nieve se debe tener en cuenta durante las tormentas de nieve cuando la velocidad del viento es superior a 5 m s-1. Los valores de medio día se pueden calcular en el sitio de medición con observaciones visuales de la duración de la ventisca de nieve, así como en los sitios de observación donde se tienen los datos de la velocidad del viento y del número de días con nieve y ventisca. Los promedios mensuales a largo plazo se pueden determinar con el gráfico de la figura 7.4, si se conoce la duración de la tormenta de nieve y de la velocidad del viento. El error neto a causa del salpicado de agua, dentro y fuera del instrumento, puede ser tanto negativo como positivo y por lo tanto se considera nulo si el instrumento de medición de las precipitaciones está bien diseñado (véase la sección 7.3.2). Además de estos errores sistemáticos, existen errores aleatorios relativos a la observación y a los instrumentos. Con frecuencia, sus efectos se consideran insignificantes en vista de los altos valores que pueden alcanzar los valores de los errores sistemáticos. 7.4 Aparatos registradores [30] 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. 7.4.1 Pluviógrafo de pesada En estos instrumentos se registra en forma continua, por medio de un mecanismo de resorte o de un sistema de pesas, el peso del recipiente y el de la precipitación que se acumula en él. De este modo, las precipitaciones se registran a medida que se recogen. Este tipo de pluviógrafo carece por lo general de un dispositivo de autovaciado, pero por medio de un sistema de palancas es posible hacer que la pluma pase por el gráfico todas las veces que sea necesario. Estos pluviógrafos deben diseñarse de forma que se impidan pérdidas excesivas por evaporación, la cual se puede reducir añadiendo en el recipiente una cantidad suficiente de aceite u otra substancia que evite la evaporación al formar una película sobre la superficie del agua. Las dificultades producidas por la oscilación de la balanza en caso de fuertes vientos se pueden disminuir con un mecanismo amortiguador por aceite. Este tipo de instrumento sirve sobre todo para registrar las precipitaciones de nieve, granizo y aguanieve. Puede registrar las precipitaciones sólidas sin tener que esperar a que éstas se derritan.
106
CAPÍTULO 7
18
17
16
15
14
13
0,14
12 0,12
11
i e (mm h -1)
0,10
10
0,08
9 0,06
8 7 0,04
6 5 4 3
0,02
2 1 0,00 0
5
10
15
20
25
d (hPa) Precipitación líquida Precipitación sólida
Intensidad de la evaporación (ie) para varios pluviómetros: a) precipitación líquida: i) pluviómetro australiano normalizado 1, 2, 7, 11 para P ≤ 1 mm; 1,1 a 20 mm; > 20 mm. (todos para una velocidad del viento, ue < 4 m s-1), y para ue > 4 m s-1, respectivamente; ii) pluviómetro Snowdon en un hoyo 3, 6, 8 para P ≤ 1 mm; 1,1 a 10 mm y ≥ 10 mm, respectivamente; iii) pluviómetro Hellman 4; iv) pluviómetro polaco normalizado 5; v) pluviómetro húngaro normalizado 9; vi) pluviómetro Tretyakov 10, 12, 13, 14 para velocidades del viento a nivel del borde del pluviómetro de 0 a 2, 2 a 4, 4 a 6 y 6 a 8 m s-1, respectivamente, b) precipitación sólida: pluviómetro Tretyakov 15, 16, 17, 18 para velocidades del viento 0 a 2, 2 a 4, 4 a 6, y 6 a 8 m s-1, respectivamente, donde ie es la intensidad de la evaporación en mm h-1 y τe el tiempo transcurrido entre el final de la precipitación y la medición de la precipitación.
Figura 7.3 — Pérdidas por evaporación medidas en diferentes pluviómetros
107
MEDICIÓN DE LAS PRECIPITACIONES
0,08
ib (mm h -1 )
0,06
0,04 6
10
14 u (m s -1 )
18
b
Figura 7.4 — Intensidad estacional a largo plazo de la ventisca de nieve (ib) como una función de la velocidad del viento a largo plazo (ub) al nivel del anemómetro (10 a 20 m) durante una ventisca de nieve 7.4.2 Pluviógrafo de flotador En este tipo de instrumento, la lluvia recogida pasa a un recipiente que contiene un flotador liviano; el movimiento vertical del flotador, al subir el nivel del agua, se transmite por un mecanismo apropiado a la pluma que traza el diagrama. Si se ajustan las dimensiones del embudo receptor, del flotador y del recipiente que lo contiene, se pueden obtener sobre el diagrama todas las escalas que se deseen. Para que el aparato haga un registro que cubra un período apropiado (por lo general se requiere como mínimo 24 horas), es necesario que el recipiente en el que se encuentra el flotador sea muy grande (en cuyo caso se obtiene una escala reducida en el diagrama) o que se disponga de algún medio automático para vaciar rápidamente el recipiente cada vez que esté lleno; la pluma regresa de este modo a la parte inferior del diagrama. Por lo general, esto se logra con un sifón, que se dispara en un momento determinado para evitar que el agua se desborde, al principio o al final de la operación, la cual no debe exceder los 15 segundos. En algunos instrumentos, la cámara que contiene el flotador está montada sobre cuchillas, para que bascule una vez llena. La agitación del agua contribuye al funcionamiento del sifón, y la cámara, una vez vacía, vuelve a su posición original. Otros pluviómetros registradores están provistos de un sifón a presión que realiza la operación en menos de cinco segundos, en tanto que otros tipos tienen una pequeña cámara auxiliar en la que se recoge la lluvia que cae durante la operación, y se vacía en la cámara principal una vez que el sifón deja de funcionar, asegurándose así un registro adecuado de la precipitación total.
108
CAPÍTULO 7
Si existe el peligro de que se produzcan heladas durante el invierno, deberá instalarse dentro del pluviómetro algún dispositivo de calefacción. De este modo, se impedirá que el agua, al congelarse, dañe el flotador y la cámara del flotador, y se podrá registrar la lluvia durante este período. Si se dispone de electricidad, basta con un pequeño elemento calentador o una lámpara eléctrica de poca potencia, de lo contrario habrá que emplear otras fuentes de energía. Un método práctico consiste en enrollar un hilo térmico alrededor de la cámara colectora y conectarlo a una batería de gran capacidad. La cantidad de calor suministrada deberá mantenerse en el mínimo necesario para impedir la formación de hielo, pues el calor afectará la exactitud de las observaciones, al modificar los movimientos verticales del aire sobre el pluviómetro y al aumentar las pérdidas por evaporación. 7.4.3 Pluviógrafo de cangilones El principio de este tipo de pluviómetro registrador es muy simple. Un recipiente de metal liviano, dividido en dos compartimientos, se coloca en equilibrio inestable sobre un eje horizontal; en su posición normal, el recipiente reposa sobre uno de sus dos topes, lo que impide que se vuelque completamente. El agua de lluvia es transferida desde un embudo colector ordinario al compartimiento superior; una vez recogido un determinado volumen de lluvia, la cubeta pierde estabilidad y se inclina hacia su segunda posición de reposo. Los compartimientos del recipiente son de forma tal que el agua puede salir entonces del compartimiento inferior y dejarlo vacío, entretanto, el agua de lluvia cae dentro del compartimiento superior que ha vuelto a su posición. El movimiento de la cubeta al volcarse puede utilizarse para accionar un relé de contacto y originar un registro en forma de trazos discontinuos; la distancia entre cada trazo representa el tiempo requerido para la recolección de una pequeña cantidad de lluvia. Si se requieren registros detallados, esta cantidad de lluvia no debe exceder de 0,2 mm. Para muchos propósitos hidrológicos, en particular para regiones de precipitaciones abundantes y para los sistemas de prevención de inundaciones son satisfactorias cubetas de 0,5 a 1,0 mm. La principal ventaja de este tipo de instrumento es que posee un generador de pulsos electrónicos y puede adaptarse para el registro a distancia o para el registro simultáneo de las lluvias y del nivel de un río en un limnígrafo. Sus inconvenientes son: a) la cubeta toma un tiempo reducido, pero determinado, para bascular y durante la primera mitad de su movimiento la lluvia cae en el compartimiento que contiene la lluvia que ya se ha contabilizado. Este error sólo es perceptible en el caso de fuertes precipitaciones [4]; b) con el tipo de cubeta que se utiliza con frecuencia, la superficie del agua expuesta es relativamente importante y, por consiguiente, se pueden producir pérdidas por evaporación, en especial en regiones cálidas. Esto reviste mayor importancia si las lluvias son escasas;
MEDICIÓN DE LAS PRECIPITACIONES
c)
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debido a la irregularidad del registro, este instrumento no da resultados satisfactorios con ligeras lloviznas o lluvias muy finas. En este caso no puede determinarse con exactitud el momento en que comienzan o acaban las precipitaciones.
7.4.4 Registradores de intensidad de las lluvias Se han diseñado y utilizado, para usos especiales, diversos registradores de intensidad de las lluvias. Sin embargo, no se recomiendan para redes de carácter general a causa de su complejidad. La intensidad de las lluvias se puede registrar muy bien con un pluviómetro registrador de flotador o de pesada, utilizando una escala de tiempo adecuada. 7.4.5 Métodos de registro Cualquiera que sea el modo de funcionamiento del registrador de precipitaciones (elevación de un flotador, movimiento basculante de una cubeta u otro) la manera de registrar debe facilitar la transformación de la información en que puedan almacenarse y analizarse ulteriormente. El medio más sencillo de hacerlo consiste en desplazar una banda cronológica, con un aparato de relojería a cuerda o eléctrico, y que una plumilla registre en la banda los movimientos del flotador o del dispositivo de báscula. Hay dos tipos principales de banda: la banda de tambor, sujeta a un tambor que efectúa un giro diario, un giro semanal o un giro en el período que se desee y la banda de rodillos, que es arrastrada por rodillos y pasa delante de la plumilla. Al alterar de la velocidad de arrastre de la banda, el registrador puede funcionar durante períodos de una semana a un mes e incluso períodos más largos. La escala de tiempo de la banda de rodillos puede ser lo bastante amplia como para permitir calcular con facilidad la intensidad. Los datos que serán registrados también pueden ser convertidos a una forma digital, por vía mecánica o electrónica, para ser registrados como un conjunto de puntos perforados en una banda de papel a intervalos regulares, para su posterior lectura y procesamiento automático. Se utilizan asimismo registradores de banda magnética y estado sólido. El movimiento del flotador, el cangilón o la balanza también se puede transformar en una señal eléctrica transmisible, por radio o cable, a un receptor alejado donde pueden elaborarse registros de los datos recogidos por numerosos pluviómetros con equipos de transmisión de datos (véase la sección 6.2.4). 7.5 Nevadas Se entiende por nevada la cantidad de nieve fresca que se deposita durante un período de tiempo limitado. Se mide el espesor de la nieve y su equivalente en agua. 7.5.1 Espesor de la nevada Las mediciones directas de nieve fresca sobre terreno despejado se efectuan con una regla o escala graduada. Conviene que, en los lugares en que se considera que no hay
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amontonamiento de nieve, se calcule una media de varias mediciones verticales. Deberán tomarse precauciones especiales para evitar medir la nieve acumulada de precipitaciones anteriores. Esto puede hacerse barriendo de antemano una parcela apropiada o cubriendo la nieve caída antes con algo adecuado (por ejemplo, madera, con una superficie ligeramente rugosa, pintada de blanco) y midiendo el espesor de la nieve acumulada sobre esta cubierta. En una superficie inclinada (que hay que evitar en lo posible), las mediciones deben hacerse manteniendo verticalmente la regla graduada. Si hay una capa de nieve vieja, sería incorrecto calcular el espesor de la nieve reciente a partir de la diferencia entre dos mediciones consecutivas del espesor total de la nieve, ya que la nieve depositada tiende a comprimirse. Si se han producido vientos intensos, deben hacerse numerosas mediciones para obtener un espesor representativo. El espesor de la nieve puede también medirse utilizando nivómetro fijo de sección transversal uniforme después de nivelar la nieve, sin comprimirla. El instrumento debe estar a una altura suficiente para colocarse por encima del nivel medio de la nieve, por ejemplo a 50 centímetros como mínimo del nivel máximo observado, y en un lugar protegido de las ventiscas. El nivómetro debe tener al menos 20 centímetros de diámetro y la suficiente profundidad para evitar que el viento se lleve la nieve recogida o estar provisto de tabiques paranieves (es decir, dos divisiones verticales en ángulo recto que lo dividan en cuartos de círculo). Los nivómetros ordinarios no protegidos son poco seguros cuando el viento es fuerte, debido a los remolinos que se forman alrededor de la abertura del instrumento. La cantidad de nieve recogida en estos aparatos suele ser muy inferior a la de los nivómetros protegidos. Asimismo, se pueden hacer errores importantes a pesar de la utilización de una protección, si las ventiscas envían al nivómetro nieve que ya ha caído. Esos errores se pueden reducir si se colocan los nivómetros de tres a seis metros por encima de la superficie. 7.5.2 Equivalente de una nevada en agua El equivalente de una nevada en agua es la cantidad de precipitación líquida contenida en dicha nevada. Puede determinarse por uno de los distintos métodos dados a continuación. Es importante tomar varias muestras representativas: a) pesando o fundiendo. Se toman muestras cilíndricas de nieve fresca con un instrumento de muestreo de nieve adecuado y, luego se pesan o se funden; b) utilizando pluviómetros. La nieve recogida en un pluviómetro no registrador se debe fundir inmediatamente y medir con la probeta del pluviómetro. Los pluviógrafos de pesada también se pueden utilizar para determinar el equivalente de la nevada en agua. En los períodos de nevada se debe retirar el embudo de estos instrumentos para que las precipitaciones puedan caer directamente en el recipiente.
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7.6 Medición de la precipitación por radar [33] 7.6.1 Uso del radar en hidrología El radar permite detectar la posición y el desplazamiento de las zonas de precipitaciones, y algunos tipos de radar pueden hasta proporcionar una evaluación de la intensidad de las precipitaciones en las zonas comprendidas dentro de su alcance [5]. Para fines hidrológicos, el alcance eficaz del radar [6] es en general de 40 a 200 kilómetros, según las características del radar como el haz de antena, la potencia de salida y la sensibilidad del receptor. El alcance hidrológico del radar se define como la distancia máxima a la que sigue siendo razonablemente válida la relación entre la intensidad de los ecos de radar y la intensidad de las lluvias. La intensidad de las precipitaciones en cualquier zona, dentro del alcance hidrológico, se puede determinar si el radar está dotado de un control de intensidad de recepción debidamente calibrado. Las precipitaciones atenúan las señales de radar, efecto que aumenta cuando se emplean radares de longitud de onda corta. Además, los radares que funcionan en longitudes de onda larga no detectan las lloviznas ni las nevadas con tanta facilidad como los que funcionan con menor longitud de onda. La elección de una longitud de onda adecuada depende de las condiciones climáticas y de los objetivos previstos. Las tres bandas de radar indicadas en el cuadro 7.2 se utilizan para la observación de las precipitaciones. CUADRO 7.2 Bandas de frecuencia de radares meteorológicos Banda
Frecuencia (MHz)
Longitud de onda (m)
S C X
1 500 – 5 200 3 900 – 6 200 5 200 – 10 900
0,193 – 0,0577 0,0769 – 0,0484 0,0577 – 0,0275
7.6.2 Ecuación radar-precipitaciones La ecuación aplicable al radar se conoce en ocasiones con el nombre de ecuación de alcance máximo en espacio libre (FSMR – Free Space Maximum Range). Esta ecuación define el alcance máximo que cabe esperar de un sistema determinado de radar. Para las precipitaciones, cuando se considera que la lluvia cubre el haz del radar, la ecuación reviste la siguiente forma: Pr =
Pt π 4 Arl[K]2 Z 8R 2 λ 4
(7.4)
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– donde Pr es la potencia media en vatios de una serie de impulsos reflejados, Pt la potencia pico transmitida en vatios, Ar la superficie efectiva de la antena en m2, l la longitud de los pulsos en metros, R el alcance en metros, λ la longitud de onda en metros, [K]2 el índice de refracción de la lluvia (0,9313 para un equipo de radar de 10 centímetros, suponiendo, una temperatura de 10°C) y Z la reflectividad expresada como ∑d6 por m3, donde d es el diámetro de las gotas en milímetros. La intensidad de las precipitaciones en mm h- 1 está relacionada con el diámetro medio de las gotas, según la siguiente fórmula: ∑ d 6 = aPib
(7.5)
donde Pi es la intensidad de la precipitación en mm h- 1 , a y b son constantes. Se ha determinado con frecuencia la distribución de la magnitud de las gotas de lluvia como se miden en el suelo y la conversión mediante la velocidad de caída de gotas de diferentes tamaños en una tormenta de intensidad determinada. La ecuación que más se utiliza es la siguiente: (7.6) Z = 200P1,6 i
7.6.3 Factores que afectan a las mediciones 7.6.3.1 Tipo de precipitaciones Como la señal de retorno se ve afectada por el tamaño de las gotas y es proporcional a la sexta potencia del diámetro del hidrómetro, la señal recibida es tanto más intensa cuanto mayor sea el volumen de la precipitación. El granizo, por ejemplo, produce a menudo indicaciones de precipitaciones intensas, mientras que la nieve tiene un índice de reflexión relativamente bajo. Otro factor que influye en las mediciones es el aumento o la disipación de las gotas una vez que han salido de la zona cubierta por el haz y antes de que lleguen al suelo. En general, el efecto de evaporación en una gota en su descenso a la tierra suele ser insignificante en el caso de tormentas con precipitaciones de gran intensidad. Sin embargo, el aumento de las gotas de lluvia al unirse a otras gotitas en su paso por las capas inferiores de nubes puede ocasionar una importante variación en el tamaño y el número de gotas por debajo del haz del radar. Esto sucede sobre todo en el caso de distancias superiores a 130 kilómetros, a partir del emplazamiento del radar, ya que las gotas pueden recorrer, antes de llegar a tierra, mil metros a través de nubes estratiformes, después de salir del haz del radar y antes de llegar al suelo. 7.6.3.2 Anchura del haz A 160 kilómetros, el haz del radar puede tener varios kilómetros de ancho, según la abertura del haz empleado. Normalmente, se producirán variaciones muy claras en la
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reflectividad del radar en este gran volumen de muestreo. Se obtiene así, para un volumen tan grande, un valor promedio más bien que un valor puntual. La ecuación aplicable al radar supone que el fenómeno meteorológico que se estudia llena completamente el haz del radar. Por lo tanto, no cabe esperar que los valores relativos a las precipitaciones, obtenidos con un radar, estén estrechamente relacionados con las mediciones pluviométricas exactas. Sin embargo, el diagrama espacial facilitado por el radar debe ser, por lo general, mucho más representativo de la configuración isoyética verdadera de la tormenta que los resultados de la mayor parte de las redes de pluviómetros. En condiciones lluviosas, se ha observado que la frecuencia de los ecos registrados a 160 kilómetros sólo correspondía al cuatro por ciento de los ecos registrados a una distancia de 64 kilómetros. Por lo tanto, un aguacero que llene el haz a 64 kilómetros cubrirá apenas 1/8 del haz a 160 kilómetros. Este resultado se debe a la combinación de factores referentes a la anchura y altura del haz. 7.6.3.3 Refracción del haz Las ondas de radar se propagan en el espacio por un efecto refractivo que hace que las ondas sigan una trayectoria curva, con un radio de curvatura medio aproximado a cuatro tercios del radio medio de la Tierra. Como resultado de la discontinuidad vertical de la humedad, se puede producir una curvatura refractiva adicional del haz. Esto origina lo que a menudo se conoce como canalización o distorsión del haz, que tiene por efecto curvar el haz del radar hacia la Tierra o, por el contrario, hacia el espacio, con lo que éste pasa por encima de precipitaciones que se encuentran entre 80 y 120 kilómetros. Las condiciones meteorológicas que favorecen el fenómeno de canalización o distorsión se pueden determinar matemáticamente. 7.6.3.4 Atenuación atmosférica La atenuación de las microondas se debe a los gases de origen atmosférico: gas de la atmósfera, nubes y precipitaciones. La atenuación de las ondas de radio es el resultado de dos efectos: la absorción y la dispersión. Por lo general, los gases actúan sólo como elementos absorbentes, en tanto que las nubes y las gotas de lluvia ejercen efectos de absorción y dispersión. Para los radares que funcionan en grandes longitudes de onda, la atenuación no constituye un problema y puede desestimarse. La atenuación se expresa casi siempre en decibelios. El decibel (dB) sirve para medir una potencia relativa y se expresa como sigue: dB = 10 log 10
Pt Pr
(7.7)
donde Pt y Pr representan, respectivamente, la potencia transmitida y la potencia recibida. En el cuadro 7.3 se indica la atenuación de la señal en función de la intensidad de la precipitación y de la longitud de onda.
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CAPÍTULO 7
CUADRO 7.3 Atenuación de las señales de radar por las precipitaciones (dB km-1) Intensidad de la precipitación (mm h-1) 1,0 5,0 10,0 50,0 100,0
0,1 0,0003 0,0015 0,0030 0,0150 0,0300
Longitud de onda (m) 0,057 0,032 0,002 0,015 0,033 0,215 0,481
0,007 0,061 0,151 1,250 3,080
0,009 0,22 10,10 2,20 11,00 22,00
Distancia (km) a la que debe extenderse una precipitación de intensidad determinada para originar una atenuación de 10 dB en varias longitudes de onda Intensidad de la precipitación (mm h-1) 1,0 5,0 10,0 50,0 100,0
0,1 33 000 6 600 3 300 600 300
Longitud de onda (m) 0,057 0,032 0,009 4 500 690 310 47 21
1 350 164 66 8 3,2
45 9,1 4,5 0,9 0,4
7.6.3.5 Atenuación por la distancia La potencia de la señal recibida es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a la que se encuentra el objetivo. Por consiguiente, se produce otro tipo de atenuación debido a la propagación del haz en el espacio, y la atenuación de la señal se acentúa a medida que aumenta, con la distancia, la anchura del haz. La energía de los impulsos del radar que constituyen el haz se disipa casi del mismo modo que las ondas luminosas del haz de una linterna. Muchos radares modernos compensan eléctricamente en la pantalla del aparato la atenuación introducida por la distancia. 7.6.4 Métodos y procedimientos 7.6.4.1 Métodos fotográficos Para fines operativos, suele utilizarse una cámara automática de revelado rápido con la que se fotografía la pantalla de control para obtener diapositivas de exposición
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múltiple. Esas exposiciones múltiples, hechas cada 10 minutos, sirven para detectar las zonas en las que, durante la última o las dos últimas horas, se hayan producido precipitaciones persistentes o intensas, o ambas. Las partes más brillantes de la película corresponden a las precipitaciones más intensas o las de mayor persistencia, pues estas últimas han sido reforzadas por la repetición del eco en las sucesivas exposiciones. Después del revelado, se proyectan las imágenes de los ecos sobre un mapa, en el que se pueden puntear y comparar con los informes de precipitaciones observadas. En condiciones ideales, donde el eco es suficientemente intenso para saturar la misma superficie en cada exposición, aparecerá una zona completamente quemada en la diapositiva de exposición múltiple. Si una zona no se mantiene saturada durante el total de exposiciones, la fotografía contendrá una zona de eco que no llegará a estar totalmente quemada y que aparecerá en gris en la proyección. Si el radar está provisto de un control de recepción de ganancia escalonada (atenuadores), se puede introducir un parámetro de intensidad en la fotografía de exposición múltiple. Esto se logra llevando los atenuadores paso a paso a través de incrementos de los decibeles seleccionados y tomando una fotografía para cada nivel de decibel. Este sistema permite realzar aún más los ecos registrados en la diapositiva y facilita la identificación de las zonas de precipitaciones de gran intensidad. Para los análisis retrospectivos de las tormentas, se toman fotografías de la pantalla de control a intervalos regulares. 7.6.4.2 Técnicas manuales a) representación de contornos. El análisis más sencillo implica el trazado periódico de la posición de los ecos en hojas transparentes radariscópicas de acetato, en las que están señalados los límites geográficos. Según la magnitud (débil, moderada o intensa) del eco, se pueden hacer evaluaciones cualitativas de la intensidad instantánea de una tormenta. Para determinar las zonas afectadas, la dirección de la tormenta, la persistencia del eco y la relación superficie/intensidad, se superponen las representaciones sucesivas de las imágenes de radar hechas a intervalos de 15 minutos; b) representación de contornos con ganancia escalonada. Si el radar está dotado de un control de recepción de ganancia escalonada (atenuadores), puede introducirse un parámetro de intensidad en la pantalla del radar. Se trazarán cada 15 minutos, los ecos registrados en cada uno de los niveles seleccionados del atenuador en decibeles. El uso de diferentes colores permite reconocer fácilmente los núcleos de mayor intensidad de precipitación, así como la extensión de la tormenta. Para cada nivel en decibeles corresponde, a una distancia específica, un volumen de lluvia determinado. El empleo de atenuadores permite determinar la intensidad de las lluvias detectadas por el radar para cualquier eco de precipitación registrado dentro del alcance del radar. Más allá de distancias superiores a
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180 kilómetros, esos datos tienen una utilidad limitada a causa de la escasa correlación que hay con las precipitaciones observadas en el suelo; c) método de la cuadrícula. Se pueden utilizar otros procedimientos para evaluar las precipitaciones a partir de los ecos de radar. El primero sólo indica la existencia de una precipitación y algunos datos sobre su duración. En este método se superpone una cuadrícula sobre la pantalla del radar a intervalos regulares y se hace una marca en cada cuadrícula donde se observa el eco de alguna precipitación. Transcurrido el intervalo de tiempo seleccionado, la cuadrícula que contenga el mayor número de marcas corresponde a la zona en que la precipitación ha durado más tiempo. En el segundo método se utilizan, los atenuadores. A intervalos frecuentes los atenuadores se ajustan a valores seleccionados, en decibeles. Se puede evaluar así la intensidad instantánea de la precipitación para cada nivel de decibel y distancia correspondientes e inscribirse en la cuadrícula apropiada. Estos valores pueden servir ulteriormente para obtener el valor total de la precipitación. 7.6.4.3 Técnicas automáticas Se ha fabricado un radar electrónico automático y digitalizado, capaz de tomar muestras de ecos de radar a razón de 80 graduaciones por cada 2° de azimut. Estos datos se registran en cintas magnéticas para su análisis inmediato por computadoras in situ, para la transmisión a una computadora lejana, o para el archivo y el análisis posterior. Los resultados de este tipo de muestreo son similares a los obtenidos con métodos manuales, salvo que el número de muestras discretas es superior, al menos en un orden de magnitud, al que se obtendría mediante el método de cuadrícula fina. Para el muestreo y registro del barrido completo del radar se requieren unos cuatro minutos. 7.6.5 Radar Doppler Los radares que se han mencionado antes en este capítulo son aparatos “no coherentes”. Esto significa que la frecuencia de transmisión no es totalmente estable de un impulso a otro, aunque es lo suficiente estable como para ser reconocida por el radar receptor, que más bien examina la amplitud del impulso que su frecuencia. Estos radares pueden detectar cambios referentes a la intensidad, la magnitud y la ubicación de los ecos de precipitaciones. Es posible estimar su movimiento relativo y, de allí, la velocidad de desplazamiento del objetivo. Para medir la velocidad absoluta de desplazamiento de una gota de lluvia y su dirección instantáneamente, se debe utilizar un radar con una frecuencia de transmisión muy precisa y con un receptor sensible a los cambios de frecuencia inducidos por el desplazamiento del objetivo e incluso a cambios muy pequeños como sucede con objetivos meteorológicos. Este tipo de radar se denomina, a veces “coherente” y más frecuentemente “radar Doppler” porque se basa en el conocido efecto Doppler. Para obtener información más detallada de este tema y referencias bibliográficas
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adicionales, se debe consultar el informe técnico de la OMM titulado Use of Radar in Meteorology [7]. Los radares Doppler se utilizan desde hace muchos años con fines de investigación, tanto individualmente como, desde hace poco tiempo, en redes de dos o tres radares. Desempeñan un papel importante en el análisis de la atmósfera y algunos expertos consideran que son indispensables para el estudio de la dinámica de las masas de aire, en particular de nubes convectivas. Sin embargo, la interpretación de datos, sigue siendo problemática y tan sólo en los últimos años se ha examinado la posibilidad de utilizarlos a nivel operacional. En algunas partes del mundo, sobre todo las afectadas por condiciones de tiempo violento, se considera que este tipo de radar es indispensable. A pesar de que los radares Doppler son más complejos y más costosos que los convencionales y de que requieren una mayor capacidad de procesamiento y más mantenimiento, forman una extensa red nacional en Estados Unidos. El radar Doppler se puede usar con fines de pronósticos generales para suministrar datos que pueden resultar útiles para difundir alertas tempranas de fenómenos violentos como tornados y tormentas; asimismo, puede suministrar más información sobre su intensidad y estructura que los otros medios utilizados. El sistema mas útil es el que suministra datos Doppler, además de la intensidad de la precipitación medida de manera convencional. Una ventaja importante de ese doble sistema es que hay la posibilidad de determinar, con cierto grado de exactitud, la posición y la extensión de ecos permanentes (que, por definición, son estacionarios) a partir del canal Doppler. Esta información puede entonces usarse a fin de asegurar que únicamente los datos de precipitación son medidos por el canal no Doppler. Como con cualquier otro sistema de eliminación de parásitos, el método no es totalmente satisfactorio, ya que en algunas condiciones meteorológicas que pueden influir en las transmisiones, los ecos fijos pueden dar la impresión de que se desplazan e, inversamente, las precipitaciones a veces son realmente estacionarias. Para obtener ecos a pesar de las heterogeneidades refractivas para medir la intensidad de las precipitaciones a los mayores intervalos posibles (en comparación con el radar convencional no Doppler) o para estudiar la estructura de tormentas violentas, se requieren mayores longitudes de onda, preferiblemente de 10 cm. 7.7 Observaciones por satélite Las precipitaciones se pueden calcular utilizando imágenes registradas por exploradores (scanners) o por radiometros de microondas. Los exploradores son muy utilizados en satélites meteorológicos operacionales. La cantidad de datos procedentes de imágenes radiométricas de microondas es muy limitada y, en la actualidad, no se puede utilizar operacionalmente. Se han desarrollado técnicas para calcular las precipitaciones horarias, diarias y mensuales a partir de imágenes captadas por satélites geoestacionarios o de órbita
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CAPÍTULO 7
polar. Las imágenes son tomadas en la parte visible y/o infrarroja del espectro electromagnético; el cálculo se basa en el albedo y/o la temperatura de la cima de una nube, así como también en la forma, la textura y la evolución de las nubes. Las imágenes procedentes de satélites se pueden usar para calcular las precipitaciones en zonas a escala mundial y hasta muy local y en tiempo real o casi real. Esto complementa la medición convencional de las precipitaciones en zonas donde la red de observación es poco densa y puede mejorar la exactitud de cálculo de las precipitaciones en cortos períodos de tiempo (varias horas). Los métodos basados en imágenes de satélites deben ser cuidadosamente adaptados a los sistema climáticos, al terreno y a las condiciones meteorológicas de la zona. Esto puede realizarse a través de la validación extensiva. Los métodos híbridos, que combinan imágenes de satélites con datos de radar o de la red sinóptica, se pueden usar para obtener el mejor resultado posible. Se utilizan también la interpretación visual, junto con algún procesamiento de imagen o la interpretación automática de imágenes de satélites. La exactitud de las estimaciones de la precipitación varía, en general, del 10 al 50 por ciento, según la zona estudiada y el método utilizado. 7.8 Rocío Si bien el rocío, fenómeno esencialmente nocturno, no es una fuente importante de humedad, dado el volumen de agua relativamente bajo que representa y las variaciones locales, puede ser, sin embargo, de gran interés en las zonas áridas, en las que a veces alcanza la misma magnitud que las precipitaciones de lluvia. En vista de que el proceso según el cual la humedad se deposita en los objetos depende en gran parte de la fuente de humedad, es necesario distinguir entre el rocío que se forma como resultado de la condensación del vapor de agua contenido en el aire, sobre superficies frías, llamado sereno y el formado por el vapor de agua que se evapora del suelo y de las plantas y que se condensa sobre superficies frías, que se llama rocío de destilación. Ambos contribuyen general y simultáneamente, a la formación del rocío, aunque a veces se forman por separado. Otras fuentes de humedad son la niebla o las gotitas de lluvia que se depositan en hojas y ramas y que gotean o se deslizan por las plantas hasta llegar al suelo. Se tiende, con frecuencia, a sobrestimar la cantidad media del rocío caído sobre una zona determinada, debido sobre todo a que no se tienen en cuenta las condiciones físicas que limitan la formación de rocío. El análisis de la ecuación de balance de energía revela que el calor latente del sereno y/o del rocío de destilación, no puede exceder la radiación neta y debe, de hecho, ser inferior a ésta, si se toman en consideración las transferencias de calor sensible y de calor del suelo que se producen. En condiciones favorables, existe un límite definido que se sitúa en casi 1,1 mm h- 1 , para el valor medio del rocío de una zona determinada. Sin embargo, la formación
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de rocío puede aumentar mucho más en algunas localidades donde las temperaturas medias no son horizontalmente homogéneas y donde se produce una advección, en pequeña escala, de zonas relativamente más cálidas y húmedas hacia otras más frías. Además, debe modificarse la forma unidimensional de los cálculos utilizados para evaluar el flujo de energía cuando se aplica a plantas aisladas, porque la distribución del flujo de la radiación y de la humedad es muy diferente a la de una fuente homogénea. Esto no significa que la acumulación media de rocío en una extensa región plana se vea afectada, sino únicamente que algunas zonas se ven favorecidas en perjuicio de otras. Por diversas razones, los valores reales de acumulación serán, en general, muy inferiores al límite superior. Se han consagrado muchos esfuerzos, aunque sin gran éxito, a crear medios para medir la humedad de las hojas, desde superficies artificiales, con la esperanza de obtener resultados comparables a los logrados en condiciones naturales. En el apéndice de la Nota Técnica The influence of Weather Conditions on the Ocurrence of Apple Scab, OMM–Nº 55 [8], se hace un análisis de los instrumentos diseñados para medir la duración de la humedad de las hojas y una evaluación de hasta qué punto los diversos instrumentos proporcionan datos representativos de la humedad de la superficie de las plantas. Estos instrumentos sólo pueden usarse como una guía cualitativa en cada situación particular, o como un medio aproximado de comparación dentro de una región; en ambos casos se requiere proceder a una comprobación cuidadosa de los resultados. A menos que la superficie receptora de estos aparatos esté casi en contacto con la superficie natural y tenga propiedades muy similares, no indicará los datos correctos del volumen de rocío que reciben las superficies naturales. En teoría, con las técnicas del flujo de humedad deberían obtenerse valores promedios razonables para toda una zona, pero la falta de conocimiento de los coeficientes de transferencia en condiciones atmosféricas muy estables hace muy difícil determinarlos. El único método seguro para medir el sereno consiste en el empleo de un lisímetro sensible. Sin embargo, con este método no se registra el rocío de destilación, ya que en este fenómeno no hay variación de peso. El único método generalmente aceptado para medir el volumen total del rocío es la técnica del secante, que consiste en pesar cierto número de hojas de papel de filtro antes y después de aplicarlas con cuidado sobre las hojas. En la Guía de instrumentos y métodos de observación meteorológicos [1], se hace un breve resumen de los métodos de medición del rocío. 7.9 Muestreos para controlar la calidad de las precipitaciones En los últimos años ha evolucionado gradualmente la toma de conciencia sobre las repercusiones de los contaminantes atmosféricos. Entre las más importantes figuran los efectos resultantes de las precipitaciones ácidas en Escandinavia, al este de
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Canadá y en el noreste de Estados Unidos. Para tener una mejor idea del transporte de sustancias tóxicas en la atmósfera, se deben tomar y analizar muestras de las precipitaciones húmedas y secas, así como del aire mismo. Esta sección versa sobre los criterios necesarios para recoger muestras de precipitaciones líquidas y sólidas y de deposiciones superficiales. Para analizar las deposiciones atmosféricas acumuladas en períodos de diez a cien años, se ha comprobado que otros diversos substratos son útiles en el suministro de registros, entre ellos el musgo que crece naturalmente y que retiene una cierta cantidad de metales, los núcleos de hielo de glaciales y los sedimentos de fondo. 7.9.1 Colectores de muestras 7.9.1.1 Colectores de lluvia Se utilizan numerosos tipos de colectores para tomar muestras de las precipitaciones, desde los recipientes de plástico, de acero inoxidable o de vidrio ubicados en un lugar determinado al inicio de las lluvias, hasta muestreadores complejos y secuenciales, diseñados para recoger muestras de precipitación automáticamente a intervalos previstos durante un período de lluvias. El colector de doble cubo es un dispositivo ordinario que se utiliza para recoger por separado las deposiciones húmedas o secas. Un cubo sirve para recoger muestras de lluvia, y el otro las precipitaciones secas. El colector está equipado con un sistema que detecta automáticamente las precipitaciones líquidas o sólidas. Al comenzar las precipitaciones, una tapa se mueve del cubo húmedo al cubo seco. Al terminar la tapa automáticamente regresa al cubo húmedo. El recipiente que normalmente se utiliza para recoger muestras es una vasija negra de polietileno, que consiste en dos partes: la parte superior es un anillo desmontable fabricado especialmente para que la superficie de recolección sea de las dimensiones definidas; la otra parte es el cubo propiamente dicho. Tanto el anillo como el cubo se deben enjuagar con agua destilada y desionizada cada vez que se extrae la muestra. Para tomar muestras de precipitaciones a fin de analizar los contaminantes orgánicos, se deben utilizar cubos de acero inoxidable o de vidrio. Si se requiere información del viento, se deben utilizar instrumentos meteorológicos asociados. Los equipos se han diseñado de forma que la precipitación sea dirigida a un número determinado de recipientes, según la dirección del viento; el viento acciona una veleta que dirige el mecanismo de distribución. 7.9.1.2 Colectores de nieve Los colectores de nieve modernos son similares a los colectores de lluvia, salvo que se calientan para descongelar la nieve atrapada y almacenarla en estado líquido en un compartimiento situado debajo del muestreador.
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7.9.1.3 Recolección de deposición seca Muchos de los problemas que se plantean en la toma de muestras de nieve surgen también en la recolección de deposición seca. El colector de doble cubo mide la cantidad, pero existen controversias considerables acerca de lo adecuado de esas mediciones. Por ejemplo, la turbulencia del aire alrededor del instrumento no es la misma que en la superficie de un lago; por lo tanto, la eficiencia del instrumento difiere según las dimensiones de las partículas recogidas, tanto en valor absoluto como en valor relativo. Se han sugerido otros métodos, como el de las láminas de vidrio revestidas con materiales adhesivos y cubetas poco profundas con una solución de etilenglicol o aceite mineral. Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1983: Guía de instrumentos y métodos de observación meteorológicos. Quinta edición, capítulo 7, OMM–Nº 8, Ginebra. 2. Organización Meteorológica Mundial, 1982: Methods of Correction for Systematic Error in Point Precipitation Measurement for Operational Use (B. Sevruk). Informe de hidrología operativa Nº 21, OMM–Nº 589, Ginebra. 3. Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura, 1978: World Water Balance and Water Resources of the Earth. Estudios e Informes de Hidrología, Nº 25, París. 4. Parsons, D. A., 1941: Calibration of a weather bureau tipping-bucket rain gauge. Monthly Weather Review, Volumen 69, julio, pág. 250, Volumen I, Ref. 2. 5. Kessler, E. y Wilk, K. E., 1968: Radar Measurement of Precipitation for Hydrological Purposes. Informes sobre Proyectos OMM/DHI, Informe Nº 5. 6. Flanders, A. F., 1969: Hydrological Requirements for Weather Radar Data. Informes sobre Proyectos OMM/DHI, Informe Nº 9. 7. Organización Meteorológica Mundial, 1985: Use of Radar in Meteorology (G. A. Clift). Nota Técnica Nº 181, OMM–Nº 625, Ginebra, págs. 80-86. 8. Organización Meteorológica Mundial, 1963: The Influence of Weather Conditions on the Occurrence of Apple Scab. Appendix – Report on instruments recording the leaf wetness period. Nota Técnica Nº 55, OMM–Nº 140, Ginebra.
CAPÍTULO 8 CAPA DE NIEVE
8.1 Generalidades La nieve que se acumula en una cuenca fluvial constituye una reserva natural de donde procede la mayor parte del abastecimiento de agua para una cuenca. Las predicciones de las disponibilidades de agua son de gran interés para granjeros, agricultores, compañías de navegación fluvial y servicios relacionados con la producción de energía, el abastecimiento de agua y el control de inundaciones. Se pueden realizar pronósticos seguros de la escorrentía estacional de una cuenca vertiente, debida a la fusión de la nieve, después de algunos años de observación. Esos pronósticos se basan en la correlación que existe entre el equivalente en agua de la capa de nieve en rutas nivométricas y la escorrentía medida en una estación de aforos. En este capítulo se describen los procedimientos para medir la capa de nieve, el espesor del manto de nieve y el equivalente en agua de la nieve. En la sección 7.5 figuran directrices para instalar los instrumentos utilizados en la medición del espesor del manto de nieve y del equivalente en agua de la nieve, mientras que la sección 20.2.1.2 versa sobre el diseño de redes de medición de capas de nieve. El informe técnico de la OMM, Snow Cover Measurements and Areal Assessment of Precipitation and Soil Moisture [1], contiene más información sobre la medición de la capa de nieve. 8.2 Rutas nivométricas Una ruta nivométrica es una zona permanentemente marcada, donde se realizan sondeos nivométricos cada año. Las rutas nivométricas se deben seleccionar con mucho cuidado para que las mediciones del equivalente en agua proporcionen un índice fiable del agua existente en la nieve almacenada en toda la cuenca. En zonas montañosas no es fácil seleccionar los sitios apropiados para las rutas nivométricas debido a la dificultad del terreno y a los efectos del viento. Los criterios para una ubicación ideal de las rutas nivométricas en zonas montañosas son los siguientes: a) una altitud y una exposición donde la fusión sea nula o muy reducida, antes de la acumulación máxima, si se quiere medir el total de nieve durante la estación; b) un acceso relativamente fácil para asegurar la continuidad de las mediciones; c) en zonas boscosas, el lugar de medición debe ubicarse en espacios abiertos, lo
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CAPÍTULO 8
suficientemente amplios como para que la nieve pueda caer al suelo sin ser interceptada por los árboles; y d) el sitio debe estar protegido de vientos fuertes. Los criterios utilizados para seleccionar las rutas nivométricas son los mismos que se emplean para instalar pluviómetros con el fin de medir nevadas. En zonas llanas, las rutas nivométricas deben seleccionarse de manera que el equivalente en agua promedio represente, tanto como sea posible, el equivalente real medio en agua de la zona. Por lo tanto, convendría tener rutas nivométricas en paisajes típicos, como campos despejados y bosques, que tienen diferentes condiciones de acumulación de nieve. Si la capa de nieve en la zona en consideración es homogénea e isotrópica, y si existe una función de correlación para el espesor de la nieve o su equivalente en agua, se pueden determinar la longitud de la ruta nivométrica o el número de puntos de medición necesarios a todo lo largo para obtener una cierta exactitud en la evaluación del valor medio [2]. 8.2.1 Puntos de medición En terrenos montañosos, las mediciones hechas en una ruta nivométrica suelen consistir en muestras tomadas en puntos espaciados de 20 a 40 metros. En zonas despejadas, donde la nieve tiende a amontonarse por acción del viento, se requerirá un mayor número de muestras. Como en un principio no se conoce la tendencia de la nieve a amontonarse, será necesario realizar un extenso recorrido con muchas desviaciones transversales y un gran número de mediciones. Al comprobar la longitud y la dirección generales de las acumulaciones de nieve, se podrá reducir el número de puntos de medición. En regiones llanas, la distancia entre los puntos de muestreo, para determinar la densidad de la nieve, debe oscilar entre 100 y 500 metros. El espesor de la nieve a lo largo de la ruta nivométrica también debe medirse en unos cinco puntos igualmente espaciados entre los puntos de toma de muestras. La ubicación de los puntos de muestreo se determinará midiendo la distancia a la que se encuentran de un punto de referencia marcado en un mapa de la ruta nivométrica. Las estacas fijadas deben ser lo bastante altas para que no queden cubiertas por la nieve y estar lo suficientemente alejadas de la ruta nivométrica para que no afecten a la capa de nieve en los lugares de medición; podrán servir de jalones frente a cada punto en que se tomen muestras de nieve, o en tantos puntos como sea necesario para reducir al mínimo los errores posibles en la ubicación del punto de muestreo. La superficie del suelo debe estar libre de raíces y troncos, de piedras, y de maleza en un radio de dos metros de los puntos seleccionados para la medición. Los puntos de medición no se deben ubicar a proximidad, y en todo caso no a menos de dos metros de un curso de agua o de un terreno irregular. Si la ruta nivométrica
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Equipo extractor de muestras de nieve: a) tubo extractor; b) dinamómetro; c) soporte; d) llave de tubo; e) llave de tuerca; f) cortanieves; g) roscas de acoplamiento; h) escala graduada.
serpentea entre árboles y si se usan pequeños claros para la toma de muestras, cada punto se debe ubicar con respecto a dos o tres árboles determinados. 8.2.2 Equipo extractor de muestras de nieve [C53] El equipo consta, por lo general, de un tubo de metal o de plástico (a veces de varias partes para facilitar el transporte), con un cortanieves fijo en su extremo inferior y una escala graduada a lo largo de su cara exterior; de un dinamómetro o romana para pesar las muestras de nieve extraídas; de un soporte de alambre para mantener el tubo mientras se pesa y de herramientas para la manipulación del instrumento. En la figura de arriba se muestran todas las partes del equipo utilizado para nieve profunda, que se describen de la manera siguiente: a) cortanieves o sierra cortante. El cortanieves debe estar diseñado para poder penetrar los diversos tipos de nieve, a través de las capas endurecidas y heladas, y en algunos casos las capas de hielo de gran espesor que pueden formarse cerca de la superficie. El cortanieves no debe compactar la nieve para evitar que se saque una mayor cantidad de nieve que la capa real. Debe sujetar la base de la
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CAPÍTULO 8
muestra con suficiente firmeza para impedir su desprendimiento en el momento de retirar el extractor de muestras. Las cuchillas de pequeño diámetro retienen las muestras mejor que las de mayor dimensión, pero mientras más grandes son las muestras más exacta es la pesada. Los dientes del cortanieves deben ser de forma que haya suficiente espacio para expulsar los pedacitos de hielo. La cuchilla ha de ser lo más delgada posible, aunque algo más ancha que el diámetro exterior del tubo extractor. De este modo se pueden evacuar los fragmentos de hielo desplazados por el avance de la cuchilla. La superficie horizontal de corte de la cuchilla debe estar ligeramente inclinada hacia atrás para apartar los fragmentos de hielo del interior del tubo extractor y ha de mantenerse afilada para que haya una neta separación de la nieve en la pared interna del tubo. Con numerosos dientes, el corte será suave y se evitará que la cuchilla recoja grandes pedazos de hielo; b) tubo extractor de muestras. En muchos casos, el diámetro interior del tubo es mayor que el diámetro interior de la sierra cortante. Por lo tanto, la muestra o el contenido del tubo puede ascender por éste con un mínimo de resistencia debida a fricciones contra las paredes. Sin embargo, en nieve normal, la muestra tiende a desmoronarse y frotar contra las paredes laterales del tubo. Por este motivo, es indispensable que las paredes internas del tubo sean lo más lisas posible, para que la muestra pueda subir sin ninguna fricción excesiva. Por lo general, los tubos extractores de muestras son de una aleación de aluminio anodizado. A pesar de que la superficie pueda parecer lisa, no se puede estar seguro que la nieve no adherirá, sobre todo si se trata de la nieve de primavera, húmeda y granulada. La aplicación de una capa de cera reducirá la adhesión al tubo. Algunos extractores de muestras tienen ranuras que permiten determinar la longitud de la muestra. En general, especialmente con nieve húmeda, la longitud de la muestra recogida puede diferir mucho, por la compresión del espesor verdadero de la nieve, medida en la escala graduada exterior del extractor de muestra. Las ranuras sirven también para poder limpiar bien el tubo. Los dispositivos provistos de ranura tienen la ventaja de que permiten detectar de inmediato los errores debidos a obstrucciones y descartar las muestras defectuosas. Sin embargo, la nieve puede también entrar por las ranuras y, en consecuencia, aumentar el valor real del equivalente en agua medido; c) método de pesada. El método más utilizado para medir el contenido en agua de las muestras de nieve es el de pesar las muestras obtenidas con el extractor. La muestra se deja dentro del extractor y se pesa todo (el peso del extractor se conoce). Esta operación se realiza, en general, por medio de un dinamómetro o de una balanza especial. El dinamómetro es el instrumento más práctico porque es muy fácil de instalar y su lectura es cómoda, incluso cuando hay viento. Sin embargo,
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la exactitud del dinamómetro es sólo de unos 10 gramos, y el error en la pesada por este método puede detectarse si el extractor de muestras tiene un diámetro reducido y si la capa de nieve no es muy espesa. Las balanzas, en teoría más exactas, son muy difícil de utilizar, sobre todo si hay viento. Es muy poco probable obtener la gran exactitud intrínseca a este sistema, salvo en condiciones de calma absoluta. Otro sistema consiste en introducir las muestras en recipientes o bolsas plásticas y en transportarlas a una estación, donde se pueden pesar con exactitud o fundirlas y medirlas con una probeta graduada. En la práctica, este procedimiento es difícil de realizar, ya que las muestras deben ser introducidas en las bolsas sin que se produzcan pérdidas, cuidadosamente etiquetadas y transportadas a la estación. La ventaja de las mediciones sobre el terreno es que se pueden advertir de inmediato los errores importantes debidos al atascamiento del extractor, o a las pérdidas por desprendimiento de parte de la muestra, y se pueden repetir en seguida las lecturas. Los resultados se pueden registrar en el sitio, junto con otras observaciones pertinentes, y si se tiene un buen cuaderno, se reducen al mínimo los errores relativos a la localización o a las condiciones en las que se realizaron las mediciones. En todas las mediciones de este tipo deben tenerse en cuenta las dificilísimas condiciones materiales en las que, con frecuencia, se efectúan las observaciones; por lo tanto, el diseño de los extractores debe basarse en las consideraciones prácticas. 8.2.3 Procedimientos para tomar muestras de nieve Los puntos de muestreo deberán situarse con relación a un punto de referencia indicado en el mapa de la ruta nivométrica. Una desviación de varios metros puede ocasionar errores importantes. Para obtener la muestra, el tubo extractor se introduce verticalmente en el manto de nieve, por el extremo cortante, hasta que alcance el suelo. Si las condiciones de la nieve lo permiten, lo más apropiado es introducir el tubo de una vez, para que la nieve entre de manera ininterrumpida en el tubo. Se puede también hacer girar ligeramente el tubo hacia la derecha, sin interrumpir por ello la penetración, para hacer intervenir la sierra cortante en la operación, y atravesar con rapidez las capas delgadas de hielo. Una vez que la cuchilla llega al suelo o penetra ligeramente en él, se puede, con el tubo extractor en posición vertical, leer en la escala graduada la altura de la nieve. El resultado se registra después de determinar y deducir la profundidad a la que el tubo penetró en tierra. Es un elemento importante que sirve para calcular la densidad de la nieve. Para impedir que parte de la muestra escape por el lado de la cuchilla mientras se retira el tubo de la nieve, se recoge en dicha cuchilla la tierra suficiente para que
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sirva de tapón. El grosor del tapón de tierra depende de las condiciones de la nieve: cerca de 25 mm para retener las muestras de nieve parcialmente fundida. La presencia de tierra en el extremo inferior del tubo indica que no se ha producido pérdida alguna. La longitud de la muestra de nieve obtenida se observa a través de las ranuras del tubo y se mide con la escala externa del tubo. El resultado de la lectura se registra previa deducción de cualquier cuerpo extraño que pueda haber sido recogido por el extremo cortante. La finalidad de esta lectura es controlar con toda rapidez si se ha obtenido una muestra completa de la capa de nieve. La medición se completa pesando con precaución la muestra de nieve sin sacarla del tubo. Se puede leer directamente en la balanza, en centímetros, el equivalente en agua del peso de las muestras. Para calcular la densidad de la nieve se divide este equivalente en agua por el espesor de la capa de nieve. La densidad de la nieve debe ser más o menos constante dentro de una sección nivométrica. Una gran desviación del promedio indica, en general, un error de medición en un punto determinado. 8.2.4 Exactitud de las mediciones La exactitud de las mediciones del espesor de la nieve, dn, o su equivalente en agua, wn, en diversos puntos de la ruta nivométrica, depende de la graduación de la escala usada, de los errores instrumentales y de los errores aleatorios. Puede lograrse una disminución de los errores para dn o wn tomando la media de varias mediciones en cada punto. Si los errores de las mediciones individuales son independientes, el número necesario de mediciones para lograr una exactitud relativa determinada de los valores medios, se deduce a partir de la teoría de los errores, en la forma siguiente: N = Vx / Ve
(8.1)
donde N es el número de mediciones necesarias para alcanzar la exactitud prevista, Vx la varianza de los errores en las mediciones, y Ve el cuadrado del error típico aceptable de estimación de la media. 8.3 Profundidad y extensión de la capa de nieve Las mediciones de la capa de nieve en zonas extensas, junto con la correlación local establecida con la densidad de la nieve, permiten una evaluación aproximada del contenido de agua de la capa de nieve. 8.3.1 Medición con estacas graduadas para medir la nieve El método más utilizado para determinar la profundidad de la capa de nieve, principalmente en regiones donde la capa es de gran espesor, consiste en utilizar estacas calibradas, ubicadas en sitios representativos que permitan obtener fácilmente la
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información necesaria a distancia. Este procedimiento puede ser aceptado si se demuestra la representatividad del sitio y si los alrededores inmediatos del mismo (hasta un radio de 10 metros) están protegidos. Las lecturas se deben hacer a partir de registros correspondientes a la superficie de nieve inalterada. Las estacas deben estar pintadas de blanco para reducir la fusión indebida de nieve en los alrededores de éstas. Las estacas deben estar graduadas, a todo lo largo, en metros y centímetros. En zonas inaccesibles, se instalan en las estacas varillas horizontales que permitan la lectura a distancia con la ayuda de prismáticos, telescopios o desde aviones. En el caso de mediciones de la profundidad de la nieve desde aviones, las lecturas visuales pueden complementarse con fotografías a gran escala, para tener resultados más objetivos. 8.3.2 Medición con un muestreador de nieve La altura de la capa de nieve puede también medirse por observación directa con un muestreador de nieve, en general cuando se mide el equivalente en agua, como se describe en la sección 8.2.3. 8.3.3 Medición por métodos fotogramétricos Se puede usar la fotografía aérea para obtener datos de la altura máxima de la capa de nieve, así como su extensión, en cuencas montañosas áridas o escasamente arboladas. Con este fin, las fotografías aéreas se deben tomar antes de las primeras caídas de nieve y aproximadamente en la época de mayor acumulación. Las estaciones de control horizontal y vertical se identifican con altos postes para facilitar ubicación en las fotografías. El espesor de la nieve se determina por sustracción, fotogramétricamente, de determinadas elevaciones de la superficie del terreno y de la superficie de la nieve, en los puntos de muestreo. Además, se puede calcular el espesor medio de la capa de nieve en la cuenca. La exactitud del cálculo depende de la escala de las fotografías y de la exactitud del control horizontal y vertical durante la toma de imágenes. En general se utiliza una escala de 1 : 6 000. Cuando la capa de nieve es profunda y las condiciones fotográficas son buenas, la exactitud puede llegar a ser de ±10 por ciento. La fotogrametría aérea es muy costosa, pero suministra información sobre el volumen y la distribución de la capa de nieve en lugares donde no se podría obtener facilmente por otros medios. La altitud de la línea de nieve en las laderas de las montañas también se puede determinar mediante fotografías tomadas con fototeodolitos (fotogrametría terrestre). Periódicamente, el teodolito se sitúa en puntos previstos para fotografiar el límite de nieve. La fotogrametría terrestre puede ser usada con buenos resultados en pequeñas zonas aisladas de donde, de vez en cuando, se requieren datos en invierno y primavera. Su exactitud es similar a la de la fotogrametría aérea.
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Las imágenes de satélites se pueden usar para determinar de modo general la extensión de la capa de nieve, tanto en regiones montañosas como llanas. En el capítulo 45 se explican en detalle los métodos de elaboración y utilización de esta información. 8.4 Nivómetros de isótopos radiactivos Se utilizan diversas fuentes de rayos gamma para medir de varias maneras el equivalente en agua de la nieve. Se puede utilizar la atenuación de la radiación gamma para estimar el equivalente en agua de la nieve situada entre una fuente de radiación y un detector. La instalación vertical se usa para medir el equivalente en agua por encima o por debajo de la fuente. La instalación horizontal sirve para determinar el equivalente en agua entre dos tubos verticales situados a determinadas distancias sobre el terreno. 8.4.1 Nivómetros de isótopos radioactivos verticales La medición de la densidad de la nieve con isótopos radioactivos se basa en la atenuación de los rayos gamma al atravesar un medio de propagación. Esta atenuación es una función de la energía inicial de los rayos y de la densidad y el espesor de la sustancia atravesada. Se requiere una fuente de radiación gamma de alta energía y, con frecuencia, se utiliza el cobalto 60 que, además de reunir esta condición, posee un largo período de vida (5,25 años). Se coloca la fuente, protegida con una pantalla de plomo, de manera que la superficie superior de la pantalla se encuentre al mismo nivel que la superficie del suelo y que el haz de rayos gamma esté dirigido hacia el detector de radiación situado por encima de la nieve. El detector es un contador Geiger-Müller o un contador de centelleo. Los impulsos del contador se transmiten a una escala o bien, en caso de registro continuo, a un integrador y un registrador. La fuente de radiación también se puede colocar a una cierta profundidad del suelo (50-60 centímetros), de forma que los rayos gamma, no sólo atraviesen la cubierta de nieve, sino también una capa de suelo. De esta manera, es posible obtener datos, durante el período de fusión de la nieve, relacionados con la cantidad de agua que se infiltra en el suelo o se escurre por la superficie. Por último, el detector se coloca bajo la superficie del suelo y la fuente de radiación, con su pantalla por encima del nivel máximo de nieve previsto. Esta disposición reduce las variaciones de temperatura del detector y suministra un registro de fondo constante. La instalación de nivómetros de isótopos radioactivos exige instrumentos relativamente costosos y complejos. Además, requiere medidas de seguridad, en especial cuando se utiliza una fuente de energía relativamente potente. En todos los casos, es imprescindible consultar los organismos encargados de autorizar o contro-
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lar estos dispositivos para eliminar las dificultades posteriores. Aunque estas obligaciones puedan limitar el uso de este tipo de instrumento, es una herramienta valiosa que permite obtener registros continuos y es de gran utilidad, sobre todo en regiones inaccesibles. 8.4.2 Nivómetros de isótopos radioactivos horizontales En Francia y Estados Unidos, se han perfeccionado los nivómetros telemétricos de radioisótopos para obtener un perfil horizontal y vertical de la capa de nieve; la transmisión de los resultados de las mediciones se hace por radio o satélite a estaciones de base. En ambos tipos, el elemento medidor consiste de dos tubos verticales de la misma longitud, separados de 0,5 a 0,7 metros. Un tubo contiene una fuente de radiación gamma (137 C con una vida media de 34 años y una actividad de 10 a 30 milicuries), y el otro un detector (contador Geiger-Müller o un cristal escintilador con fotomultiplicador). En la obtención de un perfil, un motor especial, sincronizado con el detector, desplaza la fuente radioactiva hacia arriba y hacia abajo en el tubo. El registro de la intensidad del flujo horizontal de pulsaciones gamma fuera y a varios niveles dentro de la capa de nieve, ofrece datos que, adecuadamente procesados en la estación base, permiten determinar el espesor de la nieve, la densidad y el contenido en agua a una profundidad dada. Además, se puede determinar la nieve reciente, la precipitación líquida y el índice de fusión de la nieve. Uno de estos equipos (Estados Unidos) hace un perfil vertical a intervalos de 1,25 cm (se pueden seleccionar cinco diferentes niveles). Para cada intervalo, la medición toma de cinco a 12 segundos; y para un ciclo completo de mediciones de una capa de nieve de cuatro metros de espesor, 30 minutos. La unidad telemétrica de nieve está bajo el control de la estación base, puede funcionar de manera independiente, usando su propio generador de energía, o estar conectada a la red eléctrica. En el otro tipo de equipos nivométricos (Francia), se suman los pulsaciones gamma y se envía una señal de radio al terminar el tiempo requerido por el sistema detector de isótopos para recorrer una distancia vertical de 10 cm. La velocidad del desplazamiento del sistema dentro del tubo es regulada automáticamente de modo que 3 840 pulsaciones correspondan a un desplazamiento vertical de 10 cm. Se obtienen los datos finales de la densidad y el equivalente en agua de las capas de nieve mediante una calibración o una relación analítica entre el número de pulsaciones o el tiempo necesario para un desplazamiento de 10 cm, y la densidad de la nieve. 8.5 Almohadas de nieve Las almohadas de nieve de distintas dimensiones y materiales sirven para pesar la nieve que se acumula en ellas. Los modelos más comunes son recipientes circulares planos (3,7 m de diámetro), hechos de un material cauchotado y llenos de un líquido anticongelante. La almohada se instala en la superficie del terreno, al mismo
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CAPÍTULO 8
nivel del suelo o enterrado bajo una fina capa de tierra o arena. Se recomienda cercar el sitio, para impedir que el equipo sea dañado y para preservar la capa de nieve en su estado natural. En condiciones normales, las almohadas de nieve se pueden usar durante 10 años o más. La presión hidrostática dentro de la almohada corresponde al peso de la nieve acumulada sobre la misma. La medición de esta presión se realiza por medio de un limnígrafo de flotador o un transductor de presión. Las mediciones obtenidas con almohadas de nieve difieren de las realizadas con muestreadores de nieve, especialmente durante el período de fusión de la nieve. Éstas son más seguras cuando la capa de nieve no contiene capas de hielo, que pueden causar un “puente” sobre las almohadas. La comparación del equivalente en agua, medido por la almohada de nieve, con las mediciones tomadas por medio del método común de pesada, muestra una diferencia del cinco al 10 por ciento. 8.6 Radiación gamma natural El método para medir la radiación gamma se basa en la atenuación, debida a la nieve, de la radiación gamma que emana de los elementos radiactivos naturales existentes en la capa superior del suelo. Cuanto mayor sea el equivalente en agua de la nieve, más se atenuará la radiación. La medición de la radiación gamma puede efectuarse por medio de estudios terrestres o aéreos. La proporción entre la intensidad de la radiación gamma medida sobre la capa de nieve y la medida sobre la ruta nivométrica antes de la acumulación de nieve, suministra un cálculo aproximado del equivalente en agua. 8.6.1 Medición aérea de la capa de nieve Si bien la ruta nivométrica consiste en una serie de puntos de medición, el sondeo aéreo facilita un cálculo aproximado integrado del equivalente en agua de la capa de nieve. El objetivo del método es representar cartográficamente el equivalente en agua de la capa de nieve en terrenos llanos o accidentados que no presenten elevaciones superiores a 400 m de altura. En regiones con más del 10 por ciento de su superficie en zonas pantanosas, las mediciones del equivalente en agua de la capa de nieve se efectúan sólo para las zonas sin pantanos y las características integradas se aplican a la superficie de toda la cuenca. La altura de vuelo para este tipo de estudio es, en general, de 25 a 100 m sobre la superficie del terreno. Las mediciones consisten en un conteo total para un gran intervalo de energía, así como en análisis espectrales para niveles específicos de energía. La información espectral permite corregir la radiación parásita causada por los rayos cósmicos y la radioactividad de la atmósfera. La exactitud de este método depende sobre todo de las limitaciones del equipo de medición de la radiación (por ejemplo, la uniformidad de funcionamiento de los
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instrumentos de medición), de las fluctuaciones en la intensidad de la radiación cósmica y de la radioactividad en la capa de la atmósfera próxima a la tierra, de las variaciones de la humedad del suelo en los 15 cm superiores, de la uniformidad en la distribución de la nieve, de la ausencia de grandes deshielos, etc. (por ejemplo: condiciones de vuelo estable, errores en la fijación del rumbo de los vuelos sucesivos). El error esperado varía en ±10 por ciento, con un límite inferior de unos 10 mm de equivalente en agua. Experimentos minuciosos han demostrado que la desviación típica de las mediciones del equivalente en agua de la nieve, hechas desde una aeronave sobre una ruta nivométrica de 10 a 20 km, es de alrededor de 8 mm y de naturaleza aleatoria. Para obtener el equivalente en agua de la nieve en una zona de hasta 3 000 km2, con un error inferior al 10 por ciento, las longitudes de ruta y las distancias entre rutas recomendadas figuran en la tabla siguiente. Longitudes de vuelo (L) y distancia entre rutas (S) recomendadas Regiones naturales
S km
L km
Bosques-estepas Estepas Bosques Tundra
40–50 40–50 60–80 80–100
25–30 15–20 30–35 35–40
Una gran ventaja de este método es que permite una evaluación aérea del equivalente en agua sobre una trayectoria a lo largo de la línea de vuelo. El ancho efectivo de la senda es de casi dos o tres veces la altura del avión sobre el suelo. Una segunda ventaja es que el grado de atenuación de los rayos gamma en la nieve se determina tan sólo por la masa de agua, independientemente de su estado. 8.6.2 Medición sobre el terreno Un detector manual permite medir el valor medio del equivalente en agua de una banda de unos ocho metros de ancho, a lo largo de la ruta nivométrica. Se pueden medir equivalentes en agua entre 10 y 300 mm. La exactitud de las mediciones varía de ±2 mm a ±6 mm de acuerdo con las variaciones de la humedad del suelo, la distribución de la nieve, así como de la estabilidad del sistema de instrumentos. Se puede instalar un detector fijado al suelo (como el contador Geiger-Müller o el cristal escintilador con fotomultiplicador), sobre una parte de la ruta nivométrica y utilizarlo para controlar el equivalente en agua de esa zona. Sin embargo, la precipitación acarrea bastante material que irradia rayos gamma hacia la capa de nieve, y las mediciones que se realizan durante y después de la precipitación son afectadas
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CAPÍTULO 8
por esa radiación adicional. Hay que esperar unas cuatro horas después de haber cesado la precipitación para que desaparezca esa radiación, antes de obtener una medición exacta del equivalente en agua. La comparación de las lecturas antes y después de ocurrida la precipitación, suministrará una información sobre la variación del equivalente en agua de la capa de nieve. 8.7
Medición del equivalente en agua de la nieve utilizando la radiación cósmica Como las mediciones con rayos gamma, este método se basa en la determinación de la proporción de las intensidades de radiación cósmica natural, antes y después de que exista la capa de nieve. El equivalente en agua de la nieve se mide a distancia, en un número de puntos representativos de la zona considerada, situando el detector al nivel de la superficie del suelo. Pruebas efectuadas con un instrumento fabricado en la ex Unión Soviética [3] han demostrado que, de 10 a 1 000 mm de equivalente en agua de la nieve, la desviación normal de las mediciones es de 34 mm. Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1992: Snow Cover Measurements and Areal Assessment of Precipitation and Soil Moisture (B. Sevruk). Informe de hidrología operativa Nº 35, OMM–Nº 745, Ginebra. 2. Kazakevich, D. I., 1971: Osnovy teorii slutchaynikh funktjij i ee primenenije v gidrometeorologii (Principios y aplicación de la teoría de funciones aleatorias a la hidrometeorología). Gidrometeoizdat, Leningrado. 3. Avdyushin, S. I., Barabanschikov, Yu. F., Kogan, R. M., Kulagin, Yu. M., Nazarov, I. M., Fridman, Sh. D. y Yudkevich, I. S., 1973: Opyt opredeleniya zapasov vlagi v snezhnom pokrove v gorakh po pogloshcheniyu galakticheskogo kosmicheskogo izlucheniya (Prueba para determinar el contenido en agua de la capa de nieve en zonas montañosas, a partir de la absorción de rayos cósmicos). Meteorologiya i Gidrologiya, Nº 12, diciembre, págs. 98-102.
CAPÍTULO 9 EVAPORACIÓN Y EVAPOTRANSPIRACIÓN
9.1 Generalidades La estimación de la evaporación de extensiones de agua libre o de superficies terrestres, así como de la transpiración de la vegetación, es de gran importancia para los estudios hidrológicos. Por ejemplo, la estimación de la evaporación puede ser decisiva en la determinación de la factibilidad de un sitio de embalse y es de utilidad para determinar los procedimientos ordinarios de operación de un sistema de embalses. La evaporación y la evapotranspiración son también elementos importantes en cualquier estudio del balance hídrico. Los modelos conceptuales en hidrología requieren valores promedios estimados de la evapotranspiración en cuencas. En la actualidad es imposible medir directamente la evaporación o la evapotranspiración de grandes superficies. Sin embargo, se han establecido diversos métodos indirectos que dan resultados aceptables. Este capítulo versa sobre los tanques de evaporación y lisímetros que se utilizan en las redes. En los embalses existentes, las parcelas y las cuencas pequeñas, las estimaciones pueden hacerse basándose en el balance hídrico, en el balance energético y en métodos aerodinámicos. Estas técnicas se analizan en el presente capítulo únicamente desde el punto de vista de los instrumentos y de las necesidades de observación. En los capítulos 37 y 38 se examina minuciosamente el cálculo de la evaporación y de la evapotranspiración, respectivamente, de extensas superficies terrestres y de agua por diversos métodos indirectos. 9.2 Tanque de evaporación [C46] Para calcular la evaporación de lagos y embalses se utilizan frecuentemente los registros de evaporación obtenidos por medio de tanques de evaporación. Existen numerosos modelos de tanques de evaporación: unos son cuadrados y otros circulares; unos están instalados por encima del nivel del suelo, y otros están enterrados de forma que el nivel de agua coincida aproximadamente con el del terreno. Los tanques o tinas de evaporación se instalan a veces sobre plataformas flotantes en lagos o masas de agua. Entre los variados tipos de tanques de evaporación utilizados hay tres que merecen especial atención: el tanque de evaporación clase A de Estados Unidos y el tanque GG1-3 000 y el de 20 m2 de la ex Unión Soviética. El primero fue recomendado por la OMM y la Asociación Internacional de Ciencias Hidrológicas (AICH) como
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CAPÍTULO 9
instrumento de referencia. El rendimiento de este tanque se ha estudiado en condiciones climáticas muy diversas y en latitudes y altitudes muy diferentes. El tanque de evaporación GG1-3 000 y el de 20 m2 se utilizan en Rusia y algunos otros países con diferentes condiciones climáticas. Poseen cualidades operativas dignas de confianza, así como una relación extraordinariamente estable con los elementos meteorológicos que determinan la evaporación. La OMM patrocinó en varios países un programa de observaciones de comparación [1] entre el tanque de evaporación clase A, el tanque GG1-3 000 y el tanque de 20 m2. Este programa condujo a algunas recomendaciones operativas sobre la conveniencia de estos tanques en diversas condiciones climáticas y fisiográficas. Además del tanque, se emplean los siguientes instrumentos en las estaciones evaporimétricas: a) un anemógrafo integrado o anemómetro, situado a uno o dos metros por encima del tanque, para determinar el movimiento del viento sobre el tanque; b) un pluviométro no registrador; c) termómetros o termógrafos que proporcionan las temperaturas máxima, mínima y media del agua en el tanque; d) termómetros o termógrafos de máxima y mínima para medir las temperaturas del aire, o un higrotermógrafo o psicrómetro si se desea conocer la temperatura y la humedad del aire. El emplazamiento para ubicar el tanque debe ser un terreno nivelado y libre de obstrucciones. Si las condiciones climáticas y del terreno no permiten mantener una capa vegetal, debe hacerse lo posible para que la superficie del suelo se asemeje a la superficie natural y a los alrededores. Los obstáculos, como árboles, edificios, arbustos o garitas meteorológicas, deben estar a una distancia igual o superior a cuatro veces la altura del objeto por encima del tanque de evaporación. En ningún caso, deberá colocarse el tanque de evaporación o la garita de instrumentos sobre una losa o pedestal de concreto ni sobre asfalto ni capas de grava. Los instrumentos deben instalarse en la estación de evaporación de modo que no proyecten sombras sobre el tanque. El tamaño mínimo de la parcela debe ser de 15 Χ 20 m y debe estar cercada para proteger los instrumentos e impedir que los animales beban el agua. La cerca o valla debe construirse de manera que no modifique la estructura del viento sobre el tanque de evaporación. En regiones deshabitadas, especialmente en regiones áridas y tropicales, con frecuencia es necesario proteger los tanques de evaporación de pájaros y animales pequeños, para lo cual se puede utilizar: a) repelentes químicos. En ese caso, hay que tomar precauciones para no contaminar en absoluto el agua del tanque de evaporación; o b) una pantalla de tela metálica de tipo corriente colocada encima del tanque de evaporación.
EVAPORACIÓN Y EVAPOTRANSPIRACIÓN
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Para estimar el error introducido por el efecto de la pantalla de tela metálica sobre el régimen del viento y sobre las características térmicas del tanque, deben compararse las lecturas del tanque protegido con las obtenidas por medio de un tanque estándar en la estación más próxima que tenga características similares. El nivel del agua del tanque debe medirse con exactitud antes y después de añadir agua. Esto puede hacerse de dos maneras: a) el nivel del agua se puede determinar por medio de un aforador de gancho que consta de una escala móvil y de un vernier dotado de un gancho dentro de una cámara de agua tranquila montada en el tanque. Se puede usar también un flotador. Se utilizará un recipiente calibrado para añadir o quitar agua al hacer la observación, volviendo a situar el nivel del agua a la altura del punto fijo; b) el nivel del agua se puede determinar usando el siguiente procedimiento: i) se coloca encima de una señal de referencia, hecha en el tanque por debajo de la superficie del agua, un recipiente de diámetro pequeño dotado de una válvula; ii) se abre la válvula hasta que el nivel del agua contenida en el recipiente sea igual con el nivel del agua del tanque; iii) se cierra la válvula y se determina con exactitud el volumen de agua contenido en el recipiente mediante una probeta de medida; iv) la altura del nivel del agua por encima de la señal de referencia se determina a partir del volumen de agua contenida en el recipiente y de las dimensiones del mismo. La evaporación diaria se calcula evaluando la diferencia entre los niveles del agua en el tanque en días sucesivos, teniendo en cuenta las precipitaciones durante el período considerado. El volumen de evaporación entre dos observaciones del nivel del agua en el tanque se determina mediante la formula: E = P ± ∆d
(9.1)
donde P es la altura de las precipitaciones producidas durante el período entre las dos mediciones y ∆d la altura del agua añadida (+) o sustraída (-) del tanque. Actualmente se utilizan varios tipos de tanques automáticos de evaporación. El nivel del agua en el tanque se mantiene automáticamente constante gracias a un sistema que vierte agua en el tanque desde un tanque de almacenamiento o elimina el agua sobrante en caso de precipitación. Se anota la cantidad de agua añadida o eliminada. 9.3 Evaporímetros y lisímetros La evapotranspiración se puede estimar por medio de evaporímetros y lisímetros, mediante métodos de balance hídrico o balance térmico, con ayuda del método de difusión turbulenta o mediante diferentes fórmulas empíricas basadas en datos
138
CAPÍTULO 9
meteorológicos observados. El uso de evaporímetros y lisímetros permite una medida directa de la evapotranspiración de superficies de terreno diferentes y la evaporación del suelo situado entre espacios cultivados. Estos instrumentos han demostrado ser suficientemente sencillos y exactos siempre que se satisfagan todos los requisitos concernientes a su instalación y a las técnicas observación. La transpiración de la vegetación se estima como la diferencia entre los valores de evapotranspiración y de evaporación del terreno medidos al mismo tiempo. Los evaporimétros y los lisímetros se clasifican de acuerdo con el método empleado para su funcionamiento: a) de pesada, cuando utilizan básculas mecánicas para contabilizar los cambios en el contenido de agua; b) hidráulicos, cuando usan el principio hidrostático de pesada; y c) volumétricos, en los cuales el agua contenida se mantiene constante y la evapotranspiración se mide por la cantidad de agua que se introduce o se extrae. No existe un instrumento tipo, de carácter internacional, para medir de la evapotranspiración. Las condiciones generales para seleccionar el emplazamiento de las estaciones evaporimétricas son las siguientes: a) el sitio seleccionado para la estación evaporimétrica debe ser representativo de la zona circundante en lo referente al riego, características del suelo (estructuras y composición), pendiente y cubierta vegetal; b) la estación evaporimétrica debe situarse más allá de la zona de influencia de edificios y árboles aislados. No debe ubicarse a menos de 100 ó 150 m de los límites del terreno considerado ni a más de tres o cuatro kilómetros de la estación meteorológica. El lugar elegido para extraer bloques de tierra para la inclusión de evaporímetros y lisímetros debe encontrarse dentro de un radio de 50 m de la parcela de evaporación, y la tierra y cubierta vegetal del bloque debe corresponder a la tierra y cubierta vegetal de la parcela. 9.4 Evaporación de la nieve En muchos países se utilizan evaporímetros de polietileno o plástico incoloro para medir la evaporación o condensación de la capa de nieve. Los evaporímetros de nieve deben tener una superficie de al menos 200 cm2 y una profundidad de 10 cm. Se corta una muestra de nieve con la que se llena el evaporímetro, se determina el peso total y se instala el evaporímetro al mismo nivel que la superficie de la nieve. Se debe tener cuidado de que las características de la superificie de la muestra sean las mismas que las de la capa de nieve sobre la que se sitúe el evaporímetro. Al final del período de mediciones se quita el evaporímetro de la capa de nieve, se seca su superficie exterior y se hace una medida final de su peso. La diferencia entre los pesos iniciales y finales se convierte en valores de la evaporación o la condensación
EVAPORACIÓN Y EVAPOTRANSPIRACIÓN
139
expresados en centímetros. No son válidas las mediciones hechas durante períodos de nevada o de ventisca alta de nieves. Durante el período de fusión de la nieve, se deben pesar los evaporímetros y tomar muestras a intervalos más próximos, debido a que al disminuir el espesor de la capa de nieve queda expuesto el borde del evaporímetro y se altera así el flujo del aire sobre la muestra. 9.5
Métodos indirectos
9.5.1 Generalidades Generalmente se usan métodos indirectos como los de balance hídrico y balance energético o el enfoque aerodinámico, a causa de las dificultades que se plantean en la realización de observaciones directas de la evaporación de lagos y embalses. Los elementos meteorológicos incluidos en estos métodos indirectos son las radiaciones solar y de onda larga, la temperatura del aire y de la superficie del agua, la humedad atmosférica o la presión del vapor y el viento. En las subsecciones siguientes se describen los instrumentos y los procedimientos de observación para medir estos elementos. En el capítulo 37 se describe de qué manera las observaciones de los elementos antes mencionados se usan en distintos métodos indirectos para calcular la evaporación. 9.5.2 Radiación solar La radiación solar total incidente (onda corta) debe medirse en un lugar próximo al embalse mediante un piranómetro, y sus resultados deberán registrarse continuamente. La entrada de radiación de onda corta sobre una superficie horizontal se mide con un piranómetro. La mayoría de piranómetros modernos se basa en los sistemas de pilas termoeléctricas de multiunión, cubiertos por domos de vidrio doble o sencillo que permiten que sólo la radiación entre 0,3 y 3 µm alcance la superficie sensitiva del piranómetro. Algunos tipos de piranómetros tienen toda la superficie ennegrecida con una mitad de las termouniones en contacto y la otra mitad localizada de forma que percibe la lenta variación de la temperatura de referencia de un bloque largo de latón protegido. Otros tipos tienen una superficie sensible que consiste en dos superficies pintadas de blanco y negro, con ambas termouniones conectadas. 9.5.3 Radiación de onda larga La radiación de onda larga se mide indirectamente con radiómetros de placa plana. Estos instrumentos no son selectivos en respuesta a las diferentes longitudes de onda, por lo que miden todas las longitudes de ondas. La radiación de onda larga se calcula como la diferencia entre la radiación total recibida del sol y del cielo, como la registra un radiómetro, y la radiación solar medida con un piranómetro en el mismo lugar. Un tipo de radiómetro de onda larga consiste en una placa plana de 5 cm2, montada horizontalmente en la boca de un pequeño ventilador. La placa consta de una
140
CAPÍTULO 9
superficie superior de aluminio ennegrecido y una superficie inferior de aluminio pulido. Una pila termoeléctrica mide el gradiente vertical de la temperatura a través de una lámina aislante insertada entre las dos láminas de aluminio que componen la placa. El voltaje de la termopila es proporcional al flujo de calor que atraviesa la placa, que a su vez es proporcional a la energía recibida por la superficie ennegrecida después de deducida la radiación del cuerpo negro. Para determinar el valor de esta última corrección, se emplea una pila termoeléctrica separada, que mide la temperatura de la superficie ennegrecida. La función del ventilador consiste en minimizar los efectos del viento sobre el coeficiente de calibración del dispositivo. Otro tipo de instrumento, el piranómetro total, mide la diferencia entre la radiación total (de onda corta y onda larga) recibida (hacia bajo) y la saliente (hacia arriba). El instrumento consiste de un plato montado horizontalmente con dos superficies ennegrecidas. La mitad de las uniones de las termopilas se fijan a la superficie superior y las otras se fijan a la superficie inferior, de modo que la salida de la termopila es proporcional a la radiación neta en la banda de 0,3 – 100 µm. Estos instrumentos se dividen en dos tipos: los que son ventilados y los que están protegidos para reducir la transferencia de calor convectivo desde el elemento sensible. Los instrumentos deben estar montados al menos a un metro por encima de la cubierta vegetal representativa. 9.5.4 Temperatura del aire La temperatura del aire se debe medir a dos metros sobre la superficie del agua cerca del centro del embalse. Para los pequeños embalses, la temperatura del aire no se modifica considerablemente al pasar sobre la superficie del agua, por lo tanto se pueden hacer mediciones satisfactorias en un lugar de la orilla situado contra el viento. Si bien sería suficiente medir la temperatura del aire a intervalos de una, cuatro o seis horas, es conveniente disponer de registros continuos de la temperatura, y en especial junto con mediciones de humedad. Los termógrafos eléctricos, que utilizan termómetros de termopar, sirven para los registros en los potenciómetros registradores multicanales que se requieren para medir las radiaciones. Al medir la temperatura del aire, los termómetros deben protegerse del sol, sin disminuir por ello la ventilación natural. Se han diseñado protecciones especiales contra las radiaciones para los termómetros de termopar. Las mediciones de la temperatura del aire deben tener una exactitud de ±0,3°C. 9.5.5 Temperatura de la superficie del agua Para la medición de la temperatura del agua se usan varios tipos de termómetros : a) termómetro de mercurio en vidrio o en acero (incluido el termómetro de máxima y mínima, así como el termómetro de inversión); b) termómetro de resistencia de platino o elementos de resistencia térmica con circuitos electrónicos y con un medidor o registrador;
EVAPORACIÓN Y EVAPOTRANSPIRACIÓN
141
c)
termómetro de termopar, con voltímetro, con o sin registrador. Las aplicaciones particulares determinan el modelo que más conviene. Por ejemplo, las observaciones directas se realizan mejor con un termómetro de mercurio en vidrio, mientras que los registros continuos pueden obtenerse con elementos de resistencia o termopares. Los termógrafos, que producen un registro continuo de temperatura, contienen, en general, un elemento sensible de mercurio en acero, sumergido en el agua, que está conectado a un registrador circular o cilíndrico por medio de un tubo de Bourdon que actúa como transductor. La instalación de termógrafos debe hacerse con sumo cuidado para que las mediciones tomadas sean representativas de la temperatura del agua [2]. En el caso de estaciones automáticas donde las mediciones, que generalmente incluyen otras variables, se registran sobre una cinta magnética o se transmiten directamente por cable o por radio, los termómetros más utilizados son los de resistencia de platino o los de resistencia térmica. Como éstos no tienen partes móviles, son más fiables y ofrecen mediciones más exactas y una mayor sensibilidad. El elemento sensible se conecta generalmente a un circuito del tipo puente de Wheatstone, con un amplificador electrónico que produce una señal de salida adecuada para el registro o la transmisión. En general, la exactitud necesaria para la medición de la temperatura del agua es de ±0,1°C, salvo que por razones especiales se pueda requerir una mayor exactitud. Sin embargo, en muchas circunstancias la exactitud de observación de ±0,5°C es suficiente y con frecuencia los datos estadísticos de temperatura se redondean al grado centígrado más cercano. Por eso es importante especificar las necesidades operativas a fin de seleccionar el termómetro más adecuado. 9.5.6 Humedad o presión de vapor del aire Las mediciones de la humedad del aire se hacen en el mismo lugar que las mediciones de la temperatura del aire. Para el registro, los instrumentos más adecuados son los psicrómetros provistos de termómetros de termopar. Los descritos en la sección 9.5.4, con un termómetro de termopar adicional para registrar las temperaturas del termómetro húmedo, darán resultados satisfactorios. Los termopares húmedos requieren una mecha y un depósito que se deben disponer de modo que el agua que llega al termómetro húmedo esté a la misma temperatura del termómetro húmedo. Además, este tipo de termómetro debe estar protegido de las radiaciones, manteniéndose al mismo tiempo la ventilación adecuada para obtener la temperatura real del termómetro húmedo. Si la velocidad del viento es superior a 0,5 m s-1 se utilizará una protección similar a la utilizada para el termómetro que mide la temperatura del aire. En la práctica, la pantalla del termómetro húmedo se instala debajo de la pantalla del termómetro que mide la temperatura del aire.
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CAPÍTULO 9
Si las mediciones de las temperaturas de los termómetros seco y húmedo se efectúan con una exactitud de ±0,3°C, la humedad relativa no debe exceder del ±7 por ciento para temperaturas moderadas, valor adecuado para determinar la tensión de vapor del aire. 9.5.7 Viento La velocidad del viento debe medirse cerca del centro del lago o del embalse a unos dos metros por encima de la superficie del agua. En la práctica se emplea una balsa anclada como plataforma para los instrumentos. Para determinar la velocidad media diaria del viento, se utiliza cualquier tipo de anemómetro que proporcione indicaciones o trace un registro a distancia. El rotor de tres cazoletas o los anemómetros de abanico son los más adecuados para los registros a distancia. La exactitud de las mediciones de la velocidad del viento con los anemómetros de abanico o de tres cazoletas es de ±0,5 m s-1, valor que se considera aceptable para las mediciones de la evaporación. Si se utiliza un anemómetro totalizador, habrá que realizar la lectura del contador a intervalos fijos, de preferencia diariamente. Si se emplea un anemómetro eléctrico de contacto se debe agregar un registrador. Esto se puede hacer instalando un marcador eléctrico de datos en el borde del registro de la temperatura. 9.5.8 Dispositivos de integración Las mediciones de la radiación y la temperatura del aire se hacen generalmente en los mismos lugares: en el centro del lago o en una estación situada en una orilla contra el viento. De este modo, se pueden registrar de manera sucesiva diversos elementos con un solo registrador de canal múltiple. A veces se utilizan, junto con los registradores de banda, dispositivos de integración que permiten leer el valor promedio de cada parámetro durante el período de tiempo para el que debe calcularse la evaporación, generalmente diez días o dos semanas. Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1976: The CIMO International Evaporimeter Comparisons. OMM–Nº 449, Ginebra. 2. Herschy, R. W., 1971: River Water Temperature. Water Resources Board, TN5.
CAPÍTULO 10 NIVELES DE RÍOS, LAGOS Y EMBALSES
10.1 Generalidades El nivel de agua de ríos, lagos y embalses se usa directamente para la predicción de crecidas, para la delimitación de zonas con riesgo de inundación y para el diseño de estructuras en cursos o masas de agua o cerca de ellas. Cuando se relaciona con los caudales de las corrientes o con el volumen de almacenamiento de embalses y lagos, el nivel de agua se utiliza como base para determinar el caudal o el volumen de agua almacenada. La publicación titulada Manual on Stream Gauging, de la OMM [1], contiene un estudio detallado sobre este tema. El nivel o altura del agua es la altura de la superficie del agua de una corriente, lago u otra masa de agua con relación a una determinada referencia [2]. En general, debe ser medida con una exactitud de un centímetro, mientras que en las estaciones de aforo que efectúan registros continuos la exactitud debe ser de tres milímetros. El sitio seleccionado para la observación del nivel de agua deberá responder a la finalidad de las observaciones y a la accesibilidad del sitio. Las condiciones hidráulicas son un factor importante en la selección de sitios en corrientes, particularmente en lugares donde se utiliza el nivel de agua para calcular registros de caudal. En lagos y embalses, los limnímetros están casi siempre ubicados cerca de una salida, pero lo suficientemente aguas arriba de la zona para evitar la influencia del descenso del nivel debido al aumento de la velocidad. 10.2
Instrumentos para medir el nivel
10.2.1
Limnímetros
[C71]
En hidrometría práctica se emplean varios tipos de limnímetros para las mediciones del nivel. Los limnímetros más utilizados son los siguientes: a) escala vertical graduada; b) escala inclinada o de rampa; c) indicador de alambre y pesa instalado en una estructura por encima de la corriente; d) varilla, cinta o alambre graduado, para medir la distancia hasta la superficie del agua.
144
CAPÍTULO 10
10.2.2 Limnígrafos Los tipos de limnígrafos de registro continuo que se utilizan son muy diversos; se pueden clasificar según el sistema de funcionamiento o el sistema de registro. Una instalación corrientemente usada consiste en un pozo de amortiguación conectado a la corriente por medio de tuberías, con un flotador instalado en el pozo y conectado a la rueda de un registrador mediante una cadenilla o una cinta perforada. En ríos con alta velocidad, puede ser necesario instalar tubos estáticos al final de la cañería de toma para evitar el descenso del nivel de agua en el pozo. También se utilizan los limnígrafos de presión, que funcionan según el principio de que la presión en un punto fijo del lecho del río es directamente proporcional a la carga del líquido sobre ese punto. Muchos aparatos utilizan un sistema purgador a gas para transmitir la presión al limnígrafo. Se permite que una pequeña cantidad de aire o gas inerte (por ejemplo el nitrógeno) pase a un orificio en la corriente a través de un caño o tubería. Entonces se mide la presión del aire o del gas que desplaza al líquido de la tubería y se la convierte en una rotación de eje, por lo general mediante un servomanómetro o servobalanza de cruz. La principal ventaja de los registradores que actúan a presión es que no necesitan un pozo de amortiguación ni ser sensibles a los sedimentos, si la concentración es normal. El nivel del río se registra habitualmente por medio de registradores gráficos (analógicos). Las escalas de tiempo y de nivel para una estación en particular dependerán del rango de variación en el nivel, de la sensibilidad de la relación nivel/caudal y de las características de escorrentía de la cuenca. Los valores del nivel pueden convertirse de la forma analógica a la numérica mediante dispositivos electrónicos, algunos de los cuales son operados manualmente para producir, sobre cintas de papel o cintas magnéticas, las coordenadas X y Y del registro del nivel. Pueden usarse registradores numéricos sobre cinta de papel en lugar de registradores gráficos de banda, lo que permite que los datos sean procesados automáticamente. Un registro digital se logra con un punzón de movimiento lento, accionado por una batería, que registra en una cinta de papel a intervalos de tiempo determinados, un número de cuatro cifras que representa el nivel. Para cada estación, el intervalo se selecciona sobre la base de la rapidez de variabilidad del nivel en magnitudes que puedan afectar grandemente el caudal. Estos criterios exigen que los intervalos de tiempo sean más cortos para las corrientes de variaciones rápidas y más largos en ríos grandes. Existen dispositivos que proporcionan salidas de voltaje para representar el nivel de agua, como los transductores de presión y los codificadores de pozos, los cuales graban sus datos en registradores electrónicos (sección 6.2.4), o si se dispone de interfaces apropiadas, los datos se pueden transmitir telemétricamente a través de radio o de sistemas de satélite.
NIVELES DE RÍOS, LAGOS Y EMBALSES
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10.3 Procedimientos para medir el nivel 10.3.1 Establecimiento del cero del limnímetro El limnímetro debe ajustarse de modo que el valor cero corresponda a un nivel inferior al más bajo que pueda preverse para evitar las lecturas negativas. El cero del limnímetro debe verificarse anualmente mediante la nivelación con niveles de referencia locales. Es importante mantener el mismo cero o punto de referencia de la escala en todo el período de registro. El cero de referencia local debe referirse en lo posible a un nivel cartográfico nacional o regional. 10.3.2 Limnígrafos El registrador gráfico (analógico), digital, electrónico, o el dispositivo telemétrico se ajusta por comparación con un aforador auxiliar de flotador de cinta o con una escala colocada dentro del pozo de amortiguación. Además, para poder comparar el nivel de la superficie del agua en el pozo de amortiguación con el nivel del río, es necesario sumergir en la corriente una barra, una mira o un aforador de plomada graduados en función del mismo cero de referencia. En los limnígrafos con sistema de purga de gas y sin pozo de amortiguación, la escala, rampa o el aforador de plomada en el río servirá como escala de referencia. Por lo general aparecen pequeñas diferencias debido a la velocidad de paso de la corriente por las cañerías de toma. La existencia de diferencias significativas es indicio de que las cañerías de toma están obstruidas. 10.3.3 Funcionamiento de los limnígrafos en invierno a) con flotadores – Este tipo de instalación requiere un pozo de amortiguación que debe mantenerse libre de hielo en invierno. Para ello se calienta el pozo de amortiguación con una lámpara eléctrica de calefacción o con un calentador de gas. Existen además otros dispositivos para impedir la congelación del pozo de amortiguación: un piso provisional dentro del pozo que esté justo debajo del límite de helada del suelo; un tubo vertical abierto, con suficiente diámetro para alojar al flotador, que contiene además una capa de aceite pesado sobre la superficie del agua; b) servomanómetro a presión y servobalanza de cruz – Si bien estos limnígrafos, que emplean sistema de purga de gas, no necesitan pozo de amortiguación, utilizan baterías y, en algunos casos, mercurio en su funcionamiento. En condiciones meteorológicas extremas, la batería se debilitará y el mercurio se congelará a -39°C. Los trenes de engranaje de algunos modelos tienden también a trabarse en clima frío debido a la contracción diferencial. Sin embargo, con protecciones adecuadas, como calentar la estructura de protección, este tipo de instalación puede funcionar satisfactoriamente a lo largo del invierno; c) fuelles de aire a presión y transductores – Estos tipos de instalaciones no requieren de pozos de amortiguación ni de otros dispositivos que puedan congelarse.
146
CAPÍTULO 10
Sin embargo, la exactitud de dichos instrumentos tiende a ser menor que la de los descritos en esta sección, en particular para grandes variaciones de la altura. 10.4 Frecuencia de las mediciones del nivel La frecuencia con que debe realizarse el registro del nivel de agua está condicionada por el régimen hidrológico del curso de agua y por el fin que se asigne a la concentración de los datos. Si se requiere un registro casi continuo, las lecturas sistemáticas, dos veces al día, complementadas con lecturas más próximas entre sí durante las crecidas son suficientes para muchas corrientes. Es obligatorio la instalación de limnígrafos en corrientes sujetas a variaciones rápidas. Se utiliza con frecuencia el limnímetro como parte de los sistemas de predicción de crecidas, en lugares donde existen observadores locales que informen a intervalos regulares sobre el nivel del río. Para la predicción o la gestión de crecidas, los sistemas telemétricos pueden emplearse para transmitir datos de cambios de nivel por encima de un valor predeterminado. Para algunos objetivos, es suficiente tener los niveles máximos durante las crecidas, utilizándose limnímetros de niveles máximos. Una observación diaria es, en general, suficiente para los niveles de lagos y embalses si se quiere calcular las variaciones en el almacenamientos [3]. Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1980: Manual on Stream Gauging. Volumes I and II, Informe de hidrología operativa Nº 13 (OMM–Nº 519), Ginebra. 2. Organización Internacional de Normalización, 1988: Liquid Flow Measurement in Open Channels: Vocabulary and Symbols. Tercera edición, ISO 772, Ginebra. 3. Organización Internacional de Normalización, 1981: Liquid Flow Measurement in Open Channels. Part 1: Establishment and operation of a gauging station and Part 2: Determination of stage-discharge relation. ISO 1100, Ginebra.
CAPÍTULO 11 MEDICIÓN DEL CAUDAL
11.1 Generalidades [E70] El caudal de un río, es decir la cantidad de agua que fluye a través de una sección transversal, se expresa en volumen por unidad de tiempo. El caudal en un tiempo dado puede medirse por varios métodos diferentes y la elección del método depende de las condiciones de cada sitio. 11.2
Medición del caudal con molinete hidrométrico
[C79, C85, C86, C88, E79] La medición del caudal por el método área–velocidad se explica con referencia a la figura 11.1. La profundidad del río en la sección transversal se mide en verticales con una barra o sonda. Al mismo tiempo que se mide la profundidad, se hacen mediciones de la velocidad con el molinete en uno o más puntos de la vertical. La medición del ancho, de la profundidad y de la velocidad permiten calcular el caudal correspondiente a cada segmento de la sección transversal. La suma de los caudales de estos segmentos representa el caudal total [1].
b2
b1 1
2
b3 3
b4 4
b5 5
d1 d2 d3
d4
d5
Figura 11.1 — Vista de la sección transversal de un río en el que se muestra la ubicación de los puntos de observación
148
CAPÍTULO 11
11.2.1 Selección del sitio No es necesario que la medición del caudal se haga en el lugar exacto en que se ha instalado la estación de aforo, ya que el caudal es normalmente el mismo en las proximidades de la estación. Los sitios seleccionados para las mediciones de caudal deben tener las siguientes características [1]: a) velocidades paralelas en todos los puntos y que formen ángulo recto con la sección transversal de la corriente; b) curvas regulares de distribución de velocidad en la sección, en los planos vertical y horizontal; c) velocidades superiores a 0,150 m s-1; d) lecho del río uniforme y estable; e) profundidad superior a 0,300 m; f) ausencia de plantas acuáticas; g) existencia mínima de nieve enlodada o cristales de hielo (véase la sección 11.2.5.1). 11.2.2 Medición de la sección transversal La exactitud de las mediciones del caudal depende en gran parte del número de verticales en que se hagan observaciones de la profundidad y la velocidad. Las verticales de observación deben localizarse de modo que se pueda definir debidamente la variación en elevación del lecho de la corriente y la variación horizontal en velocidad. En general, el espacio entre dos verticales sucesivas no debe superar 1/20 del ancho total, y el caudal entre esas dos verticales no deberá ser superior al 10 por ciento del caudal total. El ancho del cauce y la distancia entre las verticales deben ser obtenidos por mediciones hechas a partir de un punto fijo de referencia (generalmente un punto inicial en la margen), que deberá hallarse en el mismo plano de la sección transversal. Normalmente, la distancia entre las verticales se determina con la ayuda de una cinta graduada o de una cadena que se tiende provisionalmente a través del cauce, o de marcas semipermanentes pintadas en el pasamanos de un puente o en un cable de suspensión [1]. En ríos grandes puede usarse el sistema telemétrico o de prácticas de triangulación para medir el ancho. Si la medición se realiza mediante vadeo, la profundidad puede ser medida directamente con una varilla graduada colocada en el lecho de la corriente. Si se utiliza el sistema de sonda con alambre de plomo y tambor para la medición, el metro y la plomada se hacen descender hasta que la parte inferior de la plomada roce apenas la superficie del agua y la aguja indicadora de profundidad se colocará en cero; seguidamente, se sumergirá la plomada hasta que descanse en el lecho del río y se anotará la profundidad registrada por la aguja. Si la plomada unida a la sonda no pesa lo suficiente para mantenerse perpendicular a la superficie del agua, el ángulo que forma la sonda con la vertical se medirá con un transportador redondeando al grado más cercano. La relación entre la pro-
149
MEDICIÓN DEL CAUDAL
fundidad exacta, d, y la profundidad observada, dob, basada en el ángulo medido, ϕ, y en la distancia entre la superficie del agua y el punto de suspensión de la línea de sondeo, x, se observa en la figura 11.2 y se determina con la siguiente fómula: d = [dob - x (sec ϕ - 1)][1 - k]
(11.1)
Los valores de k, que se dan en la tabla 11.1, se establecen según la hipótesis de que la presión de arrastre ejercida sobre la plomada en la capa de agua, relativamente tranquila cerca al fondo, puede despreciarse y de que la sonda y la plomada están diseñadas para ofrecer poca resistencia a la corriente. Las incertidumbres de esta estimación son tales que si el ángulo que la sonda forma con la vertical es superior a los 30° pueden producirse errores importantes.
x 1)
ϕ
x
sec
x(
ϕ-
dob
d
Figura 11.2 — Relación entre la profundidad exacta, d y la profundidad observada, dob. TABLA 11.1 Factor de corrección k para valores dados de ϕ ϕ
k
ϕ
k
ϕ
k
4° 6 8 10 12
0,0006 0,0016 0,0032 0,0050 0,0072
14° 16 18 20 22
0,0098 0,0128 0,0164 0,0204 0,0248
24° 26 28 30
0,0296 0,0350 0,0408 0,0472
150 11.2.3 11.2.3.1
CAPÍTULO 11
Medición de la velocidad Instrumentos para la medición de la velocidad
[C79, E79]
La velocidad del flujo en un punto determinado se mide generalmente contando el número de revoluciones del rotor de un molinete durante un corto período de tiempo medido con un cronómetro [1]. Los molinetes más utilizados son de dos tipos: el de cazoletas, con eje vertical, y el de hélice, con eje horizontal. Ambos están provistos de un disruptor que genera un impulso eléctrico indicando las revoluciones del rotor [2]. También se usan contadores de tipo óptico en los molinetes de cazoletas. Los molinetes se calibran a fin de cubrir la gama de velocidades del flujo que ha de medirse. Los procedimientos de calibración detallados se describen en la norma ISO 3455 (3). Los molinetes pueden calibrarse individualmente o en conjunto. Los molinetes calibrados individualmente deben ser recalibrados después de tres años o de 300 horas de uso o cuando se dude de su funcionamiento (Reglamento Técnico, Volumen III, Anexo I). 11.2.3.2 Medición de la velocidad usando el molinete La velocidad se determina en uno o más puntos en cada vertical contando las revoluciones del rotor en un lapso de 60 segundos como mínimo y durante un período máximo de tres minutos si la velocidad del agua es pulsatoria [1]. En canales poco profundos, el molinete debe sostenerse en la posición deseada por medio de una varilla de vadeo. En canales demasiado profundos o muy rápidos para medirlo por vadeo, el molinete se debe suspender de un alambre o varilla desde un puente, teleférico o embarcación. Cuando se utiliza un embarcación, el molinete debe sostenerse de manera que no lo afecten las perturbaciones causadas por la embarcación. Una vez que el molinete se haya colocado en el punto seleccionado de la vertical, se le alineará en la dirección de la corriente antes de comenzar las mediciones. Si no se puede evitar el flujo oblicuo, el ángulo de la dirección del flujo normal y la sección transversal deben ser medidos y la velocidad medida debe corregirse. Si el ángulo medido con respecto a la normal es γ, entonces: Vnormal = Vmedido cos γ
(11.2)
El molinete debería sacarse del agua de vez en cuando para examinarlo. Se pueden utilizar molinetes especiales para medir velocidades muy bajas, si su buen funcionamiento y exactitud han sido probados en esta gama de velocidad. El eje horizontal del molinete no debe estar situado a menos de una vez o una vez y media la altura del rotor con respecto a la superficie del agua, ni a menos de tres veces la altura del rotor desde el fondo del canal.
MEDICIÓN DEL CAUDAL
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11.2.3.3 Determinación de la velocidad media en la vertical La velocidad media del agua en cada vertical se puede determinar con uno de los siguientes métodos: a) método de distribución de la velocidad; b) métodos de puntos reducidos; c) método de integración. La selección del método apropiado depende del tiempo disponible, del ancho y de la profundidad del agua, de las condiciones del lecho, de las variaciones de nivel, de la existencia de capa de hielo y de la exactitud requerida. Método de distribución de velocidad La medición de la velocidad media por este método se obtiene a partir de las observaciones de la velocidad efectuadas en un determinado número de puntos a lo largo de cada vertical, entre la superficie del agua y el lecho del canal. Las observaciones de la velocidad en cada posición deberán ser trazadas en un gráfico y la velocidad media se determinará al dividir el área formada por este trazo entre la profundidad. Para hacer el gráfico puede ser necesario estimar las velocidades del flujo cerca del lecho, suponiendo que la velocidad para cierta distancia por encima del lecho del canal es proporcional al logaritmo de la distancia x desde el mismo. Si la velocidad observada en los puntos próximos al lecho se lleva a un gráfico en función del logaritmo x, la línea que más ajuste los puntos puede extenderse hasta el lecho y las velocidades cercanas a él pueden leerse en el gráfico. El método de distribución de velocidad puede que no convenga para mediciones hechas durante variaciones importantes de nivel porque lo que aparentemente se gana en exactitud puede ser más que compensado por los errores resultantes durante el largo período de tiempo necesario para realizar la medición. Método de puntos reducidos a) método de un punto. La velocidad se debe medir en cada vertical colocando el molinete a 0,6 de profundidad a partir de la superficie. El valor observado se considera como la velocidad media en la vertical. Este método se aplica con un factor de corrección de 0,92 para profundidades inferiores a 1 m, cuando las mediciones se realizan bajo una capa de hielo. Bajo una capa de hielo, el molinete podrá colocarse a 0,5 de profundidad; se aplica entonces a este resultado un factor de corrección de 0,88; b) método de dos puntos. Las observaciones de velocidad se deben hacer en cada vertical, colocando el molinete a 0,2 y 0,8 de profundidad a partir de la superficie. El promedio de los dos valores puede considerarse como la velocidad media en la vertical; c) método de tres puntos. La velocidad se mide colocando el molinete en cada vertical a 0,2, 0,6 y 0,8 de profundidad a partir de la superficie. El promedio de los
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CAPÍTULO 11
tres valores puede ser considerado como la velocidad media en la vertical. Se puede también ponderar la medición a 0,6 y la velocidad media se obtendrá con la ecuación: –v = 0,25 (v + 2v + v ) (11.3) 0,2
0,6
0,8
d) método de cinco puntos. El método de cinco puntos puede utilizarse cuando el canal está libre de hielo y de vegetación acuática. Consiste en medir la velocidad en cada vertical a 0,2, 0,6 y 0,8 de profundidad a partir de la superficie y tan cerca como sea posible de la superficie y del lecho. La velocidad media podrá determinarse del gráfico que represente el perfil de velocidades como en el método de distribución de velocidades o a partir de la ecuación: –v = 0,1 (v + 3v + 3v + 2v + v ) (11.4) superficie
e)
0,2
0,6
0,8
lecho
método de seis puntos. Este método se puede utilizar en condiciones difíciles, cuando por ejemplo hay vegetación acuática, o una capa de hielo. La velocidad se mide colocando el molinete en cada vertical a 0,2, 0,4, 0,6 y 0,8 de profundidad a partir de la superficie y tan cerca como sea posible de la superficie y del lecho. Los valores de la velocidad se trazan en un gráfico y la velocidad media se determina como en el método de distribución de velocidad o mediante la ecuación: –v = 0,1 (v + 2v + 2v + 2v + 2v + v ) (11.5) superficie
0,2
0,4
0,6
0,8
lecho
El método de dos puntos se emplea cuando la distribución de velocidades es regular y la profundidad es superior a unos 60 cm; el método de un punto se usa en aguas poco profundas. El método de tres puntos debe utilizarse para mediciones bajo hielo o en canales cubiertos por vegetación acuática. El método de cinco puntos se utiliza cuando la distribución vertical de la velocidad es muy irregular. La exactitud de un método en particular debe determinarse al medir, si es posible, la velocidad en unos seis a 10 puntos en cada vertical para la primeras mediciones de caudal efectuadas en un nuevo sitio. Método de integración En este método, se baja y se sube el molinete a lo largo de toda la profundidad en cada vertical a una velocidad uniforme. La velocidad de descenso o de ascenso del molinete no debe ser superior a cinco por ciento de la velocidad media del flujo en la sección transversal y en todo caso debe estar comprendida entre 0,04 y 0,10 m s-1. Se determina el número promedio de revoluciones por segundo. En cada vertical se realizan dos ciclos completos y, si los resultados difieren en más de 10 por ciento, se repite la medición. Este método se utiliza rara vez en aguas con una profundidad superior a tres metros y velocidades inferiores a 1 m s-1.
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11.2.4 Cálculo del caudal Métodos aritméticos a) método de la sección media. Se considera que la sección transversal está compuesta de un número de segmentos, cada uno de ellos limitados por dos verticales adyacentes. Si –v1 es la velocidad media en la primera vertical y –v2 la velocidad media de la vertical adyacente, y si d1 y d2 representan las profundidades totales respectivas en las verticales 1 y 2, y b es la distancia horizontal entre las verticales, entonces el caudal q del segmento será: v +v d +d q = 1 2 1 2 b 2 2
(11.6)
El caudal total se obtiene sumando el resultado de los caudales parciales; b) método de semisección. El caudal en cada segmento se calcula multiplicando vd en cada vertical por el ancho, que es la suma de la mitad de la distancia entre verticales adyacentes. Puede evaluarse el valor de d en los dos medios anchos próximos a las márgenes. Con referencia a la figura 11.1, el caudal total Q se calculará de la siguiente manera:
Q = v1d 1
b2 + b1 2
+ v2d 2
b3 + b1 2
bn
+ . . . + vn d n
+ b(n −1) 2
(11.7)
Métodos gráficos a) método de integración de la curva profundidad–velocidad. El primer paso consiste en dibujar, para cada vertical, la curva profundidad–velocidad, cuya área representa el producto de la velocidad media por la profundidad total. El valor de este producto en cada vertical se lleva a un gráfico en función de la distancia lateral y se traza una curva a través de los puntos obtenidos. El área definida por esta curva representa el caudal en la sección transversal; b) método de curvas de velocidad o método de las isotacas. Se basa en las curvas de distribución de velocidad en las verticales; se prepara un diagrama de distribución de velocidades en la sección transversal y se trazan las curvas de igual velocidad. Las áreas delimitadas por las curvas de igual velocidad y la superficie del agua se deben medir y el valor obtenido se debe trazar en otro diagrama en el que las ordenadas indicarán la velocidad y las abscisas el área correspondiente. La superficie delimitada por la curva área–velocidad representa el caudal en la sección transversal [1].
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CAPÍTULO 11
11.2.5 Medición del caudal bajo una capa de hielo La medición del caudal bajo una capa de hielo exige conocer los instrumentos y procedimientos descritos en las secciones 11.2.1 y 11.2.4. Estas secciones tratan únicamente del equipo y los procedimientos característicos de la medición del caudal bajo una capa de hielo. 11.2.5.1 Selección del sitio Se recomienda seleccionar secciones alternas de medición durante la estación en que las aguas están libres de hielo, cuando se pueden evaluar las condiciones del cauce. En algunas estaciones de aforo, se puede usar una misma sección de medición en verano e invierno, pero es más importante que las mediciones de invierno se hagan en condiciones adecuadas que utilizar la misma sección de medición en ambas estaciones. Después de la selección inicial, se deben hacer agujeros de exploración a lo largo de la sección, separados un palmo entre sí, para detectar la presencia de hielo enlodado o una mala distribución del flujo de agua. Se deben evitar los lugares donde puedan existir cristales de hielo, porque pueden impedir el proceso de medición y debido también a la dificultad de determinar el espesor del hielo. Asimismo, se puede producir algún flujo de agua través del hielo cristalino que no puede medirse por los métodos usuales. Con frecuencia, en las corrientes de agua dulce invernales, el agua atraviesa el hielo formando dos corrientes independientes, una encima y otra por debajo del hielo. Se deben evitar esos emplazamientos. 11.2.5.2 Equipo a) perforación de los agujeros – Cuando la capa de hielo es gruesa es conveniente utilizar una barrena o taladro mecánicos o una sierra de cadenas para perforar el hielo. Si la capa de hielo es delgada se puede usar un cincel de hielo; b) determinación de la profundidad real – La profundidad real del agua por debajo de la capa de hielo es igual a la profundidad total del agua menos la distancia que existe entre la superficie del agua y el fondo de la capa de hielo. La distancia entre la superficie del agua, en el agujero perforado en el hielo, y la parte inferior del hielo puede medirse con una barra graduada en forma de L y de longitud adecuada. El lado corto de la barra se apoya contra la cara interna de la capa de hielo y se lee la profundidad de ese punto en la parte graduada de la barra. Si en un agujero existe hielo enlodado por debajo de la capa de hielo sólido, se puede determinar a qué profundidad termina el hielo enlodado suspendiendo el molinete por debajo del hielo, hasta que la hélice gire libremente; entonces se levanta lentamente hasta que pare la hélice. Este punto se considera como el de separación entre el agua y el hielo enlodado; c) molinete y sistema de pesas – Si se utiliza una barrena o taladro para perforar la capa de hielo, se requiere un molinete especial y un sistema de pesas de sondeo
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adaptados a las dimensiones del agujero hecho en el hielo, que tiene unos 150 mm de diámetro. El sistema de pesas puede consistir en dos pesas de plomo en forma de lágrima situadas una encima y otra por debajo del molinete, o bien una sola pesa de esa forma situada debajo del molinete. Si el agujero puede hacerse suficientemente ancho, se puede usar el molinete corriente y el sistema de pesas que se describen en la sección 11.2.3.1; d) suspensión del molinete – El molinete puede estar suspendido de una varilla, de un sedal, o de una bobina de sondeo. Si la profundidad total del agua por debajo del hielo es superior a tres o cuatro metros, se usa con frecuencia una bobina o un sedal. La bobina se monta en un soporte plegable sobre ruedas. En aguas muy frías, el soporte puede estar dotado de un tanque de agua caliente o de una cámara de aire caliente para evitar que se congele el molinete mientras se desplaza el equipo de un agujero a otro. Para emplazamientos menos profundos, cuando se utiliza un molinete sin veleta de orientación suspendido por una varilla a través del agujero perforado en el hielo, es preciso determinar la dirección de la corriente para poder orientar debidamente el molinete. 11.2.5.3 Medición del caudal a) separación de las verticales – La información contenida en la sección 11.2.2 se aplica también al espaciamiento de verticales cuando existe una capa de hielo. Sin embargo, además de la variación de altura del lecho del cauce, se ha de tener también en cuenta la variación del espesor de la capa de hielo y del hielo enlodado para seleccionar el número y la ubicación de los puntos de medición. Si la corriente está dividida en diferentes canales por el hielo enlodado, se deben usar no menos de tres verticales en cada canal; b) medición de la velocidad – Se recomienda que las curvas de velocidad se determinen a partir de la medición de la velocidad en cada punto a intervalos de un décimo de la profundidad real en dos verticales como mínimo para calcular los posibles coeficientes de corrección necesarios para convertir la velocidad media obtenida por métodos normales de observación para aguas sin hielo, en la velocidad media correspondiente a un punto de medición bajo una capa de hielo. En aguas poco profundas se puede medir la velocidad en un solo punto a 0,5 ó 0,6 de la profundidad real, pero en general se necesita aplicar un coeficiente para convertir la velocidad observada en velocidad media. En aguas más profundas (un metro o más), se pueden hacer dos observaciones a 0,2 y 0,8 de la profundidad real, tres observaciones a 0,15, 0,5 y 0,85 de la profundidad real, o seis observaciones a 0,2, 0,4, 0,6 y 0,8 de la profundidad real y en los puntos cercanos a la superficie y al fondo. La velocidad media obtenida en los métodos de dos y tres puntos se puede utilizar como valor medio en la vertical. Para utilizar el método de los seis puntos, véase la sección 11.2.3.3;
156 c)
CAPÍTULO 11
generalidades – Al medir el caudal bajo una capa de hielo, es esencial que se tomen medidas de seguridad. Por ejemplo, se debe comprobar siempre la firmeza del hielo tanteando con un cincel para hielo antes de proseguir el desplazamiento sobre la superficie. Si la velocidad medida en condiciones de hielo es menor que el límite inferior que permite el empleo del molinete, se debe buscar otra sección de aforo en otro lugar del río donde la velocidad sea mayor. Se debe tener la precaución de asegurarse de que el molinete gire libremente y que no quede retenido por el hielo que se haya podido formar mientras se le traslada de una vertical a otra. Al efectuar las mediciones, se debe anotar una descripción completa del clima y las condiciones del hielo en el río, sobre todo en las secciones del control. Esto ayudará al cálculo posterior del caudal entre las mediciones.
11.2.5.4 Cálculo del caudal El cálculo del caudal bajo una capa de hielo es el mismo que para condiciones de aguas a cielo abierto descritas en la sección 11.2.4, salvo que se utiliza la profundidad real en lugar de la profundidad total de agua. 11.2.6 Exactitud La exactitud de estas mediciones de caudal depende de la fiabilidad de la calibración del instrumento de medición, de las condiciones del río y del número de mediciones de la profundidad y la velocidad que se hayan efectuado [4,5]. Las mediciones se hacen normalmente registrando la profundidad y la velocidad en dos puntos, en cada una de las 20 a 25 verticales de la sección transversal. El error típico para un nivel de confianza del 95 por ciento en este tipo de mediciones efectuadas en condiciones normales, es alrededor de un cinco por ciento [1]. 11.3 Medición del caudal por el método del flotador Este método se utiliza cuando no se puede emplear un molinete debido a velocidades o profundidades inadecuadas, a la presencia de material en suspensión, o cuando la medición del caudal deba realizarse en un período de tiempo muy corto. 11.3.1 Selección de secciones Se deben seleccionar tres secciones transversales en un tramo recto del curso de agua. Las secciones transversales deben estar lo suficientemente espaciadas entre sí de manera a medir con exactitud el tiempo necesario para que el flotador pase de una sección transversal a la siguiente. Se recomienda un lapso de 20 segundos, aunque podrán emplearse intervalos más breves en el caso de ríos pequeños en los que la corriente sea muy veloz y en los cuales es a menudo imposible seleccionar un tramo recto de longitud adecuada.
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11.3.2 Flotadores Se pueden utilizar flotadores de superficie o de varilla. Los flotadores de superficie deben sumergirse a una profundidad inferior a la cuarta parte de la profundidad del agua. No se deberán emplear cuando se tema que la medición pueda ser afectada por el viento. Los flotadores de varilla pueden sumergirse a una profundidad superior a la cuarta parte de la profundidad del río. Los flotadores de varilla no deben rozar el lecho del canal. Durante los períodos en que las maniobras en el río pueden ser peligrosas, se pueden emplear, como flotadores naturales, árboles o fragmentos de hielo que floten en el río. 11.3.3 Procedimientos de medición Los flotadores deben distribuirse de manera uniforme a todo lo ancho de la corriente; se deben realizar entre 15 y 35 mediciones con flotadores. Cuando se usan flotadores naturales se deben hacer 20 mediciones como mínimo, en diversas posiciones de la sección del río. El flotador deberá lanzarse a suficiente distancia, aguas arriba de la sección transversal superior, para que pueda alcanzar una velocidad constante antes de llegar a la primera sección transversal. El tiempo en que el flotador atraviesa cada una de las tres secciones transversales se registrará por medio de un cronómetro. Este procedimiento se debe repetir con cada uno de los flotadores distribuidos a todo lo largo de la corriente. La distancia entre el flotador y la orilla al paso de cada una de las secciones transversales puede ser determinada mediante métodos ópticos adecuados, por ejemplo con un teodolito. La profundidad de la corriente en ciertos puntos en la sección transversal se puede determinar mediante métodos de topografía. 11.3.4 Cálculo de la velocidad La velocidad del flotador es igual a la distancia que separa las secciones transversales dividida por el tiempo invertido en recorrerla. La velocidad corregida del flujo en cada sección es igual a la velocidad del flotador multiplicada por un coeficiente basado en la forma del perfil vertical de las velocidades y en la profundidad relativa de inmersión del flotador. El coeficiente que debe aplicarse a la velocidad medida se debe determinar en lo posible, para cada sitio, por medio de un análisis de las mediciones del caudal efectuadas por el método del molinete. Cuando no se disponga de esas mediciones, se puede utilizar un factor F de ajuste según la tabla 11.2 para una estimación aproximada.
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TABLA 11.2 Factor F de ajuste de la velocidad del flotador en función de la relación R, entre la profundidad de inmersión del flotador y la profundidad del agua R 0,10 o menos 0,25 0,50 0,75 0,95
F 0,86 0,88 0,90 0,94 0,98
Cuando se usan flotadores naturales, se deben trazar en un gráfico las velocidades en función de la distancia a la que se encuentran de la orilla, lo que permitirá determinar la velocidad media en la superficie del río. La velocidad media de la corriente en la sección transversal es igual a la velocidad media en la superficie multiplicada por un coeficiente K, cuyo valor se deduce, si es posible, de las medidas anteriores hechas con un molinete para caudales más pequeños. 11.3.5 Cálculo del caudal El caudal en cada tubo de corriente, o sección, se calcula multiplicando la sección transversal media del tubo de corriente por la velocidad media del flujo en el tubo de corriente. El caudal total será igual a la suma de caudales de cada una de las secciones [1]. 11.4 Medición del caudal por el método de dilución [E73] La medición del caudal por este método depende de la determinación del grado de dilución en el río de una solución trazadora que se añade. El método se recomienda únicamente en lugares donde no se puedan emplear los métodos tradicionales, debido a la poca profundidad de la corriente, a grandes velocidades, turbulencia excesiva o presencia de sedimentos. Los dos métodos principales que emplean sustancias trazadoras son: el método de inyección a ritmo constante y el método de inyección instantánea. Las condiciones generales (sección 11.4.1) son iguales para ambos métodos [6,7]. 11.4.1 Condiciones generales Se vierte en la corriente una solución trazadora estable a un ritmo constante o de una vez. El cálculo del caudal requiere del conocimiento de los siguientes factores: a) el coeficiente de inyección para el método de inyección a ritmo constante o la cantidad total inyectada para el método de inyección instantánea; b) la concentración del trazador en la solución inyectada;
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c)
la concentración del trazador en la corriente después de que se haya diluido completamente en toda la sección transversal. La exactitud de estos métodos depende sobre todo de: a) una adecuada mezcla de la solución inyectada en toda la corriente de la sección transversal antes de llegar a la sección de muestreo. Si la solución trazadora se inyecta en forma continua, la concentración de esta solución deberá ser constante T en toda la sección de medida. Si se inyecta toda la solución de una vez, ∫ocdt , deberá ser la misma en todos los puntos de la sección; en esta fórmula c es la concentración y T el tiempo que tarda toda la solución para pasar un determinado punto de la sección. A título indicativo únicamente, la distancia l requerida entre el lugar donde se inyecta la solución y la sección de muestreo será: l = 0,13C
(0,7C + 6) b 2 g
d
(unidades métricas)
(11.8)
– donde b es el ancho medio de la sección transversal mojada por el río, d la profundidad media de la corriente, C el coeficiente de Chezy para el tramo, y g la aceleración de la gravedad; b) los materiales, sedimentos, plantas u organismos depositados en el lecho del río no deben absorber la sustancia trazadora añadida, y ésta no debe descomponerse en el agua de la corriente. La concentración debe determinarse en la sección de muestreo y como mínimo en otra sección transversal situada aguas abajo para verificar que no exista una diferencia sistemática en la concentración media de una y otra sección de muestreo. 11.4.2 Selección del sitio El criterio fundamental de selección del sitio, para medir el caudal por el método de disolución, es la mezcla adecuada de la solución inyectada con el agua de la corriente en un pequeño tramo del canal. La mezcla se mejora por la fuerte rugosidad de las orillas elevadas y las características del terreno que hacen que el flujo del canal sea muy turbulento, como cascadas, curvas o estrangulamientos abruptos del curso de agua. Cuanto más grande es la relación profundidad–ancho, menor es la distancia necesaria para obtener una mezcla adecuada. 11.4.3 Trazadores y equipos de detección Se puede utilizar como trazador cualquier sustancia que reúna las siguientes características: a) se disuelve rápidamente en el agua de la corriente a temperaturas normales; b) no se encuentra normalmente presente en el agua del río o sólo en cantidades ínfimas;
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c)
no se descompone en el agua del río, ni es retenida o absorbida por sedimentos, plantas u organismos; d) su concentración puede ser medida en forma exacta por métodos sencillos; e) es inofensiva para el hombre, los animales y la vegetación en las concentraciones que se utiliza. La sustancia trazadora más económica es la sal común. Cuando la sustancia trazadora se inyecta de una sola vez en la corriente, la cantidad requerida no es muy grande y su detección por métodos de conductividad es bastante sencilla. El bicromato de sodio se usa mucho en el método de dilución. Su solubilidad en el agua es relativamente elevada (600 kg por m3) y la sal satisface la mayoría de las condiciones descritas en la sección 11.4.1. El análisis colorimétrico [7] permite medir concentraciones muy reducidas de bicromato de sodio. El cloruro de litio tiene una solubilidad en el agua de 600 kg por m3. El análisis fotométrico de llama puede detectar concentraciones de litio hasta de 10-4 kg por m3. Otros productos químicos utilizados para el aforo por dilución son el yoduro de sodio, el nitrito de sodio y el sulfato de manganeso. La rodamina WY es utilizada en Estados Unidos. Sus características de absorción son mucho mejores que las de otras tintas de rodamina. La concentración de la tinta puede medirse utilizando fluorímetros que se venden en el mercado y que pueden detectar concentraciones de 5 a 10 partes por miles de billón (5 a 10 en 109). También se han utilizado como trazadores elementos radioactivos como la bromina 82, el oro 198, la iodina 131 y el sodio 24. Las concentraciones de estos elementos, del orden de hasta 10-9, pueden determinarse exactamente con un contador o un dosímetro, cuya sonda detectora esté suspendida sobre la corriente o en un tanque contador normalizado. Si bien los elementos radioactivos constituyen el trazador ideal para el método de dilución, el peligro que presentan para la salud podrían limitar su uso en ciertas localidades. 11.4.4 Cálculo del caudal Las ecuaciones utilizadas para calcular el caudal de una corriente, Q, están basadas en el principio de continuidad del trazador: Q=
Qtr ci cs
(inyección continua)
(11.9)
y Q=
ci V ∞ cs dt o
∫
(inyección instantánea)
(11.10)
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161
donde Qtr es la proporción de inyección, ci la concentración de solución inyectada, cs la concentración en la sección de muestreo, V el volumen de la solución inyectada, y t el tiempo. 11.5 Medición del nivel correspondiente [E71] El nivel y la hora correspondientes se deben anotar a intervalos regulares para identificar las diversas fracciones del caudal total con el tiempo y el nivel correspondientes. En general, el nivel existente hacia la mitad del intervalo de tiempo en que se han hecho las mediciones, se puede utilizar como el nivel que corresponde al caudal medido. No obstante, si el nivel no varía linealmente en función del tiempo, – se utilizará el siguiente procedimiento de ponderación, en el que h es el nivel ponderado, Q1,Q2,...QN son los caudales correspondientes a niveles h1,h2,...hN h=
Q1h1 + Q2h2 + K + QN hN Q1 + Q2 + K QN
(11.11)
11.6 Cálculo del caudal por métodos indirectos [E70] 11.6.1 Generalidades En los períodos de crecida a veces es imposible medir el caudal directamente debido a una variación muy rápida del caudal, a grandes velocidades de la corriente, al arrastre de restos sólidos, a profundidades o anchos demasiado amplias o porque las inundaciones hacen intransitables las carreteras o impiden el acceso a las estructuras de medición. En estas condiciones resulta todavía posible, sin embargo, determinar el caudal máximo cuando la crecida ha descendido, mediante cálculos que combinan principios hidráulicos bien establecidos con observaciones sobre el terreno de las condiciones del cauce y de los niveles más elevados alcanzados durante la crecida. Todos estos métodos implican la solución simultánea de las ecuaciones de continuidad y de energía. Estos cálculos pueden hacerse para las secciones o tramos del cauce del río o las alcantarillas que pasan por debajo de las carreteras, así como los ojos de puente y el espacio sobre diques y terraplenes de las carreteras. Si bien las fórmulas hidráulicas son diferentes para cada tipo de curso de agua, en todos los métodos intervienen los factores siguientes: a) características físicas y geométricas del canal y condiciones límites de la zona del cauce utilizado; b) altitud de la superficie de agua en el momento del caudal máximo para definir el límite superior de las áreas transversales y la diferencia en altitud entre los puntos significativos; c) factores hidráulicos, como los coeficientes de rugosidad que se basan en características físicas.
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11.6.2 Inspección sobre el terreno Para seleccionar el sitio más favorable con objeto de determinar el caudal con el método indirecto, se hará un reconocimiento del terreno en mapas, por avión o por tierra. El sitio debe estar tan próximo como sea posible del punto de medición deseado y deben evitarse afluentes intermedios o desviaciones de importancia. El sitio tiene que contener adecuados vestigios o marcas de crecida que definan el perfil del agua durante el caudal pico. Se hará una inspección topográfica detallada para definir la geometría del cauce en la sección elegida y en la zona adyacente, secciones transversales del cauce, detalles de las alcantarillas, puentes, diques, carreteras o cualquier otra estructura artificial, y las posiciones y situaciones de las marcas de crecida. Se anotarán todos los factores que afecten a la rugosidad del cauce y se seleccionarán los coeficientes de rugosidad. Se tomarán fotografías de las secciones transversales y del tramo para facilitar las evaluaciones de las condiciones del lugar. A partir de las notas tomadas sobre el terreno, se harán dibujos que representen la proyección horizontal, el perfil del lecho del cauce, la altura de la crecida en ambas márgenes, las secciones transversales y detalles de cualquier estructura artificial. Luego se calculan los factores hidráulicos y se determina el caudal. 11.6.3 Medición por la pendiente del caudal La medición por la pendiente del caudal se realiza en un tramo del cauce del río que se ha seleccionado por su uniformidad o variación homogénea en sus propiedades hidráulicas [8]. El caudal se calcula sobre la base de una ecuación de flujo uniforme, como la ecuación de Manning, que incluye características del cauce, perfiles de la superficie del agua y coeficientes de rugosidad. 11.6.4 Medición del caudal a través de alcantarillas El caudal pico a través de las alcantarillas se puede calcular a partir de los vestigios o marcas de crecida que definen el nivel aguas arriba y aguas abajo, de las dimensiones de las alcantarillas y su pendiente, y de las secciones transversales que determinan las condiciones de acceso. Las relaciones entre carga y caudal de alcantarillas se han definido mediante investigaciones de laboratorio y verificaciones sobre el terreno. El caudal de punta se determina por la aplicación de la ecuación de continuidad y la ecuación de energía entre la sección de acceso y una sección de la alcantarilla. Para facilitar el cálculo, el caudal de alcantarilla se ha dividido en seis tipos sobre la base de la situación de la sección de control y las alturas relativas del nivel aguas arriba y aguas abajo. 11.6.5 Medición del caudal por contracción del ancho de la corriente La contracción del cauce de una corriente por un puente que sostiene una carretera da lugar a un abrupto descenso de la elevación de la superficie del agua entre una
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sección de acceso y la sección contraída bajo el puente. La sección contraída, formada por los estribos del puente y el lecho del curso de agua, puede ser utilizada como un control del caudal para calcular las crecidas. La carga sobre la sección contraída se define por las marcas o vestigios de crecida (aguas abajo y aguas arriba), y la inspección sobre el terreno determina la geometría del cauce del puente. La ecuación del caudal resulta de una combinación de las ecuaciones de energía y de continuidad para el tramo que se encuentre entre una y otra sección. 11.6.6 Medición del caudal sobre presas y terraplenes de autopistas Un vertedero, presa, o terraplén constituyen generalmente una sección de control en la que el caudal está relacionado con la altura del nivel aguas arriba. El caudal pico en la sección de control puede determinarse mediante una inspección sobre el terreno de las marcas de la crecida y las dimensiones de la estructura. Los métodos se deducen de los estudios, en laboratorio y sobre el terreno, de las características del caudal en vertederos, presas, y terraplenes. El trabajo sobre el terreno consiste en una inspección del nivel aguas arriba y aguas abajo a partir de las marcas de crecida, de una sección transversal de acceso de la corriente para definir la velocidad de llegada y una determinación exacta del perfil de la estructura de control, a fin de asignar el coeficiente de descarga apropiado. Se dispone de coeficientes para: a) vertederos de pared delgada, que descarguen libremente o sumergidos; b) vertederos de pared gruesa, no sumergidos; c) diques en ojiva o de carga calculada, sumergidos o no sumergidos; d) muchas formas irregulares. 11.7 Medición del caudal en condiciones difíciles El informe técnico de la OMM Level and Discharge Measurements under Difficult Conditions [9], contiene un estudio general sobre la medición de caudales en condiciones difíciles. 11.7.1 Cauces inestables La inestabilidad del cauce está caracterizada por el desplazamiento sistemático del lecho, por el alto contenido de limo y por la presencia de varios tipos de escombros en la corriente. La inestabilidad del cauce es un obstáculo al funcionamiento de una estación de aforo permanente y/o de una sección de medición. Este problema puede minimizarse seleccionando un sitio en la mitad de un tramo de un río que tenga una sección transversal uniforme, lejos de diversas obstrucciones (puentes, etc.). La mayor estabilidad en las márgenes generalmente se encuentra donde el cauce se reduce. En el caso de pequeños ríos, el sitio debe permitir la construcción de una sección de medición permanente.
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En pequeños cursos de agua, donde no hay transporte de piedras o escombros de grandes dimensiones, es conveniente instalar canales aforadores portátiles o permanentes para medir el caudal. También para pequeños ríos, en algunos casos convendría construir una sección artificial para las mediciones, a fin de mejorar la relación nivel-caudal. Esta mejora puede ser un vertedero bajo o un canal aforador, según las condiciones específicas del lugar. La estructura debe ser lo suficientemente alta para eliminar el remanso variable de la sección aguas abajo, pero no tan alta como para causar excesivas perturbaciones aguas abajo. En estiaje, la estructura debe proporcionar una buena relación entre caudales y niveles de agua cuando éstos tienen pequeñas variaciones. Se puede usar una pasarela para limpiar las crestas de estructuras grandes y proporcionar un medio para realizar mediciones con molinetes hidrométricos. Debido al gran contenido de limo en los cauces inestables es conveniente usar molinetes hidrométricos con cámara de contacto sellada. Las pértigas de sondeo deben estar provistas de un reborde para que no se hundan en el limo. Cuando se mide el caudal por el método velocidad–área, la profundidad generalmente se determina antes y después de medir la velocidad. Cuando la velocidad de la corriente es alta, la presencia de diversos tipos de escombros en la corriente producen, a menudo, pequeños daños externos en el molinete. En ese caso, convendría comparar las lecturas del molinete, antes y después de medir los caudales, con las lecturas de otro molinete que no se utiliza en esa medición. En ríos con una inestabilidad grande en los lechos, la distribución de la velocidad en una sección transversal varía periódicamente. La elección de las verticales de medición se hará en función de la distribución de las velocidades en el momento de medición de un caudal dado. El uso de verticales permanentes puede inducir a errores sistemáticos. Si es grande la inestabilidad del lecho, sería mejor utilizar un método de puntos reducidos para medir la velocidad con un reducido número de verticales [1]. Si los sondeos se han efectuado dos veces (antes y después de las mediciones de la velocidad), la superficie de la sección transversal se calculará sobre la base de los valores medios de la profundidad obtenidos en ambos sondeos. En ríos anchos, donde la ubicación de las verticales de sondeo se determina mediante marcas en las orillas, las verticales obtenidas en las dos series de sondeos pueden no coincidir. En este caso, se utiliza un perfil medio de la sección transversal del sitio de medición para seleccionar los valores de la profundidad para el cálculo del caudal. 11.7.2 Ríos de montaña Los ríos de montaña se caracterizan por la alta velocidad de la corriente, a menudo tienen un cauce poco profundo e irregular y pueden ser obstruidos por canto rodado y escombros, tienen pendiente transversal, nivel de agua irregular y transportan grandes pero variadas cantidades de piedras y guijarros. En la selección del lugar para la estación de aforo, es necesario evitar esos fenómenos siempre que sea posible.
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En pequeñas corrientes de montaña, debido al flujo turbulento muy acentuado, es muy conveniente usar uno de los métodos de dilución para medir el caudal (véase la sección 11.4). Puede ser recomendable mejorar el canal para hacer mejores mediciones. Sería también conveniente equipar la estación con un puente de aforo (véase la sección 11.2). Las mediciones con molinete hidrométrico deben comprender por lo menos 20 verticales. La medición de la profundidad de los ríos de montaña con barra de molinete no conduce, en la práctica, a errores sistemáticos. Sin embargo, el uso de una sonda hidrométrica de peso con aleta direccional puede hacer que se subestime la profundidad, si se trata de profundidades pequeñas. Para profundidades de alrededor de un metro, las mediciones realizadas con una barra de molinete pueden acusar diferencias de 2,5 a 3 por ciento, mientras que para profundidades de 0,4 a 0,8 m, la diferencia puede alcanzar hasta 10 ó 15 por ciento. El mejor método para medir la velocidad con el molinete es el de dos puntos. Los caudales se calculan como se explicó en la sección 11.2.1. 11.7.3. Medición de caudales inestables 11.7.3.1 Medición del caudal durante las crecidas Las mediciones de las crecidas en ríos grandes se realizan mejor desde puentes, teleféricos o barcos. Son útiles los cabrestantes electromecánicos portátiles, que se pueden instalar sobre vehículos especiales. En ríos grandes, cuando no hay puentes o teleféricos, se usan grandes botes o transbordadores. Se deben instalar equipos telemétricos a bordo de las embarcaciones y en las orillas para determinar la posición de la embarcación en el cauce. Los transbordadores que usan un cable para cruzar el río están equipados con motores eléctricos o mecánicos, para la tracción mediante el cable y para alzar o bajar los equipos. En general, es necesario usar sondas de hasta 200 kg, debido a que la velocidad máxima en ríos grandes puede ser de hasta 6 a 8 m s-1. Los sondeos de la profundidad se efectúan también mediante la ecosonda. Para la medición de crecidas en pequeños ríos, se recomienda particularmente la teledetección o los sistemas de traslado que se hacen funcionar desde la orilla. Estos sistemas pueden ser portátiles y usarse en varios sitios, sólo necesitan estar equipados con un cable sustentador principal que atraviese el río. Si no se dispone de esos sistemas, se pueden usar botes de duraluminio fácilmente transportables o balsas de goma inflables con motor fuera de borda y equipo de plataforma. A los lugares de difícil acceso se puede llegar por helicóptero. En el caso de velocidades muy altas, se pueden usar flotadores o instrumentos estroboscópicos para medir las velocidades de superficie. El estroboscopio tiene un anteojo, dirigido hacia la superficie del agua, y un cierto número de espejos giratorios. La velocidad de rotación de los espejos se elige de modo que se obtenga
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CAPÍTULO 11
una imagen estacionaria de la superficie del agua. La velocidad de la corriente se determina a partir de la velocidad de rotación de los espejos. La velocidad máxima que se puede medir con este método es de 15 m s-1, pero este máximo depende de la altura del punto de observación por encima de la superficie del agua. Las mediciones con estroboscopios también pueden ser realizadas en corrientes muy turbias, con hielo flotante y otras materias sólidas que impiden el uso de molinetes. El coeficiente de conversión de la velocidad superficial a la velocidad media en una vertical, determinada por mediciones en similares condiciones de dificultad, es generalmente igual a 0,85-0,90. La medición de la profundidad se realiza comúnmente mediante la ecosonda o usando una sección transversal patrón. En el caso de ríos anchos, también se puede usar el método del bote móvil (véase la sección 11.8.2). Este método conviene sobre todo cuando existen grietas en el hielo en movimiento o si hay otros escombros. Si hay hielo o escombros en alguna parte de la sección que se mide, las mediciones se deben hacer con el método del flotador y el molinete se utilizará en las partes restantes. Si el cauce correspondiente a la crecida es muy ancho (tres a 20 km), y se subdivide en varios cauces menores, las mediciones con el molinete resultan extremadamente difíciles. En este caso, lo mejor es emplear flotadores, con ayuda de fotografías aéreas. 11.7.3.2 Medición del caudal en tramos con mareas Cuando una sección de medición está expuesta a las mareas oceánicas, se deben tener en cuenta los siguientes fenómenos: a) variaciones continuas del nivel del agua, con o sin cambio de dirección de la corriente; b) variaciones continuas en la velocidad con respecto al tiempo, incluso en un mismo punto de la vertical, con un gradiente de velocidad elevada; c) cambio en la distribución de la velocidad con respecto al tiempo; d) cambio en la dirección de la corriente durante el ciclo de la marea con velocidad nula; e) presencia de flujo estratificado con densidad y dirección del flujo variables; f) cambio considerable del flujo en el ancho y en la sección transversal; g) presencia de turbulencia en gran escala (por ejemplo, fluctuaciones con un período de más de 30 segundos y variaciones en la amplitud de la velocidad de hasta el 50 por ciento) y el efecto de seiche. El caudal en ríos con mareas se determina generalmente por uno de los siguientes métodos [10]: método de área–velocidad, método volumétrico o resolviendo la ecuación de flujo inestable. Cuando los caudales se miden en estas condiciones, también se puede usar el método del bote móvil (véase la sección 11.8.2), sobre todo en los momentos en que la curva de distribución de velocidad se aproxima a su
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forma corriente. Otros métodos, como el método ultrasónico (véase la sección 11.8.3), también se podrían utilizar. En el cálculo del caudal por el método velocidad–área, la velocidad se mide durante el ciclo completo de flujo y reflujo. Las mediciones generalmente se realizan en varios puntos, de modo que sea posible tener en cuenta las diferentes direcciones del flujo en las verticales. Al mismo tiempo, el nivel del agua y las profundidades en las verticales se miden constantemente. Luego, todas las medidas se reducen a un solo tiempo para el cual se calcula el caudal. La exactitud del método área–velocidad es mayor si: a) el ciclo de la marea durante el cual se efectúan las mediciones es periódico o casi periódico; b) las corrientes, particularmente durante el período de flujo máximo, son paralelas entre ellas y perpendiculares a la sección de aforo en todos sus puntos; c) las curvas de distribución de la velocidad tanto horizontal como vertical tienen forma regular en la estación de aforo; d) el perfil transversal de la estación de aforo es uniforme y carece de aguas poco profundas. El sitio seleccionado debe tener, en la medida de lo posible, las siguientes características: a) la sección del lecho del río debe ser recta y de forma regular; b) la profundidad del agua en el sitio elegido debe permitir el uso eficaz de molinetes; c) la sección del cauce debe ser estable durante el ciclo de la marea; d) el caudal debe estar concentrado en uno o varios cauces cuyas secciones transversales se puedan determinar con un buen grado de exactitud; e) el lugar no debe estar cerca de obstáculos naturales o artificiales que causen flujos no paralelos; f) el sitio de aforo debe estar libre de vegetación; g) se deben evitar las corrientes oblicuas, las corrientes de retroceso y las zonas muertas. El sitio debe ser cuidadosamente marcado en ambas orillas. Para determinar el caudal durante el ascenso y retirada de la crecida, las mediciones en cada vertical se deben efectuar durante el ciclo completo de la marea. Para determinar con exactitud el momento de velocidad nula, las mediciones deben comenzar media hora antes y terminar media hora después del ciclo de la marea. Según el equipo disponible y las características físicas del lugar seleccionando, se pueden adoptar diferentes procedimientos para medir la velocidad: a) si se dispone de un número suficiente de botes, las mediciones se pueden efectuar simultáneamente en todas las verticales durante todo el ciclo de la marea;
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CAPÍTULO 11
b) si se dispone de un número limitado de botes, las verticales seleccionadas para medir la velocidad, se marcarán mediante boyas ancladas. Se precisan de uno o dos botes para realizar las mediciones, procediendo de una vertical a la siguiente a intervalos no mayores de una hora entre cada vertical. Por lo menos, un bote adicional debe permanecer fijo en una vertical de referencia para realizar mediciones continuas durante el ciclo entero de la marea. En este caso la curva de variación de la velocidad en cada vertical con respecto al tiempo durante el ciclo completo, se traza usando como base de comparación los datos y medidas en los puntos obtenidos de la vertical de referencia; c) si la forma de la curva de marea no cambia mucho de un día para otro y si se disponen de por lo menos dos botes, uno de ellos se atraca en la vertical de referencia para realizar las mediciones durante cada día del ciclo completo de la marea. El otro bote realiza las mediciones durante el ciclo completo en cada vertical, moviéndose a una nueva vertical cada día. En este caso, el número de días requeridos para realizar el ciclo completo de observaciones es igual al número de verticales donde se mide la velocidad; d) si existen diferentes amplitudes de mareas y si no es posible hacer las mediciones en muchas verticales, las mediciones se realizarán en cada vertical en el ciclo completo para diferentes amplitudes de la marea durante un mes lunar y durante la marea viva y la marea muerta; e) si existen fuertes pulsaciones, las mediciones se deben realizar en cada vertical con la ayuda de varios molinetes colocados a diferentes alturas por períodos de 10 a 15 minutos. La velocidad media se determina para el período medio de tiempo; f) en el caso de corrientes oblicuas, se deben usar molinetes de lectura directa o instrumentos capaces de medir el ángulo de desviación. Cuando se producen cambios rápidos de la velocidad, los valores de la velocidad en los distintos puntos de la vertical se deben ajustar a un tiempo determinado. Con este fin, las mediciones de la velocidad se repiten en todos los puntos de la vertical en dirección del fondo hacia la superficie, o sólo en un punto de la superficie. Para el cálculo del caudal en cada vertical, se traza una curva de la variación de la velocidad con respecto al tiempo, disponiéndose así de los valores para un tiempo determinado. Para el cálculo del caudal por el método volumétrico, se efectúan mediciones sincronizadas del nivel del agua en los límites de la sección o secciones de medición, y las características geométricas (sección transversal, longitud y zonas inundables) se determinan de antemano. Se debe instalar una estación de aforo adicional aguas arriba de la zona afectada por las mareas, de manera que se pueda determinar el caudal propio del río. En los estuarios anchos donde hay pendientes transversales, los niveles se miden en ambas orillas. La diferencia en volumen del prisma de marea durante el intervalo de cálculo se determina a partir de la variación de la
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profundidad media y de las áreas de la superficie del agua entre los límites. Para determinar el caudal medio, se divide la diferencia del volumen del prisma total entre el período de cálculo, menos los afluentes del río. En el método de cálculo del caudal a partir de las ecuaciones del movimiento inestable, la solución de las ecuaciones del movimiento variado para la sección en consideración se simplifica para algunas hipótesis, como flujo paralelo, densidad uniforme y cauce prismático. Las mediciones se hacen generalmente para dos ciclos típicos de marea (alta y baja). Los resultados se utilizan también para calibrar los parámetros del modelo. 11.7.4 Crecimiento de la maleza en el lecho del río El desarrollo de la maleza en los ríos puede causar errores relativamente importantes. En ríos pequeños, se recomienda en lo posible, realizar controles artificiales. Si no se pueden realizar, el caudal se medirá por el método de velocidad–área. Con este fin, en un tramo del río, de seis a 10 m de extensión, se eliminará la vegetación durante todo el período vegetativo. Además, se deben sacar arbustos y pastos altos situados a las orillas y a todo a lo largo de un tramo más grande. El uso de sustancias tóxicas que impiden el crecimiento de la vegetación es efectivo sólo por un corto tiempo. El método más práctico, por lo tanto, es el de una limpieza frecuente del lecho. La maleza que crece en el lecho puede ser cortada mediante una máquina especial acoplada a una sierra de cadena mecanizada o mediante la ayuda de una guadaña ordinaria. La velocidad de la corriente en cada vertical se mide en tres puntos (a profundidades de 0,15, 0,5 y 0,85). Si la profundidad de la vertical es inferior a 0,40 m, la velocidad se mide por el método del punto único. En las notas de las mediciones del caudal, se debe incluir una corta descripción sobre el verdadero estado de crecimiento de la maleza. Como las algas y la maleza pueden enredarse dentro de la hélice del molinete, el instrumento debe ser frecuentemente inspeccionado y limpiado durante la medición. Cuando las mediciones se realizan en un sólo punto, se debe controlar con sumo cuidado la regularidad con la cual se reciben las señales. Recientemente, se han hecho progresos en el uso del método electromagnético de aforo en esas condiciones (véase la sección 11.8.4). 11.8
Métodos no tradicionales de medición del caudal
11.8.1
Generalidades
El cálculo del caudal por el método área–velocidad (capítulos 11 y 12), el método de dilución (sección 11.4) y por medio de estructuras hidráulicas (capítulo 12) tiene ciertas limitaciones y no se puede realizar en algunos casos. Tres métodos,
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CAPÍTULO 11
relativamente nuevos de medición del caudal en cauces abiertos son: el método del bote móvil, el método ultrasónico y el método electromagnético. 11.8.2 Método del bote móvil [E 79] En este método, se instala en un bote un molinete especialmente diseñado que indica los componentes de la corriente y los valores instantáneos de la velocidad. Las mediciones se realizan atravesando el río a lo largo de un recorrido preestablecido perpendicular a la corriente. Durante la travesía, efectuada sin detenerse, un ecosonda registra la geometría de la sección transversal y el molinete en funcionamiento continuo mide las velocidades combinadas de la corriente y del bote. Estos datos, recogidos en 30 a 40 puntos de observación (verticales) a través del recorrido, se convierten en caudales. La velocidad registrada en cada punto de observación de la sección transversal es un vector de cantidad que representa la velocidad relativa de la corriente que pasa por el mecanismo del molinete. Este mecanismo consiste en una paleta fija a un eje de acero inoxidable, que tiene en su extremo superior un dial y una aguja que permite leer el ángulo que forma la dirección de la paleta y el curso real del bote. Esto se realiza alineándose cuidadosamente con las señales que se han colocado en las orillas. Se realizan unas seis travesías, en direcciones alternas, y las mediciones se promedian para obtener el caudal [11, 12]. El caudal se calcula de manera similar al método convencional de área–velocidad, es decir se suman los productos de las áreas de los segmentos y las velocidades medias. Como el molinete se sitúa casi siempre alrededor de un metro debajo de la superficie, es necesario usar un coeficiente para ajustar la velocidad medida. En ríos grandes, el coeficiente es generalmente uniforme a través de la sección. Las mediciones efectuadas en varios ríos han mostrado que el coeficiente varía con frecuencia entre 0,90 y 0,92. El método del bote móvil proporciona una sola medición del caudal, y una exactitud de ±5 por ciento para un 95 por ciento de nivel de confianza. 11.8.3 Método ultrasónico (acústico) [C 73] El principio del método ultrasónico consiste en medir la velocidad de la corriente a una cierta profundidad, transmitiendo simultáneamente ondas sonoras a través del agua mediante transductores colocados en ambos lados del río. Los transductores, que están diseñados para transmitir y recibir ondas sonoras, se ubican en márgenes opuestas, de manera que el ángulo entre el recorrido de la pulsación y la dirección de la corriente está entre 30° y 60°. La diferencia entre el tiempo que las ondas tardan en cruzar el río aguas arriba y aguas abajo está directamente relacionada con la velocidad media del agua a la profundidad de los transductores. Esta velocidad puede estar relacionada con la velocidad media de la corriente de toda la sección transversal. Al incorporar
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un factor de área en el procesador electrónico, el sistema puede totalizar el caudal. Idealmente, el transductor se debe colocar a una profundidad en la que mida la velocidad media de la corriente. En la práctica, el transductor se fija en una posición, de manera que al cambiar el nivel no está más en el punto de la velocidad media, y entonces se requiere un coeficiente para ajustar la velocidad medida. En la actualidad se dispone de dos tipos de sistemas ultrasónicos. En el primero los transductores están en una posición fija y la estación se calibra por el molinete; en el segundo, los transductores están diseñados para deslizarse en un dispositivo en forma vertical o inclinada. En este último método, el sistema es de autocalibración y no son necesarias, por lo tanto, las mediciones con el molinete. Al desplazar los transductores verticalmente a diferentes profundidades (en general de siete a 10) se obtienen las lecturas de la velocidad a lo largo de dichos recorridos. Para cada serie de lecturas, se pueden establecer las curvas de la velocidad en la vertical, en una gama de niveles tan amplia como sea posible. Así pues, se podría estimar, primero, una posición apropiada para la fijación de los transductores en la vertical y, luego, establecer una curva de nivel en función del coeficiente de caudal como en el primer método. En ríos con muy poca diferencia de niveles, se podría aceptar el sistema de un único recorrido de los transductores. Para ríos de gran variación en el nivel, es necesario usar el sistema de recorrido múltiple y utilizar varios pares de transductores. La exactitud del método ultrasónico depende de la precisión con la que se pueden medir los tiempos del trayecto. Con las diversas técnicas disponibles en la actualidad, se pueden medir los tiempos con mucha exactitud [13-21]. 11.8.4 Método electromagnético El movimiento del agua que fluye en un río corta la componente vertical del campo magnético terrestre, por lo que una fuerza electromotriz (fem) es inducida en el agua, y se puede detectar y medir con dos electrodos. La fem, que es directamente proporcional a la velocidad media del río, es inducida a lo largo de todo filamento transversal de agua que corte la línea del campo magnético vertical de la Tierra. La figura 11.3 contiene un diagrama de una estación electromagnética de aforo, donde la bobina está colocada en el lecho y el campo magnético está en la dirección x, la fem está en la dirección y, y el movimiento del conductor, es decir, la corriente del río, está en la dirección z. La Ley de Faraday de la inducción electromagnética, relaciona la longitud de un conductor que se mueve en un campo magnético con la fem generada por la ecuación [22]. En la práctica, la mayoría de lechos de los ríos tienen una conductividad eléctrica importante, lo que permite a la corriente eléctrica desplazarse en el lecho.
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CAPÍTULO 11
Electrodo para la correlación del ruido de fondo
Electrodo de medida de la conductividad de fondo
;;; ;;
Cable conductor de señales
Electrodos de señal
Y
Z
X
Corriente de agua
Electrodo de eliminación de ruido de fondo
Bobina de inducción
Electrodo de conductividad de fondo
Garita meteorológica
Figura 11.3 — Sistema básico del método electromagnético Asimismo, por consideraciones prácticas, el campo inducido estará espacialmente limitado y la corriente eléctrica que fluye fuera del área del campo reducirá el potencial total. Los dos factores mencionados tienen el efecto de reducir la señal y, por consiguiente, el valor del voltaje registrado. En una estación electromagnética de aforo es por lo tanto necesario medir las conductividades del lecho y la del agua. La corriente más apropiada para accionar la bobina es la corriente continua, cuya dirección es invertida unas pocas veces por segundo, y se debe usar una onda alternada cuadrada con una frecuencia de alrededor de 1 hertz. Una instalación típica tiene una bobina de 12 vueltas, cada una de 16 mm2 de cable doble aislado con PVC y alimentado con una corriente de 25 amperios y un voltaje a través de la bobina de unos 20 voltios [22]. El método electromagnético es particularmente adecuado para usar en ríos con maleza, con alta concentración de sedimentos, o con lecho en condiciones inestables y da un registro continuo de la velocidad media en la sección transversal que se puede combinar con el nivel para obtener in situ el resultado del caudal. La exactitud depende del equipo de detección que procesa la señal y mide las pequeñas diferencias de potencial percibidas por los electrodos. Es posible detectar una señal de 100 nanovoltios (10-9 voltios), que representa una velocidad de casi 1 mm s-1. La estación electromagnética de aforo requiere de una calibración sobre el terreno por medio de un molinete o por otros medios, y de una relación establecida entre el caudal y las señales medidas.
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Referencias 1. Organización Internacional de Normalización, 1979: Liquid Flow Measurement in Open Channels: Velocity-area Methods. Segunda edición, ISO 748, Ginebra. 2. Organización Internacional de Normalización, 1988: Liquid Flow Measurement in Open Channels: Rotating Element Current-meters, Segunda edición ISO 2537, Ginebra. 3. Organización Internacional de Normalización, 1976: Liquid Flow Measurement in Open Channels: Calibration of Rotating-element Current-meters in Straight Open Tanks. ISO 3455, Ginebra. 4. Organización Internacional de Normalización, 1985: Liquid Flow Measurement in Open Channels: Velocity-area Methods — Collection and Processing of Data for Determination of Errors in Measurement. Segunda edición, ISO 1088, Ginebra. 5. Organización Internacional de Normalización, 1981: Liquid Flow Measurement in Open Channels. Part 1: Establishment and operation of a gauging station and Part 2: Determination of the stage-discharge relation. ISO 1100, Ginebra. 6. Organización Internacional de Normalización, 1973: Liquid Flow Measurement in Open Channels: Dilution Methods for Measurement of Steady Flow. Part 1: Constant rate injection method. ISO 555, Ginebra. 7. Organización Internacional de Normalización, 1987: Liquid Flow Measurement in Open Channels: Dilution Methods for Measurement of Steady Flow. Part 2: Integration method. ISO 555, Ginebra. 8. Organización Internacional de Normalización, 1973: Liquid Flow Measurement in Open Channels: Slope-area Method. ISO 1070, Ginebra. 9. Organización Meteorológica Mundial, 1986: Level and Discharge Measurements under Difficult Conditions (Ø. A. Tilrem). Informe de hidrología operativa Nº 24 (OMM–Nº 650), Ginebra. 10. Organización Internacional de Normalización, 1974: Measurement of Flow in Tidal Channels. ISO 2425, Ginebra. 11. Organización Internacional de Normalización, 1979: Measurement of Liquid Flow in Open Channels: Moving-boat Method. ISO 4369, Ginebra. 12. Smoot, G. F. y Novak, C. E., 1969: Measurement of Discharge by the Movingboat Method. Book 3, Chapter All. U.S. Geological Survey Techniques, Water Resources Investigations. 13. Herschy, R. W. y Loosemore, W. R., 1974: The ultrasonic method of river flow measurement. Symposium on River Gauging by Ultrasonic and Electromagnetic Methods, 16–18 de diciembre de 1974, Water Research Centre, Department of Environment, Water Data Unit, University of Reading, Reino Unido. 14. Smith, W., 1969: Feasibility study of the use of the acoustic velocity meter for measurement of net outflow from the Sacramento-San Joaquin Delta in California. U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 1877, Reston, Virginia.
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CAPÍTULO 11
15. Smith, W., 1971: Application of an acoutic streamflow measuring system on the Columbia river at The Dalles, Oregon. Water Resources Bulletin, Vol. 7, Nº 1. 16. Smith, W., 1974: Experience in the United States of America with acoustic flowmeters. Water Research Centre and Department of the Environment. Water Data Unit Symposium, University of Reading, Reino Unido. 17. Botma, H. C. and Klein, R. E., 1974: Some notes on the research and application of gauging by electromagnetic and ultrasonic methods in The Netherlands. Symposium on River Gauging by Ultrasonic and Electromagnetic Methods, 16–18 de diciembre de 1974, Water Research Centre, and Department of Environment, Water Data Unit, University of Reading, Reino Unido. 18. Kinosita, T., 1970: Ultrasonic measurement of discharge in rivers. Proceedings of the International Symposium on Hydrometry, 13–19 de septiembre de 1990, Coblenza, Alemania, publicación Nº 99 UNESCO/OMM/AICH, páginas 388-399. 19. Holmes, H., Whirlow, D. K. y Wright, L. G., 1970: The LE (Leading Edge) flowmeter: a unique device for open channel discharge measurement. Proceedings of the International Symposium on Hydrometry, 13–19 de septiembre de 1990, Coblenza, Alemania, publicación Nº 99 UNESCO/OMM/AICH, páginas 432-443. 20. Halliday, R. A., Archer, W. M. y Campbell, P. I., 1975: The Niagara river acoustic streamflow measurement system. Technical Bulletin Nº 86, Environment Canada, Inland Waters Directorate, Ottawa, Canadá. 21. Lenormand, J., 1974: Débimètre à ultrasons mdl 2 compte rendu d’essais: Ponts et chaussées, Service des voies navigables du Nord et du Pas-de-Calais, Service hydrologique centralisateur, Lambersant, Francia. 22. Herschy, R. W. y Newman, J. D., 1974: The electromagnetic method of river flow measurement. Symposium on River Gauging by Ultrasonic and Electromagnetic Methods, 16-18 de diciembre de 1974, Water Research Centre, Department of Environment, Water Data Unit, University of Reading, Reino Unido.
CAPÍTULO 12 ESTACIONES DE AFORO DE CAUDALES
12.1 Objetivo de las estaciones de aforo de caudales El objetivo de las estaciones de aforo de caudales es suministrar registros sistemáticos de niveles y caudales. Los registros continuos de flujo de corriente son necesarios en proyectos de abastecimiento de agua y sistemas de saneamiento, en el diseño de estructuras hidráulicas, en la gestión del agua y en la estimación de cargas de sedimentos o de sustancias químicas de los ríos, incluidos los contaminantes. Como no se puede realizar una medición continua del caudal, a menos que se utilice uno de los métodos indicados en las secciones 11.8.3 y 11.8.4 , los registros de los caudales se calculan con ayuda de la relación entre nivel y caudal, definidas mediante mediciones periódicas de los caudales (capítulo 11) y un registro sistemático de los niveles (capítulo 10), o usando estructuras de medición que han sido calibradas en el laboratorio o sobre el terreno. 12.2 Selección del sitio La selección de los ríos que han de medirse se determina por los principios del diseño de redes (capítulo 20) y del uso que se dará a los datos. La selección de un sitio ideal para una estación de aforo en un río dado podría basarse en los siguientes criterios: a) el curso general del río debe ser recto unos 100 metros aguas arriba y aguas abajo de la estación de aforo; b) la corriente total debe estar confinada en un solo cauce para todos los niveles y no pueden existir corrientes subterráneas; c) el lecho del río no debe estar sujeto a socavaciones ni a rellenos y debe estar libre de plantas acuáticas; d) las orillas deben ser permanentes, lo suficientemente altas para contener las crecidas y deben estar libres de arbustos; e) deben haber controles naturales inalterables: afloramiento de rocas en el fondo o un cañón estable durante el estiaje, y un cauce encajonado para las crecientes caídas o cascadas, insumergible en todos los niveles de manera de tener una relación estable entre el nivel y el caudal. Si no hay condiciones naturales satisfactorias para un control de aguas bajas, se debe prever la instalación de un control artificial;
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CAPÍTULO 12
f)
se debe disponer de un sitio conveniente para alojar el limnígrafo, inmediatamente aguas arriba del control, y protegerlo contra posibles daños por los escombros llevados por las aguas durante las crecidas del río. El limnígrafo debe estar por encima de toda crecida probable que pueda ocurrir durante el período de vida de la estación; g) el sitio de aforo debe estar lo suficientemente aguas arriba de la confluencia con otro río o de los efectos de la marea, para evitar toda influencia variable que puedan ejercer sobre el nivel en el sitio de la estación; h) se debe disponer de una longitud de tramo suficiente para medir el caudal a todos los niveles dentro de una razonable proximidad de la estación de aforo. No es necesario que las mediciones para aguas altas y bajas se efectúen en la misma sección transversal del río; i) el sitio debe ser fácilmente accesible para facilitar la instalación y el funcionamiento de la estación de aforo; j) el sitio debe disponer de instalaciones de telemetría o transmisión por satélite, si se requieren; k) la formación de hielo en el área no debe interrumpir el registro de los niveles y las mediciones del caudal. Muy pocas veces se encontrará un sitio que satisfaga todos esos criterios; por lo tanto, se deberá seleccionar el sitio que más convenga 12.3 Controles de la relación nivel–caudal Se denomina control a las características topográficas que determinan la relación nivel– caudal. La clasificación más amplia de los controles hace la diferencia entre control de sección y control de cauce. Otra clasificación hace la diferencia entre controles naturales y artificiales. Un control de sección existe cuando la configuración de una sección transversal es tal que reduce el cauce, o cuando en una sección transversal se presenta un quiebre descendente en la pendiente del fondo. El estrechamiento puede resultar por un levantamiento local del lecho del río, un cañón natural, un arrecife que aflora o la construcción de una represa o vertedero. Puede ser también el resultado de un estrechamiento local en el ancho, que puede ocurrir naturalmente o ser causado por obras realizadas en el cauce, como un puente cuya abertura para el paso de las aguas es considerablemente más estrecha que el ancho natural del cauce. Un control de cauce existe cuando la topografía y la rugosidad, de un largo tramo de un cauce aguas abajo de la estación de aforo, son los elementos que controlan la relación entre el nivel y el caudal. La longitud del cauce que es efectiva como control, aumenta con el caudal. En general, cuanto más suave es la pendiente del río, más largo será el tramo del cauce que sirve de control.
ESTACIONES DE AFORO DE CAUDALES
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Para obtener un control artificial, a menudo se construye en el cauce un vertedero, una represa baja o un canal. Dichos controles generalmente quedan sumergidos por caudales grandes, pero proporcionan una relación nivel–caudal estable para flujos bajos o medios. Las dos ventajas de un buen control son la resistencia a los cambios (que asegura la estabilidad de la relación nivel–caudal) y la sensibilidad (gracias a la cual un pequeño cambio en el caudal se refleja por un importante cambio en el nivel). 12.4 Estructuras de medición En algunas estaciones de aforo es posible utilizar un control artificial de forma que la relación nivel–caudal se pueda determinar sin necesidad de calibración, por ejemplo, por la aplicación de una fórmula del caudal. Existe una variedad limitada de vertederos y canales en los que la relación nivel–caudal está bien determinada. Sin embargo, sólo en condiciones favorables de terreno se puede utilizar con exactitud una fórmula para algunos tipos de vertederos o canales aforadores. Por lo tanto, es importante que si el caudal se mide directamente a partir de la lectura del nivel de agua, se tenga cuidado en su construcción y empleo y que se aplique la fórmula más adecuada [1-6]. En condiciones menos favorables, es necesaria una calibración sobre el terreno para establecer la importancia de las desviaciones con respecto a la fórmula normalizada o para determinar la función que relaciona el nivel con el caudal. Por consiguiente, es muy importante medir periódicamente en el estiaje el caudal por otros medios con el propósito de detectar variaciones en el coeficiente del caudal debido a los depósitos de sedimentos en el embalse o al crecimiento de algas en el vertedero o canal. El contenido de esta Guía se limita a las consideraciones generales relativas a la selección y al uso de vertederos y canales en estaciones de aforo. La Nota Técnica Nº 117 de la OMM, Use of Weirs and Flumes in Stream–gauging [7], contiene información precisa sobre su construcción y sobre las fórmulas utilizadas. 12.4.1 Campo de aplicación Los vertederos y canales usados en las estaciones de aforo se pueden clasificar en tres grupos: a) vertederos de pared delgada, generalmente usados en ríos pequeños, poco cargados de sedimentos o en pequeñas cuencas de investigación; b) canales aforadores que se emplean en corrientes pequeñas y acequias que transportan sedimentos y escombros o, en otros casos, donde la pérdida de carga correspondiente a vertederos de pared delgada es inaceptable; c) vertederos de pared gruesa, de perfil triangular, de forma redondeada, que se emplean en ríos grandes.
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CAPÍTULO 12
Los vertederos y canales pueden ser de flujo libre o sumergidos. En el primer caso, el caudal es función de la altura del nivel aguas arriba y se pueden realizar calibraciones de exactitud. En el segundo caso, el caudal es función tanto del nivel de aguas arriba como aguas abajo, por lo que las calibraciones efectuadas en el laboratorio son menos exactas. En muchos sitios, los vertederos y canales se usan solamente para medir los caudales más bajos y, para los caudales altos, la relación nivel– caudal se determina por métodos directos. 12.4.2 Selección de la estructura La selección de la estructura de medición depende del costo, de las características del río y del cauce en el sitio, de la magnitud del caudal, de la exactitud que se desea obtener y de la pérdida de carga. Los criterios que se deben tener en cuenta en la selección de la estructura son: a) el costo constituye, en general, el factor principal al decidir si una estructura de medición se debe construir o no. El costo de la estructura depende, sobre todo, de la anchura del río y del tipo de materiales que constituyen el lecho y las orillas. La anchura del río determina el tamaño de la estructura y los materiales del lecho y de las riberas, el tipo de construcción que debe usarse para minimizar las filtraciones debajo y alrededor de la estructura; b) las características del cauce y las condiciones del flujo influyen en el diseño de la estructura de medición. En este diseño se deben tener en cuenta los factores que controlan la velocidad o el número de Froude, la carga de sedimentos y la estabilidad del lecho; c) la variedad de caudales, la gama de niveles, la sensibilidad deseada y la pérdida de carga máxima admitida se deben también tener en cuenta en el diseño de la estructura y en su ubicación. La sumersión por flujos altos o por remansos influencian tanto el diseño como la altura de la estructura. La sensibilidad, es decir la variación en el nivel correspondiente a un cambio en el caudal para flujos muy bajos, permite decidir si un vertedero en V o de cresta plana es el apropiado. 12.4.3 Medición del nivel del agua El nivel del agua con respecto a la estructura se mide generalmente aguas arriba, a una distancia igual a tres veces la profundidad del agua en el sitio de control, al máximo nivel, hmax, para el cual la sección de control es efectiva. Algunos vertederos de forma especial y todos los canales requieren que el nivel sea medido a distancias específicas de la sección de control que difieren de la regla general antes mencionada. Las ubicaciones de la escala o la toma correspondiente para esos casos especiales se describen en la Nota Técnica Nº 117 de la OMM [7]. El cero de la escala debe colocarse a nivel de la cresta y ser comprobado periódicamente.
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12.4.4 Funcionamiento de las estructuras de medición Tanto el cauce como la estructura están sujetos a cambios, con el tiempo, que afectan la relación nivel–caudal. Arena, piedras o escombros se pueden depositar en el canal de aproximación o en la estructura misma. Pueden crecer algas en la cresta de la estructura durante el verano y se puede formar hielo en la estructura durante el invierno. Para lograr una exactitud óptima en las mediciones, el canal de aproximación a los vertederos debe mantenerse limpio y libre de cualquier acumulación de arena y vegetación. La estructura debe mantenerse limpia y libre de escombros, de algas y de hielo. Se deben reparar los daños en la parte esencial de la estructura. El cero de la escala se debe controlar periódicamente. Se deben efectuar mediciones periódicas del caudal para determinar posibles variaciones en la calibración original. 12.5 Relación nivel–caudal La relación nivel–caudal, para la mayoría de las estaciones de aforo, se define al trazar en un gráfico el caudal medido en las abscisas y el correspondiente nivel en las ordenadas [8]. La forma de dicha relación es una función de la geometría de los elementos aguas abajo del cauce que actúa como control. Cuando se traza sobre papel con coordenadas cartesianas, el gráfico obtenido es generalmente cóncavo hacia abajo; cuando se traza sobre papel con coordenas logarítmicas, la sección media y alta de la relación es, a menudo, casi lineal si el nivel del agua representa la carga efectiva sobre el control para niveles medios y altos. Debido a que sólo la parte lineal en la relación nivel–caudal se puede expresar correctamente por una ecuación matemática, la relación se usa en general en forma gráfica o tabular. Con frecuencia, el caudal no es sólo función del nivel; por lo tanto, las variables adicionales deben ser medidas continuamente para obtener el registro del caudal. Por ejemplo, en el caso en que un afluente aguas abajo, o la marea, o el funcionamiento de un embalse aguas abajo, produce un remanso variable, se debe instalar una escala limnimétrica auxiliar para medir constantemente la caída del nivel del agua en el tramo aforado del cauce. Si el flujo es inestable y la pendiente del cauce es suave, la amplitud de la variación del nivel puede ser muy importante y, para un caudal dado, se tendrá una lectura de altura menor cuando las aguas son ascendentes que cuando son descendentes. 12.5.1 Estabilidad de la relación nivel–caudal La estabilidad de la relación nivel–caudal está directamente relacionada con la estabilidad del control. En cuanto a los controles naturales de la sección, un arrecife rocoso emergente no será afectado por las altas velocidades; pero el canto rodado, la grava, los bancos de arena, son propensos a ser desplazadas, siendo los altos fondos de cantos rodados los más resistentes al arrastre y los bancos de arena los menos resistentes. En cuanto a los controles naturales de los cauces, los que tienen lechos y orillas inesta-
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CAPÍTULO 12
bles, como los que se encuentran en los ríos de cauce de arena, son los más propensos a cambios, debido a que la velocidad produce depósitos y socavaciones. El crecimiento de vegetación acuática en las secciones de control aumenta el nivel para un caudal dado, sobre todo en los caudales bajos. El crecimiento de vegetación en el lecho y en las orillas del cauce de control también afecta la relación nivel–caudal, al reducir la velocidad y el área efectiva para el paso del agua. En climas templados, la acumulación de hojas transportadas por el agua, en las secciones de control cada otoño, obstruye los intersticios de los altos fondos y aumenta el nivel efectivo de la sección de control natural. La primera crecida del río limpia de hojas la sección de control. Una capa de hielo también modifica la relación nivel–caudal de un río, causando remanso cuyo efecto varía con la cantidad y el tipo de hielo. Si la sección de control permanece abierta y si la escala no está demasiado lejos del punto de control, quizá no se producirá el efecto del remanso, incluso si todo el pozo queda cubierto de hielo. El único efecto de la capa de hielo será la reducción de la velocidad de aproximación y el efecto será probablemente menor. Sin embargo, si la escala está a una distancia considerable aguas arriba del rabión, el hielo superficial en el pozo puede causar remanso, porque el tramo cubierto del mismo se convierte en un canal parcial de control. El hielo superficial que se forma aguas abajo de la sección de control puede perturbar y represar agua lo suficiente como para causar un efecto de remanso en el control. El hielo detenido en el lecho del río, o en la sección de control natural, puede reconstruir el lecho o el control en su extensión, de modo que puede resultar un nivel más alto que el normal para un caudal dado. Las magnitudes de los efectos del hielo se pueden determinar en forma exacta midiendo los caudales, observando los niveles correspondientes, y analizando las diferencias entre el nivel observado y el caudal correspondiente a la relación nivel–caudal para la condición de flujo en canal abierto. En la sección 11.2.5 se describen las condiciones adicionales que se deben tomar en cuenta al efectuar las mediciones del caudal en condiciones de hielo y los procedimientos para efectuar dichas mediciones. Los controles artificiales eliminan o reducen muchos de los inconvenientes de las secciones de control natural. No sólo son físicamente estables, sino que no se observa un crecimiento periódico o progresivo de la vegetación acuática. Los limos algáceos que a veces se forman en los controles artificiales pueden ser removidos con un cepillo de alambre y las hojas se evacúan sistemáticamente. En climas moderadamente fríos, los controles artificiales podrían ser menos afectados por la formación del hielo invernal que los controles naturales. Sin embargo, aun cuando la estructura de los controles artificiales es invariable, la relación nivel–caudal, puede ser afectada por cambios en la velocidad de aproximación debidos a socavaciones y/o rellenos o por crecimiento de la vegetación en el canal de aproximación.
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12.5.2 Frecuencia en la medición del caudal Los factores que se deben tener en cuenta para determinar el número y la distribución de mediciones del caudal a lo largo del año, son: a) estabilidad de la relación nivel–caudal; b) características y variación del caudal estacional; c) accesibilidad a la sección de aforo en las diferentes estaciones del año. Es necesario efectuar muchas mediciones del caudal en una estación nueva para definir la relación nivel–caudal a través de todos los niveles de la escala. Se requieren pues mediciones periódicas para seguir lo cambios en la relación nivel–caudal. Se recomienda un mínimo de 10 mediciones anuales del caudal como mínimo. Es fundamental determinar adecuadamente el caudal durante las crecidas y en condiciones de hielo; además, es esencial que el programa previsto incluya mediciones no rutinarias del caudal en esos momentos. En lugares donde es importante conocer el caudal de manera continua durante todo el año, las mediciones del caudal se tendrán que hacer con más frecuencia cuando el río está cubierto de hielo. Durante los períodos de congelación y deshielo, las mediciones deben realizarse lo más a menudo posible debido a la extrema variación del flujo. En pleno invierno, la frecuencia de las mediciones depende del clima, la accesibilidad, el tamaño del río, las características de la escorrentía en invierno, y la exactitud requerida. En climas muy fríos donde el caudal sigue una curva de recesión suave, se requiere un número menor de mediciones que para un río en un clima de congelamiento y deshielo alternados. Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1986: Methods of Measurement and Estimation of Discharges at Hydraulic Structures. Informe de hidrología operativa Nº 26, OMM–Nº 658, Ginebra. 2. Organización Internacional de Normalización, 1980: Water Flow Measurement in Open Channels Using Weirs and Venturi Flumes. Part 1: Thin-plate weirs. ISO 1438, Ginebra. 3. Organización Internacional de Normalización, 1989: Liquid Flow Measurement in Open Channels by Weirs and Flumes: Rectangular Broad-crested Weirs. Segunda edición, ISO 3846, Ginebra. 4. Organización Internacional de Normalización, 1977: Liquid Flow Measurement in Open Channels by Weirs and Flumes: End-depth Method for Estimation of Flow in Rectangular Channels with a Free Overfall. ISO 3847, Ginebra. 5. Organización Internacional de Normalización, 1983: Liquid Flow Measurement in Open Channels: Rectangular Trapezoidal and U-shaped Flumes. ISO 4359, Ginebra.
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CAPÍTULO 12
6. Organización Internacional de Normalización, 1984: Liquid Flow Measurement in Open Channels by Weirs and Flumes: Triangular Profile Weirs. Segunda edición, ISO 4360, Ginebra. 7. Organización Meteorológica Mundial, 1971: Use of Weirs and Flumes in Stream-gauging. Nota Técnica Nº 117, OMM–Nº 280, Ginebra. 8. Organización Internacional de Normalización, 1981: Liquid Flow Measurement in Open Channels. Part 1: Establishment and operation of a gauging station and Part 2: Determination of the stage discharge relation. ISO 1100, Ginebra.
CAPÍTULO 13 CAUDAL DE SEDIMENTOS
13.1 Generalidades [E09] Los sedimentos son transportados por las corrientes de agua de diferentes maneras. Las partículas granulares que constituyen el sedimento se pueden trasladar por saltos, rodadura, deslizamiento, sobre el fondo o cerca de él o pueden ser arrastrados fuera de su lugar y quedar en suspensión. El tipo de movimiento experimentado por las partículas depende de las características físicas (tamaño, forma, peso específico, etc.), de la composición granular del sedimento y de las condiciones de la corriente (velocidad, profundidad, pendiente de las superficies, etc.). Las diferentes fases del transporte de sedimento ocurren simultáneamente en las corrientes naturales y no hay una separación neta entre ellas. Por conveniencia, el caudal de sedimento en este análisis se divide en dos categorías: caudal de sedimentos en suspensión y caudal de arrastre de fondo. Este último consiste en el salto, rodamiento o deslizamiento de las partículas en el fondo o cerca de él. Este capítulo incluye orientaciones sobre la concentración de los datos del caudal de sedimentos. Para cada fase del transporte, el informe de hidrología operativa Nº 29 contiene más detalles sobre este tema [1]. 13.2 Selección del sitio En la selección del sitio para medir el transporte de sedimentos se usan los mismos criterios que para la selección del sitio para medir el caudal de agua (secciones 11.2.1 y 12.2). 13.3 Medición del caudal de sedimentos en suspensión 13.3.1 Muestreadores y aforadores “in situ” [C10] Se utilizan muchos tipos de muestreadores de sedimentos en suspensión, por ejemplo: instantáneos, de botella, de bombeo, integradores, etc. Sin embargo, sólo algunos de ellos están diseñados para que la velocidad en la toma del muestreador sea igual a la velocidad de la corriente circundante. Esta particularidad es esencial para que las muestras obtenidas sean verdaderamente representativas del caudal de sedimentos en suspensión en el punto de la medición. Un muestreador bien diseñado se coloca frenta a la corriente y su entrada se coloca aguas arriba de la zona de disturbio causada por la presencia del instrumento.
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CAPÍTULO 13
En general se toman muestras instantáneas mediante muestreadores trampa, que consisten de un cilindro horizontal equipado con válvulas en los extremos que se pueden cerrar muy rápido para atrapar la muestra en cualquier momento y profundidad deseados. El simple muestreador de botella, bastante sencillo, puede ser tapado o tener una entrada de diámetro variable, hasta su abertura total. Tan pronto como la botella se abre y el aire dentro de ella es desplazado por la muestra, se producen burbujas en la entrada, haciendo lento el proceso de llenado. Por lo tanto, el muestreador de botella no es realmente instantáneo. El muestreador de bombeo se coloca al borde del bote que efectúa la medición y succiona la mezcla de agua y sedimento a través de un caño o de una manguera, cuya entrada está situada en el punto donde se requiere tomar la muestra. Regulando la velocidad de entrada, el operador puede obtener una muestra representativa de la concentración del sedimento en el punto de medición. El muestreador integrador consiste en un aparato metálico de líneas aerodinámicas provisto de aletas de deriva para orientarlo en la corriente. Una tobera de toma de diámetro variable proyecta hacia el interior la corriente desde la cabeza del muestreador. Un tubo de salida, apuntando aguas abajo, permite la salida del aire del recipiente. Para iniciar y detener el proceso del muestreo el operador dispone de un mecanismo de válvulas incorporadas a la cabeza del aparato. Un método relativamente nuevo de determinación in situ de la concentración de los sedimentos suspendidos es la aplicación de los aforadores ópticos o nucleares. El principio de trabajo de estos instrumentos es que la luz visible de los rayos X, emitidos por una fuente de intensidad constante, es disipada y/o absorbida por las partículas del sedimento en suspensión. La reducción de la intensidad, medida por un detector fotoeléctrico o nuclear situado a una distancia fija de la fuente, es proporcional a la concentración del sedimento, siempre que las otras características del agua y del sedimento (químicas, composición mineral, etc.) no varíen. Todos los tipos de muestreadores de sedimentos suspendidos deben ser calibrados, remolcándolos a velocidad conocida en aguas tranquilas y sosteniéndolos en una corriente de agua de velocidad conocida. Los muestreadores ópticos y nucleares deben ser calibrados mediante muestreos simultáneos y repetidos en canales cargados de sedimentos y en ríos naturales. 13.3.2 Métodos de medición Las muestras de los sedimentos suspendidos en los ríos se toman en las secciones transversales de medición de caudales, pero no necesariamente en las verticales de medición de la velocidad. En lagos, las ubicaciones de las verticales de muestreo se distribuyen sobre una cierta área, debido a que en este caso las mediciones están dirigidas, generalmente, a la determinación de la distribución de la concentración del sedimento en el tiempo y en el espacio. Los muestreadores se suspenden en el agua mediante una varilla o un alambre.
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En ríos, hay dos métodos que dan resultados comparables: a) la sección transversal elegida se divide de tres a diez subsecciones de aproximadamente igual caudal. En cada vertical que pasa por el centro de cada subsección, se toma una muestra de sedimentos por integración en la vertical (sección 17.2.3.1), descendiendo el muestreador desde la superficie del río hasta el fondo y viceversa, a una velocidad uniforme. Se obtiene así una muestra ponderada por el caudal para cada sección; b) la anchura del río se divide de seis a 10 verticales separadas a igual distancia y en cada vertical se toma una muestra de sedimentos por integración, usando la misma velocidad. De esta manera, todas las muestras pueden componerse en una única muestra representativa ponderada por el caudal [2]. Usando un muestreador de punto, se toman muestras en puntos espaciados uniformemente en cada vertical mencionada antes y las concentraciones de sedimentos obtenidas se ponderan por la relación de la velocidad en el punto de medición a la velocidad media en la vertical. Este procedimiento puede ser combinado en la práctica con el método de la sección media para la medición del caudal (sección 11.2.4) porque coinciden las verticales donde se miden las velocidades y donde se toman las muestras. Los aforadores de sedimentos ópticos y nucleares se pueden usar tanto para las mediciones en puntos como por integración, siempre que las señales eléctricas, dadas por el detector y proporcionales a la intensidad de la luz o de los rayos X, sean resumidas por un contador. El período usual de conteo es de tres a cinco minutos, según las características estadísticas del conteo por un instrumento particular. 13.3.3 Determinación de la concentración de sedimentos Las muestras de los sedimentos en suspensión en general se procesan y analizan en laboratorios especiales, donde después de un tiempo de sedimentación de uno a dos días, el agua es cuidadosamente drenada fuera del recipiente, el sedimento que queda se seca en una estufa a una temperatura de más o menos 110°C y luego se pesa. Si el sedimento se separa por evaporación, se debe efectuar una corrección por los sólidos disueltos. La concentración de los sólidos en suspensión se expresa en g m-3 o en kg m-3. Para obtener en cada muestra cantidades de sedimentos medibles, se recomiendan los volúmenes de muestreo contenidos en la tabla que se presenta a continuación. Teniendo en cuenta que en muchos países los muestreadores de sedimento han sido normalizados y tienen la capacidad de un litro o menos, en esos casos el muestreo debe ser repetido hasta obtener el volumen de la muestra de sedimento requerido [2]. Las intensidades de la luz o de los rayos X, indicadas por las sondas sumergidas fotoeléctricas o nucleares de los aforadores in situ, se dividen por la intensidad medida en aguas limpias, y la concentración de sedimentos correspondiente a esta relación se lee de las curvas de calibración de dichos instrumentos.
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CAPÍTULO 13
Volúmenes de muestras necesarias para medir el sedimento en suspensión Concentración prevista de sedimentos en suspensión, g m-3
Volumen de la muestra, en litros
> 100 50 - 100 20 - 30 < 20
1 2 5 10
13.3.4 Cálculo del caudal de sedimentos en suspensión Para el primer método de cálculo de la concentración (sección 13.3.2), la concentra– ción media ponderada de los sedimentos cs en kg m3 para toda la sección transversal se calcula como sigue: ∑ cq qp –c = _________ s ∑ qp
(13.1)
donde qp es el caudal parcial en la subsección en m3 s-1, y cq el caudal ponderado de la concentración en la vertical del centro de la subsección en kg m-3 [3]. Para el segundo método, la concentración de la mezcla compuesta es la media ponderada de la concentración en toda la sección transversal. El caudal diario de los sedimentos en suspensión Qs, se calcula de esta manera: Q = 86,4 –c Q (13.2) s
s
donde Qs se indica en toneladas por día y Q es el caudal del río en m3 s-1. 13.3.5 Registro continuo del caudal de sedimentos en suspensión Un registro continuo del caudal de los sedimentos en suspensión se puede calcular a partir de un registro de caudales de río y de muestras sistemáticas de la concentración de los sedimentos en suspensión. Las muestras se toman diariamente en los períodos de estiaje y de aguas medias y más frecuentemente en períodos de crecida. La información más importante concerniente a la variación con respecto al tiempo de la concentración y sus valores máximos se puede obtener por registro continuo de las señales suministradas por los aforadores fotoeléctricos o nucleares de los sedimentos en suspensión durante los períodos de crecidas. El máximo de la concentración generalmente precede al máximo del caudal y formas similares se pueden observar en la curva de caudal de agua en función del caudal de sedimento y la curva nivel–caudal durante las crecidas.
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Los registros de muestras u observaciones se toman en una vertical en la sección transversal, preferiblemente usando el procedimiento por integración en la vertical. La relación entre la concentración en esta vertical y la concentración media en la sección se debe establecer mediante mediciones particulares de la distribución del sedimento en la sección transversal, como se indicó en la sección 13.3.2. Esta relación no es necesariamente lineal y constante en todo el año, ni en toda la gama de concentración del sedimento. 13.4 [C12] Medición del caudal de arrastre de fondo 13.4.1 Instrumentos La medición sobre el terreno del caudal de arrastre de fondo es difícil debido a la naturaleza estocástica del movimiento del sedimento y a que el fenómeno se produce en forma de ondas de fondo, dunas y barras. Ningún aparato resulta completamente adecuado para retener del sedimento tanto las partículas más grandes como las más pequeñas con la misma eficiencia, permaneciendo en una posición estable y orientado hacia la corriente sobre el fondo del río, sin perturbar el flujo natural y el movimiento del sedimento. Los muestreadores disponibles pueden ser clasificados en tres tipos: de cesta, de cazoleta y de diferencia de presión [3]. Los muestreadores de tipo cesta están hechos, por lo general, de mallas y tienen una abertura en la parte orientada contra la corriente por la que se desliza la mezcla de agua y el sedimento. La malla deja pasar el sedimento en suspensión, pero retiene el sedimento que se desliza a lo largo del lecho.
Muestreador del Instituto Delft usado en el Nilo, el cual consiste de un muestreador de arrastre de fondo y de uno de sedimentos en suspensión, así como también de una cámara de video subacuática.
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CAPÍTULO 13
Los muestreadores de tipo cazoleta suelen ser de sección longitudinal en forma de cuña y se instalan de modo que la arista de la cuña corte la corriente; la cazoleta contiene deflectores o ranuras para retener los materiales en movimiento. Los muestreadores basados en el principio de la diferencia de presión están diseñados para producir en la salida del instrumento un descenso de presión lo suficientemente importante para contrarrestar las pérdidas de energía y asegurar así una velocidad de entrada igual a la de la corriente en condiciones normales. Un diafragma perforado dentro del instrumento obliga a la corriente a hacer caer su sedimento en una cámara de retención y luego salir a través de una salida superior. Como existen varias incertidumbres en la realización del muestreo, es necesario determinar un coeficiente de eficiencia para cada tipo de muestreador. La calibración se realiza generalmente en un canal de laboratorio, donde el caudal de material de fondo puede ser medido directamente en un pozo en el extremo del canal, aunque las condiciones de transporte uniforme en la anchura y a lo largo del canal son difíciles de mantener. Incluso en condiciones favorables, los factores de eficiencia no son fáciles de determinar porque varían según el tamaño de los granos, el grado de llenado del muestreador, etc. En todo caso, una eficiencia del 60 al 70 por ciento puede ser considerada como satisfactoria. 13.4.2 Método de medición El caudal de arrastre de fondo se determina a partir de la cantidad de sedimentos retenidos por unidad de tiempo en un muestreador colocado en uno o varios puntos del fondo del río. Generalmente, se colocan de tres a diez puntos de medición en una sección transversal. En la determinación de la distribución de los puntos donde se toman las muestras, cabe señalar que, excepto en los períodos de crecida, el transporte del material de fondo se produce solamente en una parte del río. La inclusión de una medición cero en el cálculo del caudal de material de fondo, puede conducir a incertidumbres en el resultado, aun cuando el punto de muestreo pueda estar situado entre dos fajas móviles en el fondo del río. Las incertidumbres se pueden producir también si el transporte medido se extiende a un segmento de la sección transversal donde el sedimento se desplaza poco o nada. En ríos con lecho de grava, cuya mayor característica es el movimiento parcial del material del lecho, el uso de diferentes tipos de detectores acústicos puede ayudar a resolver este problema. Dichos detectores, sumergidos en las cercanías del lecho, captan el sonido del golpeteo de la grava en movimiento, indicando el movimiento del material del lecho en ese punto particular; además, se puede relacionar cualitativamente la intensidad del sonido y el transporte del sedimento. Los muestreadores se bajan hasta el fondo y se mantienen en posición mediante una varilla o un alambre. La duración del período en que se saca la muestra es generalmente de pocos minutos, según las dimensiones del muestreador y la intensidad
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del transporte de sedimento. En la gama de velocidades bajas de la corriente cerca del fondo, las fuerzas hacia aguas abajo son reducidas y el muestreador tiende a introducirse dentro de la corriente de fondo y excavar el material del fondo que no está siendo transportado. Esto también puede ocurrir durante un ascenso abrupto o no cauteloso del muestreador. Las mediciones se deberán realizar en varios caudales del río para obtener una relación entre el caudal del río y el caudal del material del fondo. Debido a que el transporte del sedimento es un mecanismo muy complejo y de naturaleza aleatoria y debido también a los errores al tomar las muestras, una única muestra tomada en un punto de medición puede proporcionar una estimación muy incierta del verdadero transporte del material del fondo. Por lo tanto, en cada punto se deben repetir las tomas de muestras. El número de repeticiones depende de las circunstancias locales; sin embargo, análisis estadísticos realizados sobre datos del terreno con más de 100 repeticiones, demuestran que el caudal de arrastre de fondo sólo puede medirse con una exactitud limitada, salvo que se tomen un número impracticable de muestras en cada punto. 13.4.3 Cálculo del caudal de material de fondo El sedimento recogido con el muestreador es secado y pesado. El peso seco, dividido por el tiempo empleado para la medición y por la anchura del muestreador, da el caudal del arrastre de fondo por unidad de anchura del río en el punto de medida qb. Basándose en los datos obtenidos de los puntos donde se realizaron las muestras, se puede construir una curva que muestre la distribución de qb en toda la anchura del río. La superficie comprendida entre dicha curva y la línea de la superficie del agua representa el caudal total diario del material de fondo para toda la sección transversal Qb. El valor de Qb se puede también calcular a partir de los datos de los qb medidos de la siguiente manera: q q + qb2 q q + qbn Qb = 86, 4 b1 x1 + b1 x2 + K + bn −1 xn −1 + bn xn 2 2 2 2
(13.3)
donde el valor de Qb es en toneladas/día, qb en kg s-1 m-1 y x en metros. La variable x representa la distancia entre los puntos en los cuales se extrae la muestra o entre un punto extremo o el borde de la superficie del agua, o el de la parte móvil del fondo del río. La existencia de presas que retienen la mayor parte de los sedimentos transportados por los tramos aguas arriba del río ofrece una posibilidad de estimar el caudal de sedimentos, anual o estacional, mediante la sucesiva inspección de perfiles convenientemente seleccionados del embalse y calcular el volumen ocupado por el sedimento retenido. Este método, combinado con tomas de muestras periódicas de
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CAPÍTULO 13
los sedimentos en suspensión aguas arriba y aguas abajo de la presa, puede proporcionar una estimación adecuada del caudal de arrastre. 13.4.4 Registro continuo del caudal de arrastre Un registro continuo del caudal de arrastre de fondo se puede obtener en relación con el caudal del río, o con cualquier otras variables hidráulicas de las que se tengan registros. Se puede admitir que esta relación es aproximadamente lineal para los caudales de agua por encima del valor límite correspondiente al comienzo del movimiento del sedimento, debido a que la fuerza de tracción de la corriente aumenta en relación directa con el incremento del caudal del río. El transporte de material de fondo es de gran interés en todas las investigaciones concernientes a las variaciones del lecho del río.
Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1989: Manual on Operational Methods for the Measurement of Sediment Transport. Informe de hidrología operativa Nº 29, OMM–Nº 686, Ginebra. 2. Organización Internacional de Normalización, 1977: Liquid Flow Measurement in Open Channels: Methods of Measurement of Suspended Sediment. ISO 4363, Ginebra. 3. Organización Internacional de Normalización, 1977: Liquid Flow Measurement in Open Channels: Bed Material Sampling. ISO 4364, Ginebra.
CAPÍTULO 14 HIELO EN RÍOS, LAGOS Y EMBALSES
14.1 Generalidades Las observaciones de las condiciones del hielo en ríos, lagos y embalses son de gran interés en regiones donde la formación de hielo afecta a la navegación o produce daños a las estructuras, y donde se forman barreras o presas de hielo (hasta formar un dique en un río principal). Las obstrucciones en las corrientes causadas por los hielos puede también dar lugar a importantes inundaciones locales. Los datos a largo plazo sobre las condiciones de hielo en ríos son extremadamente valiosos en el diseño de diversas estructuras, en el estudio de los procesos de formación y fusión de los hielos y en el desarrollo de métodos para la predicción de los hielos. 14.2 Elementos del régimen de hielos Los elementos más importantes que deben conocerse sobre el régimen de hielos son: a) épocas en las que se observan en un río, por primera vez en invierno, hielos flotantes; b) relación entre la superficie del hielo acumulado y la superficie del agua (proporción de la capa de hielo); c) relación entre la superficie del hielo acumulado y la superficie del hielo estacionario; d) épocas en las que se inmovilizan los hielos; e) espesor del hielo; f) características de la disgregación de los hielos; g) épocas en las que se produce la fragmentación del hielo; h) épocas en las que desaparece totalmente el hielo de los ríos y embalses. 14.3 Métodos de observación Muchos de los elementos enumerados en la sección 14.2 no se pueden medir con ayuda de instrumentos y se deben evaluar subjetivamente y registrar en forma descriptiva. Por esta razón, es muy importante que los observadores estén bien preparados y que las instrucciones sean lo más claras posibles. El espesor del hielo se mide por medio de un barreno y una regla, en sitios representativos del río, lago o embalse. Para minimizar los errores causados por la
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CAPÍTULO 14
variabilidad espacial del espesor del hielo, las mediciones deben realizarse en tres puntos espaciados de cinco metros como mínimo, tomando el valor medio de esas mediciones. También se debe medir el espesor de la nieve que puede haber sobre el hielo. En ríos navegables, las señales de kilómetros pueden usarse para identificar los sitios en los que de costumbre se examinan las condiciones de hielos. Las condiciones particularmente peligrosas (por ejemplo: barreras de hielo) deben ser identificadas con relación a otras marcas del terreno (por ejemplo: puentes, estructuras de regulación de ríos y puertos). La determinación de algunas de las características del fenómeno puede realizarse por medio de inspecciones fotogramétricas periódicas desde la orilla o por fotografías aéreas. En el caso de grandes ríos, embalses o lagos, son de gran valor las observaciones aéreas de la formación o fragmentación del hielo. Estas observaciones son también muy útiles en caso de gargantas de hielo en las que es preciso anunciar el peligro de crecidas. Para examinar las condiciones del hielo sobre un tramo, la anchura de la banda, s, y la altura de vuelo, hf, se pueden determinar en función de la longitud focal, Lf, de la cámara usada y de la longitud efectiva, l, de la película, hf = s(Lf /l). Como Lf es una cámara constante, aproximadamente igual a 1,0, la anchura de la banda es casi igual a la altura de vuelo. Se puede determinar la velocidad del hielo flotante junto con la densidad de la capa mediante fotografías aéreas repetidas a intervalos de unos pocos minutos. Si el espesor promedio del hielo se conoce, el caudal del hielo también se puede calcular. Los datos infrarrojos obtenidos por teledetección, a partir de satélites meteorológicos y de recursos terrestres, son también útiles para estimar el estado del hielo en lagos y embalses [1]. 14.4 Época y frecuencia de las observaciones Las observaciones relativas al estado de los hielos se hacen simultáneamente con las del nivel del agua, mientras que el espesor de los hielos y de la nieve en grandes ríos, lagos y embalses se debe medir a intervalos de cinco a 10 días durante los períodos críticos de formación y ruptura del hielo. Las observaciones aéreas deben realizarse cuando se requieran, para satisfacer necesidades especiales. 14.5 Exactitud Las mediciones del hielo no son muy exactas debido a las difíciles condiciones en las que se realizan. Sin embargo, la incertidumbre en las mediciones del espesor del hielo no debe exceder de 10 a 20 mm o de cinco por ciento.
HIELO EN RÍOS, LAGOS Y EMBALSES
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Referencias 1. Prokacheva V. G., 1975: Otsenka prigodnosti televizionnoj informatsii meteorologiceskih ISZ ‘Meteor’ dlya opredeleniya ledovoj obstanvki na ozerah i vodokhraniliscakh (Estimate of the suitability of television data from the ‘Meteor’ meteorological satellite for determining ice conditions on lakes and reservoirs). Proceedings of the State Hydrological Institute, Nº 205, págs. 115-123.
CAPÍTULO 15 MEDICIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO
15.1 Generalidades Los métodos e instrumentos que se utilizan para determinar la humedad del suelo se pueden dividir en dos grupos: a) métodos basados en la determinación del contenido de agua del suelo; y b) métodos que miden el potencial de agua del suelo. El contenido de agua del suelo es expresado como una relación entre la masa de agua contenida en una muestra de suelo y la masa seca de la muestra de suelo o el volumen original de la muestra. Estas dos expresiones están linealmente relacionadas por un coeficiente conocido como la densidad aparente del suelo muestreado. El potencial de agua del suelo se expresa como la energía potencial del agua contenida en el suelo y está integrado por el potencial gravitacional, el potencial de presión y el potencial osmótico. En la mayoría de los casos, la mezcla de agua y suelo puede ser considerada localmente homogénea, y el potencial osmótico llega a ser insignificante. El potencial gravitacional representa el trabajo requerido para elevar el agua desde un punto dado en el suelo hasta una altura de referencia, que es casi siempre la superficie del suelo. Como el potencial gravitacional puede ser calculado, el problema de la medición del potencial de humedad del suelo está limitado a la medición de su potencial de presión. Para medir la presión potencial se usan varios métodos, directos o indirectos. Los métodos más usados son descritos más abajo. Independientemente del tipo de método aplicado, en cada caso es indispensable determinar la humedad del suelo en numerosos puntos del sitio de estudio, debido a su alta variabilidad espacial. Un análisis estadístico de la variabilidad de la humedad del suelo observada en los puntos de medición permite calcular el error promedio. Dichos análisis hacen posible determinar el número de puntos de medición requeridos para una exactitud prevista del valor medio. Para un examen detallado de la medición de la humedad del suelo, véase la publicación de la OMM, titulada Snow Cover Measurements and Areal Assessment of Precipitation and Soil Moisture [1]. 15.2 Método gravimétrico El método gravimétrico es el único método directo de medición de la humedad del suelo. Dicho método consiste en tomar una muestra de suelo, pesarla antes y
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después de su desecado y calcular su contenido de humedad. La muestra de suelo se considera seca cuando su peso permanece constante a una temperatura de 105°C. Se han construido numerosos tipos de equipo de muestreo, así como hornos de secado y balanzas especiales, para ser utilizados con este método. El método gravimétrico es el más exacto para medir el contenido de humedad del suelo y resulta necesario para calibrar el equipo utilizado en los demás métodos. Sin embargo, no puede usarse para obtener un registro continuo de la humedad del suelo de un lugar determinado, porque es necesario extraer muestras del suelo para su análisis en el laboratorio. 15.2.1 Recolección de muestras El procedimiento para recoger una muestra por el método gravimétrico depende de si la determinación de la humedad del suelo está basada en la masa seca de la muestra o en su volumen. Para determinar la humedad por masa seca, la muestra puede ser alterada, pero no debe serlo para la determinación volumétrica. El muestreo de suelos está lleno de inconvenientes, sobre todo cuando el terreno está muy seco o muy húmedo o contiene piedras, rocas u otros materiales que dificultan el trabajo del equipo de muestreo. La técnica y el equipo utilizados para la recolección de muestras deben evitar que éstas pierdan o ganen humedad, sufran alteración o contaminación alguna durante las operaciones de muestreo o de transporte. Cuando se extrae una muestra de una capa seca a través de una capa húmeda, se debe tener cuidado de que el equipo de muestreo esté lo más seco posible y de que no caiga agua, por el agujero, en la capa seca. Si hay agua en el terreno, es probable que el contenido de humedad medido sea inferior al valor real, debido a que parte del agua gotea de la muestra al ser extraída del suelo o a su escurrimiento durante el muestreo como consecuencia de la presión ejercida. Si se encuentran sedimentos secos, duros y compactos resulta difícil introducir el tubo sacamuestras o hacer girar el barreno. Al sacar muestras de sedimentos secos, de textura rugosa, la muestra puede escurrirse del tubo sacamuestra o del barreno al retirar el instrumento. El muestreo de los suelos pedregosos es muy difícil, especialmente en el aspecto volumétrico, debido al peligro que existe de que la cuchilla del equipo tropiece con una piedra y porque las muestras que han de obtenerse deben ser muy voluminosas. Los suelos que contienen una cantidad considerable de raíces y materias orgánicas presentan también ciertas dificultades. Si el suelo es de grava, el tamaño necesario de la muestra que se debe tomar para la determinación gravimétrica de su humedad, debe ser mucho mayor que en el caso de suelos que no contengan grava, y dependerá proporcionalmente del tamaño y del contenido de la grava. La humedad se determina como un porcentaje por masa (peso). Si se multiplica por la densidad del volumen total se obtiene la humedad como porcentaje por volumen.
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En los trabajos de muestreo para medir la humedad del suelo, es indispensable que todas las operaciones, así como la transferencia de muestras a los recipientes y el peso de las muestras, se hagan lo más rápido posible, a fin de impedir las pérdidas excesivas de humedad. Muchas de las dificultades que presenta la utilización de equipos de muestreo se pueden evitar si el equipo se mantiene limpio y libre de humedad y herrumbre. 15.2.2 Descripción de los instrumentos de muestreo 15.2.2.1 Barreno El equipo más sencillo utilizado para sacar muestras es el barreno de mano. Estos barrenos se han empleado, prolongados por tubos de aluminio, para sacar muestras a profundidades de hasta 17 m. Uno de los tipos mas útiles de barrenos manuales consiste en un cilindro de 76 mm de diámetro y 230 mm de longitud, con un tubo de 1,4 m en la parte superior y dos dientes cortadores curvos en la parte inferior. Como el cuerpo del barreno está constituido por un cilindro sólido, es poco probable que las paredes del orificio de prueba contaminen la muestra. Con este equipo se obtiene una muestra representativa, aunque alterada. Para facilitar el muestreo a profundidades de más de 1,5 m se añaden tubos de aluminio de 19 mm de diámetro y de 0,9 m de longitud, si procede. Para obtener una muestra con el barreno manual, se le hace girar con el mango para que vaya penetrando dentro del terreno de muestreo. Por lo general, el cilindro del barreno no se llena hasta no haber penetrado unos 80 mm. Seguidamente, se saca el barreno y se desprende la muestra golpeando el barreno con un martillo de goma. 15.2.2.2 Tubo sacamuestras o portatestigos Los tubos sacamuestras, los portatestigos y otros tubos de este tipo, ofrecen ciertas ventajas, ya que permiten obtener muestras volumétricas que sirven de base para calcular el contenido de humedad por unidad de volumen. Con los sacamuestras pueden conseguirse muestras no contaminadas siempre que el equipo esté limpio. No se deben aceitar y se deben mantener limpios, sin herrumbre ni humedad. Para el muestreo a gran profundidad se recomienda normalmente un equipo de dos personas, pudiéndose obtener muestras de 20 m de profundidad. Se recomienda, además, que el volumen de la muestra sea de 100 cm3 como mínimo. El sacamuestras abierto de percusión consiste en un tubo sacamuestras de 50 mm de diámetro interno y 100 mm de longitud con tubos de extensión de 25 mm de diámetro y 1,5 m de longitud, para efectuar muestreos a profundidad. Se utilizan camisas de latón de 50 mm de longitud a fin de conservar las muestras intactas. Las muestras se sacan de la barra empujando un émbolo. Para las extensiones, puede utilizarse un barreno liviano o un tubo de 15 mm. Para obtener muestras volumétricas a pequeña profundidad, puede utilizarse un sacamuestras sencillo y económico, consistente en un tubo delgado de latón, 50 mm
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de diámetro y 150 mm de longitud, montado en el extremo de una manija en forma de T y de 90 cm para los tubos de 19 mm. Las muestras son recogidas empujando hacia abajo la manija. Después de extraer el muestreador del hueco, las muestras se recogen empujándolas hacia afuera del tubo sacamuestra a través del émbolo central. Como el diámetro interno y el área del tubo sacamuestras son conocidos, pueden obtenerse fácilmente muestras volumétricas cortando una longitud dada de la muestra al ser extraída del instrumento. 15.2.3 Procedimiento de laboratorio Primero, las muestras de suelo húmedo se pesan individualmente en sus contenedores de transporte. Los contenedores se abren y se colocan en un horno secador que es capaz de mantener una temperatura de 105 ± 0,5°C. Para muestras que contienen turba o cantidades significativas de yeso, el horno debe tener una temperatura de 50 ± 0,5°C, por lo cual se requerirá entonces de un mayor tiempo para que la muestra alcance un estado seco. Después del secado, las muestras se pesan de nuevo en sus contenedores. La diferencia entre el peso húmedo y el peso seco de una muestra es la medida de su contenido de agua original. Se pueden usar otros procesos de secado más rápidos que el horno corriente, por ejemplo, lámparas infrarrojas y hornos microondas. Si las muestras contienen gravas y piedras, el procedimiento antes mencionado se puede modificar si los pesos o volúmenes de la grava y/o las piedras pueden determinarse separadamente. 15.3 Método de resistencia eléctrica [C60] La resistencia eléctrica de un bloque de material poroso en equilibrio higrométrico con el suelo permite medir la humedad del suelo. Al bloque, que puede ser de yeso, nylon, o fibra de vidrio, se fijan dos electrodos. Como la resistencia del contacto permanece constante, una vez que se ha colocado el bloque en el suelo y ha alcanzado el equilibrio higrométrico, registra las variaciones subsiguientes del contenido de humedad con un pequeño retraso de tiempo. Los cambios en el contenido de humedad causan, a su vez, una variación de la resistencia eléctrica, que se reflejará en un instrumento de medida instalado en la superficie. Los valores de resistencia registrados por este instrumento se convierten seguidamente, mediante una curva de calibración, en valores representativos del contenido de humedad. La curva de calibración se obtiene por correlación con valores del contenido de humedad determinados por el método gravimétrico (sección 15.2) para cada observación, ubicación y estrato. Los bloques para mediciones higrométricas son muy eficaces en la gama más baja de valores de humedad. Sus posibilidades para medir el contenido de la humedad se ven limitadas por los efectos de histéresis y por el hecho de que la calibración
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depende de la densidad y de la temperatura del suelo. Su eficacia es dudosa cuando se trata de obtener resultados cuantitativos aplicables a estudios de balances hídricos. 15.4 Método neutrónico [C58, E55] El método neutrónico indica la cantidad de agua por unidad de volumen de suelo. El volumen de suelo medido por este método presenta la forma de una ampolla de un radio de uno a cuatro metros, de acuerdo al contenido de humedad y a la actividad de la fuente. Este método se basa en el principio de medición de la disminución de la velocidad de los neutrones emitidos al suelo por una fuente de neutrones rápidos [2]. La pérdida de energía, debida a las colisiones de neutrones con átomos de bajo peso atómico, es muy elevada, siendo proporcional al número de dichos átomos presentes en el terreno. Estas colisiones tienen por efecto transformar los neutrones rápidos en neutrones lentos. El hidrógeno, que es el principal elemento de bajo peso atómico presente en el suelo, está contenido en gran cantidad en las moléculas del agua del suelo. El número de neutrones lentos detectados por un tubo contador, después de la emisión de neutrones rápidos por una fuente radioactiva, se registra electrónicamente en un contador. 15.4.1 Instrumentos Uno de los equipos más utilizados consiste en un contador portátil de batería con un cronómetro de resorte que tiene una escala de tiempo de 0,5 a 5 minutos y pesa aproximadamente 16 kg, y una sonda higrométrica que contiene una fuente de 100 milicuries de neutrones rápidos de americium-241 y, berilio finamente pulverizado (período de semidesintegración, 458 años). La sonda tiene una longitud de unos 400 mm, un diámetro de 40 mm, y pesa 20 kg cuando se completa con un blindaje de plomo y parafina de 150 mm de diámetro y 100 mm de longitud. Estos contadores se han utilizado con cables de hasta 60 m. La fuente y el contador se introducen en la tierra a través de un orificio revestido con una tubería de aluminio; y las lecturas pueden tomarse a cualquier profundidad, excepto cerca de la superficie. El diámetro interno de la tubería será apenas mayor que el de la sonda. El tubo deberá instalarse, de ser posible, barrenando el suelo en su interior para asegurar un estrecho contacto entre la superficie exterior del tubo y la tierra. Se han fabricado instrumentos similares para hacer mediciones en las capas superficiales del suelo. En este caso, el equipo se coloca sobre la superficie del terreno y da el contenido de humedad de un volumen semiesférico de 15 a 40 cm de radio. 15.4.2 Tubos de acceso La instalación de los tubos de acceso se debe realizar cuidadosamente para prevenir la compactación del suelo y para asegurar el contacto del suelo con la parte exterior
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de los tubos, es decir, no se deben crear vacíos en el suelo fuera de los tubos durante su instalación. Los tubos de acceso pueden ser instalados: a) insertando los tubos en agujeros preparados del mismo diámetro o ligeramente menor (los agujeros pueden prepararse usando un barreno manual o mecánico); o b) introduciendo los tubos en el suelo con un martillo y removiendo la tierra del interior de los tubos usando un barreno. Se deben sellar las bases de los tubos para prevenir infiltraciones de aguas subterráneas. Los topes de los tubos deben también sellarse con una tapa o un tapón cuando no están usándose. 15.4.3 Calibración La sonda se calibra por muestreo gravimétrico (sección 15.2) del tipo de suelo que deba estudiarse y con el revestimiento del mismo tamaño y tipo que el que vaya a utilizarse con la sonda. Alrededor del orificio se tomarán suficientes muestras para poder definir el perfil higrométrico del suelo. Es difícil obtener una buena calibración en suelos heterogéneos o en los que la humedad varía rápidamente con la profundidad. Se puede realizar una calibración aproximada en el laboratorio, usando un contenedor lleno de tierra. El tipo y el tamaño del revestimiento y el método de instalación del tubo de acceso tiene un efecto considerable en las lecturas, por lo que deberán obtenerse nuevas curvas de calibración para cada tipo de instalación. 15.4.4 Mediciones y exactitud Los tubos de acceso deben mantenerse libres de exceso de humedad para evitar lecturas erróneas. Después de bajar la sonda a la profundidad adecuada dentro del tubo de acceso, se determina el número de conteos en un período de tiempo conocido. El conteo medio es convertido en contenido de humedad del suelo usando la curva de calibración. La exactitud de la lectura depende sobre todo: a) de la validez de la curva de calibración; b) del número de conteos por determinación. Debido a lo aleatorio de la emisión y al impacto de los neutrones, pueden ocurrir errores de conteo aleatorio. Los errores de cronometraje pueden mantenerse en un mínimo usando un cronómetro de ciclo normalizado de dos minutos. Las concentraciones de sal en la cantidad que ordinariamente se encuentra en la humedad del suelo no afectan materialmente los resultados de las mediciones hechas por el método neutrónico, pero en concentraciones de sal iguales a la del agua de mar existe un efecto apreciable. Existen indicios de cierto efecto de temperatura. Las mediciones realizadas en la proximidad de la superficie se ven afectadas por la posición de la sonda con respecto a la superficie de contacto aire/tierra; la proximidad
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de la superficie de contacto produce conteos más cortos que los que serían indicados para el mismo contenido de humedad a una mayor profundidad. Cuando las fuentes de errores son minimizadas, la exactitud de una medición puede estar entre 0,5 y uno por ciento. Para mediciones repetidas en un período de tiempo, como las que pueden ser realizadas en un estudio del balance hídrico, los cambios en el contenido de agua del suelo pueden ser aún más exactos debido a la eliminación de errores sistemáticos. 15.5 Atenuación de rayos gamma La intensidad de un rayo gamma que atraviesa una sección de suelo, sufre un decrecimiento exponencial que depende principalmente de la densidad aparente del suelo, del agua contenida en el suelo, y de los coeficientes de atenuación del suelo y del agua, que son constantes. El método consiste en la atenuación de una fuente de rayos gamma (generalmente cesio 137) y de un detector de rayos gamma (fotomultiplicador/escintilador) en un par de tubos de acceso paralelos que han sido instalados en el suelo. En cada nivel de medición, la señal puede traducirse en densidad aparente de la humedad del suelo o, si la densidad aparente del suelo seco es conocida, la señal puede convertirse en una medida del contenido volumétrico de la humedad del suelo. El equipo de medición permite rastrear la evolución de los perfiles de densidad húmeda y de la humedad volumétrica del suelo en varias décimas de centímetros de profundidad por debajo de la superficie del suelo, si la densidad seca no varía con el tiempo. El método tiene la ventaja de una alta resolución espacial (se puede medir así un pedazo de suelo de 20 a 50 mm de espesor con los tubos de acceso separados alrededor de tres metros). Sin embargo, el agua no es la única variable que explica las mediciones. Las variaciones de la densidad aparentes del suelo seco pueden confundir las mediciones de la humedad del suelo. Algunos equipos complejos tienen dos fuentes de energía con diferentes intensidades de rayos gamma, lo que permite el estudio de las variaciones de la densidad aparente, así como también de la humedad del suelo. Dicho equipo se usa principalmente en laboratorios y no sobre el terreno. 15.6 Métodos dieléctricos La constante dieléctrica aparente (permitividad) de un volumen de suelo varía con la cantidad de humedad contenida en el suelo. El suelo es una mezcla compleja de partículas de diferentes composiciones químicas en una matriz de aire y agua. La constante dieléctrica de las partículas del suelo varía entre dos y siete, mientras que las del aire y agua son uno y 80, respectivamente. De esta manera, si la densidad aparente de un suelo seco permanece constante, es decir, el porcentaje del suelo
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incluido en la matriz permanece constante, su constante dieléctrica aparente será una función de la cantidad de humedad en la matriz. Esta característica permite la conversión de las mediciones de la constante dieléctrica aparente en mediciones del contenido volumétrico de la humedad del suelo. Los dos principales métodos dieléctricos son: a) reflectometría en el dominio temporal (RDT); y b) método de capacitancia. Algunos métodos de teledetección, principalmente el uso de microondas, también utilizan este principio para estimar el contenido de humedad de los suelos cercanos a la superficie. 15.6.1 Reflectometría en el dominio temporal La velocidad de la pulsación de una microonda entre un par de guíaondas, que han sido colocadas en el suelo, es una función de la permitividad dieléctrica aparente de la mezcla aire/agua/suelo entre las guíaondas [3]. A medida que la velocidad de la pulsación aumenta, la permitividad disminuye, lo cual indica un descenso en el contenido de humedad del suelo. Una instalación de RDT consta de: a) un instrumento RDT, con un generador de pulsaciones, un cronómetro electrónico, y usualmente de microprocedadores para almacenar una relación de calibración y convertir la velocidad de la pulsación en una medición de la humedad del suelo; b) uno o más pares de guíaondas; c) cables para conectar las guíaondas al instrumento RDT. Las guíaondas son tubos metálicos, generalmente de 0,15 a 0,6 m de longitud, y los cables pueden ser de varios metros de largo. Las guíaondas se pueden colocar verticalmente dentro del suelo u horizontalmente en un muro de un hoyo excavado en el suelo. La instalación horizontal puede causar considerable perturbación al suelo cercano a las guíaondas y producir mediciones erróneas de la humedad del suelo. La instalación de las guíaondas puede ser temporal o permanente. Un sistema de multiplaje múltiple permite la exploración automática y secuencial de varios pares de guíaondas. El método RDT es rápido y sus mediciones son casi instantáneas. En suelos minerales, la exactitud del RDT es buena, y puede ser mejorada mediante una calibración para cada suelo. La calibración es esencial para suelos con mucho contenido orgánico. En suelos salinos, las pérdidas de energía significativas limitan la utilidad del método RDT. En suelos que están completamente congelados, el método RDT no es útil para medir la humedad del suelo porque las permitividades del hielo y de los suelos secos
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son casi iguales. Sin embargo, el método RDT puede ser útil en el estudio del congelamiento y deshielo de suelos y nieve. 15.6.2 Método de capacitancia Un sensor de capacitancia está compuesto de eléctrodos enterrados en el suelo, un oscilador electrónico, un frecuencímetro, y cables conectores. Los electrodos y su suelo adyacente forman un condensador cuya capacidad es función de la constante dieléctrica del suelo y, de esta manera, del contenido de humedad del suelo (sección 15.6.1). La variación de la capacitancia puede medirse por los cambios de frecuencia de la señal electrónica a través del condensador. Se requiere de una calibración para cada tipo de suelo, para convertir la capacidad eléctrica en contenido de humedad del suelo. Existen varios diseños de esta metodología. Según su geometría, los electrodos pueden ser enterrados en el suelo, instalados en el extremo de una sonda y hundidos en el suelo, o insertados dentro de un tubo de acceso. Generalmente, el sensor esta equipado con un mecanismo de corrección de la temperatura para compensar los efectos de la temperatura en la relación entre el contenido de agua y la permitividad. Las mediciones son rápidas y fáciles, pero son muy sensibles a las condiciones de instalación porque la esfera de influencia del condensador es relativamente pequeña. La calibración debe ejecutarse con mucho cuidado para cada sonda y cada suelo, a fin de obtener datos exactos del contenido de agua. 15.7 Teledetección La teledetección es la única forma de obtener mediciones que contengan información integrada con el área sobre el contenido de agua de un terreno. Los principios, las características y las aplicaciones de esta técnica, que no es aún completamente operativa, son descritos brevemente más abajo. Detalles adicionales y una evaluación más completa del método figuran el la publicación de T.J. Schmugge, titulada Hydrological Forecasting [4]. La mayoría de las técnicas de teledetección para medir la humedad del suelo están basadas en una relación entre el contenido de agua del suelo y otra propiedad del suelo, por ejemplo, la constante dieléctrica, que puede ser controlada por medio de la radiación electrónica emitida o reflejada desde el suelo. En principio, se puede usar todo el espectro electromagnético. Como la mayoría de estos sensores funcionan desde un avión o una nave espacial, la transmisividad atmosférica insuficiente impide el empleo de las longitudes de onda en el ámbito de rayos X, así como en ciertas regiones del infrarrojo lejano y del infrarrojo medio. Las ondas cortas, en una gama de longitud de onda entre 50 y 500 mm, son particularmente efectivas para la medición de la humedad del suelo de una superficie. Esto se debe a que tienen una atenuación atmosférica mínima y porque existe una
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gran diferencia entre las constantes dieléctricas del agua y del suelo seco, lo cual resulta en una alta sensibilidad al agua (sección 15.6). La radiación de microonda es usada pasivamente (radiometría) o activamente (radar). En la técnica de microonda pasiva, los radiómetros se usan para medir la emisión termal de microondas desde el suelo. La intensidad de esta radiación es proporcional a la denominada temperatura de luminosidad, producto de la temperatura de la superficie y la emisividad; ésta depende de la constante dieléctrica y por lo tanto del contenido de agua. En la técnica de microonda activa (radar), se usa una fuente de radiación artificial, un emisor, y se mide la intensidad de la radiación reflejada por el suelo. La reflectividad del suelo que, como la emisividad depende de la constante dieléctrica, es usada entonces para deducir el contenido de agua del suelo de una superficie. La ventaja de la técnica activa, en comparación con los sensores de microonda de la técnica pasiva, es la resolución espacial superior, debido a que el terreno puede ser examinado con un haz de apertura angular limitada. Para los sensores de microondas pasivas, la resolución espacial está limitada por la relación de la longitud de onda y la distancia de la observación según el tamaño de la antena. Para una antena, una mejor resolución sólo puede obtenerse reduciendo la longitud de onda a expensas de una penetración del suelo o profundidad de muestreo más corta o bajando la altura de vuelo a expensas de incrementar los vuelos. Dos factores importantes, además de la humedad del suelo, que influyen en la emisividad del suelo y la reflectividad son la escabrosidad o aspereza del terreno y la vegetación. A pesar de que estos factores pueden tenerse en cuenta en modelos relativamente sencillos, de regresión lineal, que incorporan un parámetro empírico de aspereza y el contenido de humedad de la vegetación, reducen la sensibilidad del método ya que aumentan la emisividad relativa al ruido de fondo. 15.8 Método tensiométrico [C62] El tensiómetro consiste en un cono o taza porosa (generalmente de cerámica) conectado por medio de un tubo a un manómetro. El aparato se llena de agua que, al penetrar en el cono o taza, establece un equilibrio con la humedad del terreno circundante. Al secarse el suelo, el agua fluye de la taza originando así una tensión mayor, o inversamente, al aumentar la humedad del suelo y disminuir la tensión, entra el agua en la taza. Estas variaciones de la presión o tensión se señalan en un dispositivo de medición. El empleo de varios tensiómetros múltiples, ubicados a distintas profundidades, permite obtener el perfil de humedad del terreno. Los tensiómetros suministran datos sobre el potencial hídrico del terreno (componente de la presión). Si se utiliza con el fin de determinar la humedad, se precisa contar con una curva de calibración. Esta última puede ser parte de la curva de retención de humedad de los suelos, pero se recomienda establecerla a partir de los
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datos obtenidos sobre el terreno por el método gravimétrico (sección 15.2) y los datos del tensiómetro. Aun así, los datos de humedad son sólo aproximados debido a la histéresis entre la rama de humectización y de drenaje de la curva de retención de humedad del suelo. La gama de utilización está limitada entre 0 y 0,8 bars (cero a ocho metros de carga hidráulica negativa). Por lo tanto, este método únicamente resulta adecuado en regiones húmedas. Entre los diferentes componentes de un tensiómetro se incluyen la taza o cono poroso, el tubo de conección y/o el cuerpo del tubo, y el sensor de presión. La taza porosa está hecha de un material rígido y poroso (generalmente cerámica). Los poros de las paredes de la taza son lo suficientemente pequeños como para impedir el paso del aire. Se usan un tubo de conexión semirrígido y/o un tubo de cuerpo rígido para conectar la taza del tensiómetro con el sensor de presión. El dispositivo medidor de la presión es generalmente un tubo de vacío de Bourdon o un manómetro de mercurio. El tensiómetro puede acoplarse también a un registrador de presión o a un convertidor electrónico de presión para obtener un registro continuo de las variaciones de tensión. Como el sistema está en un vacío parcial durante condiciones de suelo no saturado, es necesario que todas las partes o uniones sean impermeables al aire. Los medidores de vacío Bourdon son más adecuados que los manómetros de mercurio para usarlos sobre el terreno, pero son menos exactos. Los convertidores electrónicos de presión son más prácticos y exactos. El tiempo de respuesta de un tensiómetro es mucho más rápido con un convertidor o transductor de presión, porque tiene un volumen de desplazamiento más pequeño. El inconveniente del costo se puede reducir usando solamente un transductor electrónico de presión conectado a varios tensiómetros, a través de un dispositivo de exploración. Otra solución podría ser la de usar un aparato de medición que muestre brevemente la presión en el tensiómetro por medio de una aguja. Esta aguja perfora un bulbo especial sobre el tubo del tensiómetro únicamente durante el momento de la medición. Una sola aguja puede ser usada para muestrear numerosos tensiómetros colocados en el suelo. Sin embargo, a diferencia del sistema antes descrito, este tipo de tensiómetro no puede usarse para registrar variaciones en el potencial hídrico del suelo. Los tensiómetros deben llenarse con agua previamente desaireada. Así, es posible remover el aire atrapado dentro del sistema usando una bomba de vacío. Los tensiómetros, en general, son insertados verticalmente dentro del suelo en agujeros previamente taladrados, del mismo diámetro que la taza porosa. El centro de la taza porosa es colocado a la profundidad donde se desea medir la presión. Los tensiómetros son sensibles a las variaciones de la temperatura que producen expansiones o contracciones termales en las diferentes partes del sistema, lo que influencia las lecturas de la presión. Sobre el terreno, se recomienda proteger a los tensiómetros de la radiación solar para minimizar este efecto. Asimismo, los tensiómetros usados en invierno deben protegerse de las heladas que producen daños al
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tubo del agua y al sensor de presión. Es necesario purgar periódicamente los tensiómetros para remover el aire acumulado en el sistema. La lectura del tensiómetro indica la presión en la taza porosa menos la diferencia de presión causada por la columna de agua entre el sensor de presión y la taza porosa. De esta manera, el potencial hídrico del suelo, a la profundidad de la taza, es igual a la lectura del sensor de presión más la presión de esa columna de agua. Si la presión es expresada en términos de succión, es decir, presión atmosférica menos presión de la escala, entonces el potencial hídrico del suelo es igual a la lectura del sensor menos la diferencia de presión causada por la columna de agua en el tubo. El potencial hídrico corregido del suelo puede obtenerse directamente con los sistemas transductores de presión. Es difícil decir cuál es la exactitud de la medición del potencial hídrico de un suelo a través de un tensiómetro. La exactitud de una medición depende de la temperatura, la exactitud del sensor de presión, y la cantidad de aire acumulado en el sistema. Además, el tiempo de respuesta de los tensiómetros puede causar mediciones erróneas si el potencial hídrico del suelo cambia rápidamente. En este caso no se puede obtener el equilibrio entre el agua del suelo y el agua del tensiómetro. Estudios recientes han mostrado que los conos plásticos semipermeables proveen una respuesta mucho más rápida que los conos de cerámica [5]. El tensiómetro es, probablemente, el equipo más fácil de instalar y de más rápida lectura de todos los instrumentos utilizados para medir la humedad del suelo. No obstante, los tensiómetros que existen actualmente no se pueden usar a profundidades superiores a tres metros. A la presión atmosférica normal, el método está limitado a una gama potencial de casi -85 kPa. Los tensiómetros requieren un mantenimiento frecuente para poder obtener mediciones fiables en condiciones de terreno. Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1992: Snow Cover Measurements and Areal Assessment of Precipitation and Soil Moisture (B. Sevruk). Informe de hidrología operativa Nº 35, OMM–Nº 749, Ginebra. 2. Greacen, E. L. (ed.), 1981: Soil Water Assessment by the Neutron Method CSIRO. Special publication, Melbourne. 3. Topp, G. C., Davis, J. L. y Annan, A. P., 1980: Electromagnetic Determination of Soil Water Content: Measurement in Coaxial Transmission Lines. Water Resources Research, volumen 16, Nº 3, págs. 574-582. 4. Schmugge, T. J., 1985: Remote sensing of soil moisture. In: Hydrological Forecasting (M. G. Anderson y T. P. Burt, eds.), John Wiley, Nueva York, págs. 101-124. 5. Klute, A. (ed.), 1986: Methods of Soil Analysis. Part 1: Physical and mineralogical methods. Second edition, American Society of Agronomy and Soil Science Society of America, Madison, Wisconsin.
CAPÍTULO 16 AGUAS SUBTERRÁNEAS
16.1 Generalidades [E65] Las fluctuaciones en los niveles de las aguas subterráneas reflejan cambios en su almacenamiento en los acuíferos. Se pueden identificar dos grupos principales de fluctuaciones: las de período largo, como las causadas por cambios estacionales en la recarga natural y el bombeo persistente, y las de período corto, como por ejemplo, las causadas por los efectos de períodos breves de bombeo intermitente, cambios barométricos y por efecto de la marea. En general, no es necesario realizar mediciones continuas ya que los niveles del agua subterránea responden generalmente con lentitud a los cambios de origen externo. Las observaciones sistemáticas a intervalos fijos son más adecuadas para los objetivos de la mayoría de las redes nacionales. Donde las fluctuaciones, por cualquier razón, son rápidas, convendría un registro continuo, al menos hasta que se haya definido la naturaleza de dichas fluctuaciones. Las investigaciones sobre las aguas subterráneas pueden dividirse en tres principales etapas: a) reconocimiento, con el objetivo de lograr una evaluación preliminar de los recursos hídricos disponibles; b) investigaciones generales, para obtener información sobre la futura planificación de los desarrollos urbanos, industriales y agrícolas; y c) estudios intensivos de los acuíferos. Este nivel de investigación requiere de grandes esfuerzos y es necesario en zonas de desarrollo intensivo, potencial o actual. En cada etapa de la investigación de las aguas subterráneas, la información requerida incluye: a) variaciones temporales y espaciales en las alturas piezométricas, resultantes de procesos naturales y causadas por el hombre; b) constantes hidráulicas de los acuíferos; c) geometría de los acuíferos y de los acueductos; d) índices de recarga y descarga naturales; e) índices de abstracción y recarga artificial; f) calidad del agua. Los datos sobre alturas piezométricas y calidad del agua se obtienen a partir de las mediciones en los pozos de observación y el análisis de muestras del agua subterránea.
208
CAPÍTULO 16
Los pozos de observación son los pozos existentes cuidadosamente seleccionados entre los ya perforados en la zona, o los pozos perforados y construidos especialmente con propósitos de estudios. La perforación de pozos de observación constituye uno de los principales costos en los estudios de agua subterránea. Siempre que sea posible, los pozos existentes deben seleccionarse cuidadosamente e incorporarse a la red de observación. 16.2 Instalación de pozos de observación Desde tiempos ancestrales, se han excavado pozos para alcanzar las formaciones acuíferas. Los pozos existentes pueden usarse para observar los niveles estáticos de aguas subterráneas, siempre que la longitud de la columna de agua en el pozo supere la máxima variación estacional del nivel y que se conozca la secuencia geológica. Los pozos existentes deben examinarse para saber si alguno de ellos es adecuado como pozo de observación en una red. Pueden incorporarse a la red los pozos de bombeo existentes, si el espacio anular entre el entubamiento exterior del pozo y la columna de la bomba permite el libre paso de una cinta métrica o de un cable para medir la profundidad del nivel freático. Siempre que se utilicen pozos perforados o excavados como pozos de observación, el nivel freático en ellos deberá ser medido después de haber interrumpido el bombeo y transcurrido un tiempo suficiente como para permitir la recuperación del nivel en el pozo. También deberán interrumpirse las extracciones en las proximidades de un pozo de observación durante un tiempo suficientemente largo como para permitir que se recupere el cono de depresión causado por el bombeo en zonas vecinas. Si se requiere la perforación de nuevos pozos, los gastos adicionales harán que la planificación de la red sea aún más cuidadosa. En las partes del acuífero donde sólo existan unos pocos pozos de bombeo o recarga, sin que exista interferencia de niveles, es generalmente preferible perforar pozos especiales de observación lo suficientemente alejados de los pozos en actividad para no sufrir la influencia de éstos. La ventaja principal de los pozos excavados es que pueden ser construidos con herramientas manuales y por obreros locales especializados. Son usuales las profundidades de 3 a 15 m, pero existen pozos con profundidades de 50 m o más. Estos pozos excavados se pueden construir con piedra, ladrillo o bloques de concreto (hormigón). Para permitir el paso del agua desde el acuífero al pozo, se dejan algunas juntas abiertas y se rompen las esquinas interiores de los bloques o ladrillos. Cuando la excavación alcanza el nivel freático, es necesario bombear el agua para que no impida continuar la excavación. Si la cantidad de agua que entra al pozo es superior a la capacidad de bombeo, es posible profundizar el pozo, si fuera necesario, por perforación. La técnica de excavar los pozos hasta la zona freática y luego profundizarlos por perforación, es común y se practica en muchas partes del mundo. El pozo terminado deberá protegerse de la lluvia, inundaciones o infiltración de agua
AGUAS SUBTERRÁNEAS
209
superficial, que podrían contaminar el agua del pozo y en consecuencia el acuífero. La mampostería deberá extenderse por lo menos 0,5 m sobre el nivel del terreno. En la boca del pozo deberá instalarse una tapa impermeable, con una abertura con cerrojo por razones de seguridad. Deberá marcarse claramente un nivel cerca de la boca del pozo, referido a un punto conocido, a partir del cual se medirá el nivel del agua. Cuando es posible alcanzar el agua subterránea a profundidades de cinco a 15 m, la perforación manual puede ser un método práctico para construir pozos de observación. Se pueden usar taladros manuales para perforar agujeros de 50 a 200 mm de diámetro, en arcillas y arcillas arenosas que no se desmoronan sin entubamiento. Para superar la dificultad de perforar bajo el nivel del agua en arena suelta, se baja un tubo al fondo del pozo y se continúa perforando con un taladro de diámetro menor dentro del entubamiento. El material puede ser extraído con una cuchara para profundizar el pozo. En zonas donde las formaciones geológicas son conocidas de antemano, y están compuestas de arena no consolidada, limo o arcilla, se pueden construir pozos de observación de pequeños diámetros y profundidades de hasta 10 m por el método de los pozos de hinca. Estos pozos son construidos hincando en la tierra un puntero unido al extremo inferior de un tubo de acero con secciones. Una de las secciones deberá ser un colador (filtro) que consta de un tubo perforado envuelto con una malla de alambre protegida con una chapa de bronce perforada. Los pozos de hinca con diámetros entre 35 y 50 mm sirven para realizar observaciones. Para penetrar en los acuíferos profundos, se construyen pozos perforados mediante los métodos de rotación o percusión. Como la perforación de pozos de pequeño diámetro es más económica, son comunes los pozos de observación con diámetros interiores que varían entre 50 y 150 mm. Se utiliza con frecuencia la perforación por el método rotativo hidráulico, con trépanos de diámetros entre 115 y 165 mm. El método rotativo es más rápido que el de percusión en formaciones sedimentarias, excepto en las formaciones que contienen pedruscos, guijarros o rocas sueltas. Como la roca cortada se extrae del pozo mediante el flujo continuo del fluido de perforación, se obtienen muestras de las formaciones penetradas a intervalos regulares. Esto se realiza perforando hasta el nivel de muestreo, y circulando el lodo hasta que se eliminan del sistema todos los restos de roca desmenuzada, perforando a través de la zona de muestreo y retirando el material obtenido como muestra. Los hidrogeólogos y perforadores, con experiencia en esta labor, pueden identificar frecuentemente los cambios en las características de las formaciones y determinar la necesidad de tomar muestras adicionales, mediante una cuidadosa observación en la velocidad y la eficiencia de la perforación. El método de percusión es mejor para excavar formaciones rocosas fracturadas u otros materiales muy permeables. Los diámetros normales de los pozos perforados por el método de percusión varían entre 100 y 200 mm para permitir entubamientos entre 50 y 150 mm de diámetro. El método de percusión mecánica permite
210
CAPÍTULO 16
la extracción de muestras del material excavado, a partir de las cuales se puede hacer una descripción de la formaciones geológicas encontradas. En muchos casos, el acuífero estudiado está confinado y separado por una capa mucho menos permeable de otro acuífero. Todos los acuíferos superiores que se atraviesan durante la perforación deberán aislarse del acuífero en estudio, mediante un procedimiento conocido como sellado por lechada. La lechada debe ser de arcilla o una mezcla líquida de cemento y agua con una consistencia que permita inyectarla a través de caños y colocarla donde se requiera. La inyección de la lechada y el sellado de entubamientos en los pozos de observación debe llevarse a cabo por las siguientes razones: a) impedir que por el exterior del entubamiento se infiltre agua superficial contaminada al interior del acuífero; b) impedir la entrada de agua desde una formación superior al acuífero en estudio; c) hacer que el entubado se ajuste en el pozo perforado de mayor diámetro que la tubería. Los tres metros superiores del pozo deben sellarse con un material impermeable. Para aislar un acuífero superior, el sello del material impermeable no deberá tener menos de tres metros de longitud, extendiéndose sobre la capa impermeable que existe entre los acuíferos. En formaciones de roca sólida, los pozos de observación deben ser perforados y completados sin entubamiento. La figura 16.1 muestra el pozo terminado en terreno rocoso. La perforación deberá ser limpiada de partículas finas así como de todo el barro de perforación que sea posible. Esta limpieza puede realizarse por bombeo o achicando el agua del pozo hasta que el agua se aclare. Los entubamientos se instalan en pozos ubicados en depósitos no consolidados. En la figura 16.2 se dan las características principales de esas instalaciones. Cabe señalar que: a) el diámetro normal del entubamiento en un pozo de observación es de 50 mm; b) en el fondo del pozo se instala un tramo ciego de tubería (tapado al extremo inferior). Este tubo ciego deberá tener por lo menos tres metros de longitud y sirve para recoger los sedimentos provenientes de la parte perforada del entubamiento. Esta parte se denomina depósito de sedimentos; c) al depósito de sedimentos se le conecta un tramo perforado de tubería, denominado colador o filtro, para asegurar un libre intercambio de agua entre el acuífero y el pozo de observación. En los pozos de observación, un tramo de tubo perforado de menos dos metros de largo sirve también para este propósito; d) el tubo ciego por encima del filtro debe ser lo suficientemente largo como para sobresalir alrededor de un metro sobre el nivel del terreno. El tope de este entubado conforma así un conveniente punto de referencia con respecto al cual el observador relaciona las distintas variables incluidas en un programa de observación;
AGUAS SUBTERRÁNEAS
Tapón de 50 mm
Sello de archilla
Relleno de arcilla (lechada)
0,50 0,50
Sello de hormigón
2,00 m
Unión de 50 mm
1,00
P.R.
Formación rocosa Nivel freático
Perforación
Figura 16.1 — Pozo de observación en terreno rocoso
211
212
CAPÍTULO 16
;;;; ;; ; ;; yy ; ;; ;; yy ;; ;; yy ;; ;; yy ;; Sello de hormigón
Sello de arcilla
P.R
Orificio de ventilación de 4 mm ∅ Tapón de 50 mm Tapón de hierro
0,50 0,50
Unión de 50 mm
Ver detalle
1,00
P.R.
Caño de 50 mm
Detalle del extremo superior
Relleno de arcilla
Entubamiento de 50 mm Unión de 50 mm
Nivel freático
Formación arenosa
Malla de alambre
Araña de centrado
0,50
2,00 m
Caño perforado o ranurado
Segundo acople
2,00 m
Depósito de sedimentos
2,00 m
Colador (ver detalle)
Arrollamiento de alambre de 3 mm
3,00 m
Relleno de gravilla
Caño ciego
Tapón de hierro o madera
Detalle del depósito de sedimentos
Figura 16.2 — Pozo de observación en terreno rocoso
AGUAS SUBTERRÁNEAS
e)
213
las arañas de centrado aseguran una apropiada ubicación de la columna del filtro en los pozos perforados; f) en los acuíferos con arena fina o limosa, deberá protegerse la envoltura de la malla y el tubo ranurado de la obstrucción debida a elementos finos. Es necesario rellenar con material grueso, convenientemente graduado, el espacio anular comprendido entre el filtro y la pared del pozo perforado. En el caso de orificios de 150 mm y entubado de 50 mm, el espesor normal de la grava filtrante deberá ser de unos 45 mm y no menor de 30 mm de espesor. El material grueso utilizado puede ser grava fluvial, de uno a cuatro milímetros de diámetro. La grava deberá ser colocada a través de un tubo guía de pequeño diámetro, introduciéndola dentro del espacio entre el entubado y la pared del pozo. Se usará suficiente cantidad de grava para rellenar el espacio anular y el fondo del pozo; es decir, la longitud completa del depósito de sedimentos y por lo menos 500 mm por encima del tramo del tubo perforado; g) se excavará un pozo a nivel del terreno y alrededor del entubamiento. Las dimensiones recomendadas para dicho pozo son 800 por 800 mm al nivel del suelo, reduciéndose como un tronco de pirámide con una base menor de 400 por 400 mm a una profundidad de un metro. Deberá colocarse la lechada de arcilla alrededor del entubamiento, hasta una profundidad adicional de dos metros por lo menos, para obtener un sellado de la unión entre el tubo y la perforación, a fin de prevenir filtraciones de agua contaminada desde los alrededores hacia el acuífero por el borde del entubamiento. El pozo debe llenarse parcialmente con un sello de arcilla y la parte superior con concreto (hormigón). El concreto deberá vertirse de modo que llene el pozo y forme un cono alrededor del entubamiento para drenar fuera de la perforación, tanto la precipitación como el agua superficial; h) el extremo superior del entubamiento, que sobresale del terreno por encima del cono de concreto, debe cerrarse por razones de seguridad. En la figura 16.1 se señalan algunos detalles de la instalación del pozo. El tapón exterior de 50 mm se enrosca a la tubería usando una herramienta especial, y el observador puede levantar el tapón interno de hierro con un imán de gran potencia. La parte del entubado que se extiende sobre el nivel del terreno deberá pintarse de un color brillante para facilitar la ubicación a distancia. La profundidad del nivel freático se mide desde el borde del entubado (después de remover los tapones). Este punto de referencia deberá ser nivelada con respecto al nivel general de la zona de estudio. El mantenimiento de los pozos de observación debe estar a cargo del organismo encargado de la observación o de la investigación. El área alrededor del pozo de observación debe mantenerse libre de vegetación y escombros. Puede fijarse un disco de bronce en el sello de concreto a nivel del suelo con la inscripción “pozo de observación” y el nombre del organismo u de la organización. Este disco de bronce puede servir también como punto de referencia para fines topográficos. Si la parte sobresaliente del entubamiento debe ser reemplazada porque ha sufrido daños, la
214
CAPÍTULO 16
renivelación de la nueva marca de referencia se realiza midiendo la distancia entre el punto de referencia y el borde superior del nuevo tubo. Los pozos preexistentes que pudiesen servir como pozos de observación deben mantenerse y registrarse del mismo modo que los pozos específicamente perforados como pozos de observación. En la zona en estudio, pueden existir varios acuíferos a diferentes niveles, separados por capas impermeables de distintos espesores. En esos casos, es preferible observar las siguientes modalidades (figura 16.3): a) debe perforarse en primer lugar un pozo de gran diámetro, por el método de percusión, hasta que se penetre el acuífero más profundo; b) se instala en el acuífero más profundo un tubo de observación de pequeño diámetro con un filtro adecuado; c) se levanta el entubamiento exterior hasta alcanzar el fondo de la capa impermeable que lo cubre. Se sella el techo del acuífero inferior con la lechada de cemento u otra lechada que se adapte; d) se introduce un tubo de observación de pequeño diámetro provisto de filtro en el acuífero siguiente, que se sella, a su vez, con respecto al acuífero superior por inyección de la lechada; e) los pasos c) y d) se repiten para cada acuífero adicional penetrado. En este caso, el sellado de cada acuífero debe ser realizado muy cuidadosamente para impedir daños a la formación que contiene agua, ya sea por intercambio con agua de diferentes propiedades químicas o por pérdida de presión artesiana. Si se conoce muy bien la geología de la zona y si se puede prever la profundidad de cada acuífero, se recomienda perforar y construir un pozo para cada acuífero. Dichas perforaciones se separarán solamente unos pocos metros. Este procedimiento puede ser el más económico. Los pozos de bombeo, que se incorporan a la red de observación, deben ser mantenidas por los propietarios. 16.3 Prueba de pozos de observación La respuesta de un pozo de observación a los cambios del nivel del agua del acuífero debe ser controlada inmediatamente después de haber completado la construcción del pozo. Se realiza una sola prueba en los pozos de observación de pequeño diámetro, estudiando la disipación de la zona de recarga. Para ello se inyecta en el pozo un volumen conocido de agua y se mide el descenso subsiguiente del nivel del agua. Para pozos productores, la elevación inicial del nivel del agua deberá disiparse dentro de tres horas, alcanzándose un nivel que no difiera más de cinco milímetros del nivel original. Si el descenso del nivel del agua es muy lento, el pozo deberá ser acondicionado para eliminar las obstrucciones del filtro y la mayor cantidad posible del material fino existente en la formación o en el relleno de grava alrededor del pozo. Dicha restauración es fácil de hacer: se crean movimientos alternativos del agua subterránea hacia el interior y el exterior del pozo.
; ;;; ; ;; ;;; ; ;; ;; ; ;; ;; ; ;; ;; ; ;; ;; ; ;;
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AGUAS SUBTERRÁNEAS
Profundidad en m
559
1
2
3
4
5
6
Arena
10
Arcilla
20
Limo
30
Arenisca calcárea
Tapón impermeable
25,00 31,00
Tapón impermeable
Arcilla
40
39,05
50
Arenisca calcárea
55,00
60
Tapón impermeable
Arcilla
70
80
Arena y arenisca calcárea
90
96,00
100
Arcilla
Tapón impermeable
103,50
110
Arena y arenisca calcárea
120
Arcilla y limo
117,50 Tapón impermeable
128,00
130
Arena y arenisca calcárea
5
4
140
3
6
150
Arcilla Caliza arenoarcillosa
160
Pedregullo y conchillas
no.˛
142,00 Tapón impermeable
152,00
1
2
Distancia del mar: 375 m
167,00
Figura 16.3 — Corte vertical esquemático de un pozo de observación para un sistema de varios acuíferos
216
CAPÍTULO 16
Después de limpiar el pozo, se medirá la profundidad desde el fondo del pozo hasta la marca de referencia. Esta medición, comparada con la longitud total del entubamiento, indicará la cantidad de sedimentos que hay en el depósito de escombros. Esta prueba deberá repetirse ocasionalmente en los pozos de observación para verificar la eficiencia de los filtros. Si la medición desde el fondo del pozo indica que los sedimentos llenan toda la columna del depósito y el filtro, el nivel del agua en el pozo puede no ser representativo del verdadero nivel de agua del acuífero. En este caso se podría cuestionar la fiabilidad de ese pozo de observación. Para ayudar a determinar cambios en la litología, se realizan registros geofísicos (eléctricos) en perforaciones abiertas y profundas de pequeño diámetro, antes de que se inserte el entubamiento. Estos perfiles consisten de dos registros: resistencia y autopotencial (potencial espontáneo). Puede utilizarse un perfil de la intensidad natural de radiación gamma para verificar los sellos de arcilla sobre el acuífero en estudio y para verificar el sellado de los acuíferos superiores que se han penetrado. Debe determinarse la calidad del agua en un pozo a partir de una muestra de agua, después de finalizar el proceso de acondicionamiento del pozo, y enviarla a un laboratorio para un análisis químico. 16.4 Sellado y relleno de pozos abandonados Los pozos de observación y de bombeo pueden abandonarse por las siguientes razones: a) fallas con respecto a la cantidad y calidad del agua; b) perforación de un nuevo pozo para reemplazar uno existente; c) los pozos de observación ya no son necesarios para fines de investigación. En todos estos casos, los pozos deben ser cerrados o destruidos de tal forma que no puedan actuar como canales para el intercambio de agua entre acuíferos cuando dicho intercambio implique un deterioro importante de la calidad del agua en los acuíferos penetrados. El relleno y sellado de los pozos abandonados deberá llevarse a cabo de la manera siguiente: a) en el pozo, al nivel de las formaciones, se coloca arena u otro material inorgánico cuando no se requiera un sellado impermeable; b) debe colocarse material inorgánico impermeable en los niveles de las formaciones confinadas para evitar tanto el intercambio de agua entre diferentes acuíferos como la pérdida de presión artesiana. El material de relleno debe colocarse a una distancia de por lo menos tres metros en ambas direcciones (encima y debajo de la línea de contacto entre el acuífero y el acuicludo); c) cuando se desconocen los límites de varias formaciones, se colocarán capas alternadas de material poroso e impermeable en el pozo; d) no debe utilizarse como relleno material fino en formaciones de roca fisurada o fracturada. Para el sellado de pozos adyacentes a esos estratos, se utilizarán
AGUAS SUBTERRÁNEAS
e)
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lechadas de cemento o concreto. Si estas formaciones se extienden a profundidades considerables, se usarán capas alternadas de relleno grueso y lechada de concreto para llenar el pozo; en todos los casos, los cinco metros superiores del pozo deben ser sellados con material impermeable e inorgánico.
16.5 Instrumentos y métodos de observación [C65] La medición directa de los niveles de agua subterránea puede realizarse en los pozos de observación, con instrumentos de operación manual o con ayuda de instrumentos automáticos de registro continuo. Las siguientes descripciones se refieren a los principios de la medición de niveles de las aguas subterráneas. En las referencias reseñadas se incluyen descripciones de ciertos tipos de instrumentos. 16.5.1 Instrumentos manuales El método más común de medición manual consiste en suspender un cuerpo lineal pesado (por ejemplo, una cinta o cable graduado de acero flexible o cubierta de plástico) desde un punto definido en la superficie, usualmente en la cabecera del pozo, hasta un punto por debajo del nivel del agua subterránea. Después de sacar la cinta, la posición del nivel del agua subterránea se define al sustraer la longitud de la parte de cinta que ha sido sumergida de la longitud total de la cinta suspendida en el pozo. Esta parte húmeda puede identificarse más claramente cubriendo la parte inferior de la cinta con tiza antes de realizar cada medición. Para indicar la parte de cinta que ha estado en inmersión se han utilizado pastas que cambian de color, aunque deben evitarse sustancias que contengan productos tóxicos. En ocasiones deben realizarse varias observaciones de ensayo con el fin de que la profundidad del agua se conozca aproximadamente antes de realizar la medición. A medida que la profundidad del nivel del agua aumenta, la longitud de la cinta que haya de utilizarse también aumenta, y puede ser difícil superar los inconvenientes debidos al peso del instrumento y a lo complicado que es su funcionamiento en estas condiciones. Las profundidades a la superficie del agua de hasta 50 m se miden con facilidad, pero con creciente dificultad hasta 100 m o más. A estas grandes profundidades pueden utilizarse cintas más estrechas de acero o cintas de cobertura plástica de escaso peso. La profundidad del nivel del agua se puede medir con un error de pocos milímetros, aunque la exactitud de la medición por otros métodos depende generalmente de la profundidad. Se han diseñado instrumentos inerciales de modo que un peso unido al extremo de un cable cae a una velocidad constante, debido al efecto de la gravedad, desde un instrumento portátil situado en la superficie. Al chocar con el agua, un mecanismo de frenado evita automáticamente la continuación de la caída. La longitud del cable libre, que equivale a la profundidad del nivel del agua, queda anotada en un
218
CAPÍTULO 16
contador de revoluciones. Este sistema permite mediciones con un error inferior a un centímetro, aunque un operador con experiencia puede reducirlo a 0,5 cm. El sistema de electrodo doble emplea dos electrodos pequeños adyacentes, incorporados dentro de una sola unidad de 10 a 20 cm de longitud situada al final del cable. El sistema también incluye una batería y un molinete eléctrico. La corriente fluye a través del sistema cuando los electrodos están sumergidos en el agua. El cable conductor de electricidad debe tener poca elasticidad, prefiriéndose los cables recubiertos de plástico a los de caucho. El cable se calibra con cintas adhesivas o señales a intervalos prefijados de uno o dos metros. La profundidad exacta del nivel del agua se mide hasta la señal más próxima marcada sobre el cable, mediante una regla de acero. Se pueden realizar con facilidad mediciones del nivel del agua hasta una profundidad de alrededor de 150 m y hasta 300 m y más, con alguna dificultad. Los límites de la profundidad de la medición están asociados esencialmente a la longitud del cable eléctrico y al diseño del circuito eléctrico, así como al peso del equipo (en particular del cable suspendido), y al esfuerzo que hay que realizar para enrollar y desenrollar el cable. El grado de exactitud de la medición depende de la habilidad del operador y de la exactitud con la que se hayan fijado las señales al cable. Las marcas o señales fijas deben calibrarse a intervalos regulares, y debe comprobarse también el funcionamiento del circuito, sobre todo antes y después de cualquier serie de observaciones. Este sistema es muy útil cuando se hacen mediciones repetidas del nivel del agua a intervalos frecuentes durante las pruebas de bombeo. En pozos muy profundos, que requieren longitudes de cable del orden de 500 m, la exactitud de la medición es de ±15 cm aproximadamente. Sin embargo, las mediciones de los cambios de nivel del agua en la que se deja suspendido el cable en el pozo y la sonda cerca de la capa freática, se expresan hasta el milímetro más próximo. El efecto electroquímico de dos metales diferentes sumergidos en agua puede ser aplicado a instrumentos de medición manual. De este modo, no se requiere de baterías para el suministro de corriente eléctrica. Puede producirse una corriente eléctrica susceptible de ser medida mediante la inmersión, en la mayor parte de las aguas subterráneas, con dos electrodos (por ejemplo, magnesio y latón) formando una sola unidad, o con un solo electrodo (magnesio) conectado a tierra mediante un anclaje de acero situado en la superficie. En vista de la baja intensidad de corriente que se produce de esta manera, se requiere un microamperímetro como indicador del nivel. El sistema de un solo electrodo puede incorporarse a una cinta de acero graduada, que es conductora eléctrica, o bien a una cinta cubierta de plástico incorporada a un solo cable conductor. La exactitud de la medición depende de la graduación de la cinta, siendo posible conseguir con facilidad lecturas con error inferior a 0,5 cm. En un pozo de observación se puede instalar permanentemente un flotador unido a un contrapeso mediante un cable que pasa por una polea. Las variaciones del nivel del agua pueden medirse por el cambio de nivel del contrapeso o de una señal
AGUAS SUBTERRÁNEAS
219
fija sobre el cable. Se puede unir a la polea una escala de lectura directa. El método se limita generalmente a fluctuaciones de escasa amplitud. Cuando el agua subterránea artesiana rebase la superficie, es preciso fijar un obturador a la boca del pozo antes de realizar las mediciones. La presión en la superficie (o el nivel del agua equivalente) puede medirse mediante la instalación de un manómetro (para observaciones visuales o acoplados a un sistema de registro continuo) o bien, donde resulte practicable, observando el nivel del agua en el interior de un tubo de cristal o plástico de pequeño diámetro, encajado en el obturador directamente sobre la boca del pozo. Si existe el riesgo de que se produzcan heladas, debe añadirse aceite o una solución anticongelante a la superficie del agua. Todos los dispositivos de medición manual necesitan un manejo cuidadoso y un mantenimiento realizado a intervalos frecuentes, si no puede disminuir gravemente su eficacia. La medición del nivel del agua subterránea mediante métodos manuales exige un alto grado de habilidad de un operador bien adiestrado. 16.5.2 Instrumentos automáticos Actualmente se utilizan numerosos y diferentes tipos de registradores automáticos del nivel de agua. Si bien cada registrador puede ser diseñado para una instalación determinada, debe insistirse en que pueden usarse en múltiples aplicaciones. Los instrumentos deben ser portátiles, fáciles de instalar y capaces de registrar en una gran variedad de condiciones climáticas y funcionar sin control durante períodos de tiempo variables. También deben ser capaces de medir las variaciones lineales y temporales del nivel de agua subterránea con distintas velocidades de registro, por intercambio de engranajes, en las escalas de tiempo y de nivel. De este modo el mismo instrumento, con el mínimo uso de equipo auxiliar, podrá ser utilizado durante varios períodos de observación y para un extenso intervalo de variaciones de agua subterránea en numerosos pozos de observación. La experiencia ha demostrado que el registrador analógico más adecuado en la actualidad, es el accionado por flotador. El hidrograma es trazado sobre una banda fijada a un tambor de registro horizontal o vertical, o bien sobre un gráfico de cinta continua. Para obtener los mejores resultados con el máximo de sensibilidad y en condiciones óptimas de funcionamiento, el diámetro del flotador debe ser tan grande como sea posible con el mínimo de peso del cable y del contrapeso. En general, el diámetro del flotador no debe ser inferior a unos 12 cm, aunque las modificaciones en algunos tipos de registradores permiten emplear flotadores de menor diámetro. El tambor de registro o la pluma pueden ser accionadas por relojes de cuerda o eléctricos. El registro puede obtenerse por una pluma o un estilete apoyado sobre un papel especialmente preparado. La relación entre el movimiento del tambor y las variaciones de nivel del agua pueden modificarse por medio de engranajes intercambiables; de este modo, el coeficiente de reducción varía, en general, entre 1:1 y 1:20.
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CAPÍTULO 16
La velocidad del trazado varía de acuerdo a la fabricación de los instrumentos, pero la relación de los engranajes se adapta usualmente para que toda la anchura del cuadro corresponda a períodos de 1, 2, 3, 4, 5, 16 ó 32 días. Algunos registradores de cinta continua pueden funcionar durante períodos superiores a los seis meses. Si los registradores activados con flotador tienen instaladas cintas calibradas, deben realizarse mediciones directas de la profundidad (o profundidad relativa) del nivel del agua al comienzo y al final de cada hidrograma, cuando se cambian las bandas. Ese nivel debe verificarse a intervalos regulares por observaciones manuales. La exactitud de la lectura de los niveles intermedios en la banda depende básicamente de la relación entre el movimiento del tambor y las variaciones del nivel de agua subterránea, y en consecuencia de la relación de engranajes. La medición continua de la profundidad del nivel del agua subterránea en pozos de pequeño diámetro es difícil porque la sensibilidad de un sistema accionado por flotador disminuye a medida que se reduce el diámetro del flotador. Se han elaborado flotadores en miniatura o sondas eléctricas de pequeño diámetro para seguir las variaciones del nivel del agua. La fuerza impulsora proviene en general de un servomecanismo, accionado a cuerda o eléctricamente, y ubicado en el equipo de superficie. El pequeño flotador está suspendido en el pozo por un cable enrollado a un tambor accionado a motor y vinculado a la polea del registrador de nivel. En la posición de equilibrio, el servomotor es desconectado. Si el nivel del agua baja en el pozo, el flotador queda en la misma posición y al agregarse un peso adicional al cable (o alambre) se produce el movimiento del tambor que acciona un contacto eléctrico que pone en marcha el pequeño motor. El tambor puesto en funcionamiento por el motor libera el cable hasta que alcance un nuevo equilibrio y se desconecta el motor. Cuando el nivel del agua del pozo sube, el cable se enrolla en el tambor hasta que se alcanza la nueva posición de equilibrio. El movimiento de subida y bajada del cable hace que se active la pluma del aparato, registrando las variaciones del nivel del agua. El servomotor, que mueve el tambor del cable, puede ser activado mediante una sonda eléctrica desde el nivel del agua en el pozo. Este dispositivo consiste de una sonda pesada suspendida en el pozo por un cable eléctrico almacenado en el tambor de acción mecánica del registrador de nivel de agua. Las fluctuaciones en el nivel del agua del pozo causan un cambio de presión que es trasmitida a través de una membrana al interruptor de presión colocado en la sonda. Este interruptor acciona el motor del tambor, de modo que la sonda es levantada o descendida, hasta que alcance una nueva posición neutra en el nuevo nivel del agua. El rozamiento del flotador y del cable contra el entubamiento del pozo afecta la exactitud de los registradores de nivel de agua, especialmente en pozos profundos. El mayor error es causado por el arrastre de la línea del flotador contra el entubamiento. Se puede dotar a un flotador de pequeño diámetro con rodillos deslizantes (fijados en ambos extremos del flotador), para reducir la fricción contra el
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entubamiento. En el cable se colocan discos circulares (arañas) con pequeños rodillos a intervalos de 10 m para mantenerlo separado del entubamiento y reducir significativamente la fricción. En la figura 16.4 se muestran algunos detalles de este dispositivo. La sensibilidad de los registradores de nivel de agua con el sistema de pequeños flotadores puede indicar variaciones de seis milímetros en dicho nivel, pero la sensibilidad del mecanismo interruptor con respecto al movimiento del flotador puede ser importante. La exactitud del sistema disminuye con baterías débiles. Para evitar este incoveniente, las baterías deben reemplazarse después de un máximo de 60 a 90 días de uso normal. Otro sistema posible es un electrodo suspendido en el pozo de observación, ubicado a una distancia fija sobre la superficie del agua. A intervalos de tiempo determinados, la sonda controla eléctricamente el nivel del agua, el movimiento depende de un servomecanismo ubicado en la superficie. En ese momento, se registra la profundidad del nivel del agua, que corresponde a la longitud del cable. Este sistema puede ser adaptado a varios sistemas de registro. A pesar de que estos instrumentos se utilizan en pozos de pequeño diámetro, pueden ser instalados en pozos de cualquier diámetro mayor que el de la sonda. En algunos proyectos de investigación, se han diseñado instrumentos para medir las variaciones del nivel de agua subterránea con técnicas más perfeccionadas que las descritas anteriormente, como sondas de capacitancia, transductores de presión, medidores de tensión, de sonido y técnicas de reflexión de ondas de alta frecuencia. Estos instrumentos son actualmente caros en comparación con los registradores de flotador, tienen limitaciones en su aplicación, sobre todo por los intervalos de variación del nivel de agua subterránea, y en general requieren de un mantenimiento perfecto. Los sistemas accionados por flotador se consideran más seguros y más utilizados que cualquier otro método, aunque la evolución futura de la técnica en el ámbito de sensores, transductores y registros puede suministrar instrumentos de comportamiento comparable, o mejor, a costos competitivos. Los registradores analógicos o digitales utilizados para las mediciones de caudales en cursos de agua (sección 10.2.2) pueden adaptarse fácilmente a las mediciones de los niveles del agua subterránea. Los instrumentos de registro automático requieren un mantenimiento rápido y exhaustivo, de otro modo los registros se pierden. Las reparaciones simples se pueden realizar sobre el terreno, pero en caso de averías más serias se debe reemplazar el instrumento y efectuar reparaciones en el laboratorio o el taller. Estos instrumentos deben protegerse contra condiciones climáticas extremas, daños accidentales o deliberados. Los mecanismos de relojería, eléctricos o de cuerda, son susceptibles a la humedad elevada; por eso la ventilación adecuada es esencial y en ciertas condiciones será conveniente el uso de un desecante.
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CAPÍTULO 16
Polea del registrador de nivel
Entubamiento (50 mm)
Rodillos deslizables Pozo de observación de 50 mm
Araña de centrado de rodillos
10,00
Flotador de pequeño diámetro (45)
Cable (o alambre)
Nivel freático
10,00
Nivel freático Flotador
Rodillos deslizables
Conjunto de flotador y arañas de centrado
Sección vertical del pozo a nivel del agua
Rodillos
Sección horizontal Arañas de centrado
Figura 16.4 — Flotador de pequeño diámetro con rodillos deslizantes
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16.5.3 Extractores de muestras para pozos que no se bombean El dispositivo más simple para extraer muestras de agua desde un pozo es un cubo o vertedor, compuesto de un tramo de caño con una válvula de retención en el fondo. Este cubo se suspende de un cable y se baja al pozo. La válvula permite la entrada de agua al tubo y, cuando éste se levanta, impide el escape del contenido del mismo. Esto permite la extracción de muestras de la capa superior del agua contenida en el pozo. El agua de cualquier punto profundo de la columna de agua del pozo entrará al balde, pero se mezclará con la de la capa superior al levantarlo. Para permitir el muestreo a cualquier profundidad bajo la superficie del agua, se han diseñado extractores de muestras con válvulas operadas a resorte. El tubo de muestreo sujeto a un cable de suspensión se baja hasta la profundidad deseada. Las lecturas de profundidades se toman de un contador. Mientras el tubo desciende en el pozo tiene ambos extremos abiertos, permitiendo el libre flujo de agua, a través del extractor de muestras. Una vez alcanzada la profundidad requerida, se deja caer un peso, deslizándolo sobre un cable de suspensión hasta que golpea un gatillo que cierra la cámara de muestreo. El aparato se sube a la superficie y se abre la cámara oprimiendo la válvula de gatillo. 16.5.4 Sensores de salinidad y temperatura [C67] La conductividad eléctrica del agua aumenta con la salinidad. El procedimiento común es entonces determinar la concentración de minerales disueltos midiendo la resistencia eléctrica del agua. El instrumento utilizado para medir la resistencia puede ser un pequeño y sencillo puente de resistencias que medirá in situ la resistencia de la muestra de agua bombeada o elevada desde el pozo. En los casos en que se requiera medir la salinidad en un punto debajo del nivel del agua (por ejemplo, en la zona del filtro del entubamiento) o si se requiere de un registro químico de toda la columna del pozo (por ejemplo, en la búsqueda de la interfase agua dulce–agua salada), se utiliza un medidor eléctrico de salinidad. Éste se compone de una celda sujeta a un cable; dos electrodos, sumergidos en la celda, hacen circular una corriente eléctrica que atraviesa el agua. Se mide la resistencia del agua con un potenciómetro digital conectado del extremo del cable a un medidor de resistencias. La resistencia cambia con la temperatura del agua. De ahí que dicha temperatura se mida simultáneamente con un termistor contenido en la celda. La concentración de minerales disueltos en cada nivel del pozo se calcula utilizando una curva de calibración a través de puntos determinados, midiendo las resistencias correspondientes a las respectivas concentraciones de KC1, en soluciones patrones. La resistencia se calcula a la temperatura de 25°C, usando la siguiente ecuación:
R25 = ( RΘ − r ) (1 − 0,02 ∆ Θ )
(16.1)
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CAPÍTULO 16
donde R25 es la resistencia de la muestra a 25°C, RΘ la resistencia indicada por el medidor a la temperatura medida de 0 °C, r la resistencia del instrumento (celda + cable, etc.), Θ la temperatura medida en grados centígrados, y ∆ = 25° – Θ.
16.6 Control de la calidad de las aguas subterráneas [E65] La calidad de las aguas subterráneas puede cambiar y deteriorarse como resultado de la actividad humana. Las fuentes de contaminación incluyen cloacas y pozos sépticos, fugas de los sistemas de alcantarillado municipal y de lagunas de desechos, infiltraciones de los botaderos de basura y de los rellenos sanitarios, derrames de alimentos de animales, descargas de desechos industriales, agua refrigerada que regresa a los pozos de restablecimiento y fugas de tanques y acueductos. Vastas zonas geográficas pueden sufrir de la degradación de la calidad de las aguas subterráneas debido al retorno de las aguas de riego, la recarga dentro del acuífero de efluentes industriales o aguas servidas tratadas, y la intrusión dentro del agua dulce de los acuíferos de agua de mar de las cercanías o de otros acuíferos altamente salinos. Las muestras de aguas pueden ser obtenidas de pozos bombeados o de pozos artesanos. Existen bombas portátiles que pueden usarse para el muestreo de pozos que no son bombeados. Cuando se desean muestras a profundidades determinadas, pueden tomarse con muestreadores de ganchos en pozos abiertos. Sin embargo, estos instrumentos frecuentemente necesitan tener diámetros externos más pequeños para que se ajusten dentro del entubamiento del pozo. En algunos casos, las zonas seleccionadas de un pozo pueden aislarse temporalmente para el muestreo con obturadores mecánicos o inflables. Las muestras y los niveles del agua de estratos aislados, regiones saturadas situadas sobre estratos menos permeables en la zona insaturada, pueden con frecuencia ser obtenidos mediante el uso de piezómetros. Estos son tubos con una región porosa cerca de su extremo inferior que pueden hincarse o introducirse en el suelo a una profundidad determinada. Otras muestras de la zona insaturada pueden ser obtenidas empotrando una copa de cerámica porosa en buen contacto con el suelo, o con un lecho de arena fina para asegurar un buen contacto, con un tubo de vacío conducido hasta el fondo (sección 15.4). El agua del suelo es atraída al interior del recipiente por succión y es alzada hasta la botella muestreadora a través de una línea de vacío. Si la instalación está por debajo del nivel desde el cual la succión puede levantar la muestra, el material puede ser succionado de la cámara porosa a través de una válvula de retención hasta una segunda cámara, desde la cual puede entonces forzarse hasta la superficie mediante la liberación de nitrógeno en el interior de la cámara. Las variables básicas para la definición de la calidad del agua superficial (sección 17.5.2) también se aplican al control de la calidad del agua subterránea a excepción de la turbidez, la cual normalmente no es un problema [1-7]
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Referencias 1. Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura/Organización Mundial de la Salud, 1978: Water Quality Surveys: Guía para la recopilación e interpretación de los datos sobre la calidad del agua Preparada por el Grupo de trabajo mixto DHI/OMS sobre la calidad del agua, para la UNESCO y la OMS, con ayuda del PNUMA. 2. U.S. Geological Survey, 1981: National Handbook of Recommended Methods for Water-Data Acquisition. Chapter 2: Groundwater, Reston, Virginia. 3. Everett, L. G., 1980: Groundwater Monitoring. General Electric, Schenectady, Nueva York. 4. Organización Internacional de Normalización, 1988: Guidance on the Sampling of Groundwater. ISO/TC147, SC6/WG4/N30, Ginebra. 5. Energy, Mines and Resources Canada, 1985: Uranium Tailings Sampling Manual, Ottawa. 6. Organización Meteorológica Mundial, 1988: Manual on Water Quality Monitoring — Planning and Implementation of Sampling and Field Testing. Informe de hidrología operativa Nº 27, OMM–Nº 680, Ginebra. 7. Organización Meteorológica Mundial, 1989: Management of Groundwater Observation Programmes. Informe de hidrología operativa Nº 31, OMM–Nº 705, Ginebra.
CAPÍTULO 17 CALIDAD DEL AGUA
17.1 Generalidades En este capítulo se examinan los aspectos generales del muestreo de la calidad del agua y aspectos específicos relativos al muestreo de ríos, cursos de agua, lagos y embalses. Los aspectos específicos del muestreo de la calidad de la precipitación y de las aguas subterráneas se abordan en las secciones 7.9 y 16.6, respectivamente. Para mayor información sobre este tema, véase la publicación de la OMM, titulada Manual on Water Quality Monitoring – Planning and Implementation of Sampling and Field Testing [1] y la Guía GEMS/Water Operational Guide [2]. 17.2 Métodos de muestreo [E05] El muestreo es el proceso de recolección de una cantidad representativa de agua de un río, lago o pozo. Los datos abreviados serán buenos si la representatividad de la muestra es fiable. Los métodos de muestreo son determinados por un número de factores que incluyen el tipo de material que se debe muestrear, el tipo de muestra y la calidad del parámetro que se analiza, lo cual determina el equipo y los procedimientos que se han de usar. 17.2.1 Tipos de muestras 17.2.1.1 Muestras tomadas al azar Las muestras tomadas al azar sirven cuando se desea caracterizar la calidad del agua en un tiempo y ubicación particular, recolectar volúmenes de muestras variables, o cuando se trata de cursos o corrientes de agua que no fluyen continuamente. Estas muestras también se usan para establecer un historial de la calidad del agua basada en intervalos de tiempo relativamente cortos. Una muestra discreta, fortuita o tomada al azar, se toma en un lugar, a una profundidad y en un tiempo seleccionados, y luego se analiza según los componentes de interés. Una muestra tomada al azar según la profundidad se recolecta a lo largo de la columna de agua en un tiempo y ubicación seleccionados.
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CAPÍTULO 17
17.2.1.2 Muestras compuestas Una muestra compuesta se obtiene mezclando varias muestras discretas de igual volumen o de volumen ponderado en un contenedor, del cual se analiza después una parte, o se obtiene mediante el muestreo continuo del flujo en un período de tiempo. Una muestra compuesta da una estimación de la condición promedio de la calidad del agua en el período de muestreo. Una ventaja obvia es la economía obtenida al reducir el número de muestras que han de analizarse. Pero, por otro lado, las muestras compuestas no pueden detectar cambios de parámetros ocurridos durante el período de muestreo. Hay dos tipos principales de muestras compuestas: las secuenciales y las de flujo proporcional. Una muestra compuesta secuencial se obtiene por bombeo o mezclando volúmenes iguales de agua recolectados a intervalos de tiempo regulares. Una muestra compuesta proporcional se obtiene por bombeos continuos a un ritmo proporcional del flujo, mezclando volúmenes iguales de agua recolectados a intervalos de tiempo inversamente proporcionales al flujo, o mezclando volúmenes de agua proporcionales al caudal recolectados a intervalos de tiempo regulares. 17.2.2 Recolección de una muestra representativa Para los muestreos en sitios ubicados sobre una extensión uniforme de la corriente de agua se considera adecuada la recolección de muestras integradas de profundidad en una simple vertical. Para corrientes pequeñas, es generalmente suficiente tomar una muestra al azar en el centro del flujo. En otros casos, puede ser necesario muestrear una sección transversal del canal en un número determinado de puntos y profundidades. El número y los tipos de muestras tomadas dependerá de la anchura, de la profundidad del caudal, de la cantidad de sedimentos en suspensión transportados y de la vida acuática presente. Generalmente, mientras más puntos sean muestreados en la sección transversal, más representativa será la muestra compuesta. Se consideran suficientes tres a cinco verticales, y se necesitan menos verticales para corrientes estrechas o poco profundas. Un método corriente es el método de secciones iguales, en el cual las verticales son espaciadas a intervalos iguales a lo largo de la corriente. Este método requiere conocimientos detallados sobre la distribución del flujo fluvial en la sección transversal, para dividir esta sección en verticales espaciadas en proporción con los incrementos de caudal. 17.2.3 Técnicas y equipos de muestreo sobre el terreno 17.2.3.1 Muestreadores de gancho Los muestreadores de gancho pueden clasificarse en instrumentos que sólo convienen para constituyentes no volátiles, o los que pueden usarse para gases disueltos y otros constituyentes volátiles. Se pueden utilizar tanto los muestreadores discretos (de super-
CALIDAD DEL AGUA
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ficie o de profundidad determinada), como los tipos de muestreadores de profundidad integrada. Ambos pueden usarse en la recolección de agua para determinar los constituyentes no volátiles. También puede usarse un muestreador múltiple con este fin. Una muestra aproximada de profundidad integrada puede tomarse bajando un aparato de muestreo abierto hasta el lecho del cuerpo de agua y elevarlo hasta la superficie a un ritmo constante, de forma que la botella esté llena totalmente al alcanzar la superficie. Para esto puede usarse un muestreador de metal. Es un aparato que a veces está hecho de hierro y se usa para sostener botellas de muestras. Las botellas de muestras se colocan en el muestreador y se aseguran por la garganta del sostenedor. En algunos casos, los muestreadores pueden tener pesos adicionales para asegurar una caída o descenso vertical en corrientes fuertes. Un método muy simple es tomar un tubo plástico, limpio y esterilizado, cargado en un extremo, con un diámetro interno diseñado para dar un volumen de muestra suficiente, por ejemplo: cuatro litros, y bajar el extremo cargado a la profundidad deseada, apresar el tubo desde la superficie, sacarlo y vaciar el contenido en un contenedor de muestras. La integración de la profundidad no es posible realizarla en corrientes poco profundas, insuficientes para permitir la integración. En dicho caso, se debe tener cuidado de no perturbar el lecho del río cuando se toma una muestra. Se sugiere en esos casos, excavar un hueco en el lecho, dejar que la corriente se estabilice, y sacar la muestra desde abajo hasta el borde del hueco. Los muestreadores discretos se usan para recolectar muestras de agua a una profundidad determinada. Un muestreador apropiado se baja hasta la profundidad deseada, se activa y luego se recupera. Los muestreadores de Van Dorn, de Kemmerer y de bomba se usan con frecuencia para: a) botella de Van Dorn. La botella de Van Dorn sirve para muestreos a profundidades iguales o mayores a los dos metros. El instrumento, mostrado en sus dos configuraciones en la figura 17.1, existe en polivinilo y en plástico acrílico, así que puede usarse para muestreos generales o de trazas de metal. La configuración horizontal debe usarse para muestras cercanas al fondo, en la interfase agua–sedimento, o cuando se requieran muestras de una banda estrecha del perfil de profundidad, por ejemplo: quimoclina, termoclina. Se dispone de muestreadores de volúmenes de dos a 16 litros. b) muestreador de Kemmerer – El muestreador de Kemmerer es uno de los tipos más viejos de muestreadores verticales accionados con cable mensajero. Este instrumento es comúnmente usado en cuerpos de agua con una profundidad igual o mayor a un metro. El muestreador de Kemmerer (figura 17.2), se hace en bronce y en bronce niquelado para muestreos generales de agua. Para el muestreo de trazas de metal, existe el muestreador de Kemmerer de polivinilo y de plástico acrílico y clorídico con sellos de goma de silicona. Tanto los muestreadores de metal como los de plástico tienen una capacidad de 0,5 a ocho litros;
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CAPÍTULO 17 Cable Cable Cable mensajero Tapa Cable mensajero
Mecanismo móvil Mecanismo móvil
Tapones
Recipiente (PVC o acrilico)
Válvula de drenaje
Válvula de drenaje
Figura 17.1 — Botella de Van Dorn
Cable mensajero
Cable
Tapón
Recipiente (PVC, bronce o cobre niquelado)
Tapón
Figura 17.2 — Muestreador de Kemmerer
CALIDAD DEL AGUA
c)
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bombas: existen tres tipos de bombas para recolectar muestras a profundidades determinadas: la bomba de diafragma, la peristáltica y la rotativa o giratoria. Generalmente, las bombas de diafragma son manuales, mientras que las bombas peristálticas y las rotativas requieren de una fuente de energía, y por lo tanto, tienen una limitada utilidad sobre el terreno. Las bombas peristálticas no son recomendables para la recolección de muestras para realizar análisis de clorofila, debido a los daños que las algas pueden ocasionar. Todas las bombas deben tener una construcción interna que no contamine la muestra de agua. La entrada y salida de las mangueras deben también estar libre de contaminantes. Los muestreadores de Van Dorn tienen una ventaja sobre la botella de Kemmerer: sus tapas no están ubicadas en la trayectoria del flujo del agua en el muestreador, lo cual puede causar remolinos y turbulencia. Un muestreador múltiple (figura 17.3) permite la recolección simultánea de varias muestras de volúmenes iguales o diferentes en un sitio. Cada muestra es recolectada en una botella. Cuando las muestras son de igual volumen, se puede obtener información referente a la variabilidad instantánea entre muestras análogas. El muestreador puede alterarse para acomodar diferentes números y tamaños de botellas de acuerdo a las necesidades de programas específicos. Esto puede realizarse cambiando los tamaños de las copas, la longitud de las camisas o manguitos de la copa, y la configuración y tamaño de la abertura en la tapa acrílica transparente.
Figura 17.3 — Muestreador múltiple
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CAPÍTULO 17
17.2.3.2 Muestreadores de oxígeno disuelto En la figura 17.4 se observa un muestreador típico para determinar la concentración de oxígeno disuelto y la demanda bioquímica de oxígeno (DBO). Este instrumento debe subirse abierto, lo que permite alguna mezcla con las capas superiores. Si se ajustan ciertos muestreadores de gancho con los tubos de drenaje inferiores, podrían usarse para hacer penetrar la muestra dentro del interior del contenedor de análisis. Las muestran deben ser recolectadas en botellas de DBO de boca estrecha, que tienen tapones de cristal biselado, para evitar la entrada de aire en las muestras. No se recomienda el muestreo de corrientes de poca profundidad con este muestreador. En este caso, se debe minimizar la agitación (hacer espuma) de la muestra, inclinando la botella de DBO suavemente aguas abajo. 17.2.3.3 Muestreadores automáticos Existen diversos tipos de muestreadores automáticos, desde los instrumentos elaborados para programas de muestreo flexibles, que requieren de energía externa y de una garita permanente, hasta los dispositivos simples, portátiles, independientes, como una botella sumergida con un ritmo de llenado determinado por un purgador paulatino de aire. Cable Cable Cable mensajero
Mecanismo móvil
Tubo de llenado Recipiente (cobre niquelado)
Botella DBO
Corte
Figura 17.4 — Muestreador de oxígeno disuelto
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Estos dispositivos pueden a veces programarse para muestrear durante extensos períodos de tiempo, pero sin exceder el tiempo máximo sugerido de 24 horas desde el muestreo hasta el análisis. Estos muestreadores son los más utilizados, y reducen el costo de las necesidades de personal cuando se deben realizar muestreos frecuentes. Si en el sitio existe una estación automática de medición de caudal, algunos muestreadores automáticos pueden facilitar muestras proporcionales de flujo. Existen modelos para muestras compuestas y para muestras individuales. 17.2.3.4
Procedimientos de muestreo según la ubicación de la estación y la temporada Sobre el terreno, las diferentes situaciones de muestreo requieren de diferentes técnicas de muestreo; las muestras en aguas poco profundas se recogen de manera diferente a la usada en sitios de aguas profundas. Los técnicos que trabajan sobre el terreno deben estar equipados para resolver estas situaciones. Algunas de las consideraciones de muestreo práctico, relacionadas con la ubicación y la temporada de muestreo, se describen en las siguientes secciones. Detalles adicionales sobre los procedimientos de muestreos se describen en la publicación de la OMM, titulada Manual on Water Quality Monitoring – Planning and Implementation of Sampling and Field Testing [1]. El muestreo desde puentes es el que se prefiere debido a la facilidad de acceso y a la seguridad en todo tipo de caudal y clima. Sin embargo, el tráfico en los puentes es otro peligro potencial que debe ser considerado (sección 18.3). Los botes ofrecen mayor flexibilidad y reducen el tiempo de viaje entre los puntos de muestreo. Éstos deben identificarse por triangulación a partir de marcas o señales en tierra, y se deben tener en cuenta los efectos de la navegación, los flujos altos y los peligros de tormenta (sección 18.5). Los aviones, incluidos los helicópteros, son caros pero rápidos y flexibles. Las pruebas han mostrado que la perturbación del agua, causada por los helicópteros, no afecta significativamente, ni aún a las muestras tomadas para la determinación del oxígeno disuelto en el agua. No se recomiendan los muestreos en las orillas, salvo si no hay otras posibilidades. La muestras deben tomarse en aguas turbulentas o donde el flujo sea rápido y de aguas profundas. Cuando las muestras de agua son recolectadas de las orillas de la corriente, de las riberas y desde muelles o embarcaderos, se usa a menudo un muestreador de metal. El muestreo de hielo y nieve en invierno requiere de algún tipo diferente de técnica. Se deben seguir las precauciones de seguridad esbozadas en la sección 18.9.3. Se debe remover la nieve asentada en la superficie del hielo para obtener un área de trabajo apropiada.
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CAPÍTULO 17
17.3 Preparación de los trabajos sobre el terreno 17.3.1 Preparación general a) obtener instrucciones concretas sobre los procedimientos de muestreo; b) preparar un itinerario de acuerdo al plan de muestreo (véase también la sección 21.3); c) prepare listas de equipos y materiales requeridos; d) asegurarse de que todas las botellas de muestras se hayan limpiado de acuerdo con los procedimientos normalizados; e) asegurarse de que el laboratorio haya preparado los reactivos químicos y normalizados necesarios para el trabajo; f) preparar una lista de control (la sección 17.3.3). 17.3.2 Selección de los volúmenes de las muestras Los volúmenes de unas muestras en particular dependen del tipo y del número de parámetros que se han de analizar, del método analítico y de las concentraciones esperadas de los constituyentes en el agua. El personal de laboratorio determinará el volumen de muestra requerido. Este volumen puede determinarse haciendo una lista de todos los parámetros que son conservados en la misma forma, totalizando el volumen necesario para la preparación y el análisis y multiplicando luego por dos para duplicar y por tres para triplicar los análisis. Se deben tener en cuenta los siguientes puntos: a) el recipiente de la muestra debe llenarse completamente, cuando sea importante evitar el contacto con el aire; b) el recipiente no debe llenarse completamente, cuando sea necesario batir rigurosamente las muestras antes del análisis; c) cuando se deban satisfacer ambos requerimientos, llenar completamente la botella, pero añadir unas piezas de un sólido inerte, limpio y esterilizado, como un anillo o reborde; d) cuando la muestra contenga partículas discretas, como materiales no disueltos, bacterias y algas, se necesitará un volumen de muestras mayor que el usual para minimizar errores. 17.3.3 Lista de control previa al trabajo sobre el terreno a) controlar y calibrar los instrumentos de medición (pH, conductancia, oxígeno disuelto, turbidez) y los termómetros; b) rellenar los surtidores de reactivos para la determinación de oxígeno disuelto, así como de reactivos para la preservación química; c) obtener soluciones amortiguadoras frescas. El valor del pH para los amortiguadores debe ser cercano a los valores esperados sobre el terreno; d) obtener una solución de KCL para pruebas de pH;
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e)
obtener mapas de carreteras, descripciones sobre la ubicación de la estación, láminas de muestreo, botellas de muestreo, etiquetas, muestreadores, reactivos de conservación, pipetas y manuales de los equipos; f) obtener material de escritura, cuerdas y una caja de herramientas; g) obtener cables eléctricos, si el equipo tiene un cargador de terreno; h) obtener agua destilada y cubiletes limpios para PH, formatos en blancos y mediciones de amortiguadores; i) obtener un aparato de filtración en el terreno si se requiere realizar filtración; j) obtener botellas esterilizadas y cavas de hielo, si se va a realizar un muestreo microbiológico. Se recomienda usar cavas de hielo para guardar las muestras; k) controlar el contenido del equipo de primeros auxilios. 17.4 Procedimientos de conservación y filtración sobre el terreno 17.4.1 Filtración Se recomienda la filtración de la muestra para separar las partículas disueltas. La centrifugación requiere de más equipo; la decantación o sedimentación requiere de más tiempo y ambos métodos no pueden ser fácilmente calibrados y pueden aumentar los riesgos de contaminación. La filtración debe llevarse a cabo sobre el terreno durante o inmediatamente después de la recolección de la muestra y debe seguir a continuación un adecuado procedimiento de conservación de muestras. La concentración total de metales se puede determinar usando una segunda muestra no filtrada recogida al mismo tiempo. Esta muestra sufrirá una digestión completa en el laboratorio que convierte los metales compuestos en solubles en agua. Las muestras que requieren análisis sobre constituyentes orgánicos, se filtran inmediatamente después de la recolección usando un filtro de fibra de vidrio o una membrana de metal. La muestra filtrada puede ser analizada en cuanto a los constituyentes orgánicos disueltos, y se puede disponer de la fracción de partículas atrapadas en el filtro para los análisis de partículas orgánicas. La absorción de sustancias disueltas en el material del filtro puede plantear serios problemas. Se han sugerido varios materiales para usarlos como filtros, por ejemplo: filtros orgánicos (policarbonato, acetato de celulosa) para sustancias minerales y filtros de fibra de vidrio para compuestos orgánicos. Los aparatos de filtración y los filtros requieren un tratamiento previo en laboratorio y deben ser lavados o curados con una porción de la muestra antes de que se realice la filtración, es decir descartando los primeros 150 a 200 mm filtrados. Debe usarse una bomba manual o eléctrica para crear el vacío en el aparato de filtración. Si se emplea una bomba eléctrica, durante la filtración se debe disponer un acceso a servicios eléctricos o a una unidad de energía móvil. El vacío puede causar cambios en el pH debido a la pérdida de dióxido de carbono, y provocar la precipitación de
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CAPÍTULO 17
algunos metales. Por esta razón y para reducir las pérdidas debido a la absorción en las paredes del contenedor, las muestras de metal son a menudo acidificadas. 17.4.2 Técnicas de conservación Desde el momento que transcurre la toma de una muestra sobre el terreno hasta el momento en que es analizada en el laboratorio, pueden ocurrir cambios físicos, químicos y bioquímicos. Por lo tanto, este tiempo debe ser reducido lo más posible, o debe practicarse la conservación de la muestra. Por diversas razones, no es posible realizar la conservación de las muestras, y las mediciones deben llevarse a cabo sobre el terreno. Aún cuando el constituyente sea razonablemente estable, en general es necesario conservar las muestras. Esto puede realizarse por varios procedimientos, como mantener las muestras en la oscuridad, adicionando conservantes químicos, bajando la temperatura para retardar las reacciones, congelando las muestras, extrayéndolas con diferentes solventes, usando una columna de cromatografía en campo, o mediante la combinación de estos métodos. Como se tiene poca experiencia en materia de la conservación de muestras de agua, cualquier recomendación debe ser considerada como provisional hasta que su eficiencia haya sido experimentalmente probada. 17.4.2.1 Contenedores El uso de contenedores apropiados es muy importante para conservar la integridad de la muestra. Las botellas de muestreo son proporcionadas generalmente por laboratorios analíticos. Los dos mejores tipos de materiales para un contenedor son el plástico y el vidrio. El vidrio de silicato de boro es inerte a la mayoría de los materiales y se recomienda cuando se requiere el uso de contenedores de vidrio, por ejemplo, cuando se recolectan muestras de compuestos orgánicos para ser analizadas. El polietileno no es caro y absorbe menos iones de metal. Se usa para muestras de constituyentes inorgánicos que serán analizadas, por ejemplo, iones principales y metales. Los contenedores de polietileno no deben usarse para muestras de traza orgánica, como pesticidas y algunas sustancias volátiles, que pueden difundirse a través de las paredes plásticas. Las muestras sensitivas a la luz requieren contenedores de vidrio opaco o no actínico. Las botellas de boca estrecha con tapones de vidrio puntiagudos se usan para gases disueltos. Los contenedores para muestras microbiológicas deben ser esterilizados, mediante una autoclave o con óxido de etileno. Las tapas de las botellas son una fuente potencial de problemas. Los tapones de vidrio pueden adherirse, particularmente con muestras alcalinas. Las tapas forradas, salvo las que son revestidas de teflón, pueden introducir contaminantes o absorber trazas de muestras.
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Mientras más pequeña sea la concentración en la muestra de las especies que se han de analizar más importantes van a ser esos aspectos. Muchas publicaciones contienen recomendaciones sobre el tipo de contenedor que debe usarse para cada caso particular. 17.4.2.2 Adición de conservantes químicos Este método es usado para la mayoría de los metales disueltos y los herbicidas de ácido fenólico. Algunas muestras para análisis biológicos también requieren de conservación química. Como regla general, es preferible usar soluciones relativamente concentradas de agentes conservantes. Las correcciones para la dilución de la muestra por el volumen pequeño de agentes conservantes será entonces pequeña o insignificante. La interferencia potencial del conservante con el análisis requiere que los procedimientos sean seguidos cuidadosamente. Por ejemplo, un ácido puede alterar la distribución de materias en suspensión y puede llevar a la disolución de partículas metálicas y coloidales. Así, el orden de filtración primero y luego la acidificación, son muy importantes. 17.4.2.3 Congelación La congelación es posible para ciertos análisis, pero no es una técnica general de conservación porque puede causar cambios físicoquímicos, por ejemplo la formación de precipitados y pérdida de gases disueltos que pueden afectar la composición de la muestra. Asimismo, los componentes sólidos de la muestra cambian con la congelación y la descongelación, y un retorno al equilibrio seguido por una homogenización de alta velocidad puede ser necesario antes de realizar cualquier análisis. No se deben congelar nunca las muestras de agua en botellas de vidrio. 17.4.2.4 Refrigeración La refrigeración a 4°C o en hielo es una técnica de conservación muy corriente. Esta técnica tiene la ventaja de que ninguna sustancia es añadida a la muestra que pudiera interferir con los futuros análisis. Sin embargo, con esta técnica no se mantiene la completa integridad de todos los constituyentes. En algunos casos, puede afectar la solubilidad de algunos constituyentes y causar su precipitación. La refrigeración se usa a menudo con la adición de reactivos químicos. Cuando los contenedores de vidrio se llenan hasta el borde, deben ser almacenados a baja temperatura, por debajo de 4°C, para evitar altas presiones debido a la expansión durante el calentamiento. 17.4.2.5 Aspectos prácticos de la conservación Un aspecto práctico importante de la conservación es seguir un procedimiento riguroso para que todas las muestras reciban el tratamiento inmediato que necesitan.
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Esto es particularmente importante cuando se adiciona un conservante químico, debido a que esas adiciones puede que no produzcan un cambio fácilmente detectable en la apariencia de la muestra. Se aconseja marcar cada muestra conservada para asegurar que ninguna sea olvidada o tratada más de una vez. La adición segura y exacta sobre el terreno de conservantes químicos también requiere de precauciones especiales. Las pipetas automáticas y precalibradas garantizan la adición exactas, así como también eliminan el riesgo de aspirar ácidos con la boca. Es conveniente, a menudo, adicionar el conservante en el laboratorio antes de que los contenedores de muestreo sean llevados sobre el terreno. Otra posibilidad es usar frascos codificados con colores o con etiquetas, y sellados que contengan agentes conservantes previamente medidos. Aunque es más caro, este método tiene la ventaja de simplificar el procedimiento sobre el terreno y disminuir la posibilidad de error y contaminación 17.5 Mediciones sobre el terreno 17.5.1 Control automático Un tipo de control requiere que el agua sea bombeada y que las mediciones se realicen en la orilla. Otros instrumentos usan probetas sumergidas en el agua y hacen las mediciones in situ. Un tipo más reciente es un instrumento que funciona con baterías, que puede utilizado hasta 300 metros por debajo de la superficie. Los parámetros que se pueden medir automáticamente en la actualidad son el pH, la temperatura, la conductancia específica, la turbidez, el oxígeno disuelto, el cloro, el potencial redox, el nivel, la intensidad de la luz solar y la absorbencia ultravioleta. 17.5.2 Parámetros medidos sobre el terreno La conductividad, el pH, el oxígeno disuelto, la temperatura, la turbidez, el color y la transparencia pueden cambiar con el almacenamiento de la muestra y deben por lo tanto ser medidos sobre el terreno lo antes posible después que se tome la muestra. La persona que recoge las muestras debe observar y detectar cualquier rasgo extraño en la masa de agua que está siendo muestreada o cualquier cambio que se presente en comparación con períodos de muestreo previos. Estas observaciones cualitativas podrían incluir un color u olor inusual, capas o películas superficiales y objetos flotantes. Se debe tomar nota de cualquier condición ambiental especial, como lluvia, vientos fuertes, tormentas o rompimiento de hielos. 17.5.2.1 Medición del pH En aguas naturales no contaminadas, el pH es en gran parte controlado por un balance entre el dióxido de carbono, carbonatos e iones de bicarbonato. La concentración del dióxido de carbono puede ser alterada por intercambios en la interfase aire-agua y por los procesos de fotosíntesis y descomposición.
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Los cambios en el pH son causados por la lluvia ácida, por los desechos industriales, por el drenaje de la minería o por el lavado de minerales. El pH es un criterio importante de la calidad del agua, porque limita la posibilidad de vida acuática y muchos de los usos del agua. Lo mejor es que el pH sea determinado in situ. El método preferido de medición es el electrométrico debido a su facilidad y exactitud. El pH es proporcional a la fuerza electromotriz o al potencial eléctrico entre un electrodo de membrana de vidrio sensible al hidrógeno, sumergido en la muestra, y un electrodo de referencia. En el mercado existen muchos medidores de pH portátiles de batería. El investigador debe seleccionar el que mejor se ajuste a la situación. Se prefieren los medidores digitales porque los medidores análogos (es decir, los indicadores en una escala) resultan a veces difíciles de leer mientras se realiza la medición in situ, por ejemplo en un bote sobre aguas turbulentas. El pH puede también determinarse colorimétricamente, usando indicadores de pH y amortiguadores patrones para la comparación visual o colorimétrica. Este método es generalmente menos exacto que los métodos electrométricos y está limitado a aguas con un bajo contenido de sustancias colorantes y con baja turbidez. Sobre el terreno, el instrumento debe ser recalibrado antes de cada lectura con soluciones amortiguadoras apropiadas y de acuerdo con las instrucciones del manual de funcionamiento. Se deben sumergir las botellas de las soluciones amortiguadoras y de los electrodos, para ajustar la temperatura en la muestra de agua. Se debe tener mucho cuidado para evitar que el agua ingrese en las botellas de los amortiguadores o que llene la abertura del electrodo de referencia. Un procedimiento equivalente es medir la temperatura del amortiguador, para calibrar el medidor y así reajustar la temperatura de compensación con la temperatura de la muestra. Si los electrodos no han sido usados recientemente o se les ha dejado secar por varios días, necesitarán de 10 a 20 minutos para estabilizarse. Se debe proteger el medidor contra temperaturas extremas durante la medición porque éstas afectan la estabilidad del sistema electrónico y la exactitud de la medición. Si los electrodos se han almacenado secos durante un largo período, la membrana de vidrio debe remojarse en una solución de 3 mol/l de KCl durante 12 a 24 horas antes de usarse. Los medidores deben tener un recipiente para almacenar las sondas que deben llenarse con electrolitos. Los electrodos de vidrio que no han sido acondicionados antes de usarlos podrían no estabilizarse propiamente y requerir una recalibración frecuente. Si el medidor de pH muestra una desviación y la sonda ha sido almacenada y acondicionada, la sonda podría ser llenada con 3 mol/l adicionales de solución de KCl. El problema más frecuente que puede causar un conjunto combinado de electrodos es una obstrucción en el diafragma. Si esto ocurre, como lo indica una
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desviación persistente, se debe remojar el electrodo en hidróxido de amonio. Como cualquier pieza del equipo, la sonda debe protegerse todo el tiempo del polvo, de las temperaturas de congelación, y del manejo brusco. 17.5.2.2 Medición de la conductividad La mayoría de sales inorgánicas, ácidos y bases se separan o dividen en iones dentro del agua. Muchas sustancias orgánicas se dividen muy poco o nada. A pesar de que no se refieren a una sustancia en particular, los cambios en la conductividad pueden indicar intrusión salina y otras fuentes de contaminación. La relación entre la conductividad y la concentración de sólidos disueltos es usualmente lineal para la mayoría de las aguas naturales. Las variaciones en esta relación indican cambios en las proporciones de diferentes sales y por lo tanto en las fuentes de sustancias disueltas que ingresan a la masa de agua. Es preferible realizar mediciones de conductividad in situ. La conductividad depende de la temperatura. Si la medición no tiene en cuenta automáticamente el efecto de la temperatura, ésta debe registrarse en el momento de la medición. El instrumento debe ser recalibrado sobre el terreno antes de cada lectura. Se deben usar soluciones patrones de KCl, con la conductancia más cercana a los valores esperados sobre el terreno. No se debe usar la misma muestra de agua en la que se haya medido el pH para medir la conductancia específica, ya que el KCl se difunde con el electrodo del pH. Debe enjuagarse el contenedor de muestras y la sonda varias veces con la muestra de agua. El equipo para la medición de la conductividad debe recibir el mismo cuidado y mantenimiento requerido por todos los instrumentos sensibles. Las lecturas exactas requieren que el medidor esté protegido de la suciedad, de las sacudidas y de las temperaturas de congelación. La exactitud de la medición dependerá del tipo de instrumento, de la manera en la que se haya calibrado y del valor de la conductividad real de la muestra. Si se tiene el cuidado necesario para seleccionar y calibrar el instrumento, una incertidumbre de ±5 por ciento de la escala completa será posible sobre una escala de temperaturas de 0° a 40°C, con una compensación automática de temperatura. Por esta razón, se debe seleccionar el instrumento teniendo una idea de la posible gama de conductividad de las muestras que se van a examinar. Por ejemplo, la conductividad de las aguas continentales será de 0,01 a 0,02 µS m-1, y sería imprudente usar un instrumento que haya sido diseñado para usarlo en condiciones salinas de 2,5 a 3,0 µS m-1. 17.5.2.3 Medición del oxígeno disuelto La concentración de oxígeno disuelto es importante para evaluar la calidad del agua superficial y para el control del proceso de tratamiento de desechos.
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El oxígeno disuelto (OD) debe medirse in situ ya que las concentraciones pueden cambiar en un corto tiempo si la muestra no es adecuadamente conservada. Aun cuando la muestra sea conservada, se recomienda realizar el análisis dentro de las tres a seis horas después de tomar la muestra. Las concentraciones de oxígeno disuelto pueden determinarse directamente con un medidor de OD o por un método químico, como el análisis de Winkler. Para la realización de mediciones muy exactas, se debe considerar el método potenciométrico. Se deben recoger tres muestras de agua con un muestreador de oxígeno disuelto (sección 17.2.3.2) y medir la concentración de oxígeno disuelto de las muestras, usando un medidor de oxígeno disuelto o el análisis químico de Winkler. El valor de OD registrado será el promedio de por lo menos dos lecturas con una diferencia de 0,5 mg/l cada una. Los medidores de oxígeno disuelto funcionan de acuerdo con dos principios: el polarográfico o el potenciométrico. Los instrumentos responden a la actividad del oxígeno, no a su concentración. De este modo, el agua dulce saturada con oxígeno da la misma lectura que el agua salada saturada con oxígeno a la misma presión y temperatura, aunque la solubilidad del oxígeno en agua salada es menor. Los procesos sólo dependen de la temperatura y la mayoría de los instrumentos incluyen métodos por compensación de temperatura. Los medidores pueden usarse en condiciones que interfieren con los métodos yodométricos (por ejemplo, el análisis de Winkler), como es el caso de las muestras muy coloreadas o turbias o que contienen sustancias fácilmente oxidables u otras substancias interferentes, como el sulfito, el tiosulfato, el politionato, el mercaptano o el cloro libre. Este método también puede usarse para dar un registro continuo si es necesario y puede ser usado junto con las mediciones de DBO. El método de análisis de Winkler puede usarse para determinar con alta precisión las concentraciones de oxígeno disuelto sobre el terreno o en el laboratorio. Existen numerosas modificaciones de este método yodométrico, en particular con el ácido de Alsterberg, que previene la interferencia por iones de nitrito. El método de Hach se usa para determinar sobre el terreno las concentraciones de oxígeno disuelto. Este método comprende las mismas reacciones químicas de titrato que el método de Winkler. Los reactivos, salvo la solución de titrato, están contenidos en dosis preparadas con anterioridad en forma de “almohadas de polvo” (powder pillow). Este método puede usarse cuando los resultados estén dentro de ±0,5 a 1,0 mg l-1 del valor real, suficiente para los objetivos de un estudio. Es posible obtener una exactitud inferior al uno por ciento de la escala completa. Sin embargo, es más realista esperar un error de tres por ciento para una variación de temperatura de 10°C. Por lo general, si la muestra tiene una concentración relativamente alta de oxígeno disuelto, la exactitud es adecuada pero en
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CAPÍTULO 17
algunos casos donde la concentración de oxígeno disuelto es muy pequeña es importante usar una sonda nueva y cuidadosamente calibrada. 17.5.2.4 Medición de la temperatura Las mediciones de temperatura pueden tomarse con una gran variedad de termómetros. Estos incluyen los termómetros de alcohol-tolueno, de mercurio, de listón bimetálicos o eléctricos. Entre estos últimos se incluyen los termopares o variedades menos portátiles, como los termistores, los de cuarzo y los termómetros de resistencia. Algunos instrumentos, como los usados para medir el oxígeno disuelto y la conductancia específica, pueden también medir la temperatura. Si se usa un termómetro, se debe enjuagar con una porción de la muestra de agua. Para realizar la lectura, sumergir el termómetro en la muestra durante aproximadamente un minuto o hasta que la lectura se estabilice. No se debe colocar el termómetro en ninguna de las botellas con las muestras que se llevan al laboratorio. Registrar el valor en grados celsius en la libreta de terreno. Por lo general, la exactitud de las mediciones de la temperatura del agua no debe exceder de 0,1°C. Sin embargo, en muchas circunstancias, se puede tolerar una incertidumbre de 0,5°C y en muchos casos los datos estadísticos de temperatura se redondean al grado centígrado más cercano. De este modo, es importante especificar los requerimientos operacionales para seleccionar el termómetro más adecuado. 17.5.2.5 Medición de la turbiedad La turbiedad es una medición óptica de sedimentos suspendidos como arcilla, limo, materia orgánico, plancton y organismos microscópicos en una muestra de agua. La turbiedad afecta a todos los usos del agua y adiciona costos a su tratamiento. Siempre que sea posible, la turbiedad debe medirse in situ. La turbiedad puede medirse por métodos visuales (en unidades de turbiedad Jackson o UTJ), o por los métodos nefelométricos (en unidades de turbidez nefelométricas o UTN). Para usar el turbidímetro de bujía Jackson, la distancia a través de la suspensión en la cual la salida de la bujía normal llega a ser indistinta es comparada con suspensiones normalizadas. Se prefieren los métodos nefelométricos debido a su gran precisión, sensibilidad y aplicación en una amplia gama de valores de la turbiedad. Con estos métodos se mide la dispersión de la luz debida a las partículas suspendidas. Sin embargo, los instrumentos de diseño diferente pueden dar diferentes resultados para la misma muestra. El color en la muestra puede causar errores, así como también las variaciones en la fuente de luz. Se pueden minimizar ambos problemas usando un instrumento que mida simultáneamente la luz transmitida y la luz dispersada, con destellos de luz transmitidos y dispersados transversalmente en la misma longitud del tramo.
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Para utilizar un turbidímetro, deben prepararse curvas de calibración para cada escala del instrumento usando soluciones patrones apropiadas. Se deben hacer pruebas, al menos de una muestra patrón en cada escala, para asegurar que el turbidímetro da lecturas estables en todas las gamas de sensibilidad. Se debe agitar la muestra vigorosamente antes del análisis. Las lecturas deben realizarse siempre después de un mismo período de tiempo que sigue a la homogenización de la muestra (por ejemplo, 10 segundos) para asegurar datos uniformes. Es importante verter la muestra rápidamente y medir su turbiedad por triplicado. La eficiencia de un turbidímetro dependerá de la frecuencia de la calibración con soluciones normalizadas de formazina y de la manera de utilizar el instrumento. De manera general, los nefelómetros usados en laboratorio deben dar errores inferiores a ±1 unidad de turbiedad de formazina (UTF) en la gama de 0 a 10 UTF, y hasta ±5 UTF en el intervalo de 0 a 100 UTF a un intervalo de confianza de 95 por ciento. La incertidumbre de los medidores de absorción varía considerablemente, pero debe alcanzar al menos ±10 por ciento en toda la escala para cualquier intervalo de turbiedad. En la práctica, el rendimiento de los turbidímetros depende, en gran parte, de su configuración óptica y, en el caso de instrumentos que aceptan muestras que fluyen y dan una lectura continua, de su capacidad para impedir obstrucciones de las superficies ópticas, debido tanto por el crecimiento de algas como por la acumulación de sedimentos, lo que en otro caso conduciría a una variación en la calibración y pérdida de sensibilidad. 17.5.2.6 Medición del color El color real se observa después de la filtración o centrifugación. El color resulta de la presencia de iones metálicos, de humus y materiales de turba, plancton y desechos industriales. El color es importante para el abastecimiento de agua potable, para el agua de lavado o de proceso, o para fines recreacionales. Los matices presentes generalmente en aguas naturales se pueden comparar con mezclas de ácido cloroplatínico y hexahidrato de cloro cobaltoso. Como este método no es adecuado para su uso en el terreno, el color puede obtenerse por comparación visual entre discos de vidrio de colores patrones y tubos llenos con el agua que se ha de analizar. Las aguas mezcladas con desechos industriales pueden ser tan diferentes de las mezclas de platino/cobalto que la comparación es inapropiada o imposible. En este caso, un filtro fotométrico puede ser suficiente, aunque sería preferible un espectómetro de doble rayo si la muestra puede ser llevada al laboratorio. 17.5.2.7 Medición de la transparencia La transparencia del agua es determinada por su color y turbidez. Una medición de transparencia puede ser obtenida de la profundidad, en metros, en la cual un disco de
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CAPÍTULO 17
20 a 30 cm de diámetro, llamado disco de Secchi y usualmente pintado en cuadrantes negros y blancos, desaparece cuando se baja lenta y verticalmente dentro del agua. A veces se usa, en lugar del disco, una figura patrón sobre papel blanco. La medición se realiza casi siempre en lagos u otras masas de agua profunda y se utiliza en la evaluación de las condiciones biológicas. 17.5.2.8 Resumen general de los procedimientos sobre el terreno Se debe seguir un procedimiento en cada estación de muestreo, indiferentemente de los parámetros específicos de interés. A continuación se da un resumen general de los procedimientos que deben seguirse en cada estación: a) calibrar los medidores; b) normalizar el tiosulfato de sodio cuando se use el método de Winkler para oxígeno disuelto; c) medir sobre el terreno o in situ el pH, la conductividad, el oxígeno disuelto, la temperatura y la turbidez; d) enjuagar todas las botellas con agua muestreada salvo las que contienen conservantes o las usadas para el análisis de oxígeno disuelto y bacterial; e) recoger y conservar las muestras de acuerdo con las instrucciones del manual; f) completar la hoja de terreno correctamente, de acuerdo con las instrucciones del manual; g) colocar las botellas en contenedores apropiados para su transporte; h) marcar las cajas y completar las hojas de terreno con toda la información requerida. 17.6 Medición de la radioactividad 17.6.1 Fuentes de radioactividad del agua La radioactividad del agua puede ser natural o de origen antropogénico. Las fuentes naturales principales son las rocas que contienen minerales radioactivos y la radiación de los rayos cósmicos. Las fuentes principales de radioactividad producidas por el hombre son las minas de uranio, las industrias de energía nuclear, las pruebas de armas nucleares y las aplicaciones pacíficas de dispositivos y materiales nucleares. Los principales radioelementos introducidos naturalmente en el agua superficial y subterránea son el uranio, el radio-226, el radio-228, el radón, el potasio-40, el tritio y el carbono-14. Todos, a excepción de los dos últimos, se derivan de minerales radioactivos. En áreas donde los minerales radioactivos son abundantes, el uranio natural es el principal constituyente radioactivo presente en el agua. El tritio y el carbono-14 son producidos por la acción de neutrones de rayos cósmicos con el nitrógeno en la atmósfera superior. El tritio cae en forma de agua tritiada, y el radiocarbono es incorporado dentro del dióxido de carbono atmosférico. Ambos radioelementos son
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también producidos por pruebas de armas termonucleares. Asimismo, el tritio es un producto de activación, y desde 1970 la industria de energía nuclear han sido probablemente la más grande fuente de tritio. El estronio-90 y el cesio-137 son los principales radioisótopos en el agua producidos por el hombre. La radioactividad disuelta o en suspensión en el agua es controlada por el mismo mecanismo que afecta otros constituyentes en el ambiente geohidrológico. El comportamiento geoquímico de un elemento “hijo” es muy diferente al del “padre” radioactivo, aunque su ocurrencia, distribución y transporte pueden ser controladas por el “padre”. La Comisión Internacional de Protección Radiológica recomienda máximos para las cantidades admisibles de radioisótopos, de los cuales se derivan las concentraciones máximas en el agua. 17.6.2 Recolección y conservación de muestras Se pueden utilizar contenedores en teflón, polietileno o polipropileno. Éstos deben ser tratados previamente: se llenan con ácido nítrico concentrado durante un día, se lavan con detergente, y se enjuagan varias veces con agua destilada. El principal problema que se encuentra en la conservación de las muestras es la adsorción en las paredes del contenedor o en la materia suspendida. Las muestras se recolectan en botellas de cuatro litros. Para mantener los metales en solución y minimizar la adsorción, se adicionan dos milímetros de HCl concentrado por litro de muestra, o ácido nítrico a una concentración de uno por ciento, y luego se trasladan las botellas al laboratorio. Un procedimiento para medir la radioactividad es tomar muestras de agua mensualmente y analizar una muestra compuesta, mezclando en una botella separada 400 ml de cada muestra mensual. Si el nivel de radioactividad es muy superior al del medio ambiente, se analizan individualmente las muestras que constituyen la muestra compuesta para determinar la muestra que tiene el más alto de los niveles de radioactividad. El National Handbook of Recommended Methods for Water Data Acquisition [3] contiene instrucciones detalladas para el análisis de radioisótopos asociados con la calidad del agua, así como los contenedores y métodos de conservación recomendados. 17.7 Muestreo para análisis biológicos 17.7.1 Análisis microbiológico La presencia de bacterias coliformes fecales vivas indican un tratamiento inadecuado de las aguas servidas. La ausencia completa de coliformes y especialmente de coliformes fecales es obligatorio según la Organización Mundial de la Salud para cualquier suministro de agua potable. A veces se encuentran en el agua otros micro-
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Técnicas generales de conservación de muestras Análisis biológico — Los parámetros biológicos que han de estudiarse son, en general, numerosos y pueden variar de una especie a otra. Por este motivo, es imposible dar una lista exhaustiva de todas las precauciones que deben tomarse para conservar este tipo de muestras. Las indicaciones que figuran más abajo sólo se refieren, por lo tanto, a los parámetros generalmente estudiados para varios grupos de especies animales y vegetales. Cabe señalar que, antes de efectuar cualquier estudio detallado, se deben seleccionar los parámetros que han de estudiarse.
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Conteo e identificación PoG
Adición de etanol
Laboratorio
1 año
PoG
Laboratorio
1 año
Macrofitos
PoG
Perifiton
Po G opaco
Fitoplancton
Po G opaco
Zooplancton
PoG
Adición de formaldeido al 10% (m/m) , 3 g de borato de sodio y 50 ml de glicerol por litro Adición de formaldeido al 5% (m/m) Adición de formaldeido neutro al 5% (m/m) y almacenamiento en la oscuridad Adición de formaldeido neutro o mentolado al 5% (m/m) y almacenamiento en la oscuridad Adición de formaldeido al 5% (m/m) o lugol
Masa fresca y seca Macroinvertebrados bentónicos
Este análisis debe llevarse a cabo tan pronto como sea posible
Laboratorio Laboratorio
1 año
Laboratorio
6 meses
Laboratorio
No congelar a -20°C
CAPÍTULO 17
Macroinvertebrados bentónicos Peces
(continuación) Macrofitos
PoG
Refrigeración entre 2 y 5°C
Perifiton Fitoplancton Zooplancton Peces
Calosimetría Macroinvertebrados bentónicos
24 horas
El análisis debe realizarse tan pronto como sea posible y antes de 24 horas
En el sitio
PoG
Filtración y refrigeración entre 2 y 5°C Refrigeración a -20°C Refrigeración a -20°C Filtración y refrigeración a -20°C
Laboratorio
6 meses
Laboratorio Laboratorio Laboratorio
6 meses 6 meses 6 meses
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Masa de ceniza Macroinvertebrados bentónicos Macrofitos Perifiton Fitoplancton
En el sitio o en el laboratorio
PoG
Refrigeración entre 2 y 5°C y luego filtración y almacenamiento en un desecador
Laboratorio
24 h
El análisis debe realizarse tan pronto como sea posible y en todo caso dentro de 24 horas
PoG
Refrigeración entre 2 y 5°C
Laboratorio
36 h
Congelación -20°C
Laboratorio
36 h
El período de preservación variará de acuerdo al método de análisis
Fitoplancton Zooplancton Pruebas de toxicidad
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CAPÍTULO 17
organismos causantes de enfermedades humanas, por ejemplo el cólera y los agentes de la tifoidea, la salmonela, las seudomonas y ciertos animales unicelulares, como los que causan la amibiasis. Con el objeto de reflejar en forma precisa las condiciones microbiológicas en el momento de la recolección de la muestra, es muy importante que todas las muestras de agua tomadas para realizar análisis microbiológicos sean recolectadas tan asépticamente como sea posible. Las muestras microbiológicas son generalmente recolectadas en botellas estériles de vidrio de boca ancha de 200 a 500 ml o en botellas plásticas no tóxicas con tapa de rosca. Los contenedores de plástico deben controlarse para asegurar que no desprendan partículas microscópicas capaces de confundirse con algún tipo de bacteria. Los contenedores de metal y ciertos contenedores de goma pueden ejercer un efecto bacteriostático. Si los contenedores son de tapa, la tapa de la botella debe tener un revestimiento de goma de silicona para permitir su cierre hermético. Si son de tapón, la boca de la botella debe cubrirse con un papel rígido estéril, o con una hoja de aluminio asegurado con una cuerda o con una banda elástica. Siempre que sea posible, las muestras deben ser analizadas inmediatamente después de su recolección. Si las muestras no se pueden procesar de inmediato, deben almacenarse en la oscuridad, en hielo derretido. El almacenamiento en esas condiciones minimiza la multiplicación y problemas de extinción hasta 30 horas después de su recolección. Las muestras no deben congelarse. Si se sospecha que las muestras contienen concentraciones mayores a 0,01 mg l-1 de metales pesados, como cobre, níquel o zinc, sus efectos bacteriostáticos o bactericidas deben minimizarse añadiendo, por cada 125 ml de muestra, 0,3 ml de una solución al 15 por ciento de un agente separador, como el ácido etileno diaminetetracético (EDTA) [4]. El cloro residual no siempre se encuentra en aguas naturales, pero si así sucede, debe ser destruido mediante la adición de 0,1 ml de una solución al 10 por ciento de tiosulfato de sodio por cada 125 ml de muestra. 17.7.2 Organismos multicelulares Existen varias categorías de especies multicelulares que podrían ser analizadas por diferentes razones. Los peces, como la cúspide de la cadena alimenticia acuática, son indicadores de una variedad de condiciones de la calidad del agua, según la especie y la edad. Los macroinvertebrados bentónicos (organismos que viven sobre, o cerca del lecho y que son retenidos por un tamiz estándar) son indicadores de contaminación reciente debido a su baja movilidad y sensibilidad a la presión. Los perifitos son plantas sésiles, que crecen cercanas a la superficie y, los que crecen en la estera cercana son algunos de los productores primarios de materia orgánica acuática, particularmente
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en aguas poco profundas. Los macrofitos son plantas grandes, a menudo enraizadas, que cubren grandes áreas en aguas poco profundas y pueden interferir con la navegación y el uso recreativo de una masa de agua. El plancton es un conjunto de pequeñas plantas y animales que flotan libremente. El fitoplancton es, sobre todo, un grupo de algas cuyo crecimiento es una medida indirecta de, entre otras cosas, la concentración de nutrientes de constituyentes químicos. El zooplancton se encuentra en todas las profundidades, tanto en aguas tranquilas como en aguas de corriente. Muchos de estos organismos pueden obstaculizar el tratamiento del agua. Por ejemplo, las algas obstruyen los filtros, consumen el cloro, afectan desfavorablemente el olor y el sabor del agua, y algunas son tóxicas. Otras especies pueden ser portadoras de organismos que causan enfermedades, como los caracoles que llevan larvas de filaria o esquistosomas. Los peces pueden ser recolectados activamente, usando redes barrederas, rastreando, con pesca eléctrica, con químicos, y con cordel y anzuelo, o pasivamente, con redes de aleta, redes de trabas, redes de aro, y trampas. Los macroinvertebrados pueden ser muestreados cualitativamente por numerosos métodos, según el hábitat y otros parámetros. Existen dos métodos, además de las redes: los muestreadores de chapas múltiples y los muestreadores de cesta. Éstos se suspenden en un lugar por medio de boyas por períodos de cuatro a ocho semanas, y luego se suben con mucho cuidado a la superficie con una red interior para el desalojo de las muestras. El plancton se puede recolectar usando los muestreadores de agua descritos en la sección 17.2. Existen también muestreadores especialmente diseñados, como la trampa de plancton de Juday, la cual encierra alrededor de cinco litros de muestras a la profundidad deseada y filtra el plancton. Es algo costoso e inconveniente manejarlo desde un bote. El zooplancton requiere muestras grandes, y se puede emplear una red de nylon distribuida. El perifiton puede ser muestreado usando portaplacas ancladas o flotantes en el sitio durante al menos dos semanas. Para los macrofitos, se puede usar un rastrillo de jardín en aguas poco profundas, y dragas en aguas más profundas. Se pueden usar, desde un bote, un cuchillo cortante en el extremo de un palo largo o una simple rastra. Para algunos objetivos, es útil el aparato de aspiración autónoma sumergido. Se recomienda adicionar un tinte o materia colorante apropiada, como rosa bengala, en lugar de cualquier fijador. Últimamente, los animales conservados pueden ser recogidos por personal con menos estudios en biología porque el color les permite resaltar en contraste con el fondo. Las métodos recomendados para la conservación de las muestras de organismos multicelulares están incluidos en la tabla siguiente. Algunos profesionales prefieren utilizar el lugol más que el formaldeido para el perifiton y el plancton.
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17.8 Demanda bioquímica de oxígeno La descarga de materia orgánica contaminante en una masa de agua crea una acción de purificación natural a través del proceso de oxidación bioquímica. La oxidación bioquímica es un proceso microbial que utiliza las sustancias contaminantes como una fuente de carbón, mientras consume el oxígeno disuelto en el agua para la respiración. La tasa de purificación depende de muchas condiciones, incluida la temperatura y la naturaleza de la materia orgánica. La cantidad de oxígeno disuelto consumido por un cierto volumen de una muestra de agua, para los procesos de oxidación bioquímica durante un período de cinco días a 20° ha sido establecido como un método de medición de la calidad de la muestra, y es conocida como prueba de demanda bioquímica de oxígeno o DBO. La oxidación de ningún modo está completa en cinco días y para ciertos objetivos pueden usarse períodos de incubación más largos. El período de incubación puede ser indicado por un sufijo, por ejemplo, DBO5 o DBO20, y los resultados son expresados como miligramos de oxígeno por litro de muestra. La DBO se define como la cantidad total de oxígeno requerida por los microorganismos para oxidar materia orgánica descompuesta. La tasa de oxidación bioquímica es proporcional a la cantidad restante de materia orgánica inoxidada. De esta manera, la prueba de la DBO se usa para estimar la cantidad y la tasa de desoxigenación que se encontraría en un curso de agua o lago dentro del cual se descarga materia orgánica. Sin embargo, las predicciones de los efectos de tales descargas son más complicados y pueden implicar muchos otros factores no involucrados en la determinación de la DBO. Por ejemplo, la materia orgánica suspendida puede ser depositada en el lecho de un curso de agua, en una corriente que se mueve lentamente, justo aguas abajo de la fuente de la descarga, donde puede tener un efecto considerable sobre el contenido de oxígeno local disuelto. La presencia de bentos, de plantas enraizadas y de algas plantónicas también influe en el régimen de oxígeno disuelto diario. Puede ser muy difícil medir el DBO debido a la presencia de bacterias nitrificantes que oxida el amonio y los compuestos de nitrógeno orgánico en nitrito y nitrato. Los efluentes industriales pueden también plantear problemas debido a las altas concentraciones de contaminantes, porque pueden suprimir la oxidación bioquímica en el agua receptora en condiciones naturales. En estas circunstancias, la muestra debe ser diluida con agua pura e “inoculada” con efluentes de aguas servidas que contengan los microorganismos activos requeridos para comenzar el proceso de oxidación bioquímica. Las técnicas de preparación de muestras especiales deben ser desarrolladas para tratar la muestra que se examinará. 17.8.1 Métodos de medición Se han desarrollado varios métodos para la medición de la DBO. El más usado es el método de dilución, pero las técnicas manométricas, si bien todavía se usan
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principalmente para la investigación, a veces pueden ser útiles, por ejemplo, en el control de efluentes de aguas servidas. En teoría, la muestra debe ser analizada inmediatamente después de ser extraída del efluente, curso de agua o lago. Si no es posible, la muestra debe ser mantenida a una temperatura de 3°C a 4°C para retardar los procesos de oxidación bioquímica. Si la DBO de una muestra es inferior a unos 7 mg l-1, será necesaria una dilución y/o inoculación apropiada de la muestra. Al final del período de prueba debe haber en la muestra un exceso de oxígeno disuelto para que el valor de la DBO sea válido. La DBO se obtiene de la medición de la dilución volumétrica de la muestra y la diferencia entre las concentraciones de oxígeno disuelto de la muestra (véase la sección 17.5.2.3), antes y después de un período de incubación de cinco días. Durante este período, se debe mantener una temperatura de 20°C, y se debe excluir el oxígeno atmosférico de la muestra, la cual debe mantenerse en la oscuridad para minimizar los efectos de la acción fotosintética de las plantas verdes. Sin embargo, el oxígeno consumido por la respiración de las algas es incluido en la prueba. Para muestras en las cuales pueda ocurrir una nitrificación durante la prueba, se añade alilotiourea (ATU) a la muestra antes de la incubación. En este caso, la aparente DBO resultante es indicativa de la materia carbonosa contaminada solamente. La tasa de oxidación bioquímica puede ser estimada sobre la base de la incubación de cinco muestras idénticas de DBO y midiendo el oxígeno disuelto en la primera botella el día 1, en la segunda botella el día 2, en la tercera botella el día 3, en la cuarta botella el día 4, y en la quinta el día 5. El logaritmo de la DBO debe trazarse en un gráfico en función del tiempo como una línea recta. La extrapolación de la línea recta para el tiempo final resulta directamente en una estimación de la DBO carbonosa final, la cual es una medición de la cantidad total de oxígeno requerido para oxidar la materia orgánica descompuesta. 17.8.2 Exactitud La prueba de DBO es más bien inexacta. Si se realiza un análisis estadístico de los resultados, se deben diluir e incubar varias muestras (e inocular, si es necesario) en idénticas condiciones, y se calcula un DBO promedio. Para alcanzar la mayor exactitud, se sugiere que la prueba manométrica reemplace al método de dilución. Se debe tener en cuenta que los dos métodos no son siempre directamente comparables [5]. El método manométrico puede dar una indicación de la oxidación biológica de una muestra en una período menor a cinco días.
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CAPÍTULO 17
Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1988: Manual on Water Quality Monitoring — Planning and Implementation of Sampling and Field Testing. Informe de hidrología operativa Nº 27, OMM–Nº 680, Ginebra. 2. Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente/Organización Mundial de la Salud/Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura/Organización Meteorológica Mundial, 1992: Global Environment Monitoring System (GEMS)/Water Operational Guide. Canada Centre for Inland Waters, Burlington, Ontario. 3. U.S. Geological Survey, 1984: National Handbook of Recommended Methods for Water Data Acquisition. Chapter 5: Chemical and physical quality of water and sediments. 4. Huibregtse, K. R. y Moser, J. H., 1976: Handbook for Sampling and Sample Preservation of Water and Wastewater. EPA600/4-76-049, Environmental Monitoring and Support Laboratory, Office of Research and Development, U.S. Environmental Protection Agency, Section 11.3.2. 5. Montgomery, H. A. C., 1967: The determination of biochemical oxygen demand by respirometric methods. Water Research, volumen 1, págs. 631.
CAPÍTULO 18 CONSIDERACIONES DE SEGURIDAD
18.1 Generalidades [A00] Las mediciones hidrológicas se realizan en condiciones muy variadas, muchas de las cuales son potencialmente peligrosas para el personal que las lleva a cabo. El conocimiento de los peligros y los medios por los cuales se pueden reducir son esenciales para el personal hidrológico. Varios organismos han publicado manuales de seguridad detallados e informativos. La familiarización con este material es altamente recomendada a todos los hidrólogos y técnicos. Cada país o Estado debe tener normas y prácticas de seguridad, así como también leyes y regulaciones de seguridad. Este capítulo abarca varias de las actividades cubiertas en esas reglamentaciones, y el personal debe estar familiarizado con ellas y tenerlas en cuenta cuando sean aplicables. Cada persona tiene la responsabilidad de sí mismo y de sus compañeros, de trabajar tan seguro como sea posible. Los organismos tienen la responsabilidad de promover la toma de conciencia de riesgos, de poner en práctica los procedimientos para minimizarlos y de ofrecer un nivel apropiado de equipos y formación de seguridad [1-4]. 18.2 Seguridad en estaciones registradoras 18.2.1 Acceso Es esencial la buena construcción de las escaleras de mano, veredas y peldaños para la seguridad en las orillas de ríos empinados. Estos elementos deben ser construidos para asegurar el acceso en clima húmedo y en la oscuridad. El acceso debe hacerse antes de iniciarse la construcción de la estación. 18.2.2 Plataformas Las plataformas altas y las pasarelas deben tener una superficie que no sea resbaladiza como, por ejemplo, una malla fina de alambre fijada sobre tablas de madera. Se deben instalar pasamanos 18.2.3 Pozos Algunas estaciones registradoras del nivel de agua tienen pozos profundos a los cuales hay que ingresar ocasionalmente para realizar su mantenimiento. Existe peligro
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CAPÍTULO 18
debido a la posibilidad de caídas y a la presencia de gases. Todos los pozos deben tener por lo menos una cuerda, una polea y un sistema de malacates instalado de manera que una persona pueda ser rescatada de la base del pozo. Las personas que descienden en pozos profundos, o donde se sospeche la existencia de gases, deben usar un aparejo de seguridad unido al sistema de rescate, con una o más personas en espera en lo alto del pozo. También podría ser útil un casco de seguridad. Se puede minimizar el riesgo de resbalar, teniendo escaleras de mano construidas apropiadamente y manteniendo todos los equipos en buenas condiciones. En un pozo pueden estar presentes una variedad de gases como el dióxido de carbono, el metano y el ácido sulfhídrico. Estos gases se producen por la descomposición de materia orgánica y pueden desplazar el aire, conduciendo a una deficiencia de oxígeno, así como a una toxicidad e inflamabilidad. Estos riesgos pueden ocurrir con concentraciones bastante bajas y las reacciones a los gases pueden ser tan rápidas, que una persona puede llegar a quedar inconsciente con sólo una o dos inhalaciones de gas tóxico. Las precauciones incluyen una ventilación apropiada en todos los pozos sobre los seis metros de profundidad, abriéndolos para una ventilación previa a la entrada, prohibiendo hacer llamas o fumar, usar el equipo de monitoreo de gas y el uso habitual de aparejos de seguridad y equipos de rescate. Se deben realizar todos los esfuerzos para excluir o remover materia orgánica de los pozos. 18.3 Precauciones cuando se trabaja desde puentes El principal riesgo al llevar a cabo mediciones o muestreos desde un puente es el paso del tráfico, o que el puente se incline sobre un lado por una fuerza o un peso excesivo al equipo suspendido. 18.3.1 Riesgos debidos al tráfico vehículos Los puentes con una vereda para peatones pueden proveer un buen margen de seguridad. En otras circunstancias, es imperativo advertir al tráfico automotor con señales adecuadas o, si es posible, con luces intermitentes. El personal debe vestir ropa fluorescente o brillante, y pueden ser necesarios señaladores portátiles de tráfico para desviar el tráfico del área de trabajo. Si es necesario interferir en el tráfico, se deben tomar las disposiciones necesarias con las autoridades locales. 18.3.2 Riesgos debidos al equipo suspendido Los equipos potencialmente peligrosos, como las estructuras de aforo, son los que están propensos a inclinarse sobre un lado del puente, si el equipo suspendido llega a engancharse con escombros del río o con embarcaciones que pasen bajo el puente. Se debe tener especial cuidado con estos riesgos durante las crecientes.
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Las grúas o estructuras de aforo necesitan estar adecuadamente equilibradas o amarradas. Se deben calcular los momentos del deslizamiento de la canastilla o el vehículo montado en la grúa e incorporar tijeras en el equipo para prevenir, si es necesario, volcamientos. En aguas navegables se debe indicar la presencia de cables poniendo señales con banderas. 18.4 Precauciones durante el vadeo 18.4.1 Generalidades Cuando sea posible vadear corrientes, las mediciones hidrológicas pueden realizarse más fácil y directamente que por otros métodos. Sin embargo, llega a ser muy peligroso cuando la profundidad o la velocidad, o ambas, son excesivas. 18.4.2 Evaluación de la situación El personal debe tener cuidado y experiencia para decidir si el vadeo podría llevarse a cabo en una situación particular. La regla general es que no se puede hacer si el producto de la profundidad en metros y la velocidad en metros por segundo es superior a 1. Esto se verá también influenciado por el cuerpo de la persona y su vestimenta. Las botas de vadeo hacen más resistencia que las piernas desnudas. 18.4.3 Uso de chalecos salvavidas Generalmente se debe usar un chaleco salvavidas, correctamente abrochado y de una talla y diseño apropiado, en aguas de corriente, donde exista la posibilidad de ingresar al agua, o donde las condiciones pueden llegar a ser peligrosas. 18.4.4 Líneas de seguridad y líneas indicadoras Cuando se hacen mediciones de caudales, puede ser útil como apoyo, una cuerda o línea tendida a través del río. Puede también servir para medir de distancias y debe estar firmemente anclada a ambos extremos para sostener el peso de una persona contra la corriente del río. 18.4.5 Técnica de vadeo Se debe seleccionar una sección transversal con profundidades, velocidades, y material del lecho aceptables, planificar una ruta diagonalmente aguas abajo, y caminar a través de ella con pasos cortos, viendo la orilla opuesta y de lado a la corriente. Puede ser útil usar una barra de molinete (sin molinete) en el lado aguas arriba para probar la profundidad y tener un soporte. Es preferible bracear contra la corriente, mantener la calma y no precipitarse. Si el cruce llega a ser demasiado difícil, la persona se debe retirar, dando pasos hacia atrás hasta que sea posible voltearse, y quizás tratar con un cruce más fácil.
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18.4.6 En caso de accidente Si una persona es arrastrada aguas abajo, debe dejarse llevar por la corriente, adelantarse hacia la orilla; impulsándose con los brazos extendidos y empujándose con los pies. Si el lecho es rocoso, debe evitar la reacción natural de poner los pies abajo ya que pueden ser atrapados entre las rocas. Si esto ocurre, la corriente puede empujar fácilmente a una persona bajo el agua con resultados fatales. Si el agua es profunda y si es necesario nadar cierta distancia, la persona se debe quitar las botas de vadeo. Lo mejor es ponérselas en la cadera y tirar los pies hacia fuera uno por uno. Se debe evitar voltearlas y abstenerse de realizar esta operación donde el agua sea poco profunda y las botas pudieran llegar a obstaculizar. Los tirantes de las botas de vadeo deben amarrarse de forma que puedan ser fácilmente desatados. Es posible atrapar aire en las botas de vadeo de modo que ayuden a flotar, con un cinturón firmemente abrochado alrededor de la cintura o tomando rápidamente una posición de flote sobre la espalda con las rodillas estiradas hacia arriba. 18.4.7 Responsabilidad El personal no debe ser obligado a vadear corrientes en situaciones donde se sientan inseguros. La experiencia y la confianza son factores importantes, pero se deben moderar con cierta prudencia. Precauciones cuando se trabaja desde embarcaciones 18.5 18.5.1 Generalidades Varios tipos de embarcaciones se usan con fines hidrológicos, teniendo cada uno sus propias condiciones de seguridad. Éstas siempre se deben observar, ya que navegar es inherentemente peligroso. El operador del barco debe estar familiarizado con todos los procedimientos de funcionamiento y emergencia, así como con todas las regulaciones que gobiernan las operaciones previstas. La embarcación debe estar en buen estado, ser adecuada para las condiciones que puedan encontrarse y no debe ser sobrecargada. 18.5.2 Chalecos salvavidas y equipo de seguridad Los chalecos salvavidas deben usarse todo el tiempo en embarcaciones pequeñas; en embarcaciones grandes deben haber suficientes chalecos salvavidas a bordo para todos los pasajeros y la tripulación. Cada embarcación debe tener un inventario completo de equipos de seguridad que sea apropiado al tipo de embarcación y a las condiciones a las que debe enfrentarse. Estos artículos pueden incluir todos o algunos de los siguientes: balsa salvavidas, bengalas, cinturones de seguridad, achicador, bombas de sentina, guarniciones y equipo de supervivencia. Un equipo de radiocomunicaciones apropiado debe instalarse donde sea práctico. Cada bote debe tener una cuerda atada a la proa para amarres y maniobras, así como también una ancla adecuada y cuerda suficiente
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para las condiciones del lecho y las profundidades que puedan encontrarse. Se debe tener a bordo un motor de potencia auxiliar y combustible cuando sea práctico. 18.5.3 Uso de cables de maniobra La líneas de medición o cables de maniobra se usan con frecuencia para la medición de la distancia a través de un río. Deben ser de un tamaño y de un tipo de material adecuados para que no se rompa y para sostener las banderas necesarias. Sin embargo, mientras más ligero sea el cable, menor tensión se necesitará en su aparejo, y de esta manera las maniobras serán mas fáciles y seguras. Otros cables pueden ser instalados para anclar el bote en los puntos de medición deseados y los mismos factores se aplican a ellos. Según la corriente, será necesario usar cables más fuertes. Todas las líneas deben tener banderas con señales suficientemente coloreadas y brillantes a lo largo de aguas navegables, a intervalos que hagan a la línea muy evidente para los usuarios del río. El color solamente no va a ser una ayuda ya que muchas personas no distinguen los colores. Cuando sea posible, las embarcaciones que trabajan con esos alambres deben estar equipados con un faro de luz intermitente y brillante. Las autoridades locales y todos los probables usuarios deben ser informados sobre los riesgos que se corren. Esas líneas no deben dejarse sin vigilancia, y el personal en el sitio debe estar equipado con cortalambres para usarlos, a fin de prevenir un accidente. 18.5.4 Uso de botes neumáticos En ríos, se debe remar usando la técnica de barquear, deslizándose, avanzando diagonalmente aguas arriba dentro de la corriente. El remero está entonces mirando en la dirección de la corriente aguas abajo y puede salvar los obstáculos. El personal debe ser competente, los remos deben ser de una longitud adecuada (casi 1,5 veces el ancho entre escalameras) y se recomienda el seguro de las escalameras del tipo cerrado. Los botes neumáticos son relativamente seguros con su sustentación hidráulica empotrada. En caso de volcamiento, pueden ser enderezados ensartando la cuerda de proa alrededor de una escalamera, colocándose sobre el lado opuesto, y halando con fuerza la cuerda para voltearlo de nuevo. Los botes de aluminio son livianos, duraderos y fáciles de conducir. Su ligereza los hace propensos a ser soplados por el viento, por lo que son inadecuados en condiciones de viento. Si llegan a inundarse o sumergirse, dos personas pueden remover la mayor parte del agua abatiendo la popa hasta que la proa esté bien afuera del agua y entonces se eleva rápidamente la popa. Luego pueden ser achicados por una persona al costado. Cuando estén parcialmente vaciados, se puede abordar por la popa, mientras una segunda persona mantiene la proa hacia abajo, y se achica entonces el agua restante. Los botes de madera y de fibra de vidrio son demasiado pesados para esta técnica, pero pueden flotar más cuando se inundan, lo que permite el uso de un achicador.
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18.6 Precauciones cuando se utiliza un teleférico Antes de usar cualquier teleférico o cable transportador, se deben controlar las condiciones, buscando señales de movimiento del anclaje, pandeo alterado, vandalismo u otros daños en el cable, brandales, anclajes, herrajes del cable y en el funicular o canastilla. Los teleféricos tripulados normalmente requieren inspecciones periódicas y la emisión de un certificado de capacidad. El certificado debe actualizarse. Todo el personal que usa el teleférico debe saber que nunca se debe tocar el cable con la mano, que esté en movimiento o detenido, debido al peligro de ser atropellado por las ruedas del teleférico. Se debe usar un instrumento apropiado para arrastrar o halar. No se debe exceder la carga máxima de diseño del cable transportador, y se debe llevar una tenaza para cortar el cable de suspensión si llega a enredarse en el río. El cable debe ser cortado cerca del carrete y el personal debe sostenerse firmemente en la cabina durante el rebote. Los teleféricos no tripulados tiene generalmente malacates manuales o de motor en la orilla, y necesitan que los trinquetes y frenos sean eficaces. Se debe amarrar o asegurar bien el pelo largo y la ropa holgada para evitar que sea atrapada por los malacates. Todos los cables y cuerdas deben ser instalados y usados con la debidas consideraciones de seguridad para el tráfico en el río y para aeronaves, particularmente helicópteros. Si procede, deben estar señalizados con marcas adecuadas, visibles y duraderas para indicar su presencia a los usuarios y pilotos. 18.7 Precauciones cuando se manejan equipos 18.7.1 Inspección Los alambres eléctricos aéreos son un peligro cuando se usan duelas de inspección, sobre todo las de metal. Las duelas deben tener signos de advertencia de este peligro, pegados en su reverso, al nivel de los ojos. 18.7.2 Sierra de cadenas Los operadores deben usar ropa adecuadamente ajustada y equipos de seguridad incluidos cascos, protector de oídos, protector de ojos y botas de trabajo fuertes con un recubrimiento de acero en el pie. La sierra debe ponerse en funcionamiento mientras se sostiene sobre el terreno y el corte debe realizarse en una posición firme, libre de obstrucciones y de otras personas, y con una salida segura de la madera que cae y de las ramas que ruedan. Puede ocurrir un contragolpe cuando la cadena choca con un obstáculo; puede rebotar lejos más rápido que el tiempo de reacción del operador y éste puede perder su agarre. En estas situaciones, es frecuente que se produzca un desgarre de la mano izquierda del operador. Con el objeto de reducir la probabilidad de que este tipo de accidente, los operadores deben mantener un agarre firme con la muñeca recta y una buena posición, cortar con revoluciones picos y mantener la nariz de la sierra lejos de obstrucciones.
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18.7.3 Equipo eléctrico Todos los equipos eléctricos usados al aire libre o en condiciones de humedad deben tener la potencia de un transformador aislado o de un dispositivo de corriente de contacto de dispersión en tierra. Todas las sondas eléctricas deben ser protegidas para prevenir daños por abrasión o por el contacto con el agua. Las sondas deben ser mantenidas en buenas condiciones, y cualquier conexión raída o dañada debe ser convenientemente reparada. Los circuitos no deben sobrecargarse y las reparaciones deben ser hechas por electricistas calificados. 18.7.4 Herramientas mecánicas Las herramientas mecánicas se deben usar solamente para los fines a las que son destinadas y siempre de acuerdo a las especificaciones del fabricante. El personal debe estar adecuadamente instruido en el uso de estos instrumentos. El uso de algunas herramientas pueden requerir de autorizaciones por parte las organizaciones gubernamentales. Se deben usar siempre lentes de seguridad con todos los equipos cortantes, perforadores o amoladores. 18.7.5 Ropa protectora y equipo de seguridad Al personal se le debe suplir con todos los artículos de protección y seguridad requeridos por las condiciones y el equipo que vayan a usar. 18.7.6 Productos radioactivos Algunos artículos, como los medidores de la humedad del suelo y los instrumentos geofísicos, incorporan fuentes radioactivas. Estos instrumentos deben estar apropiadamente marcados y deben ser manejados y almacenados con especial cuidado de acuerdo con las regulaciones pertinentes. La radiación emitida por una fuente puede ser peligrosa para la salud. El material radioactivo estará en general sellado dentro de una bola de acero inoxidable. Como parte del equipo, esta bola estará usualmente rodeada por un material, como plástico, acero o plomo para absorber la radiación. Se debe asegurar que la fuente esté dentro de este material absorbente cuando el equipo no se use. No se debe manipular la bola en ninguna circunstancia. Si es necesario moverla, se deben usar tenazas largas o un equipo similar. Mantener una buena distancia es normalmente una protección adecuada. Con algunas fuentes, solamente ocurren exposiciones importantes cuando se está más cerca de 10 cm de ellas. Otras requieren distancias más considerables que ésta. Es imperativo que el personal determine el tipo y otros detalles de la fuente que será usada y que se familiaricen con los procedimientos e instrucciones recomendados para esa fuente. Todas las instrucciones, procedimientos y regulaciones deben ser rigurosamente seguidas y el equipo debe ser manipulado con extremo cuidado en todo momento.
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18.7.7 Precauciones en el monitoreo de aguas subterráneas Las bombas y el equipo elevador por aire para muestreo, prueba, o desarrollo de pozos deben usarse de acuerdo con los procedimientos de seguridad para estos tipos de equipo. Las prácticas de seguridad alrededor de los equipos de perforación son esenciales, y se deben consultar los manuales de prácticas de perforación. Se debe evitar la entrada a los pozos de grandes diámetros para muestrear debido a la posible presencia de gases, como se describió en la sección 18.2.3. Se deben usar aparejos de seguridad cuando se trabaje en pozos de grandes diámetros. 18.8 Precauciones cuando se manejan productos químicos Todos los productos químicos, como los usados para la conservación de muestras de agua, fluidos limpiadores, y trazadores, deben ser almacenados y manipulados con cuidado. Se debe evitar la inhalación de vapores o el contacto directo con la piel, los ojos y la ropa. Cualquier derramamiento debe limpiarse inmediatamente mediante la dilución en grandes cantidades de agua, la neutralización o la limpieza del agente químico seguida por la evacuación del material. Se deben tener disponibles para este propósito guantes, delantal y materiales de limpieza adecuados. No se debe pipetear oralmente, excepto cuando el agua potable sea la única substancia que se usa. La piel que haya estado en contacto con ácidos, bases, u otras sustancias corrosivas debe lavarse inmediatamente con abundante agua. Se debe usar una solución neutralizante cuando proceda, seguida de una segunda lavada con agua y jabón. Si algún producto químico llega a penetrar en los ojos, se deben enjuagar inmediatamente con abundante agua. Se debe enjuagar alrededor de los ojos también. Es necesario mantener los ojos abiertos durante el proceso de lavado de los mismos. Continúe enjuagándose por varios minutos. Todos los ojos heridos deben ser tratados por un profesional. Se deben tomar precauciones ya que el agua puede contener una variedad de tóxicos o sustancias bacterialmente peligrosas. Éstas pueden proceder de una amplia gama de fuentes, como aguas servidas o descargas efluentes, percolación desde rellenos de tierras, filtraciones desde tanques de almacenamientos, lavados de tanques de atomizadores agrícolas, derrames químicos o de combustibles. Cualquier apariencia inusual, color, película, espuma, olor o vapor debe ser tratada como sospechosa y se deben tomar precauciones adecuadas. Muchas sustancias tóxicas pueden ingresar a través de la piel y, en el caso de vapores, a través de los pulmones. Las precauciones deben incluir guantes, overoles y delantales impermeables, sombreros y protección para los ojos. En presencia de vapores tóxicos, se debe trabajar solamente en áreas bien ventiladas o usar un aparato de respiración independiente. La comida debe mantenerse lejos de las muestras y de las estaciones de muestreo. Siempre lave sus manos perfectamente antes de manipular comida. Se debe prohibir fumar
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mientras se toman las muestras y cerca de las mismas. Si se espera que compuestos inflamables se encuentren presentes, mantenga lejos cualquier chispa o fuente de calor y guarde las muestras en refrigeradores especiales a prueba de explosiones. Cuando mida o recoja muestras de agua con altas concentraciones de sustancias tóxicas, como las percolaciones de rellenos de tierra, o con sospechas de radioactividad, se requieren procedimientos especiales y se deben consultar especialistas apropiados. 18.9 Precauciones especiales en condiciones de mucho frío 18.9.1 Hipotermia (exposición) La hipotermia es el descenso de la temperatura del cuerpo causada por la exposición al frío, que resulta en un rápido y progresivo colapso mental y físico. Su ataque es causado por temperaturas frías agravadas por ropas húmedas, viento, hambre y agotamiento. Con frecuencia ocurre en condiciones donde sus primeros síntomas no pueden ser reconocidos. Los primeros síntomas de la exposición pueden incluir señales de cansancio, frío y agotamiento, carencia de interés, letargo, tosquedad, dar traspiés, hablar comiéndose sílabas o letras y comportamiento irracional. Estos síntomas constituyen una emergencia médica y requieren una acción inmediata para prevenir una adicional pérdida de calor y afectar el recalentamiento. La víctima no puede quejarse y posiblemente niegue que exista algún problema. Los últimos síntomas, que indican una emergencia muy seria, incluyen una obvia angustia, una suspensión de los escalofríos a pesar del frío, colapso, e inconsciencia. El recalentamiento debe iniciarse inmediatamente cuando los síntomas llegan a ser evidentes. El cuerpo de la víctima quizá no podrá generar suficiente calor para lograrlo, y se debe aplicar gradualmente calor al torso, pero no a los brazos y extremidades. Al calentar las extremidades se incrementará la circulación de la sangre en esas partes más frías del cuerpo y se reducirá la temperatura del cuerpo aún más. Para realizar un recalentamiento se requiere un refugio, ropas secas, aislamiento (como un saco de dormir), y aplicación de calor a los órganos vitales del cuerpo. Esto puede aplicarse mediante el contacto del cuerpo de un compañero en la misma bolsa de dormir. No se debe aplicar alcohol, fricción, ni un rápido recalentamiento. Bebidas dulces calientes son valiosas, pero no para una persona inconsciente. En un refugio y con calor , los pacientes, con frecuencia, parecen recobrarse rápidamente, pero una reanudación de las condiciones de frío pueden llevarlos al colapso. Una recuperación total puede tomar hasta dos días. La hipotermia puede prevenirse con abrigos y ropas con una adecuado aislamiento y a prueba de vientos. Se deben evitar las condiciones prolongadas de humedad y tener comida y refugio disponible como, una tienda de campaña o un vivac.
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18.9.2 Congelación La exposición extrema al frío causa congelamiento de las partes exteriores o tejidos expuestos, como los dedos de los pies y las manos, orejas y nariz. Las partes afectadas llegan a entumecerse, se vuelven opacas tornándose blancas en color y cerosas en apariencia. La congelación superficial puede tratarse mediante la aplicación de una mano o de otras partes del cuerpo, sin fricción. No recaliente mediante el calor directo o frotando o aplicando alcohol. Las congelaciones más serias requieren de tratamiento médico. La prevención consiste en el uso de una adecuada protección en los pies, manos, rostro y oídos, evitando el uso de ropa o botas sumamente ajustadas, manteniendo las manos y los pies secos, y controlando constantemente cualquier signo de entumecimiento. El movimiento o retorcimiento constante de los dedos de los pies y las manos estimulan la circulación, lo cual es un remedio a corto plazo que debe seguirse con la reducción de la exposición al frío. 18.9.3 Trabajo sobre lagos y cursos de agua cubiertos de hielo Viajar y trabajar sobre hielo se debe realizar con gran precaución, manteniendo el peso a un mínimo. Si alguién pasa a través del hielo, es necesario que se agarre del hielo sólido, patee para mantener el cuerpo a flote, se arrastre hacia adelante sobre el estómago hasta que las caderas alcancen el hielo, y entonces haya un rápido y completo giro sobre el hielo. Se debe mantener rodando hasta que se encuentre seguro. Si el hielo es demasiado delgado para soportarlo, camine hacia la orilla partiendo el hielo con una mano mientras se sostiene con la otra. Los socorristas deben tratar de alcanzar a la víctima con una vara, tabla, o cuerda. El dirigirse hacia el borde del hielo se debe hacer solamente como un último recurso. Si esto es necesario, lleve una cuerda larga o deslícela a lo largo en una posición boca abajo. Si tiene una cuerda disponible, asegúrela a un objeto en la orilla. Seque y dele calor a la persona que había caído en el hielo tan pronto como sea posible para prevenir la hipotermia. Existe una gran riesgo involucrado al tomar mediciones a través del hielo. Realizar una perforación o abrir un hueco puede reducir significativamente la firmeza del hielo. El hielo en una corriente es probablemente de espesor variable y su consistencia no puede estimarse desde su aparente espesor cerca de los bordes. Las áreas con “rápidos” o con flujo turbulento, como los pilares de los puentes, tienen quizás un hielo más delgado debido al movimiento del agua. Mientras se avanza cruzando un curso de agua cubierto de hielo, es aconsejable probar el hielo con un cincel de hielo cada cierto tiempo. El hielo duro dará un sonido de repique y el hielo blando dará un sonido de golpe sordo o apagado. Cuando exista alguna duda, se debe emplear una cuerda de seguridad asegurada por un compañero en la orilla, con equipo de rescate adecuado.
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18.9.4 Trabajo en zonas montañosas El clima en las zonas montañosas puede cambiar rápidamente, causando problemas para el incauto o mal equipado. Mientras más frío sea el clima, mayores serán los posibles riesgos y mayor será la ropa, el aprovisionamiento y el equipo de seguridad requeridos. Se necesita que el personal sea experimentado o que esté con alguien que lo sea, y los planes de viaje del grupo deben ser conocidos por una persona apropiada, quien podría iniciar una asistencia en caso de que se haga necesaria. Se debe llevar y usar ropa impermeable, a prueba de viento, abrigada y adecuada, así como suficiente comida y equipo de supervivencia para las condiciones extremas. Si se trabaja desde un helicóptero, asegúrese de que cada persona tenga este equipo aunque baje sólo por un corto tiempo, ya que los nubarrones u otras condiciones pueden impedir su retorno. Nadie debe aventurarse sobre nieve dura sin una hacha de hielo, cuerda para trepar, dispositivos de ganchos y cadenas para escalar y sin saber utilizarlos. Es importante estar prevenido de las avalanchas, particularmente justo después de una nevada o de precipitaciones y estar consciente de las variadas causas de las condiciones de nieve inestable; se debe evitar viajar sobre o debajo de laderas empinadas. Al ser alcanzado en una avalancha, se deben hacer todos los esfuerzos para quedarse sobre el tope y evitar ser enterrado, cubriendo la nariz y la boca para prevenir la sofocación y, si la nieve cubre a la persona, ésta debe tratar de hacer un espacio de aire en frente de la cara y el pecho. 18.9.5 Supervivencia en aguas heladas La hipotermia será un resultado muy rápido de la inmersión en aguas heladas. Su ataque puede ser retardado quedándose inmóvil y teniendo suficiente ropa que lo proteja para reducir el movimiento del agua en contra del cuerpo con su correspondiente pérdida de calor. Generalmente ayuda el mantener la mayor parte posible del cuerpo fuera del agua, ya que la pérdida de calor se produce más rápidamente en el agua que en el aire a la misma temperatura. Es preferible mantener la cabeza fuera del agua y acercar las piernas al área de la ingle para reducir las pérdidas de calor. Un chaleco salvavidas es inestimable para ayudar en esta situación y también proporciona aislamiento a las principales partes del cuerpo. En el caso que se encuentre en esta situación un grupo de personas, éstas deben acurrucarse juntas, agarrándose una de la otra mirandose hacia la frente y con los lados de los pechos presionados juntos para reducir la pérdida de calor. Si existen niños, ellos deben mantenerse en el centro del grupo. El tratamiento comprende el recalentamiento de los órganos vitales del cuerpo antes de calentar los brazos y extremidades, como se describe en la sección 18.9.1.
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18.10 Precauciones especiales en condiciones de mucho calor 18.10.1 Insolación (hipertermia) La insolación es causada por la exposición a altas temperaturas, lo cual produce que la temperatura del cuerpo se eleve sobre los 40°C. La respuesta adversa al elevado calor varía según las personas y depende de su climatización, buena salud, y lo más importante: la hidratación del cuerpo. Con la insolación excesiva, el cuerpo pierde calor sobre todo por la evaporación del agua a través del sudor y la respiración. Si esta pérdida de agua no se recupera, los mecanismos de enfriamiento son inhibidos y el calor se reconstituye. Los síntomas incluyen dolor de cabeza, escalofríos, náuseas, pulso rápido, dolores en los músculos, pérdida de coordinación, y más grave, delirios y convulsiones. Si no es tratado, puede causar la muerte. El tratamiento involucra el inmediato enfriamiento colocando a la víctima en la sombra, quitándole la ropa, y rociándolo con agua mientras se abanica vigorosamente. Se le debe suministrar líquidos cuando esté totalmente consciente. Las precauciones incluyen el estar físicamente en buen estado, hacer ejercicios moderados, beber en cantidades moderadas regularmente y con frecuencia, evitar el alcohol y la cafeína, evitar trabajar en la parte más caliente del día, usar ropa de peso liviano, colores claros, tejidos sueltos, y un sombrero de ala ancha, adicionando sal extra a las comidas. 18.10.2 Quemaduras de sol La excesiva exposición al sol causa severas quemaduras, particularmente a la gente de piel delicada. Esto causa grandes dolores, daños a la piel y posiblemente insolación. La exposición prolongada a los rayos ultravioleta del sol pueden causar cáncer de piel, con los mayores riesgos para las personas de piel blanca. Las precauciones incluyen el uso de ropa que proteja y tener la cabeza cubierta. Se deben aplicar lociones de protección solar en la piel expuesta. La exposición al sol debe limitarse a cortos períodos cada día con incremento gradual para aumentar la tolerancia. 18.11 Viaje y transporte 18.11.1 Generalidades Los modos de viaje y transporte para el trabajo hidrológico son muchos y variados de acuerdo con la amplia gama de terrenos, climas y rutas viajadas. Los aspectos de seguridad al viajar, toman en cuenta todas las variaciones de estos factores, es un tópico, en sí mismo muy amplio y no limitado al trabajo hidrológico. Por consiguiente, este tópico se cubre en esta Guía en una forma muy breve y se aconseja a los hidrólogos buscar los manuales y las recomendaciones para las condiciones locales y los modos de viaje.
CONSIDERACIONES DE SEGURIDAD
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18.11.2 Helicópteros Sobre el terreno el ruido, el viento, y la urgencia asociada con los helicópteros tienden a encubrir los riesgos presentes debido al rotor principal y al de la cola; estas partes del aparato han matado y mutilado a mucha gente. No se debe aproximar o salir del helicóptero sin el conocimiento y aprobación del piloto, y esto debe realizarse dentro del campo visual del piloto. Se debe siempre agachar para alejarse del rotor principal y para tener un máximo espacio libre en esta área y nunca se debe caminar alrededor de la cola. El personal debe mantenerse lejos de la zona de aterrizaje y mantenerlo libre de equipo. Todo el equipo y los artículos sueltos deben mantenerse alejados de los efectos del movimiento del rotor o fijos. Los objetos grandes como las duelas de medición, deben llevarse horizontalmente, a la altura de la cintura, para evitar el contacto con los rotores. El aeroplano debe cargarse bajo la supervisión del piloto, cuya atención debe ser principalmente para la carga peligrosa, como baterías y combustible. Los teleféricos y los cables aéreos son particularmente peligrosos para las operaciones del helicóptero y el personal debe mantener al piloto enterado de cualquier conocimiento que se tenga de la existencia de alguno de ellos en la ruta y asistirlo en la búsqueda de los mismos. 18.11.3 Vehículos de motor En muchos trabajos hidrológicos, los viajes frecuentemente se realizan en vehículos de motor, los cuales son un medio potencial de accidentes graves. Es común viajar a través de carreteras rurales y éstas representan riesgos adicionales a los que pueden existir en las autopistas. La causa más común de accidentes está relacionada con la velocidad excesiva. Esto no es menos cierto en las carreteras rurales, las cuales son con frecuencia estrechas y sinuosas y tienen superficies desprendidas. Los mejores conductores tienden a acelerar llanamente, manejar cuidadosamente en las curvas y frenar suavemente, son cuidadosos con sus vehículos, pasajeros y con los otros usuarios de la carretera. 18.12 Caja de herramientas y raciones de supervivencia La caja de herramientas de supervivencia para emergencias debe ser llevada por el personal en zonas alejadas. Los componentes de esta caja variarán mucho, según el clima, las condiciones y la manera de viajar, pero siempre debe incluir comida, agua, equipo para cocinar y calentar, un refugio o protección, como una tienda de campaña o vivac, sacos de dormir, iluminación, material médico, ropa adecuada para las peores condiciones posibles, y equipo de señalizaciones como un espejo, bengalas y un radio de dos bandas. Todo el personal que trabaja sobre el terreno debe saber aplicar los primeros auxilios y cada persona debe tener un equipo adecuado de de primeros auxilios, así como su respectivo manual.
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CAPÍTULO 18
Los puntos cubiertos deben incluir aplicación de respiración de salvamento, reanimación cardiopulmonar, inconsciencia, sangramiento, fracturas, ataques, heridas en los ojos, envenenamiento y quemaduras. 18.13 Otros riesgos El personal que trabaja sobre el terreno debe estar familiarizado y estar siempre a la expectativa de otros peligros que puedan afectar su ambiente de trabajo. Estos incluyen, por ejemplo plantas venenosas, insectos con aguijones o que piquen, animales peligrosos, arena movediza, tormentas eléctricas, etc. También, el contacto del cuerpo o la ingestión de algunas aguas pueden afectar significativamente los riesgos para la salud. En algunas localidades, puede haber la posibilidad de ataques por parte de otras personas, quienes pueden estar involucradas en actividades ilegales o bélicas, por ejemplo. Los empleadores tienen la responsabilidad de asegurar que su personal conozca cada uno de estos riesgos. Referencias 1. Corbett, P., 1986: Hydrographers’ Field Safety Manual (draft). Report Nº T.S. 89.002, Department of Water Resources, New South Wales Government, Australia. 2. Curry, R. J. y Fenwick, J. K., 1984: Hydrologists’ Safety Manual. Water and Soil Miscellaneous Publication Nº 64, National Water and Soil Conservation Organisation, Wellington, Nueva Zelandia. 3. Environment Canada, 1983: Sampling for Water Quality. Water Quality Branch, Inland Waters Directorate, Environment Canada, Ottawa. 4. U.S. Geological Survey, 1989: U.S. Geological Survey Handbook 445-1-H, Reston, Virginia.
PARTE C RECOLECCIÓN, PROCESO Y DIFUSIÓN DE DATOS HIDROLÓGICOS CAPÍTULO 19 PAPEL DE LOS DATOS HIDROLÓGICOS EN SISTEMAS DE INFORMACIÓN 19.1 Sistemas de información La Parte B de esta Guía trata sobre las actividades de terreno de la hidrología operativa. Sin embargo, los datos que se generan por las actividades sobre el terreno tienen poco o ningún valor si los usuarios potenciales no pueden acceder a ellos de manera rápida y segura. La hidrología operativa en un Servicio Hidrológico dado puede ser considerada como un sistema de información que proporciona una base conceptual para el desarrollo de enfoques adecuados que aseguren que la información correcta esté disponible en la forma correcta, en el lugar y momento adecuados. La figura que se incluye más abajo muestra los elementos de un sistema de información hidrológica. En teoría, el sistema de información está incluido en una secuencia natural de acciones y decisiones que comienzan con la percepción de un evento y culminan con la toma de decisiones que maximicen los impactos positivos netos del evento. La figura describe el proceso a partir del momento en que el evento se convierte en un objetivo o en una serie de objetivos que se emplean para dirigir la toma de decisiones ulteriores. Una vez que los objetivos han sido escogidos, se eligen las técnicas de decisión apropiadas para lograr dichos objetivos. La elección de las técnicas de decisión implica la selección de las variables y parámetros pertinentes que describan tanto la hidrología como el entorno socioeconómico del evento, la especificación de los medios por los cuales se sintetizarán las variables para determinar las acciones posteriores y una definición de procesos para tratar las incertidumbres inherentes a las variables y los parámetros. Teniendo claramente presentes las técnicas de decisión, el diseñador del sistema de información puede determinar los procedimientos que deben utilizarse para analizar los datos hidrológicos. Estas técnicas de análisis de datos pueden ser cualquier modelo o una combinación de modelos que involucren la naturaleza probabilística, estocástica o determinística de los fenómenos hidrológicos de interés. La Parte C de esta Guía trata muchas de estas técnicas de análisis de datos. En teoría, se debe superar cada una de las etapas descritas más arriba antes de diseñar una red de datos hidrológicos. El diseño de una red de datos responde a las siguientes interrogantes: ¿qué se va a medir?, ¿dónde será medido?, ¿cuándo se va a medir? y ¿con cuánta exactitud? Algunos aspectos relativos a varias de estas cuestiones
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CAPÍTULO 19
se examinan brevemente en la Parte B. El capítulo 20 contiene información más detallada relativa al diseño de redes. La recolección efectiva de datos puede comenzar en este punto de la secuencia y es también en este punto que la retroalimentación (“feedback”), representada con flechas discontinuas en la figura comienza a tener lugar. Todas las etapas anteriores se han basado en un nivel específico de conocimiento sobre las condiciones hidrológicas de interés. A medida que se obtienen más datos, este nivel aumenta y pueden tornarse más apropiadas otras técnicas de análisis de datos y nuevos diseños de red. El capítulo 21 contiene información relativa a la recolección de datos. Objetivo(s)
Técnicas de decisión
Técnicas de análisis de datos
Diseño de una red de datos
Procedimientos para garantizar la calidad
Recopilación de datos
Sistema de gestión de datos
Información Sistema de información
Impacto
Componentes de un sistema de información hidrológica
PAPEL DE LOS DATOS HIDROLÓGICOS EN SISTEMAS DE INFORMACIÓN
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En la figura se puede ver que la garantía de la calidad es un componente integrante del sistema de información, pertinente a todo lo largo del proceso continuo que va desde las actividades de terreno a la difusión de datos e información. Debido a que, por su naturaleza, es un factor presente en muchas actividades, los capítulos 21 a 25 tienen más información relativa al control de la calidad. No se tiene un examen completo de los sistemas de información sin una mención a los sistemas de gestión de datos. La información contenida en un sistema sólido de gestión de datos está disponible no sólo para los usos para los cuales los datos fueron recolectados originalmente, sino también para una multitud de usos que no podían haber sido previstos. Pero la solidez del sistema tiene dos inconvenientes. El primero es que las opciones inherentes al sistema sólido lo hacen dificultoso de usar; por lo tanto, se requiere más formación. Este inconveniente se puede minimizar con diseños de sistemas fáciles de utilizar. El segundo obstáculo es la pérdida potencial de información que implica la solidez. Como un sistema de gestión de datos no puede servir para todo y para todas las personas, se deben hacer algunas concesiones, las que usualmente resultan en la compactación y en la pérdida de atributos de los datos. Para reducir esta pérdida se pueden anexar al sistema central subsistemas que retengan datos más específicos a cada objetivo. En los capítulos 24 y 25 se examinan dichos sistemas. El producto final del sistema de información se obtiene con el procesamiento de datos mediante la misma técnica de análisis de datos que fue fundamental para el diseño inicial de la red de datos. La secuencia culmina con la integración de la información hidrológica al proceso de decisión para el cual fue concebida para producir un impacto óptimo. La clave para alcanzar esta optimización es la compatibilidad entre la técnica de decisión, la técnica de análisis de datos y la red de datos. Una red de información bien diseñada contiene una sinergia obtenida de tres maneras. Primero, la información es un producto que no se destruye por su uso. Por lo tanto, si se le conserva adecuadamente puede estar disponible a costos mínimos para numerosos usos no previstos al momento de recolectar los datos. Segundo, la información puede ser usada para mejorar la comprensión de los procesos hidrológicos. Al mejorar la comprensión de los procesos se incrementa el contenido en información tanto de los datos existentes como de los futuros. Tercero, la sinergia evoluciona aprovechándose de los logros de los demás. Nuevos enfoques y técnicas para el diseño de sistemas de información, así como los datos que contienen, son recursos reciclables. 19.2 Técnica informática La publicación preparada por la OMM y la FAO, Guidelines for Computerized Data Processing in Operational Hydrology and Land and Water Management [1], describe los conceptos, la terminología y la aplicación del proceso informatizado de datos.
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CAPÍTULO 19
Las computadoras han adquirido un papel cada vez más importante en todos los aspectos de recolección y proceso de datos. Con la tecnología actual, la función primaria del proceso de datos se puede realizar sin problemas en una computadora sobre el terreno. Sin embargo la capacidad de recolectar grandes volúmenes de datos puede resultar en la acumulación de un gran volumen de registros incorrectos y engañosos. El control de calidad es esencial. Los sistemas operativos y programas de almacenamiento bien desarrollados, con los apropiados controles sobre el terreno, constituyen el primer componente del sistema primario de proceso de datos. La capacidad de revisar el registro sobre el terreno es recomendable. La capacidad de comparar registros procedentes de estaciones vecinas y de visualizar en una pantalla gráfica un trazado de los registros capturados es esencial para la validación de estos registros. La Sección G del Manual de Referencia del HOMS [2] contiene un grupo de componentes que describen programas de computadoras para la captación, proceso y almacenamiento de datos. 19.3 Personal y formación profesional Cualquiera sea el nivel técnico de un servicio encargado de recopilar datos, la calificación de su personal será siempre su recurso más valioso. Una contratación, formación y gestión estrictos permiten conseguir y conservar el personal adecuado. La OMM publicó una serie de Directivas de orientación profesional del personal de meteorología e hidrología operativa [3]. UNESCO publicó el documento titulado Curricula and Syllabi in Hydrology [4]. Con respecto a la captación y proceso de datos, la formación de los empleados puede ser, aunque costosa y extensa en el tiempo, una inversión segura que resulte en mayor productividad y efectividad. Un programa de formación estructurado cuidadosamente es esencial para todo el personal involucrado en la captación de datos porque se encuentran en posición clave para influir en el nivel de calidad de los datos finales. La formación debería comprender un curso general sobre los principios básicos, así como módulos de formación sobre los procedimientos del servicio. Todo el material debe estar actualizado y adaptado al uso. La Sección 2.4 contiene información adicional sobre diversos aspectos de la formación en hidrología. Cuando el proceso no es realizado por el colector de los datos es importante que los procesadores de datos estén formados en las técnicas de recopilación de datos para asegurar que esos datos sean procesados de acuerdo con el propósito del colector. Es una buena práctica dar periódicamente al equipo encargado del proceso la ocasión de trabajar sobre el terreno, para construir una asociación física entre los datos y su origen. Este conocimiento de parte del procesador de datos puede permitirle una primera interpretación de datos presentados incorrectamente, en espera de que el colector de la información puede confirmarla.
PAPEL DE LOS DATOS HIDROLÓGICOS EN SISTEMAS DE INFORMACIÓN
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Es esencial establecer el principio de que la persona que captura el dato tiene la primera responsabilidad sobre su calidad. Un método, para observar este principio, es involucrar al colector en el proceso tanto como sea posible y asegurar que la retroalimentación se obtenga por retorno de los datos publicados al colector para su evaluación. En la etapa de proceso el personal debe estar consciente de su responsabilidad en mantener la calidad e integridad de los datos. El proceso de datos es a menudo rutinario por naturaleza y resulta apropiado para la aplicación de la automatización. Por tal razón, es importante que se dé especial atención al cuidado de los recursos humanos y que el sistema esté estructurado para infundir interés, compromiso, profesionalidad y cierto sentido de realización. Al personal de proceso de datos debe darse la oportunidad de aportar ideas que permitan aumentar la efectividad del sistema de proceso. La seguridad del personal es también un componente integrante de toda profesión y las tareas emprendidas por los colectores y procesadores de datos requieren el establecimiento de normas de seguridad. Estas normas se estudian principalmente en el capítulo 18. Sin embargo, la ocurrencia de lesiones en el personal de proceso de datos por esfuerzos reiterados puede ser causada a menudo por la rutina y la naturaleza repetitiva de algunos aspectos de su trabajo. Este problema debe preocupar tanto a los encargados de la seguridad del personal como de la gestión y dirección. Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial/Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 1985 : Guidelines for Computerized Data Processing in Operational Hydrology and Land and Water Management, publicada por la FAO y la OMM, OMM–Nº 634, Ginebra. 2. Organización Meteorológica Mundial, 1988 : Sistema de Hidrología Operativa para Fines Múltiples (HOMS) Manual de referencia, segunda edición, Ginebra. 3. Organización Meteorológica Mundial, 1984: Directivas de orientación profesional del personal de meteorología e hidrología operativa, OMM–N° 258, Ginebra. 4. Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura, 1983: Curricula and Syllabi in Hydrology, Paris (S. Chandra, L. J. Mostertman, y otros), Technical papers in Hydrology, Nº 22, París.
CAPÍTULO 20 DISEÑO Y EVALUACIÓN DE REDES HIDROLÓGICAS
20.1 Conceptos generales sobre el diseño de redes Una red de datos hidrológicos es el conjunto de las actividades relativas a la recolección de datos, diseñados y procesados para lograr un objetivo único o un conjunto de objetivos compatibles. Frecuentemente, estos objetivos están asociados a un uso particular que se conoce antes de realizar las tareas de recolección de datos, por ejemplo, en lo referente a la evaluación de los recursos hídricos de antemano se tiene un plan de desarrollo o un diseño de proyecto. Por un lado, una estación hidrológica particular o un medidor pueden estar incluidos en más de una red, si sus datos se utilizan para más de un objetivo; esta opción es la más frecuente en la mayor parte del mundo. Por otro lado, una red única puede consistir en varios tipos de estaciones o medidores, si todas contribuyen con información que conduzca a lograr el objetivo de la red. Por ejemplo, en redes cuya función es la alerta de crecidas, podrían incluirse pluviómetros y aforos de caudales. El término red es frecuentemente utilizado en un sentido menos riguroso. A menudo se habla de red de aguas superficiales, red de aguas subterráneas, red de precipitaciones o de red de calidad de aguas cuando se refiere a un grupo de instrumentos y estaciones que no tienen coherencia en sus objetivos. Bajo esta definición tan poco rigurosa, los sitios de recolección de datos incluidos en una red pueden aportar resultados que son usados para fines muy diferentes. Esta desigualdad de usos es más que una mera particularidad semántica. Pueden ocasionar confusión y falsas expectativas cuando se examinan los programas de observación entre gestionarios e hidrólogos. En teoría, un diseño de red debería estar basado en una maximización del valor económico de los datos que serán recogidos. No obstante, en realidad no sucede esto; cuando hay que tomar una decisión sobre los recursos hídricos, en la mayoría de los casos, no se considera el impacto económico de los datos hidrológicos. Las decisiones sobre todo se basan en los datos disponibles y no se examina la posibilidad de aplazar la decisión para recoger más datos. Sin embargo, varios ejemplos, que son excepciones a esta regla general, están contenidos en la publicación de la OMM, titulada Cost-benefit Assesment Techniques and User Requeriments for Hydrological Data [1] y en Economic and Social Benefits of Meterological and Hydrological Services [2].
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CAPÍTULO 20
Los diseños de red están generalmente basados en medidas sustitutivas de las economías o en orientaciones, como las presentadas seguidamente en este capítulo, en lugar de basarse en un análisis económico completo. 20.1.1 Definición de diseño de red El diseño completo de una red responde a las siguientes preguntas concernientes a la recolección de datos hidrológicos: a) ¿qué variables hidrológicas se deben observar?; b) ¿dónde se deben observar?; c) ¿con qué frecuencia se deben observar?; d) ¿cuál es la duración del programa de observación?; e) ¿cuán precisas deben ser las observaciones? Para responder a estas preguntas, el diseño de una red puede ser conceptualizado como una pirámide, como la de la figura 20.1. La base de la pirámide es la ciencia de la hidrología. En general, si no se tiene un profundo conocimiento hidrológico de la zona en la cual la red se establecerá, las probabilidades de que la red resultante proporcione información efectiva serán pocas. Ese conocimiento hidrológico proviene del estudio y de la experiencia, no habiendo sustituto de la experiencia cuando se está iniciando una red hidrológica en una zona donde los datos históricos disponibles son pocos o no existen. El lado derecho de la pirámide tiene que ver con los métodos cuantitativos para paliar la incertidumbre hidrológica, incertidumbre que siempre existirá debido a errores en las mediciones y a errores causados por el muestreo en espacio y tiempo. La información hidrológica perfecta no puede existir nunca. Las descripciones probabilísticas de estos errores son los medios mas efectivos de tratar con la incertidumbre resultante. La teoría de la probabilidad suministra los teoremas y el lenguaje para hacerlo y también proporciona el conocimiento necesario para el uso apropiado de las herramientas estadísticas. En la figura 20.1, las herramientas estadísticas están representadas por la teoría del muestreo y por los análisis de correlación y regresión, que son los más usados en las aproximaciones de diseños cuantitativos de redes. Sin embargo, hay muchas otras herramientas estadísticas similares que pueden ser útiles en el diseño y análisis de redes. El umbral de la incertidumbre es el análisis bayesiano, que aborda el nivel de incertidumbre en las descripciones de incertidumbres hidrológicas. En otras palabras, las descripciones probabilísticas de la incertidumbre basadas en el análisis de muestreos finitos de datos hidrológicos, son inciertas en sí mismas. La reducción de la incertidumbre sobre la propia incertidumbre, es el aspecto más importante que permitirá valorizar al máximo toda la información contenida en los datos que la red generará. La columna en la mitad de la estructura, denominada teoría de la optimización, con frecuencia se incluye taxonométricamente como una parte del análisis socio-
DISEÑO Y EVALUACIÓN DE REDES HIDROLÓGICAS
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Teoría de la decisión
Análisis bayesiano
Análisis socioeconómico
Teoría de la Correlación optimización Teoría del y muestreo regresión
Probabilidad
Hidrología
Figura 20.1 – Bloque de la construcción básica del diseño de una red económico. No obstante, en ausencia de ese análisis, a menudo se utiliza igual la teoría de la optimización en el diseño de redes hidrológicas, y es por eso que está incluida aquí como un componente separado de la estructura. Esta teoría comprende un conjunto de programas matemáticos cada uno con su propio grado de utilidad y defectos matemáticos que se presentan como recursos operativos. El contexto de los problemas que surgen al diseñar la red determina el programa matemático que podría utilizarse en una situación determinada. Con frecuencia, la selección entre dos diseños de red se debe hacer basándose en otros criterios, porque no existen las herramientas adecuadas de optimización o porque se requieren muchos recursos informáticos para que realmente sean eficaces. En la cumbre de la pirámide está la teoría de la decisión, mecanismo formal que permite integrar todos los componentes mencionados. En el diseño de redes no es necesaria la aplicación de la teoría de la decisión y en la mayoría de las circunstancias ni siquiera es posible. Sin embargo, el conocimiento de sus premisas y pretextos puede hacer más consciente al diseñador de la red de los impactos de sus decisiones finales. El lado izquierdo de la pirámide representa un grupo mal definido de técnicas bajo el título de análisis socioeconómico. Además de las ciencias sociales y económicas, esta parte de la estructura del diseño de la red incluye la ciencia política e incluso la política. Esta última desempeña un papel muy importante al realzar los beneficios potenciales del agua, así como también los valores definitivos de la información de
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CAPÍTULO 20
la red. Este lado izquierdo es la parte de la estructura que generalmente recibe la menor consideración en el diseño de la red de datos y es probablemente atribuible a dos causas: el tema es difícil de examinar en una forma matemática, objetiva; un examen substantivo requiere la síntesis de la información proveniente de varias disciplinas, además de la hidrología o la ingeniería de los recursos hídricos. De esta forma, un diseño de red que incluya un análisis socioeconómico importante resultará probablemente costoso y requerirá mucho tiempo. No obstante, se debe tener en mente, al diseñar la red, la influencia que los datos tienen sobre el mundo real, incluso de manera subjetiva. 20.1.2 Métodos de substitución Como el diseño completo de una red es difícil o imposible de realizar, se usan medidas sustitutivas de aproximación de objetivos o criterios, con el fin de resolver los problemas que plantean los diseños de red. Por ejemplo, una sustitución común es maximizar el contenido en información de una red en lugar de optimizar el valor económico de los datos. Los estudios han demostrado que si la información es utilizada debidamente, puede contribuir al valor económico resultante de una decisión. Cuanto más información se tenga, mejor será la decisión. Sin embargo, el impacto económico de la información no está linealmente relacionado con su magnitud y el valor marginal de la información adicional disminuye con la cantidad de información disponible. Así, el uso de estos criterios sustitutivos puede conducir a los servicios hidrológicos en la dirección correcta sólo si se dispone de muy poca información hidrológica; pero su uso puede causar una recolección de datos excesivos si la región de interés ya tiene una información básica adecuada. Además de las técnicas analíticas básicas que son las principales en cuanto a métodos sustitutivos en el diseño de una red, existen las siguientes: análisis cartográfico, métodos de correlación y regresión, modelos probabilísticos, modelos determinísticos y técnicas de regionalización. Cada método tiene su aplicación particular y la elección depende de las limitaciones de los datos disponibles y del tipo de problemas en consideración. Muy a menudo, se combinan las diferentes técnicas en ciertas aplicaciones. La publicación de la OMM titulada Casebook on Hydrological Network Design Practice [3] contiene aplicaciones de estas técnicas como un medio de determinar los requerimientos de una red. Otros ejemplos están contenidos en otras publicaciones [4-6]. 20.1.3 La red básica El valor de los datos que derivan de una red depende de la utilización ulterior. Sin embargo, muchos de los usos de los datos hidrológicos no son evidentes en el momento del diseño de la red y, por ello, no pueden ser usados para justificar la recolección de datos específicos que, posteriormente, pueden ser de gran valor. De hecho, si
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a priori fueran requeridas justificaciones económicas, se recogerían unos pocos datos hidrológicos. No obstante, las sociedades modernas consideran la información como una mercancía que, como los seguros, debe ser adquirida para protegerse ante un futuro incierto. Esta inversión en el caso de los datos hidrológicos es la red básica, que es establecida para proveer la información hidrológica necesaria para futuras decisiones no previstas en materia de recursos hídricos. La red básica debería suministrar un nivel de información hidrológica suficiente en cualquier lugar dentro de su región de aplicabilidad, para evitar cualquier error grave en la toma de decisión relativa a los recursos hídricos. Para conseguir esto, por lo menos tres criterios deben abarcarse: a) se debería disponer de un sistema para transferir la información hidrológica desde los sitios en los que se recogen los datos hasta cualquier otro lugar en el área; b) también debería existir un medio para estimar la cantidad de información hidrológica en cualquier sitio (o de lo contrario la incertidumbre); y c) el conjunto de decisiones debería incluir la opción de recoger más datos antes de que se tome la decisión final. 20.1.3.1 La red mínima La primera etapa, en la creación de una red hidrológica, debería ser el establecimiento de una red mínima. Esta red debería estar compuesta por el mínimo número de estaciones que la experiencia colectiva de servicios hidrológicos de diversos países han indicado como necesaria para iniciar la planificación del desarrollo económico de los recursos hídricos. La red mínima evitará serias deficiencias en el desarrollo y explotación de recursos hídricos en una escala equivalente al nivel de desarrollo económico del país. Debe ser desarrollada tan rápidamente como sea posible, incorporando las estaciones existentes según proceda. En otras palabras, la red mínima proporcionará la estructura básica de la red en expansión, para atender futuras necesidades en ambitos específicos. Cabe destacar que la red mínima no permite la formulación de planes de desarrollo detallados ni puede responder a las numerosas necesidades de una región desarrollada en materia de explotación y gestión de los recursos hídricos. 20.1.3.2 Expansión de la base de información Una vez que la red mínima funciona, pueden formularse relaciones hidrológicas regionalizadas, interpretarse la información obtenida y los modelos matemáticos, para estimar las características hidrológicas generales, incluidas las precipitaciones y las escorrentías en cualquier lugar de la región. La red básica de estaciones de observación debería ser ajustada permanentemente hasta que las relaciones hidrológicas regionales puedan ser desarrolladas en zonas desaforadas para que proporcionen el nivel apropiado de información. En la mayoría de los casos, este ajuste resultará en un incremento de la densidad de estaciones hidrológicas. Sin embargo, no siempre
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CAPÍTULO 20
sucede así; ya que los modelos son usados para transferir la información desde los sitios aforados a los no aforados, la calidad del modelo es también un factor determinante de la densidad de la red básica. El mejor modelo podrá alcanzar un nivel dado de información regional con menos datos que un modelo menos bueno. En una situación extrema, el modelo regional podría ser tan bueno que pudiera reducirse el nivel de datos recogidos por una red básica. Teniendo en cuenta la gran dependencia de las estaciones en una red básica, es muy importante que los registros provenientes de todas las estaciones sean de alta calidad. Incluso si la instalación de una estación es adecuada, sus registros pueden resultar de poco valor si no funcionan correctamente. Las actividades continuas pueden dificultarse, especialmente en períodos de 20 años o más. Una red mínima, cuyas estaciones están abandonadas o irregularmente explotadas, tendrá reducida su densidad efectiva y así se convertirá pronto en una red mínima inadecuada. Por esta razón, se debería prestar especial cuidado no sólo en establecerlas sino también en aprovisionarlas para el funcionamiento continuo y para verificar la fiabilidad y la exactitud de los registros recogidos. El diseño y establecimiento de redes básicas supone consideraciones tanto económicas como técnicas y por ello no debería ser excesivo el número de estaciones explotadas por períodos indefinidos. Por consiguiente, debería ser adoptado un procedimiento de muestreo para maximizar la efectividad del costo de una red básica. Un enfoque de este tipo permite clasificar las estaciones en básicas o principales y en secundarias. Las estaciones secundarias son explotadas por períodos lo suficientemente largos para crear una relación estable (en general mediante una correlación) con una o más estaciones básicas. Una nueva estación secundaria puede luego establecerse con el equipo y los fondos que servían para el sitio de medición anterior. Los registros en las estaciones de medición abandonados pueden ser reconstruidos mediante los registros de las estaciones básicas y en base a las relaciones interestaciones. A menudo, puede ser necesario reestablecer las estaciones secundarias si se considera que las condiciones han cambiado en la estación secundaria o en las estaciones básicas relacionadas. El carácter permanente de las estaciones principales en la red básica es fundamental para la vigilancia a largo plazo de las tendencias en las condiciones hidrológicas de una región. Esto es particularmente importante a la luz de los cambios potenciales en el ciclo hidrológico, que podrían ser causados por los cambios en los usos de la tierra o por el aumento del efecto invernadero de la estratósfera. 20.1.4 Diseño de redes integradas El ciclo hidrológico es continuo y sus interconexiones permiten la transferencia parcial de la información obtenida en una parte del ciclo hacia otra. La eficiencia de dichas transferencias es proporcional al grado de conocimiento hidrológico incluido en
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los modelos matemáticos utilizados para calcular la transferencia del agua (y la información) entre las partes del ciclo. Por ejemplo, los registros de precipitación en una cuenca de drenaje o cerca de ella permiten la reconstrucción de registros de flujo fluvial durante períodos en los que funcionan mal los aforos de caudal, si ha sido calibrado un modelo válido de precipitación–escorrentía durante el tiempo en que todos los medidores estuvieron funcionando bien. La observación de un pozo de agua subterránea puede tener una función similar durante el mal funcionamiento de los aforos de caudal, si el nivel freático del acuífero está directamente conectado al curso de agua. Hasta hoy, poco se ha hecho para incluir estas interacciones en el diseño de redes de manera explícita. En principio, cuando se diseña una red para calcular los recursos hídricos, por ejemplo, debería complementarse con los pluviómetros y con los aforos de caudales utilizados en una red de predicción de crecidas. Si el balance económico entre las dos redes puede definirse, podrían optimizarse conjuntamente y esperar que ambas produzcan la información máxima. A pesar de este defecto tecnológico, las redes deberían ser diseñadas iterativamente y los resultados de un diseño de red deberían servir de punto de partida para nuevos diseños. Tomando el ejemplo anterior, esto puede explicarse de la siguiente manera: la red de predicción de crecidas probablemente tendrá en determinados lugares aforos de caudales y pluviómetros para obtener la información requerida. Como la evaluación de los recursos hídricos en general tiene exigencias menos específicas en cuanto a sus fuentes de información, es probable que numerosas estaciones que forman parte de una red de predicción de crecidas puedan incorporarse en la red de evaluación y ser usadas como datos iniciales para su diseño. Este enfoque iterativo se utiliza particularmente cuando se están diseñando redes con objetivos generales, como la red básica, a partir de redes con demandas de información más restringidas. Las redes con demandas más restringidas incluyen estaciones de referencia, cuencas representativas y redes para fines operativos. 20.1.4.1 Estaciones para fines operativos Las estaciones pueden establecerse para fines específicos como el funcionamiento de embalses, riego, navegación, monitoreo de la calidad del agua, predicción de crecidas o investigación. Las estaciones de referencia también pertenecen a esta categoría. El tiempo de funcionamiento de las estaciones especiales está relacionado al propósito para el cual fueron instaladas. En algunos casos, el propósito específico para el que sirven, puede requerir observaciones realtivas a sólo un aspecto de un elemento, o estar confinadas a una sola estación del año. Por ejemplo, una estación hidrométrica puede estar equipada de una escala de máximos para registrar solamente el nivel más alto de una crecida o de un pluviómetro registrador para la medición de la precipitación total durante una estación. Si bien estas estaciones pueden tener una función importante, no su-
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ministran los datos necesarios para un análisis hidrológico general, y consecuentemente estas estaciones pueden o no estar incluidas en una red básica hidrológica. 20.1.4.2 Estaciones de referencia. Cada país y cada región natural en los grandes países debería tener una estación de referencia que suministre una serie continua de observaciones de las variables hidrológicas y climatológicas relacionadas. Las estaciones de referencia hidrológicas deberían estar en zonas relativamente libres de la influencia de cambios antropógenos pasados o futuros. Como la principal característica de las estaciones de referencia son los largos registros, se deberían considerar las estaciones existentes para saber si alguna de ellas puede desempeñar esta función. Las estaciones climatológicas de referencia se denominan en general estaciones de referencia. 20.1.4.3 Cuencas representativas. En cada región natural es deseable una cuenca representativa, especialmente en aquellas regiones donde se prevé un gran crecimiento económico o en las que se plantean los problemas hidrológicos más complejos. En su forma más sencilla, estas cuencas permiten el estudio simultáneo de la precipitación y la escorrentía, ayudando así a compensar los cortos períodos de observación y las redes mínimas de baja densidad. 20.1.5 Análisis de una red En la figura 20.2 se indican las etapas que deberían efectuarse durante una revisión y el nuevo diseño de una red hidrológica existente. Dichas revisiones deberían ser efectuadas periódicamente para aprovechar la reducción de la incertidumbre hidrológica obtenida con los datos adicionados desde el último análisis de red y para adaptar la red a cualquier modificación socioeconómica que pueda haber ocurrido. Las etapas del análisis figuran seguidamente. Organización institucional Se deben definir e identificar las funciones y los objetivos de todas las organizaciones involucradas en los diversos aspectos de la explotación de recursos hídricos, en particular sus responsabilidades legislativas. Entre estas organizaciones deberían mejorarse los medios de comunicación para asegurar la coordinación e integración de las redes de recolección de datos. Finalidad de la red Deben identificarse las finalidades de la red, en lo referente a usuarios y usos de datos. Los usuarios y los usos de datos pueden variar en el tiempo y en el espacio. Existe también una necesidad de identificar las necesidades potenciales futuras y tenerlas en cuenta al diseñar la red.
DISEÑO Y EVALUACIÓN DE REDES HIDROLÓGICAS
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MARCO INSTITUCIONAL
FINALIDAD DE LA RED
OBJETIVOS DE LA RED
ESTABLECIMIENTO DE PRIORIDADES
EVALUACIÓN DE REDES EXISTENTES
DISEÑO DE RED
OPTIMIZACIÓN DE LAS OPERACIONES
PRESUPUESTO
EJECUCIÓN Enlaces directos Mecanismos de feedback REVISIÓN
Figura 20.2 — Esquema del análisis de una red y su nuevo diseño Objetivos de la red Un objetivo o una serie de objetivos, basados en la finalidad de la red, deberían establecerse según la información requerida. Sería útil determinar las consecuencias de no poder suministrar esta información. Establecimiento de prioridades Si hay más de un objetivo, se necesitan establecer las prioridades para la evaluación posterior. Si todos los objetivos pueden lograrse en el marco del presupuesto previsto no es necesario. No obstante, si no es así, pueden desistir de los objetivos de menor prioridad. Evaluación de redes existentes La información de las redes existentes debería ser compilada e interpretada para determinar si las redes logran los objetivos. Esto podría incluir comparaciones con otras cuencas y/o redes.
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CAPÍTULO 20
Diseño de red Según la información disponible y los objetivos definidos, las técnicas más apropiadas de diseño de red deberían ser aplicadas. Estas pueden ser características hidrológicas sencillas, relaciones de regresión o análisis de red más complejos, usando métodos generalizados de mínimos cuadrados (NAUGLS). Optimización de las operaciones Una porción importante del costo de la recolección de datos está contenida en los procedimientos operacionales. Éstos incluyen los tipos de instrumentos, la frecuencia de visita a las estaciones y la organización del trabajo sobre el terreno. Debería adoptarse el costo mínimo. Determinación de los costos Según la definición de red y los procedimientos operacionales, se puede establecer el costo de funcionamiento de la red. Si forma parte del presupuesto, se puede pasar a la siguiente etapa. Si no, se debe obtener un financiamiento adicional o deben examinarse los objetivos y/o las prioridades para determinar donde pueden reducirse los costos. El proceso adoptado debería permitir al diseñador expresar el impacto del financiamiento insuficiente, los objetivos no logrados o la información reducida. Ejecución El establecimiento de nuevas redes se debe planificar a corto y a largo plazo. Revisión de la red Como algunos de los componentes anteriores son variables en el tiempo, una revisión puede requerirse por la modificación de cualquier componente, por ejemplo cambios de usuarios, de usos de los datos o cambios en el presupuesto. Para poder enfrentarse a dichos cambios, es esencial un proceso de revisión continuo. 20.2 Densidad de estaciones para una red mínima Como se indicó en la sección 20.1.3.1, la red mínima es aquella que evita deficiencias serias al potenciar y gestionar los recursos hídricos en una escala comparable con el nivel general de desarrollo económico y las necesidades ambientales del país. Debería desarrollarse tan rápidamente como sea posible, incorporando las estaciones existentes, cuando proceda. En otras palabras, dicha red proveerá la estructura de expansión para atender las necesidades de información para los usos específicos del agua. Se pretende que el concepto de densidad de red sirva como una orientación general si se carece de una guía específica. Estas densidades de diseño tienen que tener
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en cuenta las condiciones socioeconómicas y fisioclimáticas reales. Las técnicas informatizadas de análisis matemáticos deberían también aplicarse, cuando la información esté disponible, para optimizar la densidad de red requerida para satisfacer las necesidades específicas. Por ejemplo, el análisis de red utilizando mínimos cuadrados generalizados (NAUGLS), desarrollado por el Geológical Survey de Estados Unidos [7], ofrece un enfoque prometedor para optimizar los aforos de caudal en una red básica para información regional. En la siguiente sección, las densidades mínimas de diversos tipos de estaciones hidrológicas están recomendadas para diferentes zonas climáticas y geográficas. Estas recomendaciones han sido revisadas para esta edición de la Guía, sobre la base de la revisión de las respuestas de los Miembros al Proyecto de evaluación de redes hidrológicas básicas (BNAP) [8] de la OMM. Es imposible definir un número suficiente de zonas que representen la variedad completa de condiciones hidrológicas. Un limitado número de grandes zonas han sido definidas en una manera algo arbitraria. El criterio más simple y más preciso para la clasificación de zonas sería sobre la base de la variación espacial y estacional de las precipitaciones. Cada país puede presentar un mapa de buena calidad de precipitaciones anuales y a partir de esto, podría desarrollarse una red mínima. Pero numerosos países que necesitan una red ya que tienen muy pocos registros previos, no pueden establecer un mapa de precipitaciones de buena calidad. Se podría considerar como parte de una categoría especial a los países con distribución de precipitaciones muy irregular. No es aconsejable basar la clasificación en esta única característica. La densidad de la población también afecta el diseño de la red. Es casi imposible instalar y explotar de modo satisfactorio un número de estaciones donde la población es escasa. Por ejemplo, es casi imposible establecer más de dos estaciones de medición en una cuenca fluvial o hidrológica de 1 000 km2, cuando la población del área es sólo de 100 personas, especialmente si esta población no es permanente. Además, no es fácil encontrar observadores en áreas escasamente pobladas y donde el acceso es difícil. Las zonas poco habitadas tienen, en general, climas extremos: regiones áridas, regiones polares, o bosques tropicales. El uso de pluviómetros totalizadores está recomendado en esos casos porque necesitan poco mantenimiento y visitas. En el otro extremo, las zonas urbanas, densamente pobladas, necesitan una red pluviométrica muy densa, tanto para la resolución temporal y espacial de tormentas como para el diseño, la gestión, y el control en tiempo real de los sistemas de tormenta-drenaje y para otras aplicaciones de ingeniería. A partir de estas consideraciones, algunas reglas generales han sido adoptadas para la definición de normas de densidad de redes mínimas. Se han definido seis tipos de regiones fisiográficas:
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CAPÍTULO 20
a) b) c) d) e) f)
zonas costeras; zonas montañosas; llanuras interiores; zonas escarpadas/ondulantes; islas pequeñas (superficie inferior a 500 km2); y zonas polares y áridas. Para el último tipo de región, es necesario agrupar las zonas en que no parece realmente posible lograr densidades completamente aceptables debido a población escasa, bajo desarrollo de los medios de comunicación, o por otras razones económicas. 20.2.1 Densidades mínimas para estaciones climatológicas Los siguientes tipos de datos son recopilados en una estación climatológica en la red básica: precipitación, sondeo nivométrico y evaporación. Se entiende aquí que las estaciones de medición de la evaporación y de la nieve, sobre todo la primera, medirán generalmente la temperatura, la humedad, y el viento porque estos elementos afectan la evaporación y la fusión.
20.2.1.1 Estaciones pluviométricas La densidad mínima de estaciones pluviométricas figura en el cuadro 20.1. Estos valores no se aplican a los grandes desiertos (Sahara, Gobi, Arabia, etc.) ni a las grandes extensiones de hielo (Antártico, Groenlandia, y las islas árticas) que no han organizado redes hidrográficas. En esas regiones, las precipitaciones no son medidas por redes pluviométricas de tipo estándar, sino por estaciones y métodos especiales de observación. Si se siguen ciertos principios de instalación y uso, el pequeño número de estaciones en la red mínima puede atender la mayoría de las necesidades más inmediatas. En general, los pluviómetros deberían estar tan uniformemente distribuidos como sea posible, teniendo en cuenta las necesidades prácticas de la información y la ubicación de los observadores voluntarios. En regiones montañosas, la atención debe darse a la zonalidad vertical utilizando aforos de almacenamiento para medir las precipitaciones en grandes altitudes. El sondeo nivométrico puede completar la red, pero no debería ser considerado como parte de ella. La red mínima debería consistir en tres clases de pluviómetros: a) pluviómetros ordinarios: son aparatos que realizan lecturas diarias de cantidad. Además de la cantidad diaria de precipitación, en cada una de estas situaciones se efectuarán las siguientes observaciones: precipitación de nieve y estado del tiempo;
DISEÑO Y EVALUACIÓN DE REDES HIDROLÓGICAS
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CUADRO 20.1 Densidad mínima recomendada de estaciones pluviométricas Unidad fisiográfica
Densidades mínimas por estación (superficie en km2 por estación) Sin registro Con registro
Zonas costeras 900 Zonas montañosas 250 Llanuras interiores 575 Zonas escarpadas/ondulantes 575 Pequeñas islas 25 Zonas urbanas Zonas polares y áridas 10 000
9 000 2 500 5 750 5 750 250 10 a 20 100 000
b) pluviómetros registradores: en estaciones que todavía no se han establecido y en clima frío, es aconsejable tener al menos 10 por ciento de pluviómetros registradores. La mayor densidad de estaciones de registro deberían lograrse en zonas donde se producen lluvias intensas, de corta duración. Estas estaciones proveerán información valiosa de la intensidad, distribución, y duración de las precipitaciones. Para zonas urbanas, donde la resolución del tiempo necesario para las mediciones de precipitación es de uno a dos minutos, la atención especial debería centrarse en la sincronización de tiempo de los pluviómetros. Para mediciones fiables, se recomienda el pluviógrafo de balancín con memoria electrónica (u otro medio de lectura informática). Para la instalación de pluviómetros registradores debería darse prioridad, a las siguientes zonas: zonas urbanas (población de más de 10 000 habitantes) donde se van a construir sistemas de drenaje extensivos, cuencas hidrográficas donde se prevén o están en funcionamiento sistemas principales de control de río, grandes zonas inadecuadamente cubiertas por la red existente y en proyectos especiales de investigación; c) pluviómetros totalizadores: se pueden instalar en regiones poco habitadas o aisladas, como en terreno desierto o montañoso. Los pluviómetros totalizadores se leen mensualmente, estacionalmente o siempre que sea posible inspeccionar las estaciones. Ubicación de los pluviómetros en relación con las estaciones de aforos de caudal: con el fin de garantizar que la información pluviométrica complete los registros de flujos fluviales (para la predicción de inundaciones o el análisis hidrológico), la coordinación de las ubicaciones de los pluviómetros con respecto a los aforos de caudal es de gran importancia. Los pluviómetros deberán estar localizados de modo
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CAPÍTULO 20
que la precipitación en la cuenca pueda estimarse por cada estación de aforo de caudal. Los pluviómetros estarán localizados en general cerca de la estación de aforo y aguas arriba. Un pluviómetro debería estar localizado en la estación de aforo de caudal sólo si las observaciones serán representativas de la región. Pueden haber casos en que es preferible este instrumento a cierta distancia de la estación de aforo, por ejemplo cuando ésta está en un valle profundo y estrecho. 20.2.1.2 Estudio nivométrico Las observaciones de precipitación de nieve, del equivalente en agua y de la altura de la nieve sobre el suelo deberían ser hechas en todas las estaciones pluviométricas de la red mínima, donde se produzcan nevadas. El equivalente en agua de la nieve en el momento de la acumulación máxima constituye una indicación de la precipitación estacional total en regiones donde las lluvias de invierno y la fusión de la nieve de invierno son importantes. En esas regiones, el sondeo de la capa de nieve en cursos seleccionados puede ser útil para estimar la precipitación estacional en puntos donde no se dispone de observaciones normales. El sondeo de la capa de nieve también proveerá información útil para la predicción de inundaciones y el estudio de crecidas de río. Los sondeos nivométricos son efectuados por equipos especiales que disponen de instrumentos sencillos para sacar muestras de la nieve acumulada y para determinar su profundidad y su equivalente en agua (capítulo 8). El número de rutas nivométricas, sus ubicaciones y longitudes dependerán de la topografía de la cuenca y de los propósitos por los cuales se recoge la información. El desnivel total y los tipos de exposición y la cobertura vegetal en la zona de interés, deberían considerarse al seleccionar las rutas representativas. Se ha sugerido que una ruta nivométrica por cada 2 000 a 3 000 km2 es una densidad razonablemente buena para regiones menos homogéneas, y una por cada 5 000 km2 en regiones homogéneas y llanas. Sin embargo, cada caso tiene que examinarse por separado, y estas generalidades no deben ser aplicadas sin un examen previo. En los inicios de las etapas de desarrollo de la red, el sondeo de la capa de nieve generalmente se efectuará una sola vez al año, cerca del tiempo esperado de acumulación máxima. Más adelante, convendría extender la operación para incluir sondeos a intervalos regulares a través de la estación de nieve. Tan pronto como sea posible, las observaciones de la capa de nieve deberían aumentarse con observaciones de factores meteorológicos relacionados, como la radiación, la temperatura del suelo, y la velocidad de los vientos. 20.2.1.3 Estaciones de evaporación La evaporación puede ser estimada indirectamente por el balance hídrico, el balance de energía y enfoques aerodinámicos, así como directamente por extrapolación de
DISEÑO Y EVALUACIÓN DE REDES HIDROLÓGICAS
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mediciones de tanques (capítulo 9). Una estación de evaporación consiste en un tanque de diseño nacional estándar donde se efectúan las observaciones de evaporación diarias, así como las observaciones de las precipitaciones, las temperaturas del agua y el aire máxima y mínima, el movimiento del viento y la humedad relativa o la temperatura del punto de rocío. Las normas recomendadas para una red mínima de estaciones de evaporación, en zonas de fisiografía uniforme, figuran en el cuadro 20.2.
CUADRO 20.2 Densidad mínima de estaciones de evaporación Unidad fisiográfica
Densidad mínima por estación (Superficie en km2 por estación)
Zonas costeras Zonas montañosas Llanuras interiores Zonas escarpadas/ondulantes Pequeñas islas Zonas polares y áridas
50 000 50 000 50 000 50 000 50 000 100 000
La evaporación desempeña un papel importante en estudios a largo plazo del régimen acuático de lagos y embalses así como en la explotación de los recursos hídricos. En dichos casos, el número y la distribución de estaciones de evaporación están determinados en base al área y a la configuración de los lagos y de la región o regiones climáticas en que se encuentran. 20.2.2
Densidades mínimas para estaciones hidrométricas
20.2.2.1 Estaciones de flujo fluvial El objetivo principal de la red de aforo de caudales es obtener información sobre la disponibilidad de recursos hídricos superficiales, su distribución geográfica, y su variabilidad en el tiempo. La magnitud y la frecuencia de las inundaciones y las sequías son de importancia particular a este respecto. Las densidades mínimas para estaciones de flujo fluvial figuran en el cuadro 20.3. Estos valores no son aplicables a los grandes desiertos sin redes de flujo fluvial definidas (como los del Sahara, Gobi, Korakorum y Arabia) ni a grandes extensiones de hielo (como el Antártico, Groenlandia y las islas árticas).
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CAPÍTULO 20
CUADRO 20.3 Densidades mínimas recomendadas de estaciones de flujo fluvial Unidad fisiográfica
Densidad mínima por estación (Superficie en km2 por estación)
Zonas costeras Zonas montañosas Llanuras interiores Zonas escarpadas/ondulantes Pequeñas islas Zonas polares y áridas
2 750 1 000 1 875 1 875 300 20 000
En general, un número suficiente de estaciones de flujo fluvial deberían estar ubicadas a lo largo de las ramificaciones principales de las grandes corrientes para permitir la interpolación de la descarga entre las estaciones. La ubicación específica de estas estaciones debería decidirse en función de consideraciones topográficas y climáticas. Si la diferencia en el flujo entre dos puntos en el mismo río no es mayor que el límite de error de medición en la estación, entonces no se justifica una estación adicional. En este contexto, cabe señalar también que el caudal de un pequeño afluente no se puede determinar con exactitud substrayendo los flujos en dos estaciones principales de aforo de caudales que unan la desembocadura del afluente. Si el flujo del afluente es de interés especial, se establecerá otra estación en el afluente, que se convertirá en una estación secundaria en la red mínima. Las estaciones de flujo fluvial pueden estar interceptadas con estaciones de nivel (sección 20.2.2.2). Dondequiera que sea posible, las estaciones básicas deberían estar localizadas en corrientes de agua con regímenes naturales. En caso contrario, puede ser necesario establecer estaciones adicionales en canales o embalses a fin de obtener la información requerida para reconstruir los flujos naturales. Los cálculos de flujos que atraviesan una planta hidroeléctrica o presas de control pueden ser útiles para este propósito, pero tendrá que efectuarse la calibración de las estructuras de control y turbinas, y también verificar periódicamente dichas calibraciones durante el funcionamiento de esas instalaciones. Las estaciones deberían estar localizadas en los tramos mas bajos de los ríos principales del país, inmediatamente antes de la desembocadura del río (en general aguas arriba de la zona de influencia de las mareas), o en los cauces de fronteras. Las estaciones deberían también estar localizadas donde fluyen ríos de las montañas y sobre los puntos de extracción de agua de riesgo. Otras estaciones hidrométricas deben estar situadas en puntos donde el caudal varía en una considerable extensión, por ejemplo aguas abajo de la confluencia de un afluente mayor, en las salidas de los lagos y en sitios donde se ha previsto la construcción de grandes obras hidráulicas.
DISEÑO Y EVALUACIÓN DE REDES HIDROLÓGICAS
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Para garantizar un muestreo adecuado deberían existir al menos tantas estaciones de medición en corrientes pequeñas como en las corrientes principales. Sin embargo, para corrientes pequeñas, un procedimiento de muestreo se hace necesario ya que es imposible establecer estaciones de medición en todas estas corrientes. La descarga de ríos pequeños está muy influenciada por factores locales. En regiones desarrolladas, donde hasta las corrientes de agua más pequeñas son económicamente importantes, la falta de estaciones puede sentirse mucho, incluso en pequeñas cuencas de 10 km2. Las estaciones deberían instalarse para medir la escorrentía en diferentes entornos geológicos y topográficos. Como la escorrentía varía mucho con la altitud, las estaciones de la red básica tienen que estar localizadas de modo que puedan, más o menos uniformemente, cubrir todas las partes de un zona montañosa, desde las colinas al pie de una montaña hasta las regiones más altas. Se deberían tomar en consideración las variadas pendientes expuestas, que son muy importantes en terrenos accidentados. Asimismo, se deberían considerar las estaciones en regiones que contienen numerosos lagos, cuya influencia puede determinarse solo a través de la instalación de estaciones adicionales. 20.2.2.2 Nivel de ríos El nivel del agua (altura de la superficie del agua) es observado en todas las estaciones de aforo para determinar la descarga. En caso de una red mínima, hay lugares donde se requieren observaciones adicionales de nivel de agua, por ejemplo: a) en todas las grandes ciudades por las que atraviesan ríos, la información sobre los niveles es utilizada en el marco de la predicción de inundaciones, del abastecimiento de agua, y del transporte; b) en los grandes ríos, entre estaciones de aforos de caudales, los registros de niveles de río pueden ser utilizados para el estudio de la propagación de las crecidas y su predicción. 20.2.2.3 Nivel de lagos y embalses El nivel, la temperatura, el oleaje, la salinidad, la formación de hielo, etc., deberían ser observados en estaciones situadas en lagos y embalses con una superficie superior a 100 km2. Como en el caso de los ríos, la red debería muestrear también algunos lagos y embalses más pequeños. 20.2.2.4 Caudal de sedimentos y sedimentación Las estaciones de medición de sedimentos pueden estar diseñadas para medir el caudal total de sedimentos transportados al océano o para medir la erosión, el transporte y la deposición de sedimento en un país, cuenca, etc. Al diseñar una red mínima, debería hacerse énfasis en la erosión, el transporte y la deposición de sedimentos en
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CAPÍTULO 20
un país. Una red óptima tendría que tener una estación de sedimento en la desembocadura de cada río importante. El transporte de sedimento por los ríos es un grave problema en regiones áridas, sobre todo en regiones de suelos friables y en regiones montañosas donde, para aplicaciones de ingeniería, la cantidad de la carga de sedimento debería ser conocida. Las densidades indicadas en al cuadro 20.4 pueden servir como guías para establecer una red básica, pero el diseñador tiene que recordar que la información del transporte de sedimento es más costosa de reunir que otros registros hidrológicos. Por consiguiente, debe tenerse mucho cuidado en la selección del número y la ubicación de las estaciones de transporte de sedimentos. El énfasis debería ejercerse en aquellas zonas donde se conoce que es severa la erosión. Después de algunos años de medición, puede ser aconsejable interrumpir las mediciones de sedimento en estaciones donde el transporte de sedimento ya no parece ser importante.
CUADRO 20.4 Densidades mínimas recomendadas para estaciones de sedimentos Unidad fisiográfica
Densidad mínima por estación (Superficie en km2 por estación)
Zonas costeras Zonas montañosas Llanuras interiores Zonas escarpadas/ondulantes Pequeñas islas Zonas polares y áridas
18 300 6 700 12 500 12 500 2 000 200 000
Los datos de transporte de sedimento pueden suplementarse con mediciones de sedimentos acumulados en lagos o embalses. Para ello son útiles los dispositivos de ecosonda. Sin embargo, la información obtenida de este modo no ha sido considerada como un sustituto de las mediciones del transporte de sedimento en estaciones de río. 20.2.2.5 Estaciones de medición de la calidad del agua La utilidad de un abastecimiento de agua depende, en gran medida, de su calidad química. Las observaciones de la calidad química, para los fines de esta Guía, consisten en el muestreo periódico del agua en las estaciones de aforo de caudal y en el análisis de los constituyentes químicos frecuentes. El número de estaciones de muestreo en un río depende de su hidrología y de los usos del agua. Cuanto mayor sea la fluctuación de la calidad del agua, mayor
DISEÑO Y EVALUACIÓN DE REDES HIDROLÓGICAS
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será la frecuencia de las mediciones requeridas. En regiones húmedas, donde la concentración de sustancias disueltas es baja, se necesitarán menos observaciones que en climas secos, donde las concentraciones, sobre todo de iones importantes como el sodio, pueden ser altas. La densidad de una red mínima para la observación de la calidad del agua figura en el cuadro 20.5. La sección 20.4 contiene más información relativa a la calidad del agua. CUADRO 20.5 Densidades mínimas recomendadas para estaciones de calidad del agua Unidad fisiográfica Zonas costeras Zonas montañosas Llanuras interiores Escarpado/ondulante Pequeñas islas Zonas polares y áridas
Mínima densidad por estación (Superficie en km2 por estación) 55 000 20 000 37 500 47 500 6 000 200 000
20.2.2.6 Temperatura del agua La temperatura del agua debería medirse y registrarse cada vez que se visite una estación hidrométrica para medir el caudal o para obtener una muestra del agua. La hora del día de la medición también se debería registrar. En las estaciones donde se efectúan las observaciones del nivel diario del agua también deberían realizarse diariamente las mediciones de temperatura. Estas observaciones, cuyo costo es mínimo, pueden proveer información útil para el estudio de la vida acuática, la contaminación, la formación de hielo, las fuentes de agua de enfriamiento para la industria, los efectos de la temperatura en el transporte de sedimento y la solubilidad de los minerales contenidos en el agua. 20.2.2.7 Capa de hielo en ríos y lagos Las observaciones regulares de la capa de hielo deberían incluir: a) observaciones visuales de diversos procesos de formación de hielo y de destrucción de hielo, con registro de la fecha de la primera aparición de hielo flotante, la fecha de la cobertura total, la fecha del inicio de la ruptura del hielo y la fecha en que el hielo ha desaparecido completamente. Estas observaciones deberían efectuarse diariamente;
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CAPÍTULO 20
b) la medición simultánea del espesor del hielo en dos o tres puntos cerca de cada una de las estaciones hidrométricas seleccionadas, deberían hacerse una vez cada cinco a 10 días. La ubicación de los puntos de medición será elegida después de efectuar un estudio detallado de la capa de hielo efectuado al comienzo del período de observación de las estaciones. 20.3 Observaciones del agua subterránea Si bien el propósito de un programa de observación de aguas subterráneas es de una cobertura nacional adecuada, la densidad regional de los pozos de observación dependerá de las características de las unidades hidrológicas, las propiedades del material acuífero, y la importancia y necesidad del desarrollo de los recursos de aguas subterráneas. Así, los estudios de los cambios en los niveles de agua subterránea tienen que estar combinados con la evaluación de otros parámetros del agua subterránea, y las redes tienen que diseñarse para medir otros parámetros, además de la medición del nivel de aguas subterráneas, como los cambios químicos, y la evaluación de la recarga natural y artificial, el monitoreo de la contaminación, y la intrusión de agua de mar. Los objetivos de una red de observación de aguas subterráneas podrían ser los siguientes: a) determinar la profundidad del nivel freático en grandes zonas poco desarrolladas, del espesor del acuífero y su edad; b) determinar la dirección del flujo del agua subterránea; c) evaluar los componentes del balance hídrico subterráneo; d) determinar los contactos con cuerpos mineralizados de aguas subterráneas, especialmente la interfase agua salada/agua dulce; e) proteger los abastecimientos de agua contra la mineralización y la contaminación; f) calibrar modelos de cuencas hidrogeológicas; g) determinar el caudal asegurado y las reservas explotables; h) evaluar los proyectos de agua propuestos; i) prever los niveles de agua y la composición química en base a diversos planes de gestión del acuífero; j) supervisar la explotación del agua y la recarga artificial; k) evaluar los impactos ambientales de los proyectos de utilización de aguas subterráneas. Las observaciones, mediciones, y otras actividades deberían estar planificadas de acuerdo a los objetivos y propósitos para los que está diseñada la red. Las mediciones del nivel de agua son uno de los muchos parámetros requeridos para desarrollar modelos predictivos de sistemas de aguas subterráneas.
DISEÑO Y EVALUACIÓN DE REDES HIDROLÓGICAS
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Si bien las densidades mínimas para aguas subterráneas no ha sido definidas se pueden ofrecer otras orientaciones sobre la ubicación de las estaciones y la manera de hacer el muestreo. El espaciado de los pozos de observación en una red para estudiar el agua subterránea depende de: a) el tamaño de la zona; b) la complejidad de la zona desde un punto de vista hidrológico; c) los objetivos de la red; d) las limitaciones financieras. Si en la investigación hay varios acuíferos a diferentes profundidades con diferentes alturas piezométricas y salinidades, para su estudio se deberían hacer perforaciones de pequeño diámetro y llegar así a cada acuífero (sección 16.2). Estas perforaciones pueden estar separadas sólo de unos metros. El espaciado puede ser diferente para cada acuífero. Los pozos de observación de la red deberían estar diseñados de acuerdo con un modelo geométrico general (un modelo tipo tablero de damas o triangular). Sin embargo, el diseño tiene que ser lo suficientemente flexible como para permitir el uso de pozos existentes y el acceso para las mediciones. Una red nacional básica o mínima en zonas poco explotadas debería ser suficientemente densa para observar todos los acuíferos principales, cuya definición se basa inicialmente en la información geológica disponible. Los siguientes criterios se deberían considerar al establecer la red inicial de un acuífero poco explotado: a) la distancia entre dos pozos de observación tiene que ser similar a la distancia sobre la cual la configuración geológica del acuífero puede ser extrapolado; b) esta distancia variará de un sitio a otro. La distancia máxima entre pozos en zonas extremadamente grandes en una red básica no debería exceder 40 km; c) se debería hacer uso completo de la información hidrogeológica obtenida a partir de pozos perforados para otros fines; d) los pozos existentes deberían ser incorporados en la red para reducir el costo de instalación y perforación de pozos de observación adicionales; e) en terrazas aluviales con poco alcance de los ríos, debería estudiarse la conexión hidráulica entre el agua subterránea y las fluctuaciones del nivel de agua en el río. Se debería hacer un uso integral de las estaciones hidrométricas existentes en ríos para reducir el costo de instalación a un mínimo; f) en áreas con acuíferos cuya profundidad es pequeña, la densidad de la red básica debería aumentarse hasta un punto de observación cada cinco a 20 km2. Para estudios intensivos y para la explotación del acuífero, la densidad debería ser mayor. Se requerirán estudios más intensivos del régimen del agua subterránea, y por lo tanto información adicional, cuando exista una explotación intensiva o una sobreexplotación del acuífero, riego intensivo o sistemas de drenaje, y para servir a objetivos
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CAPÍTULO 20
especiales, como el estudio de intrusión de agua de mar o para redes de agua subterránea relacionadas con grandes proyectos de ingeniería. 20.4 Requisitos específicos para controlar la calidad del agua Hay varias maneras de controlar la calidad del agua: a través de una red de estaciones a largo plazo localizadas estratégicamente, o a través de sondeos repetidos de corta duración, o por una combinación de ambos. Además de los objetivos básicos del programa, para la ubicación de las estaciones deberían tenerse en cuenta los siguientes factores: a) condiciones generales y problemas relativos al agua; b) centros potenciales de desarrollo industrial y urbano; c) tendencias de la población; d) clima, geografía y geología; e) asequibilidad; f) mano de obra disponible, fondos, medios para el proceso de datos sobre el terreno y en laboratorio; g) consideraciones interjurisdiccionales; h) duración del transporte de muestras inestables hasta el laboratorio; i) seguridad del personal. El diseño de un programa de muestreo debería ser controlado y evaluado durante su fase inicial para garantizar la efectividad y eficiencia con respecto a los objetivos del estudio. 20.4.1 Parámetros de calidad del agua Los parámetros que caracterizan la calidad del agua pueden clasificarse de varias formas: propiedades físicas (por ejemplo, temperatura, conductividad eléctrica, color y turbiedad), componentes químicos inorgánicos (por ejemplo, oxígeno disuelto, cloruro, alcalinidad, fluoruro, fósforo y metales), compuestos orgánicos (por ejemplo, fenoles, hidrocarburos clorados, hidrocarburos aromáticos policíclicos y pesticidas), y componentes biológicos (microbiológicos, como coliformes fecales, y macrobióticos, como gusanos, plancton y peces) que pueden indicar el estado ecológico del entorno acuático. Una segunda clasificación se basa en la importancia inherente al parámetro, que variará según el tipo de agua observada, el uso previsto del agua y los objetivos del programa de monitoreo. Las variables relativas a la calidad del agua a veces son agrupadas en dos categorías: a) variables básicas (cuadro 20.6); b) variables relacionadas al uso: i) abastecimientos de agua potable; ii) riego; iii) calidad general para la vida acuática.
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DISEÑO Y EVALUACIÓN DE REDES HIDROLÓGICAS
CUADRO 20.6 GEMS/AGUA variables básicas Ríos
Lagos y embalses
Aguas subterráneas
Calidad general del agua: Descarga/ nivel de agua Sólidos suspendidos totales Temperatura pH Conductividad eléctrica Oxígeno disuelto Transparencia
x x x x x x -
x x x x x x
x x x x x -
Sales disueltas: Calcio Magnesio Sodio Potasio Cloruro Fluoruro Sulfato Alcalinidad
x x x x x x x
x x x x x x x
x x x x x x x x
Nutrientes: Nitrato más nitrito Amoníaco Fósforo total disuelto Fósforo total en suspensión Fósforo total no filtrado Sílice reactivo
x x x x x x
x x x x x x
x x x -
Materia orgánica: Clorofila a
x
x
-
La tercera clasificación, que es muy importante para el procedimiento de muestreo se basa en la estabilidad de los componentes: a) estables: los componentes no se modifican con el tiempo; b) poco estables: los componentes se modifican con el tiempo, pero pueden ser estabilizados al menos 24 horas, con un tratamiento apropiado; o c) no estables: los componentes se modifican rápidamente con el tiempo y no se pueden estabilizar. Los componentes de los primeros dos grupos pueden ser analizados en muestras de agua representativas en el laboratorio. Los del tercer grupo deben ser medidos in situ.
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CAPÍTULO 20
20.4.2 Calidad del agua superficial A veces los objetivos del programa definirán con exactitud las mejores ubicaciones para tomar muestras en un río o un lago. Por ejemplo, para determinar el efecto de la descarga de un efluente en una corriente receptora, se requerirán sitios de muestreo aguas arriba y aguas abajo de la descarga. En otros casos, tanto la ubicación como la frecuencia del muestreo estarán determinados por las leyes de lucha contra la contaminación o por las disposiciones relativas al uso particular de una masa de agua. Por ejemplo, un permiso para descargar contaminantes en aguas superficiales debería contener detalles del monitoreo, como la ubicación, el número de muestras, la frecuencia y los parámetros que han de analizarse. Las estrategias del muestreo son bastante diferentes según los diversos tipos de masas de agua y medios, por ejemplo agua, sedimento o biota. Las aguas de los ríos se mezclan completamente a distancias que varían de pocos kilómetros a algunos cientos de kilómetros de un punto de contaminación. Los lagos pueden estar estratificados verticalmente debido a la temperatura o las afluencias de agua salina de alta densidad. El agua subterránea tiende a fluir muy lentamente, mientras que en la superficie no se observa ningún indicio de las sustancias disueltas en la profundidad. Si los objetivos del programa se refieren al impacto de las actividades humanas en la calidad del agua de una cuenca fluvial dada, la cuenca puede estar separada en regiones naturales y en regiones alteradas. Estas últimas pueden subdividirse además, en zonas estacionarias (sobre períodos de tiempo mayores de 10 años, por ejemplo), y en las en que el impacto es variable, como las zonas agrícolas, residenciales, e industriales. En estudios relativos a la precipitación de ácidos, la sensibilidad del suelo es un factor importante. Las figuras 20.3 y 20.4 contienen algunos ejemplos de la ubicación de las estaciones de muestreo en ríos y lagos para reunir los objetivos específicos. El siguiente paso en la selección de los lugares de muestreo es reunir la información pertinente acerca de la región que se ha de estudiar. La información antedicha incluye aspectos geológicos, hidrológicos y demográficos, así como el número de lagos y corrientes, el tamaño y la ubicación de los acuíferos, la localización de las estaciones existentes (de control de la calidad del agua o de aforo de caudal), el volumen de agua, las condiciones climáticas en la cuenca de captación, el desarrollo histórico, los centros industriales y urbanos presentes y previstos, las tomas de agua y los desagües de aguas residuales, los manantiales salinos naturales, el drenaje de minas, los planes de riego, los reguladores de flujo (presas), los usos del agua presentes y previstos, la utilización actual o prevista del agua, los objetivos o normas de calidad para lagos o ríos, acceso a los sitios potenciales de muestreo (pertenencia del suelo, caminos, pistas de aterrizaje), la disponibilidad de servicios como la electricidad y datos existentes sobre la calidad del agua. La figura 20.5 contiene las etapas que deben seguirse para seleccionar los lugares de muestreo.
DISEÑO Y EVALUACIÓN DE REDES HIDROLÓGICAS
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Fronte ra interna cional
X1
X2 Ciudad importante X 8
3
X
Cuenca natural muy poco habitada
Zona de recreación y pesca
X 6
Zonas urbanas muy industrializadas
X 7 4
X
Riego X 5
X8 X5
Mar
Estación 1 2 3 4 5 6 7 8
Criterios Inmediatamente aguas abajo de una frontera internacional Derivación para el abastecimiento público de una ciudad importante Zona importante de pesca, recreación y diversión Derivación para el riego agrícola a gran escala Límite de influencia de las mareas sobre el río principal Derivación para gran abastecimiento industrial Aguas abajo de descargas de efluentes industriales y afluente importante que influyen el río principal Estación básica de línea, agua en estado natural
Figura 20.3 — Sitios de monitoreo – ríos La distancia aguas abajo hasta el punto de mezcla completa de las aguas es aproximadamente proporcional a la velocidad de la corriente y al cuadrado de la anchura del canal. En general los ríos son poco profundos para lograr la homogeneidad vertical rápidamente después de una fuente de contaminación. La mezcla lateral se logra mucho más lentamente. Así, los ríos de corriente rápida pueden no mezclarse del todo hasta muchos kilómetros aguas abajo del punto de entrada del contaminante.
298
CAPÍTULO 20
X 9
X 10
Re
cre
ac
ión
X 11 12 X
Estación 9 10 11 12
Criterios Principal afluente Calidad general del agua del lago Abastecimiento de agua para una ciudad importante Emisario del lago
Figura 20.4 — Sitios de monitoreo – lagos Diversos protocolos pueden recomendarse para determinar el muestreo representativo en la sección transversal del río, por ejemplo, seis muestras analizadas en duplicado, en tres posiciones a través del río y a dos profundidades diferentes, o muestras a mitad de la profundidad a cada cuarta parte de la anchura, u otros puntos de igual distancia a través de la anchura del río. Si no puede obtenerse una muestra representativa, se aconseja seleccionar otro sitio, inmediatamente aguas arriba o aguas abajo. La otra posibilidad es obtener una muestra compuesta ponderada del flujo, de muestras recopiladas en el corte vertical de la sección transversal. La mezcla longitudinal de descargas irregulares o cíclicas en un río tendrá una influencia secundaria en la ubicación de un sitio de muestreo. Sus efectos deben ser tomados en cuenta al decidir la frecuencia del muestreo y al interpretar la información. La frecuencia del muestreo depende del obejtivo de la red, de la importancia relativa de la estación de muestreo, de la escala de valores medidos, de la variabilidad en el tiempo del parámetro de interés y de la disponibilidad de los recursos. En ausencia de información anterior suficiente, se debe elegir una frecuencia arbitraria basada en el conocimiento de las condiciones locales. Después de recopilar suficiente información, la frecuencia puede ajustarse para reflejar la variabilidad observada. La frecuencia está también determinada por la importancia relativa de la estación y por el hecho de que las concentraciones de algunas sustancias medidas se acerquen o no a los valores críticos.
DISEÑO Y EVALUACIÓN DE REDES HIDROLÓGICAS
299
INVENTARIO DE LOS USOS ACTUALES Y FUTUROS DEL AGUA
INVENTARIO DE LOS FACTORES PRESENTES Y PREVISTOS QUE PODRÍAN AFECTAR LA CALIDAD DEL AGUA
INFORMACIÓN
EXAMEN DE LAS FUENTES POTENCIALES, UTILIZADAS O INUTILIZADAS
RECOPILACIÓN DE DATOS DISPONIBLES SOBRE LA CALIDAD DEL AGUA
PREPARACIÓN DE MAPAS SOBRE LA CALIDAD Y LOS USOS DEL AGUA
DATOS NECESARIOS
EVALUACIÓN DE LOS FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CALIDAD DEL AGUA
EVALUACIÓN DE LAS NECESIDADES EN MATERIA DE AGUA
INFORMACIÓN REQUERIDA PLANIFICACIÓN DE LOS CONTROLES
SITIOS POSIBLES
CONCENTRACIÓN DE DATOS ESTUDIO AMPLIADO
EXAMEN INSPECCIÓN DE CONTROL SOBRE EL SITIO
SELECCIÓN DEL SITIO
MUESTREO Y ANÁLISIS
Figura 20.5 — Etapas realizadas hasta la selección de los sitios de muestreo para el control de la calidad del agua
300
CAPÍTULO 20
Para estaciones de lago, la práctica recomendada es muestrear cinco días consecutivos durante la estación más cálida del año y cinco días consecutivos cada trimestre. Los lagos de zonas temperadas y que experimentan estratificación de las aguas son un caso especial. Éstos deberían ser muestreados al menos seis veces al año, junto con una muestra aleatoria ocasional, para cubrir los siguientes períodos: antes de la estratificación de verano, durante la mezcla siguiente de la estratificación de verano, bajo el hielo y durante los períodos de fusión de la nieve y la escorrentía. Asimismo, se deberían tomar muestras adicionales de los ríos, si es posible, después de tormentas y durante la fusión de la nieve y la escorrentía. Cuando los parámetros se grafican en función del tiempo, las variaciones cíclicas pueden aparecer mezcladas con las fluctuaciones aleatorias. La detección de eventos cíclicos requiere un intervalo de muestreo no mayor que un tercio del ciclo más corto y un muestreo sobre un período al menos diez veces más largo que la duración del ciclo más largo. Por lo tanto, los ciclos de períodos largos no serán verificados en los estudios iniciales, pero serán evidentes cuando funcione la red. Para detectar las variaciones cíclicas, algún muestreo aleatorio es aconsejable, por ejemplo, en diferentes días de la semana o diferentes horas del día. 20.4.3 Calidad de las precipitaciones En general, los sitios de muestreo deberían seleccionarse para lograr una información exacta y representativa relativa a la variación temporal y espacial de los constituyentes químicos de interés. Los factores importantes que se deben tener en consideración son las trayectorias de viento predominantes, las fuentes de compuestos de interés, la frecuencia de las precipitaciones (lluvia, nieve, granizo), y otros procesos meteorológicos que influyen en la deposición. Hay también criterios locales que deben ser considerados: a) no debe existir una fuente móvil de contaminación, como el tráfico de rutina aéreo, terrestre o marítimo, a menos de 1 000 metros del sitio de muestreo; b) no debe haber un depósito en superficie de productos agrícolas, de combustibles, u otros materiales, en un entorno de 1 000 metros del sitio; c) los muestreadores deben estar instalados sobre tierra plana, preferiblemente cubierta de césped, rodeados por árboles a una distancia superior a cinco metros del muestreador. No deben haber fuentes de contaminación cercanas activadas por el viento, como campos cultivados o caminos no pavimentados. Las zonas con remolinos verticales fuertes, las cimas barridas por el viento y los techos de edificio se deberían evitar debido a las fuertes turbulencias; d) ningún objeto más alto que el muestreador debería encontrarse en un entorno de cinco metros del sitio; e) ningún objeto debería estar más cerca del medidor que a una distancia de 2,5 veces la diferencia de altura que existe entre ambos. Se debe tener, sobre todo, mucho cuidado de los cables que pasan por encima del muestreador;
DISEÑO Y EVALUACIÓN DE REDES HIDROLÓGICAS
301
f)
la boca del recolector debería estar localizada al menos a un metro sobre el nivel del suelo para evitar que se introduzcan materias extrañas o salpicaduras; g) los medidores automáticos requieren energía eléctrica para que funcionen las tapas y los sensores, y en algunos casos para la refrigeración en el verano y la calefacción en el invierno. Si se usan líneas de alto voltaje, no deben ser aéreas. Si se utilizan generadores, deben estar localizados bien lejos y vientos abajo del recolector; h) para realizar estudios a escala continental, los sitios deberían ser preferiblemente rurales y remotos, sin fuentes continuas de contaminación en un entorno de 50 kilómetros en la dirección de los vientos predominantes y de 30 kilómetros en todas las demás direcciones. A veces no se pueden reunir todos estos criterios. La descripción de la estación se debería referir a estos criterios y debería indicar las características exactas de cada ubicación elegida para un sitio de muestreo. En los grandes lagos, la precipitación a veces es menos importante que en el litoral y la proporción de partículas grandes puede ser menor. Para muestrear en el medio de un lago, el instrumento debe estar montado en una boya, roca, banco de arena o isla pequeña. El método preferido para muestrear las precipitaciones consiste en tomar muestras cada vez que ocurre un evento. Cada lluvia, o precipitación de nieve, constituye un evento. El análisis de las muestras de precipitación permite determinar los contaminantes asociados con una tormenta particular, y se pueden determinar las fuentes probables por el análisis de las trayectorias de los vientos. Sin embargo, este régimen de muestreo es muy sensible. Las mismas consideraciones estadísticas concernientes a la frecuencia del muestreo se pueden aplicar aquí como en el muestreo de agua de superficie. 20.4.4 Calidad de los sedimentos La mayoría de los criterios de selección descritos en secciones previas también se aplican a las muestreas de sedimentos. Por lo tanto sólo se indican aquí algunas recomendaciones especiales adicionales. Para ríos donde se requieren datos sobre el transporte de sedimentos, es necesario localizar los sitios de muestreo cerca de una estación de aforo de caudal, de modo que se puede disponer en todo momento de los datos exactos de la corriente de descarga. Debería evitarse instalar el muestreador cerca de ubicaciones inmediatamente aguas arriba de una confluencia porque las muestras pueden estar expuestas al fenómenos de contracorrientes. En corrientes demasiado profundas para vadear, se ubican los sitios de muestreo bajo puentes o cerca de un teleférico. Cuando se muestrea desde puentes, se prefiere normalmente aguas arriba. Si se está muestreando en zonas de mucha turbulencia, como cerca de los muelles, el muestreo puede resultar no representativo y se debe poner especial atención a la acumulación de
302
CAPÍTULO 20
restos de basura en los muelles, que puede modificar mucho el flujo y por ende, la distribución del sedimento. Siempre que exista un buen mezclado lateral, una muestra integrada puede considerarse representativa, si se obtiene por mezcla de agua de varios puntos de la columna, en función a su carga media de sedimento. Los mejores lugares para muestrear depósitos de fondo en ríos de corriente rápida son los meandros, los bancos de arena en la mitad del canal y, en general, en zonas protegidas donde la velocidad del agua es mínima. El sitio de muestreo debería ser asequible durante inundaciones, pues durante este período el transporte de sedimentos es muy importante. La identificación de la carga máxima de contaminación, en ríos, se puede realizar de dos maneras: a) si la contaminación es puntual, el muestreo debería efectuarse durante períodos de poco flujo, cuando los afluentes contaminados están menos diluidos; b) si los contaminantes son de origen difuso, como escorrentía de nutrientes agrícolas o pesticidas, el muestreo tiene que estar centrado en períodos de inundación, cuando el contaminante llega al río por lavado del suelo. Si uno de los objetivos es cuantificar el transporte de sedimentos en un sistema de río, debería tomarse nota de que esas concentraciones máximas de sedimento no corresponden necesariamente al momento del flujo máximo. Asimismo, una serie de velocidades de flujo altas conducirán a una disminución progresiva de sedimentos (el efecto de agotamiento surge de la disminución de material disponible). Para lagos, el sitio básico de muestreo debería estar ubicado en el centro geográfico del lago. Si el lago es muy grande (superficie superior a 500 km2), pueden necesitarse varias estaciones básicas. Si deben muestrearse diversos tipos de sedimentos, pueden utilizarse datos de sondeo acústico (ecosondas) para identificar el tipo de material de arrastre (arena, grava o fango) o para indicar la presencia de capas debajo de la superficie. Los sitios de muestreo secundarios deberían estar localizados entre la estación básica y las desembocaduras de los principales afluentes o fuentes contaminantes. Una estrategia común es colocar los puntos debajo del eje mayor del lago con líneas transversales, si procede. De tres a cinco estaciones deberían dar generalmente una buena aproximación de la calidad del sedimento de un lago de tamaño medio. No obstante, para validaciones estadísticas, se requerirá quizá un número mayor de sitios de muestreo. La frecuencia del muestreo en lagos está afectada por las concentraciones generalmente bajas del sedimento suspendido. Las trampas de sedimento deberían funcionar durante los períodos de productividad mínima y máxima de algas y en los momentos de alta afluencia de sedimentos provenientes de los ríos. Al repetir el muestreo de sedimentos de fondo en lagos, se deben tener en cuenta las tasas de acumulación del sedimento. Las cuencas en climas temperados fríos,
DISEÑO Y EVALUACIÓN DE REDES HIDROLÓGICAS
303
frecuentemente tienen tasas de acumulación de 0,1 a 0,2 milímetros anuales. Un período de muestreo de cinco años resultaría demasiado corto como para suministrar nueva información, a menos que se detecte la presencia de un nuevo contaminante. 20.4.5 Calidad del agua subterránea Una gran cantidad de información hidrogeológica puede ser necesaria para planificar la estrategia del muestreo de los acuíferos. Deberían conocerse el nivel de agua, los gradientes hidráulicos, la velocidad y la dirección de los movimientos del agua. Debería hacerse un inventario de pozos, perforaciones y manantiales alimentados por el acuífero, así como de los detalles del uso del suelo. Las muestras de aguas subterráneas deben tomarse del agua de drenaje, de pozos abiertos y de pozos perforados. Los pozos deberían ser muestreados sólo después que han sido bombeados suficientemente para garantizar que ha sido obtenida una muestra fresca de agua. Esto es en particular necesario cuando el pozo tiene un revestimiento propenso a la corrosión. Un pozo existente es una opción de bajo costo, aunque no siempre esté en la mejor ubicación o no se hubiese hecho con materiales no contaminantes. Es mejor un pozo que todavía se usa y que se bombea ocasionalmente, a uno que ha sido abandonado. Los pozos abandonados o no utilizados están casi siempre en condiciones precarias con revestimientos dañados o resquebrajados y equipo de bombeo corroído. Con frecuencia, es difícil medir sus niveles de agua y pueden ser peligrosos. Los cambios en la calidad del agua subterránea pueden ser muy lentos y la toma de muestras mensuales, estacionales, o incluso anuales, sirven en general para estar al tanto de dichos cambios. Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1990: Cost-benefit Assessment Techniques and User Requirements for Hydrological Data. Informe de hidrología operativa N° 32, OMM-N° 717, Ginebra. 2. Organización Meteorológica Mundial, 1990 : Economic and social benefits of meteorological and hydrological services. Proceedings of the Technical Conference, 26-30 de marzo de 1990, OMM-N° 733, Ginebra. 3. Organización Meteorológica Mundial, 1972: Casebook on Hydrological Network Design Practice, OMM-N° 324, Ginebra. 4. Organización Meteorológica Mundial ,1969: Hydrological Network Design: Needs, Problems, and Approaches. (J.C. Rodda, y otros). OMM/IHD Projects Report Nº 12, Ginebra. 5. Organización Meteorológica Mundial, 1976: Hydrological network design and information transfer. Proceedings of the International Seminar, 19-23 de agosto
304
CAPÍTULO 20
1974, Newcastle-upon-Tyne, Reino Unido, Informe de hidrología operativa Nº 8, OMM-N° 433, Ginebra. 6. Organización Meteorológica Mundial, 1982: Concepts and Techniques in Hydrological Network Design. Informe de hidrología operativa Nº 19, OMMN° 580, Ginebra. 7. Moss, M. E. y Tasker, G. D., 1991: An intercomparison of hydrological network design technologies. Hydrological Science Journal, volumen 36, Nº 3, págs. 209-221. 8. Organización Meteorológica Mundial, 1992: Proceedings of the International Workshop on Network Design Practices. 11-15 de noviembre de 1991, Coblenza, Alemania, (en preparación).
CAPÍTULO 21 RECOLECCIÓN DE DATOS
21.1 Selección del sitio Una vez que se ha completado la fase de diseño de red, que se ha establecido la ubicación general de los sitios de recolección de datos en función de las necesidades operacionales y se han definido los tipos de instrumentos, se selecciona el mejor sitio dentro de una ubicación general, como se establece en la Parte B de esta Guía. Las modificaciones que se hagan al sitio pueden ser necesarias para garantizar la calidad de los datos, por ejemplo, la estabilización y limpieza del lecho de un río. Cuando un sitio ha sido seleccionado y los instrumentos han sido instalados, dos tipos de información serán recopilados: la descripción en detalle del sitio y su ubicación, así como los parámetros hidrológicos que se medirán. Una vez establecido el sitio, la instalación debe funcionar y mantenerse según los objetivos previstos. En general, esto incluye la ejecución de un plan adecuado de inspección y mantenimiento para garantizar la continuidad y la fiabilidad de los datos, y la realización de mediciones de control y calibraciones periódicas para garantizar la exactitud requerida de los datos.
21.2 Identificación de la estación Para que las series de datos recogidos en un sitio estén suficientemente documentadas debería crearse un sistema de identificación y un archivo de la información descriptiva. 21.2.1 Identificación de los sitios de recolección de datos Cada sitio permanente debería ser dotado de un código identificador único que contenga toda la información básica y otra información pertinente al sitio. Dichos identificadores son en general numéricos, pero también pueden ser alfanuméricos. Con frecuencia, más de un servicio u órgano tiene estaciones de recolección de datos en una misma región o país. La aceptación por todas las partes de un sistema único de identificación de sitios facilitará el intercambio de información y la coordinación multipartidaria de las actividades de recolección de datos. La región elegida debería estar determinada por cuenca(s) de drenaje o zonas climáticas, y una parte del código de identificación del sitio debería reflejar su ubicación dentro de la región.
306
CAPÍTULO 21
El código de identificación de sitio puede ser simplemente un número de acceso, por ejemplo, un número secuencial asignado de acuerdo al orden atribuido a las estaciones a medida que se han establecido. El sofisticado sistema de identificación NAQUADAT, del Canadian National Water Quality Bank, constituye un sistema diseñado para el procesamiento informático de los datos. Tiene un código alfanumérico de 12 dígitos, que es el elemento fundamental para almacenar y recuperar la información en el sistema informático. Este número está compuesto de varios elementos [1]: a) tipo de agua. Un código numérico de dos dígitos para indicar el tipo de agua observada, como corrientes, ríos, lagos o precipitaciones. Este código ha sido extendido para incluir otros tipos de medios acuáticos. La Tabla 21.1 contiene una lista de todos los códigos actualmente asignados; TABLA 21.1 Claves NAQUADAT para los diversos medios acuáticos Tipo
Clave
Subtipo
Clave
Aguas superficiales
0
Curso de agua – canal Lago Estuario Océano – mar Estanque Cuenca embalsada Puerto Zanja Escorrentía Desconocido
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Aguas subterráneas
1
Pozo – sumidero Fuente Pozo de observación Canal de drenaje Pantano Grifos domésticos Desconocido
0 1 2 3 4 8 9
Aguas usadas tratadas o no
2
Industrial Urbana Minera Aguas residuales de ganadería Desconocido
0 1 2 3 9
Precipitaciones
3
Lluvia Nieve
0 1
307
RECOLECCIÓN DE DATOS
Tabla 21.1 (continuación) Precipitaciones (cont.) 3
Granizo Precipitaciones mixtas Precipitaciones secas
2 3 4
Abastecimiento de aguas tratadas
Urbano Industrial Minero Privado (individual) Otras actividades comunales Distribución urbana Estación urbana de depuración (intermediaria) Residuos o lodos de tratamiento Otros
0 1 2 3 4 5
Sedimentos, suelos
4
5
6 7 9
Cauce de curso de agua Fondo de lago Margen de curso de agua Margen de lago Contaminado por el suelo Suelo en general Suelo regado por un efluente Suelo de secadero de lodos tratados Otros
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Aguas usadas e industriales
6
Aguas de lluvia Afluente primario Efluente primario Efluente final Lodo Problemas especiales Otros
0 1 2 3 4 5 6
Aguas usadas urbanas
7
Aguas brutas Efluente de laguna o albufera primaria Efluente de laguna o albufera secundaria Efluente primario normal Efluente secundario normal Efluente del tratamiento de aguas usadas
0
5
Efluente desinfectado Lodos brutos Lodos digeridos Otros
6 7 8 9
1 2 3 4
308
CAPÍTULO 21
Tabla 21.1 (continuación) Aguas usadas diversas
Flora y fauna acuática
8
9
Aguas brutas o crudas Efluente de laguna o albufera primaria Efluente de laguna o albufera secundaria Efluente primario ordinario Efluente secundario ordinario Efluente de tratamiento de aguas usadas Efluente desinfectado Lodos brutos Lodos digeridos Otros
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Sin definir todavía (por ejemplo: peces, fitoplanctón, bentos, macrofitos, perifitón y zooplanctón)
Fuente: Organización Meteorológica Mundial, 1988: Manual on Water Quality Monitoring — Planning and Implementation of Sampling and Field Testing. Informe de hidrología operativa Nº 27, OMM–Nº 680, Ginebra.
b) provincia, cuenca, y subcuenca. Tres pares de dígitos y letras para identificar la provincia, la cuenca y la subcuenca; c) número de orden. Número de cuatro dígitos asignado generalmente por una oficina regional. Por ejemplo, el número de estación 00BCO8NA0001 indica que el sitio de muestreo está en una corriente, en la provincia de Columbia Británica, en la cuenca 08, y en la subcuenca NA, y el número de secuencia es 1. La estación 010N02E0009 está en un lago, en la provincia de Ontario, en la cuenca número 02 y en la subcuenca IE y el número de orden es el 9. La OMM aceptó un sistema de codificación para identificar las estaciones [2] que es similar a los apartados b) y c) del sistema de NAQUADAT. Otro sistema de codificación bien conocido para muestrear puntos es el índice de milla de río (River Mile Index) utilizado por la Enviromental Protection Agency de Estados Unidos, como parte del sistema STORET. En este sistema, la ubicación de un punto de muestreo es definido por la distancia y la relación hidrológica a la desembocadura del sistema fluvial. Este sistema incluye códigos de cuencas principales y secundarias, el número de flujo terminal, la dirección y el nivel de la corriente del flujo, la distancia en millas entre y hasta las confluencias del sistema fluvial y el código para identificar el nivel de corriente en el cual está ubicado el punto.
RECOLECCIÓN DE DATOS
309
21.2.2 Información descriptiva En muchos casos el valor de los datos será mejor si el usuario puede relacionarlo con la información histórica de su recolección. Para este fin, un fichero de observaciones de la estación debería registrar los detalles de cada estación. El nivel de detalles variará por supuesto con el parámetro monitoreado. La información incluiría el nombre y la ubicación de la estación en forma detallada, el tipo de estación, las estaciones asociadas, el establecimiento, el funcionamiento, los propietarios, su altitud, la frecuencia de las observaciones, los períodos de explotación y los detalles del equipo instalado. Deberían también estar incluidos detalles adicionales relativos al tipo de estación. La información seleccionada a partir de este archivo debería estar incluida sistemáticamente en cualquier emisión de datos (capítulo 25). Un archivo de datos históricos más detallado de las actividades de la estación debería también estar preparado para distribuirlo según proceda (capítulo 25). De nuevo, el nivel de detalles variará con el tipo de observaciones que se registren. Una estación de corriente puede incluir detalles como la precipitación zonal y notas sobre el clima y la evaporación, la geomorfología, las curvas de terreno, la vegetación, el uso y la limpieza del suelo y detalles de la estación. La información de un archivo como éste incluirá la descripción de la estación, un diseño detallado del sitio, un mapa regional y una descripción narrativa del sitio y la región. Algunos ejemplos de este tipo de archivos pueden ser encontrados en [3] y [4]. La figura 21.1 contiene un ejemplo. 21.2.2.1 Descripción de una estación Una descripción exacta de la ubicación de muestreo mencionará las distancias que separan la estación de puntos de referencia. Es importante que estos puntos de referencia sean permanentes y claramente identificados. Por ejemplo, “cinco metros al noroeste del vástago de sauce” es una mala designación para un sitio de información. Un ejemplo de una descripción clara es “30 metros río abajo del Puente Lady Aberdeen (Autopista 148), entre Hull y Pointe Gatineau y 15 metros del pilar situado a la izquierda mirado río abajo”. Debería también estar registrada la fecha en que la estación hizo su primera recolección de datos y aquella en que fue establecida. Para las estaciones que miden el flujo fluvial y la calidad del agua, la información sobre la ubicación debería también incluir descripciones del caudal aguas arriba y aguas abajo de la estación, la profundidad del agua, una descripción de los bancos en ambos lados del caudal, el material del lecho, así como cualquier irregularidad morfológica que pueda afectar al flujo de agua o su calidad (una curva en un río, una ampliación o reducción del canal, la presencia de una isla, saltos de agua o rápidos o la entrada de un afluente cerca de la estación). Una descripción de los bancos debería incluir la pendiente del curso, la composición y la extensión de la vegetación. El lecho o sedimento puede ser descrito como rocoso, lodoso, arenoso, cubierto de vegetación, etc. La descripción de los alrededores de la ubicación de la estación debería
310
CAPÍTULO 21
DOE, INLAND WATERS DIRECTORATE, WATER QUALITY BRANCH DESCRIPCIÓN DE LA UBICACIÓN DE UNA ESTACIÓN REGIÓN
______________
PROVINCIA ___________________
CUENCA ______________
DATOS DE LA ESTACIÓN SUBTIPO
PROV. CUENCA
CUENCA
N° DE ORDEN
LATITUD
S
GRA
ZONA UTM
S
UBICACIÓN DE LA ESTACIÓN
LONGITUD
MIN HACIA
SEG
S
GRA
MIN HACIA
EL ESTE
PR
SEG
EL NORTE
PR
S
Embalse Arroyo En ______________ Lago Río En _______________ Cerca de ______________ Prov. ____________ Situado en _______ Sección _______ Cantón ________ Región _______ Puesta en servicio __________________ 19_____ Distancia entre la base y la estación ______________________________ Distancia entre la estación y el sitio de análisis ______________________ Ubicación de la estación con respecto a: ciudades, puentes, autopistas, vía férrea, afluentes, islas, cascadas, presas, etc. __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ Descripción y ubicación de las instalaciones hidrométricas más cercanas: _________________________________________________ __________________________________________________________
Figura 21.1 — Formulario para describir la ubicación de una estación
RECOLECCIÓN DE DATOS
DESCRIPCIÓN DE LA ESTACIÓN
311
DIRECCIÓN DE LA CORRIENTE: ____________________________________________________ DESCRIPCIÓN DEL CANAL AGUAS ARRIBA DE LA ESTACIÓN: ____________________________________________________ DESCRIPCIÓN DEL CANAL AGUAS ABAJO DE LA ESTACIÓN: ____________________________________________________ ____________________________________________________ DESCRIPCIÓN DE LA MARGEN IZQUIERDA:
____________________________________________________ DESCRIPCIÓN DE LA MARGEN DERECHA:
____________________________________________________ LECHO:
ROCOSO, PEDREGOSO, ARENOSO, LIMPIO, CUBIERTO DE VEGETACIÓN:
____________________________________________________ Dimensiones aproximadas y descripción de lagos y/o embalses: _____________________________________________________
OBSERVACIONES
Formaciones naturales y/o instalaciones que podrían afectar la corriente: _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ Fuente de derrames de sustancias químicas u otras sustancias: _____________________________________________________ _____________________________________________________
Figura 21.1 — Formulario para describir la ubicación de una estación (cont.)
312
CAPÍTULO 21
mencionar cambios estacionales que pueden obstaculizar la recolección de datos en el año. La información adicional en el caso de lagos puede incluir la superficie, la profundidad máxima, la profundidad media, el volumen y el tiempo de permanencia del agua. Toda información adicional sobre las condiciones, naturales o no, que pueden influir en los resultados de la medición debería estar registrada. Las modificaciones pasadas y previstas del terreno y fuentes de contaminación deberían estar mencionadas, por ejemplo, fuego de bosques, construcción de caminos, trabajos en minas viejas y uso existente y previsto del suelo. 21.2.2.2 Croquis detallado de la ubicación de la estación Debería prepararse un diagrama de la ubicación y la disposición de la estación (incluidas las distancias expresadas en unidades apropiadas) con respecto a puntos de referencia locales y permanentes (figura 21.2). Las ubicaciones de sitios y del equipo de muestreo o medición deberían ser resaltadas en el esquema.
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Je
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-B
ap
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Blud Greder
Croquis detallado de la ubicación de una estación, incluidas dimensiones, etc., entre los puntos de referencia
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Barrera de troncos
Figura 21.2 — Croquis de ubicación de una estación 21.2.2.3 Mapa Un mapa en gran escala (figura 21.3) en el que se localice el sitio con respecto a caminos, autopistas, poblaciones cercanas, etc., debería ser incluido. La combinación
313
RECOLECCIÓN DE DATOS
del mapa y el croquis de la ubicación de la estación debe proveer una información completa de la ubicación. Un mapa y un croquis en detalle deberían permitir a una persona, que va por primera vez a la estación, llegar hasta allí con facilidad. Mapa en el que se indica la ubicación de una estación (•) con respecto a las vías principales y secundarias, a las calles, a las poblaciones, a los puntos de referencia, a los afluentes, etc.
Pointe Gatineau
ío
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TP a T O ttaw LE O P N
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R
TP
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Parque
Rí o
HU
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Lago Leamy
Figura 21.3 – Mapa de ubicación de una estación 21.2.2.4 Coordenadas Una estación puede ubicarse por sus coordenadas geográficas (latitud y longitud), sus coordenadas UTM (Universal Transversal Mercator), y, si el sitio está sobre una corriente, por la distancia aguas arriba desde un punto de referencia, como una estación de referencia o la desembocadura de un río. Las referencias de red nacional, si es posible, deberían también darse. El sistema internacional GLOWDAT (es decir, el banco de datos GEMS/AGUA [3]) utiliza el código de la OMM que divide al mundo en ocho partes, atribuye al hemisferio norte los valores 0, 1, 2 y 3, para 0°-90°W, 90°-180°W, 180°-90°E y 90°0°-E, respectivamente [5]. Para el hemisferio sur los códigos correspondientes son: 5, 6, 7, y 8 para 0°-90°W, 90°-180°W, 180°-90°E y 90°-0°E [3]. Los valores de latitud y longitud deberían ser obtenidos desde proyecciones topográficas de escalas 1:50 000 ó 1:250 000. Los puntos en un mapa de 1:250 000
314
CAPÍTULO 21
pueden estar ubicados con una exactitud de ±200 metros y en una escala de 1:50 000 cerca de ±40 metros [3]. Si existen tablas de navegación, se pueden usar para obtener valores más exactos que la proyección topográfica. 21.2.2.5 Descripción Narrativa Para las estaciones que miden el caudal y la calidad del agua, se recomienda que la descripción narrativa comience con el nombre del río, el lago, o el embalse, así como su ubicación (aguas arriba o aguas abajo) y su distancia (0,1 km o menos) de la población más cercana, puentes importantes, centros urbanos, autopistas u otras referencias fijas. El nombre de la provincia, territorio, u otra división geopolítica debería también estar incluido. La información relativa a cambios en el sitio, incluido el cambio de instrumento, debería figurar en la descripción narrativa para ofrecer una descripción histórica del sitio y la región que representa. El capítulo 25 contiene un ejemplo de esta descripción. 21.3 Frecuencia y programa de visitas a una estación. La frecuencia y el horario de muestreo, es decir las visitas al sitio deberían estar determinados por el uso anticipado de la información y deberían permitir la organización de las observaciones en el tiempo. Las visitas a la estación serán, por lo tanto, para la observación o la recolección de información y para el mantenimiento del sitio. Cuando la variable de interés en el sitio cambia rápidamente, las visitas a las estaciones manuales tienen que ser más frecuentes si se quiere mantener un registro válido. En estas condiciones, se puede instalar un equipo de registro automático, si se tienen fondos y un equipo técnico especializado. Esto se aplica particularmente a los datos sobre la precipitación y los niveles de agua, donde se deben realizar observaciones más frecuentes con fines hidrológicos durante tormentas o inundaciones, así como en las estaciones ubicadas en ríos afectados por las mareas. 21.3.1 Estaciones manuales Numerosos argumentos indican que las observaciones en estaciones climatológicas y estaciones hidrométricas se deben realizar en horas sinópticas. En una publicación de la OMM [6] se señalan las horas en las que se deben efectuar, en las estaciones sinópticas, las observaciones meteorológicas hechas a intervalos de tres a seis horas (0000, 0300, 0600, 0900, 1200, 1500, 1800, y 2100 UTC). En la mayoría de los países, estas estaciones son las estaciones fundamentales de los programas de observación meteorológica y climatológica. Si el observador tiene que efectuar tres observaciones por día, sería muy conveniente que las horas estén relacionadas con el amanecer, el atardecer y el mediodía. Para estaciones en que sólo se hacen una o dos observaciones diarias, debería ser posible seleccionar las horas sinópticas para realizarlas.
RECOLECCIÓN DE DATOS
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Se recomienda que todos los observadores que realizan solamente una observación diaria, tengan un mismo tiempo de observación, preferentemente por la mañana. Si bien sería preferible que las observaciones regulares se efectúen en horas sinópticas, en algunos casos, no es posible. En esos casos, es importante que estas observaciones sean efectuadas cada día a la misma hora y que estas sean registradas en UTC o en tiempo local utilizando intervalos de 24 horas. Si la “hora de verano” (tiempo de ahorro de luz solar) es introducida para una parte del año, se tomarán las disposiciones necesarias para que las observaciones se realicen a la misma hora UTC, durante todo el año. El tiempo designado de la observación debería ser el fin del período en que el conjunto de observaciones son realizadas en una estación. La serie de observaciones deberían ser hechas, si es posible, dentro de los primeros 10 minutos de la hora de observación prevista. Sin embargo, aunque la observación se realice a la hora prevista o no, es importante registrar con cuidado el tiempo real de la observación. En los tramos de ríos, las horas de observación deberían adaptarse al ciclo de las mareas. 21.3.2 Estaciones registradoras La frecuencia y el horario de visitas a las estaciones registradoras estarán determinados por el tiempo esperado en que la estación pueda estar funcionando sin mantenimiento. Por ejemplo, algunos pluviógrafos que inscriben las mediciones sobre una banda hidrográfica de registro semanal, requerirán visitas semanales para retirar y reemplazar las bandas. Otros instrumentos tienen capacidades mucho mayores de almacenamiento de información y, por lo tanto, requieren visitas menos frecuentes. Un equilibrio tiene que ser logrado entre la frecuencia de las visitas y la calidad de la información recopilada. Si las visitas no son muy frecuentes puede resultar un funcionamiento deficiente del registrador y, así una perdida de información, mientras que visitas mas frecuentes serán mas costosas. Diversos estudios se han realizado sobre la relación costo-eficacia y sobre la eficiencia de la recolección de datos. La publicación de la OMM titulada Economic and Social Benefits of Meteorological and Hidrological Services [7] contiene más información al respecto. La frecuencia de las visitas puede también estar determinada por la exactitud que se requiere de la información. Algunos dispositivos de recolección de datos pueden sufrir una deriva en la relación entre la variable que está registrando y la que representa. Un ejemplo puede ser la relación inestable de la curva de caudales. En dichos casos, ser requerirán visitas periódicas a la estación para recalibrar el equipo o para establecer una nueva curva de caudales. Al introducir registradores electrónicos de datos y la transmisión de datos por teléfono o satélite, podrían cambiar mucho, la frecuencia de inspección y la recolección de datos de las estaciones (sección 21.5.3). Sin embargo, cabe señalar que para garantizar la calidad de la información, es necesario un mantenimiento regular de la estación.
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CAPÍTULO 21
21.4 Mantenimiento de los sitios de recolección de datos Las siguientes actividades de mantenimiento deberían ser realizadas en los sitios de recolección de datos a intervalos determinados para garantizar la calidad de la información que se registra. Estas actividades deberían ser efectuadas principalmente por los observadores encargados de los sitios. Sin embargo, a veces también pueden ser realizadas por un inspector (sección 22.1.1). En todas las estaciones de recopilación de datos se deben llevar a cabo las siguientes actividades: a) dar mantenimiento adecuado a los instrumentos; b) reemplazar o mejorar los instrumentos, según proceda; c) recuperar o grabar las observaciones; d) controlar los registros efectuados; e) controlar todo el equipo anexo (por ejemplo, líneas de transmisión, etc.); f) controlar y manter del sitio de acuerdo a las especificaciones recomendadas; g) controlar y mantener el acceso a la estación; h) registrar todas las actividades anteriores; i) comentar los cambios en el uso del suelo o de la vegetación; j) limpiar los escombros y la vegetación que molesten alrededor de la estación. Para las estaciones de medición de caudales: a) controlar la estabilidad de los márgenes, si es necesario; b) controlar el nivel del agua y la garita de los aparatos, si procede; c) controlar y efectuar el servicio a los aparatos de medición de flujo (teleféricos, etc.), si es necesario; d) controlar y reparar las estructuras de control, si es necesario; e) hacer estudios relativos a las condiciones que predominan en determinado momento y fotografiar los principales cambios de la estación después de que se produzcan fenómenos importantes, de cambios en la vegetación o en el uso de las tierras; f) registrar, por escrito, todas las actividades anteriores y sus resultados; g) inspeccionar el terreno en los alrededores y aguas arriba, y registrar cualquier cambio importante del uso del suelo o de las características hidrológicas. Para más detalles véase el Manual on Stream Gauging [8] de la OMM La medición de crecidas no puede ser programada como parte de una inspección de rutina debido a la naturaleza impredecible de las inundaciones. Un plan de acción contra las inundaciones debería ser establecido antes del comienzo de la estación de tormentas y debería incluir las estaciones prioritarias de medición y los tipos de datos requeridos. Si se necesitan mediciones de crecidas en un determinado sitio, las preparaciones deberían comenzar a hacerse durante la estación seca anterior, para que de esta manera todo esté listo para cuando ocurra la máxima crecida. Los trabajos de preparación incluyen : a) mejoras en el acceso al sitio (helipuerto, si procede) b) equipar un sitio para establecer un campamento provisional con víveres y equipo;
RECOLECCIÓN DE DATOS
c)
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almacenar y controlar el equipo de medición.
21.5 Observaciones Los componentes de recolección figuran en la Tabla 21.2. 21.5.1 Estaciones Manuales Los observadores deberían estar equipados con cuadernos de terreno y/o planillas diarias de la estación en donde las observaciones puedan ser registradas en el mismo momento de ser efectuadas. Los formularios deben ser de forma que el observador pueda registrar las observaciones diaria, semanal, quincenal, o mensualmente, según proceda. El cuaderno de notas o el diario de la estación debe permanecer en poder del observador, en caso de que se pierda en la transmisión a un centro de proceso de datos. Los formularios de informe deberían estar diseñados de manera que se puedan copiar con facilidad los resultados anotados en el cuaderno de terreno o el diario de la estación. Una buena solución es tener el formulario de informe idéntico a una página del cuaderno de terreno o al diario de la estación. Al menos, los distintos elementos deberían estar en las mismas columnas o filas en ambos. Debería permitirse un espacio adicional en el diario y tal vez en el formulario de informe, para conversiones o correcciones que deban ser aplicadas a las lecturas originales. Asimismo, un cuaderno de observaciones con papel carbón entre páginas sucesivas permitirá la fácil preparación de un original para ser despachado a la oficina central, y una copia para el registro de la estación. Este no es un procedimiento satisfactorio si el cuaderno se lleva sobre el terreno, pues la humedad puede hacer fácilmente ilegibles las entradas. En le caso de un proceso automático de datos, los formularios de informes pueden también estar en formatos codificados apropiados para la conversión directa a un medio informático. Los datos pueden ser directamente insertados en una computadora portátil o fija, ubicada en el sitio de recolección. El valor de los datos puede ser muy mejorado o devaluado según la calidad de la documentación que los acompañan. Los observadores deben acostumbrarse a hacer comentarios sobre cualquier influencia externa que pueda afectar las observaciones que estén relacionadas con el equipo, la exposición, o que sean influencias transitorias. Además, los formatos de entrada y los formularios deben ser lo suficientemente flexibles para permitir adicionar comentarios junto con los datos finales. Es importante que los comentarios publicados sean expresados en una terminología normalizada, y es preferible también que se utilice un correcto vocabulario en los informes de terreno. Sería útil también establecer sistemas de proceso de datos, como la codificación y el marcaje de la calidad de las mediciones, que se lleven a cabo a medida que se hagan las observaciones. Esto es aplicable particularmente a las observaciones manuales porque obligará al observador a formular una opinión mientras las condiciones están
Toma de datos Detección 1. Visual Escala limnimétrica, uso de las tierras, descripción del sitio, textura del suelo, etc. 2. Mecánica Pluviómetro, termómetro, molinete, penetrómetro
Transmisión
Registro 1. Cuaderno de terreno Texto descriptivo y valores o elementos de parámetros 2. Hoja de datos de terreno Sirve para escribir el texto descriptivo y los valores o elementos de parámetros Podría ser codificado con anterioridad para recibir un tratamiento informático ulterior
1. Manual Observadores sobre el terreno Servicio postal Teléfono 2. Automática (telemetría) Teléfono Línea terrestre especializada Radio Satélite
3. Gráficos Registro continuo de los valores sobre papel por medio de una pluma trazadora 4. Medios informáticos compatibles a) registros manuales formularios de lectura óptica formularios de selección múltiple b) Registros automáticos casettes rollo de papel memoria de la computadora
NOTA: Esta tabla se aplica a los elementos o parámetros observados sobre el terreno. Existen importantes grupos de datos, por ejemplo los relativos al suelo o a la calidad del agua, para los cuales se requiere analizar en laboratorio las muestras obtenidas. En consecuencia, el sistema de recolección de datos es casi siempre el siguiente: a) muestreo mecánico; b) inscripción en el cuaderno o la hoja de datos de terreno.
CAPÍTULO 21
3. Eléctrica Termistor, radiómetro, captor de presión, sonda de conductividad
Recolección de datos
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TABLA 21.2 Componentes de la recolección de datos
RECOLECCIÓN DE DATOS
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siendo observadas. Los avances recientes que minimizan errores en el proceso de datos procedentes de los libros de mediciones de terreno (lectores ópticos y computadoras de terreno portátiles) permiten la entrada directa de las observaciones en la memoria de la computadora. Estos aparatos permiten un control automático de la calidad de los datos. Las observaciones sobre el terreno que pueden ayudar a interpretar la calidad de las aguas (color u olor extraños, crecimiento excesivo de algas, manchas de aceite, superficiales o cantidad excesiva de peces muertos) deben ser asentadas en el informe. Este tipo de observaciones deben estimular al investigador que trabaja sobre el terreno a tomar muestras adicionales, además de todas las requeridas por el programa establecido. El tipo de muestras y su conservación deben ser compatibles con el tipo de análisis que el investigador considera necesario según las condiciones prevalecientes. Si se recogen muestreos adicionales en otros sitios que los establecidos por la estación, la descripción de su localización debe ser archivada con exactitud. Este tipo de información y los muestreos adicionales han probado ser de mucha utilidad en la fase interpretativa del estudio. 21.5.2 Estaciones registradoras En las estaciones registradoras automáticas, las observaciones son anotadas en gráfica o digital. De cualquier modo, las siguientes observaciones deben ser grabadas en el momento de cualquier visita para la recuperación de datos o para efectuar su mantenimiento : a) número de identificación de la estación; b) observaciones de fuentes independientes en el momento de la recolección (por ejemplo tableros de medición, precipitaciones totales recogidas); c) comentarios específicos relativos a los mecanismos de grabación, incluido su estado, las observaciones corrientes y la hora. Cada inspección será completada llenando una hoja de inspección de la estación. La extracción final de las observaciones a partir de los datos recogidos deberá realizarse con ayuda de medios informáticos. Sin embargo, el recolector de datos deberá controlar los datos visualmente durante la recolección in situ o utilizar una computadora de campo si los datos recolectados son compatibles con la computadora. Los comentarios deberán escribirse en los gráficos o anotarse en la hoja de inspección. Con grabadores gráficos, las observaciones son recolectadas en forma continua, pero necesitan un procesamiento en la oficina. Los recolectores de datos, sin embargo, grabarán los mismos datos a intervalos específicos de tiempo (según las necesidades del usuario). Los recolectores inteligentes de datos también permitirán una compresión de los datos y una variabilidad de las horas de observación. Cuando se deben observar varios parámetros simultáneamente, la coordinación de las observaciones
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CAPÍTULO 21
puede ser llevada a cabo por un registrador de datos inteligente. Por ejemplo, los datos de precipitaciones pueden registrarse cada cinco minutos o a cada marca del balde de recolección cuando el nivel se altera en más de un centímetro, y los parámetros de calidad del agua cuando la altura de la corriente supere los diez centímetros y/o cada 24 horas (sección 6.2.4). Al igual que con los grabadores gráficos, las observaciones independientes sobre el terreno deben ser hechas y grabadas en cada visita. Cuando una estación ha estado en funcionamiento por un período razonable, la frecuencia y duración de las inspecciones deben ser revisadas, según las capacidades de los instrumentos y las necesidades de datos en ese sitio. En algunos casos, se debe examinar la posibilidad de recopilar datos en tiempo real mediante varios sistemas de comunicación. Este método de recolección de datos puede ser más barato que las visitas periódicas a los sitios (sección 21.6). 21.5.3 Informes en tiempo real Los datos de muchas estaciones, registrados o no, se utilizan en tiempo real, por ejemplo en la gestión de embalses, en situaciones de predicción y avisos de crecidas y en otros casos como un método rentable de recolección de datos. Los instrumentos registradores pueden transmitir los datos a los intervalos prescritos o cuando hay una variación en los parámetros medidos, o ser interrogados por la oficina de recolección para determinar la situación en un momento determinado o modificar los intervalos de observación. Los recolectores inteligentes pueden también suministrar información sobre las capacidades de almacenamiento permitidas del instrumento y de la condición de su fuente de alimentación. Procesos automatizados de control de calidad pueden ser desarrollados en estas situaciones. 21.5.4 Instrucciones adicionales para los observadores Las instrucciones dadas a todos los observadores deben estar claramente redactadas y contener orientaciones sobre los siguientes asuntos: a) breve descripción de los instrumentos, con diagramas; b) separación y mantenimiento de rutina de los instrumentos y medidas que deben tomarse en caso de averías o defectos graves; c) procedimientos para hacer las observaciones; d) horas normales de observación; e) criterios para el comienzo, el final y la frecuencia de las observaciones especiales (por ejemplo, observaciones del nivel de la corriente cuando supera un nivel predeterminado); f) procedimientos para hacer controlar la hora y para informar sobre las observaciones de control en los gráficos, a las estaciones con instrumentos registradores; g) forma de rellenar los cuadernos de terreno o los diarios de las estaciones;
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h) forma de llenar los formularios, incluidos métodos para calcular medias y totales con ejemplos apropiados; i) envío de los informes a la oficina central. Estas instrucciones escritas deben ser complementadas por instrucciones verbales hechas por el inspector al observador en el momento de la instalación de los instrumentos y luego a intervalos regulares. Las instrucciones deben destacar la importancia que tienen las observaciones periódicas, con una breve descripción de cómo se utilizan los datos observados en el desarrollo de recursos hídricos, predicciones hidrológicas o estudios de control de inundaciones. Se debe indicar con precisión cualquier observación especial que pueda ser requerida durante períodos especiales, por ejemplo durante crecidas, así como los informes especiales que deben redactarse. Se pedirá también a los observadores que no olviden rellenar los espacios correspondientes al nombre de la estación, la fecha y su firma. Se insistirá sobre la necesidad de informar inmediatamente cualquier avería instrumental o modificación importante del sitio de observación. Los observadores, en estaciones equipadas con instrumentos de registro automático, deben recibir instrucciones sobre los métodos para reemplazar las bandas de registro y para realizar observaciones de control. Estas instrucciones deben reforzar la importancia que tiene anotar en los gráficos toda la información que pueda ser requerida en el procesamiento posterior. Esta información debe incluir la identificación de la estación, hora del comienzo y finalización de las observaciones, lecturas de control y cualquier otro dato que pueda facilitar la interpretación del registro posteriormente. El personal que trabaja en estaciones a tiempo completo debe estar suficientemente bien capacitado para recopilar los datos de las bandas de los instrumentos registradores automáticos. El personal debe recibir instrucciones escritas sobre los métodos para recoger los datos de las bandas y para rellenar los formularios del informe. Si bien en muchas estaciones los observadores no han recibido una formación completa, es preferible que los observadores no realicen un trabajo tan complejo como la recogidas de datos de las bandas. En estos casos, las bandas deben ser enviadas a la oficina central para el proceso de datos. En algunos países se han introducido instrumentos para medir en forma numérica el nivel del agua, la calidad del agua y de las precipitaciones. En estos casos, las instrucciones a los observadores se limitarán a la información sobre el mantenimiento de rutina, las observaciones de control y métodos para el envío de los registros a la oficina central para el proceso por medios informáticos. 21.6 Sistemas de transmisión 21.6.1 Generalidades En los últimos años, la demanda de los usuarios de datos hidrológicos es cada vez más compleja, de manera que los sistemas que incluyen transmisión automática de
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CAPÍTULO 21
observaciones hidrológicas han sido incorporados a redes nacionales. En consecuencia, ha sido necesario crear códigos para facilitar el formato de observaciones para la transmisión y difusión de las predicciones. Los códigos hidrológicos HYDRA (datos hidrológicos) e HYFOR (predicción hidrológica) se examinan en la sección 4.4. En la siguiente lista se indican diferentes posibilidades para organizar sistemas de transmisión (la sección 6.2.4 contiene más detalles al respecto): a) manual – El observador en la estación envía por correo, radio o teléfono los datos a la oficina central, según los criterios previos; b) manuales semiautomáticos – La oficina central interroga manualmente a la estación automática por teléfono, radio o radioteléfono, o satélite y recibe en cada llamada, valores discretos instantáneos. Es posible tener equipo de discado telefónico automático en la oficina central que permite efectuar llamadas en serie; c) automático programado – Equipo automático en estaciones, programado para iniciar la transmisión de una sola observación instantánea y/o observaciones anteriores contenidas la memoria del registrador; d) indicador automático de eventos – La estación transmite automáticamente por radio, teléfono, o satélite una variación de un parámetro (por ejemplo, cada cambio de un centímetro en el nivel de un río); e) automático – Los datos son transmitidos por la estación y son grabados continuamente en la oficina central. 21.6.2 Líneas de transmisión Los diversos sistemas de transmisión incluyen: a) líneas telefónicas – Usadas para cortas distancias y cuando las líneas comerciales no son de acceso fácil. Las líneas terrestres son capaces de transmitir frecuencias hasta de 3 000 Hz, sin técnicas especiales; b) teléfonos comerciales y líneas de telégrafos – Los sistemas de teléfono y telégrafo pueden ser utilizados tanto como sea posible. El equipo permite la recepción automática de las observaciones en la oficina central. Las mediciones y las órdenes pueden ser transmitidas desde la estación lejana y hacia ella; c) enlaces de radio directos – Se deben utilizar cuando las líneas terrestres no convienen, o cuando las distancias y los obstáculos naturales hacen que la instalación sea demasiado onerosa. Distancias de varios kilómetros a cientos de kilómetros pueden ser cubiertos por los transmisores, según la frecuencia portadora y la potencia del transmisor. A mayor frecuencia, el transmisor y el receptor deben tener libre la trayectoria de transmisión, lo que limita la transmisión a unos 50 kilómetros. En todo caso, la instalación y el funcionamiento de las transmisiones de radio están sujetas a normas nacionales e internacionales; d) enlaces satelitales – La transmisión de datos por satélite se puede realizar de dos maneras: transmisión de datos registrados por los sensores del satélite (como
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las imágenes) o el uso del satélite para retransmitir a la estación central de recepción los datos observados en una estación terrestre alejada. En la actualidad, la ciencia de observación y transmisión o retransmisión por satélite se está desarrollando rápidamente; por ejemplo, el Sistema Mundial de Telecomunicación de la Vigilancia Meteorológica Mundial de la OMM. Los datos están a disposición tanto directamente desde los satélites como por medio de bancos centrales de datos. 21.6.3 Criterios de selección de los sistemas de transmisión Cuando se considera la posibilidad de incluir la transmisión automática de datos en cualquier sistema de medición, deben tenerse en cuenta los siguientes criterios: a) urgencia con la que se requieren los datos. Esto depende de los siguientes factores: i) velocidad de variación del parámetro medido; ii) tiempo entre la observación y la recepción del dato a través de los medios convencionales en relación con los sistemas de transmisión automáticos; iii) urgencia de tener esta información disponible para alertas o predicciones; iv) beneficios que se obtienen de la telemetría para las predicciones y pérdidas económicas debido a la falta de predicciones o al retraso de su recepción; v) ventajas de la transmisión por radio y por satélite, en relación con las líneas terrestres en tiempo de tormentas y crecidas, cuando estos desastres pueden destruir los medios de comunicación convencionales, en la medida que esta información es la que más urgentemente se solicita; b) accesibilidad a los sitios de medición para los controles de la calidad y el mantenimiento de los instrumentos; c) fiabilidad del aparato de grabación. Cuando las condiciones climáticas locales son rigurosas, el funcionamiento del equipo mecánico en el sitio es difícil de garantizar. En estas condiciones, debe ser más seguro transmitir la información por medios electrónicos a una oficina central climatizada y grabarla allí. Este sistema también permite un control continuo del funcionamiento de los sensores; d) personal necesario para el funcionamiento, el mantenimiento y la logística. Es importante tener en cuenta estos aspectos en la planificación y reconocer que cada proyecto tiene sus propias particularidades. Esmerada atención debe ser puesta en los costos y beneficios de todos estos factores antes de tomar una decisión final. Al diseñar un sistema de transmisión automática de datos, los principales componentes que han de considerarse para atender las necesidades de personal deben ser : i) sensores y equipos de codificación; ii) enlaces de transmisión; iii) equipo de recepción y de decodificación.
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CAPÍTULO 21
Resulta necesario considerar estos componentes en conjunto en la etapa de diseño. Es esencial porque las características especiales de cualquiera de estos componentes puede acarrear serias consecuencias en la toma de decisiones sobre otros. 21.7 Control de la calidad del agua El capítulo 17 de esta Guía contiene detalles de la instrumentación y prácticas sobre el terreno para la recolección de datos sobre la calidad del agua. Sin embargo, la ubicación del muestreo, las horas de muestreo, la identificación de los parámetros y los correspondientes valores deben ser registrados. Se debe mantener una coherencia a través del proceso de elaboración de datos: si uno de estos elementos esenciales se pierde, resulta inútil todo el esfuerzo realizado. 21.7.1 Identificación de la estación La sección 21.2.2 aborda en detalles la importancia de una descripción escrita exacta de cada estación y las condiciones de muestreo. 21.7.2 Hojas de terreno para el monitoreo de la calidad del agua Tal vez una de las etapas más importantes en el programa de muestreo es recoger los datos en las hojas de observación de tiempo, anotar la fecha, la hora, el lugar y las mediciones efectuadas. Todos estos elementos anotados deben ser completados antes de abandonar la estación. La sección 21.5 contiene instrucciones adicionales. Las figuras 21.4 y 21.5 son dos ejemplos de un formato sistemático para la recolección de los análisis y las observaciones de terreno. Estos formatos sirven para grupos que utilizan sistemas informáticos para el almacenamiento de sus resultados. El formato de la figura 21.4 puede ser utilizado por cualquier grupo que trabaje en la recolección de datos sobre la calidad del agua. Ambos formatos pueden ser adaptados para ajustarse a situaciones específicas a una necesidad particular. La siguiente información es la que, en general, se anota: a) nombre de la estación de muestreo y fecha; b) parámetros medidos en el terreno; c) calibración de los instrumentos; d) instrumentos y procedimientos de muestreo utilizados; e) mediciones utilizadas en el control de calidad; f) comentarios generales y observaciones del terreno. 21.7.3 Transporte de las muestras Algunas muestras, una vez recolectadas, deben ser transportadas al laboratorio. El modo de transporte dependerá de la situación geográfica y del tiempo máximo permitido antes del análisis de cada constituyente. El investigador de terreno está encargado de enviar las muestras por avión, tren o correos en el tiempo previsto, para reducir al
RECOLECCIÓN DE DATOS
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mínimo el tiempo de transporte. La logística para el transporte de las muestras y su almacenamiento debe ser determinado antes de que el trabajo de terreno sea iniciado. 21.7.4 Verificación de calidad “in situ” de los datos sobre la calidad del agua Un programa que permite probar la calidad de los datos in situ es un proceso sistemático que, junto con los programas de calidad de laboratorio y los de almacenamiento de datos, asegura un cierto grado de confianza en los datos. Un programa de este tipo comprende una serie de etapas. Todos los equipos deben mantenerse limpios y en buenas condiciones de trabajo; se conservarán todas las notas relativas a las calibraciones y al mantenimiento efectuado. Los métodos normalizados y aprobados, así como las recomendaciones de esta Guía, deben se usadas por el personal de terreno.
CONTROL DE LA CALIDAD DE LAS AGUAS ANÁLISIS SOBRE EL TERRENO
Resultados de los análisis de laboratorio Fecha de recepción
ESTACIÓN
Fecha del análisis
ANÁLISIS DEL AGUA ESTACIÓN N° Q
COMENTARIOS
:
RECOLECTADO POR: CONTROLADO POR:
FECHA:
Figura 21.4 — Hoja de terreno para el uso de un sistema informático como el NAQUADAT o similar
CALIBRACIÓN DE INSTRUMENTOS Instrumento para medir el oxígeno disuelto _________________________ Calibración Winkler _____________________ mg/L Valor leído antes del ajuste ____________________________________________________________________________ Modelos de medición de la conductividad ________________________________________________________________ Modelo de medición del pH _____________________________ Butters de calibración usados _____________________ Comentarios ________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ DATOS SOBRE LA MEDICIÓN DEL CAUDAL Descripción del sitio _________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Descripción del sistema de medición ____________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Nivel del agua ______________________________________________________________________________________ Hora ______________________________________________________________________________________________
Figura 21.5 — Ejemplo de hoja de terreno para tomar muestras in situ
CAPÍTULO 21
PARÁMETROS MEDIDOS SOBRE EL TERRENO Temp. del agua °C _________________________________ Temp. del aire °C _________________________________ pH _____________ Cond. eléctrica _____________ Oxígeno disuelto _____________ Turbiedad _______________ Profundidad del agua ___________________________ Profundidad del muestreo _______________________________ Espesor del hielo _____________________________________________________________________________________ Otros ______________________________________________________________________________________________ Comentarios ________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________
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ESTACIÓN Nº_______________________________________________________________________________________ DESCRIPCIÓN: _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ FECHA DEL MUESTREO DÍA _____________________ MES _____________________ AÑO _____________________ HORA DEL MUESTREO H _____________________ M __________________ HUSO HORARIO ____________ RECOPILADA POR _________________________________________________________________________________
INSTRUMENTOS DE MUESTREO UTILIZADOS Y PROCEDIMIENTOS ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________
Volumen recogido
Conservación
Control de calidad
COMENTARIOS SOBRE EL CONTROL DE CALIDAD ___________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________
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CARACTERÍSTICAS DE LA MUESTRA Tipo de recipiente Iones principales (material) Metales Substancias orgánicas Pesticidas y herbicidas Mercurio Fenol Nutrientes DBO y DQO Otros
COMENTARIOS GENERALES _______________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ MODO DE TRANSPORTE ___________________________________________________________________________
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Figure 21.5 — Ejemplo de hoja de terreno para tomar muestras in situ (continuación)
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CAPÍTULO 21
La calidad de los datos generados en un laboratorio depende de las muestras que le llegan. Por lo tanto, el investigador de terreno deberá tomar las precauciones necesarias para proteger las muestras de la contaminación o el deterioro. Más información sobre las pruebas de calidad in situ figura en el capítulo 17 o en la publicación de la OMM titulada Manual on Water Quality Monitoring – Planning and Implementation of Sampling and Field Testing[9]. 21.8 Recolección de datos especiales 21.8.1 Requerimientos Los datos relativos a tormentas severas y crecidas son muy importantes para determinar las características de muchas estructuras hidráulicas. En general, las redes de observaciones regulares no suministran información suficientemente detallada sobre la distribución de las precipitaciones importantes ni sobre los caudales de crecida de los afluentes. Además, durante crecidas severas, las instalaciones permanentes de aforo de caudales son sobrepasadas o arrastradas por las aguas, y sus mediciones se pierden. Por estas razones, es esencial la información que pudiese obtenerse en el terreno por un equipo que intervenga inmediatamente después de una crecida severa. Por último, los datos que suministran instrumentos, como los radares meterológicos, son siempre muy útiles para los estudios hidrológicos (sección 7.6). 21.8.2 Estudio de chubascos por medio de diversos recipientes Se pueden utilizar las mediciones efectuadas por pluviómetros privados, no convencionales, para completar los datos suministrados por una red ordinaria de observación. Se pueden obtener también algunas estimaciones al medir el agua recogida en recipientes, como cubos, bateas, barriles, siempre que se verifique que estaban vacíos antes de las precipitaciones. Se podrán utilizar los informes de testigos oculares por cuanto se refiere al comienzo y al fin de las precipitaciones o de períodos de mucha intensidad. Debe tenerse cuidado en la interpretación de los datos tomados de recipientes y cuando existan discrepancias importantes entre los datos del estudio de recipientes y los de la red ordinaria de observación, se deben tomar en cuenta estos últimos. 21.8.3 Datos suministrados por radares meteorológicos y por satélites Los datos provenientes de radares meteorológicos y de satélites son valiosos para determinar la intensidad, la distribución espacial y las horas de comienzo y fin de las precipitaciones sobre cuencas específicas de ríos. El registro de datos se puede hacer en películas fotográficas o en forma digital a través de una computadora conectada al radar. Los datos de la película se pueden registrar continuamente, a intervalos regulares, o seleccionar determinadas fotografías individuales. Las fotografías del procesador integrado de video (PIV) pueden detallar simultáneamente varios niveles
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de contornos de intensidad del eco o dar una representación global sin cuantificar. La utilización de estos datos filmados está limitada por el tiempo de revelado y la laboriosidad del proceso manual, mientras que la digitalización de los datos procedentes del radar permite un tratamiento rápido e innumerable de estos datos por computadora. Estos datos digitalizados pueden ser transmitidos con facilidad a las oficinas de predicción a través de teletipos o de redes de computadoras. 21.8.4 Niveles y caudales extremos Los valores extremos que se pueden obtener de crecidas y sequías, deben ser registrados por las estaciones de aforo permanentes o no. Las marcas de crecidas a lo largo de los ríos son útiles para delinear en los mapas las zonas inundadas, así como las estructuras como puentes de carreteras, y para estimar el desnivel de la crecida. Estas marcas, si son tomadas cuidadosamente, pueden ser utilizadas con otros datos para calcular el caudal máximo de la corriente por métodos indirectos (sección 11.6). La medición de flujos mínimos en localidades donde no hay estaciones permanentes, suministra valiosos datos a un costo muy bajo. Estas mediciones de caudales pueden ser correlacionadas con los caudales observados simultáneamente en estaciones de referencia para determinar las características de bajo flujo en lugares no aforados. Referencias 1. Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura/ Organización Meteorológica Mundial, 1978: Water Quality Surveys: A Guide for the Collection and Interpretation of Water Quality Data. Preparado por el DHI/Grupo de trabajo de la OMM sobre la calidad del agua para la UNESCO y la OMS, con ayuda del PNUMA. 2. Organización Meteorológica Mundial, 1987: Hydrological Information Referral Service — INFOHYDRO Manual. Informe de hidrología operativa Nº 28, OMM–Nº 683, Ginebra. 3. Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente/Organización Mundial de la Salud/Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura/Organización Meteorológica Mundial, 1992: Global Environment Monitoring System (GEMS)/WATER Operational Guide. Canada Centre for Inland Waters, Burlington, Ontario. 4. Environment Canada, 1983: Sampling for Water Quality. Water Quality Branch, Inland Waters Directorate, Environment Canada, Ottawa. 5. Organización Meteorológica Mundial, 1981: Hydrological Data Transmission (A. F. Flanders). Informe de hidrología operativa Nº 14, OMM–Nº 559, Ginebra.
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CAPÍTULO 21
6. Organización Meteorológica Mundial, 1981: Manual del Sistema Mundial de Observación. Volumen I, OMM–Nº 544, Ginebra. 7. Organización Meteorológica Mundial, 1990: Economic and social benefits of meteorological and hydrological services. Proceedings of the Technical Conference, 26-30 de marzo de 1990, Ginebra, OMM–Nº 733, Ginebra. 8. Organización Meteorológica Mundial, 1980: Manual on Stream Gauging. volúmenes I y II, Informe de hidrología operativa Nº 13, OMM–Nº 519, Ginebra. 9. Organización Meteorológica Mundial, 1988: Manual on Water Quality Monitoring — Planning and Implementation of Sampling and Field Testing. Informe de hidrología operativa Nº 27, OMM–Nº 680, Ginebra.
CAPÍTULO 22 CONTROL DE DATOS Y CODIFICACIÓN
22.1 Control de calidad y detección de errores El control de calidad comienza con la selección del sitio de recolección de datos y el mantenimiento de los instrumentos. El objetivo del control de calidad es asegurar la mayor estandarización posible de los datos primarios antes que se envíen a los usuarios. 22.1.1 Inspección de las estaciones Es esencial, que las estaciones sean inspeccionadas periódicamente para asegurar el funcionamiento correcto de los instrumentos de medición y la calidad de las observaciones. El nivel del cero de la escala de las estaciones hidrométricas y de las estaciones de observación del agua subterránea debe verificarse por lo menos una vez al año. Estas inspecciones pueden ser independientes a la inspección de rutina y a las visitas de mantenimiento. En algunos países, es frecuente que las inspecciones sean efectuadas por oficinas regionales por lo menos una vez al año, con visitas menos frecuentes efectuadas por un inspector de la oficina central. Para una estación de aforo de caudales, estas inspecciones tienen por objetivo la estabilidad de la curva de caudales, la realización de las tareas de inspección que se enumeran más adelante y la revisión de la concordancia entre la escala limnimétrica y los puntos de referencia de nivel permanente, para verificar que la escala no ha cambiado. Como se recomienda efectuar un mínimo de diez mediciones de caudal por año en una estación de aforo, la mayoría de las estaciones deberían ser inspeccionadas regularmente al menos dos veces al año. El programa de inspección debería incluir también las visitas de un técnico o de un inspector bien calificado inmediatamente después de cada inundación importante, a fin de controlar la estabilidad de la sección fluvial y de las escalas limnimétricas. A veces, el observador debería poder realizar esas tareas de inspección, llevándolas a cabo durante las visitas de recolección de datos y de observación (sección 21.4). Las tareas del inspector son: a) tomar nota y registrar cualquier cambio del sitio de observación (sería útil tomar fotografías y hacer un croquis); b) tomar medidas para mejorar o restaurar el sitio de observación (por ejemplo, la remoción de árboles que pudieran afectar la medición de los pluviómetros);
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CAPÍTULO 22
c) verificar los instrumentos y hacer cualquier reparación de campo o ajuste necesarios; d) examinar el libro de registros del observador; e) instruir al observador, si procede, sobre los procedimientos de observación y el mantenimiento de rutina de los instrumentos; f) repetir al observador la importancia que tiene el archivo rápido de datos exactos y completos; g) informar al observador sobre cualquier observación especial que pueda requerirse (por ejemplo, lecturas más frecuentes durante los períodos de crecida y tormentas). A fin de desempeñar efectivamente la tarea e), el inspector debe estar informado de los errores hechos por los observadores, en especial de cualquier error que se repita. Esta información debería remitirse regularmente al inspector por los funcionarios encargados de los procedimientos preliminares de comprobación y detección de errores. Los resultados de estas inspecciones deberían incluirse en los archivos de descripción de la estación (sección 21.2.2.). 22.1.2 Control preliminar de los datos La diferencia entre el control preliminar y la detección de errores es más bien arbitraria. Los procedimientos incluidos en el control preliminar en un país pueden ser incluidos en la detección de error en otro. Asimismo, el uso de la computadora en el proceso de datos puede cambiar las definiciones de control preliminar. Por ejemplo, cuando los datos son recogidos manualmente y luego transferidos a una forma legible por la computadora (diskette, cinta magnética u hojas legibles por el lector óptico), el término de control preliminar se refiere a los procedimientos efectuados antes de a la transferencia de los datos a una máquina que permita un proceso informático. Cuando los datos son recogidos directamente en forma digital, el control previo a la primera máquina que los procesa se limitará a la identificación exacta (identificación de la estación, de las fechas del inicio y finalización de esta secuencia de datos y la identificación apropiada del tipo de datos de que se trate, como los parámetros muestreados y la frecuencia del muestreo). En estas condiciones, el control de calidad de los datos sólo puede realizarse con medios informáticos. Para datos recogidos manualmente, el control preliminar debería incluir generalmente las etapas siguientes: a) registrar la fecha de recepción del informe; b) verificar que la información es completa y exacta, por ejemplo, fecha, nombre y número de identificación de la estación si se requiere en el proceso mecánico ulterior; c) controlar que la estación ha dado los datos completos; d) verificar la operación aritmética realizada por el observador; e) comparar el informe del observador con los datos registrados.
CONTROL DE DATOS Y CODIFICACIÓN
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En muchos países esta última etapa puede ser efectuada por medios mecánicos. Las correcciones deberían introducirse de manera legible y en una tinta de color diferente al que se usa para rellenar el formulario original, asegurándose de que la información original no resulte tachada o hecha ilegible. Ciertos controles preliminares deberían también aplicarse a los datos provenientes de indicadores de registro continuo. Las horas registradas al principio y al final del gráfico, y en el control a cualquier tiempo intermedio, deberían verificarse para determinar si necesitan aplicarse correcciones de tiempo, o para determinar la magnitud de la corrección. Debería ponerse especial atención para determinar si la corrección de tiempo se debe a la interrupción del reloj o si se puede prorratear razonablemente en el período del gráfico. Además, el control de las observaciones de instrumentos de registro deberían hacerse sobre el gráfico, para permitir las correcciones de los datos registrados, si fuera necesario. En algunos casos de datos recogidos manualmente, los cálculos de los datos observados se hacen antes de que los datos estén listos para la transferencia a una máquina en forma legible. Frecuentemente, estos cálculos son demasiados complejos para ser efectuados por el observador, y deben hacerse en una oficina central. Un ejemplo es el calculo de la evaporación de un lago a partir de datos auxiliares y de datos de evaporación en un tanque. En algunos países, estos cálculos pueden ser hechos por medios mecánicos (computadora o calculadora). A veces, los informes de los observadores son incompletos, pero las observaciones que faltan pueden estimarse o interpolarse. Por ejemplo, durante la disminución del nivel de agua de un río en una temporada seca, la interpolación de datos de 10 a 30 días puede ser justificada si las observaciones de precipitación y la temperatura indican que no fue importante el aporte de lluvia o la fusión de la nieve. En el caso de datos de precipitaciones diarias, se pueden estimar las observaciones faltantes para uno o dos días, si la tormenta que produjo la precipitación ha aportado cantidades bastante uniformes en las estaciones de observación circundantes. Todos los valores interpolados o estimados deberían ser claramente indicados, como en el registro original y en las publicaciones y debería prestarse especial atención para estar seguro de que las condiciones permiten una interpolación razonablemente exacta. 22.1.3 Detección del error La eficiencia de los procedimientos de control de calidad depende mucho de la posibilidad de utilizar o no una instalación de proceso de datos. Un resumen de las prácticas y principios generales para el proceso de datos por los medios informáticos figura en la Guía de prácticas climatológicas [1] de la OMM. La aplicación de esos procedimientos supone que se dispone de una instalación de proceso de datos. Cuando no se dispone de este equipo, estas actividades pueden ser emprendidas a mano, con ayuda del personal administrativo y el personal técnico. Incluso si se
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CAPÍTULO 22
usan métodos de proceso mecánico en datos recogidos manualmente, los ajustes a las observaciones originales deberían hacerse con gran cuidado por los técnicos experimentados o por personal profesional. Las técnicas para el control de calidad de los datos difieren por diversos elementos. La base de la mayoría de procedimientos de control de calidad, para datos de temperatura y precipitación recogidos manualmente, son tablas de máquina, de la serie de datos diarios, por distrito o región. Estas tablas permiten detectar, en una lectura sencilla, las estaciones en las que los datos tienen siempre un error o tuvieron errores graves en la medición de la precipitación o la temperatura. Sin embargo, debe tenerse cuidado antes de cambiar los datos de una observación. Un estudio del informe, un control de las observaciones de la estación (con respecto a la calidad de su registro), y una evaluación de los factores que produjeron el suceso (para asegurarse que los datos en cuestión no pueden ser una anomalía natural) son necesarios antes de corregir un error aparente. La alteración debería ser codificada para indicar que se ha hecho un cambio a los datos originales y se conservarán los detalles de las modificaciones efectuadas. Otro método que puede usarse para comprobar las fluctuaciones relativas de un elemento observado en un período determinado es el uso de varios tipos de relaciones matemáticas (por ejemplo, polinomios). El valor calculado es comparado con el valor observado en el tiempo. Si la diferencia entre los dos no excede la tolerancia establecida con anterioridad, los datos son considerados como correctos. Si se exceden los limites, entonces se debería hacer una investigación. Como los datos de flujo fluvial varían de manera continua en el tiempo y en el espacio, es posible verificar la fiabilidad de la observación por métodos de interpolación o por métodos estadísticos. El control de la coherencia interna entre caudales observados puede también haberse realizado por: a) evaluación cualitativa de la correspondencia entre caudales medidos en estaciones adyacentes; b) evaluación cualitativa de la correspondencia entre caudales medidos y su valor durante la medición anterior; c) control aproximado del valor del caudal, observando que cae dentro de la gama de valores previos para la fase dada en el régimen del río; d) evaluación aproximada de la correspondencia entre el valor medido y las variaciones normales durante el período anterior. El control informático de la calidad de los datos primarios es objetivo y permite un control completo de los informes individuales, resultando superfluo cualquier otro control de los resultados derivados del análisis de esos datos primarios. Cabe destacar que el único método absolutamente seguro para decidir si se deben aceptar o rechazar los resultados excepcionales, es examinar con mucho cuidado las condiciones en las que se obtuvieron estas observaciones.
CONTROL DE DATOS Y CODIFICACIÓN
335
22.1.4 Resultados del control de calidad Para datos recogidos manualmente y transcriptos luego en forma adaptada al proceso informático, los errores detectados por controles preliminares o por procedimientos de detección de error, deberían ser tratados como se indica a continuación: a) la corrección debe ser hecha en forma legible sobre el original y debe llevar las iniciales del funcionario que hace la corrección; b) las tarjetas perforadas que contienen los datos erróneos deben ser corregidas y la corrección debe trasladarse a las copias existentes de la observación y a los datos que puedan haber derivado de observaciones erróneas; c) el observador de la estación debe ser informado del error. Si el error es de tipo sistemático, causado por el mal funcionamiento de los instrumentos o por no haber utilizado los procedimientos correctos, el inspector debe ir a la estación para tratar de resolver el problema (sección 21.1.1); d) una nota del error debe hacerse en el libro de registro o en el archivo de descripción de la estación (sección 21.2.2). Esta manera de proceder permite un control permanente de la calidad de las observaciones en todas las estaciones y que los inspectores sepan cuales son las estaciones donde se cometen errores con frecuencia. Para los datos recolectados en forma de tarjeta perforada, los errores detectados y verificados deben ser corregidos en los resúmenes producidos por la computadora. El registro original del procesador no debe ser alterado, pero los símbolos o anotaciones deberían ser incluidos en la elaboración final indicando los valores rechazados en base a si los datos son procesados automática o semi automáticamente. Por ejemplo, para registros de ríos, registrados automáticamente a intervalos de tiempo uniforme, un test de diferencia secuencial puede ser usado para prestar atención a los valores registrados que cambian más que el dado por el test de diferencia. Después de la inspección manual de esos valores, algunos serán rechazados y otros aceptados. Las tablas de síntesis de los resultados serán después revisadas y codificadas (sección 22.3) teniendo en cuenta las convenciones admitidas, pero no se alterarán los datos originales. Todas esas correcciones deben ser totalmente documentadas. 22.2 Procedimientos de validación En el primer nivel, el recolector controlará cuidadosamente los datos, los evaluará y los preparará para la etapa siguiente. El recolector puede así mejorar la calidad de los datos antes de que sean sometidos al sistema de procesamiento. Los controles de calidad deberían aplicarse para verificar los datos. Estos controles se basan en la aplicación de controles de lectura para detectar errores en tiempo y en magnitud. Los test de calibración de instrumentos son examinados y evaluados según criterios de uniformidad y de desviación de las medidas. Se hace un examen visual de las lecturas secuenciales o de trazos registrados a la luz de modelos
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CAPÍTULO 22
previstos o de comportamiento simultáneo de variables relativas que también han sido registradas. En base a esta evaluación, el observador aplicará códigos de calidad o verificará esos registros in situ. Los códigos indican si el registro es considerado de calidad buena o si es defectuoso, y el grado de confianza expresado en términos de la exactitud de los datos. En esta etapa, cualquier documentación detallada que compruebe la interpretación debe ser adjuntada a los datos, para el beneficio de futuros usuarios. 22.2.1 Procedimientos generales Se debe reconocer desde el comienzo que las técnicas de validación de datos nunca pueden ser hechas automáticamente en su totalidad. Mientras algunas variables tienen rangos estrictamente limitados de validez, que la computadora puede verificar, la mayoría de las variables de las series temporales tienen una distribución de probabilidad asintótica, que la computadora sólo reconoce si hay un valor sospechoso. A la mayoría de los valores extremos se les puede comprobar si son correctos, y de ser así son de vital importancia para la aplicación de todos los datos hidrológicos. En estas variables, por lo tanto, la computadora debe ser usada sólo para aceptar o indagar datos, pero no para rechazarlos. Los valores que parecen sospechosos para la computadora deben ser analizados por una persona competente. Las ventajas de las técnicas de validación de la computadora radican en su objetividad y uniformidad. Los datos de todas las fuentes son sometidos al mismo examen. La computadora también permite el uso de controles complejos de algoritmos, imposibles de aplicar mediante técnicas manuales. Estos algoritmos pueden ser complejos en términos de contenido matemático o en la cantidad y el tipo de datos de control que son usados. Otra ventaja es la eliminación de la tediosa verificación manual de datos. La computadora permite al especialista agrupar en conjuntos las reglas de validación que informarán solamente los datos que se consideren necesarios para finalizar la inspección. En los informes de validación deberían estar bien indicados, normalmente por el uso de indicadores o códigos (claves), los valores dudosos y las razones de esta incertidumbre. Como ayuda adicional a cualquier proceso ulterior de corrección de errores, algunos sistemas informáticos también suministran estimaciones de valores probables. Cuando se decide aplicar un procedimiento de validación complejo a cualquier variable dada, se debe tener en cuenta la exactitud a la que la variable puede ser observada y la capacidad del sistema para corregir los errores detectados. Es corriente realizar la validación de bases de datos, y al mismo tiempo actualizar los procesos de validación a un ritmo mensual, semianual o anual. Un aspecto organizativo importante de la validación es la posibilidad de repartir las tareas de validación de datos entre centros de terreno equipados con microcom-
CONTROL DE DATOS Y CODIFICACIÓN
337
putadoras para la entrada de datos y una computadora central para procesar los datos. Como la mayoría de las microcomputadoras tienen programas informáticos estándar de entrada de datos, que incorporan opciones de validación de datos, no es necesario crear nuevos programas. Los controles de validación in situ podrían incluir controles absolutos para datos y códigos variables, y controles relativos para determinar el valor de la variación. Las tablas y representaciones gráficas de datos de aporte también pueden ser controlados manualmente. Este sistema reduciría considerablemente el coeficiente de error de datos obtenidos en el centro donde la validación es más elaborada, por ejemplo, podrían realizarse controles entre varias estaciones. Quizás una de las ventajas más importantes de este procedimiento es que la responsabilidad de la mayor parte del proceso de validación incumbe a los mismos observadores. 22.2.2 Técnicas combinadas Estas técnicas se basan en la informática para formatear los datos, facilitando el control manual. Los dos formatos son las tablas recapitulativas y las representaciones gráficas. Las tablas recapitulativas pueden reunir datos procedentes de estaciones seleccionadas, estaciones vecinas donde se mide la misma variable o una variable con un comportamiento parecido. No hay duda de que el control visual de los datos diagramados en función del tiempo, realizado por un personal con experiencia, es una técnica rápida y efectiva para detectar datos anormales. Por esta razón, la mayoría de los sistemas de validación de datos permite producir diagramas de intervalos de tiempo en la pantalla de la computadora o con ayuda de impresoras o mesas trazadoras. Si los datos originales de intervalos de tiempo proceden de un registro gráfico, éste puede ser comparado directamente con el gráfico que resulte del tratamiento informático. Es particularmente útil para esta comparación la escala de valores impresos para equiparar el gráfico original, lo que permite que los controles se hagan por superposición de ambas curvas. Esta técnica de control detecta errores debidos a la entrada de datos. La superposición también puede ser hecha para gráficos de estaciones cercanas, lo cual es muy simple pero muy eficaz para controlar la homogeneidad entre varias estaciones. Los gráficos de series cronológicas pueden contener simplemente los rastros observados, pero, para mayor utilidad, deben mostrar también los límites superior e inferior, (límites de confianza estadística o registro previo de los extremos) para ayudar en el proceso manual de interpretación. Los gráficos pueden ser usados en las unidades observadas o la computadora puede ser programada para transformarlos. El ejemplo mas común de esta técnica es el uso de gráficos logarítmicos de crecidas de ríos y niveles de agua subterránea. La figura 22.1 es un gráfico logarítmico de corrientes fluviales diarias y de los valores máximo y mínimo registrados previamente.
338
CAPÍTULO 22
Para identificar las tendencias a largo plazo en series cronológicas, se pueden utilizar las curvas de valores acumulados que son fácilmente calculados y diagramados gracias a la informática. La figura 22.2 muestra un gráfico típico de la curva de valores acumulados, que permite controlar la homogeneidad de las mediciones de precipitaciones a largo plazo. Los diagramas pueden usarse para el control manual de la variación espacial. Un medio simple es un diagrama de la posición de las estaciones junto con el número de identificación y el valor de los datos registrados. Esta técnica se usa mucho para el control mensual y anual de datos de las precipitaciones o del agua subterránea en una zona determinada. Los programas informáticos más complejos pueden interpolar datos en el espacio y en diagramas de isolíneas. A fin de examinar la amplia gama de técnicas disponibles para los sistemas de validación automático de datos es útil distinguir los errores absolutos, los errores relativos y los errores físico-estadísticos. Los controles absolutos implican que esos datos o códigos de valores tengan una gama de valores que no tienen ninguna posibilidad de ser excedidos. Así, las coordenadas geográficas de una estación deben estar ubicadas dentro de los limites del país, la fecha debe estar entre el 1 y el 31 y, en un sistema numérico de códigos, el valor 43A no puede existir. Los datos que no correspondan a estas condiciones deben ser incorrectos, y en general es una tarea fácil la identificación y de corregir el error. Los controles relativos incluyen: a) una gama prevista de variables; b) el cambio máximo esperado en una variable entre observaciones sucesivas; c) la diferencia máxima esperada en las variables entre estaciones cercanas. La definición del ámbito de variaciones aceptables requiere tomar ciertas precauciones para que el volumen de búsqueda no sea muy importante. Durante las primeras etapas del desarrollo de la base de datos, es aconsejable asignar límites de tolerancia bastantes amplios. Estos límites pueden ser acotados posteriormente, cuando se obtuviesen mejores datos estadísticos sobre las variaciones del parámetro analizado. Si bien se requiere un análisis exhaustivo de las series históricas, las gamas esperadas para controles relativos (método a)) deberían ser calculadas para distintos intervalos de tiempo, incluido el intervalo en que los datos fueron observados. Esto es necesario porque la varianza de datos disminuye con el incremento de tiempo. Los niveles fluviales diarios primero se compararían con una gama esperada de valores diarios para un período de tiempo determinado, por ejemplo, el mes en curso. Ahora bien, como es posible que cada valor diario pueda caer en la gama esperada, pero que el conjunto entero de datos sea sistemáticamente falso, demasiado alto o bajo, los controles posteriores se realizarán en un período de tiempo más largo. Así, al final de cada mes, el promedio de los valores diarios del mes en curso debe ser comparado con el promedio a largo plazo del mes dado. En forma similar, al final
CONTROL DE DATOS Y CODIFICACIÓN
339
de cada año hidrológico, el promedio para el año en curso se debe comparar con el promedio anual a largo plazo. Esta técnica es de aplicación general en hidrología a todas las series de datos cronológicos. El método de comparar cada dato con la observación precedente, (método b)), se refiere sobre todo a las variables que muestran correlación serial importante, por ejemplo, la mayoría de tipos de datos del nivel de agua. Un ejemplo de la aplicación de esta técnica para presentar datos se expone más adelante. Cuando la correlación es muy fuerte (por ejemplo, niveles de agua subterránea), se podrían efectuar períodos múltiples de comparación como se describe en el método anterior a). Las observaciones diarias de aguas subterráneas podrían primero ser controladas, en comparación con la tasa diaria de variación esperada, mientras que la variación total mensual podría ser, por lo tanto, comparada con las variaciones mensuales esperadas. El método c) es una variación del método b), pero usa criterios de cambios aceptables en el espacio más bien que en el tiempo. Este tipo de control es particularmente efectivo para valores de niveles y caudales de ríos de la misma cuenca, aunque en cuencas más grandes algunos datos rezagados serán necesarios antes de hacer las comparaciones entre las estaciones. Para otras variables hidrológicas, la utilidad de esta técnica depende de la densidad de la red de observaciones en relación con la variación espacial de la variable. Un ejemplo es la conversión de la precipitación total a unidades sin dimensión, utilizando el coeficiente de los valores observados para algún promedio a largo plazo de valores de la estación. De esta manera se reducen las diferencias causadas por las características de la estación. Los controles geoestadísticos incluyen el uso de la regresión entre variables relativas para predecir valores esperados. Ejemplos de este tipo de control son la comparación de niveles de agua con precipitación total y la comparación de la evaporación de tanque con la temperatura. Estos controles son particularmente importantes para observaciones a partir de una red poco densa, donde la única forma de control es la comparación con valores de variables interrelacionadas procedentes de redes de observación más densas. Otra categoría de controles geoestadísticos es usada para verificar si los datos son conformes con leyes físicas y químicas. Este tipo de control se usa mucho para los datos de calidad del agua. La mayoría de los controles relativos y geoestadísticos descritos antes están basados en el uso de series cronológicas, de correlación, de regresión múltiple y de técnicas de superposición de superficies [2]. 22.2.3 Procedimientos específicos de validación En la mayoría de los ejemplos, los procedimientos generales descritos antes son medios suficientes para detectar datos sospechosos. Sin embargo, algunos de estos procedimientos han sido adoptados y extendidos en una manera más específica para equiparar las características de algunos tipos de datos.
340
056001 USK — CHAIN BRIDGE Se utilizaron los registros de 1957 a 1976 (excepto 1973) para calcular las curvas de valores extremos 500,00
100,00
10,00 5,00
CAPÍTULO 22
CAUDAL EN M3 S–1
50,00
1,00 0,50
0,10 0,05
0,01 0 20 ENE.
40 60 FEB.
80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 MAR.
ABRIL
MAYO
JUN.
JUL.
AGOS.
SEPT.
OCT.
NOV.
DIC.
Fuente: OMM/FAO, 1985 : Guidelines for Computerized Data Processing in Operational Hydrology and Land and Water Management. OMM-N° 634, Ginebra.
Figura 22.1 — Gráfico logarítmico de caudales fluviales y de sus valores extremos
341
CONTROL DE DATOS Y CODIFICACIÓN 15
Coeficiente de ajuste Ma ___ = 0,7842 Mo
14
PRECIPITACIONES ANUALES ACUMULADAS EN LA ESTACIÓN A (m)
13
1980
12
1979
11 10
1978
9 1977 8
1975–1980 = M3
1976
7
1975
6
1974
5 4
1973
3
1971–1974 = Mo
2 1972 1
1971
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
PROMEDIO DE LAS PRECIPITACIONES ANUALES ACUMULADAS EN LAS ESTACIONES B, C Y D (m)
Fuente: OMM/FAO, 1985 : Guidelines for Computerized Data Processing in Operational Hydrology and Land and Water Management. OMM–N° 634, Ginebra.
Figura 22.2 — Curva de valores acumulados. Aquí se observa la relación entre las precipitaciones anuales de la estación A y el promedio de las precipitaciones medidas en tres estaciones cercanas. Cabe señalar la pronunciada desviación que se produce a partir de 1975. 22.2.3.1 Datos climatológicos Cuando se consideran procedimientos de control de calidad general, se indicó que esa validación de datos climatológicos por métodos de comparación entre estaciones
342
CAPÍTULO 22
es discutible en muchos casos a causa de la dispersión de las estaciones climatológicas. Así, las técnicas básicas de validación aplicadas son los controles de variación, los controles de la tasa de variación y, de particular importancia, los controles de homogeneidad entre variables relativas observadas en el mismo sitio. Por ejemplo, todo dato psicrométrico anotado debe ser controlado o recalculado para ver si la temperatura seca excede o es igual al valor de la temperatura húmeda o del punto de rocío y, según los datos obtenidos, la temperatura del punto de rocío y/o la humedad relativa deben calcularse y controlarse con relación a los datos inscritos. Asimismo, la relación empírica entre los datos procedentes de un tanque de evaporación o de un lisímetro y de otras variables observadas podrían dar amplias indicaciones de datos sospechosos en la etapa de validación. Ajustes más complejos para la evaluación de la evaporación y la evapotranspiración son hechos normalmente en etapas posteriores al procedimiento primario. Para todos los datos climatológicos, los códigos de estaciones y de variables deben validarse y, cuando proceda, los valores sospechosos deben acompañarse de valores de calibración del sensor y de la variación de los parámetros medidos. En la Guía de prácticas climatológicas [1] de la OMM figuran más detalles relativos a los procedimientos de control de la calidad de los datos climatológicos. 22.2.3.2 Datos de precipitación Como la precipitación es un fenómeno hidrológico muy importante y altamente variable, existen muchas estaciones pluviométricas y, por lo tanto, una amplia cantidad de datos. La mayoría de los países ya tienen sistemas bien establecidos para el control de calidad y el archivo de datos pluviométricos. Un sistema usado por la Oficina Meteorológica del Reino Unido para el procesamiento de los datos pluviométricos diarios se describe en la Guía de prácticas climatológicas [1] de la OMM. Los errores que ocurren en la recolección y el procesamiento de datos pluviométricos son casi universales, por ello este sistema debería servir como modelo para otros países. La fiabilidad de un sistema que usa comparación entre estaciones se relaciona con la densidad de la red. En zonas de escasa cobertura de pluviómetos hay una creciente tendencia a instalar radares pluviométricos (sección 7.6). Los valores regionales obtenidos en algunas instalaciones suministran datos excelentes para la validación y para zonas que no tienen estaciones pluviométricos. Otra aplicación de los datos de radar con fines de validación es para zonas sujetas a intensas tormentas localizadas, por ejemplo, en la mayoría de países tropicales. 22.2.3.3 Datos de hielo y nieve Si bien el equivalente en agua de la nieve tomada en los pluviómetros puede ser validado junto con datos de precipitación, otras variables de nieve y de hielo son más difíciles de controlar.
CONTROL DE DATOS Y CODIFICACIÓN
343
Los datos sobre el alcance de la cobertura de nieve pueden ser validados sólo por una síntesis manual durante mucho tiempo de las observaciones de campo, por datos aéreos o por imágenes satelitales (sección 7.5). Se están desarrollando algunas técnicas que sirven para la interpretación automática de imágenes satelitales sobre la extensión de la nieve (y el nivel de profundidad y el equivalente en agua). A pesar de que estas técnicas son prometedoras, todavía existen problemas para diferenciar entre extensión de nieve y cobertura de nubes, además la resolución de imagen es, en general, insuficiente. Por otra parte, salvo que se use un sistema de información geográfico, los datos sobre la extensión de nieve sólo pueden almacenarse en forma de totales para toda la superficie de la cuenca. Los datos de profundidad de nieve y equivalentes de agua requieren mucha validación manual y verificación, mediante la integración de datos procedentes de rutas nivométricas, indicadores de nieve y pluviómetros convencionales. La gran variación espacial en la cobertura de nieve hace difíciles las comparaciones entre estaciones. De todos modos, hay técnicas para estimar la fiabilidad estadística de las observaciones de rutas nivométricas cuando la nieve se derrite. Los factores de gradodía son ampliamente usados para las correlaciones, y si la nieve derretida representa una proporción importante de la corriente fluvial, se deben usar las relaciones entre la escorrentía y el equivalente en agua de la nieve. Las relaciones de temperatura del aire (y del agua), son valiosas no sólo para el cálculo de factores de grado–día sino también para la validación de la cobertura de hielo y los datos de espesor, así como en la predicción (o el pronóstico) de formación de hielo y las fechas de deshielo. Los datos relativos a la nieve y al hielo, cuantitativos o cualitativos, son importantes datos de validación para una amplia gama de otras variables hidrológicas. Por ejemplo, datos de niveles de río anómalos durante los meses de invierno pueden ser explicados y posiblemente corregidos si se dispone de datos sobre la naturaleza y el alcance de las condiciones del hielo. 22.2.3.4 Datos de niveles de agua Las técnicas para representar gráficamente los datos y realizar tablas con ellos, y los controles de la proporción de cambio descritos anteriormente, son muy usados para los datos sobre el nivel del agua. La superposición de registros de niveles de agua, procedentes de estaciones vecinas, es en general útil sobre todo si las estaciones están situadas sobre el mismo sistema fluvial. La figura 22.3 contiene gráficos muy interesantes y, aunque describen el caudal, también se pueden aplicar a los niveles de agua. El diagrama cubre un período de 13 meses y permite observar cualquier discontinuidad que pueda aparecer entre las actualizaciones anuales sucesivas de la base de datos principal. Cuando el intervalo de muestreo es relativamente corto, por ejemplo 15 minutos para la mayoría de registros digitales, se deben usar técnicas más complejas de
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CAPÍTULO 22
reconocimiento de forma. Estas técnicas desarrolladas para datos de niveles por el Instituto de Hidrología del Reino Unido, reconocen que hay modelos que son considerados aceptables y otros que son considerados como sospechosos (véase la figura 22.4). El control de forma se aplica sucesivamente a todos los valores de 15 minutos, para cada medidor, en secuencias de cuatro. El código de forma en cuestión y las cuatro lecturas sospechosas se imprimen fuera en una fila de interrogantes cada vez que una forma sospechosa es detectada por el sistema. Para evitar que formas sospechosas sean impresas innecesariamente (por ejemplo, cuando el registrador digital busca una variación pequeña en el nivel del agua), una lista de errores mínimos debe ser incluida en la rutina del programa. Si la diferencia entre lecturas de etapas sucesivas es menor que ese mínimo, el valor sospechoso no es registrado. 22.2.3.5 Datos de aforos de río Un procedimiento útil de control para los aforos de río es diagramar el nivel de agua promedio mientras se mide, y las profundidades verticales en el corte transversal. Estos datos deben estar disponibles a partir del archivo de descripción de la estación o de uno de los archivos asociados. Las diferencias del perfil pueden ser causadas por el observador o por un error en la entrada de datos, o pueden deberse a variaciones reales en el nivel del lecho, pero cualquiera que sea la causa deberían ser investigadas. Sobre la base de esta serie de información, la computadora puede programarse para evaluar la sección transversal del área asociada con cada vertical Los procesos restantes de validación dependen del nivel de agregación de datos, introducidos, por ejemplo datos básicos de terreno o velocidades calculadas manualmente. Las velocidades pueden ser incluidas como anotaciones en la sección transversal del diagrama. El usuario debe decidir si los procedimientos de control son simplemente para establecer la exactitud de la operación de entrada de datos, o si se está desarrollando un sistema para el cálculo de la corriente. En el último caso, los cálculos de la corriente se realizan normalmente para controlar los valores manuales obtenidos sobre el terreno para el uso inmediato. Si las medidas son hechas para establecer o verificar una curva de calibración, la corriente calculada puede ser diagramada (manual o automáticamente) sobre la curva existente de calibración para identificar los valores sospechosos o las variaciones según los intervalos de confianza de las medidas. Para todas las mediciones, el programa de validación debe controlar: el número de identificación de la estación de aforo, el tipo de molinete y de hélice, los códigos de métodos de análisis y, cuando sea posible, las combinaciones válidas de éstos. Es también útil para cualquier diagrama o copia impresa que contenga la información y cualquier coeficiente de calibración pertinente. La publicación de la OMM titulada Manual on Stream Ganging, contiene más información sobre la medición de caudales.
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CONTROL DE DATOS Y CODIFICACIÓN
22.2.3.6 Datos de calidad del agua La amplia gama de variables en la calidad del agua ha resultado en el uso de procedimientos de validación relativamente sencillos para la calidad del agua. Dichos criterios son normalmente controles absolutos de análisis de códigos, controles relativos a gamas esperadas y controles físico-químicos de algunas interrelaciones. Si los controles de gamas son realizados sin datos históricos, debe anotarse que las gamas válidas de muchas variables estarán asociadas con la finalidad para la cual fue tomado el muestreo, y la localización con el punto de muestreo. Así, los niveles de sales disueltas encontradas en las muestras de agua potable serán menores que los encontrados en aguas usadas, salobres o marinas. Stage - Discharge RelaciónIncorrect incorrecta entre la altura y el relation used part of year caudal durante una parte del año
Incorrect Unidad de medidaUnits incorrecta used for January 1969 utilizada en enero de 1969 3 s–1 m Cumecs
10
10
10
10
1,0 1.0
1,0 1.0
1,0 1.0
1,0 1.0
0,1 0.1
0,1 0.1
0,1 0.1 E J
F
M A
M J
J
A
S O
N
0,1 0.1
J E
D JE
F
M A
M J
1956
J
A
S O
N
D JE
1968
“altos” y “bajos” aislados Isolated 'highs' and 'lows'
Drecrecida irreal Unrealistic recessions 3 s–1 Cumecs m
10
10
10
10
1.0 1,0
1.0 1,0
1.0 1,0
1,0 1.0
0.1 0,1
0,1 0.1
0,1 0.1
J
F
M A
M J
J 1975
A
S O
N
D J
0,1 0.1
J
F
M A
M J
J
A
S O
N
D J
1971
Fuente: OMM/FAO, 1985 : Guidelines for Computerized Data Processing in Operational Hydrology and Land and Water Management. OMM–N° 634, Ginebra.
Figura 22.3 — Gráficos de series en función del tiempo para el control de datos de flujo fluvial
346
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27
29
Los puntos 9 y Points 20 corresponden a las variaciones improbables delshould parámetro medido. 9 and 20 show improbable departures from the trend which be queried by the Quality Control routine. cuando se realiza un control de calidad. Estas variaciones deberían sospecharse Medida Action tomada enin el de decisión taken theárbol trend test CASO CASE
CALIFICACIÓN ACTION TAKEN
1 A B C D E F G H I J K L M N O
accepted aceptado accepted aceptado sospechoso S(I) query S(I) sospechoso query S(I-1) S(I-1) aceptado (se convierte accepted (becomes case 20,en 21, caso 22) 20, 21, 22) aceptado accepted
V
accepted aceptado
S T
S (I)
aceptado accepted aceptado (se convierte en4) caso 2, 3, 4) accepted (becomes case 2, 3, sospechoso query S(I-1) S(I-1)
U
R
S (I -1)
sospechoso query S(I-1) accepted (becomes case 20,en 21, caso 22) 20, 21, 22) aceptado (se convierte aceptado accepted
aceptado accepted aceptado (se convierte en4) caso 2, 3, 4) accepted (becomes case 2, 3, query S(I-1) S(I-1) sospechoso aceptado accepted sospechoso query S(I-1) S(I-1) sospechoso query
P Q
S (I - 2)
accepted aceptado sospechoso S(I) query S(I) sospechoso query S(I-1) S(I-1) aceptado accepted
S (I +1)
NOTA: Las NOTE: configuraciones deben beserselected seleccionadas sobre la base Configurationssospechosas to be queried should on the basis of known or del expected behaviouroatesperado, individual stations groups ofostations. comportamiento conocido en unaorestación grupo de estaciones.
Fuente: OMM/FAO, 1985 : Guidelines for Computerized Data Processing in Operational Hydrology and Land and Water Management. OMM–N° 634, Ginebra.
Figura 22.4 — Técnica de reconocimiento de forma para el control de los niveles del agua
CONTROL DE DATOS Y CODIFICACIÓN
347
Como los controles físico-químicos son muy efectivos, su utilización está muy generalizada. La tabla 22.1 contiene ejemplos de pruebas físico-químicas, usadas para tipos de agua muy variada. Si algunos valores de las variables han sido determinados en el laboratorio, todos los datos asociados pueden ser recalculados para verificación. Todos los datos de calidad del agua, la estación y los códigos de análisis pueden ser controlados para su validez y si es posible, para la validez de sus combinaciones. 22.2.3.7 Datos de sedimentos Como para los datos de calidad del agua, los cálculos de masa balanceada pueden ser realizados si se tienen suficientes datos. Si existe una curva de calibración de sedimentos para la sección muestreada, la diferencia entre el valor muestreado y la curva puede ser analizada desde el punto de vista de la estadística y/o por examen visual. 22.2.4 Datos faltantes Cuanto más completos son los datos, más útiles son. El tiempo empleado en la reconstitución de registros faltantes, durante la etapa anterior al procesamiento, puede pagar grandes dividendos cuando los datos finales son usados o analizados. Es preferible que estas primeras estimaciones sean hechas por la persona encargada de recolectar los datos, pues esta persona puede aprovechar sus conocimientos de la localidad. Es frecuente el caso, sin embargo, en que registros defectuosos son solamente reconstruidos con el gasto de grandes cantidades de tiempo, o que esa recuperación requiera acceso a los datos procesados de otra fuente que cubra el mismo período. En este caso, puede no ser práctico tratar de diferir la transmisión de los datos restantes hasta que sean los datos faltantes reconstituidos. Se debe tomar una decisión sobre si la persona que recopila los datos completa las series o las sintetiza de manera más eficaz durante el proceso terciario. 22.3 Codificación de datos Los sistemas de codificación deberían ser detallados y flexibles. A las personas que recopilan los datos se les debería alentar a utilizar numerosas posibilidades. Además de la aplicación de códigos para orientar al procesamiento, los comentarios deberían incluirse en esta etapa. Estos comentarios dan una descripción general de los datos dentro de los períodos de tiempo definidos y deberían adjuntarse automáticamente cuando los datos se presentan a los usuarios. El objetivo principal del uso de códigos es hacer los archivos más compactos y más claros. Las etapas siguientes permiten definir y utilizar los códigos:
348
CAPÍTULO 22
TABLA 22.1 Control de los datos de la calidad del agua en base a leyes físico-químicas 1. Sólidos en suspensión Todos los resultados que se expresen en mg/l deben satisfacer el siguiente control: 0,1 × TDS > [TDS - (Na+K+Mg+Ca+C1+SO4+4,42NO3+0.61 (Alcalinidad)+ 3,29NO2+S1O2 + F)] NO2, S1O2 y F son facultativos, es decir que el control de la validación puede hacerse sin utilizarlos, pero se deben incluir si se dispone de ellos. 2. Balance iónico a) Test estándard (ocho a 12 iones) Para este control, los iones deben convertirse en mg/1:
Cationes − Aniones Cationes + Aniones × 100 < 3% donde Cationes = Na+K+Mg+Ca+NH4 y Aniones = C1+SO4+NO3+HCO3+NO3+PO4 + F PO4, NH4, NO2 y F son facultativos, es decir que el control de validez puede realizarse sin ellos. b) Test mínimo (seis iones) Este control mínimo sólo se efectúa cuando se han medido los iones principales. El resultado debe expresarse en meq/1, y los iones deben estar sometidos al siguiente control:
Cationes − Aniones Cationes + Aniones × 100 < 10% donde Cationes = Na + Mg + Ca y Aniones = C1 + SO4 + HCO3. 3. Conductividad C (µs/cm)
0,55 conductividad (µs/cm) < TDS < 0,7 conductividad (µs/cm) donde TDS = Sólidos disueltos totales
CONTROL DE DATOS Y CODIFICACIÓN
349
Tabla 22.1 (continuación) Controles generales de la calidad del agua Sólidos totales Sólidos totales 200 20 DBO5 (total) DBO5 (total) DQO Oxido de nitrógeno total Dureza total Cianuro total Fenoles totales Fenoles totales Cromo disuelto total Aceite (total) Aceite y grasa Oxido de nitrógeno total Dureza total Fenoles totales
> Total de sólidos disueltos > Sólidos precipitables > % de sat. del oxígeno disuelto > mg/1 de oxígeno disuelto > DBO5 (filtrado) > DBO5 (estable) > DBO > Nitrato > Dureza provisional > Cianuro (excepto el ferrocianuro) > Fenoles monohídricos > Fenoles polihídricos > Cromato > Aceite (libre) > Aceite (libre) = Nitrato + nitrito = Ca + Mg = Fenoles mono y polihídricos
Fuente: OMM/FAO, 1985 : Guidelines for Computerized Data Processing in Operational Hydrology and Land and Water Management. OMM–N° 634, Ginebra.
a) definir los datos que deben ser codificados. Son normalmente de la categoría de datos descriptivos que se usan frecuentemente (por ejemplo, el nombre de ubicaciones, las variables medidas, los métodos de análisis, las unidades de medición y los indicadores de calidad de datos); b) decidir cuándo la codificación debe ser realizada. Si el objetivo es que el registro y los documentos de entrada de datos sean compatibles, la codificación debe realizarse en el momento de adquisición de datos por el observador hidrólogo o el técnico de laboratorio. Aunque mucho menos deseable, los datos también pueden codificarse al introducirlos en la computadora. Esto detiene el proceso de entrada de datos y requiere la intervención de un operador más capacitado y con más experiencia; c) estudiar la posibilidad de utilizar sistemas de codificación existentes (nacional o internacional) para algunos datos. Los inventarios de códigos para variables, métodos de análisis de laboratorio, y unidades de medición codificadas han sido desarrollados por varios países. La adopción de dichos sistemas de códigos permiten el intercambio de datos y reducen la necesidad de dedicar recursos en hacer nuevas listas de códigos;
350
CAPÍTULO 22
d) obtener o preparar listas de códigos, incorporar los códigos en el informe y la forma de entrada de datos y en los sistemas informáticos, incluso instrucciones para la codificación (y listas de códigos pertinentes) en las hojas de instrucciones técnicas; e) capacitar observadores en el uso de códigos y para controlar la manera de rellenar los formularios desde el inicio del sistema de códigos. Este control debería ser hecho por varios meses para permitir que el técnico se familiarice con los códigos. La mayoría de los códigos usados en hidrología son numéricos. Sin embargo, se utilizan también combinaciones diferentes de códigos alfabéticos o alfanuméricos para registros de tarjetas perforadas y en otros ámbitos que utilizan datos más descriptivos, como la clasificación del uso de tierras y suelo. El código utilizado en sistemas hidrológicos se describe más adelante en el NAQUADAT Dictionnary of Parameter Codes [5]. 22.3.1 Códigos de ubicación Los códigos normalmente existen para la cuenca o subcuenca y es muy útil incorporarlos en archivos de datos de descripción de estación (sección 21.2). Esto permite la identificación rápida de todas las estaciones (o de las estaciones que miden variables seleccionadas) en una sóla cuenca o grupo de cuencas. La sección 21.2 contiene más información relativa a la numeración de estaciones. 22.3.2 Códigos para las variables (parámetros) Se refiere al grupo más grande de códigos. La proporción de variables hidrológicas y conexas que se necesitan incluir en una base de datos puede ser considerable. Afortunadamente, varios institutos hidrológicos han publicado una lista de códigos de variables (el Environment Canada [5] y el Department of Environment del Reino Unido [6]). La lista de códigos normalmente comprende para la variable, cuatro o cinco dígitos de código, la definición del texto de variable y posiblemente algunas abreviaciones o sinónimos. Un carácter distintivo de esas variaciones entre las listas es la inclusión de las unidades de medición y/o técnicas de análisis (particularmente para datos derivados de laboratorio) en la definición o en sus mismos códigos. Así, en un sistema, el código 08102 se refiere al oxígeno disuelto medido en mg/1, usando un medidor de oxígeno disuelto, mientras que otro sistema describe la misma variable como 0126 (oxígeno disuelto) con un código de unidad de medición de 15, donde 0126 y 15 son entradas en la lista de códigos pertinentes a mg/1 y metro, respectivamente. Los objetivos y usos de esas listas de códigos figuran en los diccionarios de datos. La tabla 22.2 contiene un extracto del diccionario de códigos hidrológicos,
CONTROL DE DATOS Y CODIFICACIÓN
351
mientras que la tabla 22.3 un extracto de un diccionario de calidad del agua. En el primer ejemplo, se usan dos códigos, uno para la variable, el otro para la unidad; mientras que en el segundo sólo hay uno. En este último diccionario se distinguen las técnicas de análisis que deben aplicarse a las muestras de aguas subterráneas G), lagos L) y ríos R), y se indica el nivel de exactitud requerido para el método de análisis. El trabajo que implica la preparación de dichos diccionarios es tan grande que es recomendable utilizar la lista de códigos existentes. 22.3.3 Códigos de calificación de datos Es usual y altamente recomendado, tener una serie de códigos disponible para que el observador hidrológico y el técnico de laboratorio puedan emplear en la calificación de datos anormales o inciertos, lo que permitirá en el futuro una utilización más segura de estos datos. Hay básicamente dos grupos de calificaciones, la primera puede ser considerada como la situación real (fiabilidad) de los valores de datos y la segunda indica algunas condiciones exteriores que pueden dar un estado anormal de los datos. Para ambos grupos, el código usado es normalmente de carácter alfabético único, conocido también como una bandera. Las banderas para la fiabilidad de los datos son: E – valor estimado, considerando que la estimación es relativamente buena; S – valor sospechoso, se supone que es incorrecto, pero no hay medios para verificarlo; G – valores inferior al límite de calibración o de medición; L – valor inferior al límite de detección (valor situado en el límite); V – Valor fuera de la gama de variaciones normalmente aceptables, pero que ha sido controlado y verificado. Banderas para las condiciones exteriores: I – presencia de hielo (o hielo represado); S – presencia de nieve; F – presencia de heladas; D – estación sumergida (durante una crecida); N – resultados procedentes de un laboratorio no normalizado (calidad controlada); P – resultados procedentes de un laboratorio parcialmente controlado desde el punto de vista de la calidad. Las banderas deben ser introducidas, si procede, y se guardarán con los datos que se relacionan. Los procedimientos de validación de datos realizados por computadora pueden generar más banderas; en ese caso se pueden usar los mismos códigos. 22.3.4 Códigos de datos faltantes Es muy importante diferenciar entre datos faltantes y datos registrados con valor cero. Si el sitio de un valor numérico faltante es dejado en blanco, la mayoría de las
352
CAPÍTULO 22
computadoras lo interpretarán como un cero que agregan automáticamente, lo cual se presta a confusión. Como no se puede utilizar un carácter alfabético en un sistema de datos numéricos, el problema de los datos faltantes no puede resolverse al agregar una "M" (faltante). Una posibilidad es poner el código M como bandera de dato separada; pero en los sistemas donde no se usan banderas, se deberá introducir un valor físicamente imposible, por ejemplo -999, para indicar al sistema de procesamiento de datos la presencia de un valor que falta. Si es necerario, ese valor puede ser transformado en un espacio blanco o "-" en el fichero de salida.
TABLA 22.2 Extracto de un diccionario de códigos hidrológicos Códigos DET 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2024
UNIDAD 110 110 110 110 110 110 110 110 110 110 110 110 21 21 18 18 18 18 18 18 18 21
Denominación principal y sinónimos
Unidad
CAUDAL CAUDAL MEDIO HORARIO CAUDAL MEDIO DIARIO CAUDAL MEDIO DIARIO (0000-2400) CAUDAL MEDIO MENSUAL CAUDAL MEDIO ANUAL CAUDAL MEDIO ANUAL (Oct.-Sept.) CAUDAL MÁXIMO DIARIO CAUDAL MÁXIMO MENSUAL CAUDAL MEDIO DIARIO MÁXIMA MENSUAL CAUDAL MÁXIMO ANUAL CAUDAL MEDIO DIARIO MÍNIMO MENSUAL ESCORRENTÍA TOTAL DIARIA ESCORRENTÍA TOTAL MENSUAL NIVEL DE AGUA SEGÚN EL RSc NIVEL MEDIO DIARIO DE AGUA SEGÚN EL RSc NIVEL MEDIO MENSUAL DE AGUA SEGÚN EL RSc NIVEL MEDIO ANUAL DE AGUA SEGÚN EL RSc NIVEL MÁXIMO DIARIO DE AGUA SEGÚN EL RSc NIVEL MÁXIMO MENSUAL DE AGUA SEGÚN EL RSc NIVEL MÍNIMO DIARIO DE AGUA SEGÚN EL RSc PRECIPITACIÓN HORARIA TOTAL
m3 s-1 m3 s-1 m3 s-1 m3 s-1 m3 s-1 m3 s-1 m3 s-1 m3 s-1 m3 s-1 m3 s-1 m3 s-1 m3 s-1 mm mm m m m m m m m mm
NOTA: RSc es la Referencia del Servicio cartográfico, que corresponde a la altitud nacional cero.
TABLA 22.3 Extracto de un diccionario de códigos de parámetros de calidad del agua Abreviación
Unidades
18130 10101 10102
Aldrin Alcalinidad total Alcalinidad total Tensioactivos aniónicos Arsénico Arsénico Bario Bario Benzo g.h.i., periyleno 3,4 Benzofluoretileno 11,12 Benzofluoretileno 3,4 Benzopireno Demanda bioquímica de oxígeno Boro Boro Boro Boro Cadmio Calcio Calcio Calcio Demanda química de oxígeno Cloruro Cloruro Cloruro Cloruro Clorofila A Cromo hexavalente
Aldrin Alc Tot Alc Tot Tens An AS AS BA BA HPC
ug/l mg/l CACO3 mg/l CACO3
33103 33104 56101 56102 06510
08201 05101 05102 05103 05105 48101 20101 20103 20105 08301 17201 17203 17205 17207 06711 24101
DBO B B B B CD CA CA CA DQO CL CL CL CL Cloro A Cromo HEX
mg/l AS mg/l AS mg/l BA mg/l BA ug/l mg/l mg/l mg/l mg/l 02 mg/l B mg/l B mg/l mg/l mg/l CD mg/l CA mg/l CA mg/l CA mg/l 02 mg/l CL mg/l CL mg/l CL mg/l CL mg/l mg/l CR
G1L2R3
Nivel de exactitud previsto
+ + + + + + + +
+ + + +
+ + + + + +
0,02 0,02 0,1 mg/l Lauryl 0,005 mg/l 0,005 mg/l 0,1 mg/L 0,1 mg/l
+ + + +
-
+ + + + +
+ + + + + + + + -
+ + + + + + + + + -
+ + + + + + + + + +
2 mg/l 0,1 mg/l 0,1 mg/l 0,1 mg/l 0,1 mg/l 0,001 mg/l 1 mg/l 1 mg/l 1 mg/l 20 mg/l 1 ml 1 ml 1 ml 1 ml 0,005 mg/l 0,005 mg/l
Método de análisis
Cromatografía gaseosa/líquida Valoración potenciométrica Valoración potenciométrica Colorimetría Absorción atómica sin llamas Absorción atómica Emisión de llamas Espectrofotometría por fluorescencia
5 días Método potenciométrico con mannitol Método curcumin Fluorimetría Colorimetría al ácido carmínico Absorción atómica Valoración EDTA Absorción atómica Emisión de llamas Método K2CR07 Valoración Colorimetría Electrodo específico Intercambio iónico Colorimetría Colorimetría
353
Parámetro
CONTROL DE DATOS Y CODIFICACIÓN
Código
354
Tabla 22.3 (continuación) Parámetro
Abreviación
Unidades
G1L2R3
Nivel de exactitud previsto
Método de análisis
24002 29101 29105 29106 06606 18010 18020 18000 18150
Cromo total Cobre Cobre Cobre Cianuro DDD DDE DDT Dieldrin Dióxido de carbono disuelto Oxígeno disuelto Oxígeno disuelto Conductividad eléctrica Coliformes fecales Coliformes fecales Estreptococos fecales Estreptococos fecales Fluoranteno Fluoruro Fluoruro Fluoruro Isómeros de hexaclorociclohexano Ácido sulfhídrico Indeno 1,2,3-C,D pyrene Caudal instántaneo Caudal instántaneo Hierro total Hierro total Hierro total
CR TOT CU CU CU CN DDD DDE DDT Dieldrin CO2 02 DISS 02 DISS COND ELEC. COL FEC. COL FEC. ESTREP FEC. ESTREP FEC.
mg/l CR mg/l CU mg/l CU mg/l CU mg/l CN ug/l ug/l ug/l ug/l mg/l mg/l 02 mg/l 02 usie/cm No/100 ml No/100 ml No/100 ml No/100 ml mg/l mg/l F mg/l F mg/l F ug/l
-
-
+ + + +
0,005 mg/l 0,005 mg/l 0,005 mg/l 0,005 mg/l 0,005 mg/l
Absorción atómica Colorimetría Absorción atómica, extracción Absorción atómica, aspiración Colorimetría Cromatografía gaseosa/líquida Cromatografía gaseosa/líquida Cromatografía gaseosa/líquida Cromatografía gaseosa/líquida
+ + + + + + + +
+ + + + + + + +
+ + + + + + +
1 mg/l 0,2 mg/l 0,2 mg/l 1,0 MSM a 20° C No disponible No disponible No disponible No disponible
08101 08102 02041 36011 36012 36101 36102 09104 09105 09106
01000 97167 26002 26004 26005
F F F BHC H2S Q INSTANT Q INSTANT FE FE FE
mg/l H2S mg/l m3/s m3/s mg/l FE mg/l FE mg/l FE
+ - + - + - -
0,1 mg/l 0,1 mg/l 0,1 mg/l
+ + +
0,05 mg/l
+ + + + +
+ + +
+ + + + +
0,1 mg/l 0,1 mg/l 0,1 mg/l
Método de Winkler Sonda con oxígeno disuelto Conductivimetría Tubo múltiple Conteo en membrana filtrante Fermentación en tubo múltiple Filtro de membrana Colorimetría Electrodo específico Método de electrodo potencial Cromatografía gaseosa/líquida
Limnimetría Otros métodos Colorimetría Absorción atómica, aspiración directa Aspiración
CAPÍTULO 22
Código
Tabla 22.3 (continuación) Abreviación
Unidades
82101 82102 03101 12102 12103 25101 25104 25105 80111 28101 28102 07506 07553 07554 07555 07105
Plomo total Plomo total Litio Magnesio Magnesio Manganeso Manganeso Manganeso Mercurio Níquel Níquel Amoníaco Amoníaco Amoníaco Amoníaco Nitrato, nitrito Tensioactivos no iónicos Nitrógeno orgánico de Kjeldahl Nitrógeno orgánico de Kjeldahl Ortofosfato en solución reactiva PCB total Permanganato pH Fenoles Fósforo total Especies de fitoplanctón Potasio Potasio Producción primaria
PB PB LI MG MG MN MN MN HG NI NI NH3 NH3 NH3 NH3 NO3NO2 Tens no ion N KJEL N KJELl PO4-P SOL
mg/l PB mg/l PB mg/l LI mg/l MG mg/l MG mg/l MN mg/l MN mg/l MN mg/l HG mg/l NI mg/l NI mg/l N mg/l N mg/l N mg/l N mg/l N
07001 07004 15254 18165 10302 06532 15403 19103 19105
PCB PERM V pH FENOLS P TOTAL PHITO K K PROD PRIM
mg/l N mg/l N mg/l P µg/l mg/l pH mg/l mg/l P mg/l K mg/l K mg/1 02
G1L2R3
+ + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + -
+ + + + + + + +
+ + + + + + + + + + +
+ + + + + -
- + + + - + + + + + + + + + +
Nivel de exactitud previsto 0,001 mg/l 0,001 mg/l 0,1 mg/l 1 mg/l 1 mg/l 0,01 mg/l 0,01 mg/l 0,01 mg/l 0,001 mg/l 0,005 mg/l 0,005 mg/l 0,1/0,01 mg/l 0,1/0,01 mg/l 0,1/0,01 mg/l 0,1/1 0,1 mg/l 0,1/1 0,1 mg/l 0,1 mg/l Lissapol X 0,1 mg/l 0,1 mg/l 0,02/0,002 mg/l
2 mg/l 0,1 unidad 0,002 mg/l no disponible 0,1 mg/l 0,1 mg/1
Método de análisis
Absorción atómica – solvente Extracción Absorción atómica Colorimetría Absorción atómica Absorción atómica Valoración Edta Colorimetría Absorción atómica, aspiración directa Aspiración Absorción atómica– solvente Extracción Absorción atómica Absorción atómica, aspiración directa Aspiración Extracción Electrodo específico Valoración Nesslerización Colorimetría Colorimetría Método de Kjeldahl Colorimetría Colorimetría — Cromatografía gaseosa/líquida pH metro Colorimetría —
355
Parámetro
CONTROL DE DATOS Y CODIFICACIÓN
Código
356
Tabla 22.3 (continuación) Parámetro
Abreviación
Unidades
G1L2R3
Nivel de exactitud previsto
34102 14101 11103 11105 16301 16302 16303 16306 10401 02061 02062 06001 02076 10504
Selenio Sílice reactivo Sodio Sodio Sulfato Sulfato Sulfato Sulfato Sólidos en suspensión Temperatura Temperatura Carbono orgánico total Transparencia Sólidos volátiles en suspensión
SE SI REAC NA NA SO4 SO4 SO4 SO4 MES TEMP TEMP COT TRANS SUSP SOL VOL
mg/l Se mg/l Si 02 mg/l Na mg/l Na mg/l SO4 mg/l SO4 mg/l SO4 mg/l SO4 mg/l Grado C Grado C mg/l C m mg/l
+ + + + + + + + + + -
A02 0,3 mg/l 0,001 mg/l 0,1/0,01 mg/l 1 mg/l 1 mg/l 2 mg/l 2 mg/l 2 mg/l 2 mg/l 2 mg/l 0,5° C 0,5° C 1 mg/l 0,5 m
1. Se debe determinar en aguas subterráneas marcadas con +. 2. Se debe determinar en lagos marcados con +. 3. Se debe determinar en ríos marcados con +.
+ + + + + + + + + + + + -
+ + + + + + + + + + + + +
Método de análisis
Fotometría de llama Absorción atómica, aspiración directa Aspiración Absorción atómica sin llama Colorimetría Fotometría de llama Absorción atómica, aspiración directa Aspiración Método gravimétrico Método tubidimétrico Valoración
CAPÍTULO 22
Código
CONTROL DE DATOS Y CODIFICACIÓN
357
22.3.5 Códigos de transmisión Todos los sistemas de transmisión de datos hacen uso de alguna forma de códigos, cuyo objetivo es asegurar que la información sea transmitida rápida y seguramente. En el caso de sistemas totalmente automatizados, la información debe necesariamente ser codificada antes de ser procesada. Por esta razón, los códigos son normalizados. Esto permite que la información sea transmitida y enviada en una forma compatible con el sistema de proceso previsto. Dicho procesamiento es precedido, en general, por un control de calidad de los datos. Los códigos de transmisión se examinan en detalle en la sección 4.4. Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1983: Guía de prácticas climatológicas. Segunda edición. OMM-N° 100, Ginebra. 2. Organización Meteorológica Mundial/Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 1985: Guidelines for Computerized Data Processing in Operational Hydrology and Land and Water Management. OMM-N° 634, Ginebra. 3. Instituto de Hidrología del Reino Unido, 1974: A System for Quality Control and Processing of Streamflow, Rainfall and Evaporation Data (D.T. Pluiston, y A. Hill, Informe N° 15. 4. Organización Meteorológica Mundial, 1980: Manual on Stream Gauging. Volúmenes I y II, Informe de hidrología operativa N° 13, OMM-N° 519, Ginebra. 5. Environment Canada, 1973: NAQUADAT Dictionnary of Parameter Codes. Inland Waters Directorate, Environment Canada, Ottawa. 6. U.K. Department of Environment, 1981: Hydrological Determinand Dictionary. Water Archive Manual N° 5, Water Data Unit.
CAPÍTULO 23 PROCESO PRIMARIO DE DATOS
23.1 Generalidades El proceso o procesamiento de datos implica transformar los datos brutos a ciertas formas que sean fáciles de utilizar y manipular para los usuarios futuros. Los datos comúnmente entran al sistema mediante el registro de manuscritos, por conversión mecánica de registros analógicos o en forma digital. Los datos brutos son en general comprimidos o reformateados a una forma más útil, y deben estar sujetos a una variedad de revisiones de calidad en las etapas correspondientes. Independientemente del tipo de datos que se esté procesando o el camino que su procesamiento tome, un requerimiento básico es el de mantener un estándar de operaciones que no degrade la calidad de los datos. El sistema de procesamiento debe estar integrado y debe ser revisado periódicamente a fin de asegurar su efectividad continua a la luz de nuevos sistemas, tecnologías y requerimientos de usuarios. Algunos de los elementos que deben ser considerados son descritos brevemente más adelante. El sistema debe minimizar la duplicación de esfuerzos, evitar procesos innecesarios, verificar estados de avance y finalización y asegurar que las actividades interrelacionadas sean coordinadas efectivamente. También debe estar estructurado de forma que garantice controles específicos en cada etapa del trabajo. Debe facilitar a los usuarios un acceso rápido y fácil a los datos y permitir la actualización de los datos en forma periódica y a intervalos de tiempo cortos. El sistema debe tener la suficiente flexibilidad como para permitir fácilmente su corrección, el agregado de datos o la actualización de secciones con datos erróneos. Al mismo tiempo, debe estar protegido por un sistema de alto nivel de seguridad para que cualquier alteración de la base de datos sea legítima y autorizada. Todas las versiones originales, además de la versión corregida, deben ser archivadas. Esto permite controlar el origen de cualquier grupo de datos en todo momento. En un nivel más técnico, se debe tener gran cuidado al instalar los algoritmos para la compactación de datos, su cálculo y verificación. Esto tiene un efecto directo en la calidad de los datos almacenados. Una vez instalados, la tendencia es de confiar siempre en los algoritmos, y una rutina inadecuada puede degradar la base de datos por períodos largos sin ser detectado. Asimismo, cualquier mejora del programa
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CAPÍTULO 23
informático (software) debe ser registrada con su fecha y documentación, para ayudar al rastreo de períodos de procesamiento incorrectos. Para una presentación más concisa, los distintos componentes de un sistema completo de proceso de datos se indican en la tabla que figura más adelante. La sección H del Manual de Referencia del HOMS contiene componentes que describen sistemas de procesamiento primario para varios tipos de datos climatológicos, de precipitaciones, de nivel de agua, de caudales y de calidad del agua. Finalmente, la seguridad global de la base de datos debe estar garantizada contra la pérdida o la alteración. 23.2 Entrada de datos 23.2.1 Uso del teclado La opción básica reside entre los sistemas en línea y fuera de línea y, dentro de cada sistema, si la validación de los datos debe hacerse al introducirlos o no. Los sistemas fuera de línea permiten introducir los datos por medio del teclado a un aparato informático compatible, que podrá transferir los valores a la computadora principal. Los sistemas fuera de línea se sirven de discos, diskettes o cintas magnéticas de nueve pistas que contienen los datos; pueden ser conectados vía módem o red local al centro principal de procesamiento. Asociado a los cambios en el medio de almacenamiento, ha habido un incremento en el uso de equipos inteligentes de entrada de datos, basados en microprocesadores, lo que ha permitido que los datos sean sometidos a revisiones iniciales especificas a medida que se introducen (esto es, entrada de datos bajo control de la computadora). Los datos son luego transferidos a un área de almacenamiento temporal de donde pueden ser recabados para una edición posterior. Una vez que los procedimientos de revisión han sido completados, el conjunto de datos puede ser memorizado en un disco, diskette o cinta, o transferido electrónicamente para su procesamiento. Las ventajas principales de los sistemas de entrada de datos fuera de línea consisten en que pueden estar lejos de la computadora principal de procesamiento (EDP: electronic-data-processing), y que dejan a la máquina central libre para trabajos de procesamiento más complejos. La descentralización de la función de entrada de datos es recomendable y se sugiere que, tanto como fuera posible, la persona encargada de la recolección de datos también estuviese encargada de su preparación, incluida la etapa de validación inicial. El volumen de datos recolectados por los observadores hidrológicos no es muy grande en términos convencionales de EDP, ya que la mayor parte del tiempo están viajando entre estaciones para recolectar relativamente poca cantidad de datos. Resulta práctico y altamente recomendable equipar con simples microcomputadoras las oficinas de terreno; los observadores hidrológicos pueden así supervisar la entrada de datos, que son controlados por una computadora. Los formularios controlados por la computadora pueden ser obtenidos
Componentes del proceso de datos Procesamiento de datos Preparación de datos
Introducción de datos
Validación
Actualización de la base de datos
Procesamiento secundario
1. Normalización de las unidades
1. Añadir series de 1. Programas para nuevos datos a la el informe de base existente rutina
2. Cálculo de los parámetros derivados
2. Señalar cualquier 2. Resúmenes error estadísticos
3. Nueva codificación de los datos de entrada para reducir las necesidades de memoria 4. Adaptar los datos al formato de base de datos
4. Interpolación o introducción de datos
1. Selección de los datos: a. Tipo de parámetro b. Valor de parámetro c. Posición d. Período de registro e. Periodicidad del registro
Salida de datos 1. Impresoras 2. Trazadores 3. UPV (unidad de presentación visual) 4. Medios de almacenamiento informático 5. Microfilms 6. Teletransmisión
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Corrección de errores
3. Introducir los valores de datos faltantes
Extracción de datos
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Preparación de do- 1. Documentos 1. Control de cumentos para la numéricos máximos y digitalización: a. Introducción mínimos 1 Transcripción directa por del contenido UPV 2. Control por del cuaderno b. Introducción totalización de terreno. mediante Formato de datos medios 3. Control de no estándard informáticos: homogeneidad tarjetas perfoentre estaciones 2 Codificación, radas; cintas reducción/ magnéticas; normalización discos de datos de magnéticos entrada 2. Diagramas y cartas. Entrada directa de datos por una tableta digitalizadora 3. Medios informáticos compatibles: a. Cintas magnéticas o cassettes b. Diskette c. Memoria integrada d. Líneas de comunicación (datos teletransmitidos) e. Lectura gráfica/ Lectores ópticos
Procesamiento primario
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mediante programas estándar de entrada de datos o con ayuda de programas informáticos creados en la oficina central para la entrada de datos hidrológicos. Cuando se seleccionan dichos sistemas, se debe asegurar la compatibilidad del formato del disco. Los trabajos de los centros de entrada de datos serán: a) teclear los formularios de datos completados localmente, de preferencia bajo el control de una computadora; b) revisar y corregir los datos ingresados. Esto puede ser hecho por inspección visual de hojas impresas y/o el uso de programas básicos de validación de datos (sección 22.2) preparados en la oficina central; c) copiar los datos corregidos en un disco u otro soporte informático y enviarlo o transmitirlo, vía módem u otra conexión, a la oficina central; d) recibir y responder preguntas de la oficina central después de que en el EDP (proceso electrónico de datos) se hayan utilizado varios programas complejos de validación. Si fuera necesario, los grupos de datos originales se podrían editar y hacer un nuevo envío. Cuando se prefieren sistemas de entrada de datos centralizados o cuando aún quedan volúmenes importantes de datos para ser ingresados en la oficina central, se pueden utilizar grandes sistemas de entrada de datos fuera de línea. Como estos sistemas son manejados normalmente por operadores experimentados, debe ser usado el sistema estándar de introducción y de verificación de datos. Las pruebas de validación de los datos, efectuadas mediante técnicas de ingreso de datos controlado por computadora, pueden causar retrasos en la respuesta del sistema, inadvertidos para la mayoría de los operadores, pero que influyen en la velocidad de entrada de datos de un operador experto. Además, como estos operadores generalmente no tienen conocimientos hidrológicos, no disponen de los medios de interpretar las señales de error provenientes de pruebas de validación hidrológica. De hecho, las funciones de entrada y validación de datos deberían estar repartidas entre el servicio central de preparación de datos y la oficina central de hidrología. Esto nuevamente destaca la ventaja de sistemas de entrada de datos distribuidos en las cuales, para operaciones en una escala menor, ambas funciones pueden ser combinadas. Los discos y/o cintas magnéticas que contienen datos de sistemas fuera de línea llegan al EDP para el ingreso y son sometidos a rutinas exhaustivas de validación de datos. Los sistemas en línea permiten que la entrada de datos sea hecha directamente en el EDP mediante terminales UPV (unidad de presentación visual). Este tipo de entrada de datos sirve para pequeños sistemas EDP, pero para aplicaciones más importantes se deben usar lo menos posible porque los terminales conectados deben estar dedicados a la ejecución y al control de operaciones más complejas de proceso de datos y al desarrollo de software. Sin embargo, la capacidad de hacer la edición de datos en línea es muy útil cuando se trata de un número pequeño de datos
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que necesiten corrección luego de una fase de validación. Para una edición limitada este procedimiento es más simple que el de tener que pedir que el sistema fuera de línea prepare un nuevo conjunto de datos. El desarrollo de potentes computadoras personales, que pueden anexarse por redes locales a la computadora principal, ha incrementado mucho la flexibilidad de estos sistemas. Cualquiera que sea el sistema de entrada de datos usado, es esencial que se proporcione una guía clara, preferentemente en el mismo formulario de datos, sobre la forma en que se deben entrar los datos. No debe existir ambigüedad acerca de qué se debe o no se debe entrar, ni acerca del formato de datos. 23.2.2 Proceso de gráficos Es indispensable saber si los gráficos serán digitalizados por técnicas automáticas o si los cálculos serán hechos manualmente antes de entrar los resultados en la base de datos. Si el número de gráficos es pequeño, el diseño de sistemas de computación automáticos para la digitalización de gráficos puede que no valga la pena. Sin embargo, los diseñadores de los sistemas deberán hacer estudios para comparar el costo y la exactitud de los procesamientos manuales y automáticos. La opción por técnicas automáticas es preferible si el programa está adaptado al sistema informático disponible, y si el equipo digitalizador forma parte de un sistema de análisis de mapas más grande. El análisis automático de gráficos generalmente implica el uso de un digitalizador con un cursor manual usado para trazar el gráfico. Los digitalizadores de buena calidad son caros comparados con otros componentes básicos del material informático y el programa de análisis puede costar una suma similar. Para la utilización de un digitalizador es necesario un grado más alto de formación que para realizar gráficos manualmente. Cabe señalar que los gráficos que contengan cuadrículas no rectangulares no pueden ser analizados directamente utilizando un programa desarrollado para gráficos con cuadrículas ortogonales. Dichos gráficos se pueden encontrar en algunos registradores climatológicos y de presión de agua. En un nivel más alto de perfeccionamiento en el proceso de digitalización está el uso del analizador (scanner) que recorre automáticamente el trazo del gráfico. Son instrumentos extremadamente complejos y, en general, sólo son adquiridos por las dependencias de mayor jerarquía en el sector de aguas. La necesidad de automatización depende del alto grado de complejidad del gráfico. Si se trata sobre todo del registro de los niveles del agua subterránea, las técnicas de copiado manual pueden ser rápidas y exactas. Sin embargo, si hay muchos gráficos de precipitaciones, el análisis manual tiende a ser lento y sujeto a errores. Los gráficos obtenidos por instrumentos que tienen movimientos de inversión presentan problemas particulares para su interpretación manual. Cualesquiera que fueren los métodos empleados, automáticos o manuales, la técnica de copiado debe estar determinada. La técnica de copiado de datos en puntos
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de quiebre entre los cuales se pueda interpolar linealmente, puede rendir resultados satisfactorios. Esta técnica reduce el tiempo dedicado a digitalizar, particularmente en gráficos donde hay un período prolongado con poco o ningún cambio de los parámetros, por ejemplo gráficos pluviométricos en períodos secos, gráficos de piezómetros, recesiones en el flujo de los ríos. Más aún, en cualquier momento se puede efectuar la reducción de los datos a cualquier base de tiempo sin pérdida significativa de información. Para gráficos pluviométricos, donde los trazos pueden ser muy dinámicos, puede ser preferible copiar con trazo continuo y desarrollar un programa informático que elimine los puntos que puedan ser interpolados aceptablemente. La técnica de compresión de datos no debe suprimir ninguna parte del contenido de los datos originales (sección 24.2.4). Incluso en estaciones donde hayan sido instalados registradores digitales, muchos servicios hidrológicos mantienen registradores gráficos. La razón es que el gráfico proporciona una apreciación visual inmediata de las condiciones presentes y pasadas. Si los gráficos sirven sólo para control y como funciones de respaldo, no es necesario desarrollar sistemas específicos para su procesamiento porque los datos se tomarán del registro digital. Los digitalizadores son normalmente explotados en línea en sistemas con pequeñas unidades centrales (micro/mini EDP) y los datos pueden ser guardados directamente en diskette, disco o cinta magnética. Cuando el digitalizador es usado fuera de línea, normalmente bajo el control de un microprocesador especializado, los datos digitalizados brutos son transferidos a la máquina procesadora principal por medios informáticos adecuados o, si la microcomputadora posee un programa de procesamiento, las correcciones de tiempo y de cero pueden ser hechas y los valores digitalizados convertidos al formato de serie-tiempo requerido antes de ser transferidos. Si la copia de gráficos se hace manualmente, los datos deben ser transcritos a un formato de entrada de datos. La forma más simple de hacerlo es usar un formato estándar de serie cronológica de una variable. Puesto que los datos podrían ser extraídos como una serie irregular de tiempo, ambos valores de tiempo y datos deberían ser introducidos al formulario de adquisición de datos. 23.2.3 Estaciones manuales que utilizan la telemetría En algunas estaciones los datos son recolectados manualmente, pero son transferidos por telemetría. Dicha recolección de datos semiautomática es usada con frecuencia en sistemas de proceso en tiempo real y cada vez más para la recolección de datos hidrológicos. Los sistemas más sencillos de teletransmisión son el teléfono, el télex y las conexiones radiales. Estos sistemas requieren suficiente capacidad en el centro de proceso de datos como para poder recibir los niveles pico de entrada de mensajes y la
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disponibilidad de terminales en línea por donde se pueda ingresar manualmente la información a la computadora. Asimismo, el programa de ingreso de datos, debe ser preparado de forma que permita que conjuntos aleatorios de datos, observados en distintos lugares, sean ingresados y si el programa usa estos valores para actualizar los respectivos ficheros de series de tiempo. Los procesos de entrada de datos y de actualización deberán incluir un grado elemental de validación de datos, por ejemplo el control de los intervalos de variación (sección 22.2). Si los datos telemedidos son usados para llevar inventarios, se recomienda que el observador envíe la planilla usual de entrada de datos al final de cada período de observación. Aunque los datos no necesiten ser reingresados, la planilla puede ser usada para revisar los registros digitales. Los procedimientos descritos anteriormente requieren la participación del ser humano en ambos extremos de la conexión de telemetría. Hoy en día existen técnicas que permiten que el observador codifique la información en un formato compatible con la computadora, que pueda ser recibido y procesado automáticamente en la oficina central. Este método utiliza un teclado pequeño parecido a una calculadora de bolsillo. El observador ingresa los códigos de identificación de la estación y de los parámetros y valores observados. El instrumento, llamado a veces terminal de recolección de datos y transferencia (DCTT), touchstone pad, codifica la información en el formato requerido para la trasmisión. La trasmisión se realiza por teléfono o por radio y puede incluir conexiones vía satélite. Estas unidades son relativamente baratas (incluido el trasmisor de radio) y eliminan la necesidad de tener operaciones manuales centralizadas. Si los observadores hidrológicos han recibido la formación necesaria, esta técnica permite combinar las ventajas de las observaciones in situ con las ventajas del procesamiento y trasmisión de datos automáticos. 23.2.4 Estaciones automatizadas Esta sección se refiere a las estaciones equipadas con sensores automáticos desde donde se pueden grabar datos en medios compatibles con la computadora y/o trasmitirlos por telemetría a un centro de recolección de datos. Si los datos son grabados localmente o trasmitidos desde la estación, hay muchas características comunes entre dos tipos de estaciones automatizadas. Estas similitudes son brevemente descritas antes de considerar las características específicas de cada técnica individual. Cabe señalar que no todas las variables hidrológicas pueden ser controladas y registradas automáticamente. El estado del desarrollo de los diversos sensores automáticos puede ser resumido como sigue: a) operacional para los niveles del agua, la temperatura (aire, agua, suelo), las precipitaciones, la humedad. Excelente fiabilidad para la radiación solar, la velocidad del viento, la dirección del viento, el pH, la salinidad;
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b) operacional para el caudal de superficies abiertas, la evaporación en tanque, las nevadas. Fiabilidad variable para la profundidad de la nieve, la humedad del suelo, la turbiedad del agua, el oxígeno disuelto, la carga de sedimentos suspendidos y de fondo, algunas variables de calidad del agua y el espesor del hielo; c) no existe todavía para la mayoría de los parámetros de calidad del agua. Se puede observar que los principales elementos hidrometeorológicos y los niveles de agua están cubiertos adecuadamente, pero que la recolección de datos de calidad del agua todavía se basa, en general, en técnicas manuales de recolección de datos. Sin embargo, un gran número de investigaciones y de pruebas in situ se están haciendo en este ámbito. Los sensores se dividen en dos grupos: los que proveen señales analógicas (niveles de agua medidos con flotadores, piramómetros con pila termoeléctrica), y los que producen salidas digitales, (pluviógrafos con cubeta basculante). Las señales analógicas generalmente deben ser convertidas en formatos digitales para cualquier operación posterior. Los registradores de niveles de agua son equipados con convertidores mecánicos o electrónicos, como codificadores de eje, mientras que la mayoría de los sensores climatológicos son digitalizados enteramente por medios electrónicos. Muchos sensores producen señales que necesitan una conversión de datos a unidades estándar para su análisis. Las conversiones pueden ser completas o referirse a relaciones de calibración adaptadas a cada sensor. Los datos registrados in situ en general, no son convertidos; esto se hace en el centro de procesamiento. Sin embargo, los datos trasmitidos son convertidos antes de la trasmisión. Existen dos bases de tiempo para la recolección de datos: la frecuencia del muestreo y la frecuencia de la grabación de datos. Para algunos sistemas de sensores registradores, (estaciones de medición del nivel del agua) las dos bases de tiempo son idénticas. Sin embargo, para sistemas que dependen más de técnicas electrónicas (en particular si el fenómeno observado tiene variación apreciable con el tiempo, por ejemplo la velocidad del viento) el intervalo de muestreo puede ser de cinco a 10 segundos, mientras que la suma o el promedio de la información puede ser grabada o trasmitida cada 10 minutos. En estas estaciones, los datos son grabados en medios informáticos compatibles. Los observadores hidrológicos visitan las estaciones a intervalos de uno a tres meses para recolectar los datos y renovar los medios de grabación para el próximo período. Los datos así grabados son luego llevados al centro de procesamiento. Los datos pueden también ser trasmitidos al centro de procesamiento por radio, teléfono o vía satélite. 23.2.4.1 Banda de papel y registradores de cassette Una característica de este tipo de almacenamiento era que aunque fueran compatibles con la computadora casi siempre necesitaban algún tipo de traducción o cambio
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de soporte antes de que pudieran ser leídos directamente por los equipos estándar de registro informático. Los registradores digitales de nivel más viejos estaban provistos con bandas de papel perforadas de 16 surcos. Este formato de 16 surcos era común ya que los datos estaban codificados en un formato decimal que podía ser leído directamente en la banda por los observadores. Dicha banda requería un dispositivo de lectura especial en el centro de procesamiento. Asimismo, los registradores de datos en cassette fueron muy usados en las estaciones automáticas de climatología y de calidad del agua, pero en la actualidad sólo se utilizan microcomputadoras para el ingreso directo de datos a partir de cassettes. La razón de esta aparente incompatibilidad entre los medios de registro digitales en el terreno y los dispositivos de entrada de datos en la mayoría de las computadoras está vinculada a un problema de velocidad de transferencia de información. La utilización de diskettes y bandas magnéticas en lugar de bandas de papel y cassettes, permite a los dispositivos de entrada informáticos tratar con más eficacia y eficiencia grandes volúmenes de datos (gracias a una mayor velocidad al entrar los datos). Aunque se sigan usando registradores de cintas de papel de cinco y ocho surcos en algunos instrumentos hidrológicos de terreno, sus sistemas de lectura correspondientes están desapareciendo rápidamente como instrumentos periféricos de computadoras. La mayoría de las cintas de papel son vulnerables a las condiciones ambientales que predominan en las estaciones hidrológicas, sobre todo a los cambios de humedad. Esto resulta en pequeñas pero importantes diferencias en la longitud de las cintas, que puede a su vez originar errores en el procesamiento. Incluso la incorporación de cintas plastificadas más estables no han logrado erradicar estos problemas, aunque en experiencias recientes en Nueva Zelandia con cintas de papel con recubrimiento de aluminio se han subsanado los problemas relativos a las variaciones de humedad. Cabe señalar que los riesgos de errores de procesamiento pueden ser minimizados con el uso de lectores de cinta de baja velocidad, que tienen más tolerancia en cuanto a la variación de longitud de las cintas. El sistema de manejo de cintas de papel y cassettes generalmente debe tener un preprocesador fuera de línea, esto es una pequeña máquina (por ejemplo, una microcomputadora) para transferir la información a un medio de alta velocidad, antes de introducirla al procesador principal. Las publicaciones de la OMM, tituladas Manual on Stream Gauging [1] y Guidelines for Computerized Data Processing in Operational Hydrology and Land and Water Management [2] contienen más detalles sobre los registradores de cintas de papel y de cassettes. Los datos obtenidos en cintas de papel o cassettes deben ser siempre conservados, una vez transferidos a diskette o a cinta magnética estándar, para no perder los datos originales y la información detallada que les acompañan.
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23.2.4.2 Memorias de estado sólido El uso de memorias de estado sólido cada vez más reducidas ha ido en aumento para todo tipo de grabación de datos in situ. Ya se ha visto que los microprocesadores se usan para controlar la operación de los sensores y para la conversión y elaboración de los datos recogidos por los sensores. Ahora, es posible almacenar los datos resultantes en módulos de memoria intercambiable. La capacidad de almacenamiento típica de ese módulo de memoria viva (RAM) es de 8 000 datos, lo que equivale a cerca de 11 meses de datos registrados horariamente o casi tres meses de datos registrados cada 15 minutos, y esta capacidad aumenta constantemente. Al comienzo de cada período de registros, un módulo de grabación en blanco se inserta en el dispositivo de campo. Periódicamente, los módulos son intercambiados y el módulo que se retira es llevado al centro de procesamiento en donde es conectado a un lector de dicho módulo. El lector, que cuenta con su propio microprocesador, puede procesar y formatear los datos contenidos en el módulo y la salida puede ser impresa y/o transmitida a la computadora central mediante interfaces estándar (RS-232). Después de transferir los datos, se eliminan del módulo, el cual puede volverse a utilizar. También se puede utilizar una memoria de sólo lectura programable borrable (EPROM) para transferir los datos directamente a una computadora de terreno sin retirar el EPROM. Estos sistemas poseen ventajas tales como el no requerimiento de partes mecánicas móviles en el sistema de grabación de terreno, el bajo consumo de energía y una unidad de grabación mucho más compacta. Sin embargo, el grado extremadamente alto de automatización de estos sistemas no permite al observador de terreno revisar visualmente el funcionamiento de los instrumentos. Este tipo de recolección de datos in situ desempeña un papel cada vez más importante en los sistemas de recolección y proceso de datos. 23.3 Procedimientos de proceso 23.3.1 Procedimientos generales del proceso primario Para este capítulo se ha hecho una diferencia algo artificial entre los procesos de validación de datos y el proceso primario de datos. Los procedimientos de validación de datos sobre todo hacen comparaciones entre los datos ingresados y los valores de prueba. El proceso primario es considerado como el que está compuesto de procedimientos necesarios para transformar los datos de entrada a fin de almacenarlos, imprimirlos o visualizarlos en pantalla. Desde un punto de vista operativo, tanto la validación (22.2) como el procesamiento primario son parte de los procesos de actualización de la base maestra de datos, que se llevan a cabo en la mayoría de los sistemas hidrológicos con una frecuencia mensual (figura 24.1). Sin embargo, cabe señalar que tanto la actualización como algunas etapas del proceso primario están condicionadas a una validación de los datos.
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Los principales componentes del procesamiento primario son: a) ajuste de datos por errores conocidos – Estos son errores indicados por los técnicos de terreno o por los encargados de efectuar manualmente el control de calidad de los conjuntos de datos que se reciben. Como se indica en la figura 24.1, la corrección de estos errores se debe hacer antes de someter los datos a la validación. Estas correcciones son a veces necesarias para los datos derivados de soportes informáticos compatibles (por ejemplo cintas de papel y cassettes), ya que los datos no serán editados hasta que ingresen en la computadora central. Del mismo modo, los gráficos digitalizados automáticamente son con frecuencia ingresados con errores conocidos. Los ajustes que más se requieren son compensaciones por errores de cero y por diferencias entre la hora y la fecha en que fueron registrados con las anotadas por el técnico de terreno (capítulo 22). Estos errores pueden estar asociados a una desviación gradual del reloj, del dispositivo sensor o del mecanismo de grabación, pero también pueden ser causados por incidentes eventuales, como un paro del reloj o una traba del perforador o de la pluma. En el primer caso, el sistema de procesamiento puede ajustar el error automáticamente por medio de una corrección lineal, u otra más compleja, de los datos registrados. En el segundo caso, es normal que se provean manualmente valores estimados para los datos faltantes si el período afectado no es demasiado largo y si hay suficiente información de respaldo disponible. También pueden requerirse ajustes para compensar fenómenos más complejos como la presencia de hielo en estaciones de medición de niveles de agua en ríos. En estos casos es casi seguro que el nivel (o flujo) corregido se calcule manualmente para el período afectado. Se deben utilizar los procedimientos y formularios normalizados para comunicar los errores al personal de procesamiento. Dichos formularios pueden ser usados para anotar las correcciones introducidas de nivel o caudal. Un aspecto esencial en el proceso de corrección por métodos manuales o informáticos, es que todos los datos modificados deben ser marcados convenientemente para indicar los ajustes hechos; b) agregación e interpolación de datos – Muchas variables, dada su naturaleza dinámica, deben ser medidas en períodos relativamente cortos, pero sólo se utilizan como promedios o totales de períodos más largos (agregación). Por lo tanto, para muchas aplicaciones hidrológicas, las variables climatológicas pueden ser requeridas sólo en valores diarios, aunque deben ser medidas con una frecuencia mayor para obtener valores estimados diarios fiables. La temperatura y la velocidad del viento son buenos ejemplos, pero en muchos casos lo mismo vale para niveles de agua y caudales en ríos. Si bien la agregación es directa para una serie cronológica de intervalo constante, una doble etapa de interpolación/ agregación es necesaria para variables medidas en períodos irregulares.
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Es importante observar que los niveles de agregación de datos son en general diferentes para el almacenamiento y para el egreso de los datos. Los datos en un nivel alto de agregación, por ejemplo promedios mensuales o anuales, pueden ser luego mantenidos en línea para su consulta general. La interpolación y la agregación son necesarias tanto en el espacio como en el tiempo. La correlación cruzada de datos de estaciones para estimar datos faltantes es una interpolación espacial que se utiliza con frecuencia y la estimación de valores superficiales a partir de puntos de observación es una forma común de agregación; c) evaluación de variables derivadas – Las variables derivadas más frecuentes son la escorrentía y la evapotranspiración potencial. Sin embargo, la gama de variables derivadas es muy amplia e incluye muchos indicadores de calidad del agua. Para la gestión de una base de datos es importante saber si las variables derivadas tienen que ser almacenadas después de haber sido calculadas e informadas. Sin duda, no es esencial ocupar un espacio-memoria con datos que pueden ser recalculados a partir de los datos de base. Para tomar esta decisión se deben plantear las siguientes preguntas: i) ¿Cuán seguido se deben recuperar las variables derivadas? ii) ¿Cuán complejos son los cálculos requeridos, tanto en términos de algoritmos como de cantidad de datos básicos necesarios? iii) ¿El objetivo de la base de datos es almacenar los datos básicos para que los usuarios los procesen ellos mismos o compilar un inventario de todas las variables importantes (básicas y derivadas)? En general, no se almacenan los valores de carga de sedimentos y de sales disueltas porque éstos se usan muy poco y pueden ser calculados por la multiplicación de dos series de tiempo básicas: caudal y concentración. En Estados Unidos, el sistema WATSTORE (Water Data Storage and Retrieval) [3] mantiene en línea los promedios de caudales diarios, mientras que en Nueva Zelandia el sistema TIDEDA (Time Dependant Data) [3] almacena sólo los niveles en los formatos de series cronológicas originales usados para el ingreso. La única regla fija es que cualesquiera fueren los valores derivados las series de datos originales deben ser preservadas en un medio magnético fuera de línea u otra forma estable de almacenamiento a largo plazo. Se puede aplicar la fase de validación a las variables derivadas, sobre todo las derivadas de dos o más series cronológicas básicas. De esta manera, aunque los niveles de agua en ríos como las curvas de calibración puedan pasar una validación aplicada individualmente a los datos, su combinación para producir estimaciones de caudal puede revelar algunas contradicciones. La sección 22.2.3.5 describe algunas técnicas de validación específicas para datos de caudal; d) salidas de resúmenes estadísticos – Son salidas de rutina, con frecuencia mensual o anual, de los datos procesados durante el ciclo de actualización de la base
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de datos. Estas salidas pueden ser consideradas como datos procedentes de la extracción de los datos básicos. Cabe recordar que, muchos elementos del procesamiento primario y del programa de recuperación de datos deben ser comunes. La atención que se preste a este punto reducirá en gran medida el esfuerzo de desarrollo de programas informáticos; e) conversión a formato de almacenamiento de bases de datos – La complejidad de esta operación depende de la diferencia entre el formato en el que los datos ingresados se suministran y el formato de los ficheros de la base de datos principal. Los datos en general se mantienen en el formato de ingreso mientras aguardan la validación y el procesamiento primario. Luego de este procesamiento, los datos procesados, con su calidad ya controlada, son transferidos para (actualizar) los archivos de la base de datos principal. Cabe destacar que no es necesario (ni recomendado) usar formatos comunes. Los formatos de ingreso de datos deben ser diseñados para adaptarse a las características de los sistemas de recolección e ingreso de datos. Los formatos de almacenamiento de datos deben ser diseñados para adaptarse al medio de almacenamiento y a los requerimientos de acceso a los datos. En la publicación de la OMM titulada Guidelines for Computerized Data Processing in Operational Hydrology and Land and Water Management se describen algunos ejemplos de como fusionar datos provenientes de distintos formatos de ingreso a un único registro y, a la inversa, separar los datos ingresados con el propósito de su almacenamiento [2]. Además de proceder al reagrupamiento de los datos, pueden introducirse niveles adicionales de codificación, así como efectuar la conversión de las unidades medidas a las normas usadas en la base de datos. La conversión de una serie cronológica irregular a otra regular (párrafo b) supra) es otra de las operaciones necesarias en numerosos casos. Existen muchas opciones para la forma en que los datos pueden ser comprimidos para un almacenamiento eficiente. Estas técnicas figuran en la sección 24.2.4. No todos los datos serán sometidos a cada uno de los pasos de procesamiento antes descritos. El grado de procesamiento necesario depende de cada parámetro hidrológico, de la forma en que fue grabado y/o copiado para su ingreso, del tipo de sistema de procesamiento y del objetivo de la recolección del dato. En sistemas de tiempo real, es posible que los datos de entrada en forma bruta (validados o no validados) basten para desencadenar alguna acción de operación o de gestión. La importancia del procesamiento también depende del rigor con que se aplicaron los indicadores del estado del dato y de los informes producidos en la etapa de validación del dato. Salvo que el sistema de validación detecte un error indiscutible, por ejemplo durante el control de error absoluto (sección 22.2), es preferible dejar que el procesamiento continúe, quizás hasta la etapa de actualización. Dicha actitud
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elimina la necesidad de cualquier etapa de procesamiento posterior si luego se comprueba que el dato en cuestión es correcto. El estado de los datos debe ser señalizado en los ficheros de trabajo, mientras se espera la confirmación o corrección de los datos (figura 24.1). 23.3.2 Procedimientos específicos del proceso primario Los procedimientos generales antes descritos se pueden aplicar a los distintos tipos de datos hidrológicos y es necesario identificar algunos de los procedimientos específicos más usados. Varias publicaciones de la OMM y la FAO abordan directamente los procedimientos que se deben aplicar (véase el principio de este capítulo) y se hará con frecuencia referencia a dichas publicaciones. Estos textos deben ser consultados para la teoría básica y para la formulación de técnicas, relativas sobre todo al procesamiento manual. Esta sección contiene información adicional sobre las técnicas de automatización. 23.3.2.1 Datos climatológicos [H25] Para las aplicaciones hidrológicas, las variables climatológicas más importantes son la temperatura, la evaporación y la evapotranspiración, en orden progresivo de complejidad del procesamiento. Antes de examinar las tareas de procesamiento, es útil considerar las formas en que la mayoría de los datos climatológicos son observados y registrados, por la importancia que tiene en las operaciones ulteriores. Las grandes variaciones de los parámetros climatológicos y su naturaleza dinámica hacen que la mayoría de los datos primarios se obtengan de estaciones climáticas dotadas siempre de personal o de estaciones climáticas (o meteorológicas) automáticas. La utilización de fuentes del primer tipo supone que los observadores tienen que estar bien formados y hacer muchas de las tareas básicas de proceso de datos in situ. Como el procesamiento que la mayoría de los parámetros necesita es muy simple, el procesamiento de campo es frecuentemente suficiente. Incluso, cuando se necesita derivar parámetros más complejos, los observadores están en general lo suficientemente formados para evaluarlos a partir de monogramas construidos con ese fin. Por lo tanto, el procesamiento primario por computadora, si se efectúa, comprenderá apenas la verificación de los cálculos manuales. El empleo de las estaciones climatológicas automáticas implica que existen un sistema y programas informáticos capaces de hacer una gama completa de operaciones de proceso de datos (sección 23.2.4). De hecho, muchas de las estaciones climatológicas automáticas están diseñadas para suministrar estimaciones de la evaporación y (según Penman) de la evapotranspiración. Casi todos estos sitemas incluyen una microcomputadora central para leer los datos grabados (cassette o memoria electrónica en estado sólido) y para hacer la validación de datos, control de homogeneidad,
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agregación, y tareas de procesamiento. En este caso, la computadora de la base de datos central recibe los datos procesados en un formato apropiado para su almacenamiento o aplicación directos. Se debe tener cuidado en el uso de datos procedentes de estaciones climáticas automáticas porque la calidad de los sensores es muy variable. La publicación de la OMM, titulada Guía de prácticas climatológicas contiene más detalles acerca del proceso de datos climatológicos. Numerosas variables climatológicas deben ser adaptadas a las condiciones estándar para su almacenamiento y/o aplicación. Por ejemplo, las velocidades del viento que no son medidas a una altura estándar, deberán ser transformadas a la altura estándar de dos metros usando la ley de potencias de la velocidad de los vientos. Asimismo, las mediciones de la presión pueden ser corregidas para corresponder a un nivel medio del mar, si la transformación no fuera hecha antes de la entrada del dato. 23.3.2.2 Observaciones de la evaporación y de la evapotranspiración [H39] Si se usan técnicas de medición directa, la computadora puede emplearse para verificar las estimaciones de la evaporación, revisando los niveles de agua (o las pesadas del lisímetro), así como la adición o la extracción de agua. Para calcular la evaporación de un lago a partir de valores medidos por un tanque de evaporación, es necesario aplicar el coeficiente de corrección del tanque utilizado. En algunos casos, ese coeficiente no es fijo sino que debe ser calculado por un algoritmo que comprenda otros parámetros climatológicos como la velocidad del viento, las temperaturas del agua y del aire y la presión de vapor. Estos parámetros pueden ser representados por valores medios de largo plazo o por valores medidos durante el período en que se analizaron los datos del tanque. Los coeficientes del tanque, o sus algoritmos, deben indicarse en la ficha de descripción de la estación (sección 21.2). Si un algoritmo usa valores medios de largo plazo, también deben ser guardados en el mismo fichero. En los capítulos 9, 37 y 38 se comentan detalles acerca de la estimación de la evaporación y la evapotranspiración. En la subsección I50 del Manual de referencia del HOMS figuran algunos programas informáticos para resolver la ecuación de Penman. 23.3.2.3 Datos de precipitación [H26] Frecuentemente se analizan datos de pluviómetros registradores para extraer información acerca de las características de las tormentas, mientras que los datos de los pluviómetros totalizadores sirven para cuantificar la disponibilidad y la variabilidad de los recursos hídricos. Antes de analizar cualquier información de los pluviómetros registradores, es necesario producir series cronológicas a intervalos regulares a partir de series irregulares en las cuales los datos son usualmente registrados. Si los datos han sido expuestos a una etapa previa de validación, la conversión de formato de esta serie
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CAPÍTULO 23
cronológica quizás ya se haya hecho. El programa usado para la conversión debe ser lo suficientemente flexible para que permita la evaluación de cualquier serie cronológica de intervalo constante compatible con la resolución de los datos ingresados. Este programa necesitará tanto de interpolaciones como de agregaciones para poder producir las series regulares. La selección de un intervalo de tiempo adecuado se examina más adelante. Si los datos se derivan de pluviómetros registradores o totalizadores, lo primero que se debe hacer es repartir el total de las precipitaciones acumuladas y reconstruir los registros faltantes. Los totales acumulados de precipitaciones se utilizan en registros diarios de precipitación por ejemplo, cuando los datos del pluviómetro no se registran durante un fin de semana. Estos totales acumulados de precipitaciones también se usan con pluviómetros basculantes que envían sus datos por telemetría. Si algún informe de vuelco del recipiente no es recibido durante un período de lluvias, el primer informe recibido luego de la pausa contendrá el acumulado de los vaciados ocurridos desde el último informe. La diferencia entre este valor de acumulación y el provisto por el último informe debe ser repartido adecuadamente. Las técnicas para repartir totales acumulados y para estimar valores faltantes son esencialmente las mismas. La sección 22.2.3.2 describe la técnica de correlación cruzada con estaciones cercanas para dar estimaciones diarias y mensuales de totales acumulados. Aunque el objetivo fuera validar los totales de precipitación reales, puede también ser usado para repartir totales acumulados o para estimar los valores de precipitación cuando existen datos faltantes. Los valores de precipitación estimados o repartidos deben ser adecuadamente señalizados por el programa que se ocupe de esas tareas. Se pueden aplicar las mismas técnicas para datos de pluviómetros en intervalos menores, pero se obtendrán estimaciones de menor calidad debido a que, con frecuencia, habrán menos estaciones cercanas y a causa de la naturaleza dinámica de las precipitaciones de corta duración. 23.3.2.4 Datos de caudales [H70, H71, H73, H76, H79] Hay varias etapas requeridas para obtener datos de caudal. La primera se refiere a la medición del caudal, la segunda incorpora los caudales medidos en curvas de calibración, la tercera describe el cálculo de caudales a partir de datos de nivel y la última reseña algunos análisis estándar realizados que utilizan estimaciones de caudal. La publicación de la OMM titulada Manual on Stream Gauging [1], contiene más detalles de las técnicas para el cálculo de caudal. Mediciones de caudal Como se describió en la sección 22.2.3.5 los cálculos de caudales obtenidos a partir de datos de molinetes se hacen principalmente como una verificación de los valores calculados manualmente en la oficina de terreno. Para el procesamiento completo
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de los datos de medidores de dilución (sección 11.4), menos frecuentes, hay que esperar los análisis de laboratorio. Las técnicas de análisis para ambos métodos figuran en el Manual on Stream Gauging de la OMM [1]. Dado que el volumen de datos es pequeño y los análisis son relativamente sencillos, muchos sistemas no están previstos para el procesamiento informático de ambos conjuntos. Algunos organismos tienen calculadoras portátiles programables para ayudar a los técnicos a evaluar sobre el terreno las mediciones de los molinetes. Otra posibilidad es grabar los datos directamente en una computadora portátil. Como los resultados de los molinetes influyen en la estimación ulterior del caudal, se recomienda que los datos de mediciones de caudal sean sometidos a una verificación informática. La evaluación por computadora se puede extender al análisis de errores y a la asignación de límites de confianza a las mediciones individuales. Los caudales calculados pueden ser revisados desde el punto de vista de su conformidad estadística con relación a la curva de calibración existente. Cualquier programa desarrollado para datos de mediciones de caudal debe ser capaz de manejar el número máximo de verticales posibles. Si la experiencia lo justifica, se deben hacer correcciones por deflexiones excesivas en las líneas de sondeo con medidores suspendidos y para los casos en que las velocidades no son perpendiculares a la sección medida. Si el programa calcula las velocidades como parte del cálculo de caudal (esto es, si sólo las observaciones básicas de campo son usadas como datos de ingreso), se debe tener acceso a un fichero de referencia que contenga los números de serie y los coeficientes de calibración del molinete que se use. Se debe decidir si el programa debe calcular la superficie de las secciones por el método de la sección media o el de la sección central (sección 11.2.4). Curvas de gastos Las curvas de gastos definen la relación que existe entre el nivel y el caudal. Esta relación se puede determinar después de realizar muchas mediciones de caudales, que cubran una gran serie de caudales y usando los valores de niveles y caudales para definir una curva continua de gastos. Si bien las estructuras para aforo tienen una curva de gastos teórica, se recomienda calibrar dichas estructuras sobre el terreno. Tradicionalmente, las curvas de gastos han sido ajustadas manualmente a los valores medidos, pero en muchos casos dichas curvas pueden ser ajustadas con más exactitud por programas informáticos [1]. Si fuera necesario, se pueden asignar pesos a cada medida de caudales para reflejar la confianza estadística o subjetiva asociada con ella. Sin embargo, debido a que algunas secciones tienen varios puntos de control hidráulico, algunos hidrólogos aún prefieren considerar la definición de curva de gastos como un procedimiento manual. Numerosos factores inciden en la calidad de una curva de aforos.
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CAPÍTULO 23
Obviamente es imperativo que un sistema de procesamiento de caudales sea capaz de identificar y emplear la curva de gastos adecuada. El operador debe estar consciente de sus limitaciones de uso. La sección 24.2.6 describe la organización de los datos descriptivos de la estación, que incluyen las tolerancias de las curvas de gastos. Cabe señalar que es importante conservar las curvas de gastos históricas para poder recalcular los caudales. Las curvas de gastos pueden ser almacenadas en la computadora de dos maneras: la forma tabulada y la forma funcional. Las formas tabuladas siguen siendo las más usadas y las gráficas son preparadas por extracción manual de los puntos en la curva de gastos. La extracción es hecha de forma que se puedan interpolar los puntos intermedios, lineal o exponencialmente, sin errores importantes en la estimación del caudal. La forma funcional de la curva de gastos tiene uno de estos tres orígenes: a) una ecuación teórica (o modificada) para una estructura de aforo; b) una función ajustada por computadora a los puntos aforados, esto es, una automatización del proceso manual de ajuste de curvas; c) una función ajustada a los puntos de una tabla preparada como fue descrita en el párrafo anterior, es decir, un alisamiento de una curva ajustada manualmente. Siempre que sea posible deben ser preparadas las formas funcionales ya que no necesitan interpolación. Son fáciles para utilizar en computadora y no requieren un gran espacio de almacenamiento. Si se adoptan estas funciones, la computadora puede ser usada para preparar tablas de gastos para uso manual. Cálculo de caudal Para la evaluación de caudales, deben estar disponibles para la computadora los siguientes conjuntos de datos: a) un conjunto de niveles controlados en cuanto a su calidad, esto es en los que fueron corregidos los cambios de fecha, el nivel de referencia y de tiempo y que luego fueron validados (sección 22.2.3.4). Si se emplean métodos de pendiente para el cálculo de caudal, se requieren dos conjuntos de datos de niveles de agua; b) curvas de gastos correspondientes al período y a la gama de variaciones cubiertas por las series de niveles. Cuando las curvas de gastos se relacionan con controles artificiales con variaciones frecuentes, como es el caso de compuertas y esclusas, una serie cronológica de los estados del control puede requerirse para guiar la selección informática de la curva de gastos apropiada; c) cualquier corrección de variaciones que se necesite aplicar al registro de niveles. Esto requiere que la magnitud y la duración de los cambios sean especificadas. Cuando se dispone de todos los conjuntos de datos, el cálculo de caudal puede continuar en las siguientes etapas:
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a) aplicar correcciones por variaciones del perfil al registro de niveles. En caudales muy pequeños, es posible que las variaciones negativas generen niveles modificados por debajo de cero. Esta situación debería ser detectada y notificada; b) controlar que la curva de gastos que se está usando sea válida para la fecha en que se midió el nivel procesado. Si la curva fuera inválida, identificar y localizar la curva correcta. Una falla en poder localizar la curva correcta debe ser notificada; c) controlar que los niveles que se están procesando se sitúan dentro del rango válido para la curva de gastos. Si están fuera, el sistema debe saber si se permiten extrapolaciones de la curva y, si así fuere, hasta qué valor. Si la extrapolación no está permitida, o si los niveles se sitúan fuera del rango de extrapolación permitido, un mensaje de error de "fuera de rango" debe ser notificado; d) aplicar la curva de gastos a un nivel de agua y obtener el valor del caudal correspondiente; e) regresar a la etapa a) hasta que todos los niveles de agua hayan sido procesados; f) compilar la series cronológicas de caudal para obtener los promedios de caudal en la unidad de tiempo estándar requerida (normalmente un día). Un problema que se plantea frecuentemente al usar curvas de gastos múltiples es que pueden producirse cambios abruptos de los caudales en los puntos de cambio de la curva. El sistema de procesamiento debe estar provisto de ciertas reglas en cuanto al tratamiento de este fenómeno. Estos problemas normalmente requieren un ajuste manual de los caudales tratados durante el período de transición si las discontinuidades son demasiado importantes. Cabe señalar que, contrariamente al proceso de datos de precipitaciones, la agregación para producir los intervalos de tiempo estándar debe ser la última etapa en los procedimientos descritos anteriormente. Esto se debe a la relación no lineal entre el nivel y el caudal. Como se ha indicado varias veces, los datos de caudal son usualmente agregados como valores promedios diarios. Si se dispone de las estimaciones especiales de las precipitaciones se pueden introducir en el fichero de caudales. Además de determinar los extremos instantáneos de niveles y caudales, no siempre se publican con regularidad los elementos de una serie cronológica de caudales instantáneos. La serie cronológica de niveles y tal vez la serie de caudales correspondiente son preservados en cinta o diskette fuera de línea para poder apoyar las consultas futuras de datos más detallados. Tareas de rutina después de realizar los cálculos En general, se trata de completar los datos faltantes mediante una correlación cruzada entre estaciones de medición cercanas, sobre todo las que se encuentran dentro del mismo sistema fluvial. En ausencia de correlaciones fiables puede recurrirse a
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CAPÍTULO 23
modelos de lluvia-escorrentía, incluido el uso de modelos conceptuales de cuencas. Todos los datos estimados deben ser adecuadamente señalados. Numerosos sistemas fluviales son afectados por las actividades humanas y estos efectos cambian con el tiempo. Para los estudios hidrológicos y de recursos hídricos casi siempre es necesario tratar de aislar estos efectos artificiales de la respuesta natural de la cuenca, esto es obtener una serie cronológica estacionaria. Este proceso requiere un gran conocimiento de todas las derivaciones, caudales y represas dentro de la cuenca, directas o indirectas. Los efectos del uso del agua pueden ser agregados en una única serie cronológica que represente las modificaciones del caudal del río. Cuando estas correcciones se aplican a los caudales medidos se obtiene una serie natural. Cualquier dato modificado debe ser debidamente señalado. Una tarea esencial para el proceso de datos, sobre todo para el de sistemas de caudales, es realizar las debidas operaciones de mantenimiento en todos los conjuntos de datos. Estas operaciones requieren decisiones que permitan decidir los datos que deben ser mantenidos. Según los principios establecidos en la sección 23.3.1, convendría tratar de guardar sólo los datos básicos fundamentales (y copias de seguridad) y los datos derivados principales, como, los datos de caudal diario que consumen mucho tiempo para ser calculados. En el capítulo 24 figuran más detalles acerca de este tema sobre gestión de datos. Sin embargo, cabe señalar que los datos siguientes, relativos a caudales, deben ser conservados: a) los datos de niveles de agua y las correcciones efectuadas; b) los datos de niveles ajustados, esto es las series cronológicas de niveles de agua corregidos por errores temporales, altura del cero de escala y altura del limnímetro. Una copia de trabajo y por lo menos una copia de seguridad se deben conservar (fuera de línea); c) las curvas de gastos diarios y sus correcciones asociadas; d) los promedios diarios de caudal, algunos de los cuales pueden ser mantenidos en línea (los últimos años, resúmenes mensuales o períodos completos para estaciones importantes de referencia); e) datos relativos al uso del agua de la cuenca, utilizados para obtener los caudales naturales. Todos los demás grupos de datos son transitorios, o pueden ser derivados fácilmente de estos conjuntos de datos básicos. 23.3.2.5 Datos sobre la calidad del agua Existen cuatro grupos principales de actividad en el procesamiento primario de los datos de calidad del agua: a) verificación de los valores de laboratorio; b) conversiones de unidades de medición y ajustes de valores a escalas normalizadas de referencia;
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c) cálculo de índices de calidad del agua; d) cálculos de balance de masa. La verificación de los resultados de laboratorio puede incluir la reevaluación de datos calculados manualmente y/o el control de homogeneidad entre varios parámetros. Estas operaciones son en esencia una extensión de las técnicas de validación de datos, descritas en la sección 22.2.3.6. La normalización de unidades es importante para obtener la homogeneidad de valores almacenados en la base de datos. Las operaciones incluyen la conversión de unidades de medición usadas (como la normalidad a unidades equivalentes) o la corrección de valores para ajustarlos a una referencia estándar (por ejemplo, transformar los valores del oxígeno disuelto y la conductividad del agua a sus valores correspondientes a la temperatura estándar de 20ºC). Los índices de calidad del agua están generalmente basados en relaciones empíricas que intentan clasificar las características de la calidad del agua a un objetivo definido. Por lo tanto, existen índices en el ámbito de la potabilidad, la toxicidad, la dureza, la aptitud al tratamiento de las aguas, etc. Como estos índices son derivados del conjunto básico de datos sobre la calidad del agua, generalmente no es necesario almacenarlos. Si se requiere, se pueden volver a calcular. Algunos índices pueden influir directamente en la gestión del agua. Por ejemplo, algunas relaciones empíricas entre las variables de efluentes básicos pueden ser usadas como la base de un esquema de tarifas para el tratamiento de aguas residuales. Mientras más elevado sea el índice más alta será la tarifa. Los cálculos de balance de masas se utilizan para controlar las cargas de contaminantes y examinar la fiabilidad de los datos de calidad del agua. Las cargas se calculan multiplicando la concentración por el caudal (o por el volumen para agua embalsada). El cálculo de cargas en varios puntos del sistema fluvial permite detectar posibles fuentes de contaminación, que de otra manera se disimularían por las variaciones en el caudal. Es evidente que los cálculos de balance de masa deben ser hechos luego de que los caudales hayan sido calculados. Es muy fácil calcular el balance de masa para los parámetros estables de calidad del agua, o sea los que no cambian o cambian muy lentamente con el tiempo. Los parámetros inestables, por ejemplo el oxígeno disuelto y la DBO, pueden cambiar muy rápido y se requieren técnicas de modelación muy complejas parar monitorear su comportamiento. Más información y técnicas figuran en la publicación de la OMM, titulada Manual on Water Quality Monitoring - Planning and Implementation of Sampling and Field Testing [5] y en la Global Environment Monitoring System (GEMS) Water Operational Guide [6].
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CAPÍTULO 23
Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1980: Manual on Stream Gauging. Volúmenes I y II, Informe de hidrología operativa Nº 13, OMM–Nº 519, Ginebra. 2. Organización Meteorológica Mundial/ Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 1985: Guidelines for Computerized Data Processing in Operational Hydrology and Land and Water Management, OMM–Nº 634, Ginebra. 3. Organización Meteorológica Mundial, 1981: Case Studies of National Hydrological Data Banks (Planning, Development, and Organization). Informe de hidrología operativa Nº 13, OMM–Nº 576, Ginebra. 4. Organización Meteorológica Mundial, 1983: Guía de prácticas climatológicas. Segunda edición, OMM–Nº 100, Ginebra. 5. Organización Meteorológica Mundial, 1988: Manual on Water Quality Monitoring – Planning and Implementation of Sampling and Field Testing. Informe de hidrología operativa Nº 13, OMM–Nº 680, Ginebra. 6. Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente/Organización Mundial de la Salud/Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura/Organización Meteorológica Mundial, 1992: Global Environment Monitoring System (GEMS/WATER Operational Guide. Canada Center for Inland Waters, Burlington, Ontario.
CAPÍTULO 24 ALMACENAMIENTO Y RECUPERACIÓN DE DATOS
24.1 Almacenamiento de datos originales Los datos brutos, ya sean formularios de terreno, gráficos o informes deben quedar disponibles luego del procesamiento. Algunos errores cometidos al hacer los informes y el procesamiento pueden no salir a la luz hasta que los usuarios los examinen. Puede ser necesario también revisar las trascripciones del original o volver a analizar la interpretación de un signo dudoso hecha por el operario. Los registros de un emplazamiento en particular pueden ser recapturados en respuesta a un desarrollo futuro, o incluso los cambios en la tecnología pueden resultar en una elevación de las normas. En ambos casos, se requiere un nuevo procesamiento de los datos. Por lo tanto, los datos originales deben ser archivados en forma segura. El almacenamiento debe mantenerse separado de la base de datos electrónica y debe estar en un lugar seguro. Los datos brutos deberían ser accesibles para cualquier usuario. A este efecto, y para comodidad del usuario, el material puede ser archivado en microfilms. 24.2 Gestión y almacenamiento de datos procesados 24.2.1 Generalidades [G05, G06, G08, G10, G12] Una descripción completa de los procedimientos recomendados para almacenar y clasificar datos climatológicos figura en la Guía de prácticas climatológicas [1] de la OMM. Los datos hidrológicos requieren un tratamiento algo diferente en materia de eficiencia en el almacenamiento, pero se pueden aplicar muchas de las mismas consideraciones. Un breve resumen de los puntos más importantes de la Guía de prácticas climatológicas se incluye en este capítulo, así como algunas notas relativas a los nuevos equipos que no figuran en esa Guía y concernientes a los datos hidrológicos. Numerosos países recolectan grandes cantidades de datos climatológicos e hidrológicos, pero no pueden almacenar de todos los datos originales. Sin embargo, antes de destruir los originales, se pueden hacer copias en medios que requieren una pequeña fracción del espacio demandado por los documentos originales. Por ejemplo, un microfilm de datos (en forma de cifras o gráficos) ocupa casi 300 veces menos del espacio de almacenamiento de los registros originales.
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CAPÍTULO 24
La mayoría de los datos digitales son archivados en cintas o discos magnéticos. Como una cinta magnética de 2 500 pies (762 metros), con una densidad de 800 caracteres por pulgada (25 milímetros), puede contener la información de cerca de 250 000 de tarjetas perforadas, el espacio de almacenamiento requerido en la actualidad es una fracción muy pequeña del espacio requerido antes. Copias duplicadas de cintas magnéticas se pueden hacer en minutos, con un costo muy bajo. Del mismo modo, las cintas de papel perforado, utilizadas cada vez menos como forma de almacenamiento permanente en los últimos años, se pueden destruir una vez que los datos han sido transferidos a la cinta magnética, si el espacio de almacenamiento constituye un problema. A menudo se utiliza el microfilm para archivar los datos de manera permanente luego de que se han hecho todas las correcciones. Algunos países almacenan datos en discos CD-ROM, que pueden contener grandes volúmenes de datos y con un fácil acceso. Las condiciones de almacenamiento para cualquiera de estos soportes deben minimizar la destrucción de registros archivados por efectos del calor excesivo, variaciones de temperatura, alta humedad, polvo, insectos u otros animales dañinos, radiación y fuego. Las cintas magnéticas se deben proteger de las influencias electromagnéticas. En la microfilmación se deben utilizar películas no inflamables. Cuando sea posible, se debe tener varias copias de los registros, unas en el centro de captación principal y otras en los centros regionales o en las oficinas o domicilios de los observadores. A pesar de su prodigioso poder de procesamiento, las microcomputadoras están apenas en el principio de su capacidad por cuanto se refiere al manejo de grandes volúmenes de datos. Por esta razón, se considera que una minicomputadora central o unidad central compartida conviene más para los sistemas de inventario hidrológico a nivel regional. Sin embargo, parece haber cierta ventaja en la distribución de las tareas de entrada de datos y la validación en los centros equipados con microcomputadores de terreno. Esta estrategia se recomienda porque: a) concentra las capacidades limitadas del centro en personal calificado para efectuar las principales actividades de procesamiento de datos; b) permite al personal de terreno trabajar en computadores y conocer las técnicas relacionadas. Esto deberá favorecer el desarrollo a gran escala de las capacidades informáticas en el sector hidrológico. El producto del control de calidad inicial y las etapas de procesamiento (capítulo 23) abarcan archivos intermedios que pueden ser usados para actualizar ficheros permanentes de bases de datos. Los procedimientos de actualización deberían minimizar el número de actualizaciones que se ejecutan y proteger la integridad de los datos contenidos en los ficheros maestros. Además, la eficiencia con la que se pueden ejecutar las actualizaciones y las extracciones de datos depende de la organización física y lógica de los archivos. Esta sección abordará estos temas, pero consideraremos
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en primer lugar la cuestión general de controlar el flujo de datos a través de todas las etapas del procesamiento. 24.2.2 Control del flujo de datos La importancia de un adecuado control de las series de datos que ingresan ya ha sido mencionada en relación a las operaciones de entrada de datos. Es indispensable conocer el estado de todas las series de datos en las diversas etapas de validación y actualización, sobre todo cuando se han descubierto datos dudosos y que se espera la respuesta de la persona encargada del control de calidad de los datos hidrológicos. Inicialmente todo el proceso de monitoreo puede ser manual, pero en definitiva algunas funciones podrán ser automatizadas como parte de las actividades generales del procesamiento informático de los datos. La automatización permite un monitoreo de rutina del estado de lotes de datos, de los resúmenes de validación y de la disposición física los datos en el sistema, por ejemplo el número de la cinta o del volumen en el disco, así como los nombres de las series de datos. Dicho control es esencial cuando se procesan grandes cantidades de datos. El personal encargado del control de datos deberá realizar las siguientes labores: a) registrar los lotes de datos que ingresan y encaminar estos lotes al sistema de entrada de datos apropiado; b) controlar y registrar el estado de la entrada de datos y de la introducción ulterior de los datos para la primera fase de validación y procesamiento; c) encaminar los informes de validación al personal hidrológico apropiado y de recepción de los datos editados; d) repetir los pasos a) a c) hasta que todos los lotes de datos hayan sido aceptados para la actualización; e) transmitir resúmenes estadísticos mensuales y anuales a las agencias y al personal interesados. La naturaleza exacta de las tareas depende de la posibilidad que tienen los usuarios de acceder a los datos para editarlos. En sistemas en línea, donde los usuarios efectúan su propio control de calidad, las responsabilidades centrales son reducidas. Sin embargo, dichos usuarios deben tener algún medio para indicar que el control de calidad ha sido completado y que las series de datos están listas para su procesamiento posterior. 24.2.3 Procedimientos de actualización En hidrología, la mayor parte de las bases de datos de archivos se actualizan al menos en dos etapas. Estas etapas se indican en la figura 24.1. La primera etapa es el ciclo de actualizaciones mensuales correspondientes a un período estándar de informes. La división de las primeras cuatro actividades de la primera etapa, entre diversas pasadas de computadora, depende del usuario y de los recursos físicos del
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CAPÍTULO 24 Lotes mensuales de datos
Sí Edición
Datos de entrada
¿Correccciones ¿Corrección de local posibles de errores?
Archivos secuenciales de datos brutos
Procesamiento manual Archivo descriptivo de la estación
No
Preguntas del Preguntas del observador observador sobre sobre el terreno elterreno
Control manual
Informe de validación
1. Validación
2. Valores derivados Mes Datos incompletos
anterior
Hasta el mes Archivo de anterior trabajo anual
3. Resúmenes mensuales y estadísticas
Mes en curso
Datos incompletos
4. Actualización Informes mensuales
Archivo de trabajo anual
A los usuarios
Incluido el mes en curso Mensual Anual
Procesamiento manual * Archivo descriptivo de la estación
Archivos viejos
1. Separación de series de parámetros múltiples
2. Actualización de los archivos
Informe actualizado
Control Manual manual inspección
¿Errores ?
Sí
No 3. Resúmenes anuales y estadísticas
Informes anuales
A los usuarios STOP
1. Anuarios 2. Catálogo de datos Archivos nuevos
NOTAS: 1. El procesamiento mensual comienza normalmente entre 10 y 15 días después del fin de mes 2. El procesamiento anual comienza normalmente 30 días después del fin de año 3. Los archivos pueden ser totalmente independientes del sistema (cintas o diskettes) o pueden ser combinados, es decir en línea (por ejemplo, los dos últimos años) y fuera de línea 4. La edición de datos de pequeña escala puede realizarse por intermedio de unidades de presentación visual (VDU). 5. Los informes mensuales y los de validación, que se presentan en forma separada, se pueden referir a un solo documento, sobre todo por cuanto se refiere a parámetros que no requieren ninguna transformación, por ejemplo, las precipitaciones.
Figura 24.1 – Procesamiento y actualización en dos niveles para los datos hidrológicos
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sistema. Si la mayoría de los ficheros están archivados en cinta, es casi imposible realizar la serie completa de procesamiento mensual con un programa porque se requerirían demasiadas cintas. Por lo tanto, se recomienda que no se calculen los valores derivados, por ejemplo los caudales o la evapotranspiración potencial, hasta que toda la información básica haya sido revisada manualmente. Para el usuario final, los resultados de esta primera fase de actualización son los informes de resúmenes mensuales. Para la gestión de las bases de datos, lo más importante es actualizar los archivos de trabajo anuales. Si el sistema para esta primera fase sólo procesa bloques de datos mensuales, podría ser necesario mantener archivos de datos incompletos. Esta necesidad surge del uso de registradores informáticos, donde el soporte del registro es cambiado normalmente a intervalos irregulares. Así, al procesar el mes 1 pueden haber varios días del mes 2 en el soporte. En este caso, los datos del mes 2 se conservan en un archivo temporario hasta que estén disponibles los datos complementarios durante el mes 3. El ciclo se repite, generando un archivo completo del mes 2 y uno incompleto del mes 3. Este problema se plantea pocas veces con informes manuales o con estaciones telemétricas. Si el soporte informático requiere un procesamiento previo, hay siempre la posibilidad de fraccionar los archivos y de constituir luego archivos mensuales que podrían ser procesados previamente por una microcomputadora, antes de ser remitidos al procesamiento principal. Luego de pasar las revisiones de validación (sección 22.2) y de ser sometidos al procesamiento primario necesario (sección 23.3), los lotes de datos mensuales son incorporados al archivo actual de datos anuales. Los datos que no pasen las revisiones de validación deben ser examinados manualmente y, cuando se detectan errores, se les debe aplicar el proceso indicado en la figura 24.1. A fin de asegurar una entrega adecuada de los datos, generalmente es necesario comenzar el procesamiento de cada lote de datos mensuales desde el día 10 al 15 del mes siguiente. Si el procesamiento no se comienza a tiempo, existe el riesgo de que la entrada y el procesamiento completo de los datos ocasione un retraso en actualización del archivo anual. El propósito del ciclo anual de actualización es incorporar el archivo de trabajo anual a la base de datos históricos. Esta transferencia conlleva un cambio en el estado de los datos en el que se transformaban los datos de trabajo en referencias hidrológicas de calidad controlada. Por lo tanto, se debe asegurar, en la medida de lo posible, las causas de los valores dudosos antes de efectuar la actualización anual. Los datos resultantes del procesamiento anual se pueden publicar en anuarios hidrológicos. 24.2.4 Compresión y exactitud Una operación fundamental en toda actualización de bases de datos es la compresión de los datos para hacer un uso óptimo del espacio de almacenamiento. La técnica de
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CAPÍTULO 24
compactación se describe en la publicación de la OMM titulada Guidelines for Computerized Data Processing in Operational Hydrology and Land and Water Management [2]. Sin embargo, las técnicas de compactación tienden a ser específicas para cada máquina y varias otras técnicas son empleadas en diversos sistemas de bases de datos hidrológicas. Estas son: a) números enteros para el almacenamiento, que luego se envían a la escala correcta para la salida de valores. Por ejemplo, las precipitaciones diarias, medidas con una precisión de 0,1 milímetro, pueden ser almacenadas en décimas de milímetro (un entero) y divididas por 10 para los efectos de la salida. La memoria necesaria se reduce así a la mitad. Un entero normal utiliza dos bytes de almacenamiento comparado con los cuatro bytes necesarios para guardar un número real (decimal); b) uso de archivos de datos sin formato (binarios) en lugar de archivos normales ASCII. Además de requerir menos espacio, los datos binarios son guardados y recuperados más rápidamente; c) uso de un contador para valores constantes que se repiten. Así, un período de 10 días sin precipitación no necesita ser almacenado como una serie de 10 ceros, sino como un factor de repetición de 10 seguido por el valor cero; d) una versión mejorada del método anterior consiste en eliminar totalmente todos los datos redundantes. Éstos se deben al registro repetido de fenómenos hidrológicos por algunos tipos de instrumentos de terreno, en particular los registradores a intervalos fijos. Por ejemplo, en la secuencia 40, 50, 60 es evidente que el valor central puede ser derivado por interpolación de los valores adyacentes. Así, pueden desarrollarse programas para rastrear los datos, eliminando todos los valores que pueden ser interpolados linealmente dentro de un rango definido de tolerancia. Esta técnica reduce mucho la necesidad de almacenamiento sin que se produzca una reducción importante del contenido de información de los datos. En Nueva Zelandia el uso del Sistema TIDEDA Time Dependent Data, componente del HOMS G06.2.01, ha resultado en una reducción de dos a 12 veces del espacio de almacenamiento utilizado; e) uso de valores relativos en lugar de valores absolutos. Por ejemplo, el nivel de agua en un pozo puede ser expresado en términos absolutos de elevación o, más fácilmente, en relación a algún plano de referencia local o al nivel de agua medio. Sólo es necesario almacenar la diferencia con el valor anterior registrado. Estos diversos formatos producen números más pequeños que pueden almacenarse en espacios más reducidos. Se debe mantener un equilibrio en los niveles de compresión de datos empleados. Un nivel alto de compresión en el uso del espacio se gana a expensas de ejecutar rutinas de compresión y expansión cada vez que los datos son guardados o recuperados. El nivel correcto de compresión de datos debe reflejar las limitaciones
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relativas de espacio de almacenamiento y de capacidad de cálculo, así como conocimientos para el desarrollo de programas, en cada instalación. Con respecto a la exactitud de los datos almacenados, muy pocas veces ésta es superior a una milésima para los datos hidrológicos. Por esta razón, numerosas bases de datos hidrológicos sólo almacenan datos con una precisión de tres o cuatro cifras significativas. Así, un caudal calculado de 234,56 m3 s-1 puede ser almacenado como 235. Esta práctica también se utiliza para ahorrar espacio de almacenamiento. 24.2.5 Organización de los archivos físicos La organización secuencial de los archivos es sencilla y se puede utilizar en todos los medios de almacenamiento; es aplicable a series cronológicas de datos que son entrados y consultados con frecuencia de manera secuencial. Los archivos secuenciales indizados resultan muy interesantes para el almacenamiento de la mayoría de datos hidrológicos porque permiten conservar la naturaleza secuencial inherente de los datos en el soporte de almacenamiento. Además, existe la posibilidad de acceder directamente a registros individuales o grupos de registro. La organización con acceso aleatorio, como el secuencial indizado, sólo concierne a los archivos memorizados en disco o diskettes, pero limita al sistema en relación con el volumen de almacenamiento. Se puede acceder con más rapidez y facilidad a los registros. Mediante el uso de referencias cruzadas (punteros) los datos de un archivo de acceso aleatorio pueden relacionarse en formas complejas y efectivas. Si una base de datos hidrológica se desarrolla para efectuar una manipulación interactiva de datos en línea, los archivos deben estar accesibles en disco, y debería poder usarse archivos secuenciales indizados o de acceso aleatorio. De hecho, su uso es quizás esencial para obtener tiempos de respuesta aceptables al utilizar grandes cantidades de datos. Cuando el acceso en línea de los datos no es prioritario, puede valer la pena mantener en un archivo series cronológicas de una variable, por ejemplo niveles de agua o de precipitaciones, porque, en general, estos archivos son utilizados para extraer una secuencia temporal de datos. Para archivos de series cronológicas de múltiples variables existen ciertas ventajas en la organización por acceso secuencial indizado o aleatorio. Si una variable dada no ha sido medida en todas las estaciones, se deben examinar los archivos secuenciales en todas las estaciones para saber si la variable fue memorizada o no. En algunas clases de archivos de acceso aleatorio es posible guardar un puntero con cada valor de las variables que indique la ubicación del próximo registro procedente de una estación que tiene un valor para la misma variable. Por lo tanto, se puede así acceder directamente a este registro. Esta técnica es ventajosa para datos de calidad del agua donde las variables observadas varían mucho entre estaciones y dentro de la misma estación en diferentes momentos.
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CAPÍTULO 24
Los datos grabados en cinta magnética, el formato más común para archivos de bases de datos grandes, deben estar en forma secuencial. Sin embargo, cuando los archivos se transfieren de la cinta a un disco, puede utilizarse cualquiera de los métodos de acceso descritos anteriormente. Cualquiera sea el método empleado, se recomienda que los grandes archivos de base de datos estén sin formato (binario). Algunos sistemas de base de datos utilizan una combinación de técnicas para maximizar la eficiencia del almacenamiento y la recuperación. Esto se logra almacenando grandes grupos de datos secuenciales en registros únicos de archivos de acceso aleatorio o secuencial indizado. De esta forma los datos diarios o incluso horarios anuales de una estación se pueden almacenar como un registro físico en un archivo de acceso aleatorio o secuencial indizado. Para extraer los datos de un mes determinado, se puede acceder directamente en el disco al registro anual de la estación correspondiente. Este registro es transferido entonces a una memoria intermedia desde la cual los datos del mes en cuestión pueden ser leídos rápidamente. Cabe mencionar el uso de sistemas de gestión de base de datos (DBMS). Estos sistemas se basan invariablemente en el uso de archivos de acceso aleatorio [2]. Se recomienda cierta precaución al utilizarlos a menos que sean conocidos (y relativamente similares) los formatos de ingreso y recuperación de los datos y que exista suficiente apoyo de programación. Se recomienda tener en cuenta el carácter evolutivo de los DBMS. Muchos servicios se encuentran actualmente evaluando el uso de sistemas de base de datos relacionales que permiten el almacenamiento confirmado de datos y otras informaciones. Se debería seguir de cerca los avances que se registren en este ámbito. 24.2.6 Organización de archivos lógicos Existen dos aspectos en la organización lógica de los datos: los agrupamientos principales, que determinan el número de archivos, y las series de valores de las variables que se incluyen en los registros de cada archivo. Una base hidrológica completa contendrá los siguientes grupos de archivos: a) archivos de referencia del sistema, que incluyen las listas de códigos (archivo diccionario) usados para validar el ingreso de datos, codificar datos para su archivo y decodificarlos para la salida. Si se utiliza alguna forma de codificación espacial de los datos se necesitarán también archivos de referencia hidrológicos y/o geográficos; b) archivos de descripción de las estaciones, que abarcan desde simples archivos relativos al número, nombre, tipo, ubicación e instrumentos de la estación, así como archivos detallados, con los datos completos de muestreo de pozos perforados o barrenados; c) archivos de calibración, que contienen la información de base detallada necesaria para calcular variables derivadas, normalmente a nivel de cada estación,
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por ejemplo curvas de aforo para estaciones de medición de caudales en ríos y coeficientes de calibración para sensores climatológicos y de calidad de las aguas. Algunos datos son independientes de las estaciones, por ejemplo, coeficientes de calibración de molinetes y tablas de referencia para la radiación teórica incidente y horas de insolación; d) archivos cronológicos, que contienen series de observaciones realizadas en una estación hidrológica. Pueden ser series de variables simples o múltiples y se pueden observar a intervalos regulares o irregulares. Las relaciones entre estos distintos grupos de archivos se indican en la figura 24.2. Desde el punto de vista de la organización, es posible combinar toda la información de los tipos b) y c) en archivos comunes o separar cada tipo en archivos de uso corriente y archivos históricos. Esto permite dar a los archivos un formato y un tamaño estándar. La estructura que se debe dar depende de la cantidad de datos descriptivos que se conservarán en los archivos informáticos en comparación a los que deben estar en los archivos manuales. Es útil examinar las distintas posibilidades disponibles para almacenar los diferentes tipos de series cronológicas en un mismo archivo físico. En el nivel más sencillo, a todas las estaciones se asignan sus propios archivos con datos ordenados secuencialmente en el tiempo. Esta técnica es apropiada para grupos pequeños de datos o para mantener datos archivados en cintas. Sin embargo,
Procesamiento de los archivos del sistema
Archivos de referencia hidrológico/ geográfico
Archivo diccionario Codificación Decodificación
Archivo de la estación hidrométrica
Archivo histórico descriptivo de la estación
Archivo histórico de calibración de la estación
Ubicación de la estación
Descripción (actual) de la estación
Archivos de datos de series cronológicas de la estación
Calibración (actual) de la estación
Figura 24.2 — Relaciones entre los archivos de datos de una estación hidrométrica
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CAPÍTULO 24
como las redes hidrológicas pueden contener diversos miles de estaciones de diversos tipos, este sistema simple se vuelve extremadamente difícil de gestionar y mantener con grandes cantidades de archivos. A un nivel superior, utilizado para la mayoría de los sistemas de base de datos hidrológicos, se emplean archivos conteniendo muchas estaciones, cada uno de los cuales contiene datos de un tipo diferente. Pueden ser series hidrológicas, (valores de caudales diarios), o series cronológicas mixtas (diversas variables a intervalos fijos). En el primer caso, un archivo de caudales diarios, por ejemplo, contendría todos los datos de caudales diarios para el total de la red hidrológica. El archivo, si se organiza secuencialmente, estaría ordenado por estación y, dentro de cada una de ellas, por tiempo. En el segundo caso, todos los datos diarios estarían incluidos, sin importar el tipo hidrológico, y el archivo estaría ordenado por tipo y número de estación. Ambos casos se encuentran en el sistema Water Data Storage and Retreival (WATSTORE) [3], que comprende cinco archivos grandes. Uno contiene los datos de encabezamiento (descripción) de la estación. De los otros cuatro, tres se agrupan por tipo hidrológico (calidad del agua, caudales máximos, inventario de los sitios de medición de agua subterránea) y el cuarto, agrupado como serie cronológica, es el archivo de valores diarios. El último archivo contiene datos observados diarios y en forma continua y está reducido numéricamente a valores diarios. También es posible almacenar mediciones instantáneas a intervalos fijos, valores medios diarios y estadísticas, tales como máximos y mínimos diarios. En 1981 este archivo contenía 190 millones de valores diarios sobre datos de caudales, los niveles de agua en ríos, volumen de embalses, temperaturas del agua, conductividad eléctrica, concentraciones de sedimentos, caudales de sedimentos y niveles de aguas subterráneas. Al nivel de integración más alto (otro que no se base en la utilización de un DBMS) hay sistemas que procesan todo tipo de series cronológicas en un solo formato de archivo y que almacenan todos los datos de estas series en un solo archivo físico. Este enfoque, utilizado en el sistema TIDEDA de Nueva Zelandia [3], simplifica mucho el desarrollo de programas informáticos para las tareas de gestión y consulta de datos puesto que el formato de almacenamiento es estándar. Otros sistemas similares de procesamiento y almacenamiento que también son componentes del HOMS son el HYDATA del Reino Unido y el HYDSYS de Australia. Detalles sobre cómo son tratados los datos en estos sistemas de procesamiento y almacenamiento figuran en la publicación de la OMM titulada Guidelines for Computerized Data Processing in Operational Hydrology and Land and Water Management [2]. 24.2.7 Extracción de datos de una sola variable A veces, funciona mal el almacenamiento de series cronológicas múltiples debido al gran número de variables que se pueden observar en cada lugar y la manera de extraer los datos.
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Así, pues, los datos climatológicos que, luego de su uso inicial en el cálculo de la evapotranspiración potencial, pueden ser consultados sólo para recuperar variables individuales. Estas consultas se requieren usualmente para la interpolación espacial y/o la representación gráfica de datos, por ejemplo, datos de temperatura para cálculos de la fusión de la nieve o datos de radiación para evaluar potenciales de producción de cosechas. El proceso de recuperación no funcionaría bien si se tendrían que examinar todas las estaciones, incluso si la variable fue observada sólo en alguna de las estaciones. Como se indicó en la sección 24.2.5, estos problemas pueden ser subsanados utilizando punteros de datos almacenados con cada valor, que indican la ubicación del registro que contiene el próximo valor para esa variable. Sin embargo, si esta técnica se utiliza con muchas variables, tomaría mucho tiempo almacenar los punteros. Una solución a este problema es eliminar las variables importantes (las que se utilizan frecuentemente en forma individual) y almacenarlas como series cronológicas de variables simples. Esta práctica es corriente para datos de precipitación observados en estaciones climatológicas. La extracción de las variables importantes se efectúa mejor durante las actualizaciones anuales, cuando los datos validados son transferidos al archivo histórico. Cabe señalar que la decisión de realizar la extracción de variables simples depende de la frecuencia a la que se extrae: si la extracción de valores para una variable específica es frecuente, se debería separar de un lote de variables múltiples. Mientras menos estaciones contenga dicha variable observada, peor funcionará la búsqueda de variables múltiples, y se justificará todavía más el formato de una sola variable. Si se consultan datos de varias variables relacionadas con el mismo tiempo de observación, como sucede con los datos de calidad del agua, probablemente el formato original de variables múltiples se mantenga como el más conveniente. 24.2.8 Almacenamiento de datos en línea y fuera de línea El almacenamiento de datos en línea y el acceso interactivo a ellos se utilizan cada vez más gracias a los avances en las técnicas de almacenamiento en discos magnéticos y a los progresos en las comunicaciones. Los datos siempre se pueden revisar, editar, consultar y analizar y las diversas posibilidades de organización de archivos permiten utilizar los métodos más rápidos de acceso a los datos. Sin embargo, el almacenamiento en discos duros es costoso y representa con frecuencia la parte más importante en la compra de una computadora. Esta inversión debe ser justificada en términos de necesidades operativas de las tareas de procesamiento y los propósitos para los cuales se recolectan los datos. Las operaciones hidrológicas en tiempo real exigen el uso de datos en línea y, puesto que los requerimientos de almacenamiento son generalmente bajos, pueden ser satisfechas fácil y económicamente.
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CAPÍTULO 24
Los sistemas de investigación y de análisis no tienen las mismas necesidades operativas, pero como no requieren mucho espacio en la memoria, el almacenamiento de todos los grupos de datos importantes en general se puede hacer en línea y a bajo costo. Una excepción a este caso es el sistema que maneja datos de teledetección o de mapas digitalizados, en los que las enormes cantidades de datos requieren un uso extensivo de almacenamiento fuera de línea. Los sistemas de inventarios hidrológicos tienen necesidades de memoria que no son excesivas en un sentido técnico, pero el almacenamiento en línea no se puede justificar económicamente porque los datos no se recopilan para aplicaciones en tiempo real (planificación y diseño). Los datos pueden mantenerse fuera de línea mucho más económicamente pero se debe añadir un costo de tiempo adicional (minutos u horas) necesario para traerlos a la línea cuando se requieren. Esta demora suplementaria no es significativa en los sistemas de inventarios. El almacenamiento de datos fuera de línea se realiza normalmente en cintas magnéticas, así como en discos removibles. En las microcomputadoras, el almacenamiento fuera de línea se realiza en cassettes, diskettes y cartuchos de cintas de alta densidad. Se observa un uso creciente de discos CD-ROM como sistema de almacenamiento de datos fuera de línea. Una revisión de numerosos sistemas hidrológicos existentes indica que se dispone de memoria para el almacenamiento permanente en línea de los siguientes grupos de datos: a) lotes de datos actuales que esperan edición y/o procesamiento primario – Esto incluye los lotes de datos mensuales y el archivo de trabajo anual indicados en la figura 24.1. El acceso en línea a estos grupos de datos es particularmente útil para hacer limitadas ediciones de los datos. Si existe un sistema central encargado de la validación y el procesamiento primario, estos grupos de datos deben ser protegidos para que los usuarios no puedan acceder a ellos antes de su validación y actualización; b) un período reciente de la base de datos hidrológica principal – Esto puede comprender los últimos dos o tres años de datos con control de calidad. A medida que se procesan nuevos lotes, como se indica en el apartado a) anterior, los lotes más viejos son transferidos a la base de datos principal, que se mantiene en cinta fuera de línea. Algunos sistemas incluyen el archivo de trabajo anual a) anterior, en particular si son los usuarios los encargados de la validación y la edición de los datos; c) un catálogo o índice de todos los datos disponibles mantenidos en línea y fuera de línea – Donde existen estos catálogos han probado ser muy valiosos para ayudar a los usuarios a definir sus necesidades de consulta de datos. Estos catálogos pueden ser publicados periódicamente para mayor difusión. Una forma sencilla de catálogo se puede producir resumiendo las principales informaciones de los archivos descriptivos de las estaciones;
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d) archivos de trabajo profesionales creados por los usuarios para sus aplicaciones específicas – Estos grupos de datos en general se extraen de la base de datos y se duplican en otro soporte informático. Cabe señalar que uno de los principales objetivos de un DBMS es eliminar dichas duplicaciones. El espacio ocupado por los grupos de datos anteriores sólo constituye una parte de la capacidad de almacenamiento en línea; ésta admite además el espacio para programas de sistema y de usuarios y el espacio de trabajo provisional. En algunos sistemas, estos últimos pueden ser muy importantes. El almacenamiento de grupos de datos fuera de línea incluye: a) copias de datos primarios ingresados al sistema, por ejemplo valores del nivel de agua medidas a un ritmo de 15 minutos y coordenadas cartesianas (x, y) de un gráfico de precipitación digitalizado automáticamente. Se deben tomar dos decisiones optativas con relación a estos datos: i) las series de datos registrados a intervalos de tiempo corto se deben agrupar en series a intervalos fijos o comprimir utilizando alguna de las técnicas descritas en la sección 24.2.4. En general, este agrupamiento o compresión se realiza a pesar de la pérdida de información que ocasionalmente ocurre. Esta pérdida de información no es grave si se conservan los registros de datos originales; ii) se deben guardar los datos corregidos o los originales, esto es, los datos de terreno originales o copias de los grupos de datos corregidos. Normalmente se adopta esta última solución y los datos originales de terreno, gráficos (o microfichas), cintas perforadas o cassettes, se guardan por separado con fines de archivo o de referencia; b) los archivos principales de la base de datos, excepto el período más reciente que se mantiene en línea. Los archivos pequeños y medianos se almacenan en volúmenes separados de archivo o se combinan en un volumen (volumen multiarchivo). Los archivos muy grandes (como el archivo de valores diarios del U.S. Geological Survey) pueden ocupar varios volúmenes (archivo multivolumen); c) copias de seguridad de todos los datos conservados en línea o fuera de línea. La disposición de estos distintos grupos de datos en línea y fuera de línea se resume en el diagrama de la figura 24.3. 24.3 Recuperación de datos La recuperación de datos se estudia en detalle en la publicación de la OMM titulada Guidelines to Computerized Data Processing in Operational Hydrology and Land and Water Management [2]. La posibilidad de recuperar rápidamente grupos de datos seleccionados es una de las ventajas fundamentales del procesamiento electrónico de datos hidrológicos. Un sistema eficiente de recuperación de datos permite
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CAPÍTULO 24
al hidrólogo o al planificador de recursos hídricos dedicarse al análisis de datos en lugar de pasar el tiempo en ubicar, comparar y procesar manualmente los datos. Un sistema completo de extracción de datos debe tener las siguientes características: a) una gran variedad de criterios de selección de datos. En general, se selecciona por tipo de variable, cuenca, estación, período y valor (o rango) de la variable. En particular debería ser posible seleccionar datos en base a cualquier combinación de estos criterios; b) interpolación/agrupamiento de datos en tiempo y espacio. Quizá las más importante de estas opciones sea la interpolación de series cronológicas irregulares en series a intervalos regulares y el agrupamiento de series cronológicas de corto intervalo en totales o promedios de base de más largo tiempo (esto es, la conversión de valores horarios a diarios o de diarios a valores de diez días). Si se utiliza un sistema de referencia geográfica/hidrológica, se pueden hacer también ajustes espaciales de los datos; c) cálculo de estadísticas elementales. Se deben poder calcular las estadísticas elementales para el/los período(s) seleccionados de registros. Esto incluiría los totales (si son pertinentes), los promedios, los desvíos tipo y los rangos. El sistema estándar de extracción de datos puede ofrecer estadísticas más complejas, como las correlaciones cruzadas, las regresiones múltiples, el análisis de probabilidad. También es posible transferir los datos seleccionados a un programa estadístico (o programa de usuario) como se describe más adelante; d) selección del formato de salida. Esta característica debería permitir la salida de datos directamente en forma de tablas o de gráficos y la creación de archivos de datos en formatos compatibles a un procesamiento posterior. En este último caso, los grupos de datos recuperados pueden almacenarse como entrada para aplicaciones estadísticas o programas de aplicación específicos del usuario. Un formato de salida particular puede ser adecuado para el intercambio de datos hidrológicos a nivel nacional o internacional; e) selección del dispositivo de salida. Debería haber una amplia flexibilidad en la elección del dispositivo de salida. Como mínimo, éste debería incluir una impresora, una unidad de presentación visual (VDU), un archivo disco y si es posible, un trazador de gráficos. Los datos que se deben copiar en cinta o disco flexible normalmente se graban antes en el disco duro y se transfieren con un programa separado que requiere varias variables especificadas por el usuario. Es importante que los datos recuperados, en particular los destinados a salidas impresas en forma de tablas, mantengan sus códigos y distintivos referentes a su estado y fiabilidad (sección 22.3). El usuario debería disponer de información de base relativa a la fiabilidad general de los datos y/o a su no fiabilidad durante ciertos períodos mediante el archivo de descripción de la estación (sección 21.2) o los catálogos de datos.
ALMACENAMIENTO Y RECUPERACIÓN DE DATOS
395
Datos de entrada En línea
Fuera de línea
3 VDU Ediciones de datos en línea
1. Ficheros Archivos de trabajo
Datos de entrada de base (+ copias)
1
3 VDU Extracciones/ consultas
VDU Aplicaciones
Archivos recientes recientes 3. Catálogo 2.2 Ficheros
de la base de datos
2
base Archivos de la fase principal de datos hidrológicos (+copias)
4. Usuarios de series de datos
Figura 24.3 — Disposición de las series de datos en línea y fuera de línea La recuperación de datos puede hacerse de tres maneras: a) extracciones periódicas de datos – Son resúmenes y estadísticas de datos de la estación producidos mensual o anualmente; b) extracciones según las necesidades del usuario – Después de consultar anuarios hidrológicos o catálogos de datos, los usuarios pueden solicitar una consulta de datos mediante un formulario especial y la extracción es tramitada como una tarea de lotes normal. Así, se debe contar con operadores de computadoras u otros técnicos para que ingresen la solicitud utilizando el programa de extracción de datos. El formulario de solicitud de extracción debe permitir una amplia variedad en la selección del soporte de salida; c) extracciones de datos en línea (interactivas) – Hay varios modos de especificaciones de consultas en línea que, por sus amplias potencialidades de uso, se examinan más adelante. Como se observó anteriormente en este capítulo y sobre todo en la figura 24.3, la existencia de una base de datos principal en línea permite la extracción interactiva de los datos. Sin embargo, salvo para sistemas con pequeñas cantidades de datos o capacidades de almacenamiento en disco muy grandes, la mayor parte de la base de datos debe almacenarse fuera de línea. Así, el modo interactivo directo es apropiado sólo para consultar cantidades limitadas de los datos más recientes. En algunos sistemas, usuarios lejanos pueden enviar mensajes a los operadores de las computadoras para pedir el acceso a un volumen específico de la base de datos fuera de línea.
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CAPÍTULO 24
Sin embargo, estos pedidos son pocas veces satisfechos inmediatamente. Esta técnica puede incluso convertirse en una tarea muy pesada en términos de utilización de los terminales y de los costos de comunicaciones. Probablemente el medio más eficiente de especificación para consultas en línea es el proceso en dos etapas. En la primera etapa, un programa interactivo permite al usuario especificar los valores que necesita y en la segunda etapa este pedido se procesa automáticamente como una tarea secuencial, y la salida se hace más tarde. El formato de un interfaz interactivo de máquina/usuario se llama "sistema de menú". La ejecución de recolecciones extensas en modo secuencial es mucho más eficiente en cuanto a la capacidad de la computadora de asignar sus recursos, sobre todo para la extracción de datos de volúmenes fuera de línea. La cuestión anterior se refiere principalmente a extracciones en línea de datos de sistemas de inventarios hidrológicos. Sin embargo, la capacidad de revisar los datos que se capturan y se almacenan en sistema de tiempo real es quizás un requerimiento más importante. Las opciones de extracción varían desde la conexión telemétrica de estaciones de campo individuales o por grupos hasta el trazado y muestreo de los datos capturados recientemente y los pronósticos más recientes del centro de procesamiento. Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1983: Guía de prácticas climatológicas. Segunda edición, OMM–Nº 100, Ginebra. 2. Organización Meteorológica Mundial/Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 1985: Guidelines for Computerized Data Processing in Operational Hydrology and Land and Water Management. OMM–Nº 634, Ginebra. 3. Organización Meteorológica Mundial, 1981: Case Studies of National Hydrological Data Banks (Planning, Development and Organization). Informe de hidrología operativa Nº 17, OMM–Nº 576, Ginebra.
CAPÍTULO 25 DIFUSIÓN DE DATOS
25.1 Generalidades La consulta de una base de datos hidrológicos puede precisar una variedad de formatos y soportes que permitan la recuperación de los datos (sección 24.3). La mayoría de las solicitudes deberían tratarse mediante una serie de programas. Los formatos elegidos para estos programas deberían admitir las necesidades de los usuarios y adaptarse a los requerimientos de las aplicaciones más corrientes. Un objetivo fundamental del sistema de almacenamiento y temperación de datos es alentar un uso masivo. Deberían hacerse esfuerzos especiales y continuados para asegurar el acceso rápido y la extracción fácil. A este respecto, el acceso directo del usuario a la base (sólo para lectura) debería ser utilizado siempre que sea posible, prestando particular cuidado a rutinas de consultas bien documentadas, fáciles de utilizar para el usuario e interactivas. Los formatos estándar de salida deberán ser bien conocidos por el público, en general para ayudar a los clientes potenciales a hacer evaluaciones realistas de sus necesidades. Este aspecto tiene consecuencias prácticas: se pierde tiempo y dinero al responder a los clientes. Un aspecto importante en la presentación de los datos es que debe indicar la calidad de los datos (sección 22.3). Los recolectores de datos ponen gran atención en identificar y documentar sus productos con la intención de que esa información sea trasmitida al futuro usuario. Todas las salidas deberían ser rotuladas con símbolos apropiados de calidad y estar acompañadas de comentarios explicativos. Se debería avisar a los usuarios que los datos originales pueden contener información más detallada (sección 21.2). Además de suministrar datos en respuesta a los pedidos específicos, las actualizaciones periódicas de los datos deberían ser publicadas. Esto se hace normalmente en formatos de salida estándar. Las publicaciones resultantes pueden presentarse en forma de libros, microfichas o formularios compatibles con las computadoras, como discos o CD-ROM. La difusión de la información procesada estimula la retroalimentación (feedback) por parte de los usuarios de los datos. Al conocer las necesidades de los usuarios, los colectores de datos pueden revisar sus métodos y frecuencias de captación, evaluar constantemente la calidad de los datos, verificar errores en el procesamiento y ampliar su base de conocimientos en relación a las estaciones a su cargo.
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CAPÍTULO 25
25.2 Catálogos de información Un catálogo es diseñado para ayudar a los usuarios a identificar los registros hidrológicos que se ajustan a sus necesidades particulares. Con este fin, se agrupa la información de cada estación hidrológica y, si se trata de una misma corriente de agua, se agrupa por cuenca aforada. Para cada cuenca aforada, la información suministrada debería incluir: a) detalles de la cuenca, por ejemplo su superficie, la geomorfología, el relieve, la vegetación y el uso del suelo; b) la zona climática y la precipitación y la evaporación anuales promedio de la cuenca; c) la ubicación, el tipo de estación y la calidad de las mediciones; d) detalles de cualquier regulación aguas arriba o factores que puedan complicar el uso de los registros; e) el período cubierto, las posibles omisiones y la calidad de los registros de caudales y de calidad del agua (incluido el transporte de sedimentos); f) ubicación de estaciones meteorológicas en la cuenca o cercanas a ella y sus períodos de registro. Esta información se agrupa y examina en tres apartados, a saber: información descriptiva, mapa de la cuenca y disponibilidad de los datos. Para ayudar a los usuarios a identificar las cuencas aforadas que se ajustan a sus propósitos, se debe suministrar una descripción de las características de cada cuenca aforada y los aspectos principales de los instrumentos de medición, con una indicación de la calidad y la fiabilidad de los registros de caudales. La tabla 25.1 sugiere los apartados y la información que debe transmitirse. En la práctica, si bien no se pueden obtener todos los detalles para cada cuenca aforada, se recomienda utilizar el mismo formato en todos los casos. La figura 25.1 contiene un ejemplo que complementa la tabla 25.1. Se ha comprobado la utilidad de tener un mapa de cada cuenca o grupo de cuencas. Por lo tanto, el mapa deberá ser producido a una escala conveniente para mostrar la información. Las cuencas de diferentes escalas requieren mapas a escalas diferentes. En el futuro cercano, cualquier información para la producción de mapas de cuencas será retenido en sistemas de información geográficos informatizados (sección 40.7) para facilitar su presentación en varias escalas. La información que ha de incluirse en el mapa se describe en la tabla 25.2 y un ejemplo básico se indica en la figura 25.2. La descripción de los datos debería contener un resumen relativamente conciso y fácil de actualizar los datos mensuales de caudales y de precipitaciones, así como los datos anuales de la calidad del agua. En cuencas donde hay muchas estaciones pluviométricas es difícil incluir un resumen para cada una de ellas. Todas las estaciones y sus períodos de registros se muestran en el mapa descrito en la sección anterior, de modo que podría ser suficiente limitarse a la disponibilidad de datos de pluviógrafos y a un grupo seleccionado de estaciones de medición
DIFUSIÓN DE DATOS
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de las precipitaciones diarias. Las estaciones que tengan grandes períodos de registros podrían requerir varias páginas para asegurar que la información sea legible. Se recomienda incluir la información que figura en la tabla 25.3 en el descriptivo de datos disponibles. TABLA 25.1 Ejemplo del formato de un catálogo de datos Identificación Nombre:
Nombre del río, nombre y número de la estación.
Cuenca:
Nombre y número de la cuenca.
Localización:
Localización de la estación de aforo, en latitud y longitud, y coordenadas locales.
Detalles de la cuenca Superficie de la cuenca: Superficie de la cuenca expresada en kilómetros cuadrados. Zonas climáticas:
Clima de la región, expresado en zonas bioclimáticas que reflejen la cantidad y ocurrencia de precipitaciones.
Promedio de de precipitaciones:
Evaluación del promedio anual de precipitaciones en el centro de la cuenca y, para grandes cuencas, promedios anuales de precipitaciones en la cuenca. Las fuentes de estas cifras deben ser citadas.
Tanque de evaporación: Evaluación del promedio anual de un tanque de evaporación ubicado en el centro de la cuenca. Las fuentes de estas cifras deben ser citadas. Geomorfología:
Comentarios descriptivos del relieve, el paisaje y la geología de la cuenca aforada.
Formas de la tierra:
Estimación cuantitativa de las proporciones de las formas de la tierra predominantes dentro de la cuenca.
Vegetación natural:
Descripción de la vegetación natural obtenida por reconocimiento de la vegetación.
Deforestación:
Proporción de la vegetación natural deforestada o sustancialmente alterada por actividades humanas. Las fuentes y fechas de deforestación estimadas deberían ser incluídas.
Vegetación existente: Descripción de la cobertura de vegetación presente dentro de la cuenca, con referencia a las fuentes. Uso de la tierra:
Observaciones sobre el uso de la tierra. Las fuentes de información deben ser citadas (observaciones sobre el terreno, mapas de uso de tierras rurales o evaluaciones más detalladas).
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CAPÍTULO 25
Tabla 25.1 (continuación) Regulación:
Comentario general:
Observaciones sobre emplazamientos ubicados río arriba que pudieran modificar el régimen de escurrimiento. Las fuentes posibles de información detallada deberían ser incluidas. Cuando la estación no mida el escurrimiento total de la cuenca o el registro no admita corrección por una regulación aguas arriba, las características de la cuenca se sustituyen por un comentario sobre los propósitos o funciones especiales de la estación en particular.
Características de la estación de aforo Período de registro:
Mes y año de apertura y cierre de la estación de medición. Cuando más de una estación funciona cerca del mismo tramo del río, es conveniente hacer referencia a las mismas.
Clasificación:
La clasificación actual de la estación de aforos en el esquema de la red hidrológica (por ejemplo, estaciones de proyecto o estaciones de la red básica).
Instalación de los Descripción de los instrumentos de medición y de las caracteaparatos de medición: rísticas que controlan el nivel del agua en la estación de medición. Los cambios en cualquiera de estas instalaciones durante el período operativo deben ser anotados. Registros de niveles: Porcentaje anual promedio de datos registrados y porcentaje de dichos datos que requieren interpretación durante el procesamiento (registros defectuosos). Curva de gastos:
Un breve comentario acerca del método y la calidad de la relación altura-caudal, junto con la máxima medición de caudal. Cuando sea posible, debe indicarse qué proporción del flujo medido representa el caudal máximo medido.
Sensibilidad de la medición:
Alguna medición de la sensibilidad en la curva de gastos debe ser proporcionada. El método preferido para indicar la sensibilidad es el porcentaje de volumen de caudal que pueda ser medido dentro del uno, dos o cinco por ciento de diferencia con un milímetro de error en el registro de altura. Cabe señalar que esta medida se basa en la pendiente de la curva de gastos y la curva de duración de caudales acumulados. Otra posibilidad consiste en definir un error de 10 ó 100 milímetros en la escala.
25.3 Informes de resumen Muchas organizaciones publican resúmenes de datos. Algunos ejemplos incluyen promedios climáticos, estadísticas de precipitaciones, estadísticas/registros de caudales y registros/estudios de calidad de aguas.
401
DIFUSIÓN DE DATOS
607003 RÍO WARREN WHEATLEY FARM Cuenca Río Warren Ubicación Latitud S 34° 22’ 14” Longitud E 116° 16’ 34” Características de la cuenca Superficie de la cuenca: Zona climática: Promedio de precipitaciones: Tanque de evaporación: Geomorfología:
Forma de la tierra:
Vegetación natural:
Deforestación: Uso de la sierra:
Regulación:
Coord. locales
N 6196500 E 50 433450
2 910 km2 Clima mediterráneo; precipitaciones moderadas a pocas en invierno. 735 mm/año (valores extremos 550 - 950). 1275 mm/año (valores extremos 1250-1400). Relieve bajo a moderado; meseta ondulada; curso de agua principal en un valle cerrado; suelos lateríticos bauxíticos sobre rocas graníticas arqueanas y metamórficas. Fuente cartográfica: Atlas de suelos australianos (Ref. 8). 16% - Ub 90 Lateritas disectadas; terrenos accidentados con suelos veteados de amarillo con bandas de grava. 14% - Cb 43, Tf6 Llanuras pantanosas; canales de drenaje poco profundos con arenas lavadas y suelos podsólicos. 57% - Cd 22, Tc6 Meseta laterita; colina de arena y grava ferruginosas sobre arcilla veteada. 13% - Tf6, Ta9 Valles muy cerrados; pendientes moderadas, sobre todo suelos podsólicos amarillos. Fuente cartográfica: Estudio de la vegetación de WA (Ref. 1). 20% - eMi Madera; bosques de “marri-wandoo” sobre lateritas disectadas. 70% - eMc Bosque; bosque de “jarrah-marri” sobre meseta laterita. 10% - mLi Bosques bajos; bosques de “paperbark” sobre llanuras pantanosas. Cerca de 40% de la superficie (sólo el 27% en 1965). Casi el 50% está ocupada por un bosque del Estado. Las superficies desbrozadas se utilizan para la producción de cereales y la cría de ovejas en la parte superior de la cuenca y la ganadería en las regiones más bajas. Pequeñas presas agrícolas sobre cursos de agua más pequeños.
Características de la estación de aforo Período de registro: Desde mayo de 1970 hasta la actualidad. Clasificación: Red hidrológica - Cuenca de cursos de agua primarios. Instalación de los Servo manómetro L&S y registro gráfico continuo. Control hidráulico: aparatos de medición: suelo rocoso para aguas bajas y caudales medios; canal de control para las aguas altas. Registro de niveles: Registros realizados: 96,5%, defectuosos: 7,6%. Curva de gastos: La relación de los caudales en aguas medias es bastante buena debido al tipo mismo de control hidráulico. Buena relación entre las aguas medias y altas, pero los valores teóricos se sitúan más allá de los valores máximos medidos. Numerosas mediciones de caudales, hasta 97,04 m3/s, lo que representa el 99% del caudal total. Sensibilidad de la medición: 99% del caudal < 1; 100% del caudal <2.
Figura 25.1 — Ejemplo de una página de un catálogo de datos.
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CAPÍTULO 25
TABLA 25.2 Resumen de los detalles que figuran en los mapas Límites de la cuenca:
Escala y fuente de los mapas con los que se determinaron los límites de la cuenca. Corrientes de agua: El número de corrientes que ha de incluirse depende de la superficie de la cuenca. Origen de los datos de las corrientes. Escala de la cuenca: Variable, en función del tamaño de la cuenca. Estaciones pluviométricas: Localización y número de estaciones, período de mediciones y tipo de pluviómetro, por ejemplo de lectura diaria o totalizadores. Líneas de isoyetas: Líneas isoyetas medias anuales para la cuenca, con (facultativo) sus referencias. Uso de la tierra: Si es posible, deben indicarse los límites de los princi(facultativo) pales usos de la tierra: bosques, agrícolas o urbanos, por ejemplo. TABLA 25.3 Resumen de los datos disponibles Datos de caudal: Datos pluviométricos:
Calidad del agua:
Registros disponibles y calidad de los mismos claramente presentados en un formulario mensual. Registros disponibles y calidad de los mismos claramente presentados todos los meses, para los pluviógrafos y pluviómetros. Por razones prácticas, el período de registro puede limitarse al período de medición de la estación de aforo. Número de muestras analizadas cada año, dentro de una serie significativa de grupos de análisis. Los grupos sugeridos son: a) análisis básicos (variables como conductividad eléctrica, pH, temperatura, color, turbidez). b) análisis de los principales iones. c) análisis de nutrientes.
En general, dichas publicaciones contienen información de la estación, entre otras: número de la estación, latitud y longitud, tipo de datos observados, características del emplazamiento (nombre, curso de agua, referencia de malla, de cuenca, etc.), período de funcionamiento, período de datos procesados y resúmenes de datos instantáneos, diarios, mensuales y anuales (incluidos valores mínimos, máximos y medios). Los datos pueden ser presentados en forma de texto, introducidos en microfichas o memorizados en dispositivos informáticos (discos o CD-ROM).
403
DIFUSIÓN DE DATOS
009595 (15-) 509230 (74-77)
(74-) 509229
509276 (76-77) 009770 (68-73) (37-83) 009558 (74-) 509228
509018 (70-76) 509022 (72-) 509207 (76-)
509024 (74-) RAINFALL ESTACIÓN PLUVIOMÉTRICA STATION
509183 (73-) 509017 (74-77) MT LINDESAY 603136
GAUGING
ESTACIÓN DE AFORO STATION
ESCALA 1 : 250 000
Figura 25.2 — Cuenca del río “Denmark” 25.4 Publicación de los datos [G25] 25.4.1 Objetivo El objetivo principal de un programa de publicación de datos es suministrar a los usuarios, en una forma práctica para la mayoría de ellos, tablas, mapas, gráficos y resúmenes de las observaciones, así como los resultados del procesamiento secundario de estas observaciones. Las publicaciones periódicas que incluyen el procesamiento de datos son una garantía contra la pérdida o destrucción de registros irremplazables y pueden reducir el número de ciertos pedidos de datos especiales que deban ser respondidos por una oficina central. La publicación facilita el acceso rápido a los datos y, por lo tanto, estimula la investigación hidrológica. Como las publicaciones de datos pueden constituir una forma de intercambio internacional de datos hidrológicos y climatológicos, es importante que se mantenga un alto nivel de fiabilidad de los datos publicados y que se alcance cierto grado de normalización de formatos, unidades, etc.
404
CAPÍTULO 25
25.4.2 Frecuencia de las publicaciones Si las necesidades principales de datos se relacionan con el suministro de agua mensual y anual, probablemente una publicación anual que contenga resúmenes de datos para cada mes será suficiente, así como los anuarios de datos de caudales con volúmenes de escurrimiento mensual y extremos de alturas y caudales. Sin embargo, la mayoría de los estudios hidrológicos (por ejemplo, estudios de tormentas y crecidas) requieren datos a intervalos diarios o incluso períodos más cortos. De este modo, siempre que sea posible, las publicaciones mensuales o anuales deberían contener datos diarios de precipitaciones, temperaturas y caudales y tanta información sobre la cobertura de nieve como se disponga. Si los datos no se publican periódicamente, deberían ser actualizados en la base de datos y los resúmenes informatizados deberían ponerse a disposición en forma periódica. En situaciones en las que se justifica la publicación de datos horarios, generalmente se emite una publicación mensual. También puede justificarse, si hay un interés general en la hidrología y sus datos asociados, la publicación semanal de las mediciones. En algunos casos se pueden cubrir ciertas necesidades especializadas con publicaciones menos frecuentes de resúmenes de datos, por ejemplo a intervalos de cinco años. Este intervalo puede ser particularmente pertinente si se examinan los impactos potenciales de la variabilidad del clima y los cambios climáticos sobre los recursos hídricos. Se pueden publicar informes especiales para documentar eventos extremos, como crecidas o sequías severas. Estos informes deberían contener todos los datos, gráficos y mapas pertinentes, así como comentarios sobre las magnitudes y los fenómenos en vista de la distribución de frecuencias de largo plazo. 25.4.3 Contenido y formato El contenido y el formato de las publicaciones deberían ser determinados en función de las necesidades de la mayoría de los usuarios. En general, los datos de caudales y de nivel de agua se publican separadamente a partir de observaciones meteorológicas, aunque algunos países publican todos los datos realtivos al balance hidrológico en un solo volumen. En el primer caso, convendría publicar resúmenes de precipitación, cobertura de nieve y evapotranspiración de cuencas, junto con los registros de escurrimiento. Los datos de las precipitaciones de esos resúmenes deberían indicar los promedios regionales derivados de datos puntuales de precipitación, mediante alguno de los métodos descritos en la sección 30.4. Los anuarios deberían contener una lista completa de las estaciones de observación, con información sobre la elevación, la latitud y la longitud, los instrumentos (y sus variaciones), los años con registros disponibles, la autoridad encargada del
Estación: Latitudylongitud: Altitud: Cuencas: Cuenca:
Año: Tipodepluviómetroregistrador: Tipodeevaporímetro:
Evaporación
Mes
Radiación solar total (langleys)
Pérdidas de agua medidas
Evaporación estimada en un lago
(unidades) 1)
2)
Precipitaciones Equivalente en agua de la cobertura Total
Lluvia
Intensidades máximas para diferentes períodos de duración (minutos)
Nieve
de nieve
3) 5
10
15
30
60
120
360
1440
Final de mes
DIFUSIÓN DE DATOS
15 del mes
1. Pérdidas de agua a partir del tanque de evaporación u otro instrumento de medición. 2. Pérdidas de agua estimadas en una superficie de agua libre. 3. Se puede sustituir por el número de horas de luz solar.
Figura 25.3 — Tabla de resumen de los datos climatológicos e hidrológicos anuales 405
406
CAPÍTULO 25
Numérodedela la estación ....................... Número estación
Nombre dede la estación Nommbre la estación ...........................
............................................................. Descripción de la ubicación*
....................................
Tipo de instrumentos y método de medición del caudal
....................................................
Nivel de referencia ............ Superficie de la cuenca
................................................
Período de registro, caudales máximo, mínimo y medio registrados ................................... Comentarios
............................................................................................. ........................... Resumen – Año hidrológico 19
Caudales (unidades) Mes Máximo**
Mínimo**
Medio
-19
Volumen de escurrimiento Volume écoulé Precipitaciones medias en Profundidad Unidades en la cuenca la cuenca de (unidades (unidades) volumen
Equivalente medio en agua en la cuenca al final de mes (unidades)
Octubre Octobre Noviembre Diciembre Enero etc. Septiembre Porelelaño año Por
Día 1 2 3 etc. 30 31
Oct.
Nov.
Caudal medio diario (unidades – Año hidrológico 19 -19 Dic. Enero Feb. Marzo Abril Mayo Junio
Julio
Agosto
Sept.
***
Caudalmínimo máximo para el año ......................... hora ................ fecha Caudal para el año Caudal mínimo para el año ...........................hora ................. fecha ........................
.......................
.......................
* Se podrá incluir, por ejemplo, la distancia del río a partir de un punto fijo, el puente sobre el cual está instalada la estación, la distancia que hay hasta la población más cercana, o cualquier otra referencia adecuada. ** Estas columnas se deben utilizar para anotar las mejores estimaciones del caudal máximo o mínimo instantáneo. Poner la letra “E” después de estos valores si no se obtuvieron por un registro continuo de los niveles de agua, pero que se deteminaron por otros medios. En la tabla de valores diarios, se indicarán los caudales medios diarios máximos y mínimos de cada mes subrayando dichos valores. *** Se indicará con una línea continua, a la derecha de los valores diarios de caudal, la presencia de una capa de hielo. La existencia de hielo flotante se señalará con una línea punteada, y un triángulo entero (∆) se utilizará para indicar una acumulación de hielo visible desde la estación.
Figura 25.4 — Formato recomendado para la publicación de datos de caudales (18,5 x 17,5)
DIFUSIÓN DE DATOS
407
programa de observaciones y la dirección donde se almacenarán los registros originales. En los países más grandes, la lista y los datos del anuario deberían agruparse por cuencas principales en lugar de subdivisiones políticas o administrativas o simplemente por orden alfabético. Son muy valiosos los mapas de cuencas de drenaje con las estaciones indicadas sobre ellos, y se los debería incluir en los anuarios si es posible. En países donde los datos se publican con frecuencia inferior al año, basta incluir la lista de las estaciones en un solo ejemplar anual. Si no se editan anuarios u otras publicaciones periódicas de datos se debería iniciar la publicación periódica de un catálogo de estaciones (sección 25.2). La Guía de prácticas climatológicas [1] de la OMM, contiene formatos recomendados para la publicación de datos climatológicos. Sin embargo, en estos formatos no se incluye la información de varios parámetros importantes que se pueden medir en estaciones hidrológicas, como la evaporación y la intensidad de las precipitaciones. En las figuras 25.3 y 25.4, respectivamente, se muestran formatos sugeridos para esos datos y para datos de escurrimiento. Además de la información requerida, como se indica en el encabezamiento de estos formatos, convendría incluir información referente a la naturaleza de la cuenca, la curva de aforos, los extremos de caudales medidos y la estabilidad del fondo del río. Las necesidades locales deben ser consideradas al elegir o revisar un formato de publicación de datos. Se puede observar en la figura 25.4 que el año hidrológico (año hídrico) no es necesariamente el mismo que el calendario civil. En muchos países en los que existe una variación estacional notoria en los regímenes fluviales resulta a menudo útil elegir el año hídrico comenzando y terminando en una época en que sea poco probable que ocurran desbordamientos en las masas de agua almacenadas, de modo de que el año hidrológico se aproxime a una unidad de tiempo con significado hidrológico. Por ejemplo, en regiones del hemisferio norte con inviernos severos y acumulaciones sustanciales de nieve, la nieve caída en noviembre y diciembre que no se derrite hasta abril podría causar confusión al comparar los datos de la precipitación anual contra los datos de escurrimiento si se tomara el calendario civil como año hídrico. En esas regiones, se define otro año hídrico (en general, de octubre a septiembre) para minimizar los efectos de arrastre. Por supuesto, también surgen problemas al adoptar un año distinto al calendario civil para tabular los datos de caudales; mientras que el calendario civil se toma como base para los datos climatológicos. Para determinar el año hídrico se debe tener en cuenta la importancia del arrastre estacional o mensual de los componentes del balance hidrológico de la región en cuestión. 25.5 Soportes magnéticos [G30] Los soportes magnéticos utilizados para la transferencia de datos incluyen cintas y discos magnéticos. Estos últimos son cada vez más utilizados debido al extendido uso de microcomputadoras portátiles y de oficina.
408
CAPÍTULO 25
25.5.1 Cintas magnéticas Las cintas magnéticas estándar (12,7 milímetros [0,5 pulgadas] de ancho y de 9 pistas) se encuentran en distintas longitudes, siendo la más común de 732 metros (2 400 pies), aunque también se dispone de longitudes menores como de 90 metros (300 pies), 180 metros (600 pies) y 365 metros (1 200 pies), apropiadas para la transferencia de pequeños grupos de datos. Las cintas deben estar provistas de un anillo de protección contra la escritura, de modo que se permita inicialmente escribir los datos y luego se protejan de una sobreescritura accidental posterior. Es posible registrar datos en una cinta, en varias densidades y formatos. Algunos de estos formatos se relacionan con la organización de los datos en la cinta. En la sección siguiente se aborda este tema. Para los parámetros relacionados a las características de grabación de la unidad de cinta, se recomiendan las siguientes normas: a) densidad de grabación de 800 bpi (véase más adelante); b) modo de grabación NRZI (No retorno a cero invertido); c) paridad impar; d) codificación de datos EBCDIC (Código ampliado de caracteres codificados en binario); e) sin rótulos de cinta; f) separación de archivos de datos mediante marcas simples de cinta; g) fin de cinta indicado con dos marcas de cinta. Si bien las densidades de grabación de 1 600 bpi e incluso 6 250 bpi son las más comunes, 800 bpi es la mayor densidad para la que el modo de grabación NRZI, ampliamente aceptado, está disponible. La técnica llamada fase codificada, utilizada en densidades mayores, todavía no está normalizada. El uso de una densidad menor de grabación reduce los errores asociados con la desalineación del cabezal de lectura/ escritura y permite el uso de cintas de menor calidad y, por lo tanto, más baratas. El control de paridad, un sistema interno para validar las operaciones de lectura/ escritura, es casi universalmente utilizado, como se indicó anteriormente, del mismo modo que el uso de la codificación EBCDIC. Incluso cuando la opción por defecto no sea una codificación EBCDIC, prácticamente todos los sistemas lo admiten como alternativa. Los rótulos de cinta, esto es información escrita por el sistema operativo principal sobre la cinta para ayudar a identificar y recuperar los datos, son casi completamente dependientes de una computadora; por lo tanto, el formato sin rótulo es el más indicado. Toda identificación necesaria debe escribirse en un archivo de datos que estará escrito en la cinta con el mismo formato que todos los demás datos. La longitud estándar de registros lógicos es de 80 bytes debido a que corresponde a la importancia reciente de las cintas perforadas y al ancho actual de la mayoría de las pantallas de VDU. Como numerosos programas informáticos y muchos periféricos están diseñados para manejar registros de 80 bytes, se recomienda utilizar esta longitud (o menos). Más aún, se recomienda una longitud fija de 80 bytes para todos los registros físicos, sin tener en cuenta la longitud real del registro lógico.
DIFUSIÓN DE DATOS
409
El almacenamiento de datos en cintas magnéticas puede mejorarse considerablemente agrupando registros en bloques [2]. Un factor de agrupamiento de 20 produce bloques de datos de 1 600 bytes. Las longitudes del registro y del bloque para una cinta de intercambio deberían mantenerse constantes a lo largo del volumen. De este modo, todos los archivos lógicos de datos transferidos a la cinta aparecerán como una secuencia de bloques. Debido a las limitaciones en tamaño de la memoria intermedia (buffer) en algunas máquinas, se recomiendan tamaños de bloques de menos de 2 000 bytes. Un componente esencial de la organización de los datos es incluir, en la cinta o en el encabezamiento de los ficheros registrados, una descripción detallada del contenido y el formato de la cinta, así como las características de las estaciones hidrológicas de donde se derivan los datos. Si se requiere un formato más flexible es necesario utilizar campos de datos que pueden definirse en forma variable. Este sistema se basa en el uso extensivo de códigos para ejecutar la definición de campos. 25.5.2 Discos magnéticos Los discos se están utilizando cada vez más para la transferencia de pequeños grupos de datos en todos los tipos de computadoras. Para las microcomputadoras, los discos representan el medio más usado de almacenamiento en el que los datos pueden ser transferidos entre diversas máquinas. En la actualidad, los tamaños de discos más utilizados son: a) 5,25" (13 centímetros), doble faz, doble densidad (2S/2D), con capacidad para 360 Kbytes; b) 5,25" (13 centímetros), doble faz, alta densidad (2S/HD), con capacidad para 1,2 Mbytes; c) 3,5" (9 centímetros), tanto doble como alta densidad, con capacidades entre 0,75 y 2,0 Mbytes. A diferencia de las cintas, el usuario tiene un control limitado de grabación con el disco magnético. La naturaleza de los datos grabados en los discos exige la creación de un directorio de contenidos para definir la ubicación física de los archivos. La mayoría de las organizaciones utilizan máquinas compatibles IBM con un sistema de explotación DOS o máquinas Macintosh. El uso de códigos ASCII (Código americano normalizado para el intercambio de la información) para la transferencia de datos es recomendado. En la actualidad, se pueden obtener programas para convertir los archivos de un sistema a otro. 25.5.3 Discos ópticos El disco óptico es un disco de plástico brillante de 12 centímetros de diámetro. Está bañado con una película sensible al láser, protegida por una capa delgada de plástico
410
CAPÍTULO 25
transparente. Cualquier dato que pueda ser digitalizado (palabras, notas musicales, etc.) se puede transferir al disco mediante un rayo láser de alta energía que quema la película, según un patrón adecuado. Para recuperar la información, el usuario inserta el disco en una unidad de disco especial. Dentro de la unidad, un rayo láser de baja energía barre la superficie del disco giratorio, pasando a través del plástico cada vez que encuentra una quemadura. El centelleo resultante es traducido por chips electrónicos en datos inteligibles que se pueden transformar en sonido o leerse por una computadora. Los discos ópticos tienen una capacidad de almacenamiento enorme (varios centenares de veces mayor que la de discos flexibles convencionales y tanto como cinco cintas magnéticas completas). Un posible inconveniente es que el proceso de escritura en discos ópticos es irreversible. Una vez ingresado, un dato erróneo no puede ser corregido. Sin embargo, una gran ventaja es que el acceso a los datos es muy rápido. 25.6 Formatos de intercambio de datos en tiempo real [G40] Sólo se ha descrito más arriba la transferencia de datos archivados, pero también existe una necesidad urgente de utilizar formatos comunes para datos en tiempo real. La OMM ha respondido a estas necesidades como parte de las normass globales para el procesamiento y la trasmisión de datos adoptados por la Vigilancia Meteorológica Mundial (VMM). Los formatos estándar, definidos en los manuales de referencia del Sistema Mundial de Telecomunicación de la VMM, se agrupan en varios ámbitos de aplicación para cubrir las diversas necesidades de meteorólogos e hidrólogos. El Manual de Claves [3] describe los códigos HYDRA e HYFOR, que deben utilizarse en todo sistema de trasmisión de datos hidrológicos y que resultan esenciales si los datos son internacionalmente intercambiados (sección 4.4). El código HYDRA está diseñado para las observaciones del nivel de agua, los caudales, las precipitación, la cobertura de nieve, las temperaturas del aire y del agua y las condiciones del hielo. El código HYFOR, utilizado para la trasmisión de pronósticos hidrológicos, contiene información sobre el nivel de agua, el caudal y el hielo. Cada pronóstico puede estar acompañado de un tiempo de ocurrencia previsto y/o un período de validez de la predicción. Ambas códigos requieren un sistema de números de índice (indicativo) de estaciones. Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1983: Guía de prácticas climatológicas. Segunda edición, OMM–N° 100, Ginebra. 2. Organización Meteorológica Mundial/Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 1985: Guidelines for Computerized Data Processing in Operational Hydrology and Land and Water Management. OMM–N° 634, Ginebra. 3. Organización Meteorológica Mundial, 1988: Manual de Claves, Volumen I, Claves internacionales. OMM–N° 306, Ginebra.
PARTE D ANÁLISIS HIDROLÓGICO CAPÍTULO 26 INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS HIDROLÓGICO
26.1 Métodos de análisis utilizados en hidrología Por lo general, el análisis hidrológico se basa en principios bien establecidos de hidrodinámica, termodinámica y estadísticas. Sin embargo, el problema central del análisis hidrológico es la aplicación de estos principios en un ambiente natural que no es homogéneo, del que se poseen muestras dispersas y que sólo se conoce parcialmente. Los eventos muestreados son en general imprevistos e incontrolados. Los análisis se efectúan para obtener información espacial y temporal acerca de ciertas variables, generalizaciones regionales y relaciones entre las variables. Los componentes pertinentes, con frecuencia, no se miden directamente. Los análisis se pueden llevar a cabo a través de diferentes enfoques, como son el determinístico, paramétrico, probabilístico y estocástico. El análisis que se basa en el enfoque determinístico sigue las leyes que describen los procesos físicos y químicos. En el enfoque paramétrico, el análisis se efectúa por intercomparación de datos hidrológicos registrados en diferentes lugares y tiempos. En el enfoque probabilístico, se analiza la frecuencia de la ocurrencia de diferentes magnitudes de las variables hidrológicas. En el enfoque estocástico, se analizan tanto el orden secuencial como la frecuencia de ocurrencia de las diferentes magnitudes. Existen variables que se miden directamente, como el nivel y la velocidad del agua, o que se calculan directamente a partir de mediciones, como el caudal. Hay otras variables que se calculan a partir de una muestra de mediciones directas, por ejemplo la cantidad de precipitaciones en una cuenca. La evaluación de otras variables, como la evaporación de un lago, sólo se puede efectuar indirectamente. En muchos casos, las variables medidas no son el tema más importante para un análisis. En el análisis de escurrimiento directo, por ejemplo, con frecuencia el hidrograma se divide en sus componentes para que la parte asociada con un acontecimiento particular de la lluvia pueda separarse del resto del hidrograma. Esta separación se obtiene por el cálculo basado en modelos analíticos más que por una medición física. Los análisis incluyen casos de estudio y el examen estadístico de grandes cantidades de datos. Los análisis estadísticos abarcan el ajuste de los datos a las distribuciones de frecuencia y a los modelos paramétricos por regresión o análisis de
412
CAPÍTULO 26
series cronológicas. La validez de las relaciones derivadas debe ser comprobada con datos independientes. La reconstitución de un hidrograma es una prueba hidrológica característica. El grado de detalle y precisión en el análisis debe ser consistente con la calidad y el muestreo adecuado de los datos disponibles, y con la exactitud que requiere la aplicación del análisis. Se ha de tener en cuenta la relación que existe entre el costo y el tiempo dedicado a un análisis y los beneficios esperados. En muchos casos, los métodos gráficos y otros métodos de cálculo relativamente simples son más efectivos en costo que los métodos más complicados, y pueden ser suficientemente exactos para los datos y los fines que se persiguen. 26.2 Propósito de la Parte D En la Parte D de esta Guía se presentan métodos de análisis bien establecidos que, en conjunto, cubren los procedimientos que se requieren para la mayoría de los objetivos hidrológicos. Se indican otros métodos para satisfacer necesidades prácticas en situaciones donde se dispone de varios tipos y cantidades de datos. Los análisis pueden servir para uno o más objetivos, como el diseño de redes, la evaluación de las mediciones de control, el pronóstico de avenidas y la planificación de programas para la gestión de los recursos hidráulicos. Los métodos de análisis que están orientados principalmente a un solo propósito, figuran en las partes de esta Guía que se refieren a ellos. Por ejemplo, los métodos que se usan principalmente para predecir avenidas, aparecen en la Parte E, y los métodos para estimar la capacidad requerida en una presa de almacenamiento se describen en la Parte F. Las Partes E y F contienen secuencias de operaciones, necesarias para generar predicciones y valores de diseño, que con frecuencia requieren varias etapas analíticas. Los métodos que se indican en la Parte D son de aplicaciones generales. Cuando es pertinente, estos métodos generales se citan en otros capítulos. Los capítulos de esta Parte no son exhaustivos, ni en su profundidad o ni en su amplitud de cobertura de un tema, y no debe suponerse que los métodos descritos son necesariamente los mejores para una situación en particular. Convendría que el lector se refiera a otras publicaciones, además de esta Guía, para la solución de un problema determinado. La selección de técnicas particulares para abordar los problemas del mundo real se debe basar en la representatividad de las condiciones hidrológicas reales capturadas que permiten un método determinado, así como la disponibilidad de los datos para cumplir con las exigencias de ese método.
CAPÍTULO 27 ANÁLISIS DE FRECUENCIAS
27.1 Uso del análisis de frecuencias en hidrología En el ámbito de la hidrología, numerosos fenómenos extremos no pueden pronosticarse en base a una información determinística, con la suficiente destreza y tiempo de antelación, para poder tomar las decisiones pertinentes a su ocurrencia. En dichos casos, se requiere un enfoque probabilístico con el fin de incorporar los efectos de esos fenómenos en las decisiones. Si se puede suponer que las ocurrencias son temporalmente independientes, esto es, el tiempo y la magnitud de un evento no tiene relación con los eventos anteriores, entonces se puede usar el análisis de frecuencias para describir la probabilidad de cualquier evento o de una combinación de ellos, durante el intervalo de tiempo necesario para una decisión. Los fenómenos hidrológicos que se describen en general mediante el análisis de frecuencias son las precipitaciones (capítulo 29) y las crecidas anuales máximas (capítulo 36). El análisis de frecuencias puede ser gráfico o matemático. En el enfoque gráfico, las observaciones históricas de la variable de interés se ordenan en orden ascendente o descendente, y se traza un gráfico de las magnitudes de los eventos en función de su frecuencia de excedencia o intervalo de repetición. Después, se ajusta una curva a través de los puntos representados gráficamente para describir la probabilidad de ocurrencia futura de cualquier evento. Se dispone de un papel especial para gráficos, que puede usarse para ilustrar la curva suave como una línea recta. El enfoque matemático para el análisis de frecuencias se basa en la suposición de una descripción matemática específica, conocida como distribución de probabilidades, para definir el equivalente de la curva del enfoque gráfico. Los parámetros de la distribución de probabilidades se definen como funciones de las estadísticas de las observaciones hidrológicas. 27.2 Series estadísticas y períodos de retorno En el análisis probabilístico, una serie es una secuencia conveniente de datos, como son las observaciones horarias, diarias, estacionales o anuales de una variable hidrológica. Si el registro de estas observaciones contiene todos los eventos que ocurrieron dentro de un período dado, a la serie se le llama serie de duración completa [1]. Por razones de conveniencia, el registro contiene frecuentemente sólo los
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CAPÍTULO 27
eventos cuya magnitud es superior a una base preseleccionada. A esta serie se le llama serie de duración parcial. Una serie que contiene sólo el evento con la magnitud más grande que ocurrió en cada año se denomina serie de máximos anuales. El uso de las series de máximos anuales es muy común en el análisis probabilístico por dos razones. La primera es por conveniencia, ya que la mayoría de los datos se procesan de manera que la serie anual está fácilmente disponible. La segunda es que hay una base teórica para extrapolar los datos de series anuales más allá de las posibilidades de observación, pero esa teoría hace falta para datos de series parciales. Una razón de la ausencia de una teoría estadística para las series de duración parcial es la falta de independencia de los eventos que podrían seguirse uno a otro en secuencia contigua. Una limitación de los datos de series anuales es que cada año está representado por sólo un evento. El segundo evento más alto en un año en particular puede ser más alto que los más altos de otros años, y aun así no estaría contenido en la serie. Por tanto, un evento de una magnitud dada tendría una frecuencia de ocurrencia diferente para cada una de las dos series. Las series de duración completa pueden requerirse para el enfoque estocástico en el cual no se requiere la independencia. También pueden servir para el análisis probabilístico de datos en regiones áridas, donde los eventos son raros y casi independientes. El período de retorno, Tr, de un evento dado, es el número promedio de años dentro del cual se espera que el evento sea igualado o excedido sólo una vez. El evento que se espera sea igualado o excedido cada N años, es el evento de N años, XTr. Ambos términos se refieren a la frecuencia de ocurrencia promedio esperada de un evento durante un largo período de años. El período de retorno es igual al inverso de la probabilidad de excedencia en un solo año. Para los períodos de retorno que exceden de diez años, no es necesario hacer las diferencias en períodos de retorno entre las series anuales y parciales pues son insignificantes. La tabla 27.1 contiene factores para las conversiones entre las dos series. TABLA 27.1 Períodos de retorno correspondientes para las series anuales y parciales Series parciales 0,50 1,00 1,45 2,00 5,00 10,00
Series anuales 1,16 1,58 2,00 2,54 5,52 10,50
ANÁLISIS DE FRECUENCIAS
415
Enfoque matemático para el análisis de frecuencias 27.3 Distribuciones de probabilidades usadas en hidrología 27.3.1 Las distribuciones de probabilidades se usan en una amplia variedad de estudios hidrológicos, por ejemplo los estudios de recursos hídricos, de caudales extremos altos y bajos, de sequías, de volúmenes en embalses, de cantidades de lluvia y de modelos de series cronológicas. Las distribuciones principales que se usan en hidrología se indican en la tabla 27.2. Sus definiciones matemáticas figuran en la publicación de la OMM titulada Statistical Distributions for Flood Frequency Analysis [2]. Los totales anuales, como los volúmenes de escurrimiento o la cantidad de lluvia, tienden a estar distribuidos normalmente o casi debido al teorema estadístico del límite central. Los totales semanales y mensuales son menos simétricos (asimetría casi siempre positiva) y, por lo general, no se pueden modelar con la distribución normal.
TABLA 27.2 Distribuciones de probabilidades usadas en hidrología Nombre
Acrónimo
Referencia
Normal Log-normal Pearson de tipo 3 Valores extremos tipo 1 Valores extremos tipo 2 Valores extremos tipo 3 Distribución gamma de tres parámetros Gamma Log-Pearson tipo 3
(N) (LN) (P3) (EV1) (EV2) (EV3)
(Gauss) (Hazen, 1914) (Foster, 1924) (Gumbel, 1941) (Gumbel, 1941) (Jenkinson, 1969) (Kritsky, Menkel, 1946)
(G) (LP3)
Valores extremos generalizados Weibull Wakeby Boughton Valores extremos con dos componentes Logística logarítmica Logística generalizada
(GEV)
(TCEV)
(Moran, 1957) (U.S. Water Resources Council, 1967, 1981) (Jenkinson, 1955) (Wu et Goodbridge, 1976) (Houghton, 1978) (Boughton, 1980) (Rossi, y col., 1984)
(LLG) (GLG)
(Ahmad, y col., 1988) (Ahmad, 1988)
(WAK)
416
CAPÍTULO 27
Los extremos anuales (altos o bajos) y los picos sobre un umbral tienen distribuciones asimétricamente positivas. La parte de una muestra que está cerca de la media de la distribución, a menudo se puede describir bien por una variedad de distribuciones. Sin embargo, las distribuciones individuales pueden diferir mucho y de manera muy apreciable de una a otra en los valores estimados para largos períodos de retorno. Como el diseño hidráulico con frecuencia se basa en estimaciones de eventos con grandes intervalos de recurrencia, es importante poder determinarlos tan exactamente como sea posible. Por tanto, la elección de la distribución es muy importante para esos casos. La selección de las distribuciones se examina en la publicación de la OMM titulada Statistical Distributions for Flood Frequency Analysis [2], que contiene los métodos disponibles para elegir distribuciones y de qué modo estas elecciones dependen de un número de aspectos técnicos, tales como las características de los datos hidrológicos y el método de estimación de parámetros. 27.3.2 Estimación de parámetros Además de la elección de una distribución, el método de estimación de parámetros que se usa con la distribución puede tener un efecto en los resultados. Tradicionalmente, el método de momentos ordinarios (MMO) ha sido muy usado en hidrología a pesar de que se ha reconocido que es ineficiente estadísticamente, en comparación con el método de máxima verosimilitud (MV). El método de momentos ponderados de probabilidad (MPP) que introdujo Greenwood, y otros [3], en muchos casos conveniente aplicarlo, y Hosking, y otros [4] han encontrado que tiene propiedades estadísticas comparables con el MV en cuanto se refiere al tamaño de las muestras que se utilizan en hidrología. Un método más reciente, basado en las estadísticas de L-momentos [5], constituye una mejora considerable con respecto a los métodos más convencionales de máxima verosimilitud o el de momentos. Las aplicaciones de esta método regionalizado están comenzando a ser señaladas en el análisis de datos de valores extremos. 27.3.3 Homogeneidad de datos La homegeneidad de los datos hidrológicos es indispensable para una aplicación estadística válida. Existen muchas razones por las cuales una serie de datos pudiera no ser homogénea, por ejemplo: a) una serie cronológica de caudales máximos puede contener caudales procedentes de nieve derretida y de lluvia; b) una serie cronológica puede contener datos de caudales medidos antes de la construcción de una estructura hidráulica, en condiciones inalteradas, y después de la construcción, cuando el régimen de escurrimiento está controlado; o c) una serie cronológica puede contener datos de caudales que incluyen mezclas de errores sistemáticos y aleatorios.
ANÁLISIS DE FRECUENCIAS
417
La homogeneidad de los datos también puede ser alterada por los cambios antropógenos del clima. Un análisis detallado de los datos es el método más efectivo para evaluar la homogeneidad de los datos. Los métodos de análisis se basan en el trazado de diferentes tipos de relaciones entre el escurrimiento y los factores que lo producen (físicos y matemáticos) para descubrir las causas de una alteración en la homogeneidad. Los siguientes tipos de reconstrucción de series cronológicas son posibles cuando se establece la no homogeneidad y se descubren sus causas: a) los datos no homogéneos se corrigen para obtener condiciones homogéneas (recuperación del escurrimiento natural, cálculo de frecuencias empíricas, etc.); b) el registro se subdivide en un número de muestras homogéneas (caudales producidos por flujos de lodo, caudales máximos atribuibles a las precipitaciones, disponibilidad y ausencia de escurrimientos, etc.); c) la corrección de los errores sistemáticos conocidos y la anulación de los datos espurios del registro.
Referencias 1. Shaw, T.T., 1964: Frequency analysis. Handbook of Applied Hydrology (V.T. Chow, ed). Sección 8-I, McGraw-Hill, Nueva York. 2. Organización Meteorológica Mundial, 1989: Statistical Distributions for Flood Frequency Analysis (C. Cunnane). Informe de hidrología operativa Nº 33, OMM–Nº 718, Ginebra. 3. Greenwood, J. A., Landwehr, J. M., Matalas, N.C. y Wallis, J. R., 1979: Probability weighted moments: definition and relation to parameters of several distributions expressible in inverse form. Water Resources Research, volumen 15, Nº 5, págs. 1049 a 1054. 4. Hosking J. R. M., Wallis, J. R. y Wood, E. F., 1985: Estimation of the generalized extreme value distribution by the method of probability-weighted moments. Technometrics, volumen 27, Nº 3, págs. 257 a 261. 5. Hosking, J. R. M., 1990: L-Moments: analysis and estimation of distributions using linear combinations of order statistics. Journal of the Royal Statistical Society, B, volumen 51, N° 3.
CAPÍTULO 28 FRECUENCIA E INTENSIDAD DE LA LLUVIA
28.1 Frecuencia de la lluvia La frecuencia de la lluvia, de diversas magnitudes, es importante en la aplicación de modelos matemáticos para sintetizar datos hidrológicos, determinar la capacidad requerida en pequeñas estructuras de control de agua y en otras aplicaciones. Las estimaciones del escurrimiento para el diseño en pequeñas áreas, generalmente se basan en relaciones lluvia-escurrimiento y datos sobre lluvia-frecuencia debido a las esparcidas mediciones de escurrimientos y a las limitaciones en la transposición de dichos datos entre cuencas de pequeña superficie. Las estimaciones generalizadas de frecuencias de lluvias para una duración de hasta diez días y períodos de retorno de 100 años están disponibles para Estados Unidos en la colección de estudios técnicos del U.S. Weather Bureau y el Atlas de la NOAA, y para Australia en la Australian Rainfall and Runoff: A Guide to Flow Estimation [1], entre otras. El capítulo 27 contiene consideraciones básicas del análisis de frecuencias, mientras que este capítulo aborda aplicaciones especiales para el análisis de la lluvia. La selección de los tipos de distribución para extremos de precipitación se analiza en la publicación de la OMM titulada Selection of Distribution Types for Extremes of Precipitation [2]. 28.1.1 Lluvia puntual Para las pequeñas cuencas, la lluvia puntual es una estimación adecuada de la lluvia de la cuenca; para superficies más grandes, se debe tener en cuenta la relación entre la cantidad de lluvia y el área de la cuenca (sección 28.1.2). Los métodos estadísticos que aquí se describen se aplican a tormentas o a otras lluvias de corta duración. Métodos similares se usan para valores extremos de crecidas, volúmenes de crecida, caudales de estiaje, sequías y otros fenómenos extremos. 28.1.1.1 Ajuste de datos para intervalos de tiempo de observación fijos Los datos de lluvia se publican usualmente para intervalos de tiempo fijos, por ejemplo 0800-0800 (diario), 0600-1200 (seis horas), 0300-0400 (horario). Dichos datos rara vez restituyen las cantidades máximas reales para las duraciones indicadas. Por ejemplo es muy probable que la cantidad diaria máxima anual observada sea
420
CAPÍTULO 28
apreciablemente menor que la cantidad máxima anual determinada con intervalos de 1 440 minutos consecutivos, sin restricción de ningún tiempo en particular. De manera similar, los valores máximos obtenidos con intervalos fijos de seis horas y una hora, tienden a ser menores que los valores máximos obtenidos con intervalos de 360 y 60 minutos consecutivos, respectivamente, sin restricciones de tiempo para el comienzo y el fin de las observaciones. Los estudios de miles de años-estaciones de datos pluviométricos indican que al multiplicar las cantidades máximas anuales de lluvia diaria u horaria, para un solo intervalo fijo de observación de una a 24 horas por el factor 1,13, se producirán valores que se aproximan mucho a los que se obtendrían de un análisis de los máximos reales. Se requieren ajustes menores cuando las cantidades máximas observadas se determinan a partir de dos o más intervalos de observación fijos. Así, por ejemplo, las cantidades máximas de seis y 24 horas, determinadas mediante seis y 24 incrementos horarios fijos, requieren un ajuste con factores de solamente 1,02 y 1,01, respectivamente. El ajuste de los valores de lluvia a intervalos fijos de acuerdo con el número de unidades de observación dentro del intervalo se puede hacer de la siguiente manera: Número de unidades de observación: 1 Factor de ajuste: 1,13
2 1,04
3-4 1,03
5-8 1,02
9-24 1,01
>24 1,00
28.1.1.2 Estimación indirecta de datos de frecuencia de lluvia puntual En ausencia de datos de lluvia de corta duración en un emplazamiento o en sus proximidades para interpolarla, es posible calcular el régimen de lluvia a partir de cualquier dato indirecto [3, 4]. Esos datos incluyen la lluvia media anual y el número promedio anual de días con lluvia, los cuales se pueden obtener de mapas o pueden ser estimados. Para Estados Unidos, la relación promedio entre la lluvia por día con lluvia (lluvia media anual dividida entre el número de días de lluvia en base a un milímetro) y la lluvia en 24 horas con período de retorno de dos años, es: Lluvia, por día con lluvia, en milímetros: Lluvia, por 24 horas con período de retorno de dos años, en milímetros:
5
8
10
13
36
56
79
107
La relación que figura más arriba es únicamente para fines de ilustración. Debido a la variación regional en dicha relación, su aplicación debe basarse en la semejanza climática entre la región para la que se ha establecido y la región en la que se utilizará. Para duraciones inferiores a 24 horas conviene estimar los valores de la frecuencia de lluvia en una hora a partir de los valores de 24 horas y así interpolar las duraciones intermedias y extrapolar las duraciones inferiores a una hora. La lluvia de una hora con período de retorno de dos años está relacionada con la lluvia en 24 horas
421
FRECUENCIA E INTENSIDAD DE LA LLUVIA
con período de retorno de dos años, de acuerdo con el número promedio anual de días con tormentas. Estudios que han incluido una amplia gama de climas indican la siguiente relación: Relación entre la lluvia de una hora en dos años y la lluvia de 24 horas en dos años Número promedio anual de días con tormenta
0,2
0,3
1
8
0,4 16
0,5 24
Los valores de la relación frecuencia-lluvia para duraciones inferiores a una hora, a menudo se obtienen por estimación indirecta. Los datos de lluvia para esas duraciones cortas rara vez se encuentran disponibles fácilmente en forma conveniente para la compilación de series anuales o de duración parcial a fin de realizar un análisis de frecuencia directo. Las relaciones promedio entre cantidades de lluvia en cinco, 10, 15 y 30 minutos y la cantidad de lluvia en una hora, calculadas a partir de cientos de registros de años-estación, frecuentemente se usan para calcular la frecuencia de datos de lluvia para estas duraciones cortas. Estas relaciones, que tienen un error promedio inferior al 10 por ciento, son: Duración (minutos) Relación (n-minutos entre 60 minutos)
5 0,29
10 0,45
15 0,57
30 0,79
Así, por ejemplo, si la lluvia en una hora para un período de retorno de 10 años es de 70 mm, la lluvia en 15 minutos para el mismo período de retorno es de un 57 por ciento de 70 mm, o sea 40 mm. Debe tenerse en cuenta que estas relaciones podrían generar resultados erróneos en algunas regiones. Por ejemplo, en regiones donde la mayor parte de la lluvia ocurre en conexión con tormentas, las relaciones antes descritas producirán valores que son muy bajos. Por otra parte, en regiones donde la mayor parte de la lluvia está asociada a las influencias orográficas con poca actividad convectiva severa, las relaciones podrían producir valores que son muy altos. Esta variación ha sido estudiada a escala continental para Australia [5, 6], con una relación que se preparó usando como variables la ubicación geográfica y la intensidad de la lluvia en una hora. La relación también depende del intervalo medio de recurrencia. Cuando se deben someter grandes cantidades de datos de lluvia de una región a un análisis de frecuencias, como es usual en la preparación de mapas generalizados, la compilación de series anuales de datos para todas las duraciones es una tarea inmensa y tediosa. Es costumbre, por lo tanto, limitar las compilaciones de datos a un número relativamente pequeño de estaciones que tengan buenos registros de, al menos, 10 años. Después, se calculan los promedios de las series anuales y se usan para preparar un diagrama como el de la figura 28.1, que permite la estimación de los valores de lluvia para duraciones de hasta 24 horas cuando se conocen los valores de una y 24 horas. La línea diagonal en la figura 28.1 ilustra un ejemplo donde la lluvia en 24 horas es
422
CAPÍTULO 28 12
Nota: Para lluvias entre 20 minutos y 60 minutos, los valores están en centímetros por hora; para duraciones más extensas los valores están indicados en centímetros 11
10
9
9 8 11 8 12
10
9
7
7
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
Centímetros por hora
7 8
11
9
10
8 7
9
7 6
6
5
8 6
5
7
4
5 4
6
Altura en centímetros
10
3 5
4 3
3
3
2 2
3 2 2
1
1
1 1 0 Minutos Horas
20 30 405060 1
80
100 120 2
150 180
240
300
360
4
5
6
3
Duración – 20 min. a 6 horas
8
10
12
14
16
18
0 20 22 24
Duración – 6 a 24 horas
Figura 28.1 — Relación entre la intensidad de la lluvia y relación altura de lluvia–duración de alrededor de 73 milímetros y la lluvia en una hora es de 22 milímetros. Los valores para otras duraciones se pueden leer de las intersecciones de la diagonal. Así, el valor en 12 horas es de 60 milímetros y, en dos horas, es de 30 milímetros. Diagramas similares a la figura 28.2 se pueden construir [1, 7] para interpolar entre los períodos de retorno de dos y 100 años. Para que dichos diagramas sean fiables, se deben basar en estaciones con registros suficientemente extensos. Al igual que los diagramas de interpolación de la duración, estos diagramas varían de región en región, donde los regímenes climáticos difieren apreciablemente. Se usan de la misma manera que los diagramas para interpolar duraciones, esto es, se traza una diagonal a través de las alturas de lluvia relativas a períodos de retorno de dos y 100 años en sus verticales respectivas, y las alturas para otros períodos de retorno se leen en las intersecciones de la diagonal con las verticales correspondientes.
48
48
44
44
40
40
36
36
32
32
28
28
24
24
20
20
16
16
12
12
8
8
4
4
0
423
Altura de lluvia (cm)
Horas de lluvia (cm)
FRECUENCIA E INTENSIDAD DE LA LLUVIA
0 2
5 10 25 50 100 Período de retorno en años, serie de duración parcial
Figura 28.2 — Diagrama de interpolación de períodos de retorno Con el uso de los dos tipos de diagramas de interpolación antes descritos, sólo las cantidades de lluvia en una hora y 24 horas con períodos de retorno de dos y 100 años necesitan calcularse en la mayoría de las estaciones de la región para las cuales se prepararon los diagramas. Después, los diagramas se usan para estimar otros valores requeridos. Ambos tipos de diagramas están sujetos a variaciones regionales y se debe tener precaución al tratar de aplicar los diagramas en otras regiones que no sean aquéllas para las cuales se prepararon. 28.1.1.3 Lluvias máximas observadas En la tabla 28.1 se mencionan algunas de las lluvias puntuales de mayor intensidad observadas para duraciones seleccionadas. Estos valores, que se aproximan a la magnitud de la lluvia máxima probable, tienen como envolvente la ecuación aproximada [8]:
P = 422 T 0,475 donde P es la lluvia en milímetros y T la duración en horas.
(28.1)
424
CAPÍTULO 28
Las lluvias puntuales de mayor intensidad observadas en el mundo Duración
Altura (mm)
1 min. 8 min. 15 min. 20 min. 42 min. 1h 2 h 10 min. 2 h 45 min.
38 126 198 206 305 401 483 559
4 h 30 min.
782
6h
840
9h 10 h
1087 1400
18 h 30 min. 24 h 2 días 3 días 4 días 5 días 6 días 7 días 8 días 9 días 10 días 11 días 12 días 13 días 14 días 15 días 31 días 2 meses 3 meses 4 meses 5 meses 6 meses 11 meses 1 año 2 años
1689 1825 2467 3130 3721 4301 4653 5003 5286 5692 6028 6299 6401 6422 6432 6433 9300 12767 16369 18738 20412 22454 22990 26461 40768
Lugar Barot, Guadalupe Füssen, Baviera Plumb Point, Jamaica Curtea-de-Arges, Rumania Holt, Missouri, (EE.UU.) Shangdi, Nei Monggol, China Rockport, Virginia, (EE.UU.) D’Hanis, Texas, (EE.UU.) (17 mi NNW) Smethport, Pensilvania, (EE.UU.) Muduocaidang, Nei Monggol, China Belouve, La Reunión Muduocaidang, Nei Monggol, China Belouve, La Reunión Foc Foc, La Reunión Aurere, La Reunión Aurere, La Reunión Cherrapunji, India Commerson, La Reunión Commerson, La Reunión Commerson, La Reunión Commerson, La Reunión Commerson, La Reunión Commerson, La Reunión Commerson, La Reunión Commerson, La Reunión Commerson, La Reunión Commerson, La Reunión Commerson, La Reunión Cherrapunji, India Cherrapunji, India Cherrapunji, India Cherrapunji, India Cherrapunji, India Cherrapunji, India Cherrapunji, India Cherrapunji, India Cherrapunji, India
Fecha 26 de noviembre de 1970 25 de mayo de 1920 12 de mayo de 1916 7 de julio de 1889 22 de junio de 1947 3 de julio de 1975 18 de julio de 1889 31 de mayo de 1935 18 de julio de 1942 1º de agosto de 1977 28 de febrero de 1964 1º de agosto de 1977 28-29 de febrero de 1964 7-8 de enero de 1966 7-9 de abril de 1958 6-9 de abril de 1958 12-15 de septiembre de 1974 23-27 de enero de 1980 22-27 de enero de 1980 21-27 de enero de 1980 20-27 de enero de 1980 19-27 de enero de 1980 18-27 de enero de 1980 17-27 de enero de 1980 16-27 de enero de 1980 15-27 de enero de 1980 15-28 de enero de 1980 14-28 de enero de 1980 1º-31 de julio de 1861 Junio - julio de 1861 Mayo - julio de 1861 Abril - julio de 1861 Abril - agosto de 1861 Abril - septiembre de 1861 Enero - noviembre de 1861 Agosto 1860 - julio de 1861 1860-1861
Revisado el 29 de noviembre de 1991, EE.UU. NWS; USA Bureau of Reclamation; Australian Bureau of Meteorology.
425
FRECUENCIA E INTENSIDAD DE LA LLUVIA
28.1.2 Nivel de lluvia en una región Cuando la superficie de una cuenca es superior a unos 25 km2, las observaciones de la lluvia en una sola estación, aun cuando la misma esté en el centro de la cuenca serán por lo general, inadecuadas para el diseño de obras de drenaje. Todos los registros pluviométricos dentro de la cuenca y sus alrededores inmediatos, deben ser analizados para tener debidamente en cuenta la variación espacial y temporal de la lluvia sobre la cuenca. Para superficies suficientemente grandes, en las cuales la cantidad de lluvia promedio es muy diferente a la observada en un punto, se debe preparar y usar un diagrama como el de la figura 28.3 para reducir los valores puntuales. Para ilustrar el uso de los valores de lluvia puntual de la figura 28.3, supóngase que para un lugar en particular se obtiene una lluvia puntual en seis horas, con un período de retorno de T años, de 63 mm. Para calcular la altura promedio en seis horas sobre 250 km2 para el mismo período de retorno en el mismo lugar, se multiplica el valor de 63 mm por 89 por ciento, cuyo resultado es 56 mm. Mientras que las curvas de la figura 28.3 indican una reducción para todos los tamaños de cuenca, los valores de la lluvia puntual se usan a menudo sin reducción para superficies de hasta 25 km2. 28.1.3 Mapas generalizados Incluso un registro largo puede constituir una muestra relativamente pequeña de un régimen climático. Una mejor representación del régimen en una estación puede obtenerse en un mapa “suavizado”, que incluya la influencia de los datos de esta-
PORCENTAJE DE LA ALTURA DE LA LLUVIA PUNTUAL PARA UNA REGIÓN DADA
100 24 horas 90 8 horas 80
3 horas
70
1 hora 30 minutos
60
50 0
125
250
375
500
625
750
875
1 000
2
SUPERFICIE (km )
Figura 28.3 — Curvas de superficie-altura (reducción en función de la superficie)
426
CAPÍTULO 28
ciones cercanas y, de este modo, amplíe la muestra. El grado de suavizado debe ser coherente con el espaciamiento de las estaciones de observación y con el error de muestreo de éstas. Un suavizado muy pequeño tiende a confundir el error de muestreo con una variación regional espuria. 28.1.4 Sequía La sequía es un mínimo hidrológico extremo debido a perturbaciones en el ciclo hidrológico durante un tiempo suficientemente largo, que resulta en un importante déficit de agua. Los recursos hídricos locales se vuelven insuficientes para sostener las actividades establecidas o normales de la región. Las sequías se interpretan y clasifican de una manera general como meteorológicas, hidrológicas o agrícolas. Al meteorólogo le concierne la sequía en el contexto de un período de lluvia por debajo de lo normal. Para un hidrólogo, significa un contenido de agua inferior al promedio en las corrientes, los embalses, los lagos, los tanques, los acuíferos y en la humedad del suelo. Para un agrónomo, la sequía significa una escasez prolongada de la humedad del suelo en la zona del suelo donde se encuentran las raíces de las plantas. Para una sequía meteorológica, es útil analizar la frecuencia de la magnitud y la duración. Un tipo de análisis sencillo sería el de comparar la lluvia total en meses calendario o estaciones pertinentes con sus valores normales correspondientes y evaluar la intensidad de la sequía según las desviaciones negativas de los valores normales. Para tener en cuenta el efecto de la distribución temporal de la lluvia, se puede usar un índice de lluvia antecedente (sección 33.2.1) en lugar de la lluvia total. Otra manera de explicar los efectos acumulativos de lluvia de mes en mes para evaluar la gravedad de una sequía meteorológica es la técnica de Herbst [9]. La gravedad de una sequía agrícola se puede evaluar por el índice de sequía, un recurso para resumir y difundir periódicamente información regional de la sequía y de las condiciones de humedad para los cultivos. Este índice se puede usar para evaluar el peligro de sequía en una región de tamaño considerable o para evaluar periódicamente el alcance y la gravedad en curso de la sequía en una región. La intensidad de una sequía hidrológica está relacionada con la importancia en las desviaciones con relación a los escurrimientos bajos (capítulo 35) y a las condiciones normales de humedad del suelo (capítulo 38) junto con la disminución excesiva en los niveles de las aguas subterráneas. 28.2 Intensidad de la lluvia 28.2.1 Lluvia puntual Para la elaboración de curvas de intensidad-duración de la lluvia en una estación es conveniente contar con un gran número de observaciones de intensidades de lluvia significativas, realizadas durante un largo período de años con un pluviógrafo de
FRECUENCIA E INTENSIDAD DE LA LLUVIA
427
diseño adecuado para evaluar con exactitud las intensidades en intervalos que van desde cinco minutos hasta 72 horas. Las intensidades de un día o más (por ejemplo tres días) se pueden registrar con pluviógrafo de lectura diaria. Las mediciones de hasta 72 horas hechas con pluviógrafos permiten que haya un traslape con los valores de una red de observación diaria para fines estadísticos. La intensidad máxima de lluvia promedio, Pi, durante cada tormenta puede determinarse para un cierto número de duraciones, T. Para el diseño de drenaje urbano, la duración de interés generalmente fluctúa entre cinco o 10 minutos hasta varias horas. Para cada duración seleccionada T, la intensidad media de lluvia Pi, con períodos de retorno de 1, 2, 5, ... hasta 100 años, se puede determinar con los métodos que se describen en la sección 28.1.1. Los análisis de los datos de intensidad de lluvia para una serie larga de tormentas se pueden resumir como sigue: a) familias de curvas para frecuencias de ocurrencia o períodos de retorno dados, que muestran la máxima intensidad media de la lluvia para las distintas duraciones; o b) fórmulas empíricas que expresan la relación representada por esas curvas. Existen muchas de esas fórmulas que aparecen en la literatura técnica, de las cuales las siguientes son las más usadas: a Pi = b + T Pi = a(T − b) Pi =
c)
−n
a + b log Tr
( 1 + T )n
(28.2) (28.3)
(28.4)
donde Pi, generalmente expresada en mm h-1, es la intensidad máxima media de lluvia en el tiempo T, Tr, el período de retorno, y a, b, y n son parámetros que varían de estación a estación y, para una estación en particular, varían con la frecuencia de ocurrencia o período de retorno seleccionados. En algunos países, donde se ha completado un análisis extenso de los datos de intensidad de lluvia, se dispone de mapas de isopletas de los parámetros a, b, y n. Por lo general, es más útil un conjunto de mapas de isoyetas; un número de publicaciones [1, 7 y otras] contienen mapas de análisis de frecuencias de precipitación para varios períodos de retorno y duraciones (por ejemplo 10 años, 24 horas). Las intensidades de lluvia se pueden obtener de estos mapas simplemente dividiendo entre la duración.
428
CAPÍTULO 28
Si se adopta una relación empírica generalizada para estimar la intensidad de la lluvia en un proyecto de una cuenca, se debe examinar la manera en que se estableció esa relación original. Las relaciones de este tipo se basan algunas veces en el análisis de datos limitados a regiones de superficie pequeña, y su aplicación a otras regiones podría conducir a conclusiones inexactas. La ubicación del período de lluvia de máxima intensidad en relación con el inicio de la borrasca es otro factor importante en el diseño de obras de drenaje que deben resistir la intensidad máxima media de la lluvia. Si el período de intensidad máxima de lluvia tiene lugar al inicio de la tormenta, cuando los canales están secos o con pequeñas corrientes, el caudal punta será reducido debido a la capacidad de almacenamiento disponible en los canales. De esta manera, para una intensidad media dada, se requerirán obras de drenaje más pequeñas, que las correspondientes si el período de intensidad máxima ocurriera a la mitad o al final de la tormenta. Cuando el análisis de registros de lluvia en una estación indica que la mayoría de los períodos de intensidad máxima de lluvia ocurren cerca del inicio, de la mitad o del final de una tormenta, este factor debe tenerse en cuenta para determinar la crecida tipo. En caso contrario, no es necesario tener en cuenta el orden secuencial de las lluvias para su aplicación en modelos matemáticos. 28.2.2 Lluvia en una región Cuando se dispone de curvas de valores acumulados de una tormenta en varias estaciones pluviográficas de una cuenca o dentro del área de una tormenta, se puede deducir de los registros de cada estación, un patrón temporal superpuesto de lluvia para toda la extensión de la tormenta, o para sus diferentes partes. El método más sencillo para deducir este patrón temporal de lluvia (pluviograma de la tormenta) consiste en la superposición de los registros de cada estación pluviográfica, tomando como ordenada del pluviograma de la tormenta para un tiempo t el valor de las ordenadas de las diversas curvas en ese tiempo. Este método se puede mejorar multiplicando las ordenadas del pluviograma de cada estación por un coeficiente adecuado, como la ponderación de Thiessen. Cuando en una cuenca se ha analizado un número suficiente de pluviogramas de tormenta, se pueden deducir curvas de intensidad-duración para varios períodos de retorno, Tr, para toda la cuenca o para una parte de la misma.
FRECUENCIA E INTENSIDAD DE LA LLUVIA
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Referencias 1. Pilgrim, D.H., y Canterford, R.P., (eds), 1987: Australian rainfall and runoff: A Guide to Flood Estimation, Volúmenes I y II. The Institution of Engineers, Australia, Canberra. 2. Organización Meteorológica Mundial, 1981: Selection of Distribution Types for Extremes of Precipitation (B. Sevruk y H. Geiger). Informe de hidrología operativa N° 15, OMM-N° 560, Ginebra. 3. Hershfield, D.M. y Wilson, W.T., 1957: Generalizing of Rainfall-Intensity Frequency Data. Extrait des Comptes rendus et rapports, Assemblée générale de Toronto (Gentbrugge, 1958), Tomo I, págs. 499-506. 4. Hershfield, D.M., Weiss, L.L., y Wilson, W.T., 1955: Synthesis of rainfall intensity regimes. Proceedings of the American Society of Civil Engineers, Volumen 81, Separata N° 744. 5. Hershfield, D.M., 1965: Method for estimating probable maximum rainfall. Journal of American Waterworks Association, Volumen 57, agosto, págs.965-972. 6. Court, A., 1961 : Area-depth rainfall formulas. Journal of Geophysical Research, Volumen 65, N° 6, junio, págs. 1823-1831. 7. Miller, J.F., Frederick, R.H., y Tracy, R.J., 1973: Precipitation Frequency Atlas of the Western United States. NOAA Atlas 2, U.S. National Weather Service, 11 Volúmenes. 8. Paulhus, J.L.H., 1965: Indian Ocean and Taiwan rainfalls set new records. Monthly Weather Review, Volumen 93, mayo, págs. 331-335. 9. Herbst, P.H., Bredenkamp K.B. y Barker H.M.G., 1966: A technique for the evaluation of drought from rainfall data. Journal of Hydrology, Volumen IV, N° 3, págs. 264-272.
CAPÍTULO 29 ANÁLISIS DE LA LLUVIA DE UNA TORMENTA
29.1 Generalidades El objetivo del análisis de la lluvia de una tormenta es obtener las características (altura o cantidad, superficie afectada y duración de la lluvia) de una tormenta particular. La altura se determina a partir de las combinaciones pertinentes de la superficie y la duración, y usualmente se representa con tablas o curvas. En conjunto, dichos análisis constituyen registros útiles para el diseño de vertedores y para la investigación de predicciones cuantitativas de precipitación. Las observaciones de lluvia puntual se analizan conjuntamente y junto con otra información. Los datos de lluvia en general consisten de observaciones totales diarias, intercaladas con unas cuantas mediciones que contienen información de la intensidad de lluvia a corto plazo. Algunas veces, se aumentan estos datos con las observaciones recabadas a través de informes especiales, denominados estudios mediante el análisis de recipientes (sección 21.8.2). Se puede obtener información adicional de mapas meteorológicos sinópticos, radares, informes de crecidas en pequeñas corrientes y de otras fuentes. El procedimiento, que se resume en las siguientes subsecciones, se describe con detalle en la publicación de la OMM titulada Manual for Depth-area-duration Analysis of Storm Precipitation [1]. 29.2 Curvas de valores acumulados El primer paso en un estudio de la lluvia de una tormenta es trazar los valores acumulados de la lluvia según la hora del día (curva de acumulación o curva integral) para cada estación o para estaciones representativas seleccionadas si hay muchas. Las curvas de acumulación para estaciones no registradoras, se elaboran por comparación con las curvas de acumulación de las estaciones registradoras por medio de factores de proporcionalidad, teniendo en cuenta el movimiento de la tormenta, los informes sobre las horas de inicio y fin y los informes de lluvia más intensa. La figura 29.1 muestra un conjunto típico de curvas de acumulación de la tormenta, del 31 de marzo al 2 de abril de 1962, que azotó el sudeste de Canadá. Después, se hace una lista de las estaciones pertinentes y se tabulan los valores acumulados de lluvia para cada estación, utilizando incrementos de tiempo preseleccionados. En el presente ejemplo, se usa un incremento de seis horas, pero otros
432
CAPÍTULO 29 Horas 0
6
12
18
24
30
36
42
48
54
60
66
72
78
84
90
96
102 108 114 120 126 132
136 144
250
Precipitación acumulada (mm)
228 Alma 200
150 141 Moncton (A) (Rec. G) 133 St John (A) (Rec. G) 100
50
0.0 6A Fecha
6P 31
6A
6P 1
6A
6P
6A
6P
6A
6P
6A
6P
2
Marzo - abril 1962
Figura 29.1 — Curvas de valores acumulados incrementos pueden servir igualmente bien. Por conveniencia, las estaciones deben anotarse en orden decreciente de magnitud de la lluvia total de la tormenta. El siguiente paso es examinar la tabla y seleccionar el período particular de seis horas que tenga los incrementos más grandes de lluvia en seis horas. Se hace una lista de los valores correspondiente a este incremento de tiempo y de manera similar se determina el período de lluvia máxima en 12 horas, que también se anota. La misma operación se aplica para obtener correspondientes máximos a los incrementos de 18, 24, ..., n horas. Para períodos que abarcan varios incrementos de seis horas, se puede necesitar un número considerable de experimentos para encontrar el período que incluye la lluvia máxima para una duración particular. 29.3 Análisis de altura superficie-duración de lluvia A partir de la forma tabular de los incrementos máximos de lluvia, se preparan los mapas de isoyetas para cada duración (por ejemplo, seis horas, 12 horas). Las superficies delimitadas por cada isoyeta se evalúan usando un planímetro o contando los cuadros de una retícula, y los valores resultantes se trazan en un gráfico de superficie en función de la altura de la lluvia mediante una curva suave para cada duración. Para las alturas se usa comúnmente una escala lineal y para la superficie una escala logarítmica. La envolvente o los datos máximos de altura superficie-duración de lluvia para cada incremento de superficie y duración, se pueden presentar en forma de tabla como se indica en la figura 29.2, a partir de curvas similares a las de esta figura. 29.4 Precipitación máxima probable (PMP) El término precipitación máxima probable está bien establecido y se usa ampliamente para referirse a la cantidad de precipitación que se aproxima al límite
433
ANÁLISIS DE LA LLUVIA DE UNA TORMENTA
Altura media máxima de lluvia (en milímetros) Tormenta del 31 de marzo al 2 de abril de 1962 sobre el sudeste de Canadá Superficie km2 25 100 1 000 10 000 100 000
6
12
90 85 70 50 25
165 155 130 90 45
Duración (horas) 18 24 205 190 165 115 65
230 215 185 140 75
42 240 225 190 145 85
superior físico, para una duración dada, sobre una cuenca determinada. Los términos precipitación máxima posible y precipitación extrema se han estado usando con casi el mismo significado. Preguntarse qué tan aproximada o qué tan probable es, en el mejor de los casos, una pregunta retórica, ya que la definición de máximo probable está determinada por las operaciones efectuadas sobre los datos. 29.4.1 Métodos para calcular la PMP La PMP para una cuenca se puede calcular [2, 3] usando dos métodos generales: modelos de tormenta o transposición y maximización de tormentas. a) modelos de tormenta – Los valores de la precipitación dependen de la disponibilidad de la humedad atmosférica y de la velocidad con la cual esta humedad se puede convertir en precipitación. En Estados Unidos se han hecho intentos por desarrollar modelos de tormenta para calcular teóricamente la precipitación máxima probable; estos modelos se describen en la publicación de la OMM titulada Manual for Estimation of Probable Maximum Precipitation [2]. La dificultad mayor en dichos estudios es tener en cuenta los efectos orográficos en las intensidades de la precipitación; es difícil determinar, en una tormenta particular, qué partes de la variación en la precipitación se deben a los cambios en el mecanismo de la tormenta y del relieve. Con el fin de determinar la PMP por medio de un modelo de tormenta, se calculan los límites superiores de la humedad y el viento (para varios niveles en una capa de la atmósfera, cuyo espesor es función de las características del modelo) que luego se utilizan en el modelo. En muchas regiones, la brevedad de los registros, las pocas observaciones de viento y humedad en la atmósfera superior, o ambas, dificultan la estimación de los valores límite superiores; b) maximización y transposición de tormentas – Este método que se usa más frecuentemente para la estimación de la PMP exige la maximización de los datos de precipitación observados en una tormenta [2]. Normalmente, la maximización de una tormenta se basa en dos hipótesis:
434
CAPÍTULO 29
Altura de las precipitaciones (mm)
250
200
(To
rm
en
ta
tot
al)
150
100 42 horas 24 horas 18 horas 12 horas
50
6 horas
0 10
100
1000
10 000
100 000
Superficie (km 2)
18° C Punto de rocío convectivo representativo …………………..…
Distancia del punto de rocío representativo al centro de la 1 400 KM, 0700 LST 1º de abril precipitación intensiva ………………………………………… Densidad de pluviómetro (km2/pluviómetro) para las isoyetas 200-61; 175-364; 150-1061; establecidas (en mm) ………………………………… 125-621; 100-647; 75-796; 50-851 …………………………………… cuatro Número de pluviógrafos ………………………………………… 1: 2, 488 681 Escala de mapa de trabajo de isoyetas…………………………
Comentarios ………………………………………………………
Figura 29.2 — Curvas envolventes altura–superficie–duración i)
ii)
la precipitación se puede expresar como el producto de la humedad disponible y el efecto combinado de la eficiencia de la tormenta y del viento que entra; y la combinación más efectiva de estos dos últimos elementos puede estimarse a partir de tormentas sobresalientes que se hayan registrado. Esta segunda hipótesis con frecuencia necesita la transposición de tormentas, es decir, la transposición de una tormenta excepcional de la zona de su
ANÁLISIS DE LA LLUVIA DE UNA TORMENTA
435
ocurrencia a una cuenca de proyecto dentro de una misma región meteorológicamente homogénea. La maximización de la precipitación observada en una tormenta para determinar la PMP requiere un ajuste en la humedad, siendo la hipótesis básica de que la tormenta habría producido la precipitación máxima si hubiera dispuesto de un aporte máximo de humedad. El método de ajuste de humedad comúnmente usado incorpora la estimación del contenido de humedad en la masa de aire, tomado como el agua precipitable, a partir de las observaciones del punto de rocío al nivel de la superficie; este método se describe en la publicación de la OMM titulada Manual for Estimation of Probable Maximum Precipitation [2]. Algunos investigadores recomiendan un ajuste complementario de los datos de precipitación a fin de calcular el viento máximo necesario para garantizar el transporte de humedad máxima a la cuenca en estudio. Estas correcciones se podrían justificar en caso de que se deseen factores muy altos de seguridad o cuando sólo se dispone de una cantidad limitada de datos de precipitación de tormenta. 29.4.2 Estimaciones preliminares Para grandes estructuras, el costo del vertedor puede ser una parte importante del costo total del proyecto. El diseño apropiado de las dimensiones es suficientemente importante para justificar un estudio muy detallado. Sin embargo, en las etapas preliminares de planificación, es suficiente usar las estimaciones generales de la PMP, en caso de que se dispongan de éstas en la región. Estimaciones de este tipo, para Estados Unidos, se han publicado en forma de mapas y diagramas en varias publicaciones de la serie de informes meteorológicos del U.S. Weather Bureau. Otros países han preparado informes similares para diversas regiones del mundo. 29.4.3. Selección de la duración de la lluvia de diseño A menos que se hayan efectuado los análisis de altura superficie-duración de lluvia aplicados a una cuenca de estudio dentro de la zona de transposición de la tormenta, se requerirán algunos estudios de tormentas para obtener las estimaciones de PMP. Antes de comenzar estos estudios, deben determinarse la o las duraciones críticas de lluvia probable para el problema particular del diseño estudiado. La selección de una duración provisional apropiada de la lluvia de diseño puede ayudar a evitar el análisis de datos que no son aplicables directamente al proyecto o la necesidad de un análisis posterior de datos adicionales, si la duración adoptada inicialmente fue muy corta. Al seleccionar la duración provisional de la lluvia de diseño, se debe considerar el tiempo máximo aproximado de los hidrogramas para tormentas con centro en diferentes partes de la cuenca, así como las características particulares y el posible método de explotación de las obras proyectadas.
436
CAPÍTULO 29
29.4.4 Selección de subcuencas Para los sitios de proyectos con grandes cuencas de drenaje, puede ser necesario estimar la PMP para algunas subcuencas y combinar los hidrogramas resultantes de crecidas máximas de esas subcuencas. A fin de evitar análisis posteriores innecesarios o incompletos de la altura de lluvias promedio sobre una superficie durante los estudios de tormentas, se deben seleccionar las subcuencas para las cuales se necesitan los hidrogramas antes de que se inicien los análisis de tormentas. La selección de las subcuencas depende de las características físicas de la cuenca y de la disponibilidad y la ubicación de las estaciones de aforo, a partir de las cuales los hidrogramas de las subáreas pueden ser encaminados hasta el sitio del proyecto. 29.4.5. Transposición de tormentas Al considerarse las grandes tormentas que han ocurrido dentro de una región circundante meteorológicamente homogénea, las limitaciones que impone la brevedad de los registros de lluvia en una cuenca pueden minimizarse. Los tres principales obstáculos relativos a la transposición de tormentas son: a) la definición de la región meteorológicamente homogénea, de la cual forma parte la cuenca del proyecto; b) el ajuste de factores meteorológicos que afectan la lluvia de la tormenta para tener en cuenta las diferencias climáticas y topográficas entre los sitios de las tormentas y las cuencas objeto de estudio; y c) la determinación del cambio de orientación aceptable de un trazado de isoyetas cuando se transpone a otro sitio. La primera etapa en un estudio particular es la recopilación de las tormentas que se consideran transportables a la región en cuestión. Los factores que deben considerarse para determinar los límites geográficos de la transposición de una tormenta particular son: a) la fuente de humedad y las barreras que limitan el flujo de humedad hacia la tormenta in situ; b) la accesibilidad a la fuente de humedad de la tormenta y la altitud relativa de las barreras que limitan el flujo de humedad de otros lugares dentro de la zona prevista para la transposición; c) la existencia pasada, en otra parte de la zona de transposición prevista, de esquemas sinópticos similares, comparables con la tormenta estudiada en cuanto a contenido de humedad atmosférica, estabilidad, dirección y velocidad del viento en la superficie y en niveles más altos, duración de la intensidad del esquema y dirección y velocidad del movimiento de los centros de baja presión en la superficie y en niveles más altos. Debe reconocerse que una tormenta no tiene necesariamente la misma probabilidad de ocurrencia en todas las secciones de su zona de transposición. Los procesos
ANÁLISIS DE LA LLUVIA DE UNA TORMENTA
437
atmosféricos pertinentes se pueden considerar físicamente posibles en toda la zona, pero es más probable que ocurran con mayor frecuencia en algunas secciones de la zona que en otras. Asimismo, no todas las tormentas que ocurren en una región geográfica particular tienen necesariamente una zona de transposición común. La zona apropiada para cada tormenta debe determinarse a través de un estudio detallado de sus características sinópticas. Las influencias orográficas tienen un efecto importante en la distribución de la lluvia en zonas montañosas. La transposición de tormentas en estas zonas debe limitarse a regiones de influencias orográficas similares, a menos que un estudio de las características sinópticas y del patrón de lluvia de una tormenta sugiera que los efectos orográficos son menores. Se han logrado algunos avances [4, 5] en el análisis y la evaluación de efectos orográficos para usarlos en la síntesis y la transposición de tormentas. 29.4.6 Selección y análisis de las tormentas principales Una manera conveniente de seleccionar las tormentas que se han de analizar es determinar primero la región meteorológicamente homogénea, de la cual forma parte la cuenca de un proyecto, y después examinar los registros de las estaciones pluviométricas de la región para seleccionar las fechas de ocurrencia de las lluvias principales. Si hay pocas estaciones pluviométricas dentro de la región, se pueden examinar los registros de cada una. En zonas con redes relativamente densas, las estaciones se deben espaciar para eliminar las alturas de lluvias importantes (tormentas intensas, aunque de poca duración), pero detectando todas las tormentas importantes con cobertura espacial cercana, o excedente a la de la cuenca del proyecto. En general es posible seleccionar, bastante rápido, aquellas tormentas dentro de la región que han producido las ocho o 10 lluvias máximas sobre zonas de tamaño similar a la de la cuenca de un proyecto. Entonces, se examinan las características sinópticas de cada una de las tormentas principales para determinar si una tormenta puede ser transportada a la cuenca de estudio. Así pues, se llevan a cabo los análisis de altura superficie-duración de lluvia para las tormentas transportables, siguiendo los métodos que se describen en las secciones 29.2 y 29.3 o en la pulblicación de la OMM titulada Manual for Estimation of Probable Maximum Precipitation [2]. Para futura referencia y aplicación, convendría contar con un análisis completo de la altura superficie-duración de lluvia de cada tormenta. Sin embargo, si es necesario, el análisis de una tormenta de larga duración se puede limitar a la parte que tenga la altura de lluvia más grande sobre una región igual a la cuenca del proyecto y con un intervalo de tiempo igual a la duración de la tormenta de diseño (sección 29.3). 29.4.7 Maximización de las tormentas seleccionadas El objetivo de la maximización de una tormenta es calcular el porcentaje al cual la lluvia de una tormenta particular hubiera aumentado si las características meteorológicas
438
CAPÍTULO 29
de la tormenta se aproximaran a sus límites físicos superiores estimados. Métodos de maximización, elaborados en Estados Unidos y adoptados por una multitud de países [5], son descritos por Weisner en Hydrometeorology [3] y en una colección de publicaciones del U.S. National Weather Service, antes U.S. Weather Bureau (véase las referencias en la publicación de la OMM titulada Manual for Estimation of Probable Maximum Precipitation [2]). Las principales tormentas seleccionadas para estudio se maximizan de acuerdo con estos procedimientos. Entonces, se puede calcular la mayor altura de lluvia, a una duración elegida, para la cuenca en estudio o para las subcuencas seleccionadas, a partir de las diversas alturas maximizadas de la lluvia de una tormenta. 29.4.8 Orientación de los modelos de lluvia de tormenta La orientación de los modelos de lluvia de una tormenta en una cuenca puede tener una influencia importante en la crecida resultante. La estimación de la crecida máxima probable depende de la posibilidad de cambiar en la orientación de los trazados de isoyetas de tormentas importantes que se han producido en la cuenca de un proyecto y en las tormentas transpuestas a la cuenca Es normal aceptar que grandes cambios en la orientación exigirían modificaciones importantes en la trayectoria de la tormenta, en la dirección del viento y en la transformación del conjunto particular de condiciones atmosféricas que produjeron la tormenta. Normalmente, se aceptan cambios ligeros en la orientación y algunos países han aceptado un cambio máximo de 20 grados en la orientación. El interés que reviste la orientación de las configuraciones de la lluvia, en relación con la orientación de la cuenca ha suscitado estudios especiales [2, 6]. 29.4.9 Uniformidad regional de las estimaciones Las estimaciones finales de la PMP para la cuenca de un proyecto deben compararse con las disponibles para otras cuencas en la misma zona meteorológicamente homogénea. Las estimaciones se debe volver a examinar si se detecta cualquier falta de uniformidad que no pueda explicarse en términos de diferencias en las características topográficas, accesibilidad a las fuentes de humedad, etc. Una verificación de la homogeneidad basada en numerosas comparaciones es descrita por Hansen, y otros en Hydrometeorological Report [7] y en la publicación de la OMM titulada Manual for Estimation of Probable Maximum Precipitation [2]. 29.4.10 Estimaciones en ausencia de datos Cuando se carece de datos meteorológicos e hidrométricos, las estimaciones generalizadas deben prepararse por analogía con la lluvia máxima probable en regiones climatológicamente similares para las cuales se dispone de datos. Dichas generalizaciones pueden hacerse con un grado de seguridad relativamente bueno en terreno
ANÁLISIS DE LA LLUVIA DE UNA TORMENTA
439
plano. Sin embargo, la mayoría de las presas de medianas y grandes dimensiones están ubicadas en regiones donde la lluvia es afectada por variaciones en la elevación y por otras influencias topográficas locales. La transposición de estimaciones de cualquier lugar a dichas regiones es menos segura y requiere mediciones meteorológicas e hidrométricas tan pronto como sea posible en una cuenca donde se haya previsto un proyecto. Si se dispone de datos pluviométricos diarios en estaciones individuales, pero se carece de datos de humedad y de otra información necesaria para la maximización de tormentas, las estimaciones de la PMP para pequeñas zonas representadas por una sola estación (por ejemplo, hasta unos 1 000 km2) pueden obtenerse con el método estadístico de Hershfield [8, 9]. La cantidad de lluvia máxima en cada año de registro para la duración o duraciones de interés, se usa para compilar las series anuales – (secciones 27.2 y 28.1.1.1). Se calculan el valor medio P y la desviación típica SP de las series. Se usa luego el valor medio de la serie para obtener el valor de K de la figura 29.3, y se calcula la PMP con la ecuación: – PMP = P + K SP
(29.1)
Debe prestarse especial atención a que haya coherencia entre el valor o los dos valores más altos de la serie anual y los demás valores que abarca la serie. Si, por ejemplo, el valor máximo en un período de 30 años fuese dos veces mayor que el segundo valor más alto, sin lugar a dudas es un valor sobresaliente o anormal. La manera más fácil para detectar un valor anormal es disponer la serie en orden descendente y calcular el período de retorno (sección 27.2) de cada valor. Así, los valores se trazan, en función de sus períodos de retorno, en papel de probabilidad como se muestra en la figura 29.4. Si el valor máximo de la serie se ubica muy por encima de la línea delineada para los otros elementos de la serie, se puede considerar un valor anormal, el cual no debe usarse en el cálculo de la media o la desviación estándar de la serie. Si se usa, la media y la desviación estándar deben ajustarse como lo indica Hershfield [8], quien también proporcionó un ajuste para la longitud del registro. En el capítulo 4 de la publicación de la OMM titulada Manual for Estimation of Probable Maximum Precipitation [2] figura una descripción detallada y completa de todo el procedimiento, con diagramas para hacer los ajustes necesarios. Cuando el valor puntual de la PMP se va a aplicar a una superficie de más de 25 km2, ese valor debe reducirse. Para zonas más pequeñas no se considera necesaria ninguna modificación. Para zonas más grandes, el valor puntual generalmente se reduce por medio de curvas de altura de lluvia-superficie o de reducción de superficie, similares a las de la figura 28.3. El método estadístico antes descrito podría sobrestimar la PMP en regiones con tormentas densas y en regiones con tormentas frecuentes de tipos similares.
440
CAPÍTULO 29
20
20 24 horas
5m in.
15
6 hora
1h
s
ora
15
K
0
10
20
30
Promedio de la precipitación máxima anual de n horas (mm)
5 min.
(curva de seis horas interpolada a partir de otras duraciones)
10 6
24
ho
hor
as
ra
ora
1h
s
5 0
100 200 300 400 500 Promedio de la precipitación máxima anual de n horas (mm)
600
Figura 29.3 —K en función de la duración de la lluvia y de la media de la serie anual
100
1.01
Período de retorno (años) 5 10 25
2
50
100
200
98
99
99.5
68 +
Altura de lluvia (mm)
80
67 60 63 69 66
40 +
70 20
65
60
62 64
61
0 1.0
50
80
90
96
Probabilidad [100 M (N+1) ] -1.0
0
1.0
2.0 3.0 Variable reducida
4.0
5.0
6.0
Figura 29.4 — Ejemplo de trazado de probabilidad extrema
ANÁLISIS DE LA LLUVIA DE UNA TORMENTA
441
En regiones con poca lluvia y en regiones donde lluvias fuertes asociadas con fenómenos intensos, como huracanes, son raras pero posibles, el método puede subestimar la lluvia máxima probable. Se ha encontrado que valores de K tan altos como 30 son necesarios para exceder las cantidades de precipitación puntual máxima observada en algunas regiones. En Estados Unidos y en otros países, donde los estudios de tormentas son la fuente de datos preferida para la determinación de la PMP, el método estadístico se ha usado principalmente como medio para verificar la homogeneidad de los datos.
Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1969: Manual for Depth-area duration Analysis of Storm Precipitation. WMO-Nº 237, Ginebra. 2. Organización Meteorológica Mundial, 1986: Manual for Estimation of Probable Maximum Precipitation. Informe de hidrología operativa Nº 1, OMM-Nº 332, Ginebra. 3. Weisner, C. J., 1970: Hydrometeorology. Chapman & Hall, Londres. 4. U.S. Weather Bureau, 1976: Hydrometeorology. Informes 55A, 56 y 57. 5. Kennedy, M.R., Pearce, H.J., Canterford, R.P. y Mintz, L.J., 1988: The estimation of generalized probable maximum precipitation in Australia. Workshop on spillway design floods, Canberra, 4 de febrero de 1988. Australian National Committee on Large Dams Bulletin, Número 79, abril de 1988. 6. Hansen, E.M., Schreiner, L.C. y Miller, J.F., 1982: Application of probable maximum precipitation estimates: United States east of the 105th meridian. Hydrometeorological Report, Nº 52, U.S. National Weather Service. 7. Hansen, E.M., Schwarz, F.K. y Riedel, J.T., 1977: Probable maximum precipitation estimates: Colorado river and Great Basin drainages. Hydrometeorological Report, Núm. 49, U.S. National Weather Service. 8. Hershfield, D.M. 1961: Estimating the probable maximum precipitation. Journal of the Hydraulics Division, American Society of Civil Engineers, volumen 87, Septiembre, págs. 99 a 116. 9. Hershfield, D.M. 1965: Method for estimating probable maximum rainfall. Journal of the American Waterworks Association, volumen 57, agosto, págs. 965 a 972.
CAPÍTULO 30 INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS DE PRECIPITACIÓN
30.1 Generalidades La interpretación de la precipitación tiene dos objetivos fundamentales . El primero es evaluar las observaciones cuando se toman muestras de un evento de precipitación o de una serie de eventos. La evaluación de la muestra observada incluye el examen de influencias externas, como los defectos en la implantación o la modificación de la exposición del pluviómetro, y la interpretación de los efectos del medio ambiente físico, como la fisiografía. El otro objetivo es describir el evento en forma apropiada para la difusión, el análisis posterior u otra aplicación. Por ejemplo, la representación de una tormenta en dimensiones de altura de lluvia, de tiempo y de espacio, la presentación en forma tabular, gráfica o algebraica, y la descripción de la magnitud de la tormenta en términos de su frecuencia. 30.2 Ajuste de los datos Todas las mediciones son muestras de elementos que varían en el tiempo y el espacio. Por ejemplo, en un curso de agua se hacen las mediciones intermitentes en puntos dispersos de la sección transversal de la corriente. Incluso el radar meteorológico, que integra lo que pasa sobre una superficie, no permite más que el muestreo de gotitas de agua en un haz rotatorio estrecho de impulsos intermitentes. Para que las medidiciones sean útiles en la hidrología práctica, deben ser representativas de las condiciones que existen en una zona determinada y a duraciones importantes. Para obtener la homogeneidad entre mediciones de varios tipos, es necesario hacer ajustes. Estos ajustes deben efectuarse sin influir en la integridad de las mediciones. Los ajustes generalmente tienen tres propósitos. Uno es hacer homogéneo el registro con respecto a un medio ambiente dado, como un régimen normalizado. Por ejemplo, la conversión de mediciones a una altura normalizada del instrumento. El segundo propósito es eliminar o reducir los efectos de influencias externas. Un ejemplo es la aplicación del análisis de una curva de doble acumulación, que se puede usar para corregir cambios en la ubicación o la exposición de un pluviómetro. El tercer propósito es extractar o resumir los datos para su presentación o examen. Este proceso es intrínsecamente selectivo. Un ejemplo es un mapa de isoyetas suavizado.
444
CAPÍTULO 30
Otro ejemplo es una línea de regresión, que muestra una relación promedio en lugar de las complejidades de un diagrama de puntos dispersos. Las curvas de calibración son una combinación de los dos últimos propósitos. 30.2.1 Período básico normalizado de observaciones Un problema que se plantea con frecuencia en la generalización regional de los datos hidrológicos, como la precipitación media anual, proviene del hecho de que las estaciones de aforo tienen períodos de registro variables. Una estación puede haber funcionado durante un período de alta precipitación, mientras que las observaciones de otra estación pudieran haber cubierto un período particularmente seco. Al comparar las observaciones de ambas estaciones, por ejemplo en la preparación de mapas de isoyetas anuales medias, confundiríamos la variación espacial con la variación temporal. Una manera de resolver este problema es utilizar un gráfico de barras como el de la figura 30.1, que contiene el período de registro de varias estaciones en la misma escala de tiempo. Es relativamente fácil, por inspección, seleccionar un período de registro óptimo. Por ejemplo, en la figura 30.1, se podría considerar que el período entre los años 1913 y 1950 sería un período óptimo, por cuanto se refiere a la distribución espacial de pluviómetros. Para las estaciones a las que faltan datos durante este período, se pueden obtener estimaciones mediante la correlación de los datos con otras estaciones para la parte del período común y aplicando la relación para estimar los valores del período faltante.
Número de pluviómetro
1870
1880
1890
1900
1910
1920
1930
1940
1950
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Figura 30.1 — Gráfico de barras para un período de registro La elección del período óptimo requiere la consideración de un período suficientemente largo para representar una buena muestra del registro a través del tiempo. Si el período es muy largo, habrá demasiada síntesis del registro. Si el período
445
INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS DE PRECIPITACIÓN
es muy corto, será una muestra pobre de las variaciones temporales y pudiera ser indebidamente influenciado por un período anormalmente seco o húmedo. 30.2.2 Análisis mediante la curva de doble acumulación El análisis mediante la curva de doble acumulación es un método gráfico para identificar y ajustar las irregularidades en el registro de una estación al comparar su tendencia en el tiempo con las de otras estaciones. Los valores acumulados anuales o estacionales en la estación en cuestión se dibujan frente a los de una estación o grupo de estaciones cercanas y fiables. Las tendencias y variaciones en la pendiente de una curva de doble acumulación pueden deberse a cambios en la exposición o ubicación del pluviómetro, a variaciones en los procedimientos para recolectar y procesar datos, etc. Un ejemplo de análisis de curva de doble acumulación para detectar el cambio de la exposición en una estación pluviométrica se muestra en la figura 30.2, donde el registro de esta estación hipotética se compara con el registro relativamente estable de un promedio de varias estaciones cercanas circundantes. Al examinar la curva de la figura 30.2, se puede observar que la relación entre la precipitación anual en la estación A y la media de las precipitaciones en 12 estaciones cambió abruptamente en 1955, con un cambio en la pendiente de 0,95 antes de 1955 a 0,75 después de 1955. Los registros más viejos se pueden ajustar con la relación de 0,75 a 0,95 para compensar el cambio que ha debido ocurrir en la estación A. 30 1945 1950
1955 1960
20
10
1965
Estación A (1 000 mm)
Precipitación anual acumulada
0 0
10 20 30 Media de 12 estaciones (1 000 mm)
Figura 30.2 — Ejemplo de análisis de dobles acumulaciones
40
446
CAPÍTULO 30
Para algunas aplicaciones, donde el análisis de una curva de doble acumulación revela un cambio en la pendiente, basta con hacer el ajuste que indica la relación entre las dos pendientes de dicha curva. En otros casos, esta desviación es el comienzo de una investigación a fin de determinar la causa del cambio en la pendiente. Los puntos ubicados en una curva de doble acumulación en general se desvían de las líneas rectas trazadas a través de los puntos. Estos puntos se pueden ajustar más cuando los cambios en la pendiente son a intervalos de sólo unos cuantos años. Sin embargo, es preciso tener presente que estos cambios ligeros en la pendiente pudieran surgir al azar y ningún segmento de menos de cinco puntos debe aceptarse como válido. En general, un cambio en la pendiente se acepta como real sólo si se basa en otras indicaciones o si está bien definido durante un período largo. El ejemplo del análisis de doble acumulación (figura 30.2) es sólo una de las muchas de aplicaciones de esta clase de análisis. La representación gráfica del índice de precipitación acumulada anual o estacional frente al escurrimiento acumulado anual, o estacional correspondiente, pone en evidencia tendencias temporales en la relación precipitación-caudal. Estas tendencias se pueden identificar posteriormente como provenientes de desvíos de flujo o de variaciones en el uso de la tierra y pueden evaluarse después de descubrirlas mediante un análisis de doble acumulación (La representación gráfica del escurrimiento acumulado de una cuenca frente al escurrimiento acumulado de una cuenca cercana, revela con frecuencia cambios repentinos o progresivos en el régimen del flujo o en las características del canal [1].) Se han elaborado métodos informáticos para el análisis de doble acumulación [2]. 30.2.3 Estimación de datos faltantes Al preparar los datos para el análisis, se observa que algunos registros están incompletos. Para llenar el vacío que existe en una serie cronológica o los espacios en blanco de un mapa, las partes faltantes de un registro pueden estimarse con métodos como la interpolación de registros simultáneos en estaciones cercanas. Los métodos para efectuar esto, se exponen en los libros de texto de hidrología y en las publicaciones de la OMM [3-5]. Se requiere de buen discernimiento para decidir la cantidad de datos faltantes que se debe estimar. Si se llenan muy pocos vacíos, entonces pueden ignorarse grandes cantidades de registros casi completos. Si se reconstituyen demasiados datos, el contenido de la información agregada puede diluirse por la interpretación. Rara vez se justifica estimar más de 5 a 10 por ciento de un registro. 30.3 Distribución espacial 30.3.1 Representación en mapas de isoyetas En un mapa adecuado, se trazan las ubicaciones de las estaciones, se anotan para cada una de ellas las cantidades de precipitación para duraciones adecuadas, y se trazan las curvas de alturas iguales de lluvia. Los intervalos más usados son la hora, el día, el
INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS DE PRECIPITACIÓN
447
mes, la tormenta total, la estación, el año, y la media mensual, anual o estacional. En regiones con poca o ninguna influencia fisiográfica, el dibujo de las isoyetas es una cuestión de interpolación relativamente sencilla, en la que el grado de suavidad de los contornos y de los perfiles que pueden dibujarse o deducirse de su espaciamiento está relacionado con la distancia entre las estaciones y la calidad y variabilidad de los datos. Sin embargo, cuando la lluvia es particularmente irregular, la densidad de los pluviómetros es muy importante para la exactitud del análisis [6]. En regiones donde la precipitación está influenciada por una topografía accidentada o por grandes cuerpos de agua, es necesario evaluar parámetros fisiográficos pertinentes (sección 30.3.2). Los factores que deben evaluarse son la altitud, la distancia a la costa, la pendiente y la exposición a los vientos productores de lluvia. Para trazar mapas de isoyetas se recomienda el desarrollo y la aplicación de métodos objetivos, en los cuales los parámetros fisiográficos explícitamente definidos se relacionan con las cantidades de precipitación mediante un análisis de regresión. Está disponible una multitud de técnicas informatizadas [6]. 30.3.2 Evaluación de los efectos fisiográficos Las montañas y otras características fisiográficas influyen mucho en la circulación atmosférica, en la ocurrencia de las tormentas y en la precipitación. La evaluación de los efectos fisiográficos en tormentas individuales se dificulta cuando no hay datos suficientes de los vectores del viento, de la estabilidad y de otras características de la tormenta, y por la gran variabilidad en las características de las tormentas. El modelo espacial de tormentas individuales en regiones montañosas puede expresarse efectivamente en términos de la relación entre la altura de la precipitación de la tormenta y el promedio estacional o anual, si las tormentas son del tipo que dominan para determinar la repartición media. Durante muchos años se ha reconocido y estudiado la variación de la precipitación media anual en función de la elevación y la orientación a sotavento y a barlovento. Los parámetros adicionales incluyen la inclinación de la pendiente y el grado de exposición. Éste puede definirse objetivamente, por ejemplo, como la suma de los sectores de un círculo de 30 kilómetros de radio alrededor de la estación, que no tienen una barrera de 0,3 kilómetros o más arriba de la elevación de la estación. La inclinación de la pendiente requiere de un acuerdo referente a la escala o la longitud de la pendiente que se tendrá en cuenta (sección 40.5.1). La definición efectiva de los parámetros y de su relación conjunta con la precipitación media anual o estacional puede obtenerse mediante aproximaciones sucesivas a través de una correlación gráfica. La figura 30.3 contiene un ejemplo del resultado de dicho proceso. La técnica para realizar el análisis de correlación está dada por Linsley y otros, en Applied Hydrology [7] y en Hydrology for Engineers [8], y por Rainbird en Methods of Estimating Areal Average Precipitation [9].
448
CAPÍTULO 30
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875 0
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1
3
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4
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5 Zo
2000
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750 625 500
5
375
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45 °
10 °
26 °-
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-2 5°
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2
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11 °
1
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3000
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2
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Altitud (km)
Pe n
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4000
Precipitaciones calculadas (mm)
loc
al
1000
46
° 65
°-
5° 22 ° °90 91 ° 66 0° -36 6° 22
3
(b)
(c)
Figura 30.3 — Relación entre la precipitación media de octubre a abril y los parámetros topográficos para el Colorado occidental 30.4 Cálculo de la precipitación media de una zona En general, se usan varios métodos [7] para calcular la precipitación media sobre una superficie determinada. La selección del método requiere de buen sentido para tener en cuenta la calidad y la naturaleza de los datos y de la precisión requerida en el resultado. 30.4.1 Media aritmética La media aritmética de los valores de precipitación observados en las estaciones de una cuenca de drenaje es la estimación objetiva más simple de la precipitación media en la cuenca. Este método es adecuado para cuencas con un gran número de estaciones pluviométricas espaciadas uniformemente, o que permitan obtener muestras adecuadas de la distribución de la precipitación sobre la cuenca. Se puede verificar si este método es conveniente al compararlo con métodos más complejos en situaciones determinadas.
INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS DE PRECIPITACIÓN
449
30.4.2 Método de los polígonos El método de los polígonos, con frencuencia denominado método de polígonos de Thiessen [7, 10], y que se muestra en la figura 30.4, se usa cuando las estaciones no están espaciadas uniformemente. Consiste en ponderar los datos de estaciones teniendo en cuenta la distancia que existe entre ellas. En este procedimiento, se trazan en un mapa las líneas que unen las estaciones cercanas. Los bisectores perpendiculares de estas líneas forman un dibujo de polígonos alrededor de cada estación. La superficie de cada estación representa la superficie del polígono que la rodea y esta superficie se usa como un factor de ponderación de la precipitación de esa estación.
Estación pluviométrica
Figura 30.4 — Método de los polígonos La suma de los productos de la superficie correspondiente a cada estación y la precipitación se divide entre la superficie total de la cuenca para obtener la lluvia promedio. Alrededor del borde de la cuenca, donde partes de los polígonos se extienden más allá de los límites de la cuenca, se usa sólo la porción del polígono
450
CAPÍTULO 30
que esté dentro de la cuenca de drenaje. De esta manera, las estaciones que están cerca pero fuera de la cuenca de drenaje pueden tener polígonos que se extienden hasta la cuenca de drenaje, y se incluyen sus datos. El procedimiento es mecánico y puede realizarse fácilmente con máquinas. Un cambio en la red, al suprimir o agregar una estación, requiere volver a calcular los coeficientes de ponderación. Si faltan los datos de una o más estaciones para un día particular o período de tormenta, normalmente es preferible estimarlos en vez de volver a calcular los coeficientes de ponderación de cada estación. Esto puede hacerse mediante la interpolación entre estaciones o construyendo isoyetas (sección 30.4.3). Si bien el método tiene la ventaja de ser objetivo, tiene en cambio el incoveniente de excluir información que no sea sobre el espaciamiento de las estaciones y las cantidades de precipitación. 30.4.3 Método de isoyetas El método de isoyetas utiliza las áreas abarcadas entre los contornos de isoyetas (sección 30.3.1). Estas áreas pueden determinarse con el planímetro o colocando una retícula transparente sobre el mapa de isoyetas y contando el número de cuadros contenidos en cada intervalo del contorno. El análisis manual ha sido reemplazado ampliamente por técnicas informáticas [5]. El método de isoyetas permite al analista aplicar toda la información disponible. Dicha información puede incluir formas obtenidas por eco de radar, relaciones fisiográficas, tipos y trayectorias de tormentas y datos de escurrimiento. La hábil utilización de este método producirá resultados superiores. Cabe señalar una vez más que algunos métodos informáticos incorporan estos métodos así como técnicas de ajuste de superficies en el análisis de isoyetas [5]. 30.4.4 Método del porcentaje del valor normal En muchas regiones montañosas del mundo, se han elaborado mapas de precipitación media anual y estacional que toman en cuenta el efecto medio de la fisiografía en la precipitación. Al usar este método, la precipitación de una tormenta se expresa como el porcentaje de la precipitación media anual o estacional, y se usan mapas isoporcentuales para preparar los mapas de isoyetas. Este método se usa con buenos resultados en regiones con influencia fisiográfica pronunciada, donde las tormentas individuales tienden a tener configuraciones de isoyetas similares. 30.4.5 Método hipsométrico El método hipsométrico (figura 30.5), es particularmente útil en regiones montañosas. La curva superficie-elevación en el cuadrante a) se elabora al trazar el área de la cuenca situada por debajo de los diversos contornos de elevación (A' sobre el eje de las x) frente a las elevaciones correspondientes (z en el eje de las y).
451
INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS DE PRECIPITACIÓN
P 100
98
Modelo de estación
80 72
50
n•z P
48
385 28 400
9 0 13001 0
1200
(b)
1000
2 30
56 7 800
z
V
20
2 3 4
400
n 1 450
(d)
40
30
495 40
50
40
600
1
20
60
(c)
40
A 2
10
3
4
20
56
30
40
7
50
8
60
70
n A'
(a)
1100
500 900 700
600 500
6 665 58
P = V/A
4 550 40
z 700
5 630 18
7 700 50
8 910 72 98
1240
800 900 1000 1100 1200
n z P A' A V
número de la estación altitud de la estación (m) precipitación (mm) superficie de la cuenca por debajo de la altitud indicada (km2) superficie total de la cuenca (km2) volumen de precipitaciones (mm3)
Figura 30.5 — Método hipsométrico La ubicación de cada estación en el eje de las x, se determina a partir de la elevación de la estación en el eje de las y hacia la curva superficie-elevación, y después hacia arriba al eje de las x. Después, la ubicación de las estaciones en el eje de las y se determinan como se indica en los cuadrantes a) y b) con las líneas en el cuadrante b) proyectadas con un ángulo de 60º a partir del eje de las y. La curva del cuadrante c) se elabora mediante la representación gráfica de la precipitación de la estación en función de las estaciones correspondientes. A partir de este cuadrante, se proyectan los valores al cuadrante d) y se trazan contra sus respectivas estaciones para obtener la curva de precipitación. El área en el cuadrante d) que queda por debajo de esta curva representa el volumen de precipitación. El valor medio se obtiene al medir este valor por el área total de la cuenca. Cabe señalar que los cuadrantes a) y b) son fijos para una cuenca particular y que sólo las curvas de los dos cuadrantes superiores tienen que volverse a determinar para cada tormenta. El método también puede usarse para obtener el promedio de la precipitación mensual o anual.
452
CAPÍTULO 30
Referencias 1. Searcy, J.K. y Hardison, C.H., 1960: Double-mass curves. U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 1541-B, Reston, Virginia. 2. Chang, M. y Lee, R., 1974: Objective double-mass analysis. Water Resources Research, Volumen 10, Nº 6, págs. 1123-1126. 3. Comisión Económica de las Naciones Unidas para Asia y el Lejano Oriente, Organización Meteorológica Mundial, 1960: Hydrologic Networks and Methods. Flood control series, Nº 15. 4. Organización Meteorológica Mundial, 1960: Guía de prácticas climatológicas, capítulo 5, OMM–Nº 100, Ginebra. 5. Organización Meteorológica Mundial, 1990: Statistical Analysis of Series of Observations (R. Sneyers), Nota Técnica Nº 143, OMM–Nº 415, Ginebra. 6. Organización Meteorológica Mundial, 1992: Snow Cover Measurements and Areal Assessment of Precipitation and Soil Moisture (B. Sevruk). Informe de hidrología operativa Nº 35, OMM–Nº 749, Ginebra. 7. Linsley, R.K., Kohler, M.A. y Paulhus, J.L.H., 1949: Applied Hydrology. McGraw-Hill, Nueva York. 8. Linsley, R.K., Kohler, M.A. y Paulhus, J.L.H., 1958: Hydrology for Engineers. McGraw-Hill, Nueva York. 9. Rainbird, A.F., 1967: Methods of Estimating Areal Average Precipitation. Informes sobre los proyectos OMM/IHD, Informe Nº 3. 10. Organización Meteorológica Mundial, 1986: Manual for Estimation of Probable Maximum Precipitation. Informe de hidrología operativa Nº 1, OMM–Nº 332, Ginebra.
CAPÍTULO 31 ANÁLISIS DEL ESCURRIMIENTO DE LA FUSIÓN DE NIEVE
31.1 Generalidades La fusión de la nieve es exactamente igual a la lluvia, en lo que se refiere al suministro de agua para la infiltración y el escurrimiento, excepto por el almacenamiento relativamente reducido y el retraso de la nieve derretida en la capa de nieve. Durante los períodos en que no hay precipitación, las diferencias sucesivas en una serie de mediciones diarias del agua equivalente en una capa de nieve derretida son prácticamente el equivalente a los incrementos diarios de lluvia. Las mediciones ordinarias de cambios incrementales del equivalente en agua de la capa de nieve no caracterizan el derretimiento de nieve, en gran parte debido a los errores inherentes de observación y de toma de muestras. Al sacar sucesivamente núcleos de distintos lugares en una localidad, se mezcla la variación en tiempo con la variación en espacio. Existen dos razones adicionales y primordiales para estimar, en lugar de observar, el derretimiento de la nieve. Una es el pronóstico de escurrimientos; en este caso es favorable pronosticar las causas del derretimiento en lugar de simplemente esperar el derretimiento resultante. La otra razón, particularmente para el diseño y la planificación, es la necesidad de extrapolar velocidades de derretimiento extremas en base a procesos físicos. 31.2 Teoría de la fusión de la nieve en un punto determinado Un enfoque racional para estimar la velocidad de la fusión de la nieve se basa en un balance de energía, que toma en cuenta las formas importantes del intercambio de calor. El calor se transmite a la nieve al absorber la radiación solar, por la radiación neta de onda larga, por la transferencia convectiva de calor del aire, por el calor latente de la vaporización por condensación del aire, por las cantidades relativamente pequeñas de calor de la lluvia y, en general, por las cantidades insignificantes de calor del suelo sobre el que yace. Una capa de nieve que se derrite contiene normalmente de dos a cinco por ciento en peso de agua líquida, pero a veces es hasta el 10 por ciento durante breves períodos cuando las velocidades de derretimiento exceden la capacidad de transmisión. Así, para períodos breves, la liberación total de agua de una capa de nieve apenas puede exceder la cantidad de nieve realmente derretida debido a las condiciones
454
CAPÍTULO 31
meteorológicas prevalecientes. En la práctica, esta liberación de agua ya derretida se incorpora implícitamente en las constantes empíricas, que sólo se conocen de manera aproximativa y que están sobrecargadas con otras y más importantes incertidumbres. La radiación solar absorbida varía con la latitud, la estación, la hora del día, las condiciones atmosféricas, la cobertura vegetal, la pendiente, la orientación de la superficie y la reflectividad de la nieve. Los efectos de latitud, estación, hora del día y condiciones atmosféricas se incluyen en las observaciones de la radiación solar, las cuales deben interpolarse a menudo debido a la dispersión de la red de dichas estaciones. Estos efectos también pueden calcularse con base en totales diarios por medio de fórmulas o diagramas que expresan la radiación solar como función del grado de nubosidad, época del año y latitud. El efecto de la cubierta vegetal en la transmisión de la radiación solar es fundamental y, en algunas áreas experimentales, se ha expresado como un factor empírico que relaciona el coeficiente de transmisión con la densidad de cobertura. A menudo, la dirección e inclinación de la pendiente y la cubierta forestal se representan por medio de factores constantes deducidos empíricamente para una cuenca de drenaje determinada. La reflectividad de la superficie de nieve varía desde un 90 por ciento para la nieve recientemente caída hasta 40 por ciento para la nieve vieja que está formada con granos gruesos y que, en general, queda cubierta al final de la estación por una capa delgada de residuos obscuros como el polvo mineral u orgánico transportado por el viento. En las latitudes medias, a finales de la primavera, una capa de nieve sin cubierta vegetal y con baja reflectividad, absorbe suficiente radiación solar para derretir el equivalente de 50 milímetros de agua diariamente. El intercambio de radiaciones de onda larga es la diferencia entre la radiación emitida por la superficie de nieve y la radiación dirigida hacia abajo por las nubes, los árboles y la atmósfera. Cuando hay nubes densas bajas o existe una cubierta vegetal densa, cuya temperatura sobrepasa los 0ºC, el intercambio resulta en una ganancia para la nieve. La radiación de onda larga de la atmósfera, en ausencia de nubes o de cubierta vegetal, depende en gran medida de la temperatura del aire y casi siempre es menor que la pérdida proveniente de la nieve. El intercambio de radiaciones de onda larga varía desde una ganancia de calor que puede producir hasta 20 mm de agua de deshielo por día hasta una pérdida equivalente a 20 mm diarios. Los factores principales en el intercambio convectivo de calor sensible son el gradiente de temperatura en la atmósfera que está inmediatamente sobre la nieve y la intensidad de mezcla turbulenta, expresado por la velocidad horizontal del viento. Los factores principales en el intercambio de calor de condensación son el gradiente de presión de vapor y la intensidad de la mezcla turbulenta, que puede indicarse por la velocidad del viento.
ANÁLISIS DEL ESCURRIMIENTO DE LA FUSIÓN DE NIEVE
455
El intercambio combinado de calor latente y sensible, debido al intercambio turbulento, puede fluctuar desde una ganancia de calor, equivalente a más de 100 mm de agua derretida diaria hasta una pérdida, correspondiente a dos o tres milímetros. La razón de la ganancia potencial, que excede tanto a la pérdida potencial, es que los gradientes de temperatura y de presión de vapor para la ganancia de calor pueden ser muy grandes con la temperatura de la nieve limitada a 0ºC, mientras que con temperaturas y presiones de vapor de aire muy bajas que acompañan a la pérdida de calor, disminuye la temperatura de la superficie de la nieve y, en consecuencia, se reducen los gradientes. La ganancia de calor debida a la lluvia templada se puede calcular a partir del calor latente de la fusión del hielo (80 cal g-1) que contiene la nieve y de la temperatura de la lluvia, que puede considerarse como la temperatura del aire leída en un termómetro húmedo. Los cálculos muestran que se requiere una lluvia excepcionalmente intensa (cuando menos 120 mm de lluvia con una temperatura de 16ºC) para producir 25 mm de derretimiento de nieve en un día. La velocidad de conducción de calor del suelo a una capa de nieve recien formada puede ser rápida durante un tiempo corto, pero el gradiente geotérmico habitual y el gradiente de temperatura, después de haberse establecido un estado de equilibrio, producen menos de un milímetro de derretimiento de nieve por día. Las velocidades de derretimiento de nieve antes mencionadas para las diversas modalidades de intercambio de calor, no son aditivas. Por ejemplo, las condiciones para un intercambio turbulento máximo ocurrirían durante un caso de tormenta y no con la radiación solar máxima. Se han publicado numerosas ecuaciones que expresan las modalidades de intercambio de calor en términos de elementos observados u observables. Estas ecuaciones toman una forma parecida a las que figuran a continuación: La radiación solar absorbida por un cielo difuso, Rab en cal cm-2, está dada por: Rab = (1 – B)RsCs
(31.1)
donde Rs es la radiación de onda corta total entrante en una superficie horizontal en una latitud pertinente en una estación del año y con cielo claro, B es la reflectividad de la nieve y Cs una función de nubosidad, que fue definida en la ex URSS, como: Cs = 1 – (0,14N + 0,53N1)
(31.2)
donde N es la nubosidad total y N1 la nubosidad de la capa más baja, ambas en fracciones de cobertura de cielo. Existe una expresión adicional para áreas que son muy diferentes a un plano horizontal.
456
CAPÍTULO 31
El efecto reductor de la cobertura vegetal sobre la radiación solar se puede tomar en cuenta mediante el siguiente coeficiente: K f = 1 − f 1 − (1 − C )
2
(31.3)
donde f es la porción de la radiación solar que es retenida por un tipo particular de vegetación, con una densidad de follaje de 100 por ciento (en general cerca de 0,9) y C es la densidad de follaje. La pérdida neta de radiación de onda larga proveniente de la nieve, R1 en cal cm-2 min-1, está dada por:
(
R1 = σ dn θ n4 − da θ a4 Ue C1
)
(31.4)
donde la constante de Stefan-Boltzmann, σ = 8,13 x 10-ll cal cm-2 min-1 °K-4, θn y θa son temperaturas absolutas de nieve y aire, la del aire tomada a una altitud de dos metros, dn y da son los coeficientes de cuerpo negro de la nieve y del aire, ambos cerca de la unidad, Ue es una función de humedad que expresa el efecto del vapor del agua atmosférico en la radiación de onda larga, y C1 es una función de nubosidad que difiere de Cs en que se aplica a una radiación de onda larga, mientras que Cs se aplica a la radiación de onda corta. Ue ha sido expresada de varias maneras por diferentes investigadores, siendo una forma común Ue = a+b√e. El parámetro a puede tomarse como 0,62 y b como 0,05, con e, la presión de vapor en hPa a una altura de dos metros sobre la superficie de la nieve. En el límite usual de la presión de vapor sobre la nieve derritiéndose, Ue está entre 0,7 y 0,8. C1 puede tomar la forma: C1 = 1 + 0,12(N + N1)
(31.5)
donde N es la nubosidad total y N1 la nubosidad de la capa más baja, ambas en fracciones de cobertura total de cielo. Con cobertura vegetal, la radiación de onda larga descendente, Rd puede expresarse como:
[
]
Rd = F + (1 − F ) Ue σ θ a4
(31.6)
donde F es una fracción de la cobertura vegetal. La cobertura vegetal efectiva se puede estimar a partir de fotografías aéreas de la densidad del follaje o como una constante empírica residual.
ANÁLISIS DEL ESCURRIMIENTO DE LA FUSIÓN DE NIEVE
457
La transferencia de calor por intercambio turbulento está dada por las siguientes dos ecuaciones, para el calor sensible y el calor latente, respectivamente: Qh = ku (θ a − θ n ) Qe = cu (ea − en )
(31.7)
(31.8)
donde u es la velocidad del viento horizontal en una altitud dada, (θa – θn) el gradiente de la temperatura promedio en la capa de aire que está sobre la nieve y (ea – en) el gradiente de presión de vapor correspondiente. Las constantes empíricas, k y c, incluyen el coeficiente de transferencia de masa, la rugosidad aerodinámica de la superficie de la nieve, la estabilidad (la tendencia de la capa densa del aire cerca de la nieve para resistir la rotación o la mezcla), la estructura del viento, las alturas de los instrumentos por encima de la superficie de la nieve, y la densidad del aire. La constante k incluye el calor específico del aire y c el calor latente de la vaporización de la humedad en el aire. Este último también puede incluir la cantidad condensada añadida al derretimiento de la nieve a partir de la condensación, a menos que el agua condensada se tome en cuenta de otra manera. Estimación del derretimiento de la nieve en una cuenca en ausencia de lluvia La integración de una función racional del derretimiento de la nieve en una cuenca heterogénea de gran tamaño es, en el mejor de los casos, muy difícil y prácticamente inútil si no se dispone de instrumentos de alta precisión. La medición de la cantidad o la velocidad de derretimiento incluye la compleja medición del agua y del calor. En ausencia de lluvia, el intercambio de radiación es relativamente importante y, por lo tanto los efectos, que raras veces se miden de la reflectividad de la nieve y la densidad del follaje forestal son significativos. La radiación solar diaria, para una latitud y un período del año determinados, es influenciada por la nubosidad local, que a su vez se observa subjetiva, esporádica y raramente con respecto a su transmisividad radiativa. Además, existe el problema de determinar la superficie activa o útil de la nieve. Esa superficie se puede definir como la superficie sobre la cual la nieve se derrite o sobre la cual la nieve derretida penetra en el suelo. Esta área, como sea que se defina, varía diariamente. Las ecuaciones de la sección 31.2 pueden ser expresadas como totales diarios y entonces puede imponerse un patrón diurno. Si el ciclo diurno incluye el congelamiento nocturno, es preciso tener en cuenta de alguna forma el almacenamiento de calor y humedad. Al comienzo del período de derretimiento, algo de calor es necesario para elevar la temperatura de la nieve a 0ºC y derretir suficiente nieve para satisfacer la capacidad de retención de agua de la capa 31.3
458
CAPÍTULO 31
de nieve. Esta cantidad de calor es relativamente pequeña en relación con el calor total requerido para derretir la capa de nieve. El método que se aplica más ampliamente para estimar el derretimiento de nieve en una cuenca es el uso de factores grado-día. Por lo general, se dispone de datos de temperatura, y la variación de la temperatura en una cuenca puede determinarse para deducir y aplicar funciones de grado-día. El método de grado-día se basa en dos principios. Primero, la temperatura del aire que está cerca de la nieve es en gran parte una integración física de las mismas modalidades del intercambio de calor que derrite la nieve. Segundo, cada modalidad de intercambio de calor se puede relacionar con la temperatura del aire, excepto durante vientos anormales. Por ejemplo, la temperatura mínima diaria del aire está altamente correlacionada con la temperatura de punto de rocío, que determina el gradiente de presión de vapor para el derretimiento por condensación. La temperatura máxima diaria o el rango de temperatura es un índice de la radiación solar. Dentro de la gama de estos valores, la radiación de onda larga puede expresarse como una función lineal de la temperatura del aire. Se han hecho esfuerzos para ponderar de varias maneras las temperaturas máxima y mínima diarias y también utilizar para los grado-día de base distintos a 0ºC. También se han hecho esfuerzos para dividir el día en unidades de tiempo más pequeñas y para usar factores de grado-hora. Sin embargo, el ciclo diurno de intercambio de calor y de derretimiento de nieve hacen al día una unidad lógica y conveniente para el derretimiento de nieve, y la base usual de grado-día es 0ºC en relación con la media diaria de las temperaturas máxima y mínima. Los factores puntuales de grado-día de derretimiento de nieve para varias regiones montañosas en las latitudes medias de Norteamérica se han promediado en la tabla 31.1, expresados en milímetros de fusión y la media de la temperatura máxima y mínima diaria por arriba de la base de 0ºC. Los valores individuales pueden desviarse ampliamente de estos promedios. TABLA 31.1 Factores grado–día (mm °C-1) para regiones montañosas de América del Norte Mes
Moderadamente cubierto de bosque
Parcialmente cubierto de bosque
Regiones Sin bosque
Abril Mayo Junio
2 3 4
3 4 6
4 6 7
Factores de grado-día similares se presentan en la tabla 31.2 para las tierras bajas en latitudes moderadas de la ex URSS.
ANÁLISIS DEL ESCURRIMIENTO DE LA FUSIÓN DE NIEVE
459
TABLA 31.2 Factores de grado–día (mm °C-1) para las regiones de tierras bajas en la ex URSS Zonas sin bosque Coníferas dispersas y densidad promedio de árboles de madera dura Densidad promedio de coníferas y bosques densos mezclados Coníferas densas
5 3a4 1,7 a 1,8 1,4 a 1,5
Con una capa de nieve poco profunda, el almacenamiento y el tiempo del paso a través de la cubierta generalmente no tienen consecuencias en comparación con el almacenamiento y el tiempo del paso a través de la capa del suelo y con las incertidumbres en la cantidad de nieve derretida. El tiempo requerido para que drene el agua líquida de una capa de nieve es de casi una hora, más otra hora por cada 50 cm de espesor. Las variaciones espaciales en la velocidad de derretimiento y en la distribución y disminución del tamaño de la superficie cubierta por la nieve durante un período de derretimiento están relacionadas con características más o menos permanentes de la cuenca de captación, como la topografía y la distribución de la cobertura vegetal. Por lo tanto, la velocidad de derretimiento en una cuenca depende de manera bastante uniforme de la superficie de la zona contribuyente y de la condición de la nieve durante un período de derretimiento. Esta tendencia influye en la forma de curvas en S definidas empíricamente, como las de la figura 31.1. Debido al espesor variable de la nieve y a sus velocidades locales de derretimiento, parte de la nieve empieza a derretirse antes que el resto. De esta manera, la velocidad promedio de derretimiento por unidad de área es pequeña al comienzo del período de derretimiento y aumenta a medida que se derrite una mayor superficie. Hacia el final del período de derretimiento, las pendientes de las curvas de la figura 31.1 disminuyen debido a la disminución del área que contribuye al derretimiento de nieve. Las partes más inclinadas de las curvas ocurren después de que se han establecido las condiciones de derretimiento en una gran superficie. La proporcionalidad de las velocidades de derretimiento con las cantidades iniciales de nieve se debe en gran parte a que, con más nieve, mayor es el área de contribución. Las porciones más inclinadas de las curvas de la figura 31.1 tienen una pendiente que corresponde a los valores de las tablas 31.1 y 31.2. La pérdida por evaporación de la capa de nieve es insignificante durante los breves períodos de derretimiento que pueden estar más que equilibrados por la condensación de la superficie de la nieve. En regiones montañosas, en las que se acumulan grandes cantidades de nieve, donde la estación de deshielo puede cubrir varios meses, y donde las condiciones de
460
CAPÍTULO 31
derretimiento varían mucho, según la elevación, las curvas como las de la figura 31.1 tienen una fiabilidad limitada. La evaporación durante los largos períodos cálidos puede ser importante. Durante la estación de deshielo, los reconocimientos aéreos sucesivos y de otro tipo muestran la evolución de la cobertura de nieve y las observaciones meteorológicas se interpretan para expresar las variaciones de la velocidad del derretimiento de la nieve en función de la altitud. La contribución en agua de la nieve derretida se debe determinar por zonas de altitud. Además, con capas de nieve espesas en las montañas, debe dársele mayor consideración a la retención del agua (de la nieve derretida) en la capa de nieve. Si la velocidad del viento o de la humedad son excepcionalmente altas, se deben usar factores de grado-día superiores al valor promedio. 120
120
100
Nieve fundida acumulada (mm)
100
80
80
60
60
40
20
0 10
20
30 40 50 Número de grados-días sobre 0 °C
60
70
°C
Figura 31.1 — Relación característica entre el derretimiento de la nieve y el número de grados/días para una cuenca 31.4 Estimación del derretimiento de la nieve en una cuenca con lluvia Durante los períodos de lluvia densa, la velocidad y la cantidad de deshielo no puede ser superior al error de estimación de la cantidad y de los efectos de la lluvia.
ANÁLISIS DEL ESCURRIMIENTO DE LA FUSIÓN DE NIEVE
461
Durante las tormentas acompañadas de una mezcla turbulenta considerable y de nubes bajas y espesas, la radiación solar de onda corta no tiene relativamente importancia y la radiación de onda larga, la convección y la condensación son las fuentes principales de calor. Como es díficil separar la contribución de la lluvia y la del deshielo, la cuestión del derretimiento de la cantidad de nieve durante la lluvia sigue siendo parte de la teoría, con muy poca evaluación empírica. Las ecuaciones siguientes adaptadas a las formuladas por el U.S. Army Corps of Engineers [1] se pueden utilizar para regiones densamente cubiertas de bosque: M = (0,3 + 0,012P)θ + 1,0
(31.9)
y para áreas descubiertas o parcialmente cubiertas de bosque: M = (0,1 + 0,12P + 0,8ku)θ + 2,0
(31.10)
donde M es el deshielo diario en milímetros, P la lluvia diaria en milímetros, θ la temperatura media diaria en ºC, k una constante de la cuenca que fluctúa desde 0,3 para bosque moderadamente denso, hasta 1,0 para llanuras descubiertas, y u la velocidad del viento en m s-1 a una altura de 10 metros. Se supone que el aire está saturado y las constantes (1,0 y 2,0) incluyen los efectos del deshielo del terreno y la ligera radiación solar neta que penetra las nubes productoras de lluvia. 31.5 Estimación del escurrimiento debido al deshielo Para determinar el escurrimiento total procedente del derretimiento de nieve en cuencas de tierras bajas, se pueden adoptar los estudios de balances hidráulicos expuestos en la sección 45.2. Estos estudios permiten estimar al comienzo del período de deshielo el escurrimiento total debido a la fusión de nieve prevista. Sin embargo, los valores del escurrimiento diario del derretimiento de nieve se requieren con frecuencia para calcular hidrogramas. Los siguientes factores principales deben tenerse en cuenta para estimar estos valores: a) el flujo de calor hacia la cobertura de nieve; b) la capacidad de retención de agua de la cobertura de nieve; c) la superficie cubierta de nieve; d) la capacidad de retención de agua de la cuenca. En general, el escurrimiento diario de la fusión de nieve, Qn, puede describirse mediante la siguiente ecuación: Qn =
(
)
m f 1 M, I f f 2 ( M, α o ) 1 − αo
(31.11)
donde m es el volumen derretido diario, αo es la cantidad inicial relativa del agua de deshielo retenida por la nieve, que es igual al límite superior de la capacidad de
462
CAPÍTULO 31
retención de agua de la capa de nieve, f2 (M, αo) es una función que expresa el área relativa sobre la que se derrite la nieve relacionada con el derretimiento acumulado M y con la retención inicial de agua en la nieve αo; f1 (M, If) es un coeficiente de escurrimiento en función del derretimiento acumulado y del índice de la capacidad de infiltración de la cuenca If. La cantidad inicial del agua de deshielo retenida por la nieve depende de la estructura y de la densidad de la capa de nieve y puede determinarse experimentalmente. Los datos limitados indican que valores de 0,15-0,20 pueden usarse como una primera aproximación de αo, para cuencas de tierras bajas donde la densidad de la nieve varía entre 0,25 y 0,30. El área relativa en la cual se derrite la nieve, f2 (M, αo), depende de la distribución espacial de la nieve. De esta manera, el área relativa aumenta con el derretimiento acumulado debido al incremento del área en la cual la nieve se satura. A medida que la nieve se fragmenta, el área relativa disminuye con la reducción del área cubierta de nieve. La técnica más sencilla para estimar el área de derretimiento de la nieve, se basa en las hipótesis de derretimiento uniforme y de retención inicial de agua en la nieve constante sobre toda la cuenca. En estas condiciones, la función f2 (M, αo) puede determinarse como la diferencia entre dos funciones: f 2 ( M, α o ) = f 3 ( M ) − f 4 ( M )
(31.12)
donde f3 (M) es el área de la cuenca donde se ha derretido la nieve y f3 (M) una función integral del área relativa donde la nieve se satura, M f 3(M) = f 4 αo
(31.13)
El método antes descrito permite deducir relaciones gráficas entre los gradosdía acumulados y el derretimiento de nieve acumulado para diferentes valores de volumen de agua promedio, equivalentes al contenido en agua de la capa de nieve. Dichas relaciones, como lo muestra la figura 31.2, sirven para fines operativos. El coeficiente de escurrimiento f1 (M, If) es una función que aumenta con el derretimiento acumulado debido a la disminución de la capacidad de infiltración de la cuenca. Las relaciones entre estas variables pueden determinarse empíricamente usando como parámetros el índice de condiciones antecedentes de humedad del suelo y la profundidad del suelo congelado. Para este propósito se pueden usar las relaciones de un balance hídrico. Tras establecer dicha relación para una cuenca, la función f1 (M, If) se determina mediante diferenciación:
(
)
f 1 M, I f =
(
dQ W, I f dW
)
(31.14)
ANÁLISIS DEL ESCURRIMIENTO DE LA FUSIÓN DE NIEVE
463
donde Q es el escurrimiento estacional y W el equivalente promedio de agua más la precipitación. Usando este método, se puede obtener una serie de curvas para diferentes valores del índice de capacidad de infiltración If. 50
50
ua ini cia
l (m m )
40
30
len te
en
ag
30
40 20
uiv a
20
Eq
Fusión de nieve acumulada (mm)
40
10
10
0
0
2
4
6
8
10
Número de grados-días sobre 0° C
Figura 31.2 — Relación temperatura – derretimiento de nieve para diferentes valores iniciales de agua equivalente en una cuenca de tierras bajas 31.6 Evaporación a partir de una capa de nieve Las ecuaciones para la condensación en una capa de nieve también se pueden utilizar para estimar la evaporación de la nieve. La evaporación ocurre cuando la presión de vapor disminuye con la altura por encima de la nieve, y la condensación se produce cuando la presión de vapor se reduce en dirección de la nieve. La temperatura de la superficie de la nieve es difícil de medir y rara vez está disponible, a menos que la nieve se esté derritiendo. La evaporación de la nieve es un proceso autolimitativo porque enfría la nieve y tiende a mantener un gradiente de presión de vapor relativamente pequeño en la capa de aire por encima de la nieve. A la inversa, el gradiente de presión de vapor, durante la condensación de la nieve, se mantiene en su extremo inferior por la tem-
464
CAPÍTULO 31
peratura de fusión de la nieve, mientras que la presión del vapor del aire puede ser mucho mayor. Por consiguiente, las proporciones de condensación ordinariamente son mucho mayores que las proporciones de evaporación. La medición de la evaporación en una superficie de nieve o de hielo es difícil y, probablemente no será más exacta que el cálculo de la evaporación. En general, se estima que durante los períodos invernales, la evaporación de una superficie de nieve ocurre a velocidades entre cero y 20 mm por mes. Durante los períodos de deshielo, la condensación tiende a prevalecer y ocurre a velocidades de cero a no más de 10 mm de condensación por día. Es posible, cuando hay cielo despejado y el aire es seco y frío, que la nieve se derrita y se evapore al mismo tiempo, y rara vez, cuando se establece un buen equilibrio entre el calor y la humedad, que todo el agua de la fusión de la nieve se evapore. A veces, puede ocurrir sublimación, es decir, la nieve pasa de la forma sólida a la de vapor, sin pasar por la fase líquida. 31.7 Máximos probables de precipitación y derretimiento de nieve 37.7.1 Introducción En el caso de cuencas muy grandes en latitudes altas, el derretimiento de nieve, en lugar de la lluvia, puede ser la causa principal de la crecida máxima probable. Por lo tanto, el volumen de escurrimiento de la crecida y su distribución temporal se basan en la estimación del derretimiento de nieve que resulta de los valores máximos estimados de temperatura, viento, punto de rocío e insolación, de manera análoga a la maximización de la lluvia de una tormenta (sección 29.4.1). Una situación más corriente en latitudes más bajas es que la lluvia sea el factor principal que produce la crecida máxima probable, además de la fusión de nieve como elemento suplementario en el hidrograma máximo. El derretimiento de nieve, compatible con las condiciones sinópticas estimadas que acompañan a la tormenta maximizada, se añade a la cantidad de lluvia maximizada. En algunas cuencas, sólo un análisis detallado revelará si la crecida máxima probable resultará de una tormenta de una estación fría combinada con el derretimiento de nieve, o de una lluvia de verano que puede ser más intensa, pero que lógicamente no debe ir acompañada de fusión de nieve. 31.7.2 Acumulación máxima probable de nieve La contribución del derretimiento de nieve a la crecida máxima probable dependerá de la velocidad máxima de derretimiento y del equivalente de agua en la capa de nieve disponible antes de la fusión. El equivalente de agua en una capa de nieve es la altura de agua que resultaría del derretimiento y depende de la densidad y el espesor de la nieve. Se han usado varios métodos para calcular la acumulación de nieve probable máxima; tres se han clasificado [2] de la siguiente manera:
ANÁLISIS DEL ESCURRIMIENTO DE LA FUSIÓN DE NIEVE
465
a) método de estación parcial – Las acumulaciones de nieve más altas que se han observado cada mes o período de dos semanas, de acuerdo con la frecuencia de las observaciones, se combinan sin tener en cuenta el año de de cada observación, para obtener un año artificial de precipitación muy alta de nieve. El método se puede aplicar a intervalos de tiempo más cortos, como una semana o períodos de cuatro días, si se dispone de los registros adecuados; b) maximización de nevadas – Se determina el cociente entre el contenido máximo de humedad atmosférica en el área del proyecto durante la época del año en la cual ocurre la tormenta y el contenido real de humedad en la tormenta. La cantidad de nieve, producida por la tormenta, se multiplica por este cociente para producir la nevada maximizada de la tormenta. La maximización del contenido de humedad debe restringirse a un valor que produzca nieve y no lluvia; c) métodos estadísticos – Se efectúa un análisis de frecuencia de los registros de precipitación y de altura de la nieve para determinar los valores de diversos períodos de retorno. Los análisis se hacen con tres tipos de datos: cantidad de precipitaciones en una estación, espesor de la capa de nieve en una cuenca y equivalente de agua de la nieve situada sobre el suelo. 31.7.3 Estimación del derretimiento de nieve En vista de la compleja variabilidad espacial y temporal del derretimiento de nieve en la mayoría de las cuencas, debida a diferencias en pendiente, forma, cobertura vegetal y espesor de la capa de nieve, el método de grados-día frecuentemente se acepta como una solución práctica al problema que plantea la estimación de la cantidad de agua procedente del derretimiento de nieve en una cuenca. Se pueden estimar las condiciones máximas de grado-día a partir de los registros de temperatura para la cuenca del proyecto o un área vecina y aplicarse al cálculo de la acumulación de nieve máxima probable para obtener una estimación del escurrimiento durante la crecida máxima probable. En la sección 31.4 se describe un método más racional para estimar el derretimiento de nieve asociado con la lluvia en una cuenca. Para las condiciones máximas probables, se determina la temperatura del aire y la velocidad del viento según las condiciones sinópticas supuestas que acompañan a la tormenta que produce la lluvia máxima probable, y se supone que existe una capa de nieve de espesor óptimo. En esta situación “óptimo” significa que: a) la capa de nieve tiene un equivalente en agua que apenas alcanza para derretirse completamente durante la tormenta; b) la capa de nieve que se ha derretido tenía una cantidad máxima de agua líquida; c) el equivalente en agua de la capa de nieve está repartido de manera a alcanzar el máximo donde la fusión sea máxima, lo cual difiere de la situación acostumbrada en la que el equivalente en agua de la capa de nieve aumenta en función de la altitud.
466
CAPÍTULO 31
31.8 Escurrimiento de un deshielo de período corto 31.8.1 Regiones planas En una región plana, donde los aumentos de escurrimiento son relativamente pequeños y el período de fusión es breve, el escurrimiento puede estimarse incorporando el derretimiento de nieve calculado, con métodos como el antes descrito, en una relación lluvia-escurrimiento (capítulo 33). Puede ser necesario usar la relación de manera que refleje un alto porcentaje del escurrimiento porque la capa de nieve o el tiempo frío pueden limitar las pérdidas por evapotranspiración, antes del período de derretimiento. 31.8.2 Terreno montañoso En las cuencas montañosas, donde las capas de nieve son profundas y la estación de deshielo dura varios meses, no necesariamente se aplican los métodos que más se usan para estimar el escurrimiento que resulta de tormentas breves. El escurrimiento procedente del agua derretida durante un día particular, se extiende durante un período largo, y se añade a la cantidad de agua producida por el deshielo de otros días. Además, las pérdidas por evapotranspiración, que pueden despreciarse durante un período de lluvia, son importantes durante una estación larga de deshielo. Una manera de estimar el escurrimiento debido al deshielo día a día es estimar primero el volumen estacional del escurrimiento (capítulo 45) y luego distribuir este volumen de acuerdo con la velocidad de fusión diaria local, observada o estimada, (secciones 31.3 y 31.4), las características de almacenamiento de la cuenca, el área en la que se derrite la nieve y la evapotranspiración estacional. Se puede tener en cuenta el almacenamiento en la cuenca y el retraso del escurrimiento al propagarse en un sistema análogo de embalses cuyas constantes se determinan empíricamente según los datos históricos de la cuenca. Si la cuenca es tan pequeña que los incrementos diurnos de agua debidos al derretimiento de nieve no se atenúan por el almacenamiento, se debe usar la cantidad de agua producida por el deshielo de seis horas en lugar de un día, o se puede introducir una distribución diurna característica en el método de propagación.
Referencias 1. U.S. Army Corps of Engineers, 1960: Runoff from Snowmelt. Engineer Manual 1110-2-1406, U.S. Department of the Army, Washington, D.C. 2. Bruce, J.P., 1962: Snowmelt contributions to maximum floods. Proceedings of the Nineteenth Annual Eastern Snow Conference, 8-9 de febrero de 1962, Universidad de Yale, New Haven, Connecticut, págs. 85-103.
CAPÍTULO 32 EVALUACIÓN DE DATOS DE FLUJO FLUVIAL
32.1 Generalidades El análisis de datos de flujo usualmente se realiza con fines prácticos en determinados lugares. Si existen registros de escurrimientos para estos lugares, se pueden usar directamente en los análisis. Si la exactitud o la representatividad de estos registros no es suficiente, se podría ajustarlos para alcanzar la norma requerida. Cuando no se dispone de suficientes registros, se debe transferir la información basada en datos de flujo disponibles de otros lugares o basada en otros tipos de datos hidrológicos y meteorológicos. 32.2 Ajuste de datos Se debe hacer un esfuerzo constante para estimar los caudales durante períodos para los que no se dispone de registros o cuando se sabe que el registro no es fiable. Los hidrogramas de caudales diarios, trazados en papel semilogarítmico, pueden servir para calcular los caudales de períodos con registros incompletos, ya que los hidrogramas, cuando se analizan en el período de observación, indican la velocidad característica de recesión entre las tormentas y las respuestas típicas a las precipitaciones. Se puede hacer una estimación bastante fiable del caudal usando estos hidrogramas junto con otras indicaciones como los registros de precipitaciones, las líneas extremas de los gráficos del medidor y los hidrogramas simultáneos para otras corrientes. Los hidrogramas también se pueden utilizar para hacer otra interpretación hidrológica, por ejemplo separar el flujo base del caudal de escorrentía de una tormenta, como se describe en la sección 33.3.1. La necesidad de ajustar los datos de caudales se puede detectar mediante el análisis de una curva de doble acumulación similar a la descrita en la sección 30.2.2, pero los ajustes deben basarse en el análisis de los registros más que en los resultados del análisis de la curva de doble acumulación. La escorrentía acumulada correspondiente a una estación se representa gráficamente junto a la escorrentía acumulada de un grupo de estaciones. Si la curva resultante muestra un cambio de pendiente, hay que volver a examinar los registros de escurrimientos para detectar un cambio en el método de cálculo del registro o en la medición de datos y, si es necesario, se vuelven a calcular. Si el objetivo es obtener
468
CAPÍTULO 32
un registro que refleje cuál hubiera sido el flujo si no hubiera habido cambios antropógenos en la cuenca, los caudales calculados deben ajustarse para tener en cuenta las desviaciones estimadas hacia la cuenca o fuera de ella, y las variaciones en el volumen de agua usada en la cuenca antes de que se vuelva a representar gráficamente. Si no se pueden identificar las causas de un cambio en la pendiente de la curva de doble acumulación, no se debe hacer ningún ajuste al registro. Si una cantidad razonable de interpretación se usa para el cálculo de un registro de caudales diarios, la exactitud de ese registro será mejor que la obtenida para los demás elementos de un balance hidrológico en una cuenca. El escurrimiento es el único elemento del balance que permite entregar en un registro único todo lo que sucede en una cuenca. Para todos los demás elementos, como las precipitaciones, la humedad del suelo y las aguas subterráneas, sólo se toman muestras con respecto al área. Por tanto, rara vez se justifica el ajuste de los registros de escurrimiento con relación a los otros elementos. Las comparaciones hidrológicas pueden indicar que convendría reexaminar los datos básicos de escurrimientos, pero no se deben usar para efectuar un ajuste general. Debe distinguirse entre la exactitud de un registro de caudal y la exactitud con la que el registro representa el escurrimiento natural de una cuenca. Un registro de caudales puede ser exacto aunque la mitad del flujo de la corriente haya sido desviada para usarse aguas arriba. En los estudios hidrológicos donde es necesario estimar los flujos naturales de un curso de agua, deben hacerse ajustes cuantitativos de las estimaciones de desviación y de uso, pero dichos ajustes no desacreditan los registros calculados del caudal. En algunos casos, el método del balance hídrico (sección 37.2) puede usarse para obtener una evaluación general de los registros de flujos de caudales. Si el escurrimiento o la pérdida es excesivamente alta o baja en comparación con otros meses o con otras corrientes, los datos básicos registrados en las estaciones de aforo se deberían volver a examinar para identificar si una posible interpretación errónea. 32.3 Distribución espacial El escurrimiento anual promedio difiere considerablemente de una corriente a otra, y cuando el flujo es bajo, puede suceder que el producto por unidad de superficie para una corriente de agua sea un múltiplo del que corresponde a un curso de agua adyacente. Para una determinación exacta de la cantidad de agua disponible, debe explorarse una estación de aforo durante varios años en el sitio o cerca de cualquier sitio propuesto. Sin embargo, para la planificación de reconocimiento puede usarse información menos exacta. Ejemplos de dicha información son mapas de escurrimiento anual promedio y correlaciones entre los registros de estaciones de aforo.
EVALUACIÓN DE DATOS DE FLUJO FLUVIAL
469
32.3.1 Mapas de la escorrentía anual media Los mapas de la escorrentía anual media pueden basarse casi completamente en los registros de escorrentía, en los registros de precipitaciones y evaporación o en una combinación de éstos. Si existe una buena red de estaciones pluviométricas y estaciones hidrométricas, explotadas simultáneamente durante 10 o más años, deben usarse ambos conjuntos de datos. Las isopletas de escurrimiento anual medio deben coincidir bien con las isoyetas de la lluvia anual media y con la geología de la región. Asimismo, deben relacionarse con los registros de otras estaciones hidrométricas comparables. En otras palabras, los registros de escurrimientos se usan para determinar el escurrimiento total medio de la cuenca, mientras que los datos sobre las precipitaciones, la evaporación y los datos geológicos se usan para estimar la distribución del escurrimiento en la cuenca. Las pérdidas anuales medias de agua, calculadas como la diferencia entre las isoyetas de precipitaciones y las isopletas del escurrimiento, sirven de guía para una interpretación coherente. Cuando sólo se dispone de registros de escurrimientos se puede hacer una distribución espacial aproximada basada en la altura y en el carácter de la vegetación. En general, el escurrimiento debería aumentar con la altitud porque las precipitaciones aumentan y la temperatura disminuye. El carácter de la vegetación sirve para diferenciar las áreas más secas del lado de sotavento de una montaña de las regiones bien provistas de agua a la misma altitud, del lado de barlovento. 32.3.2
Escurrimiento medio a partir de datos de precipitación y de temperatura Cuando sólo se dispone de registros de precipitación y temperatura, puede usarse un método propuesto por Langbein [1, 2]. Este método es aplicable si no hay descarga de aguas subterráneas en la cuenca y cuando el almacenamiento de las aguas subterráneas no cambia mucho de un año a otro. A continuación figura una modificación de este método, que se basa en una relación única entre P/Fθ y Q/Fθ, donde P es la precipitación anual media, Q el escurrimiento anual medio medido en las mismas unidades que P, y Fθ un factor de temperatura. Si P y Q se expresan en centímetros, Fθ = 10(0,027θ+0,886) en donde θ es la temperatura anual promedio en °C. La relación entre θ y Fθ está dada por:
θ, en °C -20 -10 0 10 20 30
Fθ 2,22 4,13 7,69 14,3 26,6 49,7
470
CAPÍTULO 32
La relación entre P/Fθ y Q/Fθ está dada por: Q/Fθ P/Fθ 0 0,009 1 0,026 2 0,075 3 0,200 4 0,475 5 1,0 6 1,9 7 2,7 8 3,4 10 5,0 12 7,0 14 9,0 Si, por ejemplo, la temperatura anual media es de 20ºC y la precipitación anual media es de 53 cm, Fθ es 26,6 y P/Fθ = 2,0. El valor de Q/Fθ correspondiente a un P/Fθ de 2,0, es 0,075, y el escurrimiento anual medio es 0,075 x 26,6 ó 2,0 cm. Si la precipitación anual fuera de 133 cm, sin embargo, P/Fθ sería 5,0, Q/Fθ sería 1,0, y Q 26,6 cm. En este caso, un incremento de 150 por ciento en la precipitación, aumenta el escurrimiento en 1,230 por ciento. La relación entre P/Fθ y Q/Fθ puede mejorarse considerando una tolerancia para los casos donde la precipitación está concentrada en una estación caliente o en una estación fría [1]. Aunque la relación entre P/Fθ y Q/Fθ y el efecto de la distribución estacional se basan en los datos recopilados en Estados Unidos, las relaciones quizá tienen aplicación en todo el mundo. Su aplicabilidad en otros países se puede verificar o modificar al trazar gráficos a partir de las precipitaciones observadas y los datos de escurrimiento de la manera indicada y comparando el resultado con las tablas que figuran en este capítulo. Un mapa de escurrimiento anual medio da una apreciación general de la cantidad total de agua teóricamente disponible, pero no indica la variación del flujo a través de los años o durante un año. El flujo en algunos años puede ser considerablemente menor que el escurrimiento anual medio y, aún en esos años, gran parte del flujo ocurrirá durante los períodos lluviosos y no se podrá utilizar si no se almacena. Las variaciones anuales se pueden evaluar con un análisis de frecuencias. La variación del flujo interanual puede ser valorada con un análisis de caudales de crecida y de estiaje, como se expone en los capítulos 35 y 36. La pérdida de agua anual media, D, se define por la relación: D=P–Q
(32.1)
EVALUACIÓN DE DATOS DE FLUJO FLUVIAL
471
Para muchas cuencas en climas templados, el valor de D, calculado en base a un largo período de años, varía relativamente poco. Los valores de esta pérdida anual media, calculada para cuencas vecinas, pueden usarse para estimar el caudal anual medio de un registro a partir de los datos de precipitación de una cuenca. En Europa occidental, D generalmente varía entre 400 y 600 mm. Existen varias fórmulas empíricas para calcular D, por ejemplo la atribuida a Turc [3]:
D=
P 0,9 +
P2 L2
(32.2)
donde L = 300 + 25θ + 0,50θ 3, P es la precipitación media de la cuenca y θ la temperatura media anual del aire. El primer paso en el estudio de la correlación entre el escurrimiento y los registros de las precipitaciones es la selección de un grupo adecuado de estaciones meteorológicas ubicadas en la cuenca de drenaje cerca de a ella. Los registros pluviométricos en cada una de estas estaciones deben corresponder a los registros de escurrimiento disponible y deben cubrir todo el tiempo durante el período a través del cual se desean proyectar los registros de escurrimiento. Los registros pluviométricos en cada estación deben ajustarse con el método de la curva de doble acumulación (sección 30.2.2) para detectar las desviaciones originadas por circunstancias locales. El método más sencillo para resumir flujos anuales consiste en establecer una regresión entre los caudales medios anuales y la precipitación total anual correspondiente, así como en aplicar la ecuación de regresión resultante a las observaciones pluviométricas que se extienden más allá del período de registro de escurrimientos. A menudo, la correlación entre el caudal anual y las precipitaciones anuales no es suficientemente precisa para aplicaciones prácticas, y deben establecerse relaciones que incluyan valores mensuales de caudales y precipitaciones. Una relación que toma en cuenta la distribución temporal irregular de la precipitación mensual se expresa mediante la ecuación: Q = k(1 + aCP) (P – Po) donde Cp =
1 1 12 2 ∑ ( Pi − P12 ) P12 132
(32.3) 1/ 2
(32.4)
Q es el escurrimiento anual, P es la precipitación anual, Pi la precipitación en el mes i, P12 la precipitación anual dividida entre 12, y Po, a y k son constantes, siendo Po la precipitación anual máxima que puede ocurrir sin producir escurrimiento, esto es, a menos que P sea mayor que Po, Q es igual a cero. Otra forma de esta relación se utiliza para el escurrimiento durante un período de tiempo dado como una función de las precipitaciones durante el período en curso
472
CAPÍTULO 32
y durante los períodos anteriores. Esta relación puede expresarse con una ecuación como la siguiente: Q = aP1 + bP2 + . . . + c
(32.5)
donde P1 es la precipitación durante el período en curso, P2 la precipitación durante el período anterior al período en curso y a, b y c son constantes. Los valores de las constantes se pueden determinar mediante un análisis de regresión múltiple. Las ecuaciones de esta forma pueden aplicarse a datos para períodos de varias duraciones. El número de términos que representan la precipitación y los valores de las constantes variarán con la duración del período elegido. Si el período es de un año y se guarda un almacenamiento importante dentro de la cuenca de un año al otro, probablemente sería necesario tener en cuenta la precipitación del año anterior junto con la precipitación del año en curso. Si, por otra parte, el período es de un mes, puede ser necesario usar los valores de una precipitación de meses anteriores para obtener una relación mejorada entre la precipitación y el escurrimiento. Cuando el período considerado es inferior a un año, por ejemplo un mes, el número de términos en el segundo miembro de la ecuación y los valores de las constantes, pueden cambiar de un mes al otro durante el año. 32.3.3 Correlación entre estaciones Si los registros en algunas de las estaciones de aforo fueran considerablemente más cortos que en otras estaciones de la región, los usuarios deberían examinar los registros para saber si los caudales durante los períodos que cubren los registros cortos estuvieron por encima o por debajo del promedio del período largo. La correlación entre las estaciones de aforo es un método para efectuar dichas comparaciones. Al preparar los mapas de escorrentía anual, por ejemplo, un gráfico del caudal anual establecido comparativamente para dos estaciones de aforo indicará si la relación entre las estaciones está suficientemente bien definida para justificar un ajuste en la media dada por el registro más corto. No se recomienda hacer este ajuste a menos que el coeficiente de correlación sea superior a 0,8. Si un registro corto va a utilizarse en un proyecto, puede a veces extenderse a un período más largo estableciendo una correlación entre el caudal mensual de una estación y el caudal mensual de una estación con registro extenso. La representación gráfica del caudal mensual registrado en una estación y el correspondiente a la otra estación, dará una buena idea del grado de correlación. Se recomienda usar papel logarítimico para incluir adecuadamente el intervalo de valores usualmente extenso. Los meses deben indicarse con símbolos distintivos para que se puedan identificar las diferencias estacionales en las relaciones: Los parámetros estadísticos básicos –v (valor medio) y sv (desviación estándar) de los caudales de una estación a corto plazo pueden estimarse en base a los datos recopilados en la estación, complementados con las observaciones de una estación a
EVALUACIÓN DE DATOS DE FLUJO FLUVIAL
473
largo plazo relacionada. Si se supone que el caudal, Q, sigue una distribución log – normal, se aplican las siguientes ecuaciones:
[
Qy = exp v + 0,5sv2
sQy = Qy
2 sv2 = sv2n + ruv
(32.6)
exp sv2 − 1
( )
(32.7)
svn
(uN − un )
(32.8)
donde v = vn + ruv
]
sun sv2n su2n
(su2
N
− su2n
)
(32.9)
donde Qx indica los caudales de la estación a largo plazo, Qy los caudales de la estación a corto plazo, u = ln Qx, v = ln Qy, un , uN
son los valores medios de la variable u basada en n y N observaciones, respectivamente;
vn
es el valor medio de la variable v, basada en n observaciones;
Sun , SuN son las desviaciones estándar de u, basada en n y N observaciones; es la desviación estándar de v, basada en n observaciones; Sv n
ruv
es el coeficiente de correlación entre u y v;
n
es el número de años de observación en la estacion a corto plazo;
N
es el número de años de observación en la estación a largo plazo.
Los parámetros Qy y SQy se calculan por medio de las ecuaciones 32.6 y 32.7. Para más detalles véase la publicación de Kaczmarek titulada The Estimation and Optimal Use of Surface Water Resources [4]. La correlación también es útil para definir las variaciones en las características de los caudales bajos o de estiaje. En este caso, la correlación no es entre las estaciones de aforo sino entre las mediciones de caudales de estiaje en sitios que no son de aforo y el caudal diario en una estación de aforo cercana [5]. Cuando estos datos se trazan en papel logarítmico, frecuentemente definen una línea recta que intersecta la línea de igual rendimiento por kilómetro cuadrado en un punto que corresponde a un nivel algo superior al caudal anual medio. Las mediciones de caudales de estiaje, utilizadas en la correlación, deben hacerse durante períodos de caudal base, al menos varios días después de que haya ocurrido cualquier precipitación en la cuenca.
474
CAPÍTULO 32
32.3.4 Longitud efectiva de un registro extendido Existe un grado mínimo de correlación entre los caudales de corrientes próximas o entre los caudales y las precipitaciones para que sea aceptable extender un registro. Cuanto más largo sea el registro de una corriente, más pequeño será el error de muestreo en ese registro. Para que la correlación entre dos registros sea útil, el error introducido por la correlación debe ser menor que el error de muestreo en el más corto de los registros. Se ha desarrollado una prueba práctica de la validez de una correlación basada en la longitud efectiva de un registro extendido Ne [6]. La longitud efectiva de un registro que combina un registro a corto plazo y otro extendido se obtiene con la ecuación: Ne =
N N−n 1 − r2 1+ n−2
(
)
(32.10)
donde n es el número de años del registro a corto plazo, N el número de años en el registro a largo plazo, y r el coeficiente de correlación. Por ejemplo, si se correlaciona un registro de cinco años con un registro de 20 años y r = 0,8, la longitud efectiva del registro extendido será de 7,1 años, con una ganacia de 2,1 años. La extensión del registro no es efectiva a menos que Ne sea mayor que n. Referencias 1. Langbein, W.B., y otros 1949: Annual runoff in the United States. U.S. Geological Survey Circular 52. 2. Langbein, W.B., 1962: The water supply of arid valleys in intermountain regions in relation to climate. Bulletin of the International Association of Scientific Hydrology, volumen 7, Nº 1, págs. 34-39. 3. Turc, L., 1954: Le bilan d'eau des sols: relation entre les précipitations, l'évaporation et l'écoulement. Troisième journée de l’hydraulique, Argel, 12-14 de abril de 1954, págs. 36-43. (Résumé de la thèse de l’auteur, París, 1953, publicado en l’Annuaire de l’agronomie, 1954, y en Sols africains, volumen III, 1954). 4. Kaczmarek, Z., 1967: The estimation and optimal use of surface water resources. Fourteenth General Assembly of ATMS (IUGG), Symposia on Surface Water Resources, 25 de septiembre a 7 de octubre de 1967, Berna. 5. Hardison, C.H. y Moss, M.E., 1972: Accuracy of low-flow characteristics estimated by correlation of base-flow measurements. U.S. Geological Survey Water Supply Paper 1542-B. 6. Comisión Económica de las Naciones Unidas para Asia y el Lejano Oriente/ Organización Meteorológica Mundial, 1960: Hydrological Networks and Methods. Flood control series, Nº 15.
CAPÍTULO 33 RELACIONES LLUVIA–ESCURRIMIENTO
33.1 Generalidades [K22] Las relaciones lluvia-escurrimiento se utilizan principalmente para el diseño, los pronósticos y la evaluación. Si los datos de escurrimientos no están disponibles o son insuficientes para una interpretación o extrapolación fiables, las relaciones lluvia-escurrimiento pueden ser muy útiles porque permiten extraer la información de escurrimiento a partir de los registros de precipitación. Como los datos de lluvia son relativamente fáciles y poco costosos de recoger, son generalmente más abundantes que los datos de escurrimiento. Si se puede establecer una relación estrecha entre lluvia y escurrimiento para una cuenca determinada, la relación lluvia-escurrimiento, aplicada a los datos de lluvia, puede dar estimaciones más fiables de la frecuencia de grandes caudales que los que puede dar una relación regional entre las crecidas (sección 36.2) o una extrapolación basada en los datos de escurrimientos de la cuenca. Las relaciones lluvia-escurrimiento usualmente se establecen en dos etapas: la determinación del volumen de escurrimiento que resulta de un volumen de lluvia producido durante un período de tiempo dado, y la distribución del volumen de escurrimiento en función del tiempo. La primera etapa es necesaria debido a la división de la lluvia en evapotranspiración (capítulo 38), infiltración y escurrimiento. La segunda se requiere para tomar en cuenta el tiempo de recorrido y la atenuación de la onda de escurrimiento que se genera por la lluvia. El estudio de ambos pasos se realiza en el presente capítulo. 33.2 Volúmenes de escurrimiento 33.2.1 Índice de precipitación anterior El índice de precipitación anterior se ha desarrollado principalmente para la predicción fluvial y se aplica a una amplia gama de cuencas hidrográficas y de condiciones muy variadas [1, 2]. Su deducción para una cuenca particular requiere datos observados de lluvia y escurrimiento de muchas tormentas. Las variables necesarias son un índice graduado de precipitación anterior, It, época del año, duración de la tormenta y la altura media de la lluvia de la tormenta en la cuenca. El índice de precipitación anterior se define como sigue:
476
CAPÍTULO 33
It = Iokt + ∑ Pikt(i) (33.1) donde Io es el valor inicial del índice, k el factor de recesión, t el intervalo de tiempo para el cálculo, Pi son las cantidades de lluvias diarias que han ocurrido durante el intervalo de tiempo y t(i) los números de días a partir de cada día con precipitación, respectivamente. Con frecuencia es conveniente usar formas simplificadas del índice de precipitación anterior. Una o más de las variables pueden tener una influencia insignificante en ciertas cuencas, por lo tanto es posible reducir el número de estas variables. Pero en cualquier caso, el método general es el mismo. Los efectos de la cobertura vegetal, tipo de suelo y otras características más o menos permanentes de una cuenca, así como la época del año, se reflejan en la selección del valor del factor de recesión. La época del año se expresa como una familia de curvas que representan la tendencia estacional de la energía solar, las condiciones de la vegetación y otros factores que influyen en la evaporación y la transpiración de humedad en la cuenca. El índice de precipitación anterior es una expresión de la humedad en la cuenca y de la retención de humedad en el suelo. Un factor de recesión diario que se usa corrientemente es 0,9, y se ilustra en la figura 33.1. El índice de precipitación antecedente se puede calcular a partir de la precipitación media de varias estaciones o para cada estación de una cuenca de drenaje. En la mayoría de los casos se prefiere este último procedimiento.
Precipitaciones o índice de precipitación anterior (mm)
60
50
Índice de precipitación anterior (K=0,90)
40
30
20
Precipitaciones diarias
10
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Días
Figura 33.1 — Índice de precipitación anterior
17
18 19
20
477
RELACIONES LLUVIA–ESCURRIMIENTO
La figura 33.2 ilustra el método para estimar el volumen de escurrimiento a partir de la lluvia y del índice de precipitación anterior. Las líneas con guiones y las flechas muestran el uso de este diagrama. Por ejemplo, se entra al diagrama con un valor de 22 mm para el índice de precipitación anterior. Las rayas largas y las flechas conducen al mes de julio y, luego, hacia abajo, a una duración de tormenta de 24 horas. El ejemplo prosigue hacia la derecha, a la lluvia de la tormenta supuesta de 40 mm y, por último, hacia arriba, a un escurrimiento de 16 mm de altura media en la cuenca. Si la tormenta hipotética del ejemplo anterior se hubiera producido en febrero, sin variar las otras condiciones, sería diferente el efecto de la precipitación anterior de 22 mm. Por lo general en febrero, a diferencia de julio, la misma cantidad de precipitación anterior hubiera dejado el suelo más cerca de la saturación debido a la vegetación latente y a la menor evapotranspiración de invierno. Los guiones y las flechas más cortas de la figura 33.2 muestran que el escurrimiento de la lluvia de 40 mm en este segundo ejemplo, sería de 30 mm. 60
30
ril
Marz
10
30
20
mm ) sc a(
50
a
)
40
la
sc
as
Escurrimiento de las aguas de borrasca (mm) 10 20 30 40 50
Llu
via
de la b
orr a
ra
de
rra
or
10
60
Du
ón ci
bo
(h
Ab
Ju
Ma yo
lio
o
20
Índice de lluvias anteriores (mm)
bre Diciem
40 Fébrero
bre iem
Enero
Nov
io Jun
ad oc Ép
Ag os to
el
añ o
Se ptie mb re
50
0 24
48 72 96 0 12
Figura 33.2 — Índice de humedad anterior para estimar el escurrimiento a partir de la lluvia
478
CAPÍTULO 33
El suelo congelado y las acumulaciones de nieve requieren una atención especial para estimar las condiciones de humedad anterior. Con el suelo congelado, se usa generalmente la curva de la época del año que produce el escurrimiento máximo. La influencia de la nieve en el suelo se expresa mejor en términos de cantidad y velocidad del derretimiento que de acumulación total. El tema del derretimiento de nieve (fusión) se aborda en el capítulo 31. 33.2.2 Caudal de base inicial como índice del volumen de escurrimiento En regiones húmedas, donde las corrientes no llegan normalmente a secarse, el caudal de base, esto es, el caudal proveniente de las aguas subterráneas al comienzo de una tormenta se usa como índice de las condiciones iniciales de la cuenca. Un ejemplo de dicha relación se muestra en la figura 33.3. El caudal de base refleja las condiciones de toda la región. En algunas zonas, se considera necesario variar esta relación con la estación del año. Un método corriente es deducir una relación para el verano y otra para el invierno, lo que conduce al inevitable problema de las tormentas que ocurren entre ambas estaciones. La solución consiste en construir una estimación del escurrimiento con base en cada curva y después hacer una interpolación.
en Cau m da et ro l su s c bt úb err ico áne sp o or inic se ial gu nd o
Escurrimiento de las aguas de la borrasca (cm)
3
2
9
1
7 5 3
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
Precipitaciones de la borrasca
Figura 33.3 — Índice del caudal de base para la relación lluvia–escurrimiento El uso del caudal inicial de aguas subterráneas como índice de las condiciones de escurrimiento, usualmente está limitado a cuencas pequeñas con tiempos de concentración cortos. Para zonas más grandes, durante una estación de lluvia, un ascenso del hidrograma tiende a estar superpuesto al último, lo cual dificulta bastante la
RELACIONES LLUVIA–ESCURRIMIENTO
479
determinación del caudal inicial de aguas subterráneas. El procedimiento usual es determinar el caudal inicial de aguas subterráneas para cuencas con índices pequeños y aplicarlos a otras zonas cercanas que tengan características hidrológicas similares. 33.2.3 Técnicas de evaluación de la humedad La deficiencia de humedad en el suelo es probablemente el factor más importante de la relación entre la lluvia y el escurrimiento. Un medio práctico para estimar las deficiencias iniciales de humedad del suelo en una región daría una variable muy útil que podría incluirse en un procedimiento que sirva para correlacionar la lluvia de una tormenta con el escurrimiento resultante. Los instrumentos para medir la humedad del suelo en un perfil de suelo específico se han vuelto bastante prácticos (capítulo 15), pero la amplia variedad de perfiles de suelo y condiciones de humedad que existen incluso en una cuenca pequeña, hace que las mediciones puntuales de la humedad del suelo tengan un valor dudoso para su aplicación en una relación lluvia-escurrimiento. Un enfoque más prometedor es el uso de una técnica de evaluación espacial que da valores de humedad del suelo de toda una región. En este enfoque, la precipitación es el flujo afluente, y el flujo efluente es el escurrimiento que abandona la región por los cursos de agua, más la evapotranspiración hacia la atmósfera procedente de las superficies del suelo y de las plantas. La manera de estimar la precipitación sobre la zona es el problema usual de deducir promedios espaciales a partir de valores puntuales. El escurrimiento de la región se puede determinar a partir de los registros del escurrimiento en canales. El problema será entonces asociar el caudal a la tormenta que lo produjo (sección 33.3.1.1). La diferencia lluvia menos escurrimiento, es el agua que permanece en la zona y se denomina recarga Rc. El tercer elemento, la evapotranspiración, es el más difícil de evaluar porque su medición directa es extremadamente difícil (sección 9.1). La mayoría de las técnicas para evaluar la humedad del suelo se basan en el principio de que existe una relación sencilla entre la evapotranspiración real, la evapotranspiración potencial, ETp y el déficit de humedad del suelo. Una forma sencilla de calcular la humedad del suelo es considerar que el perfil del suelo tiene una capacidad, S, sobre toda la región. El déficit de humedad del suelo, DUs, se determina por la ecuación: DUs(t+1) = DUs(t) – Rc + ET
(33.2)
donde DUs(t) es el déficit de humedad del suelo en el tiempo t, DUs(t+1) es su valor en un período de tiempo más tarde, Rc la recarga y ET la evapotranspiración que se produce entre los tiempos t y t+1. El déficit varía entre los límites de cero y S. Este enfoque se puede hacer más realista multiplicando el valor de la evapotranspiración por el cociente (S - DUs(t))/S, que indica que la evapotranspiración real se
480
CAPÍTULO 33
reduce a medida que disminuye el suministro de humedad disponible en el perfil del suelo. Otra modificación posible sería dividir el perfil del suelo en capas. En este enfoque, se supone que la humedad de la capa superior debe disminuir antes de que comience el agotamiento de la capa inferior y, a la inversa, la recarga de la capa inferior se inicia a partir de la saturación de la capa superior. La aplicación de los valores de evaluación de la humedad del suelo, para usarse en una relación lluvia-escurrimiento, se puede hacer relacionando el escurrimiento, Q, el caudal calculado en el balance Q = cQU + (1- c) QL
(33.3)
donde c es una constante, QU el escurrimiento calculado de la capa superior y QL es el escurrimiento calculado de la capa inferior. 33.3
Distribución de un escurrimiento en el tiempo Para tener en cuenta el tiempo de recorrido y de atenuación de un volumen de agua que descarga la lluvia sobre una cuenca, debe hacerse una evaluación a través del tiempo a la salida de la cuenca. Este paso se logra mediante el uso de un hidrograma unitario, que describe la distribución temporal del escurrimiento que sale de la cuenca. El hidrograma unitario está restringido por el principio de conservación de la masa de la siguiente manera: V = ∫ Q(t)dt
(33.4)
donde Q(t) es el caudal instantáneo, t el tiempo y V el volumen de escurrimiento. La función Q(t) define una curva cuya forma representa correctamente las características de la cuenca. Para comparar hidrogramas de diferentes cuencas y ayudar en la preparación de hidrogramas sintéticos se han preparado modelos determinísticos que relacionan las características del hidrograma con los datos hidrológicos y meteorológicos. Estos modelos se describen a continuación. 33.3.1 Hidrograma unitario El hidrograma unitario de una cuenca se define como el hidrograma resultante de una unidad de escurrimiento directo (u otro componente) generado uniformemente (o de acuerdo con una configuración específica) sobre la cuenca a una velocidad uniforme durante un período de tiempo específico. En la práctica, se supone que el hidrograma unitario no varía en el tiempo. Además, se supone que los volúmenes de escurrimiento diferentes al volumen unitario producen hidrogramas que son proporcionales al hidrograma unitario.
RELACIONES LLUVIA–ESCURRIMIENTO
33.3.1.1
481
Construcción del hidrograma unitario a partir de registros de escurrimiento A fin de determinar el volumen de escurrimiento de una tormenta determinada es necesario separar el hidrograma en sus componentes pertinentes. Un componente es el escurrimiento directo (o escurrimiento de la tormenta) asociado a una tormenta determinada. Otro componente principal es el escurrimiento que persiste de contribuciones anteriores al caudal. El tercer componente principal es el flujo de la tormenta inmediata que se retrasa al pasar a través del suelo. Una parte mayor de este tercer componente se conoce como interflujo, esto es, el agua que pasa a través del suelo con muy poco retraso, y frecuentemente se incluye como parte del escurrimiento directo. Algunos de los modelos conceptuales más recientes para la simulación continua del escurrimiento permiten calcular separadamente cada uno de los componentes antes mencionados. Con este tipo de análisis, no es posible identificar por inspección cada uno de los diversos componentes del hidrograma observado. En métodos de análisis menos complejos, en los cuales sólo se identifican dos componentes, es posible separar el hidrograma observado y evaluar la magnitud de los dos componentes. En el siguiente ejemplo, el escurrimiento directo incluye tanto el escurrimiento de superficie como el interflujo. Uno de los métodos más sencillos para separar un hidrograma en sus componentes principales se ilustra en la figura 33.4. El caudal de base se extrapola (segmento de línea AB) al instante del caudal máximo, extendiendo la curva según la velocidad de ascenso de la corriente. Desde el punto B, se dibuja una línea recta para intersectar el hidrograma en el punto C en un tiempo fijo posterior. El tiempo, en días, de B a C está determinado sobre todo por el tamaño de la cuenca, y generalmente es de cerca de (A/2)0,2, donde A es la superficie de la cuenca en kilómetros cuadrados. Existen varios métodos de separación de hidrogramas. Más importante que el método, es la necesidad de que se use la misma técnica tanto en la aplicación como en el trabajo de análisis. El escurrimiento total, correspondiente a una tormenta o a un período de lluvias, puede determinarse con el siguiente método. En la figura 33.4 el área situada bajo el hidrograma, entre los tiempos E y C, corresponde al escurrimiento de la tormenta ya que los puntos de inicio y fin representan las mismas condiciones de recesión del agua subterránea y, por tanto, el mismo almacenamiento. La figura 33.4 ilustra los pasos esenciales para obtener un hidrograma unitario de escurrimiento directo a partir de datos de observación. Estos pasos se pueden efectuar ya sea gráfica o numéricamente. El hidrograma de escurrimiento directo corresponde al escurrimiento en exceso con respecto a la línea ABC. El volumen del escurrimiento directo se obtiene al medir el área comprendida bajo el hidrograma.
482
CAPÍTULO 33 40 Lluvia efectiva de 12 horas
Hidrograma observado
Caudal de la corriente (m3 s-1)
30 Hidrograma de escurrimiento directo
20
Hidrograma unitario
10
E
C
+
A
D
B
+
Escorrentía de base
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Tiempo en días
Figura 33.4 — Análisis de un hidrograma Un método conveniente, si no se dispone de un planímetro, es contar los cuadrados. En este ejemplo hipotético, el volumen del escurrimiento directo es 4 320 000 m3. En una cuenca supuesta de 200 km2 de superficie, este volumen representa una altura media de 2,16 centímetros. Para obtener el hidrograma unitario es necesario dividir cada ordenada del hidrograma de escurrimiento directo entre 2,16. El hidrograma así determinado muestra la forma del hidrograma que resultaría de una altura media de 1,0 cm de escurrimiento directo sobre la cuenca de drenaje, esto es, el hidrograma unitario. En los registros de algunas cuencas es difícil encontrar tormentas unitarias que produzcan aumento del caudal cuyo hidrograma no se vea alterado por otras tormentas. En ese caso, la deducción de un hidrograma unitario se hace más compleja. Un método para obtener un hidrograma unitario en estas circunstancias es suponer un hidrograma unitario inicial, y reconstruir los hidrogramas de escurrimiento directo para varias tormentas, usando los incrementos estimados de escurrimiento, y mejorar el hidrograma unitario por aproximaciones sucesivas según los resultados. El método de reconstrucción se muestra en la figura 33.5 y la ecuación utilizada es: qn = QnU1 + Qn−1U2 + Qn−2U3 + K + Qn−i+1Ui + K + Q1Un
(33.5)
483
RELACIONES LLUVIA–ESCURRIMIENTO
Escurrimiento directo (m3 s-1)
300
200
U1
U1
Q3 Q2 U2
100
U1
Q1
U3
U3 U2 U3
0 0
U2
12
U4 U4
24 Tiempo (horas)
U5
U4 U5
36
U5
48
Figura 33.5 — Reconstrucción de un hidrograma de escurrimiento directo donde qn es el caudal de escurrimiento directo en el tiempo n, Un la enésima ordenada del hidrograma unitario y Qn-i+l el escurrimiento directo durante el intervalo de tiempo i. Esta ecuación también se pueden usar como el modelo de regresión para la deducción de un hidrograma unitario por mínimos cuadrados. Para cuencas de drenaje de 200 a 2 000 km2, se usan incrementos de tiempo de seis horas, pero para una exactitud mayor, podrían emplearse intervalos de tiempo más cortos. Para cuencas de drenaje más pequeñas pueden también necesitarse incrementos de tiempo más cortos. Los incrementos de tiempo deben ser lo suficientemente pequeños para que produzcan una buena definición de la forma del hidrograma y para que permitan que se elabore una predicción antes de que haya transcurrido un incremento de tiempo muy largo. Por cuanto se refiere a cuencas de unos 2 000 km2 se pueden usar hidrogramas unitarios con incrementos de tiempo más grandes, pero generalmente los hidrogramas unitarios deben aplicarse a las subcuencas y pueden ser combinados luego por medio de la circulación de caudales. Como pudiera esperarse en consideraciones de la hidráulica fluvial, hay una tendencia a aumentar los picos de los hidrogramas unitarios con la magnitud del
484
CAPÍTULO 33
escurrimiento. Por consiguiente, en aplicaciones prácticas, ocho gráficos unitarios puede usarse para una cuenca determinada, con hidrogramas unitarios con picos más grandes para los casos de grandes cantidades de escurrimiento, y más pequeños para las cantidades menores de escurrimiento. Con frecuencia, sólo se utilizan dos categorías de hidrogramas. Mediante el estudio y la práctica se adquire la experiencia necesaria para utilizar los hidrogramas unitarios. En cuanto a otros métodos, diferentes a los que se describen en esta sección, y para diversos refinamientos, se deben consultar libros de texto y manuales de los organismos que usan hidrogramas unitarios en sus operaciones regulares. 33.3.1.2 Deducción por métodos sintéticos Con frecuencia es necesario planificar proyectos de construcción o de explotación para corrientes no aforadas. En tales casos, es útil establecer hidrogramas unitarios sintéticos [3, 4]. Un método usado con frecuencia para establecer un hidrograma unitario es el de Snyder [5], según el cual se analiza un gran número de cuencas e hidrogramas unitarios para deducir las relaciones entre la forma del hidrograma unitario y las características físicas objetivas de la cuenca de drenaje. Los parámetros importantes en la forma de un hidrograma unitario son su pico, la longitud de la base y el tiempo de respuesta de la cuenca, que se puede definir de varias formas, pero con este propósito, es el tiempo entre el centro de la lluvia y el pico del hidrograma. En el método de Snyder, el tiempo de respuesta de la cuenca, (tp) expresa en horas por: tp = C1 (llc)n
(33.6)
donde C1 es un coeficiente empírico de conversión de unidades, l la longitud de la corriente principal en kilómetros, lc la distancia en kilómetros entre el centro del área de drenaje hasta la salida y n un exponente empírico. Para caracterizar la forma más o menos puntiaguda del hidrograma unitario, este método usa una duración estándar de lluvia igual a tp/C2, donde C2 está determinado empíricamente. Para lluvias de esta duración: Qp = C3A/tp
(33.7)
donde Qp es el caudal de punta del escurrimiento en m3 s-1, C3 una constante empírica, A la superficie de la cuenca en km2 y tp el tiempo en horas según la definición antes mencionada. El tiempo base en días Tb es: Tb = d + C4tp
(33.8)
Las constantes d y C4 son determinadas por el procedimiento usado para separar el flujo base del escurrimiento directo.
RELACIONES LLUVIA–ESCURRIMIENTO
485
Para lluvias de duración TR, que no sea la duración estándar de la lluvia, el tiempo de respuesta, tc, está dado por: tc = tp + f(TR)
(33.9)
donde f(TR) es una función de duración. Los coeficientes de Snyder fueron derivados para corrientes en los Apalaches (Estados Unidos). El método general ha resultado aplicable a otras regiones, pero es natural que se utilicen otros coeficientes para diferentes tipos de topografía, geología y clima. 33.3.1.3 Conversión de la duración de un hidrograma unitario Rara vez se observa una lluvia adecuada de duración unitaria. Las variaciones de la lluvia en el tiempo y el espacio producen diferentes hidrogramas, aunque la duración y la cantidad total de la lluvia pueden ser exactamente las mismas. Así, la deducción de un hidrograma unitario general requiere un promedio de varios hidrogramas unitarios. Un método para obtener un hidrograma unitario generalizado es la comparación de hidrogramas unitarios de diferentes duraciones. Si un hidrograma unitario de t horas de duración se suma a sí mismo, con un retraso de t horas, y las ordenadas se dividen entre dos, el resultado es un hidrograma unitario para 2t horas. Las conversiones similares son evidentes. Una aplicación más amplia de esta idea básica para manipular los hidrogramas unitarios se conoce como método de adición o de curva en S. La curva en S es el hidrograma que resultaría de una serie infinita de incrementos de escurrimiento de un centímetro en t horas. La curva en S se construye sumando una serie de hidrogramas unitarios, cada uno retrasado T horas con respecto al hidrograma precedente. Con un tiempo base de T horas para el hidrograma unitario, una lluvia continua que produce un centímetro de escurrimiento directo cada t horas dará lugar a un efluente constante al final de T horas. De esta manera, se requerirían T/t horas para producir una curva S correspondiente a un flujo constante. La construcción de una curva en S se puede lograr mediante un procedimiento numérico, en lugar de uno gráfico. Un hidrograma unitario para cualquier duración, t, se puede obtener retardando la curva en S t horas y obteniendo ordenadas de las curvas en S retardadas y no retardadas. Para obtener un volumen unitario, estas ordenadas deben multiplicarse por el cociente de la duración del hidrograma unitario original sobre t horas. El hidrograma unitario instantáneo es el hidrograma unitario cuya unidad de tiempo, t, es infinitamente pequeña. La construcción de un hidrograma unitario de t horas a partir de un hidrograma instantáneo se efectúa por medio de una curva en S.
486
CAPÍTULO 33
33.3.2 Método de las isocronas El método de las isocronas es una expresión de uno de los primeros conceptos de escurrimiento en una cuenca. El escurrimiento de diferentes partes de una cuenca de drenaje llega a un punto en la corriente a diferentes tiempos. El primer volumen de agua en salir de la cuenca durante una elevación de la corriente usualmente proviene del área más cercana a la salida de la cuenca. Más tarde, el agua proviene de áreas más grandes en la porción central de la cuenca, y, por último, el agua proviene de zonas alejadas de la cuenca de drenaje. Por lo tanto, la cuenca de drenaje puede dividirse en zonas donde el agua llega secuencialmente al punto de medición. A las líneas que dividen estas zonas (figura 33.6 a)), se les llama isocronas. La distribución de las zonas de isocronas (distribución del espacio en el tiempo) se considera constante en una cuenca determinada para todos los hidrogramas. A fin de calcular esta distribución, primero es necesario calcular o suponer un tiempo medio de recorrido o una velocidad media del escurrimiento. Las isocronas se dibujan en un mapa de la cuenca, de acuerdo con la velocidad media del flujo en el canal o el tiempo de recorrido medio. Después, se determina el área de cada zona con un planímetro, y se trazan los valores en función del tiempo de retraso correspondiente (figura 33.6 b)). La distribución de área en el tiempo es indicativa del hidrograma para una lluvia uniforme de duración unitaria, ∆t, la diferencia de tiempo entre las isocronas. Si hay varios períodos de lluvia, cada uno con un volumen diferente de escurrimiento sobre las diferentes zonas: Qt ∆t = A1Vt + A2Vt-1 + A3Vt-2 + … + AcVt-c+1
(33.10)
donde Qt es el caudal medio durante el período ∆t terminando en el tiempo t, y Vt es el escurrimiento en una zona durante el mismo período. Debe tenerse cuidado para que las unidades sean uniformes. La figura 33.6 c) ilustra el cálculo del hidrograma resultante para tres períodos de escurrimiento uniforme en una cuenca. El hidrograma resultante refleja las características de retraso de la cuenca. Como el hidrograma real podría ser afectado por el almacenamiento en el canal, el hidrograma calculado con la ecuación 33.10 debería realizarse teniendo en cuenta el almacenamiento. Para ello, puede usarse cualquiera de los numerosos métodos que se describen en todo lo publicado sobre el tema. En el capítulo 34 se describen dos de esos métodos. En general, se considera que es ventajoso ajustar las isocronas y los parámetros de propagación por prueba y error para obtener la mejor combinación para la simulación de los hidrogramas observados. El método de las isocronas permite que se tomen en cuenta las distribuciones no uniformes de lluvia cuando hay suficientes pluviómetros en la cuenca para delinear una configuración lluvia de manera fiable. Esto constituye una ventaja en relación con el hidrograma unitario descrito en la sección 33.3.1.
487
RELACIONES LLUVIA–ESCURRIMIENTO
A2
A1
T=O
A3
A5 = Ac
AT = A4
T=5=c c = Tiempo de concentración
T=1 T = 2 = 1 + 4t
T=4
T=3
a) Mapa de la cuenca con curvas isocronas
Ar
A4 A3
A2
A1
A5 T
1
2
3
4
5
b) Disribución espacio-tiempo
A2 V3 Qr
A3 V3
A3 V2 A1 V3 A2 V3
A4 V3
A4 V3
A4 V1
A1 V2 A3 V1 A1 V1 1
A2 V1
A5 V1 2
3
4
A5 V3
A5 V2 5
c) Hidrograma resultante
Figura 33.6 — Método de las isocronas
6
7
488
CAPÍTULO 33
33.4 Modelos distribuidos En los últimos años se han preparado varios modelos que son más complejos que los antes mencionados. El objetivo de estos modelos es observar de cerca los procesos hidrológicos e incorporar distintas variables meteorológicas y parámetros de una cuenca. Su producto es una serie de escurrimientos sintéticos y algunas veces de recarga de aguas subterráneas. Los datos de entrada básicos son una serie de cantidades de lluvia, pero se pueden incluir datos de nevadas, temperatura, radiación, evapotranspiración potencial, etc. Los modelos para cuencas urbanas pueden contener una descripción de su red de drenaje. Los modelos para las zonas rurales pueden contener hidrogramas unitarios, curvas de distribución del área en el tiempo o subprogramas de circulación. Referencias 1. Linsley, R.K., Kohler, M.A. y Paulhus, J.L.H., 1949: Applied Hydrology. McGraw-Hill, Nueva York. 2. Linsley, R.K., Kohler, M.A. y Paulhus, J.L.H., 1958: Hidrology for Engineers. McGraw-Hill, Nueva York. 3. Linsley, R.K., 1943: Application of synthetic unit-graphs in the western mountain states. Transactions, American Geophysical Union, volumen 24, Parte 2, págs. 580-586. 4. Taylor, A.B. y Schwartz, H.E., 1952: Unit-hydrograph lag and peak flow related to basin characteristics. Transactions, American Geophysical Union, volumen 33, págs. 235-246. 5. Snyder, F.F., 1938: Synthetic unit hydrographs. Transactions, American Geophysical Union, volumen 19, parte 1, págs. 447-454.
CAPÍTULO 34 TRÁNSITO DE AVENIDAS
34.1 Generalidades [K35, K45] Un volumen de escurrimiento procedente de la cabecera se mueve aguas abajo como una onda cuya forma en varias estaciones se puede calcular mediante una técnica conocida como cálculo del tránsito de crecidas. El almacenamiento y otros efectos tienden a atenuar la onda. Las irregularidades en las condiciones del canal y las aportaciones de los afluentes son dificultades inherentes al fenómeno. El estudio del tránsito de ondas de avenidas a través de embalses y canales se logra mediante muchos métodos que se basan en las ecuaciones de continuidad y energía (ecuaciones de St. Venant):
A⋅
∂v ∂A ∂A +v⋅ + =q ∂x ∂x ∂t
(34.1)
∂v ∂v ∂h v ⋅ q + v⋅ + g⋅ + = g s − sf A ∂t ∂x ∂x
(
)
(34.2)
donde t es el tiempo, x la longitud en la dirección del flujo, A el área de la sección transversal, v la velocidad media sobre A en la dirección de x, q el incremento lateral del caudal por unidad de longitud de x, g la aceleración de la gravedad, h la altura media del agua, s la pendiente longitudinal del canal y sf la pendiente de fricción. Estas ecuaciones son la base de todos los métodos de cálculo del tránsito de avenidas en ríos y en embalses. Existen dos métodos básicos para calcular el tránsito de avenidas en canales: los métodos hidrodinámicos y los métodos hidrológicos. Se usan modelos más sencillos para calcular la atenuación de una crecida a través de un embalse. 34.2 Métodos hidrodinámicos 34.2.1 Método completo El tránsito dinámico completo, que tiene en cuenta los efectos de la aceleración del flujo y de la pendiente de la superficie del agua, permite determinar con exactitud las
490
CAPÍTULO 34
elevaciones de la superficie del agua y los flujos en las siguientes situaciones de flujo variable: a) movimiento de las ondas aguas arriba, como las que produce la acción de la marea o los oleajes provocados por una tormenta marina; b) efectos de remanso producidos por los embalses o por afluentes ubicados aguas abajo; c) ondas de avenida característica de los ríos con pendientes pequeñas, por ejemplo, menos del 0,05 por ciento; d) ondas abruptas causadas por extracciones controladas de embalses o por la rotura de una presa. El tránsito dinámico generalmente se basa en las ecuaciones hidrodinámicas unidimensionales de flujo variable, denominadas ecuaciones de St. Venant. Estas ecuaciones, antes indicadas, generalmente son expresadas en su forma conservativa y aparecen como sigue: Continuidad:
Energía:
∂ Q ∂ ( A + Ao) + −q=O ∂x ∂t
(34.3)
∂ hy ∂Q ∂Q2 / A + + gA + S f − qvx + W f B = 0 ∂t ∂x ∂x
(34.4)
donde: Sf =
n 2Q A 2 R 4/ 3
W f = CwV w cos ω
(34.5)
(34.6)
donde Q es el caudal, A el área de la sección transversal activa, Ao el área de la sección transversal inactiva o de capacidad muerta, hy la altura de la superficie del agua, vx es la velocidad del afluente lateral en la dirección x del río, B el ancho superior del área de la sección transversal activa, n el coeficiente de rugosidad de Manning, R el radio hidráulico, Wf el efecto del viento, Cw el coeficiente del viento, Vw la velocidad del viento, ω el ángulo entre la dirección del viento y el eje x del río, mientras que los otros símbolos representan las variables previamente definidas. Los métodos numéricos para resolver las ecuaciones diferenciales parciales (ecuaciones 34.3 y 34.4) para ríos naturales, pueden clasificarse en dos amplias categorías, explícitas e implícitas. El método explícito más popular es el método de las características, pero en la actualidad no es el que más se usa. Existen métodos
TRÁNSITO DE AVENIDAS
491
explícitos e implícitos de diferencias finitas. Hay ventajas e inconvenientes asociados a los diversos métodos de solución. Deben considerarse factores como la estabilidad numérica y la convergencia, el tiempo de cálculo y la capacidad de almacenamiento del ordenador, y el grado de complejidad informática y matemática. Algunos métodos de solución requieren modificaciones de la forma de las ecuaciones 34.3 y 34.4 antes de que se puedan aplicar. En general, los métodos implícitos de diferencias finitas [1, 2] son más complejos pero más eficientes que los métodos explícitos, cuando se calculan flujos transitorios de varios días de duración. Con los métodos implícitos se pueden usar intervalos de tiempo mucho mayores. Los métodos explícitos son sencillos, pero son alterados por los problemas de estabilidad numérica, a menos que se seleccione apropiadamente el intervalo de tiempo. Éstas y otras limitaciones deben entenderse perfectamente antes de seleccionar un método de solución particular para desarrollar un método de pronóstico con tránsito dinámico o para seleccionar un método de tránsito dinámico existente para una aplicación determinada. Una tarea crítica al aplicar el tránsito dinámico a una situación de pronóstico real es la determinación del parámetro de rugosidad en el término de la ecuación 34.5, correspondiente a la pendiente de fricción Sf. Este parámetro varía con el flujo o la elevación, así como con la distancia a lo largo del río. Algunas formulaciones de este problema importante han sido expuestas por la American Society of Civil Engineers en Friction Factors in Open Channels [3], por Rouse en Critical Analysis of Open-channel Resistance [4], y por Simons y Senturk en Sediment Transport Technology [5], mientras que algunos métodos para estimar el coeficiente de rugosidad a partir de mediciones sobre el terreno son presentadas por Limerinos en Determination of the Manning Coefficient from Measured Bed Roughness in Natural Channels [6] y por Hey en Flow Resistance in Gravel-bed Rivers [7], y por comparaciones de imágenes presentadas por Ven Te Chow en Open Channel Hydraulics [8] y por Barnes en Roughness Characteristics of Natural Channels [9]. La determinación previa de la relación del parámetro de rugosidad con el flujo y la distancia por prueba y error es una tarea que toma mucho tiempo. Las técnicas para determinar automáticamente la relación facilitan grandemente la utilización operacional del tránsito dinámico en un ambiente de pronóstico. Una evaluación apropiada de las condiciones límites e iniciales para la solución de las ecuaciones de St. Venant de una manera operacional, es quizá la tarea más crítica en la puesta en práctica de un método de tránsito dinámico. Otra tarea crítica es el establecimiento de un programa de adquisición de datos eficiente y de un programa de gestión de datos vinculado integralmente con el elemento de cálculo. La geometría de la sección transversal debe procesarse tan eficaz y fácilmente como sea posible para usar el programa de tránsito dinámico. Las condiciones anticipadas de flujo deberían requerir muy poca entrada de datos para
492
CAPÍTULO 34
que se pueda usar la técnica de tránsito dinámico como una herramienta de pronóstico. 34.2.2 Difusión y tránsito cinemático Al modificar ligeramente la ecuación de la cantidad de movimiento y al ignorar los efectos del viento y la cantidad de movimiento de caudales laterales, puede obtenerse una representación muy clara de las diferencias fundamentales entre tránsito dinámico, tránsito por difusión y tránsito cinemático. Considérese:
1 ∂v v ∂v + g ∂t g ∂t
+
∂h ∂x
(34.7) − So + S f = 0
Modelo cinemático Modelo de difusión Modelo dinámico donde las nuevas variables son v, la velocidad media en la sección transversal en dirección x, h el tirante, y So la pendiente del fondo. En el primer nivel de aproximación, se desprecian los términos que representan las aceleraciones relacionadas con la variación temporal del afluente y la variación espacial de la velocidad. El modelo resultante se denomina modelo de difusión. En algunas situaciones de flujo, también es posible despreciar el término de la fuerza de presión y tratar la ecuación de la cantidad de movimiento como un equilibrio entre las fuerzas de gravedad y de fricción. A esta aproximación se le conoce como modelo cinemático. Se ha demostrado [10] que una aproximación en diferencias finitas del modelo de onda cinemática coincide con el método Muskingum (sección 34.3). Tanto la aproximación cinemática como la aproximación de difusión se han usado con buenos resultados en los últimos años para describir flujos de superficie y flujos en corrientes donde las pendientes son superiores a cerca de 0,1 por ciento. El modelo de difusión puede usarse en ríos con pendientes más pequeñas, pero con precaución porque los términos de inercia pueden volverse importantes. En los últimos años, el modelo cinemático se ha vuelto muy popular en aplicaciones donde la topografía y la geometría irregulares de cuencas naturales pueden reemplazarse por una serie de elementos sencillos como los planos de flujo y los segmentos regulares de caudal. Las ecuaciones cinemáticas también se usan en modelos de calidad del agua para predecir el transporte de contaminantes solubles e insolubles. Un modelo cinemático no considera los efectos de remanso provenientes de los caudales laterales u operaciones de embalses aguas abajo, ni se puede usar para predecir progresiones de onda en dirección aguas arriba.
TRÁNSITO DE AVENIDAS
493
34.3 Métodos hidrológicos Además de las técnicas que incorporan ambas ecuaciones de St. Venant, existen varios métodos que sólo usan la ecuación de continuidad. Dichos métodos hidrológicos de tránsito de avenidas son muy usados. Estas técnicas, estudian exclusivamente la onda de propagación de crecidas al considerar los aumentos y disminuciones de almacenamiento en tramos que están entre dos puntos de medición. El modelo hidrológico es mucho más sencillo y es más fácil tener en cuenta los caudales afluentes provenientes de una variedad de fuentes. Sin embargo, como la relación entre el almacenamiento y el flujo se determina empíricamente en estos métodos, no se pueden usar directamente cuando los datos de flujo o los niveles se requieren para propósitos de diseño. Al usar los métodos hidrológicos de tránsito, el flujo en un punto aguas arriba está determinado, y el tránsito se usa para calcular el flujo y el nivel del agua en un punto aguas abajo. El tránsito consiste en la solución de la siguiente ecuación usando una relación entre el almacenamiento y el flujo: Idt – Qdt = dS
(34.8)
donde I y Q son los caudales de los puntos aguas arriba y aguas abajo, respectivamente, S es el almacenamiento y t el tiempo. La solución de esta ecuación implica aproximaciones concernientes a la relación flujo/almacenamiento, que constituye la principal dificultad en el tránsito hidrológico del escurrimiento. Un cierto número de métodos prácticos de tránsito se basan en la ecuación: I1 + I2 Q + Q2 ∆t − 1 ∆t = S2 − S1 2 2
(34.9)
donde los subíndices 1 y 2 representan el comienzo y el final de un incremento de tiempo ∆t, respectivamente. Este incremento de tiempo o período de tránsito nunca debe ser superior al tiempo de recorrido a través del tramo. Generalmente, el período de tránsito no debe exceder de la mitad del tiempo de recorrido. Con suficientes datos hidrométricos, se pueden deducir empíricamente las relaciones flujo/almacenamiento. Los métodos de tránsito más sencillos se basan en relaciones lineales entre el flujo y el almacenamiento, que hacen posible obtener soluciones analíticas. Dos de esos métodos se aplican en el pronóstico a corto plazo: a) el método Muskingum, propuesto por McCarthy [11] : Q2 = CoI2 + C1I1 + C2Q1 se basa en la siguiente relación entre el flujo y el almacenamiento:
(34.10)
494
CAPÍTULO 34
S = K [x Q1 + (1 – x) Q2]
(34.11)
Las constantes K y x se deducen empíricamente para un tramo dado a partir de los datos del caudal. La constante K representa la relación entre volumen almacenado y caudal, y es aproximadamente igual al tiempo de recorrido a través del tramo. K y x se determinan al trazar S frente a xI+ (1 – x)Q para varios valores de x. El mejor valor de x es el que da lugar a que la representación de datos se ajuste a una curva de un solo valor. Las constantes Co, C1 y C2 son funciones de K, de x, y del intervalo de tiempo ∆t. La suma de las constantes es igual a la unidad; b) el método de tramo específico, propuesto por G.P. Kalinin y P.I. Miljukov [12]: Qi = aIi-1 + (1 – a) Qi-1
(34.12)
a = I – e -∆t/K
(34.13)
donde
y K=
S Q
(34.14)
K es la constante de almacenamiento igual al tiempo de recorrido a través del tramo. El subíndice i denota el número ordinal del intervalo de tiempo. La ecuación 34.12 es aplicable a tramos de tránsito que tienen la longitud específica, L, que es aproximadamente igual a: L=
Q δQ Z δh
(34.15)
donde Z es la pendiente de la superficie del agua, y δQ/δh es la tangente de la relación caudal-nivel. Si un segmento de río consiste en varios tramos específicos, el cálculo del tránsito se lleva a cabo en sucesión de un tramo específico al siguiente aguas abajo. El caudal calculado para el punto aguas abajo del primer tramo, se toma como el caudal de entrada al segundo tramo y así sucesivamente. Para tramos largos de río, que carecen de los datos necesarios para determinar el número de tramos específicos, se puede usar una fórmula que expresa la transformación del flujo por un sistema de embalses lineales idénticos:
Q(t) = I
∆t t N −1e −t / K K ( N − 1)! n
(34.16)
TRÁNSITO DE AVENIDAS
495
donde N es el número de embalses. Los parámetros K y N se determinan por prueba y error. Las computadoras son muy útiles en este ámbito y para su utilización operativa. Existen otros métodos hidrológicos, por ejemplo, el método de la onda cinemática, el modelo lineal general y la analogía de difusión. 34.4 Tránsito de avenidas en embalses Un embalse disminuye considerablemente el caudal máximo en comparación con el flujo natural. Para calcular este efecto, tradicionalmente se han usado métodos gráficos, aunque mucho menos desde el advenimiento de las computadoras. El paso de una avenida a través de un embalse es algo diferente que a través de un canal. Las ecuaciones para la conservación de la masa y para la relación entre el caudal y el nivel son: (34.17) ds I−Q= dt
}
Q = c1 ⋅ h1/ 2 + c2 ⋅ h13/ 2
}
y, por ejemplo:
salida
aliviadero
(34.18)
donde I es el caudal neto de entrada (caudal de entrada menos pérdidas y menos el uso productivo), s el almacenamiento en el embalse, h la profundidad del agua en el embalse, ht la carga de agua sobre la cresta del vertedor, y c1 y c2 son coeficientes que dependen de las condiciones locales. Se requiere una relación entre h y s para la solución. Los pasos para la solución son similares a los descritos en la sección 34.3. Una comparación entre los hidrogramas de Q e I muestra casi siempre que el caudal de punta de Q es más pequeño y retrasado con respecto al de I. Esto constituye la base hidráulica de la atenuación de avenidas para la construcción de embalses. Como la velocidad de la onda de avenida en un embalse es mayor que la de los canales, el retraso en el caudal máximo efluente con respecto al caudal máximo afluente no necesariamente significa también un retraso, con respecto al caudal de punta que hubiera ocurrido en las condiciones predominantes antes de la construcción del embalse. Además, la construcción de un embalse puede algunas veces empeorar las condiciones de la avenida aguas abajo, a pesar de disminuir los caudales máximos, dado que el caudal máximo puede ocurrir en fase con los caudales de punta de otros tributarios, que usualmente están fuera de fase. Por lo tanto, la construcción de un embalse no se debe considerar siempre como un factor para mejorar las condiciones de inundaciones aguas abajo, debiéndose estudiar cuidadosamente la hidrología y la hidráulica que resultan después de realizar un proyecto.
496
CAPÍTULO 34
Referencias 1. Fread, D.L., 1973: Technique for implicit dynamic routing in rivers with major tributaries. Water Resources Research, volumen 9, Nº 4. 2. Preissman, A., 1961: Propagation of Translatory Waves in Channels and Rivers. Premier Congrès de l’Association française de calcul, Grenoble, Francia. 3. American Society of Civil Engineers, 1963: Friction factors in open channels. Proceedings of the American Society of Civil Engineers, Task Force Report, volumen 89, págs. 97-143. 4. Rouse, H., 1965: Critical analysis of open-channel resistance. Journal of the Hydraulics Division, American Society of Civil Engineers, volumen 91, Nº HY4, págs. 1-25. 5. Simons, D.B. y Senturk, F., 1977: Sediment Transport Technology. Water Resources Publications, Fort Collins, Colorado. 6. Limerinos, J.T., 1970: Determination of the manning coefficient from measured bed roughness in natural channels. U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 1898-B, U.S. Government Printing Office, Washington, D.C. 7. Hey, R.D., 1979: Flow resistance in gravel-bed rivers. Journal of the Hydraulics Division, American Society of Civil Engineers, volumen 105, Nº HY4, págs. 365-379. 8. Ven Te Chow, 1959: Open Channel Hydraulics. McGraw-Hill, Nueva York. 9. Barnes, H.H., 1967: Roughness characteristics of natural channels. U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 1849, U.S. Government Printing Office, Washington, D.C. 10. Cunge, J.A., Holly, E. y Verwey. A. 1980: Practical Aspects of Computational River Hydraulics. Pitman Publishing Inc., Marshfield, Massachusetts. 11. McCarthy, G.T., 1938: The Unit Hydrograph and Flood Routing. Paper presented at the conference of the North Atlantic Division, U.S. Corps of Engineers, Junio (véase también Engineering Construction – Flood Control, 1940. The Engineer School, Ft. Belvoir, Virginia, págs. 147-156). 12. Kalinin, G.P. y Miljukov, P.I., 1958: Approximate methods for computing unsteady movement of water masses. Transactions, Central Forecasting Institute, Nº 66 (en ruso).
CAPÍTULO 35 ANÁLISIS DE ESTIAJES Y SEQUÍAS
35.1 Generalidades Algunos análisis de caudales bajos o de estiaje son necesarios antes de que se pueda usar una corriente como una fuente fiable de suministro de agua. Si el registro de flujo mínimo excede por mucho la demanda prevista, puede que no sean necesarios otros análisis, pero si una o dos veces durante el período de observación, el flujo fuera menor que la demanda prevista, entonces debe hacerse un análisis adicional para ver si las deficiencias anticipadas en el flujo son muy importantes para ser admitidas. El análisis de frecuencias de caudales bajos y las curvas de duración son los dos métodos más sencillos que se usan para realizar dichos análisis. Si es probable que la deficiencia sea con frecuencia muy grande, se tendrán que adoptar medios para el almacenamiento de los caudales elevados a los que se les dará salida durante los períodos de estiaje. Aunque se requiere un análisis detallado de los requerimientos de almacenamiento para el proyecto, la planificación preliminar puede facilitarse frecuentemente mediante curvas acumulativas de sequía basadas en el análisis de frecuencias de caudales bajos. Además del análisis de estiaje para la planificación del suministro de agua con base en la duración o en la frecuencia, existen también situaciones en las que el flujo de una corriente puede proyectarse en tiempo, como se describe en la sección 44.6. Esta extrapolación equivale a extender el hidrograma durante períodos de lluvia escasa o nula. Los períodos de larga duración, con caudales bajos e insuficientes para satisfacer la demanda de usuarios específicos, se llaman sequías. En la literatura hidrológica, todavía no se ha establecido una definición uniforme de sequía, porque en general la sequía se puede definir de manera diferente según los objetivos de una investigación. 35.2 Curvas de duración de caudales Las curvas de duración de caudales diarios muestran el porcentaje de días en que el flujo de una corriente es superior o igual a un valor dado. Sin embargo, no proporcionan información de las secuencias temporales de los flujos en un sitio. La curva de duración en general se establece empíricamente al calcular una serie de cocientes
498
CAPÍTULO 35
del número de días en un registro de escurrimientos que tienen caudales mayores o iguales que valores preseleccionados divididos entre el número total de días del registro. Los cocientes, que son estimaciones de las probabilidades, se trazan frente a sus respectivos valores de caudal para construir la curva. Una curva de duración de escurrimiento queda representada aproximadamente por una línea recta si se traza en papel de probabilidad logarítmico, como el de la figura 35.1. Este tipo de papel permite una exactitud de trazado igual en todos los caudales de manera que las diferencias en las características de estiaje se puedan discernir con mayor precisión. Las curvas de duración a veces se basan en caudales semanales o mensuales para simplificar el proceso de conteo, en cuyo caso la curva resultante representa el porcentaje de semanas o meses más que el porcentaje de tiempo. Esas curvas son menos útiles que la curva de duración diaria. Las relaciones regionales de las curvas de duración para cuencas aforadas en una región hidrometeorológicamente homogénea y las características fisiográficas
100 80 60 50 40 30
Caudal (m3 s-1)
20
10 8 6 5 4 3 2
1 0.5 1
2
5
10
20
50
80
90 95
98 99 99,5 99,9 99,8
Porcentaje del tiempo en el que el caudal diario es superior al valor indicado
Figura 35.1 — Curva de duración de caudales diarios
499
ANÁLISIS DE ESTIAJES Y SEQUÍAS
pueden usarse para obtener estimaciones de duración del flujo en los lugares no aforados de la región. Uno de los usos más comunes de las curvas de duración es el cálculo del potencial de energía hidroeléctrica primaria y secundaria. 35.3 Frecuencia de caudales bajos La información sobre la frecuencia de caudales bajos se obtiene del análisis de las distribuciones de probabilidad de los caudales bajos anuales observados. Para el cálculo de caudales bajos anuales para períodos de duración seleccionada, por ejemplo, siete o 30 días, el registro de escurrimientos debe dividirse en años climáticos que comienzan en una estación cuando el flujo tiene mayor probablidad de ser alto, de manera que los períodos anuales de caudales bajos no sean probablemente separados. Los métodos de cálculo de frecuencia de caudales bajos, es decir, para determinar los valores de QTr para períodos de retorno dados, son similares a los métodos descritos en el capítulo 27. La figura 35.2 tiene ejemplos de curvas de frecuencias de caudales bajos. Los datos de caudales bajos se trazan, según una escala logarítmica en la ordenada y una escala de probabilidad de valor extremo en la abscisa. Una línea recta en este tipo de gráfico corresponde a una distribución de Weibull. Si bien pocos datos se conforman a una línea recta, el uso de este tipo de papel tiende a hacer los extremos inferiores de las curvas bastante rectos. Otra forma de definir las curvas de frecuencia de caudales bajos es ajustar matemáticamente la distribución log normal de tres parámetros a los datos. Según este método, el coeficiente de oblicuidad de los logaritmos de los caudales bajos anuales
-09
Probabilidad de deficiencia (porcentaje de años) -5 -8 -9 -95
-975
10 8 6 4 3
274 183 120 60 30 7
2
1 1,01
-99
Extensión del período (días)
Caudal (m3 s-1)
-01 20
1,1
2
3 4 5 6 7 8 910 Intervalo de recurrencia (años)
20
40
60
Figura 35.2 — Curvas de frecuencia de caudal de estiaje anual
100
500
CAPÍTULO 35
se usa para definir el tercer parámetro de una distribución log normal de tres parámetros, y una tabla de coordenadas de una curva de frecuencia se usa para trazar una curva. En este método, el coeficiente regional de oblicuidad se usa algunas veces en lugar del coeficiente de oblicuidad de la muestra. En otro enfoque, se hace la transformación y = log (x – a), donde x simboliza la serie de los estiajes anuales. Se supone que la curva de frecuencia resultante de y tiene una distribución normal. El parámetro a, se puede calcular gráficamente o a partir de las estadísticas de la muestra. La media, la desviación estándar y el coeficiente de oblicuidad de la muestra se usan con la relación teórica entre estas estadísticas en una distribución log normal para calcular la constante a y la desviación estándar logarítmica requerida. La mediana anual del caudal bajo de siete días, tomado de las curvas de frecuencia de caudales bajos, ha resultado un buen índice preliminar de los requisitos de almacenamiento. Otra distribución que puede ser útil para evaluar si el caudal anual puede satisfacer las necesidades de suministro de agua es la distribución gamma, que en la forma relativamente sencilla de dos parámetros, la ha descrito Thom [1] y la ha aplicado Alexander [2] para el análisis de escurrimientos. Esta distribución tiene un límite inferior en cero, que es una propiedad deseable para el análisis de datos de precipitación y de escurrimiento. Las curvas de frecuencia de caudales bajos para cuencas no aforadas se pueden estimar con base en la relación entre las curvas de frecuencia de caudales y las características de la cuenca. Campbell [3] propuso un método de índice de caudales de estiaje para estimar las curvas regionales de frecuencia de caudales bajos. 35.4 Analísis estadístico de sequías El análisis estadístico de las sequías es un elemento esencial en la evaluación de los recursos hídricos en una cuenca para la gestión del agua. Existen varios métodos de caracterización de sequías para esos análisis. Uno de ellos define el período de sequía por medio de las siguientes variables: Qmin — el caudal mínimo en un período de sequía; Q — el caudal medio durante una sequía; V — volumen de deficiencia de agua, esto es la integral de tiempo de las diferencias entre QHLW, el caudal máximo de aguas bajas y los caudales reales durante el período de sequía; T — duración de la sequía. Para el análisis estadístico de estas variables se debe usar una distribución de probabilidad de múltiples variables [4]. Para simplificar los cálculos, las variables Qmin, Q, V y T son transformadas en distribuciones de probabilidad normal. Otro método para caracterizar un período de sequía es investigar mediante análisis estadístico de múltiples variables, las variables T1, T2, . . . TN que se definen como
ANÁLISIS DE ESTIAJES Y SEQUÍAS
501
los períodos de tiempo contínuo máximos durante una sequía cuando el caudal permanece inferior a Q1, Q2, . . . QN, respectivamente. En este caso, las variables también deben ser transformadas en distribuciones normales. El Instituto de Hidrología [5] ha descrito el análisis de frecuencias de volúmenes y duraciones de caudales bajos. 35.5
Análisis de la curva de recesión El estiaje puede consistir en dos componentes: el agotamiento de las reservas subterráneas y un escurrimiento ocasionado por lluvia de poca densidad durante un período de recesión. Si el acuífero que contribuye se comporta como un almacenamiento lineal, el primer componente se describe por la relación: Q(t) = Qoe-C(t-t(o))
(35.1)
donde Q(t) es el caudal en el instante t, Qo el caudal en el tiempo t(o), y C el coeficiente de recesión. Para corrientes con estaciones de lluvia (o derretimiento de nieve) bien definidas, Qo y t(o) se deben especificar después de que finalice la estación de lluvia. Después de determinar Qo es fácil estimar el parámetro de la curva de recesión con los valores observados del caudal trazado en coordenadas logarítmicas. Los residuos entre los caudales observados y la curva de recesión se pueden correlacionar con las lluvias mensuales de la estación seca. Sobre esta base, es posible calcular los caudales de estiaje para meses u otros períodos, proyectando la lluvia estacional a partir de los registros históricos. El pronóstico estacional de escurrimiento a partir de los caudales anteriores en el río se examina en la sección 44.6. La experiencia ha demostrado que, en ciertas condiciones, el agotamiento del almacenamiento hídrico estacional puede expresarse por la ecuación exponencial [6]: Q(t) = (Qo – Qb)e-Ct + Qb
(35.2)
donde Qb es el caudal inicial debido al caudal afluente de las aguas subterráneas profundas. La ecuación 35.2 indica que existe una relación lineal entre los caudales medios para períodos sucesivos de igual duración, T: Q2 = aQ1 + (1 – a)Qb
(35.3)
donde Q1 y Q2 son, respectivamente, los caudales medios para dos períodos sucesivos de T días, y: a = e-CT
(35.4)
502
CAPÍTULO 35
La figura 35.3 es un ejemplo de esta relación. El caudal mínimo de numerosas cuencas varía mucho de un año a otro, según el escurrimiento que haya habido durante la estación anterior de avenidas. En estos casos, la siguiente relación empírica puede dibujarse para determinar el coeficiente de recesión, C: Q2 – Qmin = f(Q1 – Qmin)
(35.5)
donde Q1 y Q2 son, respectivamente, los caudales medios para los períodos sucesivos y Qmin es el caudal mínimo del año en cuestión. Se han usado datos de caudales medios de 10-días o de un mes durante un número de años para establecer las relaciones empíricas de las ecuaciones 35.3 y 35.5. Q2
Caudal medio mensual (m3 s-1)
200
100
0 100 Caudal medio mensual (m3 s-1)
200
Figura 35.3 — Relación entre los caudales medios mensuales de dos meses sucesivos en un período de estiaje
Q1
ANÁLISIS DE ESTIAJES Y SEQUÍAS
503
Referencias 1. Thom, H. C. S., 1958 : A note on the gamma distribution. Monthly Weather Review, volumen 86, abril, págs. 117-122. 2. Alexander, G. N., 1962 : The use of the gamma distribution in estimating regulated output from storage. Civil Engineering Transactions, Institution of Engineers, Australia, volumen CE, N° 1, marzo, págs. 29-34. 3. Campbell, J. C., 1971: Prediction of Seasonal Low Stream Flow Quantities. Water Resources Research Institute, Corvallis, Oregón. 4. Zielinska, M., 1964: Methods of estimation and forecast of droughts in the probability approach. Wiadomosci Sluzby Hydrologicznej i Meteorologicznej, N° 58, Varsovia. 5. Instituto de Hidrología, 1980: Low Flow Studies. Research Report, Wallingford, Oxon. 6. Popov, E. G., 1964: Long-term river flow forecasting in the low-water period. Symposium on Surface Waters, 19–31 de agosto de 1963, Berkeley, California, publicación N° 63 de la AICH, págs. 63-67.
CAPÍTULO 36 FRECUENCIA DE CRECIDAS
36.1 Analisis de los datos recopilados en las estaciones 36.1.1 Caudal máximo [I81] El método para calcular la frecuencia de las crecidas es generalmente análogo al método descrito en el capítulo 27. El objetivo del análisis es relacionar la magnitud de una crecida a su frecuencia o probabilidad de ocurrencia futura. La hipótesis fundamental que permite la interpretación de las frecuencias como probabilidades es: independencia temporal de los elementos de la muestra analizada y homogeneidad de la muestra. Para estudios de crecidas, el uso de series de duración parcial es más cuestionable que para lluvias, ya que los diferentes picos de crecidas durante el año pueden ser menos independientes que la precipitación correspondiente. De todas maneras, si se tiene cuidado en la selección de los valores que exceden un umbral determinado, convendría el análisis parcial de la duración de las series. Como es difícil garantizar que esta selección se haga con ciudado, se utiliza más la aplicación de análisis de frecuencia para una serie de crecidas máximas anuales (serie anual de máximos) [1,2]. La serie anual de máximos puede componerse de máximos diarios o de puntas instantáneas de crecidas. Es importante distinguir cuál de las dos se requiere para el análisis. La relación de las dos series, en un sitio, depende de las características físicas de la cuenca y de los factores climatológicos que causan los máximos de ambos eventos. Para pequeñas cuencas de drenaje, es común que los dos máximos no ocurran en la misma fecha o que no resulten de los mismos procesos climáticos que actúan sobre la cuenca. Otra precaución al calcular frecuencias de crecidas es la distinción entre niveles y caudales. Los cambios en la relación nivel-caudal pueden dar muchos datos no homogeneos de nivel que no se pueden utilizar en el análisis de frecuencia. Para ciertos estudios es mejor basarse en datos de caudales y, si es necesario, convertir los resultados en frecuencias de niveles mediante la relación nivel-caudal más reciente. En ciertos casos, como los niveles altos por causa de deslizamientos de hielo, convendría más trabajar únicamente con niveles para definir las llanuras inundables. A menudo, además de un corto período de mediciones, existe información histórica disponible referente a la magnitud de las crecidas anteriores a la recolección
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CAPÍTULO 36
sistemática de datos. Por ejemplo, una estación de aforo puede tener sólo 20 años de datos medidos en 1992, pero se puede saber que en 1900 se produjo una crecida con un caudal máximo estimado de 1 000 m3s-1 que excede todas las crecidas anteriores y que también es la crecida máxima desde que la comunidad fue establecida en 1860. La magnitud de esta crecida y el saber que las otras crecidas, desde 1860 hasta 1992 fueron inferiores a la crecida de 1900, pueden y deben ser usados en el análisis de frecuencias. En cambio, puede que sólo se sepa que un cierto número de crecidas excedieron un cierto umbral de 1860 a 1992. Esto tambien constituye información histórica y debe ser incluida en el análisis de frecuencia. Se usan dos métodos para incorporar ciertas formas de información histórica en la estimación de los parámetros de la función matemática de la distribución. Éstos son el método de momentos históricos moderados (ajustados) [3] y el de máxima similitud con la teoría de la censura [4-7]. Se ha mostrado que el método de máxima similitud permite una utilización más eficiente de la información adicional que el método de momentos históricos ponderados [7]. El período de retorno de una crecida histórica, si su magnitud es conocida, puede ser estimado y trazado en un gráfico con las crecidas observadas sistemáticamente para la curva de frecuencia acumulada [1,3,4]. 36.1.2 Análisis estadístico de hidrogramas de crecidas En algunos casos, por ejemplo para el diseño de embalses, es necesario establecer la frecuencia de volúmenes de crecidas y los caudales máximos. En este caso, se puede usar un análisis estadístico de múltiples variables de hidrogramas de crecidas. Un hidrograma de crecida puede ser definido mediante las siguientes variables aleatorias: Qmáx — caudal máximo durante el período de la crecida; V — volumen (en m3) de la onda de crecida; T — duración del período de la crecida. Para usar otro sistema de variables, un hidrograma de crecida puede ser definido mediante la secuencia de caudales Q1, Q2, Q3, ..., Qn correspondientes a intervalos de tiempo iguales y sucesivos durante el período de la crecida. Análisis estadísticos de las variables aleatorias (Qmáx, V, T) o (Q1, ..., Qn) pueden ser obtenidos mediante una distribución de probabilidades de diversas variables. Algunas definiciones y métodos de cálculo asociados a estos modelos probabilísticos pueden ser encontrados en los documentos publicados por Kaczmarek [8] y por Stammers [9]. En el caso de las características de las crecidas, se puede usar una transformación de potencias u otros métodos para normalizar la distribución de los datos. Asimismo, la frecuencia o la probabilidad de ocurrencia o no de un volumen de crecida, para un período de n días, se puede estimar directamente a partir de un análisis de frecuencia de los datos de caudales del sitio o mediante el uso de métodos de regionalización (sección 36.2).
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FRECUENCIA DE CRECIDAS
36.2 Regionalización de caudales de crecidas [K10] Para un sitio que no tiene un gran número de observaciones en su serie máxima anual se recomienda el uso del análisis regional de frecuencia de crecidas para la estimación de los quantiles de crecidas. Se han perfeccionado y se utilizan con frecuencia dos procedimientos de regionalización: el método de crecida índice y el método basado en la regresión. 36.2.1 Método de crecida índice El método de crecida índice, propuesto por Dalrymple [10,11], constituye dos etapas mayores. La primera es el establecimiento de la curva de frecuencia adimensional para una región homogénea. La curva resulta del análisis de frecuencia para todos los sitios. La curva para cada sitio se convierte en adimensional al dividirla por un índice, como el caudal correspondiente al período de retorno de dos años o de 2,33 años. Los valores adimensionales de la media son seleccionados para los sitios y para varios períodos de retorno. Estos valores se trazan en un papel de probabilidades como el de la figura más abajo. La segunda etapa consiste en establecer la relación entre el índice y las características físicas y climatológicas de la cuenca. Se pueden utilizar métodos basados en regresiones (sección 36.2.2). La combinación del índice con la curva adimensional provee una curva de frecuencia para cualquier 3,0
Caudal en proporción de la crecida anual media
2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 1,01
1,1
1,5
2
5
10
20
Intervalo de recurrencia (años)
Curva de frecuencia regional adimensional
50
100
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CAPÍTULO 36
cuenca dentro de la región. Este método asume que todas las crecidas de la región son del tipo I (distribución exponencial doble o de Gumbel) y que la región está definida geográficamente. Se preparó un ensayó de homogeneidad para determinar si las diferencias en pendiente de las curvas de frecuencia para todas las estaciones en una región dada son mayores que las atribuibles al azar. Pruebas similares han sido creadas para las distribuciones log normal de tres parámetros [12] y de Weibull [13]. Se ha trabajado mucho para extender estos conceptos iniciales y evaluar la exactitud del método de crecida a fin de determinar los varios quantiles de crecidas [1417]. Se han hecho progresos gracias a la preparación de estadísticas del momento ponderado por las probabilidades [18] y de L–momentos [19]. La necesidad de las pruebas analíticas de homogeneidad se pudo atender por los experimentos de Monte Carlo. La homogeneidad puede y debe ser extendida a la pendiente de la curva, que es el coeficiente de variación de la muestra en el enfoque de Dalrymple, a la asimetría y al aplastamiento de la curva de acuerdo con un registro determinado. Esto lleva a un procedimiento de índice más flexible que permite mayores momentos de los datos de la región para indicar la distribución potencial subyacente. La hetereogeneidad de los momentos inferiores puede ser evaluada y potencialmente vinculada a características de la cuenca. Hosking y Wallis [16] muestran que aún cuando existe heterogeneidad y dependencia entre los sitios, y que la forma de la distribución de frecuencia de crecida (regional) está mal especificada, los análisis regionales de frecuencia de crecida son preferibles a un análisis in situ. 36.2.2 Métodos basados en la regresión Los métodos de regresión pueden ser usados para estimar la magnitud de una crecida que ocurrirá, en promedio, una vez en Tr años, denotada como QTR, usando las características físicas y climatológicas de la cuenca [20-23]. Las magnitudes de la crecida para varios períodos de retorno de cada estación son estimadas a partir de un análisis de frecuencia en el sitio usando una distribución preseleccionada. A su vez, las características de cada cuenca se derivan de mapas topográficos o de información climatológica generalizada (capítulo 40). Los parámetros de las ecuaciones que relacionan QTR con las características pueden ser obtenidos usando los métodos de los mínimos cuadrados ordinarios [20-23], los mínimos cuadrados ponderados [24] o los mínimos cuadrados generalizados [25]. Los últimos dos enfoques han sido usados para subsanar las deficiencias al asumir los mínimos cuadrados ordinarios. Los métodos de regresión por los mínimos cuadrados ordinarios no tienen en cuenta errores de las variables en las características de las crecidas que existen debido a diferentes longitudes de registros en las estaciones de aforo. Tasker [24] propuso el uso de la regresión por los mínimos cuadrados ponderados con la varianza de los errores de las características observadas de la crecida, estimadas como una función inversa de la longitud del registro. Los mínimos cuadrados generalizados han sido
FRECUENCIA DE CRECIDAS
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propuestos porque tienen en cuenta para ambos la fiabilidad diferente y la correlación entre las características de la crecida en diversos sitios. Con la simulación de Monte Carlo, Stedinger y Tasker [25] quedó demostrado que los métodos de los mínimos cuadrados generalizados permiten obtener estimaciones más exactas del coeficiente de regresión, mejores estimaciones de la exactitud de los coeficientes de regresión y mejores estimaciones del error del modelo. La relación regional de frecuencia de crecidas que estableció Benson [21], para la parte noreste de Estados Unidos es: QTR = aAbZcSdPeDfMg
(36.1)
donde QTR es el caudal máximo anual en T años, A el área de drenaje, Z la pendiente media del canal, S el porcentaje del área de almacenamiento en la superficie más el 0,5 por ciento, P la intensidad de la lluvia de los T años para una duración particular, D el promedio de los grados por debajo del punto de congelamiento en enero, M un factor orográfico, y a, b, c, d, e, f, y g son coeficientes de regresión. Para establecer la ecuación 36.1 muchas variables independientes y definiciones fueron probadas para cada variable. El objetivo es obtener variables independientes que estén físicamente relacionadas con la variable dependiente. Las variables independientes que están relacionadas con un período de retorno de crecidas no pueden ser el factor que ocasione una crecida con un período de retorno mayor. Una transformación logarítmica de la ecuación 36.1 se puede efectuar para crear un modelo lineal aditivo para los métodos de regresión. Otros tipos de transformaciones podrían ser aplicados a las variables dependientes e independientes, pero la transformación logarítmica sigue siendo el más usado. Los signos y la magnitud de los coeficientes del modelo deben tener sentido hidrológico. Por ejemplo el exponente d del término de almacenamiento superficial debe ser negativo a causa de que el efecto de dicho almacenamiento (lago, embalse, etc.) suaviza los picos de crecidas. Otros exponentes podrían ser positivos y sus magnitudes variar con el período de retorno. Debe tenerse cuidado de no integrar en el modelo muchas dependientes variables. Las variables que estan incluidas en el modelo de regresión deben ser estadísticamente significativas en un nivel de significancia preseleccionado y generalmente aceptado [26]. La ecuación de regresión resultante debe ser evaluada para determinar si es regionalmente homogénea. Los errores residuales de la regresión deben ser trazados sobre mapas topográficos para controlar visualmente si las tendencias geográficas son evidentes. Si una tendencia en la estimación del caudal máximo anual de los T años es geográficamente evidente, se puede aplicar el test Wilcoxon Signded Rank para probar su importancia. El test constituye un método objetivo para verificar la hipótesis de que la mediana de los residuos en una subregión es igual a la mediana
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CAPÍTULO 36
de residuos de la región principal para la cual se calculó la ecuación de regresión [27]. Diferentes regiones homogéneas se pueden obtener para diferentes períodos de retorno. Las regiones homogéneas para la relación que une el índice de crecida a las características de la cuenca no necesitan coincidir con la región homogénea para las características de la distribución del método del índice, como la pendiente de la curva adimensional. Referencias 1. Kite, G. W., 1988: Frequency and Risk Analysis in Hydrology. Water Resources Publications, Fort Collins, Colorado. 2. Organización Meteorológica Mundial, 1989: Statistical Distributions for Flood Frequency Analysis (C. Cunnane). Informe de hidrología operativa Nº 33, OMM–Nº 718, Ginebra. 3. Interagency Advisory Committee on Water Data, 1982: Guidelines for Determining Flood Flow Frequency. Bulletin 17B of the Hydrology Subcommittee, U.S. Geological Survey, Office of Water Data Coordination, Reston, Virginia. 4. Pilon, P. J., Condie, R. y Harvey, K. D., 1985 : The Consolidated Frequency Analysis (CFA) Package. (HOMS component I.81.2.02), Environment Canada, Water Resources Branch, Ottawa, pág. 163. 5. Leese, M. N., 1973: Use of censored data in the estimation of Gumbel distribution parameters for annual maximum flood series. Water Resources Research, volumen 9, N° 6, págs. 1534-1542. 6. Condie, R., 1986: Flood samples from a three-parameter lognormal population with historic information: the asymptotic standard error of estimate of the T-year flood. Journal of Hydrology, volumen 85, págs. 139-150. 7. Stedinger, J. R. y Cohn, T. A., 1986: Flood frequency analysis with historical and paleoflood information. Water Resources Research, volumen 22, N° 5, págs. 785-793. 8. Kaczmarek Z., 1961: Forecasting of random variable systems. Wiadomosci Sluzby Hydrologicznej i Meteorologicznej, N° 42, Varsovia. 9. Stammers, W. N., 1967: The application of multivariate techniques in hydrology. Proceedings of the Hydrology Symposium N° 5, McGill University, Montreal. 10. Dalrymple, T., 1949: Regional Flood Frequency Analysis. Presentation to the twenty-ninth annual meeting of the highway research board, Washington, D.C., pág. 22. 11. Dalrymple, T., 1960: Flood frequency analysis. U.S. Geological Survey WaterSupply Paper 1543-A, Reston, Virginia, pág. 80. 12. Harvey, K. D., Condie, R. y Pilon, P. J., 1985: Regional flood frequency analysis with the three-parameter lognormal distribution. Proceedings of the Seventh
FRECUENCIA DE CRECIDAS
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Canadian Hydrotechnical Conference, Canadian Society for Civil Engineers, Saskatoon, Saskatchewan, pág. 14. 13. Pilon, P. J., 1990: The Weibull distribution applied to regional low flow frequency analysis. Proceedings of the Symposium on Regionalization in Hydrology, 23–26 de abril de 1990, Ljubljana, Yougoslavia, publicación IASH N° 191, págs. 101-111. 14. Lettenmaier, D. P. y Potter, K. W., 1985: Testing flood frequency estimation methods using a regional flood generation model. Water Resources Research, volumen 21, N° 12, págs. 1903-1914. 15. Lettenmaier, D. P., Wallis, J. R. y Wood, E. F., 1987: Effect of regional heterogeneity on flood frequency estimation. Water Resources Research, volumen 23, N° 2, págs. 313-323. 16. Hosking, J. R. M. y Wallis, J. R., 1988: The effect of intersite dependence on regional flood frequency analysis. Water Resources Research, volumen 24, N° 4, págs. 588-600. 17. Gabriele, S. y Arnell, N., 1991: A hierarchical approach to regional flood frequency analysis. Water Resources Research, volumen 27, N° 6, págs. 1281-1289. 18. Greenwood, J. A., Landwehr, J. M., Matalas, N. C. y Wallis, J. R., 1979: Probability weighted moments: definition and relation to parameters of several distributions expressible in inverse form. Water Resources Research, volumen 15, N° 5, págs. 1049-1054. 19. Hosking, J. R. M., 1990: L-moments: analysis and estimation of distributions using linear combinations of order statistics. Journal of the Royal Statistical Society, Series B, 52, págs. 105-124. 20. Benson, M. A., 1962: Evolution of methods for evaluating the occurrence of floods. U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 1580-A, Reston, Virginia, pág. 30. 21. Benson, M. A., 1962: Factors influencing the occurrence of floods in a humid region of diverse terrain. U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 1580-B, Reston, Virginia, pág. 62. 22. Benson, M. A., 1964: Factors affecting the occurrence of floods in the southwest. U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 1580-D, Reston, Virginia, pág. 72. 23. Thomas, D. M. y Benson, M. A., 1970: Generalization of streamflow characteristics from drainage-basin characteristics. U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 1975, Reston, Virginia, pág. 55. 24. Tasker, G. D., 1980: Hydrologic regression with weighted least squares. Water Resources Research, volumen 16, N° 6, págs. 1107-1113. 25. Stedinger, J. R. y Tasker, G. D., 1985: Regional hydrologic analysis – ordinary, weighted and generalized least squares compared. Water Resources Research, volumen 21, N° 9, págs. 1421-1432.
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CAPÍTULO 36
26. Draper, N. R. y Smith, H., 1981: Applied Regression Analysis. Segunda edición, John Wiley & Sons, Inc., Toronto. 27. Tasker, G. D., 1982: Simplified testing of hydrologic regression regions. Journal of the Hydraulics Division, American Society of Civil Engineers, volumen 108, Nº HY10, págs. 1218-1222.
CAPÍTULO 37 ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN EN LAGOS Y EMBALSES
37.1 Generalidades La evaporación de lagos y embalses no puede ser medida directamente como los caudales y la lluvia [1]. Es necesario determinar la evaporación de un lago o un embalse por uno o más de los diferentes métodos descritos en las secciones siguientes: métodos del balance hídrico, del balance energético, aerodinámicos y de tanques de evaporación [2, 4]. 37.2 Método del balance hídrico El método del balance hídrico es sencillo en teoría. La evaporación es determinada por la diferencia entre mediciones de entradas, salidas y variaciones en el volumen del almacenamiento. Desarfortunadamente, el método no es en general practicable en el caso de evaporación de lagos y embalses debido a que los errores en las mediciones de las entradas, las salidas y el almacenamiento son a menudo grandes comparados con la evaporación. Además, la infiltración, las entradas locales no medidas y el almacenamiento en las orillas son elementos inciertos y a menudo imposibles de medir. Sin embargo, en ciertas condiciones, este método volumétrico ha dado excelentes resultados y ha servido de base para la evaluación de la exactitud de los métodos del balance energético y areodinámico (secciones 37.3 y 37.4) en estudios de evaporación de lagos y embalses. El balance hídrico de un lago o embalse incluye los siguientes elementos: evaporación E, caudal de entrada I, precipitación P, infiltración neta y almacenamiento en las orillas Vss, caudal de salida O y cambio en el almacenamiento ∆S. Si todos los elementos pueden ser medidos o estimados, se obtiene: E = I + P – Vss – O ± ∆s
(37.1)
En esta ecuación se usan unidades de volumen. El volumen de evaporación debe ser dividido por la superficie del agua libre para convertirlo en la altura de la evaporación. El período debe ser lo suficientemente largo para que la evaporación, E, sea grande comparada con los errores contenidos en los otros términos en la ecuación.
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CAPÍTULO 37
La aplicación de este método está limitada a aquellos sitios donde la infiltración, los afluentes y los efluentes son pequeños comparados con la evaporación . 37.2.1 Caudales afluente y efluente Los caudales de entrada y salida del embalse deben estar en canales bien definidos. Las afluencias y efluencias deben ser medidas continuamente por los métodos indicados en los capítulos 10 y 11. Si es posible, se deben instalar vertederos de control en los puntos de medición para asegurar una relación constante y sensible entre el nivel y el caudal, a fin de mejorar así la exactitud de las observaciones. 37.2.2 Precipitación El volúmen de la precipitación sobre la superficie del lago debe ser determinado con exactitud mediante pluviómetros ubicados, a menudo, en las orillas. Sin embargo, si el lago es muy grande, algunos pluviómetros pueden ser instalados en el interior del lago. Los pluviómetros no registradores (sección 7.3) son adecuados para este propósito porque los términos en el balance hídrico son calculados para períodos de tiempo de una semana o más. El número de pluviómetros requerido dependerá de la variabilidad de las precipitaciones y del tamaño del lago. 37.2.3 Infiltración neta y almacenamiento en las orillas Estos elementos no pueden ser medidos directamente y deben ser evaluados por métodos indirectos. Un método para determinar la infiltración neta es descrito en la sección 37.4.1. El almacenamiento en las orillas puede ser evaluado por un estudio del nivel de agua subterránea en pozos perforados alrededor del lago. Para medir la evaporación por este método hay que asegurarse de que la infiltración y el almacenamiento en las orillas son relativamente pequeños antes de seleccionar un lago o embalse. 37.2.4 Variación del volumen almacenado en el embalse Los registradores del nivel de agua, descritos en el capítulo 10, son suficientemente precisos para determinar el cambio del nivel de un embalse. La relación entre el nivel y el agua almacenada puede ser establecida con exactitud mediante levantamientos topográficos. 37.3 Método del balance energético El método de balance energético ha sido usado para estimar la evaporación de océanos, lagos y embalses y para estimar la evapotranspiración de superficies terrestres (capítulo 39). El método se basa en la evaluación de todas las fuentes de energía termal, entrantes y salientes, más los cambios en la energía almacenada; la diferencia obtenida es la energía utilizada en la evaporación.
ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN EN LAGOS Y EMBALSES
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La estimación de la evaporación de lagos y embalses por este método requiere observaciones in situ de los siguientes parámetros: radiación solar entrante y de onda larga, temperaturas del aire y de la superficie del agua, presión del vapor de aire, energía termal almacenada en la masa de agua, y energía neta advectada por el aporte de líquidos a la masa de agua. Los instrumentos requeridos y los procedimientos de observación se examinan en la sección 9.5. El método de balance energético es difícil de aplicar a causa de la complejidad de las mediciones requeridas sobre el terreno. No obstante, en la actualidad este método da mejores resultados en una mayor variedad de condiciones que cualquier otro método. El balance energético básico para un lago o embalse puede ser expresado como sigue: Qx = Rs – Rsr + Ra – Rar – Rbs – QE – Qh + Qv – Qw + Qb
(37.2)
donde Qx es el cambio de energía almacenada en la masa de agua, Rs la radiación solar incidente en la superficie del agua, Rsr la radiación solar reflejada, Ra la radiación de onda larga procedente de la atmósfera, Rar la radiación de onda larga reflejada, Rbs la radiación de onda larga emitida por la masa de agua, QE la energía utilizada para la evaporación, Qh la energía conducida desde la masa de agua como calor sensible, Qv la energía neta advectida (por transporte líquido) en la masa de agua, Qw la energía advectada por el agua evaporada y Qb el intercambio de energía entre la masa de agua en el embalse y su fondo. La energía de procesos biológicos y químicos y la transformación de energía cinética en energía térmica se desprecian por sus pequeñas magnitudes. Durante los períodos de cubrimiento parcial o completo de nieve, el balance energético no se considera fiable debido a la dificultad para medir la radiación solar reflejada, la temperatura de la superficie del hielo, y el área de la cubierta parcial de hielo. Determinar un balance energético de un embalse, sobre una base diaria, no se considera práctico por la dificultad que existe para evaluar el cambio en términos de energía y almacenamiento. Por esta razón, se recomienda que los cálculos se realicen para períodos de 10 días o más. Cada uno de los diversos términos de la ecuación del balance energético se mide directamente o se calcula a partir de relaciones conocidas. El procedimiento usado para evaluar cada término se describe en las secciones siguientes. Los términos de la ecuación 37.2 que se pueden medir son Rs, Rsr, Ra y el balance de la radiación neta es: Rf = Rs – Rsr + Ra – Rar – Rbs
(37.3)
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CAPÍTULO 37
Todos los valores anteriores están expresados en W m-2. La Guía de Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos de la OMM [5] contiene descripciones detalladas de los instrumentos y los métodos de medición de los elementos antes mencionados. Los métodos empleados para la evacuación de los otros elementos de la ecuación 37.2 se describen en las secciones siguientes. 37.3.1 Radiación de onda larga reflejada Se considera que la radiación de onda larga reflejada representa el tres por ciento de la radiación de onda larga recibida por la superficie del agua. 37.3.2 Radiación emitida por el embalse La radiación emitida por el embalse se calcula de acuerdo con la ley de StefanBolzmann sobre la radiación de cuerpos negros, con un factor de emisividad de 0,970 para el agua. La ecuación para calcular la radiación emitida por la superficie del agua es: Rbs = 0,97σθ4
(37.4)
donde Rbs es la radiación emitida por la superficie del agua en W m-2, S la constante de Stefan-Bolzmann (5,67 x 10-8 W m-2 °K-4) y θ la temperatura de la superficie del agua en °K. Para efectos de cálculo, la temperatura media de la superficie del agua, como se registra cerca del centro del embalse, es determinada para cada período de estudio. La temperatura es convertida a °K y la radiación media emitida por la superficie del agua es calculada para el período de estudio en W m-2. 37.3.3 Variación de la energía almacenada La energía térmica del volumen de agua en el embalse para una fecha dada, se calcula a partir de datos de temperatura obtenidos en dicha fecha. Estas mediciones de temperatura, que deben tener una exactitud de 0,1 °C, se realizan generalmente a intervalos de dos semanas o un mes. El embalse puede estar dividido en varias capas, desde la superficie hasta el fondo. El volumen de agua para cada una de las capas es determinado por la relación nivel-volumen. Todas las mediciones de temperatura hechas en una capa determinada son promediadas para obtener una temperatura media para ese volumen de agua. La suma de los productos del volumen por la temperatura (suponiendo una temperatura base de 0 °C) dará la energía total para la fecha dada. La densidad y el calor específico son considerados iguales a la unidad para los intervalos de temperatura del agua del embalse. A fin de determinar la energía utilizada por la evaporación QE, se deben evaluar los cambios en el almacenamiento de energía resultante de la advección de energía contenida en los volúmenes de agua entrante o saliente del embalse. De nuevo una
ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN EN LAGOS Y EMBALSES
517
temperatura base de 0 °C es escogida para calcular la cantidad de energía en estos volúmenes. Sus temperaturas son determinadas por observación o registros (sección 9.5.5), según la variación de la temperatura con la velocidad de la corriente. Si la temperatura del agua cambia con la velocidad de la corriente, la temperatura media del volumen debe ser ponderada de acuerdo con esa velocidad. Las temperaturas de almacenamiento en las orillas y de la infiltración neta son consideradas iguales a la temperatura media anual del aire. Se admite que esta hipótesis puede introducir errores, pero no se consideran importantes si el flujo de superficie afluente constituye un factor importante del balance hídrico. Si la precipitación es un término esencial en el balance hídrico, se debe tener en cuenta la energía de este volumen de agua. La temperatura de lluvia se supone que es la del termómetro húmedo en el momento de la lluvia. Para calcular la energía de cada uno de estos volúmenes se usan las unidades centímetro/gramo/segundo, y la densidad y calor específicos son considerados como la unidad para los intervalos de temperaturas que ocurren en estos volúmenes. El producto de la temperatura multiplicada por el volumen dará la cantidad de energía para cada volumen, en julios. La diferencia entre la energía calculada del agua almacenada según las mediciones de temperatura hechas al comienzo y al final del período de estudio determina el cambio de energía almacenadas. 37.3.4 Energía utilizada para la evaporación La energía utilizada para la evaporación QE, puede ser calculada por la ecuación: QE = ρw E Lv
(37.5)
donde E es el coeficiente de evaporación en m s-1, Pw es igual a 1 000 kg m-3 y Lv igual a 2,47 x 106 J kg-1. 37.3.5
Energía transmitida por convección a la masa de agua o por ésta como calor sensible Como la energía transferida de la masa de agua como calor sensible, Qh, no puede medirse, se evalúa indirectamente mediante la relación de Bowen, B, que se define como: B = Qh/QE (37.6) La relación de Bowen también puede ser expresada por:
B=
0,61(θ o − θ a ) p (eo − ea ) 1 000
(37.7)
518
CAPÍTULO 37
donde θo es la temperatura de la superficie del agua en °C, θa la temperatura del aire en °C, eo la tensión de saturación del vapor en hPa, correspondiente a la temperatura de la superficie del agua, ea la tensión del vapor del aire en hPa y p la presión atmosférica en hPa. Para calcular la relación de Bowen para el período de estudio, los términos θο, θa y ea son promediados para dicho período. El término eo es determinado a partir de la temperatura media de la superficie del agua para el período. El término p es determinado por la altitud del lago sobre el nivel del mar y generalmente considera constante. La relación es adimensional. 37.3.6 Energía transmitida por advección por el agua evaporada La energía transmitida por advección por el agua evaporada puede ser calculada por la fórmula siguiente: (37.8) Qw = ρw cw E (θe − θb) donde cw es el calor específico del agua (4 200 J kg-1 °C-1), θe la temperatura del agua evaporada que se supone es igual a la temperatura de la superficie del agua en °C y θb la temperatura básica (0°C). 37.3.7 Intercambio de energía entre el agua del embalse y el fondo Este término del balance energético puede ser importante durante períodos con bajos valores de otros elementos de energía, lo que ocurre normalmente en primavera y otoño y, en particular, en masas de agua poco profundas. Los valores aproximados de Qb figuran en la tabla 37.1 37.3.8 Evaporación Para los cálculos, se hace uso de las siguientes relaciones: QE = ρw Elv ; Qh = B QE y Qw = ρw cw E (θe – θb)
(37.9)
donde E es la tasa de evaporación en cm d-1, ρw la densidad del agua en g cm-1, lv el calor latente de vaporización en J g-1, B la relación de Bowen, cw el calor específico del agua en J g-1 °C-1, θe la temperatura del agua evaporada en°C y θb la temperatura base de 0°C. Sustituyendo las variables antes descritas en la ecuación básica del balance energético y resolviendo para E resulta: E=
Rs − Rsr + Ra − Rbs − Qx + Qv + Qb ρw 1v (1 + B) + cw (θ e − θ b )
donde E se expresa en m s-1.
(37.10)
519
ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN EN LAGOS Y EMBALSES
TABLA 37.1 Valor aproximado de Qb[W m-2]* Latitud norte
30 40 50 60 70
Profundidad media de la masa de agua [m] 0-5 10 15 20 Enero 13 12 9 8 11 9 8 8 7 6 6 5 5 5 3 3 3 3 2 2 Febrero 8 6 3 2 2
Latitud norte
30 40 50 60 70
Profundidad media de la masa de agua [m] 0-5 10 15 20 Julio -11 - 9 - 8 -7 -11 - 9 - 8 -7 -12 -11 - 9 -8 -12 -12 -11 -8 -12 -12 -11 -8
6 5 3 2 2
5 3 2 2 1
30 40 50 60 70
-5 -5 -5 -3 -3
-3 1 3 2
Marzo -3 -2 1 1 3 2 2 2
-2 0 2 2
30 40 50 60 70
2 3 5 5 6
30 40 50 60
-19 -14 - 8 0
Abril -17 -15 -13 -12 - 6 - 6 0 0
-13 - 9 - 5 0
30 40 50 60 70
14 14 12 12 11
30 40 50 60 70
-16 -16 -15 -14 - 9
Mayo -14 -14 -14 -13 - 9
-13 -13 -12 -12 - 8
-11 -11 -11 - 9 - 6
30 40 50 60 70
30 40 50 60 70
-15 -16 -16 -16 -17
Junio -14 -14 -14 -14 -15
-12 -13 -13 -13 -13
-11 -11 -12 -12 -12
30 40 50 60 70
30 40 50 60 70
8 6 5 3 2
30 40 50 60
* Si la profundidad media es superior a 50 m, Qb = 0.
Agosto -5 -5 -3 -3 -3
-3 -3 -3 -2 -2
-3 -3 -2 -2 -2
Septiembre 2 2 2 2 3 3 5 5 6 5
1 2 2 3 5
Octubre 13 12 11 9 9
12 11 9 8 8
9 8 8 7 7
16 15 13 12 9
Noviembre 14 13 13 13 12 11 11 9 9 8
11 11 8 8 6
17 14 11 7 5
Diciembre 15 14 12 11 9 8 6 6 3 3
12 9 7 5 2
520
CAPÍTULO 37
La exactitud al estimar la evaporación por la ecuación del balance energético dependerá de la exactitud inherente a los equipos de medición y de las series de datos. Si todos los términos son evaluados con la exactitud indicada en la sección 9.5 y con una mínima pérdida de registros, la exactitud de los resultados debe estar dentro de un error medio del 10 por ciento en verano y del 20 por ciento en invierno. 37.4 Métodos aerodinámicos Los métodos aerodinámicos se basan en la teoría de que el transporte del vapor de agua desde una superficie de agua es esencialmente un proceso turbulento, relacionado con ciertos fenómenos meteorológicos. Muchas ecuaciones aerodinámicas, teóricas y empíricas, han sido establecidas para expresar esta relación. Algunas de las ecuaciones son expresiones matemáticas complejas y requieren importantes medios meteorológicos, otras son sencillas y sólo necesitan los datos sobre las mediciones del viento y el vapor. Existe también otro método llamado de correlación turbulenta (transferencia o flujo rotacional) que emplea las mediciones de flujo vertical en la atmósfera. Muchas de las ecuaciones aerodinámicas utilizadas para calcular la evaporación fueron comprobadas durante la investigación efectuada en el lago Hefner (EE.UU.) y en el gran embalse de Rybinsk, Kuibyshev y Tsymlyansk, Comunidad de Estados Independientes (CEI). Dos ecuaciones sencillas, que dan mejores resultados, son presentadas como ejemplos, ya que exigen sólo las mediciones de la velocidad del viento, la temperatura del agua, y la presión del vapor del aire. Los instrumentos y métodos de observación usados para obtener la información requerida se describen en la sección 9.5. La primera ecuación, derivada de la investigación del lago Hefner [6], es: E = N u (eo – ea)
(37.11)
donde E es la evaporación en centímetros por día, N un coeficiente, u la velocidad del viento sobre la superficie del agua en m s-l, eo la presión de saturación del vapor en hPa, correspondiente a la temperatura de la superficie del agua y ea la presión del vapor del aire, en hPa. La segunda ecuación [7], probada en los tres grandes embalses antes mencionados de la CEI, es: Eo = 0,14 (1 + 0,72u200) n(eo – e200)
(37.12)
donde Eo es la evaporación desde la masa de agua en metros por mes, eo el valor medio de la presión del vapor máximo de agua calculado de acuerdo con la temperatura de la superficie de la masa de agua en hPa, e200 la presión media del vapor del agua
ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN EN LAGOS Y EMBALSES
521
sobre la masa de agua a una altura de 200 cm, en hPa, e200 es la velocidad media del viento sobre la superficie de la masa de agua a una altura de 200 cm, en m s-1 y n el número de días en el intervalo de tiempo, que en general es un mes. Los valores eo, e200 y u200 son medias mensuales de todos los puntos de observación sobre la superficie del agua. Si estos datos no existieran, sus valores pueden calcularse a partir de las observaciones de las estaciones meteorológicas cercanas a la masa de agua. 37.4.1 Valor del coeficiente N El valor del coeficiente N corresponde a una combinación de muchas variables que se incluyen en ecuaciones aerodinámicas más complejas. Entre esas variables están la estructura del viento, el tamaño del lago, la rugosidad de la superficie del agua, la estabilidad atmosférica, la presión barométrica, y la densidad y viscosidad cinemática del aire. Sin embargo, la experiencia ha demostrado que si u, eo y ea son determinados a partir de mediciones hechas cerca del centro del lago y si ea es medido dentro de la capa de vapor, N es relativamente constante para embalses de dimensiones muy diferentes. Los estudios realizados en el lago Hefner (900 Ha) [6] y en el lago Mead (EE.UU.) en la cuenca del Boulder (28 900 Ha) [8] indican que el valor de N en la ecuación anterior es de 0,0137 para ambos embalses si u, eo, y ea son determinados a partir de mediciones efectuadas cerca del centro del lago y u y ea son medidos a una altura de dos metros, sobre la superficie del agua. Si ea es determinado a partir de observaciones de un sitio de la orilla y fuera de la capa de vapor que cubre el lago, el valor de N depende de la superficie del lago. Harbeck [9] definió esta relación como: N=
0,291 A0,05
(37.13)
donde A es la superficie del agua en m2. El error estándar de estimación de esta regresión fue 16 por ciento y, por lo tanto, no debe ser usado para determinar el valor de N para un lago determinado. No obstante, la relación debe servir para evitar grandes errores en la determinación del valor de N por otros métodos. El valor de N puede ser determinado, si la evaporación se evalúa mediante el método del balance hídrico o del balance energético, sobre una base mensual, para un año o más. Durante éste período, el valor de N debe ser calculado para cada mes a partir del producto medio de u(eo – ea). Generalmente, N será constante para todas las estaciones del año. La Nota técnica de la OMM titulada Measurement and Estimation of Evaporation and Evapotranspiration contiene una descripción detallada de los métodos usados para la determinación de N [10]. El valor de N y las pérdidas por infiltración pueden ser evaluados para lagos y embalses pequeños si los otros términos en la ecuación del balance hídrico pueden ser determinados para períodos cortos . Las dos hipótesis básicas del método son:
522
CAPÍTULO 37
a) durante períodos en que no hay entradas ni salidas de agua superficial el descenso en el nivel del embalse se debe a dos elementos: la evaporación y la infiltración; b) cuando el producto u(eo – ea) es igual a cero, la evaporación es insignificante. Es preferible usualmente restringir el análisis a períodos sin caudales superficiales afluentes o efluentes, aunque no es necesario hacerlo así. Si los caudales afluentes y efluentes son medidos, el cambio observado en el nivel se puede ajustar en consecuencia, pero incluso pequeños errores en las mediciones del afluente y el efluente pueden producir variaciones de dudosa exactitud en los niveles del embalse. Los períodos de lluvia deben ser excluídos. El comienzo y final de cada período deben seleccionarse de forma que los niveles del lago en estos períodos estén definidos con exactitud. Los períodos durante los cuales la banda del instrumento registrador indica alteraciones inducidas por el viento, no deben seleccionarse como comienzo o final de período, aunque no deban evitarse dentro del período. Para cada período seleccionado, el cambio de nivel, (∆h) es calculado en cm d-1; los valores medios de la velocidad del viento y de la diferencia de presión del vapor son calculados para el mismo período. Los valores del producto u(eo – ea) trazados en función de ∆h , deben tener una relación lineal. La pendiente de la línea es igual al valor de N, y su punto de intersección indica la cantidad de agua que se infiltra desde el lago. Los valores medios diarios de u, eo y ea son determinados a partir de los datos de temperatura y viento y, la evaporación diaria, en cm d-1, es calcula con la ecuación 37.11. 37.4.2 Viento Una medición continua de la velocidad del viento debe ser hecha cerca del centro del lago o el embalse a una altura de dos metros sobre la superficie del agua. Los anemómetros usados se indican en la sección 9.5.7. 37.4.3 Temperatura en la superficie del agua Un registro continuo de la temperatura de la superficie del agua debe ser obtenido cerca del centro del lago o el embalse. El equipo necesario se indica en la sección 9.5.5. 37.4.4 Humedad o presión del vapor de agua en el aire Las mediciones de la humedad deben ser hechas preferiblemente cerca del centro del embalse, a unos dos metros sobre la superficie del agua. Los instrumentos para medir la humedad se describen en la sección 9.5.6. Como es difícil mantener este tipo de equipos en el centro del lago, la humedad se mide en una estación instalada en la orilla del lago y contra el viento. La diferencia en la humedad sobre el lago y en la estación de la orilla se debe tener en cuenta de manera empírica para el cálculo descrito en la sección 37.4.1.
ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN EN LAGOS Y EMBALSES
523
37.4.5 Método de correlación turbulenta El flujo vertical de calor sensible (convección) y el vapor de agua (evaporación) se pueden medir directamente al determinar las propiedades, sobre una base instantánea, de los remolinos cuando pasan a través de un nivel de medición particular. El flujo vertical medio de aire (seco) es cero, pero la componente vertical fluctuante del viento transporta otras entidades. El transporte vertical neto de calor (o humedad) requiere que las fluctuaciones de la temperatura (o de la humedad) estén relacionadas con las fluctuaciones verticales de la velocidad del viento. En el caso de la medición de la evaporación, el método está basado en la proporcionalidad entre la densidad media del flujo vertical del vapor de agua y el tiempo medio de las covarianzas instantáneas de la velocidad vertical del viento y la humedad. Para este método se requieren sensores especializados y sensibles de la velocidad del viento y la humedad y no debe considerarse que sirve para mediciones ordinarias sobre el terreno. Sin embargo, el método desempeña un papel importante en la investigación y la validación de otros métodos directos e indirectos. 37.5
Combinación de las ecuaciones del método aerodinámico y las del balance energético El método, quizá más usado, para calcular la evaporación de un lago a partir de factores meteorológicos se basa en una combinación de las ecuaciones del método aerodinámico y las del balance energético [11-13]. En su forma general, la ecuación de Penman [12] se presenta de esta manera: Ei =
Rn ∆ + Ea γ ∆+γ
(37.14)
donde Ei es la evaporación estimada de una superficie de agua libre, ∆ la pendiente de la curva de presión del vapor de saturación a cualquier temperatura θa, Rn la radiación neta, γ la constante sicrométrica, y Ea es un parámetro derivado que depende de la velocidad del viento (es – ea), donde es es la de la presión del vapor saturante a una temperatura θa y ea la presión real del vapor a la misma temperatura. La constante sicrométrica γ es de 0,61 cuando la temperatura se expresa en °C y para una presión de 1 000 hPa. La radiación neta Rn puede calcularse por esta ecuación:
(
Rn = Rt (1 − r ) (0,18 + 0,55n/N ) − σθ a4 0,56 − 0,09 ea
) (0,1 + 0,9n/N )
(37.15)
donde Rt es la radiación media extraterrestre expresada en evaporación equivalente en mm j-l, r el coeficiente de reflexión, n/N la relación de horas reales de luz solar y el número de horas de iluminación posibles, σ la constante de Stefan-Botzmann,
524
CAPÍTULO 37
tambien expresada en evaporación equivalente en mm j-1, θa la temperatura media del aiere (absoluta) y ea la presión del vapor real del aire en mm de mercurio. Si bien puede ser necesario usar esta ecuación, sería preferible usar valores medidos de radiación solar y de radiación de onda larga. El parámetro Ea en la ecuación 37.14 se deduce con la ecuación: Ea = (a + bu)(es – ea)
(37.16)
donde u es la velocidad del viento. La temperatura media diaria y la humedad relativa pueden ser usadas para determinar la presión del vapor ea y el déficit medio de saturación (es – ea). Las observaciones del viento pueden ser ajustadas al nivel apropiado aplicando la ley exponencial de variación de la velocidad del viento en función de la altura sobre el suelo, con la fórmula: u1 z1 = u2 z2
k
(37.17)
donde u1 es la velocidad del viento estimada a la altura sobre el suelo requerida, u2 la velocidad del viento observada a la altura del anemómetro, z1 la altura sobre el suelo usada en la ecuación de evaporación, z2 la altura del anemómetro sobre el suelo y k un coeficiente que varía con la estabilidad atmosférica y la rugosidad de la superficie. Los valores numéricos de k pueden ser calculados por una fórmula experimental de Timofeev:
k=
1 θo − θ2 1 − 0, 42 11,5 u12
(37.18)
donde u1 es la velocidad del viento a un metro de altura y θ0 y θ2 son temperaturas de la superficie del agua y del aire, respectivamente. Un enfoque similar fue usado por Kohler y otros [2] y una representación gráfica se muestra en la figura 37.1. Las observaciones meteorológicas de la radiación solar, la temperatura del aire, el punto de rocío y la velocidad del viento a la altura del anemómetro de un tanque de evaporación de clase A son necesarias para la aplicación de este método. Si no hay datos sobre las observaciones de la radiación solar, ésta puede ser estimada a partir de datos sobre la luz solar en porcentaje o de datos sobre la nubosidad. La evaporación del lago calculada, para períodos cortos, por este método [2,11,12] sólo serviría para lagos muy poco profundos, en los que la advección de energía al lago sea muy pequeña o nula. Para lagos profundos y
ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN EN LAGOS Y EMBALSES
525
condiciones de advección importantes debidas a flujos afluentes y efluentes, es necesario corregir la evaporación calculada del lago en términos de energía neta advectada y de variación en la energía almacenadas. Estos términos se detallan en la sección 37.3 sobre el método del balance energético. De todas formas, toda la energía advectada y la variación de la energía almacenada no se utiliza para la evaporación. La porción de esta energía usada para la evaporación puede ser obtenida de una relación como se muestra en la figura 37.2. Para la aplicación de esta relación se necesitan observaciones de temperatura de la superficie del agua y de la velocidad del viento a cuatro metros de altura sobre la superficie del agua. Este método permite obtener estimaciones fiables sobre la evaporación semanal o mensual de un lago si se hace una evaluación de la energía transmitida por advección y de la variación de la energía almacenada. 40
40
35
35
30
30
35 30
15
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Temperatura media diaria (°C)°
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25
25
6 5
0 12 0 10 0 9 80 700 60 5 40 30 20 10 0
4 3 2 1 0
Nota La escala pirheliométrica internacional, oficialmente adoptada en EE.UU. el 1° de julio de 1957, suministra valores que son un dos por ciento inferiores a los antes obtenidos. Por lo tanto, se deben aumentar en un dos por ciento los valores de la radiación cuando se efectúen cálculos basados en datos anteriores al 1° de julio de 1957.
Figura 37.1 — Relación de la evaporación de un lago
526
CAPÍTULO 37 0,9
0,9
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20
20
0,2
0,2
10
10
0,1
0,1
Altitud = 305 m sobre el NMM
Altitud = 3 048 m sobre el NMM 0
0 0
10
20
30 0 10 Temperatura del lago en °C
20
30
Figura 37.2 — Proporción de energía advectada hacia el lago, utilizada en la evaporación 37.6 Extrapolación a partir de mediciones de tanques La evaporación de tanques enterrados o situados sobre el suelo está influenciada por las características del tanque. Los tanques sumergidos pueden tener pérdidas no detectadas, acumulación de desechos sobre la superficie del agua y condiciones de contacto con el suelo diferentes de las de un gran lago. Los tanques expuestos sobre el suelo están expuestos al intercambio de calor a través de los lados y a otros efectos que no ocurren dentro del lago. Los tanques flotantes están sometidos a salpicaduras hacia adentro o hacia afuera y son costosos de instalar y explotar.
ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN EN LAGOS Y EMBALSES
527
Los tanques tienen mucho menos almacenamiento de calor que los lagos y tienden a experimentar un ciclo anual de evaporación muy diferente, mientras que los valores extremos de evaporación del tanque ocurren al principio de la estación. Estimaciones fiables de la evaporación anual de un lago pueden ser obtenidas al multiplicar la evaporación anual del tanque por un coeficiente tanque/lago adecuado. Estas estimaciones serán fiables sólo si se puede suponer que, sobre bases anuales, todo aporte de energía advectada al lago esté balanceada por un cambio en el almacenamiento de calor. El coeficiente tanque–lago para un tanque particular se determina por comparación con la evaporación real del lago, si se dispone, o más frecuentemente por comparación con un tanque lo suficientemente grande para simular las condiciones de un lago (tanques sumergidos de cuatro metros o más de diámetro). El coeficiente para un tanque específico también depende hasta cierto punto del régimen climático, es decir que es diferente para climas áridos o húmedos. Para que un tanque de evaporación sirva como un índice válido de evaporación de un lago, la exposición del tanque debe evitar efectos ambientales del lago. Dicha exposición sería cerca del lago, pero en el lado hacia la dirección predominante del viento. Una exposición aislada no sería satisfactoria. Un método para determinar la variación climática del coeficiente del tanque consiste en realizar comparaciones sobre el terreno con grandes tanques sometidos a diferentes condiciones. Este método es aplicado en la CEI con el tanque GGI-3000 y tanques de 20 metros cuadrados. El coeficiente tanque–lago así deducido para el GGI-3000 varía entre 0,75 y 1,0. Para estimaciones de evaporación mensual media, el coeficiente para un tanque flotante GGI-3000 se puede calcular con la siguiente ecuación:
α = 0,8
eo − e200 β eo′ − e200 γ
(37.19)
donde eo es la presión del vapor media mensual en hPa, estimada en función de la temperatura de la superficie de la masa del agua, eo la presión del vapor media mensual en hPa, estimada en función de la temperatura de la superficie del agua en el tanque flotante GGI-3000, e200 la presión del vapor media mensual a 200 cm de la superficie del agua en hPa, β un factor de corrección para el área de una masa de agua y γ un factor que depende de la distancia, l, a lo largo de la dirección media del viento, desde la orilla hasta el tanque (fetch). La relación, β/γ necesita ser determinada solamente para las masas de agua situados en zonas de tundra, bosques y bosques esteparios y cuando el tanque está localizado a una distancia de más de 500 metros de la orilla. En otros casos, esta relación se supone como igual a 1. Para las masas de agua de formas casi redondas o cuadradas, β se determina en función de la superficie del agua, utilizando la tabla 37.2.
528
CAPÍTULO 37
TABLA 37.2 Determinación de β Superficie del lago (km2) Factor de corrección β
0,01 1,03
0,05 1,08
0,1 1,11
0,5 1,18
1,0 1,21
2,0 1,23
5,0 1,26
Para las masas de agua de forma irregular (alargados con islas y golfos), el área usada es un círculo cuyo diámetro sería igual a una distancia media l, ponderada según la frecuencia de la dirección del viento en porcentaje desde los ocho puntos de la rosa de los vientos. La distancia ponderada puede ser calculada por la ecuación: l=
1 100
i=8
∑ li Ni
(37.20)
i=1
donde Ni es una frecuencia de la dirección del viento desde los ocho puntos (en porcentaje), γ puede ser determinada a partir de la figura 37.3. γ 1.3 1.2 1.1 1.0 0
500
1000
1500
2000T, M
Figura 37.3 — Factor γ y relación l En la CEI, el valor medio estacional del coeficiente para un tanque GGI-3000, desde el deshielo de primavera hasta la formación de hielo en otoño, se calcula por la ecuación: (37.21) α = 0,98 − 0,0007E donde E es la evaporación media mensual, en mm por mes, de un tanque GGI-3000 medido durante toda la estación de observación. Para la evaporación media mensual, el coeficiente es estimado por la ecuación:
α = 1 − 0,063 E 0,6
(37.22)
donde E es la evaporación media diaria, en mm por día, para el mes. Otro método consiste en ajustar la evaporación del tanque para tener en cuenta las ganancias o pérdidas de calor a través de las paredes y el fondo. Un ejemplo de este método es la técnica para estimar la evaporación usando datos del tanque de
529
ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN EN LAGOS Y EMBALSES
evaporación de Clase A. En estaciones y climas húmedos, la temperatura del agua en el tanque es superior a la temperatura del aire, y el coeficiente del tanque puede ser 0,8 o más. En estaciones secas y zonas áridas, la temperatura del agua en el tanque es menor que la temperatura del aire, y el coeficiente puede ser 0,6 o menos. Un coeficiente de 0,7 se supone que puede aplicarse cuando las temperaturas del agua y el aire son iguales. Las relaciones utilizadas para estimar la evaporación del lago, ajustando la evaporación del tanque Clase A, para tener en cuenta las ganancias o pérdidas de calor, se muestran en las figuras 37.4 y 37.5. Debido a la variación importante del viento con la altura, la utilización de alturas normalizadas por los instrumentos es esencial en las estaciones meteorológicas equipadas con tanque de Clase A. 0,9
0,9
0,8
0,8 0 35 0 7 1
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0,3
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0,2
0,2
0,1
0,1
Altitud = 305 m sobre el NMM
Altitud = 3 048 m sobre el NMM 0
0 0
10
20
30
0
10
20
30
Temperatura del agua del tanque en °C
Figura 37.4 — Proporción de energía advectada hacia un tanque de clase A que se consume en la evaporación
530
CAPÍTULO 37
220
11 16
10
15 14 en Altura
160
4 500 0 3 00
0
120
12
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80
4
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60
Evaporación del tanque (EL), en mm
180
00 15
Recorrido del viento sobre el tanque, en millas náuticas por día
200
3 3
40
2
2 1
20
1 0
0
0 0,05
(T oT a)
en
°C
0,10 0,15 0,20 0,25 0 0,3 5 0,3 0 0,4 5 0,4 0 0,5
-4 -3 -2
-1
0
1
2
3
4
5
0,
60 0 0, 7 0,
80
αp
-5
Figura 37.5 — Conversión de la evaporación del tanque de clase A, en evaporación de un lago Para obtener estimaciones de períodos cortos de la evaporación de un lago con el método del tanque, es también necesario evaluar la energía neta transmitida por advección al lago y el cambio en el almacenamiento de energía, como se describió en la sección 37.3. Es de gran ayuda tener un tanque de evaporación cerca de un lago o un embalse como posible fuente de información alternativa en la ausencia de otros datos meteorológicos y para ayudar a verificar las estimaciones hechas por los métodos de balance energético y aerodinámico.
ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN EN LAGOS Y EMBALSES
531
Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1971: Problems of Evaporation Assessment in the Water Balance (C. E. Hounam). OMM/IHD Informe Nº 13, OMM–Nº 285, Ginebra. 2. Kohler, M. A., Nordenson, T. J. y Baker, D. R., 1959: Evaporation Maps for the United States. U.S. Weather Bureau. Technical Paper 37. 3. Kohler, M. A., Nordenson, T. J. y Fox, W. E., 1955: Evaporation from Pans and Lakes. U.S. Weather Bureau, Research Paper 38. 4. Organización Meteorológica Mundial, 1985: Casebook on Operational Assessment of Areal Evaporation. Informe de hidrología operativa Nº 22, OMM–Nº 635, Ginebra. 5. Organización Meteorológica Mundial, 1983: Guía de instrumentos y métodos de observación meteorológicos. Quinta edición, OMM–Nº 8, Ginebra. 6. U.S. Geological Survey, 1952: Water-loss investigations: Lake Hefner studies. Technical Report, U.S. Geological Survey Circular 229. 7. Vikulina, Z. A., 1973: Evaluation of the Penman method for the computation of evaporation from water bodies using observed data. International Symposium on the Hydrology of Lakes, 23–27 de julio de 1973, Helsinki, IAHS-AIHS publicación Nº 109. 8. U.S. Geological Survey, 1958: Water-loss investigations: Lake Mead studies. U.S. Geological Survey Professional Paper 298. 9. Harbeck, G. E., 1962: A practical field technique for measuring reservoir evaporation utilizing mass-transfer theory. U.S. Geological Survey Professional Paper 272-E, págs. 101-106. 10. Organización Meteorológica Mundial, 1966: Measurement and Estimation of Evaporation and Evapotranspiration. Nota técnica Nº 83, OMM–Nº 201, Ginebra. 11. Ferguson, J., 1952: The rate of natural evaporation from shallow ponds. Australian Journal of Scientific Research, Nº 5, págs. 315-330. 12. Penman, H., 1956: Evaporation: an introductory summary. Netherlands Journal of Agricultural Science, Wageningen, Holanda, págs. 9-29. 13. Slatyer, R. O. y McIlroy, I. C., 1961: Practical Microclimatology. Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura, París.
CAPÍTULO 38 ESTIMACIÓN DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN EN UNA CUENCA 38.1 Generalidades La evapotranspiración 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, pero los lisímetros (sección 9.3) son usados para medirla en recipientes de volumen limitado. En un período largo de tiempo, puede usarse el método del balance hídrico para estimar la evapotranspiración de una cuenca en la que todos los términos de flujo afluente y efluente, excepto la evapotranspiración pueden ser medidos. Cuando se consideran valores a corto plazo sobre grandes superficies, es necesario estimar la evapotranspiración utilizando relaciones empíricas. En la publicación de la OMM titulada Casebook on Operational Assessment of Areal Evaporation [1] se examina minuciosamente este tema. 38.2 Evapotranspiración potencial Thornthawaite definió la evapotranspiración potencial como la pérdida de agua que se desprende del suelo, totalmente cubierto de vegetación, cuando aquél se encuentra perfectamente impregnado de agua [2]. Penman propuso modificar esta definición para incluir la estipulación de que la superficie debe estar cubierta por vegetación verde. Esta modificación es generalmente satisfactoria, pero pierde todo su significado durante el invierno en las latitudes septentrionales. Penman recomienda que la evaporación anual de una superficie de agua, calculada según su ecuación, sea multiplicada por un factor de 0,75 (que varía desde 0,8 en verano hasta 0,6 en invierno) para obtener la evapotranspiración potencial. En ciertas condiciones, la evapotransipiración potencial puede ser igual a la evaporación de una superficie de agua. En algunas aplicaciones, la evaporación de la superficie del agua puede ser usada como un índice para la evapotranspiración potencial, por ejemplo, en estudios de las condiciones de la humedad del suelo con fines de pronóstico de predicción del abastecimiento del agua. 38.3 Evapotranspiración real El efecto de un déficit de humedad en el perfil de suelo es un elemento importante en la relación entre la evapotranspiración real y la evapotranspiración potencial.
534
CAPÍTULO 38
Existen pocas dudas de que la velocidad de agotamiento de un área heterogénea, inicialmente saturada, disminuye con el tiempo en una recesión casi logarítmica a causa de las variaciones en la profundidad de la zona radicular, la densidad de la zona radicular, la pendiente, el aspecto de la superficie, del suelo, etc. 38.4 Método del balance hídrico El método del balance hídrico puede ser usado para estimar la evapotranspiración, ET cuando pueden medirse o estimarse la precipitación P, el escurrimiento Q, y las variaciones del almacenamiento, ∆S. La ecuación utilizada es la siguiente: ET = P – Q – Qss ± ∆S
(38.1)
La evapotranspiración anual de una cuenca para un año hídrico puede ser estimada como la diferencia entre la precipitación y el escurrimiento, si se puede establecer por estudios hidrogeológicos que la infiltración profunda es relativamente insignificante. Las fechas elegidas para el comienzo y final del año hídrico deben coincidir con la estación seca, cuando la cantidad de agua almacenada es relativamente pequeña y el cambio en almacenamiento de un año a otro es mínimo. Si se debe calcular la evapotranspiración para un período más corto, como una semana o un mes, debe medirse la cantidad de agua almacenada en el suelo y en el canal del curso de agua. Esto es posible sólo para cuencas pequeñas, y la aplicación del método del balance hídrico para esos períodos cortos se limita generalmente a parcelas o cuencas experimentales de algunas hectáreas. Para la evapotransipiración media anual, la variación en el almacenamiento es generalmente mínima, y la evapotranspiración puede ser estimada a partir de la diferencia entre la precipitación media anual y el escurrimiento medio anual. 38.4.1 Precipitación El volumen de precipitaciones que caen en una cuenca o parcela debe medirse con exactitud por una red de pluviómetros. Los pluviómetros no registradores (sección 7.3) sirven para este fin. El número requerido de pluviómetros dependerá de la variabilidad esperada de la precipitación en la cuenca o parcela de que se trate. 38.4.2 Escurrimiento Los instrumentos y métodos para efectuar mediciones continuas de caudal se describen en los capítulos 10 y 11. 38.4.3 Variación del almacenamiento La variación del almacenamiento de agua en el suelo se mide como dos componentes separados: la zona saturada y la zona no saturada. Se requieren mediciones del nivel de la capa freática en pozos y de la humedad del suelo en la zona no saturada.
ESTIMACIÓN DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN EN UNA CUENCA
535
El nivel de la capa freática puede ser determinado midiendo la distancia que existe entre puntos de referencia determinados y la superficie del agua en pozos, al final de cada período de tiempo para el cual la evapotranspiración va a ser calculada. La variación en el volumen de almacenamiento de agua es igual al cambio medio del nivel de agua en los pozos multiplicado por el rendimiento específico de la formación y por el área de la cuenca o parcela en la que se efectúa la medición. Los perfiles de humedad del suelo desde el nivel de saturación (o desde un punto de humedad constante en regiones áridas) hasta la superficie del suelo, deben medirse al final de cada período de cálculo en diversos puntos de la cuenca o parcela (capítulo 15). Se puede calcular así la ganancia o la pérdida de humedad del suelo durante el período en cuestión. 38.4.4 Infiltración profunda La cantidad de agua que pierde la cuenca por infiltración profunda no puede medirse directamente. Para conocer la magnitud relativa de este flujo, que debe tenerse en cuenta al elegir el área experimental, es preciso hacer un estudio hidrogeológico de las características hidráulicas de las capas subyacentes. Este término, en general es tan insignificante que puede pasarse por alto en estudios del balance hídrico. 38.5 Método del balance energético Este método [3] puede aplicarse a la estimación de la evapotranspiración cuando la diferencia entre el balance de radiación y el flujo de calor en el suelo es importante y excede los errores de medición (sección 37.3). Este método se utiliza para calcular la evapotranspiración en períodos inferiores a 10 días. Para períodos más cortos, la estimación de evapotranspiración por el método de balance de energético resulta muy difícil. 38.6 Método aerodinámico Es difícil aplicar este método [4] para la estimación de la evapotranspiración debido a la falta de métodos fiables para determinar el coeficiente de intercambio turbulento (sección 37.4). Por ese motivo, se usa raras veces y únicamente en estimaciones aproximadas de la evaporación. En algunos países, la evapotranspiración se calcula por métodos empíricos (método de Penman y la fórmula de Thornthwaite). El método de Penman se usa en condiciones de suficiente humedad y la fórmula de Thornthwaite [2] se aplica en regiones con condiciones climáticas similares a las de la costa media atlántica de Estados Unidos, para la cual se basa esta fórmula. En la CEI se utiliza el método de Konstantinov [5], basado en las mediciones de la temperatura y la humedad del aire, realizadas con un sicrómetro localizado a dos metros sobre el nivel del suelo. Este método se aplica sobre todo para el cálculo de la evapotranspiración mensual, estacional o anual medias a largo plazo.
536
CAPÍTULO 38
38.7 Método de Penman-Monteith La combinación de ecuaciones (sección 37.5, ecuación 37.14) representa el balance energético en la superficie del suelo y la transferencia de vapor de agua y calor entre la superficie y la atmósfera. El método Penman-Monteith introduce la noción de resistencia aerodinámica y superficial. La primera describe el efecto de la rugosidad de la superficie sobre el calor y la transferencia de masas, mientras que la última se refiere a la resistencia del flujo del vapor de agua entre la superficie de evaporación y el aire. La resistencia de la superficie de extensiones de agua es igual a cero. En el caso de vegetación, la resistencia de la superficie representa un control biológico o transpiración y depende en gran parte de la resistencia estomática. Para un suelo que se seca, la resistencia de la superficie depende de la disponibilidad de humedad en el suelo. Este método se puede usar en base horaria o diaria, pero su uso está restringido porque requiere submodelos para la resistencia de la superficie. 38.8 Método de Priestley-Taylor (de radiación) Este método [6] se basa en la hipótesis de que, para grandes áreas húmedas la radiación influye más en la evaporación que los fenómenos de advección. Si la atmósfera permanece saturada cuando está en contacto con la superficie húmeda, entonces la transferencia de calor latente (evaporación) puede ser expresada por la ecuación:
λE = (ε/ (ε + 1))(Q* – G)
(38.2)
donde Q* es la radiación neta disponible, G el flujo de calor del suelo, y ε igual a sλ/cp, siendo s igual a la pendiente de la curva de humedad específica de saturación, λ el calor latente de evaporación y cp el calor específico del agua. Para la evaporación de equilibrio, se propuso esta ecuación:
λE = α (ε/ (ε + 1))(Q* – G)
(38.3)
donde α es una constante empírica igual a 1,26. Esta expresión se usa para la estimación de la evaporación potencial en ausencia de advección local. Permite obtener también buenas estimaciones de la evaporación de la vegetación bien humedecida, pero no mojada en algunas regiones mucho más pequeñas. 38.9 Método complementario El método complementario, sugerido primero por Bouchet [7] se usa cada vez más en aplicaciones hidrológicas para grandes áreas porque esencialmente sólo usa datos climáticos ordinarios. En este método, se considera que la evaporación potencial es tanto el efecto como la causa de la evaporación real. El calor y la humedad liberadas desde la
ESTIMACIÓN DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN EN UNA CUENCA
537
superficie modifican la temperatura y la humedad del aire sobre ésta. Bouchet sugirió que el aumento en la evaporación potencial, observada cuando un área se seca, puede ser usado como una medición de la tasa de evaporación real. Si la evaporación real E se reduce por debajo de la tasa potencial Epo para una región humeda extensa, una cantidad de energía Q sería liberada, de manera que:
λEpo – λE = Q
(38.4)
Esta liberación de energía afectará la temperatura, la humedad, la turbulencia y en consecuencia la evaporación. Si el área es lo suficientemente grande para que la variación de energía no produzca variaciones en la transferencia de energía entre la masa de aire modificada y la situada más allá, Q debería ser igual al incremento en λEpo, la evaporación potencial para la región que se seca. De esta manera:
λEp – λEpo = Q
(38.5)
E + Ep = 2Epo
(38.6)
por lo tanto:
La mayor parte de las aplicaciones de la relación complementaria (véase, por ejemplo, Morton [8]) ha sido utilizada para encontrar las expresiones apropiadas para Ep y Epo. Estos elementos se pueden calcular con las expresiones de Penman (sección 37.5) y la de Priestley-Taylor (Sección 38.8), respectivamente. El método no tiene en cuenta la advección y supone que Q permanece constante. Además, tampoco considera el intercambio vertical de energía, es decir de las masas de aire transportadas por sistemas meteorológicos de gran escala.
Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1985: Casebook on Operational Assessment of Areal Evaporation. Informe de hidrología operativa Nº 22, OMM–Nº 635, Ginebra. 2. Thornthwaite, C. W. y Holzman, B., 1942: Measurement of Evaporation from Land and Water Surfaces. U.S. Department of Agriculture, Technical Bulletin 817. 3. Organización Meteorológica Mundial, 1966: Measurement and Estimation of Evaporation and Evapotranspiration. Nota técnica Nº 83, OMM–Nº 201, Ginebra, págs. 95-102.
538
CAPÍTULO 38
4. Organización Meteorológica Mundial, 1966: Measurement and Estimation of Evaporation and Evapotranspiration. Nota técnica Nº 83, OMM–Nº 201, Ginebra, págs. 102-115. 5. Konstantinov, A. R., 1966: Evaporation in Nature. Traducida por el Department of Commerce and National Science Foundation de Estados Unidos en el marco del Programa de traducciones científicas de Israel, Jerusalem. Disponible en el U.S. Department of Commerce, National Technical Information Service, Springfield, Virginia, 22151. 6. Priestley, C. H. B. y Taylor, R. J., 1972: On the assessment of the surface heat flux and evaporation using large-scale parameters. Monthly Weather Review, Nº 100, págs. 81-92. 7. Bouchet, R. J., 1963: Evapotranspiration réelle et potentielle: signification climatique, Asamblea General, Comité de la evaporación, 19-31 de agosto de 1963, Berkeley, California. Publicación Nº 62 de la AICH, págs. 134-142. 8. Morton, F. I., 1982: Operational estimates of areal evapotranspiration and their significance to the science and practice of hydrology. Journal of Hydrology, Nº 66, págs. 1-76.
CAPÍTULO 39 MODELIZACIÓN DE SISTEMAS HIDROLÓGICOS
39.1 Generalidades El término modelización de sistemas hidrológicos en general significa la aplicación de expresiones matemáticas y lógicas, que definen cuantitativamente las relaciones entre las características del escurrimiento (salida) y los factores que forman el escurrimiento (entrada). Esta es una definición muy general que cubre un amplio espectro de métodos. Por un lado están los métodos puramente empíricos, de caja negra, es decir los que no intentan modelar la estructura interna y la respuesta de la cuenca, sino que sólo equiparan las entradas y salidas del sistema de la cuenca. Por otro lado, están los métodos que exijen complejos sitemas de ecuaciones basados en leyes físicas y conceptos teóricos que rigen los procesos hidrológicos, los llamados modelos hidrodinámicos [1, 2]. Entre estos dos extremos hay variados modelos conceptuales. Estos modelos consisten en representaciones lógicas de elementos conceptuales simples, por ejemplo, embalses y canales lineales o no lineales, que simulan procesos que ocurren en la cuenca. Cualesquiera de los modelos, de caja negra, conceptuales, o hidrodinámicos, producen salidas sin probabilidades asociadas de ocurrencia. Por esta razón, a menudo se hace referencia a ellos como modelos determinísticos. De cualquier manera, el término modelización de sistemas hidrológicos incluye a veces modelización estocástica, en la que se da mayor importancia a la reproducción de las características estadísticas de las series hidrológicas de tiempo. No se pretende modelar la relación entrada-salida. Las relaciones puramente empíricas y de caja negra han sido, y seguirán siendo, muy útiles en ciertas circunstancias, pero están sujetas a graves errores cuando es necesario utilizarlas en condiciones no experimentadas con anterioridad. Se espera que los modelos que, a través de conceptos teóricos, tratan los variados e interrelacionados procesos hidrológicos, sean más fiables en esas condiciones extremas, y la experimentación con ellos ofrece mayores esperanzas para el avance de la ciencia. Cualquier intento para clasificar los modelos determinísticos como hidrodinámicos conceptuales, o de caja negra, supone una decisión previa con respecto al grado de empirismo de los modelos. Sin embargo se ha considerado apropiado seguir esta división en el tratamiento de los modelos determinísticos.
540
CAPÍTULO 39
Los progresos realizados en la modelización de los sistemas hidrológicos están estrechamente vinculados al advenimiento de las computadoras y de la informática. La disponibilidad de computadoras y la puesta en práctica de métodos numéricos asociados han permitido a los hidrólogos realizar cálculos complejos y repetitivos que utilizan grandes cantidades de datos. La modelización del escurrimiento se ha convertido en un elemento importante en la planificación y la gestión del suministro de agua y de sistemas de control, así como en el suministro de servicios y de alertas. La naturaleza de la modelización y su dependencia en la informática hacen impracticable la inclusión de procedimientos de cálculo como los que figuran en otras partes de la Guía. Las muchas referencias citadas pueden servir como futura orientación sobre aspectos específicos de la modelización, pero no pretenden dar programas que se puedan utilizar de inmediato para las imnumerables combinaciones de modelos informáticos que existen. 39.2 Modelos de caja negra (enfoque sistemático) [J04] Una cuenca de un río puede ser considerada como un sistema dinámico, en el cual la agrupación de los parámetros invariables en la cuenca transforman los factores de entrada, precipitación y derretimiento de la nieve en un hidrograma de salida de la cuenca. Sucede igual para un tramo del río, excepto que el caudal afluente en uno o más puntos aguas arriba, debe ser tratado como un factor adicional de entrada. Estos sistemas pueden ser representados esquemáticamente como se muestra en la figura 39.1, donde P(t) es la entrada y Q(t) es la salida, ambas en función del tiempo t. Desde el punto de vista de la teoría de sistemas dinámicos, los sistemas hidrológicos se comportan como sistemas lineales, si satisfacen el pricipio de superposición; es decir que la reacción del sistema a una combinación de entradas es igual a la suma de sus respuestas a las entradas separadas y que los parámetros del sistema son independientes de la respuesta del sistema. La premisa de que el hidrograma correspondiente al caudal efluente de una cuenca se puede predecir a partir de una secuencia de precipitación y derretimiento de nieve sólo supone que la variabilidad de otras entradas naturales, como la evapotranspiración, son pequeñas o siguen una función de tiempo conocida [3]. La expresión general para la relación entre la entrada P(t) y la salida Q(t) de un sistema lineal dinámico de parámetros agrupados puede ser:
dn Q d n −1 Q dQ + a t + ... + a1 (t ) + ao (t ) Q = ( ) n −1 dt n dt n −1 dt dn P d n −1 P dP bn (t ) n + bn −1 (t ) n −1 + ... + b1 (t ) + bo (t ) P dt dt dt an (t )
(39.1)
MODELIZACIÓN DE SISTEMAS HIDROLÓGICOS
541
donde los coeficientes a1 y b1 son los parámetros que caracterizan las propiedades del sistema. La solución de la ecuación 39.1, para condiciones iniciales nulas es: Q(t ) =
t
∫o h(t − τ ) P(τ ) dτ
(39.2)
donde la función h(t,τ) representa la respuesta del sistema a un tiempo t para un solo impulso de entrada en el tiempo τ. Modelo del sistema
P(t)
Q(t)
Figura 39.1 — Sistema de caja negra Existen numerosos procedimientos para representar sistemas hidrológicos por formulaciones que tienen en cuenta la función de influencia h(t,τ). Esto puede ser expresado en términos de los coeficientes a1 y b1. Si los coeficientes son constantes, el sistema es invariable en el tiempo y la ecuación 39.2 se transforma en la integral de Duhamel. Q(t ) =
t
∫o h(t − τ ) P(τ ) dτ
(39.3)
Puede demostrarse que el concepto del higrógrama unitario y los métodos de tránsito analizados en la sección 33.3 son ejemplos de sistemas dinámicos lineales que responden al principio de superposición. Los sistemas no lineales son aquellos en los que no se satisface el principio de superposición. En general, la respuesta de un sistema de parámetros agrupados no lineal a una entrada puede ser expresado tanto por una ecuación diferencial ordinaria no lineal como por la ecuación: t
t
o
o o
Q(t ) = ∫ h( τ ) P(t − τ ) dτ + ∫ t
t
o
o
t
∫ h(τ , τ ) P(t − τ ) P(t − τ ) dτ 1
2
1
2
1
dτ 2 + ...
+ ∫ ... ∫ h( τ 1, τ 2, ... τn) P(t − τ 1) P(t − τ 2 ) ... P(t − τn)dτ 1 dτ 2 ... dτn + ...
(39.4)
donde h(τ1, τ2, ... τn) es una función que expresa las características invariables en el tiempo del sistema físico. Es análoga a la función de influencia de la ecuación 39.2. El primer término, del lado derecho de la ecuación 39.4, define las propiedades lineales del sistema, el segundo define las propiedades cuadráticas, el tercero define las propiedades cúbicas, etc.
542
CAPÍTULO 39
En los sistemas cuasi lineales y los que pueden ser llamados modelos semiagrupados, se tiene en cuenta parcialmente la variabilidad espacial [4]. 39.3 Modelos conceptuales [J04] Los modelos comentados en la sección anterior hacen uso solamente de conceptos muy generales de la transformación de datos de entrada en el hidrograma de salida. Para algunos efectos, tal procedimieto es inadecuado. Los problemas en la modelización de las cuencas que exigen transformaciones complejas de lluvia a caudal en general no responden bien a este tipo de análisis, ni muchos tipos de estudios de recursos hídricos en los cuales es necesario evaluar los efectos de la modificación del tiempo, los cambios en el uso de la tierra, y otras actividades humanas. En consecuencia se ha elaborado, una propuesta de modelización en la que se integran ecuaciones de la estructura, basadas en diferentes conceptos de los procesos físicos de la formación de la escorrentía. Estos modelos pertenecen a la categoría de modelos conceptuales. Uno de los aspectos más difíciles para aplicar los modelos conceptuales es la calibración de un modelo seleccionado para una cuenca determinada. La mayoría de los parámetros están determinados por procesos iterativos que usan información histórica de entrada y salida. Debido a las limitaciones de la información, a las imperfecciones del modelo y a las interrelaciones entre los parámetros, un pequeño incremento en el número de los parámetros tendrá quizás un mayor efecto sobre la dificultad experimentada al realizar la calibración. Es necesario, de todas maneras, que el número de parámetros sea compatible con la fiabilidad de los datos de entrada y la exactitud requerida. En otras palabras, los conceptos modernos del mérito teórico deben generalmente ser simplificados en favor de la utilidad. Una amplia variedad de modelos conceptuales se describen en publicaciones sobre este tema, por ejemplo en Intercomparison of Conceptual Models Used in Operational Hydrological Forecasting [5]. En esas circunstancias, convendría limitar la cuestión a una breve descripción de tres modelos que representan una selección razonable en el marco de esta Guía. 39.3.1 Modelo del Centro Hidrometeorológico de la ex URSS Este modelo utiliza formulaciones conceptuales para establecer las pérdidas de una cuenca y aplicar luego un enfoque de sistemas para la propagación de los volúmenes de caudal a la salida de la cuenca [6]. La cantidad de agua, P, procedente de la cuenca en forma de escurrimiento superficial se calcula por la ecuación: P=h–E–I
(39.5)
donde h es la intensidad media de precipitación durante el intervalo de tiempo seleccionado (seis horas, 24 horas, etc.) E, la correspondiente evapotranspiración, e I la
MODELIZACIÓN DE SISTEMAS HIDROLÓGICOS
543
intensidad media de infiltración (ecuación (39.8)). La evapotranspiración media en la cuenca se calcula con la ecuación: E (k1D + k2Du) e-d/W
(39.6)
donde D es el déficit de saturación del aire, u la velocidad del viento, k1, k2, y W son parámetros empíricos y el déficit de saturación del suelo d, se obtiene por medio de la ecuación del balance hídrico: d=W −
t
∫t ( E + Q + I − h)dτ
(39.7)
o
donde Q es el caudal efluente y to el tiempo cuando d = 0. La intensidad media de infiltración se deduce de la ecuación: I=
d + io k3
(39.8)
donde k3 e io son parámetros empíricos. El escurrimiento superficial se calcula a partir del rendimiento hídrico por la ecuación:
[
t
Ps = P r 1 − e − m ∫ Pdt tn
]
(39.9)
donde tn es el tiempo en que comienza el escurrimiento, r y m son parámetros empíricos. El escurrimiento subsuperficial es calculado por la ecuación:
Pi = io e −k4d
(39.10)
donde k4 es un parámetro empírico. Las entradas del escurrimiento superficial y subsuperficial son transformadas separadamente, de forma que los hidrogramas de salida se obtienen por medio de la ecuación: Q(t ) =
t
t
∫o h1 (t − τ ) Ps (τ ) dτ + ∫o h2 (t − τ ) Pi (τ ) dτ
(39.11)
En la cual h1(t) y h2(t) son funciones de influencia (véase la ecuación 39.3). Del examen de las ecuaciones 39.5 a 39.11 se deduce que el modelo contiene 12 parámetros empíricos (k1, k2, k3, k4, io, m, r, W) y cuatro parámetros de las funciones de influencia.
544
CAPÍTULO 39
39.3.2 Modelo Sacramento [J04] El modelo Sacramento fue desarrollado por el grupo del centro de predicción fluvial (River Forecast Center) del National Weather Service, en Sacramento, California, Estados Unidos [7]. Este modelo incorpora un complejo algoritmo de balance de humedad para calcular los volúmenes de diferentes componentes de escurrimiento, mientras un método empírico bastante sencillo y altamente empírico es usado para convertir estas entradas en el hidrograma de salida. La capa de suelo es dividida en dos partes (una zona superior y una zona inferior), cada una de las cuales tiene su propia capacidad de tensión hídrica y agua libre. La tensión hídrica es aquella que está estrechamente vinculada a las partículas del suelo y es extraída sólo por evapotranspiración. El modelo prevé el drenaje vertical y horizontal del agua libre. Las capacidades de almacenamiento para la tensión hídrica y el agua libre en cada zona son especificadas como parámetros del modelo. El agua que ingresa en una zona es agregada al almacenamiento de tensión mientras su capacidad no sea excedida y cualquier exceso es agregado al almacenamiento del agua libre. Una parte de la precipitación es dirigida directamente al sistema de canales como escurrimiento directo. Ésta es la parte que cae directamente sobre el sistema de canales y sobre las áreas impermeables adyacentes. La extensión de esta área varía con el tiempo en el modelo. La totalidad de la precipitación y de la fusión de nieve, excepto la convertida en escurrimiento directo, penetra en la zona superior, de agua libre en esta zona es extraída como escorrentía subsuperficial o como percolación hacia la zona inferior. Si la proporción de humedad disponible para la zona superior es mayor que la tasa de agotamiento, el exceso se convierte en escurrimiento superficial. El agua libre en la zona inferior se divide en almacenamiento primario (drenaje lento) y almacenamiento secundario. La figura 39.2 ilustra los principales componentes del modelo. La percolación de la capa superior a la inferior se define como:
[
PRATE = PBASE 1 + ZPERC * RDC REXP
UZFWC ] UZFWM
(39.12)
donde PRATE es la tasa de percolación, y PBASE es la tasa de la percolación que existiría si la zona inferior estuviera llena y si existiera un abastecimiento ilimitado de agua disponible en la capa superior. Esta tasa es numéricamente igual a la intensidad del caudal efluente máximo de la zona inferior y se calcula como la suma de las capacidades primaria y secundaria de almacenamiento de agua libre en la zona inferior, cada una multiplicada por su coeficiente de agotamiento. RDC es la relación entre el déficit de la zona inferior y su capacidad. Esto es, RDC es cero cuando la zona inferior está llena y es igual a la unidad cuando está vacía. ZPERC es un parámetro del modelo que define la intensidad de percolación. Dada una disponibilidad ilimitada del abastecimiento de agua libre de la zona superior, la tasa de percolación variará de
545
MODELIZACIÓN DE SISTEMAS HIDROLÓGICOS
PBASE (zona inferior llena) a PBASE (1+ ZPERC) cuando la zona inferior está vacía. REXP es un parámetro del modelo que define la forma de la curva entre los valores mínimos y máximos antes descritos. UZFWC es el contenido de agua libre en la zona superior. UZFWM es la capacidad de almacenamiento de agua libre de la zona superior. La relación UZFWC /UZFWM representa la fuerza conducente en la zona superior. Si la zona superior está vacía, no habrá percolación. Si está llena, la intensidad de percolación estará determinada por la deficiencia en la zona inferior. Esta ecuación es el mecanismo central del modelo, e interactúa con otros componentes del modelo, de forma que controla el movimiento del agua en todas las partes del perfil del suelo, por encima y por debajo de la interfase de percolación y, a su vez, se controla por el movimiento en todas las partes del perfil. Los índice de evapotranspiración se calculan a partir de las variables meteorológicas o mediante observaciones de tanque. Se pueden usar valores diarios y valores medios a largo plazo. El potencial de la cuenca es el producto de la evapotranspiración meteorológica y un multiplicador en función de la fecha, que refleja el estado de la vegetación. En el cálculo de la humedad realizado por el modelo, las pérdidas de evaporación, directas o indirectas, se extraen del contenido en los diferentes elementos de almacenamiento y/o desde sistema de canales. La pérdida es distribuida de acuerdo a una jerarquía de prioridades y está limitada por la disponibilidad de humedad y por la demanda calculada.
Almacenamiento tensión hídrica Zona superior Almacenamiento agua libre
AlmacenaAlmacenamiento miento tensión Zona de agua libre hídrica primario inferior
Almacenamiento Almacenatensión miento de hídrica agua libre primario
Escorrentía superficial
Escorrentía superficial
Flujo de base
Flujo de substrato
Figura 39.2 — Estructura del modelo Sacramento
Escorrentía directa
546
CAPÍTULO 39
El desplazamiento de humedad a través de las capas del suelo es un proceso continuo. La velocidad del flujo en un punto determinado varía con la tasa de abastecimiento de humedad y con el contenido de elementos pertinentes al almacenamiento. Este proceso es simulado por un cálculo casi lineal. El cálculo sencillo, para un intervalo de tiempo dado, de los procesos de drenaje y de percolación se basa en la hipótesis implícita de que el movimiento de humedad, durante ese intervalo de tiempo, está definido por las condiciones existentes al comienzo del intervalo. Esta aproximación es aceptable sólo si el intervalo de tiempo es relativamente corto. En el modelo, la longitud del intervalo depende del volumen. Esto es, el intervalo es seleccionado de forma que no haya más de cinco milímetros de agua en cada ejecución sencilla del ciclo de cálculo. En este modelo se deducen cinco componentes de escurrimiento. Los tres componentes superiores (directa, superficial y escorrentía subsuperficial) se suman y se transforman por un hidrograma unitario (Sección 33.3). Las dos componentes de la zona inferior (flujo base primario y secundario) se suman directamente al hidrograma de salida, derivado de los otros tres componentes. También se prevé un cálculo del tránsito del hidrograma resultante con coeficientes de tránsito variables. xS1 xS2 xS3
xS4
xS4
xS4
xS4
a)
b)
Figura 39.3 — Modelo tanque
MODELIZACIÓN DE SISTEMAS HIDROLÓGICOS
547
39.3.3 Modelo tanque [J04] Este modelo fue desarrollado en el Centro nacional de investigación para la prevención de desastres, en Tokyo, Japón [8]. Como el nombre lo indica, la capa de suelo es simulada por una serie de tanques dispuestos uno encima del otro como se muestra en la figura 39.3 a), en donde se supone que toda la lluvia y el derretimiento de la nieve entran al tanque ubicado en la parte superior. Cada tanque tiene una salida en el fondo y una o dos a los lados, a cierta distancia por encima del fondo. El agua que sale de cualquier tanque a través de las salidas del fondo entra al tanque inferior siguiente, excepto para el tanque ubicado en la parte más baja, en cuyo caso el flujo inferior representa una pérdida del sistema. El agua que sale de cualquier tanque a través de las salidas laterales (flujo lateral) se convierte en entrada al sistema de cauces. El número de tanques y el tamaño y posición de las salidas son los parámetros del modelo. Esta configuración constituye una representación adecuada del proceso lluviacaudal en regiones húmedas, pero se requiere una disposición más compleja de los tanques para cuencas ubicadas en áreas áridas y semiáridas, como se muestra en la figura 39.3 b). Si una región se caracteriza por períodos secos prolongados, dos o más series de tanques, como los descritos anteriormente, se colocan en paralelo. Los flujos verticales en cada serie son los mismos que para el modelo sencillo. Cada tanque, en cada serie, contribuye al flujo lateral del tanque correspondiente a la serie próxima, excepto que todos los flujos laterales de la última serie alimentan directamente el sistema de canales. Además, el flujo lateral del tanque superior de cada serie alimenta directamente el sistema de caudales. Cada serie se considera la representación de una zona de la cuenca, la inferior corresponde a la zona más cercana a los flujos de aguas. Como las condiciones hidrológicas hacen su progresión estacional, de la humedad de la sequía, la zona más cerca a los canales puede continuar relativamente humeda aunque la más alejada ya se haya vuelto bastante seca. Los autores del modelo no pretenden que la representación de los elementos de almacenamiento sean totalmente conformes a la realidad, sino que la configuración de los tanques es una aproximación que de alguna forma semeja el método de elementos finitos. Además, las formulaciones matemáticas que definen el flujo de agua a través de los tanques simula conceptos hidrológicos clásicos. En el modelo se distinguen dos categorías de aguas: el agua confinada (humedad del suelo) y el agua libre que puede drenar hacia abajo y en dirección horizontal. El modelo prevé también utilizar el agua libre para compensar, por acción de capilaridad, el déficit de humedad del suelo. El modelo calcula las pérdidas por evapotranspiración de la cuenca, basándose en mediciones o estimaciones diarias de la evaporación, en la disponibilidad del agua en almacenamiento y en una jerarquía de prioridades de los diferentes elementos de almacenamiento. Los cálculos numéricos básicos en un tanque tienen en cuenta una función de salida definida por:
548
CAPÍTULO 39
dx = αx dt
(39.13)
donde x es el contenido del tanque y t el tiempo. El flujo efluente en una unidad finita de tiempo ∆t, es igual a (1 – e-α∆t) x. La cantidad (1 – e-α∆t) se calcula para cada efluente, basada en el valor de α y el intervalo de tiempo especificado. Los cálculos correspondientes a cada intervalo de tiempo se realizan en el siguiente orden : a) para el tanque superior: i) extracción de la evapotranspiración; ii) transferencia de agua libre a humedad del suelo; iii) adición de lluvia y nieve derretida; iv) cálculo y extracción de entrada al sistema de cauces (flujo lateral) y percolación (flujo descendente) del contenido de agua libre; b) para un tanque inferior: i) extracción de la evapotransipiración, según la jerarquía de prioridades; ii) transferencia de agua libre a humedad del suelo; iii) adición de agua de percolación desde el tanque inmediatamente superior; iv) cálculo y extracción de la entrada del sistema de cauces (flujo lateral) y percolación (flujo descendente) a partir del contenido de agua libre. La entrada al sistema de cauces es la salida de la fase del balance de humedad del modelo. El hidrograma de salida se obtiene a partir del flujo de entrada al cauce, mediante el tránsito de ese afluente, según la hipótesis: Q = KS2
(39.14)
donde Q es el caudal de salida, S el almacenamiento en los canales, y la constante K es un parámetro adicional del modelo. Al cociente dQ/dS se le impone un límite superior igual a la unidad para evitar que el caudal efluente exceda al almacenamiento en el cauce. Una característica interesante del modelo tanque es que los cambios en los valores de los parámetros del modelo pueden realmente cambiar su estructura. 39.3.4 Selección de modelos Existen otros modelos además de los antes descritos. Es difícil a menudo comprobar las relativas ventajas e inconvenientes de los modelos propuestos para uso operativo. La selección de un modelo para una situación hidrológica específica tiene repercusión en la planificación, el desarrollo y la gestión de los recursos hídricos. Algunos de los factores y criterios que deben tenerse en cuenta en la selección de un modelo son: a) objetivos y beneficios de la salida del modelo (por ejemplo, hidrogramas continuos de caudales, predicciones de crecidas, calidad del agua, gestión de los recursos hídricos;
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b) c) d) e)
características climáticas y fisiográficas de la cuenca; longitudes de los registros de los diferentes tipos de datos; calidad de los datos, tanto en tiempo como en espacio; disponibilidad y tamaño de los ordenadores para el desarrollo y la utilización del modelo; f) posible necesidad de transferir parámetros del modelo desde cuencas pequeñas a cuencas grandes; g) capacidad de actualizar el modelo según la evolución de las condiciones hidrometeorológicas. Un proyecto internacional de la OMM sobre la intercomparación de modelos conceptuales de predicción, en hidrología operativa, completado en 1974, produjo información y guías muy útiles en la selección y la aplicacion de modelos conceptuales en diferentes condiciones hidrológicas. Se compararon 10 modelos hidrológicos conceptuales operativos, con conjuntos de datos obtenidos de seis cuencas sometidas a diferentes condiciones hidrológicas y geográficas. Los resultados del proyecto se resumen en la publicación de la OMM titulada Intercomparison of Conceptual Models Used in Operational Hydrological Forecasting [5]. Estos resultados deben considerarse sólo como ejemplos.
Evapotranspiración Aportes de lluvia y nieve
Modelo de intercepción por la cubierta
nt
ie
Modelo del escurrimiento en un medio saturado (cuadrícula rectangular)
m
Modelo de la zona de raíces
Es ri cu r
e uc ca un de y icie ar) perf angul de su Modelo de flujo cula rect (cuadrí
Modelo en capas del derretimiento de la nieve
o
Suelo menos permeable
Modelo unidimensional de la zona no saturada para cada elemento de la cuadrícula
Figura 39.4 — Estructura del Sistema hidrológico europeo (SHE)
550
CAPÍTULO 39
39.4 Modelos hidrodinámicos Desde hace poco, la investigación en hidrología conoce los procesos físicos del ciclo hidrológico. Asimismo, la alta tecnología empleada en la adquisición continua e integración de datos en tiempo real en función del tiempo y el espacio, gracias a las modernas computadoras, permiten un rápido procesamiento de datos hidrológicos y meteorológicos de todos los tipos. Todo esto ha contribuído a mejorar el tercer tipo de modelización: la hidrodinámica. Los modelos hidrodinámicos están basados en una refinada discretización espacial de la cuenca y en un integración numérica de ecuaciones de momentos y conservación de masa que describen los procesos físicos en la cuenca. Dichos modelos permiten el uso completo de información pertinente relativa a los procesos físicos en la cuenca. Como los modelos hidrodinámicos están basados en las leyes físicas que rigen los procesos, la extrapolación más allá del rango de calibración se puede realizar con más fiabilidad que con modelos conceptuales. El Sistema hidrológico europeo (SHE) [9] es un ejemplo de un modelo hidrológico (figura 39.4). SHE es un modelo con parámetros distribuidos, elaborado a partir de ecuaciones diferenciales parciales que describen los procesos físicos en la cuenca: intercepción, evapotranspiración, flujo superficial y en los canales, desplazamiento del agua a través de las zonas no saturadas y saturadas y derretimiento de nieve. El proceso de intercepción está representado por una variante del modelo Rutter [10] que facilita la velocidad de modificación de la cantidad de agua almacenada en la cubierta de copas de árboles:
∂c = Q − Keb (C − S) ∂t donde: Q =
(39.15)
P1P2 (P – Ep C/S) cuando C < S cuando C ≥ S P1P2 (P – Ep)
C es la profundidad real del agua en la cobertura, S la capacidad de almacenamiento de la cobertura, P la intensidad de la lluvia, P1 la proporción de suelo tapado por la vegetación, P2 la relación de la superficie foliar total y la superficie del suelo cubierta por la vegetación, cuando P2 < 1 P1 P2 = P1 P2 cuando P2 ≥ 1 P1 P2 = P1 Ep es la tasa de evaporación potencial, K y b son parámetros de drenaje, y t es el tiempo. Para la predicción de las tasas de evapotranspiración real, se usa la ecuación de Penman–Monteith [11]:
MODELIZACIÓN DE SISTEMAS HIDROLÓGICOS
ϕ C p ve ra Ea = λ ∆ + γ (17 vs /ra ) ∆Rn +
[
]
551
(39.16)
donde ϕ es la densidad del aire, λ el calor latente de vaporización del agua, Ea la tasa real de evapotranspiración, Rn la radiación neta menos el flujo de energía dentro de la tierra, ∆ la pendiente de la curva de humedad específica/temperatura, Cp el calor específico del aire a presión del aire constante, ve el déficit de presión del vapor del aire, ra la resistencia aerodinámica del transporte de vapor de agua, vs es la resistencia al transporte de agua y γ la constante sicrométrica. La evapotranspiración real total depende de la humedad de la cobertura foliar y de la proporción del suelo cubierto: Et = P1P2 Ep c/s + Ea (1 – c/s) P1P2 + Eas (1 – P1P2)
(39.17)
donde Et es la tasa de evapotranspiración total, Ea la tasa de evapotranspiración real, Ep la evapotranspiración potencial, y Eas la evaporación del suelo. El agua acumulada sobre la superficie del suelo responde a la gravedad y fluye siguiendo la pendiente hasta llegar al sistema de canales, donde posteriormente se encamina hacia la salida de la cuenca. Ambos fenómenos son descritos por las ecuaciones del flujo inestable superficial del agua, basadas sobre los principios físicos de conservación de la masa y del momento [9]. En el modo más exhaustivo, el flujo en la zona no saturada puede ser calculado usando la ecuación de Richard: C=
∂t
=
∂ + ∂K + S K ∂Z ∂Z ∂Z
(39.18)
donde ψ es la carga hidrostática, t la variable tiempo, Z la coordenada vertical (positiva hacia arriba), C = ∂Θ/∂Ψ la capacidad de retensión de agua del suelo, Θ el contenido volumétrico en humedad, Z la conductividad hidráulica y S un término de abastecimiento/agotamiento. La velocidad de infiltración en el suelo está determinada por las condiciones en la capa superior, que puede pasar de condiciones controladas por el flujo a condiciones controladas por el suelo (saturado) y viceversa. El límite inferior es usualmente el nivel de la superficie del nivel freático. La ecuación que describe el flujo en la zona saturada es la ecuación no lineal de Boussinesq:
552
CAPÍTULO 39
S
∂h ∂ ∂h ∂ ∂h = Kx H + Ky H +R ∂y ∂t ∂x ∂x ∂y
(39.19)
donde S es el caudal específico, h el nivel de la superficie del nivel freático, Kx, Ky son las conductividades hidráulicas saturadas en las direcciones x e y, respectivamente, H es el espesor saturado, t la variable tiempo, x y y son las coordinadas espaciales horizontales y R es un término instantáneo de recarga/caudal. La ecuación 39.19 combina la ley de Darcy y la de la conservación de masas de dos flujos laminares bidimensionales en un acuífero anisotrópico, heterogéneo. El término R de recarga/caudal, en la ecuación 39.19, puede ser expresado por: R = ∑q −
∂ ∂t
qs
∫h
θ ( Z,t ) dz
(39.20)
donde ∑q incluye la transpiración qR, la evaporación del suelo qs, la infiltración qI, el intercambio corriente/acuífero qO, el flujo de límite externo, qe, y el contenido de humedad del suelo en la zona no saturada θ. El componente de derretimiento de nieve en el SHE representa un intento de modelización del flujo de energía y de la masa al interior de una capa de nieve, teniendo en cuenta los cambios en la estructura del manto de nieve [12]. Dos ecuaciones semiempíricas se usan para completar la serie de relaciones requeridas para definir las distribuciones de temperatura y contenido de agua. Las ecuaciones empíricas también son usadas para definir las propiedadas hidráulicas y termales de la nieve, en términos de la estructura, el contenido de agua y la temperatura. 39.5 Evaluación de parámetros Los métodos generales de evaluación o identificación de parámetros, a veces denominados calibración de modelo, han sido desarrollados para una amplia gama de sistemas dinámicos. La experiencia ha demostrado que el éxito de dichos métodos depende de la disponibilidad de información adecuada relativa a las características del sistema y a la forma de la función de influencia. Existen dos métodos básicos de calibración. En el primero, el modelo matemático es combinado con los datos para resolver las ecuaciones que permitan obtener los coeficientes desconocidos, los parámetros del sistema. Estos sistemas de ecuaciones son difíciles de resolver porque las soluciones tienden a ser inestables y pueden tener múltiples soluciones. El segundo método consistente en la experimentación con varias combinaciones de valores de parámetros en un esfuerzo por minimizar (o maximizar) algún criterio adoptado de optimización. Especialistas en matemáticas aplicadas desarrollaron varias
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553
estrategias para minimizar el número de cálculos requeridos en la optimización de valores de los parámetros. Algunas de las estrategias usadas en hidrología son el método del gradiente, el método de la pendiente según las coordenadas y el método de búsqueda de un patrón [6, 13]. La solución adecuada puede depender mucho del criterio usado en el análisis. Algunos criterios han sido preparados e introducidos a través de los proyectos de la OMM [5, 14], y se pueden recomendar para uso general. A fin de determinar los parámetros de modelos hidrológicos conceptuales complejos, que tienen varios componentes, se recomiendan los siguientes principios: a) pruebas separadas de los compontes de los modelos usando toda la información experimental y científica. Es un hecho bien conocido que la determinación global de todos los parámetros de un modelo a través de la optimización puede resultar en valores no reales de los parámetros, valores que a veces se sitúan fuera del margen físico posible de esos parámetros. Este es el caso cuando algunos componentes del modelo contienen errores sistemáticos que son posteriormente compensados en el modelo. Para evitar estas situaciones, se recomienda que los parámetros de los modelos conceptuales complejos sean determinados por separado para cada uno de los componentes básicos y no globalmente; b) los datos de un intervalo mínimo de tiempo de tres años deben ser usados para la calibración de los modelos, y para la verificación otro intervalo de tiempo de duración similar. Los intervalos de calibración y de verificación deberían abarcar todas las condiciones posibles de formación de escorrentía, por ejemplo, las crecidas generadas por la lluvia, las crecidas resultado del proceso de derretimiento de nieve, y los estiajes; c) en el caso de cuencas con un régimen hidrológico bajo influencias antropógenas, se recomienda que el modelo sea calibrado para el régimen natural de escorrentía. Los valores de ciertos parámetros luego pueden ser modificados para tener en cuenta las influencias humanas. La validación de los parámetros del modelo puede hacerse para un período representativo que no esté influenciado por actividades humanas. Los parámetros de modelos hidrodinámicos representan las características de la cuenca, por ejemplo la rugosidad de las pendientes y el lecho del río, la conductividad hidráulica del suelo y la porosidad del suelo. En principio, todos estos parámetros se deberían deteminar a través de mediciones sobre el terreno y no mediante la optimización. 39.6 Simulación estocástica de series hidrológicas de tiempo Los modelos estocásticos son modelos de caja negra, cuyos parámetros se calculan a partir de propiedades estadísticas de las series de tiempo observadas. Los métodos estocásticos fueron introducidos en hidrología en conexión con el diseño de embalses de almacenamiento. Los volúmenes de flujo, anuales o mensuales, contienen información detallada para tales fines, pero la capacidad del embalse debe reflejar la
554
CAPÍTULO 39
probabilidad de ocurrencia de secuencias críticas de flujo, que pueden ser mejor evaluadas a partir de un conjunto de trazadores de la escorrentía (secuencias). Cada trazador debe abarcar un período de muchos años y debe ser representativo de los registros históricos en lo que concierne a las características estadísticas pertinentes. Las propiedades estadísticas de los registros históricos que deben ser preservados son de primera importancia en la selección de un modelo estocástico apropiado. La modelización es mucho más difícil cuando es necesario generar secuencias simultáneas de escorrentía para dos o más sitios de embalses en una cuenca porque son necesarias las intercorrelaciones [15, 16]. El modelo estocástico ha sido también usado en el establecimiento de límites de confianza (probabilidades) de pronósticos de caudales en tiempo real, y para la generación de datos de entrada de precipitación para modelos determinísticos [17, 18]. Como estas aplicaciones han sido extremadamente limitadas o están aún en etapa experimental en un entorno natural, no se examinan detalladamente en esta Guía. 39.6.1 Modelos markovianos lag-1 Muchos modelos para simulación de volúmenes de caudales mensuales, estacionales o anuales tienen una estructura de Markov de primer orden; es decir que la escorrentía en cualquier período está determinada por la del período anterior y por un impulso aleatorio [19, 23]. Un modelo de este tipo para flujo mensual puede ser expresado como [22]: Qi = Q j + ρ j
σj σ j−1
(Qi−1 − Qj−1) + εi σ j
1 − ρ 2j
(39.21)
donde Qi es el escurrimiento del i-ésimo miembro de las series numeradas consecutivamente desde 1 haciendo caso omiso del mes o el año, j es el mes en el cual se ubica el i-ésimo miembro de la serie, Qj el escurrimiento medio del j-mes, σj la desviación típica del j-mes, ρj el coeficiente de correlación de la serie entre Qj y Qj-1 y εi una variable aleatoria de una distribución apropiada, con una media cero, variancia unitaria, e independencia de la serie. La ecuación 39.21 es también adecuada para escurrimientos estacionales (j = 1, 2, 3 ó 4) y el escurrimiento anual (j = 1). En el último caso, la ecuación 39.21 se convierte en:
(
)
Qi = Q + ρ Qi−1 − Q + ε i σ 1 − ρ 2
(39.22)
Los valores de Q , σ, y p derivados de los registros históricos, se asume que sean aplicables para los objetivos previstos, y sólo se requiere seleccionar un valor inicial de Qi-l para simular una serie de cualquier longitud. Los métodos Monte Carlo son
MODELIZACIÓN DE SISTEMAS HIDROLÓGICOS
555
normalmente usados con valores secuenciales de la variable aleatoria derivados por computadora. En principio, el desarrollo y la aplicación de los modelos representados en la ecuación 39.21 son relativamente directos y simples. Sin embargo, hay varios aspectos que requieren consideración cuidadosa y decisiones que pueden ser decisivas para problemas particulares del estudio: a) ¿cuál es la distribución de la variable aleatoria [24]?; b) ¿se debe corregir la varianza para la correlación serial, si procede [25]?; c) ¿qué tan exacto es el valor calculado de la correlación serial [26]? 39.6.2 Modelos autoregresivos de media móvil (ARMA) El grupo de modelos ARMA, desarrollado por Box y Jenkins [27-30], constituye una importante extensión de los modelos estocásticos univariables. Existen tres tipos: el modelo autoregresivo (AR), el modelo de la media móvil (MA), y el modelo mixto (ARMA). Los primeros dos tipos (de orden p y q) son, respectivamente :
xt = ε t + Φ1 xt −1 + Φ 2 xt −2 + ... + Φ p xt − p
(39.23)
xt = ε t − θ1 xt −1 − ... − θ q ε t − q
(39.24)
donde xt es la desviación de la observación t-ésima, respecto al promedio de las series, Φi y θi son parámetros que deben ser estimados, y εt es una variable aleatoria que responde a las definiciones anteriores. El tercer modelo (ARMA) es una combinación de los dos primeros, que contiene todos los términos no repetitivos de las ecuaciones 39.23 y 39.24. Un método sistemático permite ajustar los modelos ARMA [27]. a) identificación – El correlograma de las series de estudio se compara con las funciones de autocorrelación de varios modelos ARMA, para seleccionar el tipo y el orden del modelo que más conviene; b) estimación – Los parámetros del modelo se estiman usando mínimos cuadrados iterativos con la condición de que los residuos sean distribuidos independientemente y la suma de sus cuadrados sea mínima; c) control – El carácter aleatorio de los residuos se controla para verificar si el modelo seleccionado es adecuado. Los modelos ARMA se usan para generar secuencias sintéticas de flujo por los métodos de Monte Carlo en la forma descrita anteriormente. Cabe señalar de nuevo, sin embargo, que los métodos estocásticos de producción de datos se deben usar con cuidado y teniendo en cuenta las características de los registros que son importantes para el proyecto de estudio de recursos hídricos.
556
CAPÍTULO 39
39.6.3
Modelos fraccionales gaussianos de ruido y de proceso de línea quebrada Hurst [31-33] descubrió que los registros geofísicos muy extensos tienen características que no concuerdan con los procesos estacionarios autoregresivos markovianos. Este descubrimiento condujo al desarrollo de dos modelos estocásticos que pueden acomodar los elementos de persistencia a largo plazo (frecuencia baja). El primero de estos modelos, denominado modelo fraccional gaussiano de ruido FGN [34-37], es un proceso similar a sí mismo y aleatorio, caracterizado por una función de densidad espectral que destaca la importancia de las frecuencias muy bajas típicas del fenómeno de Hurst. Se demostró asimismo que un modelo de memoria extensa del proceso de línea quebrada tiene en cuenta el fenómeno de Hurst [38, 39]. Los hallazgos de Hurst no necesariamente indican una persistencia a muy largo plazo [40, 41] y, además, algunas versiones de los modelos ARMA permiten simular efectos sustanciales de baja frecuencia [42]. La no estacionalidad del valor medio del proceso podría también producir las características que Hurst halló al analizar registros de larga duración, que son el resultado de cambios climáticos, actividades humanas o simple falta de homogeneidad de la serie de datos. 39.7 Modelización de la calidad del agua 39.7.1 Generalidades La gestión de la calidad del agua de extensiones naturales o artificiales es una tarea compleja que requiere el control de las características de la calidad del agua, la interpretación de los datos de control en relación con las causas, y la predicción de cambios futuros en estas características en términos de diversas soluciones de gestión previstas. La solución de estos problemas podría facilitarse mucho por el uso de modelos de calidad del agua. Estos modelos representan los modelos que permiten la predicción sobre las bases de : a) una serie de datos de entrada sobre afluentes contaminados; b) las condiciones meteorológicas y ambientales iniciales; c) las características hidrológicas e hidráulicas de la masa de agua y del uso del suelo de la cuenca; d) la evolución en el tiempo y/o en el espacio de algunas características de la calidad del agua de la masa de agua, para las cuales se prevén varias soluciones de gestión. Los modelos de calidad de agua están frecuentemente vinculados a modelos hidrológicos e hidráulicos. Los modelos de calidad del agua pueden ser usados en la gestión de la calidad del agua para diferentes fines, por ejemplo: a) el diseño de redes de monitoreo de la calidad del agua en el espacio y el tiempo; b) la interpretación de datos obtenidos en relación con factores que determinan la calidad del agua;
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557
c) la interpolación de datos en el tiempo y el espacio y la evaluación de datos; d) la relación con otros modelos de contaminación ambiental (aire, suelo) y con modelos ecológicos; e) la evaluación de tendencias en la calidad del agua con o sin medidas de corrección de la contaminación; f) la predicción de la hora de llegada de un contaminante y de un perfil de concentración a lo largo del río. 39.7.2 Tipos de modelos Los modelos de calidad del agua pueden ser divididos básicamente en las siguientes tres categorías: a) modelos físicos – Proyectados para reproducir (generalmente a una escala reducida) el fenómeno investigado. Los modelos de calidad del agua de este tipo están limitados usualmente al estudio de procesos bien definidos que representan eslabones en una cadena de dichos procesos en una masa de agua natural o en una planta de tratamiento, por ejemplo, la variación del contenido de oxígeno debido a un dispositivo de reaireación y efecto de clorinación de ciertos tipos de bacterias; b) modelos análogos – Caracterizados por el uso de una transformación práctica de un conjunto de propiedades de calidad del agua en otro que es más fácil de estudiar. Por ejemplo, algunos cambios químico-biológicos en un río pueden ser representados por ciertas propiedades eléctricas equivalentes; c) modelos matemáticos – En los cuales los fenómenos se analizan mediante un algoritmo, que representa en una forma análitica las relaciones entre varias entradas en la masa de agua, sus características hidráulicas e hidrológicas y la variación de tiempo y espacio de las características de la calidad del agua. En los últimos años, el número de modelos matématicos ha superado los otros dos tipos de modelos, principalmente como resultado de las capacidades de cálculo ofrecidas por las computadoras digitales. Actualmente, la gestión de la calidad del agua utiliza sobre todo modelos matemáticos. Por esta razón, sólo los modelos matemáticos se examinan a continuación. Los modelos matemáticos pueden también ser clasificados de acuerdo con: a) los constituyentes de la calidad del agua: modelos univariables o multivariables; b) el tipo de variable modelada: variables físicas conservativas (por ejemplo, sal), no conservativas (por ejemplo, temperatura), variable química no conservativa (por ejemplo oxígeno disuelto), o variable biológica no conservativa (por ejemplo, bacteria coliforme); c) las dimensiones espaciales consideradas: una, dos o tres dimensiones; d) variación en el tiempo: modelos estáticos o dinámicos: e) método de ánálisis: modelo determinístico, estocástico o mixto.
558
CAPÍTULO 39
La clasificación de los modelos matemáticos para la calidad del agua se aborda más detalladamente en [43]. 39.7.3 Modelos del transporte de contaminantes en un río Para la descripción del transporte de contaminantes en ríos, el modelo más usado en aplicaciones prácticas es el modelo unidimensional, basado en la ecuación de advección y de dispersión:
∂c ∂c ∂ 2c +u = DL 2 ∂t ∂x ax
(39.25)
donde c es la concentración del contaminante, u la velocidad media del agua, D el coeficiente de dispersión longitudinal, t el tiempo y x la distancia. El coeficiente de dispersión longitudinal se calcula con la ecuación de Fisher: DL =
σ 2U 3 2L
(39.26)
donde u es la velocidad media del tramo y L y σ2 son la varianza de la curva de concentración. Para aplicar este modelo al transporte de contaminantes en un río, el río es dividido en tramos, de varios kilómetros cada uno, en los cuales la velocidad del agua se considera constante. La velocidad del agua en cada sector se calcula por medio de un modelo hidrológico o hidráulico (Sección 34.3). 39.7.4 Aplicaciones y ejemplos Los modelos matemáticos pueden ser usados para una variedad de fines como se describe en la sección 39.7.2. La utilidad de un modelo matemático depende de la habilidad del usuario para obtener los datos requeridos para la calibración y la validación del modelo, de la disponibilidad de un modelo para los fines y las condiciones dados, de la habilidad para adaptar el modelo al problema específicio y para interpretar correctamente los resultados. Los modelos de calidad del agua han sido aplicados con diversos resultados para la solución de los problemas de gestión de la calidad del agua en muchos países [44]. Por ejemplo, un modelo relativamente sencillo se usó para investigar el efecto sobre la calidad del agua de transferencias de agua en gran escala, desde el río Severn al río Thames [45]. El modelo fue usado para comprobar el efecto de esas transferencias sobre la concentración de un número de sustancias conservativas o casi conservativas, contenidas en el agua. El modelo estaba basado en la separación del flujo de agua de acuerdo con su origen (flujo superficial, interflujo y flujo de base) y en las relaciones establecidas entre la concentración de los determinantes considerados
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559
y el caudal afluente, así como la variación del afluente por cada fuente. El resultado de la simulación se aproximó bastante a los datos registrados. Otro ejemplo de aplicación práctica de un modelo de calidad del agua para fines de gestión es el estudio del efecto de la eliminación de cargas de DBO por plantas de tratamiento de desechos sobre la concentración de oxígeno disuelto del río Thames en Ontario, Canadá [46]. Los resultados indican que la obtención de concentraciones de oxígeno disuelto, por encima del criterio aceptado para una agua de buena calidad removiendo la carga de DBO es posible en un punto, mientras en otro podría ser muy difícil. Otros ejemplos de modelos de calidad del agua preparados y usados en Estados Unidos están dados por Cembrovicz y otros, en Qualitative Modele, Arbeitskreis “Matematische Flussgebietsmodele” [47] y por Thoman en System Analysis and Water Quality Management [48]. La publicación de la OMM titulada Hydrological Aspects of Accidental Pollution of Water Bodies [49] contiene un estudio detallado de un número de modelos de calidad del agua aplicados en Alemania, Francia, Inglaterra, Polonia, Canadá, y Estados Unidos en una variedad de ríos que tienen problemas de contaminación. Los modelos de calidad del agua también son usados para calcular la contaminación en caso de derrame accidental. Dichos modelos se han utilizado en el río Rin desde 1989 [50]. Si bien en la mayoría de los modelos antes mencionados se estudian sobre todo los contaminantes originados por desechos industriales y municipales, en otros se examina la contaminación originada de diversas fuentes, por ejemplo relacionadas con actividades forestales y agrícolas o residencias sin alcantarillado. Un ejemplo de un modelo que fue usado para investigar las fuentes difusas de DBO a causa de la agricultura y residencias sin alcantarillado, que modela simultáneamente escorrentía superficial, los sedimentos y la DBO en todos los puntos de la cuenca, es presentado por Solomon, y otro en Application of WATMAP-WATFILE Data Systems in the Development of a Distributed Water Quantity-Water Quality Model for South Nation River Basin [51]. 39.8 Selección de modelos La selección de modelos no está restringida a los modelos descritos anteriormente. A menudo es difícil verificar las ventajas e inconvenientes relativos a los modelos propuestos para uso operativo. La selección de un modelo adecuado para una situación hidrológica específica tiene repercusiones en la planificación, el desarrollo y la gestión de los recursos hídricos en actividades de hidrología operativa, y en el establecimiento de directrices de investigación posteriores en modelización. Algunos de los factores y criterios que debe tenerse en cuenta al seleccionar un modelo son [2]:
560
CAPÍTULO 39
a) el objetivo general del modelización: extrapolación de datos de predicción hidrológica (simulación determinística) o influencias humanas sobre el régimen hidrológico natural; b) el tipo de sistema modelado: pequeña cuenca, acuífero, tramo de río, embalse o cuenca grande; c) el elemento hidrológico modelado: crecidas, caudales medios diarios, caudales medios mensuales, niveles de aguas subterráneas, calidad del agua, etc.; d) el tipo de modelo y la descripción de los procesos hidrológicos pertinentes, por ejemplo: i) si el caudal mínimo se estudia en una cuenca, el modelo debe cubrir las estructuras más adaptadas a la modelización de aguas subtrerráneas; ii) es muy importante que un modelo de predicción abarque un componente de actualización; e) las características climáticas y fisiográficas de la cuenca; f) los datos requeridos para la calibración y la explotación: tipo, longitud, y calidad; g) la simplicidad del modelo, desde el punto de vista hidrológico y de aplicación; h) la posible necesidad para transponer parámetros del modelo de cuencas pequeñas a cuencas grandes, i) la posibilidad de actualizar el modelo en función de las condiciones hidrometeorológicas actuales. Información útil y consejos sobre la selección y aplicación de modelos conceptuales en varias situaciones hidrológicas figuran en los diversos proyectos internacionales de la OMM: a) intercomparación de modelos conceptuales usados en la predicción hidrológica operativa [5]; b) intercomparación de modelos de derretimiento de nieve–escorrentía [14]; c) intercomparación simulada en tiempo real de modelos hidrológicos [52]. Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1990: Hydrological Models for WaterResources System Design and Operation. Informe de hidrología operativa Nº 34, OMM–Nº 740, Ginebra. 2. Serban, P., 1986: Operational Hydrological Models Used in Region VI (Europe). Informe técnica para la novena reunión de la AR VI, OMM, Ginebra. 3. Amorocho, J. y Brandstetter, A., 1971: Determination of non-linear functional response functions in rainfall-runoff process. Water Resources Research, volumen 7, págs. 1087-1101. 4. Diskin, M. H. y Simpson, E. S., 1978: A quasi-linear, spatially distributed cell model for the surface runoff system. Water Resources Bulletin, volumen 14, Nº 4, págs. 903-918.
MODELIZACIÓN DE SISTEMAS HIDROLÓGICOS
561
5. Organización Meteorológica Mundial, 1987: Intercomparison of Conceptual Models Used in Operational Hydrological Forecasting. Informe de hidrología operativa Nº 7, OMM–Nº 429, Ginebra. 6. Koren, V. I. y Kuchment, L. S., 1969: The use of optimization method in the construction of mathematical models of rainfall-runoff. Meteorology and Hydrology, Nº 2. 7. Burnash, R. J. C., Ferral, R. L. and McGuire, R. A., 1973: A Generalized Streamflow Simulation System: Conceptual Modelling for Digital Computers. National Weather Service and State of California Department of Water Resources, marzo. 8. Sugawara, M., Ozaki, E., Watanabe, I. y Katsuyama, S., 1974: Tank Model and its Application to Bird Creek, Wollombi Brook, Bikin River, Kitsu River, Sanaga River and Nam Mune. Research Note of the National Research Center for Disaster Prevention, Science and Technology Agency, Tokio, Japón, junio. 9. Danish Hydraulic Institute, 1985: Introduction to the SHE-European Hydrologic System, Horsholm. 10. Rutter, A. J., Morton, A. J. y Robison, P. C., 1975: A predictive model of rainfall interception in forests. Part II: Generalization of the model and comparison with observations in some coniferous and hardwood stands. Journal of Applied Ecology, volumen 12, págs. 364-380. 11. Monteith, J. L. 1965: Evaporation and environment. In: The State and Movement of Water in Living Organisms. Symposium of the Society for Experimental Biology, volumen 19, págs. 205-234. 12. Morris, E. M. y Godrey, J. G., 1979: The European Hydrological System snow routine. In: Colbeck, S. C. y Ray, M. (eds.), Proceedings on Modelling of Snow Cover Runoff, U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire. 13. Eagleson, P. S., Mena, R. y March, F., 1966: Computation of optimum realizable unit hydrographs. Water Resources Research, volumen 2, Nº 4, págs. 755-764. 14. Organización Meteorológica Mundial, 1986: Intercomparison of Models of Snowmelt Runoff. Informe de hidrología operativa Nº 23, OMM–Nº 646, Ginebra. 15. Young, G. K. y Pisano, W. C., 1968: Operational hydrology using residuals. Journal of the Hydraulics Division, American Society of Civil Engineers, volumen HY4, Paper 6034. 16. Matalas, N. C., 1967: Mathematical assessment of synthetic hydrology. Water Resources Research, volumen 3, Nº 4, págs. 937-945. 17. Pattison, A., 1964: Synthesis of Rainfall Data. Stanford University, Department of Civil Engineering, Informe técnico Nº 40. 18. Franz, D. D., 1969: Hourly Rainfall Synthesis for a Network of Stations. Stanford University, Department of Civil Engineering, Informe técnico Nº 126. 19. Fiering, M. B. y Jackson, B. B., 1971: Synthetic streamflows. Water Resources Monograph Series, volumen 1, American Geophysical Union.
562
CAPÍTULO 39
20. Beard, L., 1965: Use of interrelated records to simulate streamflow. Proceedings of the American Society of Civil Engineers, volumen 91, Nº HY-S. 21. Fiering, M. B., 1967: Streamflow Synthesis. Harvard University Press, Cambridge, Massachussetts. 22. Thomas, H. A. y Fiering, M. B., 1962: Mathematical synthesis of streamflow sequences for the analysis of river basins by simulation. In: Maass, y otros, Design of Water Resources Systems. capítulo 12, Harvard University Press, Cambridge, Massachussetts. 23. Roesner, G. y Yevjevich, V., 1966: Mathematical Models for Time Series of Monthly Precipitation and Monthly Runoff. Hydrology Paper, Nº 15, Colorado State University, Fort Collins, Colorado. 24. Linsley, R. K., Kohler, M. A. y Paulhus, J. L. H., 1975: Hydrology for Engineers. Second edition, McGraw-Hill, Nueva York, págs. 378-384. 25. Burges, S. J., 1970: Use of Stochastic Hydrology to Determine Storage Requirements for Reservoirs: A Critical Analysis. Stanford University Programme on Engineering, Economic Planning Report EEP-34, septiembre. 26. Anderson, R. L., 1962: Distribution of the serial correlation coefficient. Annals of Mathematical Statistics, volumen 13, págs. 1-13. 27. Box, G. E. P. y Jenkins, G. M., 1970: Time Series Analysis, Forecasting and Control. Holden-Day, San Francisco. 28. Clarke, R. T., 1973: Mathematical Models in Hydrology. Irrigation and Drainage Paper Nº 19, Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, Roma. 29. Tao, P. C. y Delleur, J. W., 1976: Seasonal and non-seasonal ARIMA models in hydrology. Journal of the Hydraulics Division, American Society of Civil Engineers, volumen HY10. 30. Hipel, K. W., McLeod, A. I. y Lennox, W. C., 1977: Advances in Box-Jenkins modelling. Part I: Model construction. Water Resources Research, volumen 13, págs. 567-575. 31. Hurst, H. E., 1951: Long-term storage capacity of reservoirs. Transactions, American Society of Civil Engineers, volumen 116, págs. 770. 32. Hurst, H. E., 1956: Methods of using long-term storage in reservoirs. Proceedings of the American Society of Civil Engineers, volumen 5, Nº 5, págs. 519-590. 33. Hurst, H. E., Black, R. P. y Simaika, V. M., 1965: Long-term Storage. Constable, Londres. 34. Mandelbrot, B. B. y Wallis, J. R., 1968: Noah, Joseph, and operational hydrology. Water Resources Research, volumen 4, Nº 5, págs. 909-918. 35. Mandelbrot, B. B. y Wallis, J. R., 1969: Computer experiments with fractional gaussian noises. Water Resources Research, volumen 5, Nº 1, págs. 228-267. 36. Mandelbrot, B. B. y Wallis, J. R., 1969: Some long-run properties of geophysical records. Water Resources Research, volumen 5, Nº 2, págs. 321-340.
MODELIZACIÓN DE SISTEMAS HIDROLÓGICOS
563
37. Mandelbrot, B. B., 1971: A fast fractional gaussian noise generator. Water Resources Research, volumen 7, Nº 3, págs. 543-553. 38. Rodriguez-Iturbe, I., Mejia, J. M. y Dawdy, D. R., 1972: Streamflow simulation, (1) A new look at Markovian models, fractional gaussian noise, and crossing theory. Water Resources Research, volumen 8, Nº 4, págs. 921-930. 39. Mejia, J. M., Rodríguez-Iturbe, I. y Dawdy, D. R., 1972: Streamflow simulation, (2) The broken line process as a potential model for hydrologic simulation. Water Resources Research, volumen 8, Nº 4, págs. 931-941. 40. Klemes, V., 1974: The hurst phenomenon: a puzzle? Water Resources Research, volumen 10, Nº 4, págs. 675-688. 41. Lettenmaier, D. P. y Burges, S. J., 1978: Climate change: detection and its impact on hydrologic design. Water Resources Research, volumen 14, Nº 4, págs. 679-687. 42. O’Connell, P. E., 1971: A simple stochastic modelling of Hurst’s law. Proceedings of the International Symposium on Mathematical Models in Hydrology, 26-31 de julio de 1941, Varsovia, publicación de la AICH Nº 100, págs. 169-187. 43. Grimsrud, G. P., Finnemore, E. J. y Owen, H. J., 1976: Evaluation of Water Quality Models, A Management Guide for Planners. Publicación EPA 600/5-76004, Washington, D.C. 44. Biswas, A. K. (ed.), 1981: Models for Water Quality Management. McGrawHill, Nueva York. 45. Water Planning Unit, 1977: River Quality Modelling Studies, Severn to Thames Water Transfer Scheme. Informe anual 1976/77. 46. Ontario Ministries of the Environment and of Natural Resources, 1975: Water Management Study, Thames River Basin. Toronto, Ontario. 47. Cembrovicz, R. G., y otros, 1975: Studie über bestehende Flussgebietsmodele. Teil B: Qualitative Modele, Arbeitskreis “Mathematische Flussgebietsmodele”. Ministry of the Interior, Bonn, República Federal de Alemania. 48. Thoman, R. V., 1972: Systems Analysis and Water Quality Management. McGraw-Hill, Nueva York. 49. Organización Meteorológica Mundial, 1991: Hydrological Aspects of Accidental Pollution of Water Bodies. Informe de hidrología operativa Nº 37, OMM–Nº 754, Ginebra. 50. Broer, G. J. A. A, 1991: Alarm system for accidental pollution on the river Rhine. Proceedings of the Symposium on Hydrology for the Water Management of Large River Basins, 13-15 de agosto de 1991, Viena, publicación de la AICH Nº 201. 51. Solomon, S. I., y otros, 1976: Application of WATMAP-WATFILE Data Systems in the Development of a Distributed Water Quantity-Water Quality Model for South Nation River Basin. Report for Environment Canada. 52. Organización Meteorológica Mundial, 1991: Simulated Real-time Intercomparison of Hydrological Models. Informe de hidrología operativa Nº 38, OMM–Nº 779, Ginebra.
CAPÍTULO 40 MEDICIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS FISIOGRÁFICAS
40.1 Generalidades Los conceptos abordados en este capítulo cubren dos características fisiográficas muy diferentes: la localización de las características en estudio y su respuesta física a los fenómenos atmosféricos. Para localizar estas características, no solamente es posible catalogarlas, sino también determinar su distribución espacial y la zona climática en la que se encuentran. Las características pueden ser examinadas en términos de puntos, líneas, áreas o volúmenes según la relación entre una característica particular y el régimen hidrológico. Por ejemplo, la escorrentía resulta de la transformación de fenómenos climáticos (lluvia, derretimiento de nieve) por el complejo físico que comprende una cuenca de drenaje. La localización de la cuenca determina parcialmente las características climáticas que dan origen a los fenómenos meteorológicos que constituyen el núcleo de la hidrología. Sin embargo, las características físicas de la cuenca no sólo controlan la respuesta hidrológica a los fenómenos meteorológicos, sino que algunas características, por ejemplo la orografía y el aspecto, pueden también ser factores que determinen el clima de la cuenca. 40.2 Sistemas de referencia Las características de interés pueden ser localizadas superficialmente usando el sistema internacional de meridianos y paralelos divididos en 360 grados, con el meridiano cero que pasa por Greenwich. Este sistema es el más usado. Su único inconveniente es que un grado en longitud varía de 111,111 km en el ecuador a 0 km en los polos y representa 78,567 km a una latitud de 45° (un grado en latitud siempre mide 111,111 km). Los sistemas locales y otras formas de proyección están también en uso, por ejemplo el sistema Lambert, que todavía se usa en Francia. No obstante, la utilización de estos sistemas no se puede recomendar en una guía internacional. La tercera dimensión, la altitud, está localizada en relación a un nivel dado o plano de referencia. Si bien los niveles de referencia locales son usados algunas veces, el nivel medio del mar es el plan de referencia más usado. Los elementos básicos usados en la estimación de parámetros fisiográficos son pocas veces medidos directamente por los hidrólogos, quienes trabajan sobre todo
566
CAPÍTULO 40
con mapas, fotografías aéreas, y más recientemente, con imágenes de satélite. Por lo tanto, la exactitud de la evaluación depende de la exactitud de cada tipo de documento básico [1]. 40.3 Mediciones puntuales El punto geométrico está definido como un sitio único sobre una línea o dentro de una área o volumen. Un punto puede ser un elemento físico, como la localización de un instrumento de medición o la salida de una cuenca. Puede ser también un elemento de un área (parcela de tierra) en la que se debe definir o medir una característica dada o conjunto de características. Las características fisiográficas atribuidas a un punto pueden ser simples o complejas. Un ejemplo de una característica simple de un punto sobre un mapa es su altitud, que constituye uno de sus tres elementos de identificación en el espacio tridimensional. Una característica más compleja puede ser la descripción de un perfil de suelo que está por debajo del punto. Las aplicaciones de los métodos de teledetección, comenzando con la fotografía aérea, han extendido la noción de punto a una superficie (pixel), que puede medir hasta varios kilómetros cuadrados. En cuanto a los límites de exactitud, con los métodos disponibles no se puede distinguir entre dos puntos (límite de resolución de un instrumento) y un pixel puede ser asimilado a un punto. La localización horizontal de un punto, es decir su posición en el globo, está determinada por un sistema de coordenadas (sección 40.2), que forma parte del campo de la geodesia y la topografía. Un sistema universal ha sido inventado para hacer explícita la codificación de un punto en un catálogo al incluir su posición geográfica. Este es el sistema de cuadrícula GEOREP [2]. Otros sistemas pueden localizar puntos a lo largo de una corriente por sus distancias lineales desde un origen dado (por ejemplo, desembocadura, confluencia). La descripción fisiográfica de un punto cubre sus propiedades geométricas (forma, relieve, pendiente, etc.) y sus propiedades permanentes físicas (permeabilidad, tipo de rocas, estructura del suelo, tipo de uso de suelo, etc.). Las primeras se limitan a la pendiente local, mientras que las últimas comprenden una amplia variedad de propiedades físicas posibles, expresadas en forma escalar para un punto sobre una superficie horizontal o en forma vectorial para un perfil (por ejemplo, núcleo geológico). 40.4 Problemas lineales Cualquier elemento fisiográfico es lineal si puede ser representado por una línea sobre un mapa o en el espacio. En hidrología, son comunes tres tipos de elementos lineales: a) límites; b) isopletas de una característica permante (por ejemplo, curvas de nivel); c) thalwegs.
MEDICIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS FISIOGRÁFICAS
567
Los dos primeros tipos de elementos están relacionados con los aspectos de superficie, que se examinan más adelante. El thalweg está considerado no sólo como representado en proyección horizontal y perfil longitudinal, sino también por la forma en la que se combina con otros thalwegs para formar una red de drenaje, con sus propias características fisiográficas. Algunas características de la red de drenaje son lineales, por ejemplo la relación de bifurcación, mientras otras son areales por naturaleza, como la densidad de drenaje. 40.4.1 Corriente de agua Una corriente de agua en proyección horizontal puede estar representada, si la escala del diagrama es apropiada, por dos líneas que representan sus orillas. Desde estas dos líneas, se puede dibujar un eje equidistante a dichas líneas. El eje puede también estar definido como la línea que une los puntos más bajos de secciones transversales sucesivas. En efecto, estos elementos, las orillas visibles y los puntos más bajos, no son siempre muy claros y la escala del mapa no siempre permite que las orillas sean representadas adecuadamente. La cartografía se reduce a representar la corriente por una línea. Las longitudes a lo largo de un río son medidas siguiendo esta línea y usando un curvímetro. La exactitud de la determinación depende de la escala y la calidad del mapa, así como del error del curvímetro, que no debe exceder el seis por ciento de una distancia del mapa de 10 centímetros o cuatro por ciento para 100 centímetros y dos por ciento para distancias mayores. Los ejes de una corriente rara vez son rectos. Cuando éstos constan de curvas casi periódicas, cada medio período se llama meandro. Las propiedades y dimensiones de los meandros han sido ampliamente estudiadas por geógrafos y especialistas en hidráulica de ríos [3]. 40.4.2 Red de drenaje Dentro de una cuenca, las corrientes están organizadas en forma de una red hidrográfica o de drenaje. En una red, todas las corrientes no son del mismo tamaño y algunos sistemas han sido propuestos para clasificarlas. El más conocido es el de Horton, en el cual cualquier corriente elemental se dice que es de orden 1, mientras que cualquier corriente con un tributario de orden 1 se dice que es de orden 2 y, finalmente, cualquier corriente con un tributario de orden x se dice que es del orden x + 1. En una confluencia, cualquier duda se elimina dando el orden mayor a la corriente más larga de los tributarios que la forman (figura 40.1) [1]. Esto introduce alguna inexactitud que fue evitada por Schumm al atribuir sistemáticamente un orden x a los tramos formados por dos tributarios de orden x – 1 (figura 40.2). La principal fuente de error en esas evaluaciones se encuentra en la cartografía de las corrientes, donde la definición de las corrientes más pequeñas es a menudo bastante subjetiva.
568
CAPÍTULO 40
3 1
1
2
1
1
1
2 3 1
2
2
2
1
1 2
1
1
1
1
4
2
4 1
2 1
1 1
1
2
1 3 3
2
1
2 1
1 1 2 1
3
4
Figura 40.1 — Clasificación de Horton Entre las características generales de la red de drenaje que son medibles en un mapa, la relación de confluencia Rc y la relación de longitud Rl están basadas en la ley de Horton y han sido verificadas por la clasificación de Horton. Si Nx es el número de corrientes de orden x, y lmx=∑lx/Nx es la longitud media de las corrientes de orden x, estas leyes se expresan por las siguientes relaciones: Nx = Rc * Nx+1
(40.1)
lmx = R1 * lmx-1
(40.2)
y
que forman progresiones geométricas y pueden ser escritas como sigue: Nx = N1 * Rc1-x
(40.3)
lmx = lm1 * R1x-1
(40.4)
y
569
MEDICIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS FISIOGRÁFICAS 1
1
1
1
1 1
1
1
1 2
1
1
2
2
2
1 1
1
2
3 1
1
1
1
1 3
2 1 1 1
1
2
3
2 2 2
1
1
1
1
1
3 4
1
1
1 4
Figura 40.2 — Clasificación de Schumm donde Rc y R1 son calculadas como las pendientes de las líneas rectas ajustadas a los puntos del gráfico (log Nx, x) y (log lmx, x) 40.4.3 Perfil de la corriente de agua El perfil de la corriente es la variación en la elevación de los puntos del thalweg en función de su distancia desde el origen, que en general se considera la confluencia de la corriente con una corriente más larga o su desembocadura. En este tipo de perfil, deben figurar algunas características topográfias: los puntos altos (umbrales), huecos entre dos umbrales (lagunas), rápidos, saltos y cambios de pendiente que frecuentemente marcan el límite entre dos tramos con diferentes controles geológicos (figura 40.3). La pendiente media de toda una corriente es la diferencia de la elevación entre su punto más alto y su confluencia o desembocadura, dividido por su longitud total. Esta noción es sencilla, pero no es de gran utilidad. El conocimiento de las pendientes de los tramos sucesivos de la corriente es además esencial para la mayoría de los modelos de escorrentía y de modelos hidráulicos.
570
Punto de inflexión en la pendiente
Punto de inflexión en la pendiente
Laguna
Umbral
F
E
Rápido
Umbral Laguna
Altura
CAPÍTULO 40
C A
B
D
Pendiente media del tramo DE
Pendiente media del tramo CD
Distancia horizontal
Figura 40.3 — Perfil de una corriente de agua 40.4.4 La red de drenaje o hidrográfica Los perfiles de la corriente principal y de varios tributarios en la misma cuenca pueden ser representados en el mismo diagrama. La figura 40.4 contiene ejemplos de perfiles de corrientes del río Níger en Koulikoro y de sus tributarios principales y subtributarios. Este diagrama proporciona una síntesis de la variación en pendiente de los elementos de la red hidrográfica. 40.4.5 Sección transversal El perfil del valle perpendicular al eje de una corriente de agua se denomina sección transversal, y una serie de esas secciones constituye una información valiosa para la preparación de modelos de flujo de corrientes. Las secciones transversales son usadas en diferentes tipos de cálculos y la forma en la que son establecidas pueden depender del uso que se les dará posteriormente. Un caso importante es el cálculo del caudal para una medición de descarga, donde la elevación se expresa en forma de profundidad y se obtiene por sondeo (sección 11.2.2). Las secciones transversales se obtienen haciendo mediciones topográficas normales durante el período de aguas bajas.
571
MEDICIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS FISIOGRÁFICAS 1000
Koulikoro
Kenieroba
Bamako Sotuba Kenié
MIL
Gouala
MA FO U
Dialakoro
I Dabola
NI RA KA N AN NDA S NIA
500
Ouaran Siguiri-Tiguiberi
600
Noura-Souba
Mandiana Kankan Molokoro Kouroussa Baro
Faranah Tinkisso
700
DION
Altura en metros
800
Kérouané
Konsankoro Kissidougou
900
O
NÍGE R
400
TIN KIS SO NÍGER
300 900
800
700
600
500
400
300
200
100
Distancia horizontal en kilómetros
Figura 40.4 — Perfilel del río Níger y sus tributarios 40.4.6 Características físicas El tipo de material del lecho de la corriente (particularmente su cohesión), el tipo y la cantidad de vegetación entre la corriente y a lo largo de ésta, y la rugosidad del lecho, que depende de las distribuciones longitudinales y transversales del río, comprenden las características físicas primarias de una corriente. La rugosidad es incorporada en los cálculos de caudales por el método indirecto (sección 11.6) y en modelos de caudales (capítulo 34). 40.5 Mediciones de superficie 40.5.1 La cuenca La cuenca está definida como la región que recibe las precipitaciones y que, después de los procesos hidrológicos resultantes en pérdidas y retardos, conduce al punto de salida. La línea divisoria (límite) de las aguas de la cuenca, su perímetro, es tal que cualquier precipitación que caiga dentro de ésta se dirige hacia la salida, mientras que cualquier precipitación que cae al exterior de este límite drena a una cuenca y salida diferentes. En algunos casos, el límite de la cuenca no se puede determinar con facilidad, por ejemplo cuando la cabecera de la corriente principal está formada en un valle muy plano o en un pantano. La cuenca es usualmente definida usando mapas de curvas de nivel o fotografías aéreas.
572
Límite real
119° E
118° E
CAPÍTULO 40
30° N
n ne Xi g an Ji
Límite ajustado
Figura 40.5 — Ajuste de los límites de una cuenca El perímetro de la cuenca se mide con un curvímetro. El perímetro medido es una función de la escala y de la exactitud de los mapas o fotografías, de la calidad del curvímetro y del cuidado que se tenga en su uso. El uso final que se hará de las mediciones debe determinar la exactitud. Para algunos usos, las curvas de nivel deben ser ajustadas antes de medir el perímetro (figura 40.5). La superficie de la cuenca se mide por la planimetría, siguiendo los límites establecidos como se describió anteriormente. La forma de la cuenca es caracterizada comparando su perímetro con el perímetro de un círculo de la misma superficie. Si A es la superficie de la cuenca y P su perímetro, ambos medidos de acuerdo con las reglas dadas y expresados en unidades compatibles, la relación de los dos perímetros es llamada coeficiente de compactación de Gravelius, que es dado por la ecuación: C = 0,282 P A1/2
(40.5)
MEDICIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS FISIOGRÁFICAS
573
La noción de un rectángulo equivalente [1] está también asociada a la forma de la cuenca, y permite la definición de un índice particular de pendiente. El rectángulo equivalente tiene la misma área y el mismo coeficiente de Gravelius de la cuenca. La longitud de este rectángulo está dada por:
L = A1/ 2
[
C 1 + 1 − 1,272 / C 2 1,128
]
(40.6)
La densidad de drenaje está definida como la longitud total de las corrientes de agua de todas las órdenes contenidas en una unidad de superficie de la cuenca: Dd = (∑Lx)/ A
(40.7)
donde Lx es la longitud total de las corrientes de orden x. En la práctica, las longitudes se expresan en kilómetros y la superficie en kilómetros cuadrados. El relieve de la cuenca, representado en mapas por las curvas de nivel, puede ser descrito por medio de la distribución hipsométrica o la curva hipsométrica. La figura 40.6 contiene una representación del relieve en dos cuencas contiguas. Los rangos de elevación se indican con diferentes marcas . La distribución hipsométrica da el porcentaje (o fracción) de la superficie total de la cuenca, al interior de cada uno de los intervalos de elevación. La curva hipsométrica indica, en la ordenada, el porcentaje de la superficie de drenaje que es mayor o igual a la elevación indicada por la abscisa correspondiente (figura 40.7). En la práctica, la distribución acumulada de superficie es obtenida por cálculos planimétricos de superficies sucesivas entre las curvas de nivel, comenzando por el punto más bajo de la cuenca. Es posible calcular la elevación media de la cuenca al dividir la superficie bajo la curva hipsométrica entre la longitud de la ordenada correspondiente a la cuenca completa. La pendiente de la cuenca se puede representar por diferentes índices. El más antiguo, y quizas aún el más usado es la pendiente media de la cuenca Sm; determinado a partir de las curvas de nivel de la cuenca por la fórmula: Sm = z * ∑ 1/A
(40.8)
donde z es el intervalo de las curvas, ∑l la longitud total de todas las curvas de nivel dentro de la cuenca, y A la superficie de la cuenca. La dificultad y principal fuente de error al estimar esta característica reside en la medición de ∑l. Las curvas de nivel son casi siempre muy quebradas y su longitud real no es realmente característica del papel que desempeña en el cálculo del índice. Por lo tanto es necesario suavizar las irregularidades, lo cual resulta mucho más difícil que para el perímetro de la cuenca. Así, los resultados finales pueden ser a veces incoherentes o variables.
574
CAPÍTULO 40
Figura 40.6 — Relieve y red hidrográfica
MEDICIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS FISIOGRÁFICAS
575
Ikopa en Antsatrana 300 – 600 m . . . 0,01 600 – 900 m . . . 0,14 900 – 1 200 m . . . 0,23 1 200 – 1 500 m . . . 0,43 1 500 – 1 800 m . . . 0,12 1 800 – 2 100 m . . . 0,01
Iko pa
75
Be
na
Am
tra
en
tsa
ka
An
bo
en
tsi
bo dir
Betsiboka en Ambodiroka 40 – 300 m . . . 0,03 300 – 600 m . . . 0,10 600 – 900 m . . . 0,18 900 – 1 200 m . . . 0,37 1 200 – 1 500 m . . . 0,30 1 500 – 1 800 m . . . 0,02
ok
Porcentaje de la superficie de la cuenca
100
a
50
25
0
500
1000
1500 Altitud en metros
Figura 40.7 — Curvas hipsométricas Una pendiente media puede también estimarse al dividir la diferencia total de la cuenca en altitud entre una de sus dimensiones características. Sin embargo, este enfoque ignora la distribución de las pendientes en la cuenca. Una manera de evitar esto es derivar el índice de pendiente de la curva hipsométrica, que constituye una síntesis del relieve representado por las curvas de nivel, y ponderar los elementos de superficie correspondientes a los diferentes intervalos de altitud mediante una función no lineal de la pendiente media en cada intervalo. El índice de pendiente de Roche, también llamado índice de susceptibilidad de escorrentía, cumple estas condiciones. La noción del rectángulo equivalente (ecuación 40.6) se aplica a cada curva de nivel para transformar geométricamente las curvas de nivel en líneas rectas
576
CAPÍTULO 40
paralelas sobre el rectángulo que representa la cuenca entera (figura 40.8). Si ai y ai-1 son las elevaciones de dos curvas sucesivas y xi es la distancia que las separa sobre el rectángulo equivalente, la pendiente media entre estas dos curvas será igual a (ai – ai-1) / xi, y el índice de pendiente se escribe designando como ñi a la fracción de la superficie total de la cuenca, incluida entre ai y ai-1: Iπ = ∑ ( ñi(ai – ai-1) / L )1/2
(40.9)
Las características físicas de una cuenca son esencialmente los tipos de suelo, la cobertura vegetal natural o artificial (cultivos) y el tipo de uso del suelo (por ejemplo, áreas rurales o urbanizadas, lagos o pantanos). Esta características puede también expresarse en términos de la reacción de la cuenca a la precipitación (es decir clases de permeabilidad).
600 m 600 m 300 m 300 m
900 m 900 m
1 1200 200 mm
1 1500 500 m m
100 km
Figura 40.8 – Rectángulos equivalentes
40 m
300mm 300 40 m
600mm 600
900mm 900
1 200 m 1200 m
Bestiboka en Ambodiroka 1 800 m 1800 m 1 500 m 1500 m
2 100 m 1 1800 800 mm
2100 m
Ikopa en Antsatrana
MEDICIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS FISIOGRÁFICAS
577
El cuadro siguiente da el índice de pendiente de Roche. Cuadro Índice de pendiente de Roche Cuenca
Betsiboka en Ambodiroka Ikopa en Bevomanga
Longitud del rectángulo equivalente
Índice de la pantalla
238 km 278 km
0,078 0,069
La cuantificación de estas características requiere la definición de criterios y procedimientos para delinear las zonas que cumplen con estos criterios. Sólo queda pues medir cada una de estas zonas y expresarlas en porcentaje (o fracción). Las herramientas para determinar tales distribuciones son la cartografía normal y/o especializada, la fotografía aérea, y la teledetección con relativamente buena resolución (pixel que no excedan algunos cientos de metros cuadrados). 40.5.2 La malla La formación de bancos de datos fisiográficos, especialmente para la preparación de modelos lluvia-caudal con discretización espacial, conduce a la división de la superficie cuenca basada en sistemas de cuadrícula o mallas. Según el objetivo previsto, la malla puede ser mayor o menor y puede ser medida en kilómetros (uno a cinco kilómetros) o basado en el sistema geográfico internacional (malla de 1’ o 1°). Los sistemas de información geográfica (sección 40.7) simplifican la transformación de datos de mallas y datos sin malla una vez que se constituyen las bases de datos iniciales. 40.6 Mediciones volumétricas Las mediciones volumétricas se efectúan sobre todo para definir el almacenamiento de agua y sedimentos. La evaluación del volumen de agua subterránea almacenada concierne a la hidrogeología; por lo tanto este tema no se abordará aquí ni tampoco el de la estimación de sedimentos depositados en la superficie del suelo. Los almacenamientos superficiales se refieren generalmente al volumen de lagos o embalses existentes, para los cuales se utilizan los métodos batimétricos, o el volumen de los embalses en la etapa de diseño, para los cuales se usan los métodos topográficos. 40.6.1 Métodos batimétricos Los mapas ordinarios raras veces contienen datos batimétricos sobre lagos y embalses, por lo tanto, el volumen de un embalse existente, tiene que ser medido
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CAPÍTULO 40
haciendo lecturas batimétricas especiales. Estas se efectúan, casi siempre, desde un bote usando métodos normales de sondeo y de posicionamiento del bote. Las profundidades deben ser transmitidas a un nivel de referencia fijo, a un limnímetro o un limnígrafo de forma que las variaciones en nivel puedan ser monitoreadas. Las mediciones de profundidad pueden ser usadas para trazar las isóbatas, y el volumen del embalse por encima de un plano de referencia puede ser calculado a través de integración doble (generalmente gráfica) de la red de isóbatas. Una aplicación de este método es el monitoreo de sedimentos en un embalse. 40.6.2 Métodos topográficos Una vez que el sitio de una presa se ha seleccionado, el cálculo para determinar la eficacia del embalse y su gestión requiere un conocimiento de la curva del volumen establecida como una función del nivel del embalse (curva nivel-volumen). Para determinar esta relación, se requieren curvas de nivel de la superficie del terreno para toda la región que será ocupada por el futuro embalse. Esto requiere mapas o planos topográficos en escalas entre 1/1 000 y 1/5 000. Si no se dispone de estos mapas, se podrán usar mapas en escala 1/50 000 para el diseño preliminar, pero un levantamiento topográfico en una escala apropiada será necesario posteriormente. Al utilizar el mapa de curvas de nivel, se hacen mediciones planimétricas de las superficies entre las curvas de todo el embalse hipotético. Un trazado de estas superficies en función de las elevaciones relacionadas se conoce como la curva nivel superficies. A partir de esta curva se calcula la curva nivel-volumen, por integración gráfica. 40.7 Sistemas de información geográfica Los sistemas de información geográfica (SIG) se aplican ampliamente en los campos de la hidrología operativa y la evaluación de los recursos hídricos. Muchos aspectos de recolección e interpretación de datos pueden ser facilitados por medio de SIG empleados en microcomputadoras. En planificación y el diseño de redes, la posibilidad de cartografiar y visualizar rápidamente las estaciones de medición del agua de superficie y las estaciones conexas, permite una integración más efectiva. Mapas de redes, que muestran las cuencas o las estaciones seleccionadas de acuerdo con la calidad de las características de la cuenca o las características operativas, pueden ser usados para la planificación a corto y largo plazo. Las características esenciales de redes complejas pueden hacerse muy claras. Los métodos de los SIG pueden incorporarse en modelos hidrológicos para extraer y formatear datos distribuidos de una cuenca. En el futuro, estos métodos permitirán relacionar efectivamente modelos atmosféricos (modelos de circulación global) con modelos hidrológicos. Usados junto con bases de datos digitales sobre el terreno, completan la representación fisiográfica e hidrológica de la cuenca.
MEDICIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS FISIOGRÁFICAS
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La cartografía e interpolación de la escorrentía se efectúan actualmente en los subprogramas de SIG en varios países. El tratamiento eficaz de grandes volúmenes de datos significa que se pueden preparar mapas, isolíneas y temas más completos y detallados. Esto representa una significativa mejoría en la evaluación de tecnologías de recursos hídricos, puesto que la preparación de los mapas a menudo requiere mucho tiempo y es más costosa. La interpretación de datos en tiempo real puede también ser facilitada a través de los SIG. La cartografía temática de estaciones que señalan cantidades superiores a umbrales dados o indicaciones digitales de lluvia serían, obviamente, muy útiles para los organismos de hidrología operativa y los de predicción. En la actualidad, se dispone de SIG para microcumputadoras corrientes en formatos prácticos de bajo costo. Los principales obstáculos que perduran en materia de costos son la compilación de bases de datos, así como la formación del personal técnico y su perfeccionamiento.
Referencias 1. Dubreuil P., 1966: Les caractéristiques physiques et morphologiques des bassins versants: leur détermination avec une précision acceptable. Cahiers d’hydrologie de l’ORSTOM, N° 5. 2. Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura, 1974: The GEOREP grid station identification system, en Discharges of selected rivers of the World, volumen III (parte II), período 1969-1972. 3. Quesnel, B., 1963-1964 : Traité d’hydraulique fluviale appliquée. Eyrolles, París.
PARTE E PREDICCIÓN HIDROLÓGICA
CAPÍTULO 41 INTRODUCCIÓN A LA PREDICCIÓN HIDROLÓGICA
41.1 Generalidades Una predicción hidrológica es la estimación del estado futuro de los fenómenos hidrológicos. La necesidad de estas predicciones aumenta con la expansión económica de un país y la utilización de sus recursos hídricos, los que implica la mejor gestión posible de estos recursos. Sin embargo, las predicciones hidrológicas son esenciales para la mitigación de los desastres naturales, como inundaciones o sequías en todos los niveles de desarrollo nacional. El propósito de esta parte de la Guía es proporcionar información acerca de los tipos de predicciones y los avisos emitidos (sección 41.2), los servicios de predicción que proporcionan esos servicios (sección 41.4), la necesidad de datos para las predicciones hidrológicas (capítulo 42), las técnicas usadas en la predicción (capítulo 43), y la información sobre el valor y el uso de predicciones hidrológicas (capítulos 44, 45 y 46). 41.2 Características de las predicciones Las predicciones y los avisos hidrológicos, se emiten por diversas razones: desde eventos de corto plazo, como crecidas repentinas, hasta perspectivas estacionales relativas al aporte hídrico potencial para el riego, la producción de energía o la navegación tierra adentro. Las técnicas de predicción abarcan el uso de fórmulas empíricas simples o de correlaciones, con el uso de complejos modelos matemáticos que representan todas las fases del balance hídrico de la cuenca de un río. El cálculo de las magnitudes de elementos específicos de un régimen hidrológico, para un tiempo dado en el futuro, es lo que diferencia las predicciones hidrológicas de las cálculos estadísticos, que sirven al hidrólogo para evaluar únicamente la probabilidad esperada de los elementos. La dinámica de los procesos hidrológicos obedece a factores meteorológicos, pero los cambios que estos factores producen en el régimen no ocurren instantáneamente. Por ejemplo, la duración de la escorrentía causada por una precipitación es en general mucho mayor que la lluvia que la produjo. Asimismo, hay un tiempo de retardo entre el aumento de temperatura, la correspondiente fusión de la nieve y el aumento posterior del nivel del río. La relativa lentitud con que se desarrollan los
582
CAPÍTULO 41
procesos hidrológicos y el hecho de que tienen un retardo con respecto a los procesos meteorológicos más rápidos, hace posible la predicción de algunas variables del ciclo hidrológico. Los factores básicos que controlan la escorrentía y otros procesos hidrológicos se pueden dividir en los siguientes grupos: a) factores iniciales, que determinan las condiciones existentes en el momento en que se hace la predicción y que pueden ser calculados o estimados en base a las observaciones o mediciones hidrológicas y meteorológicas corrientes; b) factores futuros, que influyen en los procesos hidrológicos después de que se ha emitido la predicción. El factor natural futuro más importante, a saber las condiciones meteorológicas futuras, sólo puede ser tomados en consideración si se dispone de una predicción meteorológica. Sin embargo, todavía no se ha desarrollado ningún método fiable que permita realizar la predicción cuantitativa de las condiciones meteorológicas con mucha anticipación. Por este motivo, las posibilidades prácticas de extender el tiempo de las predicciones hidrológicas depende del alcance de las predicciones meteorológicas pertinentes (corto, mediano y largo plazo) y del impacto de la evolución de las condiciones meteorológicas sobre el fenómeno previsto. Además de esas restricciones, los factores primarios que influyen en la exactitud y la oportunidad de las predicciones hidrológicas son la exactitud y fiabilidad de las condiciones hidrológicas y meteorológicas iniciales, la rapidez con que pueden ser reunidas en el centro de predicción, la adecuación de los modelos de predicción y el tamaño de la cuenca del río. Sin embargo, las predicciones hidrológicas pueden emitirse más allá del período para el cual se dispone de predicciones meteorológicas, si se basan en condiciones meteorológicas posibles o si se usa un enfoque probabilístico para la evolución de esas condiciones. Estas predicciones son corrientes en materia de predicciones estacionales de abastecimiento de agua. Los elementos hidrológicos básicos, cuya predicción es de interés práctico, son las siguientes: a) volumen de escorrentía en varios períodos de tiempo (por ejemplo, período de caudal alto y bajo, mes, estación, año); b) hidrograma de altura o de caudal; c) nivel o caudal máximo de la crecida y el momento en que se produjo; d) nivel máximo de lagos y la fecha en que se alcanzará este nivel; e) niveles medios y mínimos de ríos y lagos navegables durante varios períodos del año; f) altura de las olas debido al viento en lagos y grandes embalses; g) sobreelevación debida al viento en lagos, aguas costeras y estuarios; h) parámetros de la calidad del agua, como temperatura y turbiedad;
INTRODUCCIÓN A LA PREDICCIÓN HIDROLÓGICA
583
La predicción de las siguientes variables sobre el estado del hielo en ríos, lagos y embalses es de interés práctico (capítulo 45 y 46): a) fecha, en otoño, en que se inicia la formación del hielo flotante; b) fecha en que se congela; c) espesor de la capa de hielo; d) fecha, en primavera, en que comienza a fragmentarse el hielo; e) fecha en la que desaparece el hielo completamente de lagos y embalses. Se podrían requerir predicciones de las siguientes variables relativas al agua subterránea y la humedad del suelo: a) nivel mínimo en el acuífero y mes en que se produce; b) nivel máximo en el acuífero y fecha en que se produce; c) fecha de cese del flujo de primavera; d) fecha de retorno de la capacidad hídrica del suelo. A continuación se definen los términos normalmente usados para identificar el alcance de las predicciones hidrológicas: a) predicción hidrológica a corto plazo – Predicción de los valores futuros de una variable hidrológica para un período no mayor de dos días después de la emisión de la predicción; b) predicción hidrológica a plazo medio (extendida) – Predicción de los valores futuros de una variable hidrológica para un período que finaliza entre dos y 10 días después de la emisión de la predicción; c) predicción hidrológica a largo plazo – Predicción de los valores futuros de una variable hidrológica para un período que se extiende más allá de 10 días después de la emisión de la predicción; d) predicción hidrológica estacional – Predicción de los valores futuros de una variable hidrológica para una estación en general cubre un período de varios meses o más); e) aviso hidrológico – Información de emergencia sobre un fenómeno hidrológico esperado que es considerado peligroso. Las predicciones hidrológicas tienen seis características principales: a) variable que se debe predecir, elementos hidrológicos que se predicen; b) plazo de la predicción, también llamado período de predicción o de advertencia; c) métodos del cálculo utilizados; d) finalidad de la predicción; e) forma de presentación, por ejemplo, un solo valor esperado, hidrograma total, distribución de probabilidad; y f) medios de difusión. 41.3 Efectividad de las predicciones hidrológicas Las predicciones hidrológicas son necesarias para la regulación racional de la escorrentía, la utilización de la energía fluvial, la navegación tierra adentro, el riego
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CAPÍTULO 41
(especialmente en regiones áridas), el abastecimiento de agua, y la gestión de la calidad del agua. Las predicciones son también de gran importancia para hacer frente a fenómenos peligrosos que se pueden producir en la corriente de un río. Como consecuencia de los avisos previos de crecidas, se pueden tomar las medidas necesarias para prevenir pérdida de vidas y daños materiales, de modo que puedan reducirse al mínimo los trastornos y la destrucción originadas por esas calamidades. Las predicciones hidrológicas también son importantes en el diseño y durante la construcción y explotación de estructuras hidráulicas. Por ejemplo, los métodos fiables de predicción estacional de escorrentía y de caudal máximo pueden ser incorporados en el diseño de represas y aliviaderos para obtener una construcción más económica y una explotación eficaz. 41.3.1 Exactitud y oportunidad El valor de una predicción hidrológica depende, en gran medida, de su exactitud, cuyos requisitos deben ser obviamente adecuados al uso de la predicción. Sin embargo, la exactitud tiene que ser considerada junto con la oportunidad de la predicción. Los criterios para evaluar una predicción deben teóricamente considerar la exactitud y la oportunidad. Éstas, a su vez, dependen de la fiabilidad y la cantidad de información hidrológica y meteorológica, la rapidez con la cual se proporciona la información al centro de predicción, el tiempo de respuesta de la cuenca, el tipo de método de predicción o modelo que puede ser usado y el tiempo que toma para difundir la predicción a los usuarios. Los errores de medición, los límites del modelo y la variabilidad natural de las entradas meteorológicas a los sistemas hidrológicos son las causas de la incertidumbre en las predicciones hidrológicas. Existen métodos para: a) evaluar la exactitud de la instrumentación hidrológica; b) cuantificar la variabilidad hidrológica natural de las entradas meteorológicas a los sistemas hidrológicos, teniendo en cuenta las distribuciones de probabilidad o los procesos estocásticos; c) evaluar empíricamente la exactitud de los modelos hidrológicos al comparar los resultados obtenidos con los datos observados. Basándose en estos métodos, el pronosticador debe estimar el error total y proporcionar esta información al usuario. Sin embargo, el mayor beneficio de esta evaluación es para el propio pronosticador por las posibles mejoras que puede sugerir en los procedimientos de la predicción. Las predicciones de probabilidad también son útiles para ciertos usuarios, pues les permiten valorar los riesgos asociados a las decisiones que puedan tomar en respuesta a una predicción. Las predicciones cuantitativas de precipitación (PCP) dependen de las predicciones de probabilidad. La incertidumbre en la estimación de condiciones futuras, especialmente la existencia de precipitación, es la fuente primaria de incertidumbre en las predicciones
INTRODUCCIÓN A LA PREDICCIÓN HIDROLÓGICA
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hidrológicas. Se están desarrollando nuevas técnicas para hacer el máximo uso de datos de todas las fuentes, por ejemplo radar, satélite, observaciones y predicciones meteorológicas y mediciones en superficie. 41.3.2 Costo y beneficio de las predicciones hidrológicas La determinación de los beneficios y costos de las aplicaciones de predicción, es similar a la aplicada a la planificación y al diseño. Los factores que deben tenerse en cuenta al valorar los beneficios son: a) en caso de una predicción de crecida, el alcance del daño que se puede evitar en situaciones privadas, comerciales, industriales y agrícolas; b) el alcance de los ahorros que se pueden realizar efectivamente en la agricultura, la industria o el comercio gracias a las diversas predicciones hidrológicas; c) la determinación de los beneficios totales, materiales e inmateriales, de una región. Además, al pronosticar, se debe considerar el efecto de la inexactitud en la predicción, en la reacción y la confianza del usuario en un período prolongado de tiempo. Cuando se comparan varias estrategias de predicción se debe considerar el efecto de las ventajas de tiempo relativo en diferentes esquemas de predicción. Dicha evaluación, constituye un importante proyecto y como las predicciones hidrológicas son relativamente baratas, rara vez sucede que los costos excedan los beneficios. Los equipos de expertos hidrólogos y economistas deben considerar los posibles beneficios en diferentes sectores de actividades, como la industria y la agricultura. Un ejemplo relativo a esta decisión son los proyectos de centrales eléctricas de varios tipos (hidroeléctricas, térmicas, etc.). Las predicciones hidrológicas se pueden utilizar para determinar la proporción relativa del tipo de central que se utilizará en un momento particular. En vista de su complejidad, cualquier decisión para llevar a cabo una investigación costo-beneficio para un sistema de predicción hidrológica debe estudiarse con sumo cuidado antes de comenzar. Si se toma la decisión de realizar la investigación, la evaluación de los beneficios monetarios de un servicio de predicción de crecida puede utilizar los siguientes métodos gráficos: a) curva de relación nivel de crecida–daño (figura 41.1); b) curva de relación nivel de crecida–probabilidad (figura 41.2); c) curva de relación beneficio bruto-probabilidad (figura 41.3). Se pueden preparar diagramas análogos para otros tipos de predicciones hidrológicas. Este enfoque puede usarse para una sola comunidad, una zona cercana a un río o un servicio de predicción regional completo. Las relaciones entre el nivel de crecida y el daño para residencias privadas, propiedades comerciales o cualquier otro uso de la tierra se combinan con información sobre el número, el tipo y la altura de esas propiedades sobre el plano de inundación, para preparar las curvas de la figura 41.1. Cabe señalar que el beneficio está
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CAPÍTULO 41
calculado por la diferencia entre el impacto socioeconómico del uso del plano de inundación, sin sistema de alerta o con un sistema muy rudimentario, y el mismo impacto si se ha hecho un predicción. Generalmente, los beneficios relacionados a la predicción serán inferiores a los relativos a las medidas de protección contra la inundación. Sin embargo, los costos asociados a un servicio de predicción de crecida también son significativamente menores.
b = Beneficio bruto
Daños en la comunidad
Sin predicción
Predicción
b = Beneficio bruto asociado a un nivel particular de crecida
Nivel de crecida
Figura 41.1 — Relación nivel de crecida–daño Es posible generalizar los resultados de las curvas nivel de crecida-daño basándose en los tipos de ocupación del suelo. Asimismo, pueden emplearse los factores medios que representan el tiempo de predicción y los factores de respuesta de la predicción. Una técnica que ha sido empleada en el Reino Unido es la de expresar el ahorro como un porcentaje del valor total de la propiedad por el tiempo de preparación de la predicción. En la práctica se ha demostrado que, hasta cierto punto, los ahorros aumentan proporcionalmente al tiempo de anticipación de la predicción. El segundo gráfico contiene la relación nivel de crecida-probabilidad (figura 41.2). Éste normalmente se obtiene por la relación crecida-frecuencia (sección 36.1.1). Otra preocupación es que ocurran inundaciones con más frecuencia que las calculadas por los trabajos de diseño–inundaciones dos o más veces al año. En estas circunstancias, se debe tener cuidado de las definiciones estadísticas. La crecida anual media para las series de máximos anuales es superada cada 50 años en un siglo, pero en base a la serie de duración más corta, es posible que una crecida con un período de retorno de menos de dos años (de 1,6 a 1,8 años) suceda con más frecuencia.
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Probabilidad del nivel de la crecida, p
INTRODUCCIÓN A LA PREDICCIÓN HIDROLÓGICA
Uso de procedimientos normales para evaluar la posibilidad de crecida
p
Nivel de crecida
Figura 41.2 — Relación nivel de crecida–probabilidad
Beneficio bruto anual medio previsto, B =
∫
p1
p0
b dp donde p0 = probabilidad asociada al registro del fenómeno p1 = probabilidad asociada al fenómeno frecuente
Zona debajo de la curva = B p1 Fenómeno frecuente
p0 Registro del fenómeno
Probabilidad del nivel de crecida, p
Figura 41.3 — Relación beneficio bruto–probabilidad
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CAPÍTULO 41
Las dificultades al evaluar los beneficios no materiales, en especial cuando se trata de salvar vidas humanas, generalmente impiden su inclusión, a pesar de que este es un elemento importante en la justificación de la selección del modelo de predicción. Los beneficios, que debieran compararse con los costos de explotación y mantenimiento del servicio de aviso de crecida, pueden convertirse en valores monetarios anuales esperados. Si se emiten predicciones hidrológicas, preparadas con datos y equipos establecidos para el suministro de otros servicios, los costos pertinentes deben dividirse proporcionalmente. Se deben considerar sobre todo tres factores de costo: a) los costos del personal del servicio de predicción hidrológica, los cuales se pueden estimar de la misma manera que para otros sistemas similares; b) el costo de apoyo para un servicio meteorológico, que quizá pueda ser evaluado subjetivamente como un porcentaje realista del costo total del Servicio Meteorológico; y c) el costo de la red de datos en tiempo real, que, a pesar de su probable uso como parte de una red ordinaria, debe costearse en su totalidad por el sistema de predicción, mientras que su uso ordinario debe considerarse como un beneficio no material. Un aspecto importante de la justificación de un sistema de predicción hidrológica es el hecho de fijar valores económicos a las vidas humanas salvadas y a los sufrimientos evitados, lo cual, usualmente no es creíble. Para realizarlo, hay técnicas establecidas, basadas en datos de seguros o en el valor de la vida útil de trabajo, lo que ha sido criticado, pero debe considerarse a veces para reforzar la necesidad de las predicciones hidrológicas. El cálculo de cambios en la relación costo-beneficio puede convertirse en algo necesario cuando se consideran las mejoras al sistema existente de predicción de crecidas. Si la relación costo–beneficio del sistema es satisfactoria, sólo se necesitan considerar los costos de aumento y los beneficios obtenidos. Sin embargo, cabe señalar que la existencia de un servicio de aviso efectivo puede estimular la ocupación de zonas peligrosas, lo que es una consecuencia negativa de la existencia de este tipo de servicio. 41.4 Servicio de predicción hidrológica 41.4.1 Organización La organización de un servicio de predicción hidrológica es una cuestión interna de cada país. El esquema de la organización de dicho servicio varía mucho de un país a otro. Por tanto, en esta Guía sólo se abordarán las ventajas de ciertas estructuras de organización que, como lo ha demostrado la experiencia, permiten una mayor eficacia y también considerar ciertos problemas generales.
INTRODUCCIÓN A LA PREDICCIÓN HIDROLÓGICA
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Los requisitos principales para una explotación eficiente son: a) una red adecuada de estaciones hidrológicas y meteorológicas; b) medios de comunicación rápidos y seguros para reunir y distribuir la información hidrológica y meteorológica; c) un banco de datos hidrológicos y meteorológicos, bien documentado y organizado, provisto de un programa de procesamiento, almacenamiento y recuperación rápido; d) personal especializado en los diferentes campos de la predicción hidrológica; e) información sobre la manera de explotación de obras de gestión de recursos hídricos y protección de crecidas, como embalses, fábricas hidroeléctricas, riego y sistemas de drenaje. Se debe asegurar la fiabilidad del servicio de predicción en condiciones extremas, como crecidas, tormentas y huracanes, que pueden ocasionar interrupciones en las líneas de comunicación, la transmisión de datos y el suministro de energía. El personal del centro de predicción, en condiciones extremas, debe poder ejecutar sus obligaciones sin contratiempos. Para asegurar la fiabilidad del sistema durante esos momentos, se debe establecer un sistema de reserva o apoyo, como enlaces de transmisión de radio, suministro de energía eléctrica por baterías y tomar las medidas necesarias para asegurar la movilidad del personal del centro de predicción. La explotación del sistema de gestión de recursos hídricos, como embalses, obras de riego y trabajos de drenaje y el equipo de suministro de agua y las centrales eléctricas afectan al régimen natural del curso de aguas. Por este motivo, los centros de predicción hidrológica debe disponer de la información sobre la explotación real de embalses, desvíos, el estado de los diques de protección de crecidas, los cambios hechos en el canal de un río por el hombre, etc. Esto significa que un centro de predicción hidrológica debe cooperar estrechamente con los operadores de la explotación de los recursos hídricos para intercambiar toda la información operativa pertinente. Convendría también que, los predictores hidrológicos trabajen en estrecho contacto con los meteorólogos para tener acceso inmediato a sus datos de observación, predicción y asesoramiento. Esto puede lograrse creando un servicio único o, si los servicios están separados, estableciendo enlaces administrativos y operativos apropiados. En países de gran extensión o de terreno o clima variable, un servicio de predicción hidrológica no puede realizar eficientemente su labor con un solo centro. Además del centro principal, en el que se concentra la investigación científica y la metodología de trabajo, resulta beneficioso contar con centros regionales de predicción. Las fronteras de las principales cuencas fluviales son los límites más adecuados para estas regiones. Al seleccionar la ubicación del centro de predicción, se debe examinar, sobre todo, su capacidad para recolectar, procesar y distribuir la información hidrológica.
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CAPÍTULO 41
41.4.2 Actividades En los centros de predicción hay cinco campos de actividades principales: a) recolección y procesamiento de información que se recibe sobre el estado de las masas de agua, los factores operativos y las observaciones y predicciones meteorológicas; b) publicación de un boletín periódico en el que se informe sobre la situación y las predicciones y avisos; c) distribución de la información diaria, análisis, predicción y avisos a usuarios interesados; d) evaluación de la exactitud y efectividad de la predicción; e) análisis de las necesidades del usuario y las mejoras al sistema de predicción existente. El apartado e) significa que un sistema de predicción hidrológica se encuentra en un estado permanente de desarrollo y expansión. La evolución en el uso de los recursos hídricos y los cambios del uso de la tierra, especialmente la expansión urbana, crean nuevas necesidades de información hidrológica y de mejoras para asegurar la fiabilidad de la predicción y el tiempo de predicción, que el servicio de predicción debe esforzarse por atender. 41.5 Difusión de predicciones y avisos El método para distribuir la información sobre el estado de ríos, lagos, embalses, análisis hidrológicos, predicciones y avisos, depende de los requisitos de los usuarios, el grado de urgencia, los canales de comunicación y los medios que el centro de predicción hidrológica tiene a su disposición. Un boletín hidrológico diario puede ser una fuente muy útil de información general para la mayoría de los usuarios interesados en las condiciones existentes en extensas áreas; el boletín debe incluir: a) una carta hidro-sinóptica de la cuenca mostrando en forma de diagrama los valores de niveles, caudales y temperatura del agua de ríos, lagos y embalses, incluido el volumen real de agua almacenado en los embalses. Estos datos se refieren a un período de tiempo dado y usa varios símbolos para las condiciones del hielo, el ascenso y el descenso de niveles de ríos en zonas designadas y otras características hidrológicas pertinentes. Se puede usar una tabla que contenga todos los datos mencionados anteriormente y relacionados con las estaciones de observación; b) una rápida evaluación sobre el estado de las masas de agua y las tendencias de cambios en su régimen en el futuro próximo; c) predicciones hidrológicas a medio y largo plazo. Además de los boletines diarios, podría ser muy beneficioso publicar boletines semanales, cada diez días o mensuales, que contengan un breve informe sobre la
INTRODUCCIÓN A LA PREDICCIÓN HIDROLÓGICA
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evolución del régimen hidrológico durante los períodos respectivos. Deben suministrar las cifras y datos necesarios, incluidas predicciones a medio y largo plazo con un tiempo de predicción de una semana, diez días o un mes. Parte de la información contenida en los boletines puede distribuirse al público en general por medio de la radio, la televisión y la prensa. Algunos usuarios requerirán información y predicciones más exactas que las que figuran en los boletines. El contenido, formato, tiempo de entrega y los canales de comunicación de la información especializada deben seleccionarse en común acuerdo entre el servicio de predicción hidrológica y los usuarios interesados. Una difusión más frecuente de las predicciones de ríos que coronan en menos de 24 horas, es posible si disminuye el tiempo de medición. Basados en las operaciones de rutina, todos los métodos de difusión de información antes mencionados pueden estar relacionados a las condiciones hidrológicas normales. Se aplica otro grupo de métodos en condiciones extremas, como crecidas, sequías u otros desastres en un estado de emergencia. En cada país, normalmente se designa a un solo servicio encargado de coordinar las acciones durante el estado de emergencia. Este servicio se convierte, durante el desastre, en el usuario más importante de la información hidrológica y es especialmente importante que todos los detalles con referencia a la transmisión de información a este usuario sean acordados previamente. En general, en condiciones de emergencia se transmite la información con más frecuencia a los usuarios, por ejemplo cada una o dos horas en vez de la transmisión de rutina de 24 horas. Asimismo, en el área afectada por el desastre la información es más específica. La alerta de crecida repentina es un caso extremo donde el requisito más importante es la difusión directa a los usuarios en el menor tiempo posible (sección 41.3.2). Los centros regionales y centrales de predicción hidrológica distribuyen información procesada en forma de boletines, análisis, predicciones y alertas. Además, se pueden transmitir algunos datos directamente a los usuarios interesados por los observadores de la estación. Sin embargo, es indispensable que los servicios de emergencia proporcionen una sola e inequívoca serie de valores, cuyo origen y autenticidad sean claramente expuestos en el boletín. Si bien existen varias maneras de formular las predicciones hidrológicas, es imposible proporcionar una predicción libre de error, aunque esto sea esperado por algunos usuarios. A veces esta expectativa crea un malentendido entre el predictor y el usuario. Para evitarlo, se debe informar al usuario sobre la fiabilidad de la predicción en cuestión, usando criterios como los descritos en la sección 41.3.2. Estos valores pueden calcularse antes de poner en funcionamiento el sistema de predicción y verificarlo después de cada operación, lo que dará una idea de la mejora de la predicción. La experiencia ha mostrado que no es fácil para un usuario no especializado comprender los conceptos de intervalo de confianza o error tipo.
CAPÍTULO 42 DATOS NECESARIOS PARA LA PREDICCIÓN HIDROLÓGICA
42.1 Generalidades Los datos usados en las predicciones hidrológicas pueden dividirse en dos grupos; el primero incluye todo el material requerido para desarrollar el método de predicción (sección 42.2), y el segundo grupo contiene la información necesaria para producir la predicción (sección 42.3). El primer grupo abarca las series temporales hidrológicas y meteorológicas convencionales, necesarias para probar y evaluar las pruebas de modelos de previsión, así como la información fisiográfica, por ejemplo subcuencas, uso de la tierra, características del suelo, dimensiones del canal y pendientes, que se necesitan para describir las cuenca donde se desea la predicción. El segundo grupo incluye los datos hidrometeorológicos especificados en el esquema de predicción para caracterizar el estado de la cuencas inmediatamente antes de difundir la predicción. También puede incluir mediciones de las variables que se han de predecir, seleccionadas para evaluar el rendimiento de la predicción o para actualizar el modelo de predicción usando un método de retroalimentación óptimo (sección 43.10). La fiabilidad del procedimiento de una predicción puede estar relacionada directamente con la cantidad y distribución espacial de los datos disponibles para su desarrollo y con la compatibilidad de los registros. Se debe tener cuidado de que no haya incongruencias entre los datos usados para desarrollar los procedimientos de la predicción y los datos usados para la predicción operativa. Por este motivo, la compatibilidad de los registros es tan importante como la cantidad de datos. Teóricamente, los datos requeridos dependen del método de predicción utilizado, el período de tiempo de la predicción y las características de la cuenca. En la práctica, la disponibilidad de datos puede restringir la elección del método de predicción. Sin embargo, siempre se deben tomar medidas para actualizar la red hasta satisfacer los requisitos ideales. 42.2 Datos para desarrollar los procedimientos de predicción La preparación de predicciones hidrológicas requiere una red adecuada de datos y medios para la medición del río y de la cartografía de la cuenca. En la etapa de preparación, se pueden prever y estudiar varios métodos, como el análisis retrospectivo de eventos hidrológicos pasados. Por lo tanto, se requerirán más observaciones
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CAPÍTULO 42
durante la etapa de desarrollo que los que serán necesarios posteriormente. Sin embargo, es necesario tener en cuenta el objetivo de las predicciones, y de acuerdo a ello establecer las estaciones de aforo y la frecuencia de sus mediciones para que puedan responder a dicho objetivo. En las siguientes secciones se describen las variables necesarias en el proceso de desarrollo. 42.2.1 Variables hidrológicas En la etapa de desarrollo, el tipo de análisis hidrológico que se lleva a cabo está representado en muchos ejemplos que figuran en la Parte D de esta Guía, en los que se determinan las relaciones entre las variables de entrada y salida, por ejemplo, la fusión de nieve como una función de grado-día (capítulo 31) o la deducción del hidrograma unitario (sección 33.3.1) a partir de la precipitación en una zona y la escorrentía de la cuenca. Las cuestiones relativas a la red y a los instrumentos de medida se indican en las secciones correspondientes. Cabe señalar que los métodos requieren diferentes datos, por ejemplo entre el método de grado-día y el de balance energético para la predicción de la fusión de nieve y entre el método del hidrograma unitario y el de modelos conceptuales para la predicción de la escorrentía. La mejora potencial de la exactitud debe equilibrarse respecto a los costos de obtener datos de entrada en la posterior fase operativa. 42.2.2 Características de la cuenca Debe disponerse de levantamientos de la cuenca hidrográfica y, si no existen, será necesario realizarlos para delimitar las principales características hidrológicas. Por ejemplo el tipo de suelos y las características geológicas, que representan las variaciones de la escorrentía y los levantamientos topográficos que sirven de punto de referencia en la evaluación de la nieve para identificar las principales subcuencas contribuyentes, asistir en la ubicación de la estación de aforo y en la creación de modelos de distribución. Es probable que, en la etapa de desarrollo, tengan que crearse relaciones simples entre mediciones existentes, por ejemplo, el espesor del manto de nieve y la precipitación, en un limitado número de sitios para permitir la explotación operativa y la entrada de información en toda la cuenca. Las fotografías aéreas y por satélite, con este fin, pueden ser una valiosa ayuda (secciones 7.7 y 8.6). 42.2.3 Características del río Muchos de los modelos hidrológicos incluyen una fase de tránsito en los canales o los embalses (capítulo 34). Si están basadas en los principios hidráulicos, se deben conocer las características físicas del canal del río. Se requiere, sobre todo, información sobre secciones transversales y longitudinales, así como datos de almacenamiento en puntos específicos dentro de las masas de agua más importantes.
DATOS NECESARIOS PARA LA PREDICCIÓN HIDROLÓGICA
595
42.3 Datos requeridos en la preparación de una predicción Una vez que se ha determinado el procedimiento de la predicción, la red de datos usada en la etapa de desarrollo probablemente pueda reducirse a las variables necesarias para ese procedimiento. Existen numerosas necesidades de datos, que depende de la relación entre el método de predicción particular y el tipo de cuenca. Se podrían medir las siguientes variables para predicciones a corto plazo relativas al nivel del río o el hielos: a) nivel del río aguas arriba y condiciones de almacenamiento; b) distribución temporal y espacial de la lluvia y la nieve; c) condiciones del suelo, incluida la humedad del suelo y las heladas; d) características y cubierta del suelo; e) datos meteorológicos para calcular los ingresos de energía. Para pronósticos a corto plazo, es de suma importancia que todas la observaciones estén disponibles rápidamente en el centro de predicción. Las predicciones a largo plazo requerirán mediciones procedentes de las partes más remotas de las cuencas hidrográficas principales y características de la circulación atmosférica a gran escala, o predicciones cuantitativas de precipitación o de temperatura. Se pueden omitir algunas de las mediciones relativas a los cambios a corto plazo. En las siguientes subsecciones se describen las variables de entrada que más se necesitan. 42.3.1 Lluvia En la sección 20.2.1.1 se definen las densidades mínimas recomendadas para las redes pluviométricas. Si estas densidades, e incluso una densidad superior en una cuenca hidrográfica de menos de 2 500 km2, son apropiadas para el desarrollo de la predicción, los problemas logísticos pueden obligar a aceptar una densidad mucho menor a nivel operativo para las predicciones a corto y largo plazo. En esas circunstancias, el radar y los satélites podrían ser muy útiles (sección 42.6.2). En algunos sitios la instalación de pluviógrafos es esencial para la predicción de crecidas en todas las cuencas, salvo en las más grandes. 42.3.2 Nieve La red de medición de nieve debe ser lo suficientemente densa como para proporcionar una estimación fiable del equivalente en agua de la cubierta de nieve. Para predicciones a corto plazo, los informes frecuentes son necesarios, para las predicciones a largo plazo, se deben disponer de informes semanales o mensuales. En terreno montañoso, las observaciones de nieve se hacen por sondeo nivométrico y almacenamiento en nivómetros (sección 7.5). La extensión de la capa de nieve se puede evaluar con buenos resultados a partir de las observaciones puntuales, sin embargo, cada vez más se están aplicando técnicas de teledetección (sección 42.6.2).
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CAPÍTULO 42
Se requieren asimismo los valores de temperatura para explotar los modelos de predicción de fusión de la nieve. 42.3.3 Niveles y caudales Si bien el equipo básico y los criterios de convenencia del sitio de medición de los niveles y caudales son iguales para la predicción que para la la hidrometría general (capítulos 10 y 11), se debe examinar el sitio de ubicación, la accesibilidad y la transmisión de datos al centro de predicción. En la predicción de crecida, se necesita llegar a un compromiso entre maximizar el tiempo de alerta y reducir la exactitud de la predicción, a medida que la estación de medición se traslada aguas arriba del punto para el cual se hace la predicción. El diseñador del procedimiento de la alerta de crecida debe tener en cuenta el uso final de la predicción y adaptar la estación para proporcionar los datos apropiados al modelo de predicción o al tipo y a la frecuencia prevista para la difusión de avisos. Por ejemplo, con una correlación de puntas de crecida (sección 43.4) ya no es necesario controlar la relación altura-caudal en estaciones de registro. Algunos procedimientos de predicción desarrollados recientemente también requieren una medición en el punto para el que se hace la predicción a fin de actualizar los parámetros del modelo y de ajustar la predicción (sección 43.10). Sin embargo, a pesar de los modelos usados, convendría un control continuo del buen funcionamiento del sistema de predicción. 42.3.4 Otras necesidades de datos El uso de modelos de tránsito aumenta la necesidad de información sobre las características físicas del caudal. Si bien, para la calibración se requiere de secciones transversales y perfiles de datos, durante la predicción operativa ocurren cambios que deben conocerse y tenerse en cuenta para hacer los ajustes apropiados. A fin de prever las consecuencias de una falla de una presa, se puede usar información sobre el tipo de falla para perfeccionar la predicción de la onda de crecida que resulta aguas abajo. 42.4 Uso de predicciones meteorológicas La evolución probable de algunos elementos meteorológicos frecuentemente se usa como base para predicciones a corto plazo de la escorrentía debido a la fusión de nieve, a crecidas producidas por lluvia y a la formación y rotura de hielo. En consecuencia, las predicciones hidrológicas se verán afectadas por: a) las predicciones cuantitativas de la precipitación (PCP) para períodos de hasta 72 horas; b) la temperatura del aire, la humedad, el punto de rocío, el viento y las condiciones del cielo hasta cinco días;
DATOS NECESARIOS PARA LA PREDICCIÓN HIDROLÓGICA
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c) la altura del nivel de congelación en regiones montañosas; d) la velocidad y dirección del viento para 24 horas o más. La fiabilidad de las predicciones meteorológicas decrece rápidamente con el plazo de predicción. La predicción de la temperatura es en general más fiable que la de la precipitación o el viento. La predicción de la cantidad de precipitación es menos fiable que la probabilidad de precipitación. Estas consideraciones son importantes en la etapa de desarrollo cuando se toman las decisiones sobre el nivel de información de predicción meteorológica que será incorporada en la predicción hidrológica [1]. 42.5 Precisión de las observaciones y frecuencia de las mediciones Las pautas recomendadas referentes a precisión y frecuencia de mediciones para las predicciones hidrológicas están contenidas en la tabla más abajo. Asimismo, figuran en esa tabla las variables que pueden ser observadas por las estaciones automáticas. La lluvia, el nivel (o el caudal) y el equivalente en agua de la capa de nieve son las variables más usadas con fines generales en los centros de predicción. 42.6 Adquisición de datos con fines operativos 42.6.1 Redes En base a los datos de las redes de observación se recopilan diversos tipos de predicciones hidrológicas. La información puede incluir mediciones, así como detalles de los trabajos de gestión de recursos hídricos y de obras de protección contra las crecidas. En lo posible, un sistema de predicción debe hacer uso de los datos de la red básica (sección 20.1.3). El ámbito que cubre una red de predicción está determinado por: a) las demandas de usuarios en materia de predicción en sitios determinados, así como de información corriente de las masas de agua; b) la densidad de la red requerida para describir las características hidrológicas y la extensión de las masas de agua; c) la tecnología para la transmisión de datos al centro de predicción; d) la representatividad de las observaciones; e) los medios de difusión de las predicciones. La información sobre la gestión de los recursos hídricos debe organizarse para ajustarse al trabajo normal de las agencias que proporcionan esta información. Se debe preparar un programa de transmisión de informes al centro de predicción por las estaciones de control no automáticas y estos informes deben clasificarse de acuerdo a si se transmiten en forma regular u ocasionalmente. Los informes regulares deben incluir la información diaria sobre los niveles del agua, el caudal y la temperatura y el hielo, así como observaciones cada cinco o 10 días sobre el espesor del manto de nieve y el equivalente en agua. Los informes ocasionales contienen información sobre cambios bruscos en el régimen de las masas de agua y en las es-
Elemento
Precisión1
Intervalo entre cada medida
Medición por estación terrestre automática
Precipitación – Altura total y forma2
± 2 mm por debajo de 40 mm ± 5 % por encima de 40 mm
6 horas3
Nivel del río4
± 0,01 m
6 horas5
Sí
Nivel del lago
± 0,01 m
Diario
Sí
Sí
± 10 % de la capacidad de campo
Semanal
Sí
Profundidad de congelación
± 2 cm por debajo de 10 cm ± 20 % por encima de 10 cm
Diario
Sí
Equivalente en agua de la nieve sobre el suelo
± 2 mm por debajo de 20 mm ±10 % por encima de 20 mm
Diario
Sí
Profundidad de la capa de nieve
±2 cm por debajo de 20 cm ±10 % por encima de 20 cm
Diario
Sí
Densidad de la capa de nieve
± 10 %
Diario
—
Temperaturas del agua6
± 0,1°C entre 0 a 4 °C, ± 1°C otros casos
Diario
Sí
Temperatura superficial de la nieve
± 1°C
Diario
Sí
Perfiles de temperaturas (nieve y lagos)
± 1°C
Diario
Sí
Espesor del hielo en ríos y lagos
± 0,02 m por debajo de 0,2 m ± 10 % por encima de 0,2 m
Diario
—
Nivel de agua en pozos
± 0,02 m
Semanal
Sí
CAPÍTULO 42
Humedad del suelo
(ríos y lagos)
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Tabla 6.1 Precisión de observaciones y frecuencia de mediciones de datos deseables para predicciones hidrológicas
(Continuación) ± 0,4 MJm2/día por debajo de 8 MJm2/día ± 5 % por encima 8 MJm2/día
Diario
Sí
Temperatura del aire
± 0,1 °C
6 horas
Sí
Temperatura húmeda
± 0,1 °C
6 horas
Sí
Velocidad del viento
± 10 %
6 horas
Sí
Evaporación en el tanque
± 0,5 mm
Diario
Sí
NOTAS 1.
2. 3.
4.
5. 6.
Con respecto a las observaciones actuales, el Reglamento Técnico de la OMM usa el término precisión de observación o de lectura, que se define como la menor unidad de división de una escala de medición que sea posible apreciar bien directamente o por estimación. Puede ser necesario distinguir las formas sólidas y líquidas de precipitación. Varía desde una hora hasta un día, dependiendo de la respuesta del río. Informe sobre acontecimientos, por ejemplo, a partir de 2 mm de luvia, requeridos para predicción de crecidas repentinas. Depende de la sensibilidad de la curva altura-caudal a la variación de altura, pudiendo ser una exactitud de ± 1 mm. Si es posible, se debe llegar a una exactitud caracterizada por una desviación tipo relativa de ± 5 %. Véase nota 3. El informe sobre acontecimientos debe ser apropiado para la predicción de crecidas repentinas. Informe horario con ± 3 °C para la predicción de hielos.
DATOS NECESARIOS PARA LA PREDICCIÓN HIDROLÓGICA
Radiación neta
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600
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trategias operativas; estos informes abarcan también información necesaria para aplicar con claridad la naturaleza de la evolución de un fenómeno hidrológico particular. La publicación de la OMM titulada Casebook on Hydrological Network Design Practice [2] contiene ejemplos de la densidad espacial para varias variables hidrológicas asi como los principios generales para determinarlos basados en la variabilidad temporal y espacial. 42.6.2 Teledetección La teledetección mediante radar, satélites o aeronaves ofrece ventajas muy diversas para cierta clase de predicciones, básicamente por la posibilidad de observar directamente variables, en toda su extensión, que de otra manera sólo serían accesibles por un muestreo puntual en diversas estaciones, y permiten efectuar observaciones sobre terrenos inaccesibles y observar el mar. La teledetección también puede proporcionar entrada directa de información a los procedimientos de predicción en los siguientes ámbitos: a) lluvia en un área, con indicaciones cualitativas y cuantitativas; b) extensión espacial de la zona de inundación; c) imágenes de nubes que indican los vientos troposféricos utilizados como información entrada en los modelos meteorológicos de predicción y por lo tanto, los hidrológicos. Además el radar Doppler (con los perfiladores) se puede usar para deducir los vientos troposféricos; d) desplazamiento de ciclones tropicales y huracanes; e) zona cubierta de nieve y equivalente en agua de la capa de nieve; f) calidad del agua y, en particular, la turbiedad. En los siguientes párrafos se describen las características de diferentes instrumentos que se usan con diversos fines. 42.6.2.1 Radar Los usos principales del radar en las predicciones hidrológicas son: a) la observación, ubicación y movimiento de zonas de precipitación; b) el cálculo de las precipitaciones en una zona; c) la predicción de lluvias fuertes y de crecidas de caudal resultantes, sobre todo en cuencas pequeñas. Un radar con una potencia máxima del orden de 500 kW es muy útil para la estimación de la intensidad y la distribución de la precipitación. El intervalo en el cual se pueden intentar los cálculos hidrológicos con estos radares está limitado a unos 150 km en circunstancias ordinarias, pero sólo a 100 km en momentos con intensas lluvias. Este no es un problema sustancial con radares de banda-S. Con una potencia máxima de 750 kw, estos radares tienen un alcance de 230 km. Los tres tipos básicos de equipo y los principios fundamentales de uso del radar se describen en la sección 7.6. La intensidad se mide con mayor exactitud por
DATOS NECESARIOS PARA LA PREDICCIÓN HIDROLÓGICA
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radares de banda-S. Esta banda es más susceptible a los efectos de pantalla y al efecto de la intersección del haz con la capa de derretimiento (banda brillante). Se pueden obtener mejoras en la exactitud de las estimaciones cuantitativas de la precipitación si la calibración electrónica de la señal del radar se basa en la relación regional entre el radar y la intensidad de la lluvia para diferentes estaciones y tipos de tormenta. Con uno o más pluviómetros automáticos se podría aplicar esta calibración a la imágenes de radar en tiempo real. Algunas predicciones hidrológicas requieren información sobre la precipitación anterior. Esto puede lograrse si se dispone de un sistema de archivo de datos históricos. Cuando se combina esta información con las características del drenaje de la región, puede ayudar a localizar la existencia de zonas favorables a la producción de crecidas. En la sección 7.6.4.2 se describen métodos sencillos y manuales de cálculo que usan registros periódicos de las posiciones de los ecos y la colocación sobre una retícula. Entre los nuevos adelantos en materia de tecnología del radar se incluyen: a) interpretaciones gráficas por computadora de datos de radar, para visualizar las actividades de tormenta en una retícula de un kilómetro (o menos) por un grado de arco (retícula radial) o en una retícula cartesiana de 1 km × 1 km; b) el procesamiento de datos digitales para obtener la lluvia media en la subcuenca; c) para aumentar la zona de barrido, se enlazan y reúnen datos de un número de radares, transmitidos por línea telefónica a una computadora central; d) la calibración automática de los datos de radar con datos en tierra (datos de pluviómetros) con entrada directa a los modelos de predicción; e) el uso del radar Doppler para pronosticar mesociclones que preceden a las tormentas y a los tornados. Para ello se requiere una medición de la reflexión del eco y de la velocidad radial de las partículas de precipitación; f) técnicas para filtrar retornos espurios de los objetivos no meteorológicos, principalmente las características topográficas. A pesar de la dificultades técnicas referidas aquí y en la sección 7.6, los métodos de radar para la estimación de la lluvia puede tener ventajas sobre otros métodos, particularmente para crecidas repentinas y para determinar la precipitación en un área. El mayor mérito estriba en poder obtener una gran cantidad de datos en una pequeña escala de explotación en tiempo real. Sin embargo, para beneficiarse de estas ventajas, es esencial un mantenimiento técnico adecuado del radar y de su equipo auxiliar. También es esencial contar con un equipo de operadores y pronosticadores bien capacitados. 42.6.2.2 Métodos basados en satélites Los datos satelitales para la predicción hidrológica están disponibles principalmente a partir de dos tipos de satélites; geoestacionarios y de órbita polar. Los satélites geoestacionarios tienen un período orbital de exactamente un día y por lo tanto, permanecen
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CAPÍTULO 42
estacionarios a unos 36 000 km por encima de un punto sobre el ecuador, mientras que los satélites de órbita polar tienen un período orbital de entre una y dos horas. La utilidad de los satélites orbitales para la predicción está limitada por la frecuencia de su paso sobre el área de interés, la resolución y la naturaleza del equipo sensor y su sensibilidad a la oscuridad producida por las nubes. Debido a estos problemas, las imágenes de satélites son usadas, sobre todo, para predicciones a largo plazo que se basan en la detección de la línea de nieve y para mejorar la interpretación sinóptica dada por las predicciones meteorológicas [3]. Las técnicas de teledetección también proporcionan los medios para obtener información sobre la evolución del uso del suelo y la vegetación, que deben tenerse en cuenta en las predicciones hidrológicas. La distribución de la nieve y el movimiento de la línea de nieve en cuencas montañosas, pueden obtenerse con mayor detalle de las fotografías de los satélites que de las estaciones disponibles en tierra. La utilización de las imágenes satelitales está limitada por un insuficiente número de observaciones, la interferencia de las nubes, la cubierta forestal y la resolución de los datos del satélite. El análisis cuantitativo del espesor del manto de nieve sólo es posible cuando se usan las observaciones satelitales junto con las observaciones en tierra. Se ha encontrado que la información provista por transmisión automática de imágenes (APT) se puede utilizar para determinar la rotura de hielo en lagos y embalses con superficies superiores a 500 km2. En la imágenes satelitales, la nieve aparece considerablemente más brillante que el fondo normal de una superficie libre de nieve. Por consiguiente, las áreas cubiertas de nieve se identifican con facilidad en tiempo despejado. La capa de nieve puede ser diferenciada de las nubes por la estabilidad de su configuración al compararse con la de las nubes (para estos fines, es necesario tener observaciones diarias o más frecuentes), y también porque las áreas cubiertas de nieve y las nubes tienden a mostrar texturas diferentes (la nieve tiene una apariencia muy lisa con bordes agudos mientras que las nubes tienden a ser encrespadas o aterronadas y con bordes menos definidos). En regiones montañosas, la configuración dendrítica del sistema de ríos ayuda a identificar la capa de nieve. La línea de nieve encierra todas las áreas identificadas como cubiertas de nieve. Se define como el límite de la superficie sobre el cual la acumulación de nieve es superior a unos dos centímetros. El análisis debe basarse en todos los tipos de observaciones de nieve disponibles. La comparación entre los datos obtenidos por satélite y los convencionales obtenidos a lo largo de una ruta nivométrica muestra que la línea de nieve puede ser trazada a partir de fotografías satelitales con una exactitud de unos 10 a 20 km [4,5]. La exactitud depende de la escala de la fotografía. Otras variables meteorológicas e hidrológicas que pueden ser observadas o deducidas por los sensores instalados en el satélite son: contenido de agua líquida de las nubes, configuraciones de nubes, áreas e intensidad de la precipitación, zonas de inundación por crecidas, cargas de biomasa y humedad del suelo.
DATOS NECESARIOS PARA LA PREDICCIÓN HIDROLÓGICA
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Los sensores de microondas se usan para medir la presencia de humedad en nubes, la lluvia que cae o las zonas inundadas en superficie. Los sistemas pasivos, que miden energía emitida naturalmente, pueden proporcionar un orden de magnitud del agua precipitable y seguir el progreso de la onda de crecida a través del cielo completamente cubierto. Se utilizan instrumentos como el radiómetro de microondas de exploración eléctrica (ESMR) y el espectrómetro de microondas (NEMS). Las predicciones meteorológicas se complementan con los datos de satélites geoestacionarios que, al permitir la comparación entre imágenes tomadas cada 30 minutos, proporcionan la entrada de información a los modelos numéricos y una información visual sobre los sistemas meteorológicos y huracanes. La temperatura de radiación puede servir de entrada a los cálculos del balance energético, para la predicción del derretimiento de la nieve (capítulo 45) y los cálculos de la evapotranspiración real. Algunas de las curvas de contraste son una gran ayuda, especialmente en el análisis de la precipitación. Cuando se desarrollan sistemas de predicción, la información visual proporcionada por la imagen satelital puede constituir una información de gran valor, especialmente en áreas no cubiertas por la medición detallada, para las subdivisiones de cuencas. Las imágenes de LANDSAT y de SPOT pueden ser útiles, así como cuando no se requiera de una alta frecuencia de observaciones, por ejemplo en control de los cambios de la calidad del agua en lagos y embalses, al hacer uso de un equipo multiespectral. 42.6.2.3 Detección con aeronaves Muchos de los instrumentos y técnicas mencionados en las subsecciones previas pueden ser instalados en una aeronave. La resolución es mucho más fina debido a la altitud más baja. Sin embargo, los problemas logísticos de preparar una aeronave en poco tiempo, las limitaciones impuestas por el cielo cubierto y la reducida zona cubierta, limitan la utilidad de los sensores montados en la aeronave para la predicción de crecidas. El radar aerotransportado de visión lateral (SLAR) se ha usado para el trazado de terreno y las ondas de crecida y para controlar la acumulación y el desplazamiento de hielo en lagos. Como el equipo de radar es muy pesado, no se pueden utilizar aeronaves livianas. Las mediciones de radiación gamma realizadas desde aeronaves se han usado para determinar el equivalente en agua de la capa de nieve (sección 8.6) y quizá se podrían utilizar para medir la humedad del suelo. La técnica de gamma está limitada por la necesidad de volar a baja altitud (150 metros) [6]. 42.6.3 Sistemas de comunicación El sistema de comunicación transmite datos desde la estación de medición sobre el terreno hasta el centro de predicción. Puede ser manual o automático y puede informar a intervalos regulares o enviar un aviso cuando ocurre un determinado fenómeno.
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CAPÍTULO 42
Un punto importante para determinar los medios de comunicación que necesita un servicio operativo de predicción hidrológica es la densidad de la red y la ubicación de las estaciones de observación. La mayoría de los sistemas de transmisión de datos están restringidos por el costo, la disponibilidad de equipo, el personal, el tiempo y los canales de comunicación. Los métodos manuales y mixtos (manual-mecánicos) que se utilizan actualmente para recolectar y comunicar los datos, sirven cada vez menos para los nuevos modelos de predicción hidrológica y las demandas de mayor exactitud de los usuarios. La automatización es un medio para lograr una colección más rápida y para obtener observaciones más frecuentes. Los sistemas modernos de adquisición de datos, que usan computadoras para la colección automática de datos basadas en horarios predeterminados o en caso de que se produzcan cambios prescritos en los datos de observación, eliminan la mayoría de las limitaciones de los métodos manuales y hacen posible una evolución para poder satisfacer las crecientes exigencias de los usuarios. La eliminación del hombre como observador o transmisor tiene algunas desventajas inherentes. Los observadores humanos tienen una gran habilidad mental para integrar información dispersa y suplementar, con otros factores ambientales, la información puramente numérica proporcionada por el sensor. Por consiguiente, la información de los sensores de un sistema automático pueda que no sea idéntica a la suministrada por un observador y el éxito de un sistema automático depende, por lo tanto, de la disponibilidad de sensores adecuados y exactos. La experiencia recogida en condiciones extremas ha mostrado que la red de comunicación es la variable más vulnerable de cualquier sistema de predicción. Por este motivo, se debe prestar mucha atención para asegurar la adecuada fiabilidad, instalando equipo menos vulnerable (por ejemplo, unidades de radio que se automantienen) y servicios redundantes. El teléfono y la radio han sido los medios principales para la comunicación de datos hidrológicos desde el sitio de observación al centro de predicción. Los sistemas de comunicación basados en líneas en tierra, como el teléfono, están expuestos, a la pérdida considerable de información durante las crecidas, tormentas severas y fenómenos extremos similares. Los cables enterrados son más seguros, pero a la vez más costosos. El teléfono tiene la ventaja de no requerir una fuente de energía en el sitio de la medición. En la mayoría de los casos, se pueden usar líneas de teléfono de un suscriptor regular, más baratas que las líneas exclusivas. Sin embargo, en algunos casos, la calidad y la capacidad de las líneas terrestres normales no sirven para la lectura directa en la computadora y por lo tanto se requiere de líneas exclusivas más costosas. Existe equipo interrogable de manera que el personal en el centro de predicción pueda telefonear a un pluviómetro o a una escala de nivel y recibir un mensaje codificado [7]. Cuando la distancia o los obstáculos naturales impiden el uso de líneas en tierra, los datos se transmiten en general por enlaces directos de radio. La necesidad
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de vías de transmisión a la vista limita el empleo de la comunicación de radio de alta frecuencia, a menos que se utilicen estaciones repetidoras, lo que aumenta el gasto. La instalación y la operación de enlaces de radiotransmisión están regidas por regulaciones nacionales e internacionales. Una información detallada sobre recolección y transmisión automática de observaciones hidrológicas está incluida en las publicaciones de la OMM tituladas Automatic Collection and Transmission of Hydrological Observations [8] y Hydrological Data Transmission [9]. 42.6.3.1 Satélites El sistema de comunicación por satélites de órbita polar y geoestacionarios para la recolección y transmisión de datos hidrológicos y otra información del medio ambiente ha alcanzado un uso operativo. Los siguientes satélites geoestacionarios están equipados (o se prevé equiparlos) para recopilar y retransmitir datos a partir de plataformas instaladas en las estaciones de medición: GOES-7 y GOES NEXT GMS-4, 5 METEOSAT-4, 5, 6 GOMS INSAT
Explotado por Estados Unidos de América Explotado por Japón Explotado por la Agencia Espacial Europea (AEE) Explotado por la Comunidad de Estados Independientes Explotado por India
Cada nave espacial tiene capacidad para datos procedentes de 10 000 o más estaciones individuales de observación dentro del área de alcance de su sistema de comunicación que se extiende a 70º de longitud este y oeste y de latitud norte (Ártico) y sur (Antártico) a partir del punto en tierra situado a la derecha del satélite (ecuador). El satélite estacionario operativo para el estudio del medio ambiente (GOES) de la Administración Nacional de Océano y de la Atmósfera (NOAA) de Estados Unidos es un ejemplo de un sistema que actualmente está en uso operativo [10]. La publicación de la OMM titulada Information on Meteorological and other Environmental Satellites [11] contiene detalles sobre cada uno de los sistemas satelitales. 42.6.3.2 Impulso meteórico La telemetría por impulso meteórico se usa para la recolección de datos hidrometeorológicos. Un sistema de telemetría de este tipo consiste en una o más estaciones centales y una red de estaciones de adquisición de datos por teletransmisión. La comunicación por impulso meteórico se hace utilizando los electrones que ocurren naturalmente en las estelas de los meteoros para reflejar o irradiar las señales de radio VHF transmitidas por la estación principal o por las unidades alejadas. Primero, como la estela del meteoro puede existir durante un corto tiempo, generalmente medido en milisegundos, debe usarse un modo de transmisión de ráfagas. Segundo, la disponibilidad de estelas de meteoros
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correctamente orientadas e ionizadas varía con la hora del día y el mes del año. Estos factores se combinan para dar un tipo de comunicación intermitente, que es aceptable para la transmisión de un volumen bajo de datos, pero no para la comunicación continua. El sistema de impulso meteórico está diseñado para ser usado con redes que tengan una separación máxima entre la estación principal y las alejadas de hasta 1 600 km. Las barreras topográficas entre las estaciones principales y las alejadas no son tan importantes como en otros sistemas VHF. Sin embargo, para la transmisión de datos, en algunos casos, puede existir un área importante donde la transmisión de datos sea mala, graves tormentas geomagnéticas y erupciones solares atmosféricas pueden causar serios daños en el sistema. Estos inconvenientes restringen mucho el uso de este sistema con fines de predicción a corto plazo. Referencias 1. Bobinski, E., Piwecki, T. y Zelazinski, J., 1975: A mathematical model for forecasting the flow in the Sola river. Hydrological Sciences Bulletin, volumen 20, Nº 1, págs. 51-60. 2. Organización Meteorológica Mundial, 1972: Casebook on Hydrological Network Design Practice. OMM-Nº 324, Ginebra. 3. Kalinin, G. P., Kurilova, Yu. V. y Kolosov, P. L., 1977: Kosmiceskie metody v gidrologii (Space methods in hydrology). Gidrometeoizdat, Leningrado. 4. Organización Meteorológica Mundial, 1973: Snow Survey From Earth Satellites. Informe OMM/IHD Nº 19, OMM-Nº 353, Ginebra. 5. Kupriyanov, V. V. (ed.), 1978: Izucenie sneznogo pokrova po dannym sput-nikovoj informatsii (Estudio de la cobertura de nieve a partir de información procedente de satélite). Proceedings of the State Hydrological Institute, Nº 243. 6. Organización Meteorológica Mundial, 1979: Proceedings of the Workshop on Remote Sensing of Snow and Soil Moisture by Nuclear Techniques, 23-27 de abril de 1979, Voss, Noruega. 7. Water Data Unit, 1977: Interrogable Devices. Technical Memorandum Nº 16. 8. Organización Meteorológica Mundial, 1973: Automatic Collection and Transmission of Hydrological Observations. Informe de hidrología operativa Nº 2, OMM-Nº 337, Ginebra. 9. Organización Meteorológica Mundial, 1981: Hydrological Data Transmission (A. F. Flanders). Informe de hidrología operativa Nº 14, OMM-Nº 559, Ginebra. 10. Flanders, A. F. y Schiesl, J. W., 1975: Satellite-interrogated data platforms in river and flood forecasting. Proceedings of the Tenth International Symposium on Remote Sensing of the Environment, 2-6 de octubre de 1972, Ann Arbor, Michigan, págs. 131-138. 11. Organización Meteorológica Mundial, 1989: Information on Meteorological and other Environmental Satellites. OMM-Nº 411, Ginebra.
CAPÍTULO 43 MÉTODOS DE PREDICCIÓN
43.1
Generalidades
Esta sección versa sobre las bases matemáticas y los métodos hidrológicos que forman los componentes de cualquier sistema de predicción y los criterios para seleccionar los métodos y determinar los parámetros. En los capítulos 44 y 46 figuran ejemplos del uso de estos componentes para aplicaciones en particular. Muchas buenas predicciones exitosos dependen de enlaces muy simples que han sido establecidos empíricamente entre la variable observada, por ejemplo, el nivel aguas arriba y, una variable que hay interés en predecir, por ejemplo el nivel aguas abajo en un momento posterior. Los procedimientos de predicción están basados cada vez más en una descripción física y más completa de los procesos hidrológicos e hidráulicos, por ejemplo, modelos conceptuales de escorrentía–lluvia o procesos de deshielo y modelos de propagación en el curso de agua. Estos métodos no implican que necesariamente se mejore la precisión de la predicción. Sin embargo, son más flexibles al proporcionar más información y permitir que se incorporen datos nuevos o una situación nueva de la cuenca. Estos métodos, clasificados en cuatro categorías, se enumeran a continuación y deben ser juzgados a la luz de sus posibilidades de aplicación en situaciones de predicción en tiempo real y no respecto de su potencial, en la forma retrospectiva del análisis, que es la apropiada a la hora de diseñar los modelos. Las cuatro categorías son: a) modelos empíricos (secciones 43.3 y 43.4) y modelos conceptuales de base física (sección 43.7) de los procesos hidrológicos en la fase terrestre; b) métodos basados en procesos de intercambio energético dentro de las masas de agua (capítulos 45 y 46); c) modelos empíricos (sección 43.4) y físicos (sección 43.8) para calcular el tránsito y la evolución de la onda de crecida; d) métodos basados en el análisis de los procesos de circulación atmosférica. En las secciones 43.2, 43.9, 43.10 y 43.11 se describen los métodos matemáticos de uso general que pueden aplicarse a las técnicas antes mencionadas.
608
CAPÍTULO 43
43.2 Correlación y regresión El coeficiente de correlación mide la asociación lineal entre dos variables y es una herramienta muy usada en cualquier análisis hidrológico. La regresión es una extensión del concepto de correlación que proporciona las fórmulas para deducir una variable de interés, por ejemplo el cauce menor estacional de una o más observaciones realizadas de manera corriente, por ejemplo, el nivel máximo de agua subterránea en invierno (sección 44.5). La fórmula para calcular el coeficiente de correlación r entre n pares de variables de x e y es: (43.1) n r=
∑ ( xi − x ) ( yi − y ) i=1
n
n
i=1
i=1
∑ ( xi − x )2 ∑ ( yi − y )2 donde
x =
1 n ∑ xi n i=1
e
y =
1 n ∑ yi n i=1
La falta de correlación no implica una falta de asociación. Como r mide sólo una relación lineal, una relación curvilínea estricta no se reflejará necesariamante por un alto valor de r. En caso contrario, la correlación entre dos variables no garantiza que estén conectadas por una relación de causa. Un simple diagrama de dispersión entre dos variables de interés conduce a una correlación gráfica y es la base de la técnica de predicción de coronación-altura (sección 43.4). Si, x o y tienen una estructura de series cronológicas, especialmente con una tendencia, se hará lo necesario para remover esta estructura antes de correlacionar y se tendrá mucha cautela en la interpretación durante la prueba de significación [1-3]. Las técnicas de series cronológicas deben aplicarse (sección 43.9) cuando los valores previos de una variable, por ejemplo el caudal del río, se usan en la predicción de la misma variable en un tiempo futuro. Asimismo, las ecuaciones de regresión tienen muchas aplicaciones en hidrología. Su forma general es: Y = bo + b1X1 + b2X2 + b3X3 + etc
(43.2)
donde las X son las variables observadas corrientemente y la Y es el valor futuro de la variable que se debe predecir. Las b son coeficientes de regresión estimados a partir de los valores observados de X e Y. Las variables X pueden incluir el nivel o el
MÉTODOS DE PREDICCIÓN
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caudal aguas arriba, lluvia, condiciones de la cuenca, temperatura o lluvia estacional. La variable Y puede ser un nivel máximo o mínimo. El coeficiente de correlación múltiple mide el grado de explicación en la relación. Otra medida de ajuste es el error típico de estimación que mide la desviación típica del alejamiento de la línea de regresión en la calibración. La explicación de esta teoría se encuentra en todos los textos de estadística general [4]. A veces, las combinaciones lineales de las variables no son satisfactorias, y es necesario normalizar Y o X, usando métodos conocidos en estadísticas, como el método de transformación debido a Box y Cox [5], que transforma Y en YT usando las relaciones: YT = (YT -1)/T; T ≠ 0
(43.3)
YT = 1n (Y); T = 0 que engloba las transformaciones de potencia, logarítmicas y armónicas en una escala T continua. Un valor T adecuado se puede encontrar por aproximaciones sucesivas para reducir la asimetría o gráficamente usando diagramas como el de la figura 35.1. La no linealidad también puede ser resuelta en una regresión por medio de los polinomios, por ejemplo usando Xi, Xi2 o Xi3. Una manera simple de ajustar los parámetros de las ecuaciones fuertemente no lineales se logra con las regresiones no lineales que usan una estrategia de minimización de funciones. La selección de un subconjunto útil a partir de un gran conjunto potencial de variables aclaratorias requiere poseer una considerable sensatez y, en particular, un examen cuidadoso de los residuales, que son las diferencias entre los valores observados y los estimados en la recolección de datos de calibración. Las circunstancias que dan origen a grandes residuos son indicativos a menudo de los ajustes que deben realizarse. Se deben aprovechar las ventajas de los sistemas informáticos para explorar un gran número de combinaciones variadas y exponer gráficamente los valores de los residuos. Se debe evitar el uso exclusivo de procedimientos de selección y búsqueda totalmente automáticos, como la selección por pasos, etapas, hacia atrás, hacia adelante o subconjuntos óptimos. Los ejemplos de aplicación de la regresión a los problemas de predicción están dados en las secciones 43.4 y 44.5. 43.3 Índice de humedad En la sección 33.2.1 se describe el índice de humedad anterior. En muchos países, este método ha sido la herramienta principal para la predicción operativa. Como una medición del efecto de precipitación que ocurre antes de la hora de la predicción
610
CAPÍTULO 43
proporciona un índice de la humedad en la capa superior del suelo. Los índices que más frecuentemente se encuentran son el índice de precipitación antecedente (API) y la condición de humedad antecedente (AMC) (sección 33.2.1). Los métodos de índices de humedad tienen dos características principales con respecto a su aplicación en la predicción hidrológica. Primero, como el índice se actualiza diariamente, su uso es más adecuado para el análisis de eventos aislados que una modelación continua. De esta manera, para aplicar éste método a la mayoría de las predicciones, es necesario dividir un período de precipitación en eventos o dividir un evento en períodos de precipitación separados. Por ejemplo, durante períodos extensos de precipitación interrumpidos por breves períodos de poca o ninguna lluvia, puede ser difícil decidir si se trata de una o varias tormentas. La segunda característica es que el cálculo del volumen de escorrentía superficial, cuando se aplica a un hidrograma unitario, produce únicamente un hidrograma de escorrentía superficial. Para sintetizar el hidrograma de la escorrentía total, el caudal de base debe determinarse por algún otro método. La técnica es de uso operativo si únicamente es importante el evento de escorrentía y sólo se puede justificar si se usa una aproximación simple. Los métodos para explotar un modelo hidrológico de tipo API en un modo de simulación continua han sido descritos por Sittner, y otros [6] y Burakov [7]. Los principios para usar el índice AMC del United States Soil Conservation Service están dados por la Oficina de Reclamos de Estados Unidos en Design of Small Dams [8]. 43.4 Predicción del nivel de cresta Una demanda de información muy común es la predicción del nivel de cresta y, en ríos de moderado tamaño, una técnica práctica es efectuar una simple correlación gráfica con una altura de cresta aguas arriba, proporcionando una predicción con un plazo igual al tiempo de recorrido de la onda de crecida. La figura 43.1 ilustra este procedimiento. Es muy frecuente encadenar esas predicciones cresta a cresta, de forma que la salida de información de una predicción aguas arriba proporcione la entrada de información a una predicción aguas abajo. Estos gráficos pueden, en muchos casos, usarse para la predicción de hidrogramas si se tiene en cuenta la diferencia del tiempo de retardo durante los períodos de ascenso y descenso. El gráfico de correlación siguiente es útil cuando una simple relación de estación a estación no da buenos resultados (figura 43.1): (h2)t+∆t = f((h1)t, Iloc)
(43.4)
donde h1 y h2 señalan alturas máximas en una estación aguas arriba y aguas abajo, respectivamente, Iloc es el caudal afluente local entre las estaciones y ∆t el tiempo de retardo. La figura 43.2 es un ejemplo de la relación de este tipo. Las sumas de
611
MÉTODOS DE PREDICCIÓN
caudales en dos o más estaciones aguas arriba en un momento apropiado, usadas como una variable combinada en lugar de la altura de los tributarios individuales, pueden reducir el número de variables en la correlación.
Nivel de cresta en la estación aguas abajo (cm)
1600
1400
1200
1000
800
600 600
Tiempo (horas)
600
800 1000 1200 1400 1 600 Nivel de cresta en la estación aguas arriba (cm)
800
1000
1200
1400
1 600
5 10
Figura 43.1 — Nivel de cresta y tiempo de recorrido para el río Volga Las variaciones de este método básico pueden modificarse para adaptarse a diferentes circunstancias de tiempo de recorrido y al volumen del caudal tributario. El método gráfico puede ser reemplazado por otro enteramente numérico utilizando la regresión lineal múltiple (sección 43.2). La ecuación de la regresión puede tomar la forma de: hmax = bo + b1Q1 + b2Q2 + etc.
(43.5)
donde Ql, Q2, etc., son caudales en estaciones aguas arriba en un tiempo dado. Otras variables explicativas, como la precipitación y las condiciones anteriores de la cuenca fluvial (sección 43.3), pueden tomarse como suplemento o sustituirse por el caudal.
612
CAPÍTULO 43
Nivel de cesta en la estación aguas abajo (cm)
700
600 )
m
m
l(
ea
500 nt
ía
l de
ár
re or
c
Es
400
a oc
l
25 20
15 10
5
300 Nota: tiempo medio de recorrido en 24 horas
200
100 100
200
300
400
500
600
Nivel de cesta en la estación aguas arriba (cm)
Figura 43.2 — Relación típica de escalas con variables para un caudal afluente local 43.5 Predición de flujo basada en el volumen almacenado El volumen total de agua contenida en todos los ríos, lagos y pantanos representa una imagen muy completa del estado, en un momento dado, del régimen hidrológico, y por la inercia de los procesos hidrológicos puede usarse para predecir los flujos en el punto de salida con varios días de antelación. Los métodos para determinar el almacenamiento total Wj varían desde un análisis detallado de la geometría de la sección transversal de masas de agua hasta relaciones de la forma de: Wj = 0,5lj (cjAj + dj)
(43.6)
Aj = fjHj + gj
(43.7)
donde lj es la longitud del tramo j, Aj y Hj son el área de la sección transversal y la altura respectivamente, y cj, dj, fj, y gj son parámetros empíricos. Se pueden usar métodos de regresión para establecer una relación de predicción entre el volumen de almacenamiento total y los días t del flujo de desagüe. Se pueden también conservar los volúmenes almacenados y se puede usar el método de regresión múltiple para
MÉTODOS DE PREDICCIÓN
613
establecer relaciones entre las predicciones de flujo y los diversos volúmenes de almacenamiento en cada uno de los principales afluentes. 43.6 Predicción de decrecida El análisis de la decrecida (recesión) de los ríos es una componente importante de los análsis de crecida y de estiaje, pero en la predicción, su uso está confinado principalmente a la predicción del caudal bajo (sección 44.6) [9]. El capítulo 35 contiene los principios fundamentales de la teoría de la decrecida y algunos procedimientos prácticos usados para definir las constantes y las curvas. El método quizá más directo es llevar a cabo una correlación gráfica (sección 43.2) entre el nivel o altura del agua y el flujo o altura n días (= 1, 2, 4, etc.). La relación así definida puede ser usada para extrapolar en el futuro si no existen influencias que perturben, por ejemplo eventos de precipitación. Las desviaciones con respecto a la línea más característica pueden estar asociadas, a menudo, con fenómenos naturales u ocasionados por el hombre, y esta información también puede servir para elaborar una predicción particular. 43.7 Modelos conceptuales de flujo fluvial La sección 39.3 contiene una descripción general de los modelos conceptuales de flujo fluvial. Cabe insistir que la calibración con buenos resultados y la explotación efectiva de los modelos conceptuales dependen de las series de datos que cubren todas las observaciones requeridas y que son fiables, exactas, consistentes, continuas y de una extensión adecuada. Son raros los datos existentes que satisfacen estos criterios y en general es necesario aumentarlos para aplicar en las predicciones los modelos conceptuales. Un objetivo a largo plazo al usar estos modelos, es lograr un equilibrio entre el modelo de cuenca y la calidad, cantidad y oportunidad de los datos de entrada requeridos. Los datos recolectados durante las operaciones de rutina deben usarse para recalibrar el modelo y mejorar su rendimiento. En años recientes, varios países han utilizado los modelos conceptuales para sus predicciones hidrológicas operativas. Los servicios nacionales encargados de la predicción hidrológica, a menos que desarrollen un modelo adecuado, se enfrentan a la dificultad de determinar las ventajas e inconvenientes relativos a los numerosos modelos propuestos para uso operativo. A fin de proporcionar información y guía sobre el uso de los modelos en varias situaciones de predicción, la OMM ha realizado una serie de proyectos internacionales sobre la intercomparación de modelos conceptuales usados en la predicción hidrológica operativa. Los resultados y recomendaciones de estos proyectos figuran en las publicaciones de la OMM tituladas Intercomparison of Conceptual Models Used in Operational Hydrological Forecasting [10], en Intercomparison of Models of Snowmelt Runoff [11] y en Simulated Real-time Inter-comparison of Hydrological Models [12]. Fleming [13] y Kutchment [14] han realizado una
614
CAPÍTULO 43
comparación de las muchas características de tales modelos. La publicación de la OMM titulada Hydrological Models for Water Resources System Design and Operation [15] contiene aplicaciones prácticas de diferentes modelos. Es importante asegurar que los parámetros de los modelos y las variables disponibles el día en que se realiza la predicción, sean tan correctos como fuere posible, pero, sin embargo, debido a los errores en los datos y el modelo, la escorrentía simulada difiere a menudo de la escorrentía observada. Por lo tanto, los resultados del modelo deben actualizarse para que la escorrentía simulada y la observada concuerden más (sección 43.10). Una de las principales ventajas de la predicción con los modelos conceptuales es que se pueden hacer muchos tipos de predicciones con un solo modelo. Por ejemplo, se pueden extraer probabilidades condicionales de caudal alto y bajo (sección 43.11) y un modelo hidrológico combinado con un embalse o gestión de explotación ordinaria de recursos hidrícos puede proporcionar información adaptada a la necesidad de los usuarios, como predicciones del volumen almacenado. Otras aplicaciones podrían incluir predicciones de déficit de humedad del suelo para alertas de incendios forestales y de duración de la cubierta de nieve. 43.8 Tránsito de avenidas Las técnicas de predicción se basan en los métodos descritos en el capítulo 34. 43.9 Análisis de series cronológicas Como la escorrentía es un indicador del estado de la cuenca de drenaje, se pueden usar los análisis de series cronológicas de una variable para establecer relaciones de predicción [16]. Este tipo de enfoque se ha utilizado en los modelos ARMA (promedio autorregresivo móvil) (sección 39.6.2) que se ajustan muy bien para el uso en cuencas con pocos datos de precipitación, ya que únicamente se necesita el caudal antecedente para hacer una predicción del tipo: Qt+1 = aoQt + a1Qt–1 + aiQt–2 + . . . + b
(43.8)
donde Qt+1 es la predicción con tiempo de preaviso unitario, y Qt–i son los valores medidos y períodos anteriores. Los coeficientes ai y b son estimados en el análisis de las series cronológicas. Además del valor de la predicción Qt+1, un modelo de serie cronológica puede producir la distribución de las desviaciones posibles del valor previsto de manera que se puede disponer de un error de la predicción. Para que una predicción de serie cronológica de flujos mensuales sea fiable, la autocorrelación en la serie cronológica mensual debe ser grande. Este es el caso de grandes ríos y de cursos de agua que drenan grandes acuíferos y lagos. Sin embargo, las predicciones sólo serán factibles con plazos de uno a cuatro meses de antelación.
MÉTODOS DE PREDICCIÓN
615
Es posible incluir variables meteorológicas en un modelo de series cronológicas pero, si esos datos están disponibles, a menudo es preferible hacer las predicciones usando métodos de regresión o un modelo conceptual. Los modelos de series cronológicas también pueden ajustarse a las series de error como se indica en la próxima sección. 43.10 Técnicas de ajuste de predicción Los ajustes de las predicciones deben basarse en la salida de información del modelo y en mediciones directas de las variables. Existen muchas técnicas para ajustar las predicciones. Si se hace una observación de la información de salida Yi de la predicción, existe la oportunidad de ajustar las predicciones subsiguientes en vista del error de predicción conocido ei = Yi — Y^i , donde Y^i es la predicción estimada. La mayoría de los ajustes son el resultado del juicio subjetivo del predictor, pero se han desarrollado varias técnicas matemáticas que permiten que se formalice este proceso. A continuación se describen los principios fundamentales de este enfoque formal. En su forma más simple, los ajustes pueden tomar la forma de una adición al error de la velocidad del agua en la nueva predicción. A fin de evitar discontinuidades, usualmente el ajuste se incluye en el hidrograma calculado sobre varios períodos de tiempo. Un procedimiento más complicado es someter las series de error e1, e2, . . ., ei, a un análisis de series cronológicas para extraer las posibles tendencias o periodicidades que pueden extrapolarse para estimar el nuevo error potencial êi+1 que puede usarse para modificar la nueva predicción, Yi+1 [17]. Los valores observados, Y1, Y2, . . ., Yi, pueden usarse para redefinir las variables de estado del modelo de predicción. Esto se denomina estimación recursiva y, si el modelo de predicción se puede poner en su forma más simple, proporciona la base de una estrategia formal para ajustar la salida de información del modelo. El filtro Kalman y la extensión del filtro Kalman son técnicas de estimaciones recursivas que han sido aplicadas a las predicciones hidrológicas [18]. Estas técnicas requieren de mucha destreza matemática e hidrológica para asegurar que el modelo de predicción se encuentra en una forma apropiada para el análisis. Sin embargo, también se puede usar una técnica más conceptual para ajustar la salida de información de un modelo hidrológico. El método no requiere de ningún cambio en la estructura del modelo, ni en el algoritmo usado en el modelo. Más bien, esta aproximación ajusta la entrada de datos y, en consecuencia, las variables de estado de manera que se reproduzcan más estrechamente el flujo actual y el previo. Estos valores ajustados son usados para predecir el hidrograma [19]. Los ajustes de predicción no necesitan estar basados únicamente en la salida de información del modelo; también se pueden lograr usando mediciones de variables de estado para compararlas con los valores generados por el modelo. Por ejemplo, una de las técnicas usa mediciones observadas del equivalente en agua de la capa de
616
CAPÍTULO 43
nieve como un medio de mejorar la predicción de abastecimiento de agua estacional derivada de un modelo conceptual [20]. Serían incorrectas las sustituciones directas de mediciones de campo por los valores de variables internas del modelo generado numéricamente porque, en la práctica, las simplificaciones del modelo podrían resultar en valores físicos, ligeramente alterados. La elección apropiada de un procedimiento de ajuste depende de: a) los requerimientos del usuario; b) la cantidad y calidad de datos disponibles; c) el equipo usado para la recolección, transmisión y procesamiento de datos; d) la clasificación y experiencia del personal. 43.11 Predicción probabilística Las predicciones a largo plazo, sobre todo de escorrentía estacional, están expresadas en términos probabilísticos, es decir, una distribución estadística de los posibles volúmenes de escorrentía dependientes de la lluvia posterior a la fecha en que se hizo la predicción. Una fuente de incertidumbre es el tiempo futuro entre la fecha de preparación de la predicción y la fecha operativa de la misma. Por ejemplo, si una predicción basada en la regresión da: Qverano = bo + b1Rotoño + b2Rinvierno + b3Rprimavera + b4Rverano
(43.9)
se puede emitir una predicción probabilística menos informativa después de que se hayan recibido los datos de lluvia del otoño y el invierno anteriores. La predicción probabilística debe tener en cuenta la distribución de las posibles lluvias que puedan ocurrir en primavera y verano. A menos que el modelo de predicción sea muy simple, es casi seguro que será necesario simular los valores de las posibles Qverano, por muestreo reiterado de la distribución de Rprimavera y Rverano o aplicando el modelo reiteradamente a las series históricas de Rprimavera y Rverano. Si se adopta el enfoque por muestreo, será necesario incorporar cualquier correlación que pueda estar presente entre las variables independientes. Si se usa el enfoque histórico, convendría tener 30 años de registros para obtener un conjunto representativo de combinaciones. La aplicación de esta técnica no se limita a los modelos de regresión. Cualquier modelo de predicción hidrológica puede aplicarse restrospectivamente a los datos reales o sintéticos para obtener una representación de posibles resultados. Una descripción más realista de la distribución de los valores reales se obtiene si se incluye un término de ruido en el modelo. Esto se puede llevar a cabo al sumar a cada predicción un número aleatorio cuya desviación típica es igual al error típico de la estimación hecha por el modelo.
MÉTODOS DE PREDICCIÓN
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No se debe confundir predicción probabilística con error de predicción. Este último es de la parte interna del modelo y representa un error causado por la inadecuación del modelo o los errores de los datos. Quizás la mejor manera de distinguirlos sería considerar la predicción probabilística como una expresión del conjunto de resultados posibles en vista de las condiciones que puedan surgir antes de la fecha de la predicción, mientras que el error de predicción es una caracterísitica totalmente indeseable de los defectos técnicos de los procedimientos de producción en su situación actual. Los enfoques estadísticos se siguen investigando lo que permitirá que se consideren incertidumbres de todo origen (error en los datos, error del modelo, tiempo futuro, etc.) al expresar la predicción en términos probabilísticos [21]. Referencias 1. Wallis, J. R. y O’Connell, P. E., 1972: Small sample estimation of P1. Water Resources Research, volumen 8, págs. 707-712. 2. Walker, G., 1950: Apparent correlation between independent time series of autocorrelated observations. Biometrika, volumen 37, págs. 184-185. 3. Bartlett, M. S., 1935: Some aspects of the time correlation problem in regard to tests of significance. Journal of the Royal Statistical Society, volumen 98, págs. 536563. 4. Draper, N. R. y Smith H., 1966: Applied Regression Analysis. Wiley, Nueva York. 5. Box, G. E. P. y Cox, D. R., 1964: An analysis of transformation. Journal of the Royal Statistical Society, section B, volumen 26, págs. 211-252. 6. Sittner, W. T., Schauss, C. E. y Monro, J. C., 1969: Continuous hydrograph synthesis with an API-type hydrological model. Water Resources Research, volumen 5, N° 5. 7. Burakov, D. A., 1967: Flood hydrograph calculation with runoff transformation in basins and channels taken into account. Proceedings of the WMO/UNESCO Symposium on Hydrological Forecasting. 29 de noviembre a 5 de diciembre de 1967, Surfers’ Paradise, Queensland, Australia, págs. 139-146. En Hydrological Forecasting. Nota técnica Nº 92, OMM–Nº 228, 1969, Ginebra. 8. U.S. Bureau of Reclamation, 1960: Design of Small Dams. Appendice A, Washington, D.C., págs. 413-431. 9. Riggs, H. C. y Hanson, R. L., 1967: Seasonal low-flow forecasting. Proceedings of the WMO/UNESCO Symposium on Hydrological Forecasting. 29 de diciembre – 5 de diciembre de 1967, Surfers’ Paradise, Queensland, Australia, págs. 286-299. En Hydrological Forecasting. Nota técnica Nº 92, OMM–Nº 228, 1969, Ginebra. 10. Organización Meteorológica Mundial, 1975: Intercomparison of Conceptual Models Used in Operational Hydrological Forecasting. Informe de hidrología operativa Nº 7, OMM–Nº 429, Ginebra.
618
CAPÍTULO 43
11. Organización Meteorológica Mundial, 1986: Intercomparison of Models of Snowmelt Runoff. Informe de hidrología operativa Nº 23, OMM–Nº 646, Ginebra. 12. Organización Meteorológica Mundial, 1992: Simulated Real-time Inter-comparison of Hydrological Models. Informe de hidrología operativa Nº 38, OMM–Nº 779, Ginebra. 13. Fleming, G., 1975: Computer Simulation Techniques in Hydrology. Elsevier, Nueva York. 14. Kuchment, L. S., 1972: Mathematical Models of River Flow. Gidrometeoizdat, Leningrado. 15. Organización Meteorológica Mundial, 1990: Hydrological Models for Water Resources System Design and Operation. Informe de hidrología operativa Nº 34, OMM–Nº 740, Ginebra. 16. Box, G. E. P. y Jenkins, G. M., 1976: Time Series Analysis: Forecasting and Control. Holden-Day, San Francisco. 17. Jamieson, D. G., Wilkinson, J. C. y Ibbitt, R. P., 1972: Hydrologic forecasting with sequential deterministic and stochastic stages. Proceedings of the International Symposium on Uncertainties in Hydrologic and Water Resources Systems, 11-14 de diciembre 1972, Tucson, Arizona. 18. Todini, E. y Wallis, J. R., 1978: A real-time rainfall runoff model for an online flood warning system. Chapman Conference on Applications of Kalman Filter Filtering Theory and Techniques to Hydrology, Hydraulics and Water Resources, American Geophysical Union, 22-24 de mayo de 1978, Pittsburgh, Pensilvania. 19. Sittner, W. T. y Krouse, K. M., 1979: Improvement of Hydrologic Simulation by Utilizing Observed Discharge as an Indirect Input (Computed Hydrograph Adjustment Technique — CHAT). NOAA Technical Memorandum NWS HYDR038, febrero, U.S. Department of Commerce. 20. Carroll, T. R., 1978: A procedure to incorporate snow course data into the National Weather Service river forecast system. Workshop on Modelling of Snow Cover Runoff, American Geophysical Union and American Meteorological Society, Corps of Engineers and National Weather Service, 26-29 de septiembre de 1978, Hanover, New Hampshire. 21. Kitanidis, P. K. y Bras, R. L., 1978: Real Time Forecasting of River Flows. Technical Report No. 235, Ralph M. Parsons Laboratory for Water Resources and Hydrodynamics, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts.
CAPÍTULO 44 PREDICCIONES DE CRECIDA Y DE ABASTECIMIENTO DE AGUA
44.1 Generalidades En el capítulo anterior se describieron los métodos hidrológicos e hidráulicos que pueden usarse para una variedad de objetivos. En esta sección, esos métodos se aplican a las dos categorías más corrientes: la predicción de crecidas y la predicción por el abastecimiento de agua. Estos, a su vez, se dividen en varias subcategorías importantes: crecidas repentinas, crecidas en zonas urbanas, marea de tormenta y crecidas por rotura de presas. 44.2 Predicciones de crecidas [J04, J10, J15] La emisión de avisos y predicciones de crecidas es la razón más corriente para el establecimiento de los servicios de predicción hidrológica. Esto es obvio porque las crecidas constituyen quizá los fenómenos hidrológicos más peligrosos, que ocasionan considerables pérdidas de vidas humanas y grandes daños a la propiedad, cada año, alrededor del mundo. La selección de un método adecuado de predicción de crecidas depende de: a) el tipo de crecida; b) el grado de desarrollo de los servicios de predicción, es decir, la red de observación, y de los servicios de telecomunicación y procesamiento de datos; c) la extensión y la calidad de los registros de datos; d) la disponibilidad de personal capacitado. Generalmente, se requiere una predicción de los siguientes parámetros de crecida: a) altura y flujo del río: sus valores máximos y sus cambios en el tiempo (el hidrograma), incluido el momento en que el río alcanza el nivel de inundación, la hora de ocurrencia de la altura/caudal máximo y su duración y, también, si se excederá el nivel de alerta y cuándo; b) volumen total de la onda de avenida; c) velocidad de propagación de la onda-coronación a lo largo del canal del río y su impacto y la coincidencia de la crecida de caudales tributarios; d) extensión del área de inundación y su variación en el espacio y el tiempo;
620
CAPÍTULO 44
e)
influencia del fenómeno del hielo sobre la propagación de la onda de avenida y la posibilidad de que se formen barreras de hielo; f) influencia de la marea de tormenta, escombros flotantes, embalses u operaciones de compuerta sobre la propagación de las ondas de avenida. Para las crecidas más comunes que resultan de fuertes lluvias, se pueden aplicar las siguientes técnicas de predicción: correlación (sección 43.2), índice de humedad (sección 43.3), relación altura–coronación (sección 43.4), estimación del caudal como una función de la capacidad del cauce (sección 43.5), modelos conceptuales (sección 43.7), tránsito o propagación del río (capítulo 34). Las técnicas de propagación dinámica, que proporcionan las soluciones a la serie completa de ecuaciones dinámicas, requieren de medios informáticos de alta velocidad con considerable memoria para producir una predicción a tiempo. Otras técnicas requerirán medios de cálculo menos poderosos. Sin embargo, muchos de los métodos de predicción hidrológica descritos en el capítulo 43, por ejemplo índices, correlaciones, cálculos de medias, totales y estadísticas típicas, pueden realizarse sin computadoras. Los cálculos pueden acelerarse mediante gráficos auxiliares y monogramas preparados con anterioridad para los cálculos de predicción que más se necesitan. 44.3 Crecida repentina 44.3.1 Generalidades En cuencas fluviales pequeñas, con una rápida respuesta, es decir con un tiempo de concentración de menos de seis horas, una lluvia intensa puede crear una crecida repentina. Estas crecidas evolucionan tan rápidamente que pueden sorprender los residentes de la zona de inundación. En general, en estas situaciones, los procedimientos de predicción de crecidas usados en corrientes de agua más grandes, no pueden llevarse a cabo lo suficientemente rápido para poder suministrar una predicción con suficiente tiempo de antelación. Además, la estimación de la inundación es muy difícil debido a la alta variabilidad espacial y temporal de las lluvias intensas que causan las crecidas repentinas. Las crecidas repentinas han sido el tema de muchos simposios, como el simposio internacional llevado a cabo por la AICH/UNESCO/OMM [1] y la Sociedad Meteorológica Americana [2]. El uso del radar y los satélites (secciones 42.6.2.1 y 42.6.3.1), asociado con la verificación en tierra, ofrecen la mejor oportunidad para efectuar con exactitud suficiente predicciones de lluvia y evaluaciones de distribución espacial. No existe ninguna panacea para pronosticar las crecidas repentinas porque el problema es específico para cada lugar. Las alertas de crecidas repentinas pueden considerarse como una combinación de tres enfoques diferentes o una calibración de esos enfoques: a) programas de predicción autónomos;
PREDICCIONES DE CRECIDA Y DE ABASTECIMIENTO DE AGUA
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b) sistemas de alarma de crecidas repentinas; c) vigilancia y avisos generalizados. 44.3.1.1 Programas de predicción Los sistemas autónomos de alerta de crecidas repentinas están a cargo de la comunidad local, con lo cual se evitan retrasos en la recolección de datos y en la difusión de las predicciones. Un coordinador local de alertas de inundación, debidamente formado, prepara las alertas de crecidas repentinas basándose en procedimientos o modelos preparados por las autoridades nacionales de predicción. Los procedimientos se emplean cuando los datos en tiempo real y/o las predicciones de lluvia indican una posible inundación. Las ecuaciones de regresión múltiple (sección 43.2) proporcionan una técnica de predicción de crecidas repentinas que es muy fácil de utilizar. Este procedimiento sirve para una gama de diferentes condiciones productoras de inundación: lluvia, humedad del suelo y temperatura. La Oficina de las Naciones Unidas para el Socorro en Casos de Desastre [3] ofrece un ejemplo de una simple tabla de documentación sobre crecidas utilizadas para elaborar una predicción. La creciente disponibilidad de microprocesadores conducirá a un incremento en la tendencia a automatizar la mayor parte de las series de datos y el procesamiento que se necesita para producir los avisos de crecidas repentinas. Los sensores automáticos de lluvia y de nivel pueden estar conectados por telemetría directamente a la computadora que controla el sistema de recolección de datos, calcular el potencial de crecida o una predicción de crecida y aún más, dar la alarma. Esas computadoras también permiten utilizar versiones simplificadas de los modelos conceptuales de flujo fluvial (sección 43.7) en lugar de técnicas sencillas que son adaptadas a los cálculos manuales. El elemento que plantea más problemas en un sistema autónomo es la participación activa de la comunidad en la planificación y la educación del público para recibir y actuar inmediatamente cuando reciban los avisos de crecidas repentinas. 44.3.1.2 Sistemas de alarma Un sistema de alarma de crecidas repentinas es una versión automatizada de un sistema autónomo del programa de avisos. Un sensor de nivel se instala aguas arriba del área de predicción y se enlaza por teléfono o radio a un punto de recepción en la comunidad, por ejemplo la estación de bomberos o de policía que funciona las 24 horas del día. Este punto de recepción posee una alarma interna visual y sonora, con contactos que accionan la alarma externa. La alarma se activa cuando la corriente de agua en el sensor alcanza la altura crítica preestablecida. Es posible también utilizar este sistema con varios pluviómetros. Sin embargo, es mucho más difícil determinar el valor crítico de la lluvia que el valor del nivel del río porque ello supone el uso de algunos medios de convertir la lluvia intensa en alturas de crecidas repentinas.
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44.3.1.3 Vigilancias y avisos Cuando no se puede utilizar ninguno de los dos primeros métodos (usualmente donde no existen corrientes de agua bien definidos), se dan avisos mucho más generalizados. En algunos países, si se observan o se pronostican condiciones meteorológicas que podrían originar precipitaciones intensas en una región, se emite por radio y/o por televisión una vigilancia. Esto alerta a los residentes de la zona, donde la lluvia podría producir inundaciones. Si se informa sobre la existencia de una lluvia capaz de producir una crecida, la vigilancia es seguida por un aviso, a fin de que los residentes de la zona amenazada tomen las precauciones necesarias contra la inundación. 44.3.1.4 Crecidas repentinas y calidad del agua Las crecidas repentinas, en particular, pueden tener una fuerte influencia en la calidad del agua [4], y esto es de una importancia particular en cuencas de abastecimiento de agua. Una crecida repentina aguas arriba de un vertedero donde se extrae agua para una planta de tratamiento, puede ocasionar una alta carga de sedimento y residuos que, si es prevista, pueden ser más facilmente controlada en la planta de tratamiento. Asimismo, hay un riesgo considerable de destrucción de las instalaciones de tratamiento y de distribución del agua (excavación de tubos, presión acumulada en las cloacas, así como la contaminación del sistema de aguas subterráneas por aceite o sustancias tóxicas). 44.3.2 Inundaciones en áreas urbanas Las inundaciones urbanas pueden ser de dos clases distintas. Primero, las áreas urbanas pueden ser inundadas por ríos que desbordan sus márgenes. La predicción de las áreas de inundación se lleva a cabo por la predicción específica del nivel del río. Segundo, las inundaciones en zonas urbanas pueden ocurrir como un caso especial de crecidas repentinas. En este caso, las lluvias intensas sobre el área urbana pueden causar inundación en las calles y propiedades que se encuentran en zonas bajas o en áreas construidas en antiguos cursos de agua, pasajes subterráneos, depresiones en carretera, etc. Estas inundaciones, se deben sobre todo a una infraestructura inadecuada para el drenaje de tormenta y son agravadas por los residuos que obstruyen las entradas de las tuberías y canales o los desagües de los embalses de retención. Se pueden emplear también los sistemas de alerta de inundación similares a los de crecidas repentinas; sin embargo, serán en general, los sistemas de aviso de crecida repentina o avisos generalizados, por que las zonas de interés a menudo no son lo suficientemente grandes como para poder determinar la escorrentía a partir de la lluvia en el tiempo requerido. En las calzadas propensas a inundación, se puede alertar al tránsito usando luces que son activadas de la misma forma que en el sistema de
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alarma de crecidas repentinas. Las inundaciones urbanas usualmente afectan los sistemas de alcantarillado, aún cuando las aguas residuales y las aguas pluviales son evacuadas en sistemas de canalización separados. Las predicciones de las escorrentías en zonas urbanas sirven para el tratamiento de aguas negras y aguas de inundación contaminadas en los sistemas combinados. El problema opuesto es el alto nivel de contaminación que acompaña la escorrentía urbana. Como éste finalmente llega a los cursos de agua naturales, aumenta la contaminación con todos los problemas que plantea a los usuarios aguas abajo. La predicción de esa carga de contaminación depende de la predicción de la escorrentía de la inundación en zona urbana. 44.3.3 Rotura de presas Las crecidas repentinas catastróficas resultan cuando una presa se rompe (artificial o natural, formada por paredes de hielo o por residuos atascados, etc.), y por la abertura de la presa, el caudal efluente inunda el valle aguas abajo. Con frecuencia, el caudal efluente, producto del rompimiento de la presa, es muchas veces mayor que cualquier inundación previa. Se sabe poco de las formas de fallas de las presas naturales o artificiales. Por consiguiente, la predicción del rompimiento de una presa por inundación casi siempre está limitada a ciertos casos cuando realmente se observa la rotura de la presa. Se pueden asumir diferentes modos de rotura o falla para hacer los cálculos de planificación, especialmente cuando se hacen estudios de desarrollo de la zona aguas abajo, con respecto a la distribución en zonas y a los planes de posible evacuación. Los primeros estudios clásicos de este problema asumieron la destrucción instantánea de la presa, simplificando las condiciones aguas abajo. Más recientemente, los ingenieros han tratada de atacar el problema al asumir un hidrograma con un caudal efluente de forma triangular, basado en la ecuación de Schocklitsch o una ecuación similar de flujo máximo es decir: Qm =
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gWd Yo 3/ 2
(44.1)
donde g es la aceleración debido a la gravedad, Wd el ancho de la abertura, y Yo la altura del agua detrás de la presa. Al usar la ecuación 44.1 y un coeficiente de recesión empírica, se simula la propagación del hidrograma sintetizado por el valle aguas abajo por un método de propagación hidrológica, como el método modificado de Puls [5]. Ejemplos de esta aplicación figuran en la publicación Proceedings of Dambreak Flood Routing Model Workshop [6]. En esta publicación, un enfoque más realista utiliza las técnicas de propagación dinámica (sección 34.2) para simular la propagación de la onda de evolución rápida y relativamente grande. Se tiene en
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cuenta explícitamente a presas situadas aguas abajo, almacenamiento sobre las márgenes, terraplenes de carreteras aguas abajo y pérdidas de caudal por expansión y contracción. Como el tiempo es esencial en la predicción en tiempo real de la inundación por rompimiento de presa, las técnicas operacionales deben obtenerse con un sistema de cálculo eficaz. Sin embargo, resulta más importante tener en cuenta las necesidades de datos para poner en práctica la técnica de predicción. Si se debe usar la propagación dinámica, se hará todo lo necesario para minimizar la cantidad de datos de secciones transversales que se necesiten en la fase de propagación de la predicción, de manera que todos los datos y archivos de programas estén disponibles tan pronto como sea necesario. 44.4 Marea de tormenta en los ríos Las mareas de tormenta en mar abierto se producen por el viento y la presión atmosférica, y pueden generar ondas de gravedad que se propagan aguas arriba en los ríos de la región marítima afectada. Como el movimiento aguas arriba de la onda de gravedad es opuesto al flujo aguas abajo, la propagación de la marea de tormenta aguas arriba se puede lograr mejor con técnicas de propagación dinámica (sección 34.2). Las técnicas de propagación hidráulica o las de propagación cinética-hidráulica no convienen para la predicción de movimientos de onda que se propagan aguas arriba. Asimismo, los componentes de inercia de la onda de gravedad, ignorados en las técnicas de propagación hidrológica de difusión, son muy importantes como para no tenerlos en cuenta en el caso de una marea de tormenta. Una lluvia intensa que cae tierra adentro, a veces está asociada con la propagación de una marea de tormenta en el río. Por consiguiente, la predicción de la marea de tormenta debe tener en cuenta la onda de gravedad dirigida aguas arriba (marea de tormenta) y la onda de gravedad aguas abajo (la onda de avenida). Las técnicas apropiadas para predecir el desarrollo y la propagación de la marea de tormenta en mar abierto, por ejemplo, el modelo SPLASH del Servicio Meteorológico Nacional de Estados Unidos [7] y su propagación dentro de las bahías como lo presentó Overland en Estimation of Hurricane Storm Surge in Apalachicola Bay, Florida [8] para determinar el oleaje en la desembocadura, desde donde se estudia su propagación aguas arriba por medio de una técnica adecuada de propagación dinámica. Una serie de artículos sobre el tema de río sujeto a la acción de mareas se incluye en la publicación de la UNESCO titulada International Workshop on Storm Surges, River Flow and Combined Effects [9]. 44.5 Predicción de abastecimiento de agua [J22] La predicción de abastecimiento de agua es un elemento esencial para la explotación del sistema de suministro de agua para uso doméstico, industrial, de riego e
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hidroeléctrico. Las predicciones comúnmente toman la forma de volúmenes de flujo para duraciones específicas, por ejemplo flujos anuales, estacionales o mensuales. La duración depende del carácter de la demanda y del volumen de almacenamiento existente en el sistema. Como la predicción de abastecimiento de agua abarca un período de tiempo mucho mayor que el de las predicciones meteorológicas, siempre habrán errores inevitables debidos a los eventos climáticos que se producen durante el período de predicción. Por lo tanto, se recomienda que se emitan varios valores de predicción con probabilidades de ser excedidos (sección 43.1.1). La elección de la técnica de predicción está determinada por el carácter de la cuenca de drenaje, los datos disponibles y las necesidades de los usuarios de las predicciones. Las predicciones de abastecimiento de agua se pueden hacer mediante tres técnicas básicas: a) predicciones de fusión de nieve; b) modelos conceptuales; y c) análisis de series cronológicas. Los métodos de fusión de nieve se usan en cuencas donde la escorrentía de la fusión de nieve predomina en el régimen de flujo. En el capítulo 45 se describe la predicción de la fusión de nieve. Normalmente, algunas mediciones del equivalente en agua de la nieve y de las pérdidas de la cuenca están relacionadas empíricamente con la escorrentía estacional total por medio de técnicas de regresión (sección 43.2). Las mediciones satelitales de la cubierta de nieve se han relacionado al caudal, por ejemplo en el río Indus. En esta cuenca, donde los datos convencionales en tierra son muy escasos se obtuvieron resultados razonables [10]. Los métodos de fusión de nieve convienen primordialmente para las predicciones del volumen de escorrentía total y no describen la distribución temporal de la escorrentía. Sin embargo, usualmente, la distribución temporal del caudal máximo está relacionada al volumen de escorrentía, y una distribución temporal podría estimarse, por ejemplo por los métodos del hidrograma unitario. Los modelos conceptuales (sección 43.7) se pueden usar para la predicción del abastecimiento de agua y se logran utilizando el modelo repetidamente, en un número de series cronológicas climáticas históricas (sección 43.9). La salida de información se convierte en una gama de valores pronosticados a los cuales se les puede asignar probabilidades de excedencia. Los modelos usados para las predicciones del abastecimiento de agua deben calibrarse a fin de minimizar las desviaciones de los volúmenes de escorrentía observados y simulados. Como las variaciones a corto plazo son de menor importancia, las estructuras de los modelos sencillos podrían dar resultados satisfactorios. Los métodos basados en series cronológicas (sección 43.9) pueden ser útiles para las predicciones de abastecimiento de agua, donde el caudal es una medida válida
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CAPÍTULO 44
del estado de la cuenca. Las relaciones de predicción son en general muy fáciles de aplicar. Los modelos de regresión en los que la escorrentía estacional se pronostica a partir de las variables hidrológicas y climáticas previas, se pueden considerar como un caso especial de la ecuación 44.2 de los métodos de series cronológicas. 44.6 Caudal bajo (caudal de estiaje) Las predicciones de caudales bajos, a corto y mediano plazo, pueden basarse en las características de recesión de la cuenca (secciones 35.5 y 43.6). En cada caso tendrán que estudiarse las circunstancias particulares que pueden hacer que la recesión difiera del promedio, por ejemplo las influencias humanas, como el bombeo para el riego, diferencias locales en la pluviosidad de la cuenca fluvial que conducen a mantener un caudal bajo proveniente de subcuencas fluviales, variaciones estacionales inducidas por freatofitas o corrientes de caudales efluentes. Las predicciones a largo plazo están basadas en los métodos de correlación o de regresión (seción 43.2) que usan la humedad del suelo y factores climáticos, como la lluvia y la temperatura como variables explicativas. En muchos casos, las lluvias anteriores se dividen en variables estacionales separadas y el peso relativo del período ayuda a identificar los tiempos de retardo que más influyen en el sistema de escorrentía de lluvia [11, 12]. En corrientes de agua donde el agua subterránea es el mayor componente del flujo, el caudal procedente de manantial puede proporcionar una variable explicativa útil que representa la reserva subterránea total. Ejemplos de predicciones de caudal bajo a partir de condiciones acuíferas son presentados por el “Bureau de recherches géologiques et minières” en Situation hydrologiques et prévision de basses eaux [13]. Los caudales bajos en ríos, cuyos flujos se derivan del derretimiento de la nieve de la estación previa, se predicen usando variables de nieve, como el equivalente en agua o, si existe una relación estable, la extensión superficial de la cubierta de nieve. Es común que las predicciones a largo plazo de caudal bajo se expresen en términos estadísticos. De este modo, las predicciones se expresan de la siguiente manera: dado un caudal actual de 100 m3 s-l, el caudal dos semanas después será menor que 80 m3 s-l con una probabilidad de 0,1, entre 80 y 100 con una probabilidad de 0,3, entre 100 y 120 con una probabilidad de 0,2, etc. A estos efectos, se pueden usar los métodos de la matriz de transición [14], o una ecuación de predicción [15] de la forma: (44.2) Qt+ 1 = Qt+ 1| Qt + kP donde Qt+1 es el caudal previsto, Qt+1|Qt el caudal que ocurriría sin lluvia, por ejemplo si el hidrograma siguiera la decrecida entre t y t + 1, P es la precipitación que contribuye al flujo en t + 1 y k el coeficiente de transición.
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Los métodos estadísticos basados en las matrices de transición y la teoría de cadena de Markov podrían usarse para calibrar esta expresión usando los datos registrados de lluvia y de escorrentía. Se puede también aplicar el método de simulación de la sección 43.11 para dar una extensión de posibles resultados estacionales según el alcance de las condiciones encontradas en la estación en cuestión. Otro enfoque sería usar un flujo fluvial continuo o modelos de balance hídrico con datos climatológicos históricos para proporcionar predicciones probabilísticas de flujo fluvial. Las consideraciones secundarias que se aplican a la predicción de caudales de estiaje son la necesidad de estimar las pérdidas de la margen y la evaporación de las superficies de agua. Éstas se aplican especialmente en la predicción de los efectos en un punto aguas abajo de la explotación de un embalse, o en la gestión de los recursos hídricos Referencias 1. Asociación Internacional de Ciencia Hidrológicas, 1974: Proceedings of the International Symposium on Flash Floods — Measurements and Warning. París, 912 de septiembre de 1974, publicación N° 112. 2. American Meteorological Society, 1978: Conference on Flash Floods: Hydrometeorological Aspects and Human Aspects, 2–5 de mayo de 1978, Los Angeles, California. 3. Organización de las Naciones Unidas para el Socorro en Casos de Desastre, 1976: Disaster Prevention and Mitigation: A Compendium of Current Knowledge. Volume 2, Hydrological aspects, UNDRO/22/76. 4. Fisher, S. G. y Minckley, W. L., 1978: Chemical characteristics of a desert stream in flash flood. Journal of Arid Environment, volumen 1, pág. 25-33. 5. Sittner, W. T. y Krouse, K. M., 1979: Improvement of Hydrologic Simulation by Utilizing Observed Discharge as an Indirect Input (Computed Hydrograph Adjustment Technique - CHAT). NOAA Technical Memorandum NWS HYDRO38, febrero, U.S. Department of Commerce. 6. Water Resources Council, 1977: Proceedings of Dam-break Flood Routing Model Workshop. 18-20 de octubre de 1977, Bethesda, Maryland. U.S. Department of Commerce, National Technical Information Service, PB-275 437 NTIS, Springfield, Virginia. 7. Jelesnianski, C. P., 1974: SPLASH II: General Track and Variant Storm Conditions. NOAA Technical Memorandum, NWS, TDL-S2, U.S. Department of Commerce, marzo. 8. Overland, J. E., 1975: Estimation of Hurricane Storm Surge in Apalachicola Bay, Florida. NOAA Technical Memorandum, NWS-17, U.S. Department of Commerce, marzo.
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CAPÍTULO 44
9. Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura, 1991: International Workshop on Storm Surges, River Flow and Combined Effects. 8-12 de abril de 1991, Hamburgo, A contribution to the UNESCO-IHP project H-2-2. 10. Rango, A., Salmonson, A, V. V. y Foster, J. L., 1977: Seasonal streamflow estimation in the Himalayan region employing meteorological satellite snow cover observations. Water Resources Research, volumen 14, págs. 359-373. 11. Bodwell, V. J., 1971: Regression analysis of non-linear catchment systems. Water Resources Research, volumen 7, págs. 1118-1125. 12. Wright, C. E., 1975: Monthly Catchment Regression Models: Thames Basin. Central Water Planning Unit, Technical Note Nº 8, Reading, Reino Unido, agosto, pág. 32. 13. Bureau de recherches géologiques et minières, 1978: Situation hydrologique et prévision de basses eaux. Bulletin N° 5, junio de 1978, Orléans, France. 14. Pegram, G. G. S. ,1971: A note on the use of Markov chains in hydrology. Journal of Hydrology, volumen 13, págs. 216-230. 15. Gurevitch, M. I., 1956: Prognozy letnego i osennego stoka ravninnykh rek na osnove ego zavisimosti iosadkov (Forecasting of summer and autumn streamflow of plain rivers on the basis of their dependence on precipitation). Trudy, Gosudarstvennogo Gidrologiceskogo Instituta, volumen 53, Nº 107.
CAPÍTULO 45 PREDICCIONES DE FUSIÓN DE NIEVES
45.1 Generalidades Numerosos países usan métodos de predicción basados en modelos conceptuales de escorrentía por deshielo (sección 43.7). Dichos métodos [1] permiten predecir el deshielo a partir de las observaciones y de los datos meteorológicos previstos. Las predicciones de corto y mediano plazo son posibles para ríos y llanuras y las predicciones de mediano y largo plazo para las corrientes de agua en zonas montañosas. Se pueden preparar predicciones de volumen estacional para cuencas de tierras bajas o de montaña, donde la escorrentía por deshielo produce una porción importante del flujo fluvial total. La escorrentía por fusión de la nieve es un rasgo característico del régimen de los ríos de tierras bajas en climas templados y fríos y de algunos de los ríos más grandes del mundo, incluso en zonas tropicales. La escorrentía por fusión de la nieve de muchos ríos representa de 50 a 70 por ciento de la escorrentía anual, y en las regiones áridas el porcentaje correspondiente puede ser de 80 a 90. Los elementos de predicción más importantes en la fusión de nieve son el volumen de escorrentía resultante, el caudal máximo y la altura de coronación. 45.2
Procesos de escorrentía por fusión de nieve en ríos de tierras bajas y de montañas Durante la fusión de nieve, muchos de los procesos que determinan la escorrentía en cuencas de ríos de tierras bajas y de montaña son similares, por ejemplo fusión de nieve, retención del agua de nieve, caudal afluente de fusión de nieve hacia una cuenca, pérdidas en la escorrentía por fusión de nieve, aportación de agua en una cuenca y tiempo de retardo de la escorrentía por fusión de la nieve hacia la desembocadura. Pero en estas cuencas, algunos de los procesos ocurren de diferentes formas. Por ejemplo, la variación año a año de las pérdidas en la escorrentía por fusión de nieve (a partir de la nieve y del agua libre) son considerablemente superiores en las regiones llanas que en las cuencas fluviales montañosas. La escorrentía total por fusión de nieve de las cuencas de tierras bajas depende del equivalente en agua de la capa de nieve en el momento en que la nieve comienza a derretirse, del volumen de precipitación que ocurre después de que la nieve ha
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CAPÍTULO 45
comenzado a fundirse y la cantidad de agua perdida por infiltración y evaporación en la cuenca del río. El primer factor se puede determinar por mediciones (capítulo 8). El segundo, es decir la cantidad de precipitaciones y pérdidas de agua que se producen durante el período de escorrentía, debe tratarse con un procedimiento de predicción ya sea probabilístico o asumiendo valores medios de variables climatológicas. El tercer factor, la pérdida en la escorrentía por fusión de nieve de la cuenca, se controla por la capacidad de infiltración del suelo y el almacenamiento en depresiones superficiales, incluidos los amplios poros no capilares en la capa superior del suelo. Las pérdidas por evaporación son relativamente pequeñas y varían poco de un año a otro. El tamaño del área cubierta por el almacenamiento en depresiones superficiales puede ser expresado matemáticamente como funciones de distribución en relación con la altura del agua requerida para llenar estas depresiones. Dichas funciones son características relativamente estables para cada cuenca fluvial. La infiltración del agua en el suelo durante el período de fusión de nieve es un factor que varía mucho de año en año, según las condiciones del suelo. La tasa de infiltración en el suelo congelado y la cantidad total de agua absorbida dependen del contenido de humedad del suelo, la temperatura, la profundidad de la congelación y las propiedades del suelo. 45.3 Modelos de predicción En principio, un modelo conceptual de escorrentía por fusión de nieve es la combinación de un programa de acumulación y de ablación de nieve, y de un modelo de escorrentía–lluvia. El modelo conjunto puede ser usado en todas las condiciones climáticas para la predicción durante todo el año. Los modelos de escorrentía por fusión de nieve han sido elaborados específicamente para ser utilizados durante el período de fusión de nieve en primavera. En comparación con los modelos conceptuales, que representan todas las fases del ciclo de la escorrentía, los modelos de fusión de nieve en primavera tienen muchas más simplificaciones, sobre todo en lo pertinente a la evaporación y la humedad del suelo [2]. Por otro lado, los modelos actuales de fusión de nieve en primavera pueden tener en cuenta de manera más explicita los efectos de un suelo congelado que el modelo conceptual generalizado para la temporada completa. 45.3.1 Métodos de índice Muchas predicciones de volumen de flujo (de mediano o largo plazo) están basadas en los métodos de índice (estadísticos). Los datos disponibles de precipitación y capa de nieve en las montañas no permiten, en general, determinar de manera efectiva la cantidad de nieve, pero constituyen más bien un índice de ese valor. Por este motivo, las relaciones entre el flujo estacional y el índice de acumulación de nieve
PRONÓSTICOS DE FUSIÓN DE NIEVE
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son de naturaleza estadística. Si bien convienen para fines de predicción, no pueden ser usados en la mayoría de los casos para hacer un análisis del balance hídrico. El éxito de la predicción a largo plazo depende mucho de la exactitud con que el índice de acumulación de nieve represente las condiciones reales. Existen al menos dos factores adicionales que pueden tener alguna influencia en la escorrentía y por lo tanto en la correlación entre la escorrentía y el índice de acumulación de nieve: a) almacenamiento antecedente de aguas subterráneas; y b) cantidad de precipitación durante la estación de fusión de nieve. En las cuencas fluviales donde el caudal de base de los acuíferos representa una proporción considerable de la escorrentía total y varía mucho de un año a otro, la exactitud de la correlación puede aumentarse al tener en cuenta las aguas subterráneas. La precipitación se puede tener en cuenta de dos maneras: a) por la combinación del índice de precipitación con el índice de acumulación de nieve y usando la suma de estos índices como una variable única; b) por el uso del índice de precipitación como una variable suplementaria. Durante el desarrollo del procedimiento, la introducción de la precipitación subsiguiente en la relación de escorrentía permite tener en cuenta sus efectos en la derivación de las relaciones estadísticas para la predicción de la fusión de nieve. La siguiente fórmula se puede usar para calcular el índice ponderado de acumulación de nieve, In, cuando se tengan suficientes mediciones detalladas que cubran todas las altitudes de la cuenca:
In =
A1 A A wn1 + 2 wn 2 + . . . + N wn N A A A
(45.1)
donde wn , wn , . . ., wn son los valores de precipitación media o el equivalente en agua de la capa de nieve a varias altitudes, A1, A2, . . ., AN son las áreas correspondientes a estas altitudes y A es el área total. Los sondeos nivométricos son realizados en las montañas varias veces durante el invierno, de modo que puedan determinarse las tendencias de acumulación de nieve. El sondeo nivométrico final generalmente se lleva a cabo al final del período de acumulación de nieve, justo antes del inicio de la fusión de nieve de primavera. Los datos de los sondeos nivométricos al final del período de acumulación de nieve son usados para calcular el índice de acumulación de nieve. Las rutas nivométricas localizadas a varias altitudes se usan para obtener datos que establezcan una relación entre el equivalente en agua de la capa de nieve y la altitud, w = f (z). Para cada año se obtiene una relación diferente. Cuando los datos de observación son insuficientes para la transcripción de gráficos de w = f (z), se puede usar la correlación múltiple entre la escorrentía y el equivalente en agua de la 1
2
N
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CAPÍTULO 45
capa de nieve en cada punto de observación. En este caso, se asume que los coeficientes de ponderación de cada ruta nivométrica son proporcionales a los coeficientes de regresión y que su suma sea igual a la unidad: In = a1 wn1 + a2 wn2 + . . . + aN wnN
(45.2)
donde al, a2, . . ., aN son los coeficientes de la ponderación y wn1, wn2, . . ., wnN los equivalentes en agua de la capa de nieve. En la mayoría de los casos, el mejor índice del agua disponible para la escorrentía de áreas montañosas se puede deducir de la combinación de datos de precipitación y de sondeo nivométrico. Esto se puede lograr por las correlaciones gráficas o por el método de aproximación estadística. 45.3.2 Modelos conceptuales El término modelo conceptual se usa para describir cualquier modelo de base física, en contraste con aquellos modelos que son puramente estadísticos. Muchos modelos usan alguna forma de índice de temperatura (método gradodía) para determinar cuándo ocurre la fusión de nieve y cuánta fusión de nieve puede ocurrir en un período de tiempo específico. Los modelos de acumulación y de ablación de nieve usan la temperatura y la precipitación para acumular la capa de nieve y la temperatura del aire como el único índice del intercambio de energía a través de la interfase nieve–aire. En el método grado–día, en cambio, se utiliza la temperatura del aire como índice del caudal efluente de la capa de nieve. El método grado-día no tiene en cuenta explícitamente los procesos que causan que el caudal efluente de la capa de nieve difiera de la fusión de nieve (es decir, el recongelamiento del agua de fusión de nieve debido al déficit térmico y la retención y la transmisión del agua líquida). En la figura siguiente se muestra un diagrama del modelo elaborado por Anderson [3]. Las mediciones reales de la capa de nieve, a partir de sondeos nivométricos o mediciones puntuales, pueden ser usados como una fuente adicional de información para mejorar las predicciones de volumen estacional a partir de los modelos conceptuales que usan la temperatura y la precipitación sólo como entradas [4]. 45.3.3 Predicción extendida de flujo fluvial Los modelos conceptuales únicamente pueden simular la escorrentía por fusión de nieve para el período en el cual están disponibles los datos de entrada. Las predicciones para el futuro pueden hacerse usando los valores pronosticados de precipitación y temperatura. La configuración de la escorrentía estacional no se puede predecir satisfactoriamente a menos que se tomen en consideración los efectos de las futuras condiciones meteorológicas.
PREDICCIONES DE FUSIÓN DE NIEVES
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Los métodos de predicción basados en índices o estadísticas, se pueden lograr por el uso de índices, para el resto de la estación, basados en registros anteriores de precipitación y temperatura. Si se utilizan modelos conceptuales, se pueden usar datos climatológicos de muchos años, generalmente 20 años o más, para simular secuencias de escorrentía que correspondan a las condiciones específicas de cada año (sección 43.11). Las curvas de distribución de probabilidad se pueden construir en base a simulaciones para cualquier período de tiempo específico en el futuro y para una característica hidrológica específica, por ejemplo caudal máximo, volumen y caudal por unidad de área [5]. Esto supone que las secuencias históricas son representativas de lo que se puede esperar en años futuros. 45.3.4 Datos de entrada Los datos de entrada para el uso en modelos conceptuales, de tipo físico o de tipo índice, pueden ser mediciones de precipitación y/o mediciones del equivalente en agua de la capa de nieve. PRECIPITACIÓN, TEMPERATURA DEL AIRE
LLUVIA O NIEVE
Ta > P × TEMP = LLUVIA Ta < P × TEMP = NIEVE
MANTO DE NIEVE
INTERCAMBIO TÉCNICO, INTERFASE NIEVE – AIRE
EXTENSIÓN DE LA CAPA DE NIEVE LLUVIA SIN NIEVE SOBRE EL SUELO
CALOR ALMACENADO EN EL MANTO DE NIEVE
FUSIÓN POR EXCESO DE CALOR
ALMACENAMIENTO NEGATIVO DE CALOR
ALMACENAMIENTO DE AGUA LÍQUIDA
TRANSMISIÓN DEL AGUA EXCEDENTE A TRAVÉS DEL MANTO
LEYENDA
ENTRADA FUSIÓN EN EL SUELO
FUNCIÓN ALMACENAMIENTO
FLUJO EFLUENTE DEL MANTO DE NIEVE
SALIDA
Diagrama de flujo de los modelos de acumulación y de ablación de nieve
634
CAPÍTULO 45
Con modelos conceptuales de base física, se deben hacer correcciones de los errores sistemáticos (sección 7.3.6) en las mediciones de precipitación, de manera que los datos de entrada sean lo más representativos posible de la precipitación media real y/o de la capa de nieve. En regiones montañosas, donde la capa de nieve depende mucho de la altitud, las observaciones de las estaciones meteorológicas a menudo están afectadas por la exposición local y deben ser ajustadas para que representen mejor las condiciones meteorológicas medias cuando se utilizan para simular las condiciones de la capa de nieve. En la práctica, las mediciones de la capa de nieve y la precipitación son complementarias. 45.4
Predicciones a corto y mediano plazo de la escorrentía por fusión de nieve Una técnica [6] usada para elaborar las predicciones a corto y mediano plazo de la escorrentía por fusión de nieve para cuencas de grandes ríos, se puede resumir de la siguiente forma: a) las cuencas de ríos de tierras bajas se dividen en cuencas parciales (pequeñas y supuestamente homogéneas desde el punto de vista de la hidrometeorología) con un área de hasta 15 000 km2, y el sistema fluvial se divide en secciones comenzando por los tramos superiores; b) las cuencas montañosas se dividen en zonas de acuerdo a su altitud. El número de zonas depende de la diferencia de altitud entre la cabecera y la desembocadura del sistema fluvial, así como, de la variabilidad de las condiciones hidrometeorológicas con la altitud. La experiencia de algunos hidrólogos indica que un intervalo óptimo de altitud para esas zonas es de 200 a 400 metros, con más de 20 zonas; c) los modelos son calibrados con datos hidrometeorológicos de años precedentes; d) las predicciones del flujo para las cuencas parciales (o zonas de altitud para áreas montañosas) se propagan a un punto de predicción aguas abajo (capítulo 34). 45.5 Predicciones de fusión de nieve a largo plazo La elaboración de un método para la predicción a largo plazo de la escorrentía de la fusión de nieve consiste en establecer relaciones de balance hídrico. El establecimiento de dichas relaciones debe estar precedido por: a) determinación de las características pertinentes de la cuenca fluvial, como la topografía, el porcentaje de áreas boscosas y pantanosas y la naturaleza de los suelos; b) determinación de los factores que controlan el proceso por el cual el agua es absorbida por el suelo y retenida en la superficie; c) definición de los factores básicos que determinan la pérdida de agua en la cuenca fluvial y la variación de esos factores de un año a otro;
PREDICCIONES DE FUSIÓN DE NIEVES
635
d) determinación de la función de la precipitación, después de que ha comenzado a derretirse la nieve, en relación con la escorrentía y la variabilidad de dicha precipitación; e) evaluación de la exactitud de los datos para la escorrentía el equivalente en agua de la capa de nieve y la precipitación. Los procedimientos de predicción a largo plazo de escorrentía por fusión de la nieve pueden basarse en métodos de índices (sección 45.3.1) o en modelos conceptuales que tienen una base más física (sección 45.3.2). La selección de las técnicas depende de las características de la cuenca y de la disponibilidad de los datos para uso operativo (sección 45.2). Las predicciones de escorrentía por fusión de nieve pueden mejorarse y ampliarse al incluir datos probabilísticos representativos y/o datos de predicción meteorológica cuantitativa relativos a las condiciones meteorológicas durante el período de fusión de nieve posterior. Predicciones estacionales de fusión de nieve para regiones llanas 45.6 La relación entre la escorrentía total por fusión de nieve Qn y el equivalente en agua de la capa de nieve para las tierras bajas puede ser expresado teóricamente [7] por la ecuación: Qn = ( wn − f )
wn− f
∫o
f ( yd ) dyd −
wn− f
∫o
yd f ( yd ) dyd
(45.3)
donde wn es el equivalente en agua de la capa de nieve y f la infiltración total durante el período de fusión de nieve, ambos expresados en milímetros. La función f (yd) es la función de distribución del área en relación con la altura del agua (yd), necesaria para llenar las depresiones de la superficie de la cuenca fluvial. Si no hay infiltración o si la tasa potencial de infiltración es superior a la tasa de fusión de nieve, la ecuación 45.3 se puede simplificar de la siguiente manera: wn wn (45.4) Qn = wn f ( yd ) dyd − yd f ( yd ) dyd
∫o
∫o
En este caso, la escorrentía se convierte en una función del equivalente en agua de la capa de nieve y de la capacidad de infiltración de la cuenca. La cantidad de agua que contribuye a la escorrentía por fusión de nieve estacional se calcula cada año como la suma: W = wn + P
(45.5)
– es la media del equivalente en agua de la capa de nieve para la cuenca al donde w n – final del invierno y P es la precipitación media durante el período de escorrentía, ambas expresados en milímetros.
636
CAPITULO 45
El equivalente medio en agua de la capa de nieve para la cuenca puede calcularse, como una media aritmética simple o ponderada. El método de la media aritmética simple se usa cuando el número de estaciones de medición de nieve en la cuenca es lo suficientemente grande y cuando la distribución espacial de esas estaciones es buena. El método de la media ponderada se usa cuando los puntos de observación están distribuidos en forma irregular sobre el área y/o cuando la distribución de la capa de nieve es irregular. Para calcular la media ponderada del equivalente en agua de la capa de nieve se traza un mapa mostrando la distribución en el área de la capa media de nieve. En regiones donde se produce un deshielo durante el invierno, usualmente se forma una corteza de hielo en el suelo. Si hay mediciones disponibles, la cantidad de agua contenida en esas cortezas debe añadirse al equivalente en agua de la capa de nieve. Muy a menudo, la determinación directa de las condiciones de humedad del suelo a través de la cuenca fluvial, particularmente en invierno, no se puede realizar, porque no se dispone de datos adecuados. Esta es la razón principal, por la cual se usan con tanta frecuencia los índices indirectos. En regiones más bien secas de la estepa, la diferencia entre la precipitación y la evapotranspiración es la que caracteriza el grado de infiltración potencial. En la zona de bosque húmedo, donde cada año el contenido de humedad del suelo en otoño es igual o superior a la capacidad de campo, esa diferencia representa los cambios en el almacenamiento de toda la cuenca. La escorrentía producida por la precipitación al final del otoño, también puede usarse como índice de capacidad de retención de las cuencas fluviales de esas regiones. Predicciones estacionales de fusión de nieve para regiones montañosas 45.7 Usualmente existen diferencias considerables en el clima, el suelo y las condiciones botánicas debido a la variación de altitud en las áreas montañosas. Estos rasgos determinan la naturaleza de la escorrentía por fusión de nieve y el régimen de las corrientes de agua. Por esta razón, la característica más importante de una cuenca montañosa es la distribución de su área-altitud. Las fuentes principales de escorrentía son la nieve estacional, que se acumula en las montañas durante la estación fría, y la precipitación que ocurre durante la estación del año. Debido al largo período entre el inicio y el final del período de fusión de nieve, es posible hacer predicciones a largo plazo del flujo estacional en ríos montañosos. Las condiciones más favorables para dichas predicciones se presentan cuando la nieve estacional es la principal fuente de escorrentía y la cantidad de precipitación del verano es relativamente pequeña. Las pendientes pronunciadas, rocas y depósitos muy permeables de escombros rugosos en las cuencas montañosas, crean las condiciones en las cuales el agua hace
PREDICCIONES DE FUSIÓN DE NIEVES
637
su camino hacia los canales a través de estratos de piedras sueltas y fisuras en las rocas. En esas condiciones, las pérdidas de agua no pueden variar mucho de un año a otro. Por ese motivo debe existir una buena relación entre la escorrentía estacional y la cantidad de nieve en la cuenca. Esta relación se puede establecer empíricamente si hay mediciones disponibles de varios años. En la práctica, el problema de determinar dichas relaciones resulta a menudo muy difícil. Referencias 1. Bergstroem, S., 1976: Development and Application of a Conceptual Runoff Model for Scandinavian Catchments. SMHI Rapporter Nº RH07, Hydrological Oceanography. 2. Zhidikov, A. P., Levin, A. G., Netchaeva, N. S. y Popov, E. G., 1972: Modeli formirovaniya vesennego stoka i problemy ih primeneniya dlya prognoza gidrografa polovod’ya (Models for the spring runoff formation and problems of their use for forecasting the flood hydrograph). Trudy Gidromett Sentra, Vyp. 81, págs. 33-45. 3. Anderson, E. A., 1973: National Weather Service River Forecast System: Snow Accumulation and Ablation Model, Programs and Test Data. NOAA NWSHYDRO Technical Memorandum 17. 4. Todini, E. y Wallis, J. R., 1978: A Real-time Rainfall Runoff Model for an Online Flood Warning System. AGU Chapman conference on applications of kalman filtering theory and techniques to hydrology, hydraulics and water resources, Pittsburgh, Pennsylvania, 22-24 de mayo de 1978. 5. Twedt, T. M., Schaake, J. C. y Peck, E. L., 1977: National Weather Service extended streamflow prediction. Proceedings of the western snow conference, Albuquerque, Nuevo México, 19-21 de abril de 1977. 6. Borovikova, L. N., Denisov, Y. M., Trofimova, E. B. y Shencis, I. D., 1972: Matematicheskoe modelirovanie processa stoka gornyh rek (Mathematical modeling of the runoff formation for mountain rivers). Trudy Sredaznigmi, Vyp. 61(76). 7. Appolov, B. A., Kalinin, G. P. y Komarov, V. D., 1974: Course on Hydrological Forecasting. Gidrometeoizdat, Leningrado, pág. 418.
CAPÍTULO 46 PREDICCIONES DE LA FORMACIÓN Y LA ROTURA DE HIELO
46.1 Generalidades Muchos ríos y lagos en latitudes medias se congelan a lo largo del invierno. Las fases más importantes del hielo para las cuales se hacen predicciones son: a) la primera aparición del hielo; b) la formación de la capa de hielo completa; c) la rotura de la capa de hielo; d) la desaparición final de todo el hielo. El régimen de hielo de los ríos está estrechamente relacionado con las condiciones meteorológicas. De este modo, los datos de la aparición de hielo flotante, de formación y rotura de la capa de hielo varían mucho de un año a otro. Las predicciones de hielo son de un gran valor práctico para la navegación, pero muchos otros usuarios, además de los de la navegación tierra adentro, se interesan en estas predicciones. Existen fórmulas precisas para calcular el régimen térmico y el del hielo, pero su aplicación a la predicción del hielo está muy limitada por la naturaleza estocástica de los parámetros que determinan las ecuaciones, que varían entre el momento de la predicción y el evento pronosticado. En este capítulo se examinan los diferentes métodos de predicciones del hielo que existen. 46.2 Predicciones de la formación del hielo La formación de hielo en un río comienza cuando la capa superficial del agua se enfría a 0ºC. Debajo de la supeficie de la corriente de agua, la temperatura del agua en ese momento, generalmente permanece por encima de 0ºC. Por lo tanto, la predicción de la fecha de aparición de hielo flotante consiste en calcular el intercambio térmico en la superficie del agua para determinar la fecha en la cual la capa superficial del agua se enfriará a 0 ºC. La predicción de la temperatura del agua se debe efectuar resolviendo por etapas la ecuación del balance térmico, teniendo en cuenta las variables que afectan la pérdida de calor. La pérdida de calor de la superficie del agua es una función de la temperatura del aire, la velocidad del viento y los movimientos del agua. En su forma más general, la ecuación del balance térmico en la interfase aire-agua para ciertos intervalos de tiempo es:
640
CAPÍTULO 46
(
)
α θ w − θ sw + Q = 0
(46.1)
donde θw es la temperatura media de la masa de agua de la corriente de agua, θsw la temperatura de la superficie de agua, α el coeficiente de transferencia de calor de la masa de agua a la interfase aire-agua y Q la pérdida de calor de la superficie del agua. Un método similar [1] se basa en la desigualdad entre los dos flujos del calor: α n T wn ≤ – Qm* o T wn ≤ –
Qm* αn
(46.2)
donde Tw es la temperatura media del flujo de agua, α el coeficiente de producción de calor de la masa de agua, Q* la pérdida de calor a través del interfase aire-agua y n se refiere al tiempo en que aparece la desigualdad. Los cálculos de α, Tw, y Q* requieren de varias variables meteorológicas e hidrológicas. El método puede usarse si se cuenta con predicciones de la temperatura del aire con varios días por adelantado. Su exactitud depende principalmente de los errores en las temperaturas anteriores del aire. El método original podría mejorarse en dos aspectos: a) el incremento de tiempo puede ser aumentado de acuerdo con el período de observación real (por ejemplo, para 12 horas); b) la variación del tiempo de recorrido y la profundidad media del tramo pueden ser tomados en consideración. Las condiciones necesarias para el inicio de la congelación son la acumulación de una cantidad suficiente de hielo flotante y una intensa transparencia de calor, de manera que el congelamiento de los témpanos de hielo pueda resistir la fuerza ejercida por la corriente de agua. Estas condiciones se expresan por la fórmula empírica: b a
(Qa )c = − 6, 5v 2 ∑ Q
0,8
(46.3)
donde (Qa)c es la temperatura media diaria crítica del aire (lo más alta posible) en el día de congelación, v la velocidad media de la corriente en el tramo, b el ancho del río y ∑Qa la suma de las temperaturas medias diarias negativas desde el día de aparición del hielo [2]. Se repiten los cálculos para cada día de movimiento del hielo hasta que la temperatura media diaria baje por debajo del punto crítico (Qa)c, como se calcula en la ecuación 46.3. Cuando se alcanza el punto crítico, se predice la formación de una capa de hielo. Un enfoque generalizado de la predicción a largo plazo de la formación y rotura del hielo se usa para los ríos de Europa del norte y siberianos. Este enfoque tiene en cuenta:
PREDICCIONES DE LA FORMACIÓN Y LA ROTURA DE HIELO
641
a) el análisis sinóptico de las condiciones que determinan la congelación, en el que el hemisferio norte se divide en regiones homogéneas; b) la determinación de las variables cuantitativas para los procesos atmosféricos, por ejemplo la expansión de los campos meteorológicos por el uso de funciones ortogonales; c) el uso de las correlaciones múltiples para determinar la relación entre la fecha en que se forma el hielo y las variables que representan las condiciones meteorológicas adecuadas. Al utilizar este método, se pueden predecir las fechas en que la capa de hielo aumenta de 10 a 15 cm, y luego a 20 cm. Las fórmulas empíricas que usan predicciones disponibles de la temperatura del aire y el viento se han creado para predecir la formación de hielo cristalino para las estaciones hidroeléctricas. La figura más abajo es un ejemplo de esa relación. Los estudios sobre la gestión del agua en condiciones de invierno se deben basar en informes y predicciones adecuados. Se podría organizar una red para medir parámetros hidrológicos, incluida la formación de hielo, que funcione de acuerdo a las necesidades de predicción. Es también necesaria una retroalimentación periódica de los supervisores de los centros de gestión hídricos hacia los centros de predicción. Se aplicó con buenos resultados al Danubio una forma simplificada de la ecuación de Shulyakovsky:
(Tw )n = (Tw )o e−nao + Ta + dk +
donde, ao =
(α + ho ) qb αho
(
−na 1− e o
)
(46.4)
α ho t (α + ho ) Hcρ , (Tw)o es la temperatura inicial del agua seleccionada en el
intervalo que corresponde al tiempo de propagación en la porción del tramo estudiado, α el coeficiente de transferencia de calor entre las masas de agua y aire, que se expresa de la si— guiente manera αn = (1745 u–n + 106Wn )4,1868, u– la velocidad media del flujo en el tramo — durante el período W n, la velocidad media del viento durante n, ho el coeficiente de intercamio de calor entre la superficie del agua y el aire, H la altura media del agua en el tramo, d el coeficiente de intercambio de calor específico a una temperatura igual a la de la superTa la temperatura media diaria del aire durante el período en ºC, qb el flujo de ficie del agua, – calor específico entre el lecho del río y el agua, c el calor específico del agua y t la unidad de tiempo utilizada en los cálculos (un día). El intercambio de calor resultante entre el agua y la atmósfera, Qm*, puede ser expresado por la siguiente fórmula empírica: * Qm = ho Ta + d
(46.5)
642
CAPÍTULO 46
Temperatura del aire, °C
-15
-10
a) -5
b)
0
5
10
15
Velocidad del viento, m s1
Predicción de la formación de cristales de hielo a) posible nieve enlodada, b) nieve no enlodada el espesor del hielo se puede predecir por: ∆hi = 6,2
∑D
sup
(46.6)
hi
donde ∆hi es el aumento del espesor del hielo en centímetros, Dsup es la temperatura negativa total prevista en la superficie del hielo (grado-día), calculada desde la fecha en que se midió el espesor de la nieve por primera vez hasta la fecha en que se prevé este espesor de la nieve, y se tiene: hi = hii +
kti hs kts
(46.7)
donde hii es el espesor inicial en centímetros, kti el coeficiente de conducción de calor del hielo, kts el coeficiente de conducción de la nieve y hs el espesor de la capa de nieve sobre el hielo en centímetros. 46.3 Predicciones de la rotura de hielo Uno de los métodos de predicción de la fecha de rotura se basa en la estimación de la suma de grados-días crítica de temperatura positiva del aire requerida para la rotura de hielo en el tramo del río en cuestión. A fin de determinar esta suma, se usa la relación entre la rotura y la suma negativa de grados-días para el período invernal. Para predecir por este método la fecha de la rotura de hielo, es necesario tener una predicción de la temperatura del aire con varios días de anticipación. La fecha de la
PREDICCIONES DE LA FORMACIÓN Y LA ROTURA DE HIELO
643
rotura se obtiene por la suma de grados-días crítica (+ ∑NDj) y de la temperatura del aire prevista en unos cuantos días por adelantado. Para ríos donde el proceso de rotura se ve afectado por la intensidad del caudal afluente del agua de la fusión de nieve, se pueden proporcionar resultados adecuados para las predicciones utilizando relaciones empíricas del siguiente tipo: + ∑NDj = f (-∑NDj∆h)
(46.8)
donde ∆h es el aumento del nivel requerido para que se inicie el proceso de rompimiento. 46.3.1 Predicciones de la rotura de hielo en embalses La rotura de la capa de hielo en un embalse resulta de la fusión de hielos y de una disminución gradual de su densidad. Bajo la acción del viento, el hielo puede romperse en trozos de varios tamaños, que comienzan a moverse produciendo por lo tanto una deriva general de los hielos. La condición para el comienzo de una deriva general de los hielos puede expresarse por una desigualdad de la siguiente forma: 2 Ψ d1/2 g < CU
(46.9)
donde Ψ es la estructura compacta del hielo en fusión (tensión de flexión relativa), dg el espesor del hielo en centímetros, U la velocidad máxima del viento en 24 horas, en m s-1, y C el coeficiente empírico que depende de la velocidad del viento y es una constante para un embalse dado. Se encontró que para un cierto número de embalses de la Comunidad de Estados Independientes, el valor de C era de 0,018. La estructura compacta del hielo Ψ y el espesor dg, cuando el hielo comienza a flotar a la deriva, se calculan a partir de los elementos meteorológicos usando las ecuaciones del balance térmico. La publicación titulada The Possibility of Creating a Universal Method of Computing the Time of Ice Break-up on Rivers [3] contiene información específica sobre la aplicación de este río. 46.3.2 Predicciones de la rotura de hielo en ríos El método de predicción de la rotura de hielo en ríos se basa en modelos en los cuales la condición de la rotura de hielo se determina a partir del espesor y de la estructura compacta del hielo y la fuerza de arrastre de la corriente. Cuando las fuerzas de resistencia se vuelven iguales o menores que la fuerza de arrastre, la capa de hielo se rompe y el hielo comienza a moverse. La condición para la rotura de hielo se expresa por la siguiente relación:
Ψ dg < f (H, ∆H)
(46.10)
644
CAPÍTULO 46
donde Ψ dg (producto de la tensión relativa del hielo en fusión por el espesor) es una medición de la estructura compacta de la capa de hielo en el momento de la rotura, y H y ∆H son parámetros que representan la fuerza de arrastre de la corriente. H es la altura del nivel de agua en el momento de la rotura de hielo (refleja el caudal y la velocidad de la corriente) y ∆H es el aumento, hasta que se produce la rotura de hielo, del nivel de agua por encima del nivel mínimo de invierno H3, esto es numéricamente igual a ∆H = H – H3. Como H y ∆H están interrelacionados, en la mayoría de los casos es suficiente considerar una de estas cantidades en la relación descrita en la ecuación 46.10. Estas cantidades están basadas en predicciones y en datos reales para algunos días antes de la rotura de hielo. Una aproximación de la relación puede expresarse mediante la ecuación:
Ψ dg < a + b (∆H)2
(46.11)
donde a y b son coeficientes empíricos. 46.4 Predicciones del hielo a largo plazo En la elaboración de métodos para la predicción a largo plazo de los fenómenos relativos al hielo, en general, es necesario: a) tener en cuenta las fechas de formación de hielo y la rotura de hielo en los ríos del territorio en estudio, por ejemplo fechas promedio, variabilidad de las fechas anuales y la delimitación de las regiones con fenómenos uniformes; b) analizar procesos atmosféricos que causan la llegada de masas de aire frío o caliente que conducen a la formación de hielo o la rotura de hielo; c) tener conocimiento o usar mecanismos conocidos en materia de meteorología sobre la evolución de los procesos atmosféricos en el tiempo, que hacen posible valorar la intensidad de enfriamiento o calentamiento para un largo período por adelantado. La ejecución de estos puntos en esta sección es ilustrada con ejemplos para algunos ríos de la Comunidad de Estados Independientes [4]. 46.4.1 Formación de hielo La llegada del tiempo frío y la fecha de la formación de hielo en los ríos de Siberia oriental están estrechamente vinculadas con la fecha del inicio de la formación del anticiclón al este de Siberia y el grado de su desarrollo. Por ejemplo, esta relación para el río Lena se expresa por una regresión para el mes de agosto en la fecha de inicio de la formación estable del anticiclón y la diferencia en las anomalías de la presión atmosférica en la superficie terrestre, entre las regiones situadas al oeste y al este del Lena. La predicción se hace al inicio de septiembre y cubre un período de casi mes y medio.
PREDICCIONES DE LA FORMACIÓN Y LA ROTURA DE HIELO
645
En los ríos ubicados en la parte central del territorio europeo de la Comunidad de Estados Independientes, las fechas de la aparición de hielo están conectadas con la intensidad del enfriamiento en la segunda mitad de octubre y la primera mitad de noviembre, es decir en la temporada sinóptica justo antes del invierno. Esta intensidad de enfriamiento se puede estimar de acuerdo al grado de enfriamiento y la ubicación meridional de los procesos atmosféricos durante el segundo período de 10 días en septiembre. Dicha relación se expresa por una regresión lineal. La predicción para el Volga medio, realizada a fines de septiembre, cubre aproximadamente un mes y medio. 46.4.2 Rotura de hielo La rotura de hielo en los ríos de Siberia occidental y en la cuenca de Kama se produce durante la segunda mitad de abril y el inicio de mayo, es decir, la temporada sinóptica de primavera. La temporada de predicciones comienza en marzo porque es posible estimar el grado de calentamiento a lo largo de toda la estación basándose en las características de calentamiento de ese mes. La predicción se emite al principio de abril y cubre alrededor de un mes. 46.4.3 Uso de la circulación atmosférica A través de los últimos años se ha usado un método para predecir la formación y la rotura de hielo en los ríos de Siberia basándose en los procesos atmosféricos de todo el hemisferio norte para los tres meses antes de que sucedan estos fenómenos. El método de componentes principales se usa para calcular y obtener los índices óptimos de la circulación atmosférica y el régimen de hielos de los ríos. Las predicciones toman la forma de una ecuación de regresión entre vectores que caracterizan los dos sistemas [5]. Referencias 1. Shulyakovsky, L. G., 1960: Ice Formation and the Beginning of Freeze-up on Rivers, Lakes and Reservoirs: Computations for Forecasting Purposes. Gidrometeoizdat, Leningrado. 2. Appolov, B. A., Kalinin, G. P. y Komarov, V. D., 1974: Course on Hydrological Forecasting. Gidrometeoizdat, Leningrado. 3. Bulatov, S. N., 1972: The Possibility of Creating a Universal Method of Computing the Time of Ice Break-up on Rivers. Informe del Centro Hidrometeorológico de la URSS, N° 112, págs. 100-107. 4. Erfremov, N. D. y Karakash, E. S., 1977: A Method for the Long-term Forecasting of the Dates of Ice Break-up on the River Lena and Eniseya. Informe del Centro Hidrometeorológico de la URSS, N° 186, págs. 78-87. 5. Mescherskaya, A. V., y otros, 1970: The Natural Components of Meteorological Fields. Gidrometeoizdat, Leningrado.
PARTE F APLICACIONES PARA LA GESTIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS CAPÍTULO 47 INTRODUCCIÓN A LAS APLICACIONES PARA LA GESTIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS 47.1 Generalidades El objetivo de esta parte de la Guía es ofrecer orientación en lo concerniente a la aplicación de los métodos de análisis hidrológico, descritos en las Partes D y E, para el diseño y el funcionamiento de los proyectos de gestión del agua. En el diseño de estos proyectos, es necesario considerar una serie de aspectos económicos, sociales de ingeniería, entre otros [1, 2]. 47.2 Objetivos de un proyecto de gestión de recursos hídricos En el esquema acostumbrado de desarrollo de la cuenca de un río, se aprovecha básicamente todo el caudal que se puede regular adecuadamente. El agua disponible se reparte entre las diferentes necesidades, de acuerdo con un sistema de prioridades. Las necesidades de mayor prioridad se satisfacen de forma permanente, si es posible, mientras que las demás sólo se satisfacen cuando se dispone de la suficiente cantidad de agua. Un proyecto generalmente debe servir para una serie de usos, entre los que figuran: a) navegación; b) riego; c) generación de energía eléctrica; d) regulación de crecidas; e) abastecimiento municipal de agua; f) reducción de la contaminación; g) uso industrial; h) recreación, estética y tradición; i) pesca y conservación de la vida silvestre y otras consideraciones sobre el medioambiente; j) control de salinidad y sedimentos; k) recarga del agua subterránea. Los criterios aplicados en el diseño y el funcionamiento de los proyectos de recursos hídricos generalmente se basan en la obtención de un máximo de beneficios netos de los recursos invertidos en el proyecto. Un diseño capaz de satisfacer la
648
CAPÍTULO 47
totalidad de la demanda no siempre tiene que ser la alternativa más deseable. El suministro sólo se puede ofrecer a un costo unitario que generalmente aumenta a medida que crece el suministro y puede, en algún momento, rebasar la pérdida resultante de la reducción de la eficacia de una instalación con un suministro deficiente. Asimismo, pueden producirse conflictos entre los diferentes aspectos intangibles que surgen, por una parte al suministrar el agua y, por la otra al restringir las demandas. El objetivo de la gestión de recursos hídricos es buscar un equilibrio óptimo entre los suministros y las demandas, cuantificando, en la medida de lo posible, las consecuencias de las compensaciones mutuas entre las tendencias en conflicto en base a estudios de costo-beneficio, así como otras consideraciones. 47.3 Proyectos de múltiples aplicaciones Con el creciente nivel de desarrollo de los recursos hídricos en todo el mundo, resulta cada vez más importante que se elaboren proyectos que puedan servir simultáneamente para diversos usos. Por ejemplo, un proyecto de embalse de almacenamiento puede utilizarse como suministro de agua y como control de inundaciones río abajo. Los datos hidrológicos necesarios para el diseño de un proyecto de múltiples aplicaciones son básicamente la suma de los datos necesarios para los diferentes usos incluidos en el proyecto. Los métodos de análisis, aunque similares a los métodos aplicados en el diseño de los proyectos de una sola finalidad, son más complejos. Para determinar el plan óptimo, es necesario elaborar una serie de planes, combinando diversas dimensiones del proyecto y diferentes métodos de funcionamiento. Existe un conflicto básico entre la gestión de recursos hídricos para el control de inundaciones y la conservación del agua (abastecimiento de agua y regulación de caudales bajos) en los proyectos de múltiples aplicaciones. En la época de crecidas, generalmente resulta esencial mantener un espacio vacío en los embalses en previsión de posibles caudales de crecidas, mientras que normalmente se desea mantener el embalse lo más lleno posible para regular los caudales bajos. Cuando se acerca el final de cada época de crecidas, este conflicto toma un giro crítico porque los beneficios posteriores van a depender, en parte, de lo almacenado en ese momento; y es, por consiguiente, de especial importancia hacer una revisión de los planes de funcionamiento del proyecto en relación con las expectativas de crecidas y caudal bajo. 47.4 Sistemas de recursos hídricos Si en la cuenca de un río existe más de un proyecto de recursos hídricos, o si el agua se distribuye entre cuencas en las que existen proyectos de recursos hídricos, la eficacia global de los proyectos se puede incrementar coordinando las actividades de gestión de cada proyecto. Esta coordinación exige que los diferentes proyectos se traten como un solo sistema interrelacionado, considerando la disponibilidad del agua y los objetivos específicos de cada proyecto, así como las posibles interac-
APLICACIONES PARA LA GESTIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS
649
ciones y concesiones entre ellos. En cuanto se pone en marcha un nuevo proyecto o una nueva demanda que puede tener un impacto significativo en las actividades de gestión existentes, se debe emprender una revisión del funcionamiento del sistema. 47.5
Investigación preliminar de los proyectos de gestión de recursos hídricos Para poder justificar el importante gasto de tiempo y dinero, necesarios para la planificación de un proyecto de gestión de recursos hídricos, se debe realizar una investigación preliminar de su viabilidad, deseabilidad, posible alcance, y su posible efecto en los factores hidrológicos que influyen en el medio ambiente, así como la eficacia de otros proyectos. Si bien esta investigación tiene que estar basada en la documentación disponible, como registros hidrológicos fragmentarios o viejos mapas e informes, debe realizarse con sumo cuidado porque es en esta etapa en la que a menudo se toman las decisiones conceptuales de planificación y en la que surgen los aspectos y las consecuencias importantes del proyecto. Si la investigación preliminar indica que el proyecto potencial es favorable, normalmente se inician estudios más detallados. Los tipos de datos hidrológicos necesarios para la gestión de los recursos hídricos figuran en la tabla siguiente. Tabla Datos necesarios para la gestión de los recursos hídricos Uso Reconocimiento
Características
Aspecto
Datos necesarios
Hidrografía
– Red de drenaje – Cuencas hidrográficas – Manantiales – Distinción entre corrientes de forma perenne, intermitentes y efímeras Fisiografía – Geología – Topografía y morfología – Cubierta y tipos de suelo – Urbanización Meteorología – Datos comunes: 10, 11* – Distribución de temperaturas – Distribución de vientos – Distribución de bancos de nieve Caudal – Datos comunes: 1, 2, 3, 4, 7, 8, 9 en sitios seleccionados Crecidas – Datos comunes: 4, 5, 6
* Estos números se refieren a los apartados que figuran en la lista de datos hidrológicos comunes, al final de esta tabla.
650
CAPÍTULO 47
(continuación) Navegación
Canales
Profundidad del agua Caudales de crecidas
– Relación profundidad-caudal para puntos importantes – Datos comunes: 2, 3, 7, 8 – Datos comunes: 4, 6 – Velocidad de elevación de crecidas – Retardo entre elevaciones en diferentes puntos a lo largo de las corrientes – Tiempo de respuesta de la cuenca a precipitaciones intensas – Distribución de la fusión de nieve
Riego
Demanda
Precipitación Evapotranspiración Humedad del suelo Abastecimiento Caudal Embalse
– – – – – – –
Energía Hidroeléctrica
Embalses de grande salto Embalses de salto pequeño
Caudal
– Datos comunes: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 11 – Datos comunes: 2, 3, 4, 6, 7, 8 – Relación profundidad-caudal aguas abajo de la presa
Estructura
Nivel de agua – Relación profundidad-caudal para puntos importantes – Relaciones hidráulicos-topográficas en la llanura inundable – Datos comunes: 4, 5, 6, 8 – Ocupación de la llanura inundable Lluvia – Estadísticas de precipitaciones intensas en la región en cuestión – Valores de crecidas y precipitaciones que las producen Predicción – Tiempo de recorrido crecidas – Tiempo de respuesta de la cuenca – Sincronización de la crecida en diversos tributarios – Tiempo de elevación de crecidas Predicción – Serie cronológica de crecidas – Serie cronológica de precipitaciones intensas
Control de inundaciones
Aviso de inundación
Caudal
Datos comunes: 10 Datos comunes: 11 Transpiración Tipo de suelo Nivel de agua subterránea Datos comunes: 1, 2, 3, 4, 7, 8, 9 Datos comunes: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11
APLICACIONES PARA LA GESTIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS
651
(continuación) Distribución en Magnitud – Relación área-frecuencia de duración zonas de de las de las crecidas inundaciones inundaciones – Socavación y sedimentación debida y seguros a inundaciones Abastecimiento Ríos municipal Embalses
Caudal de ríos – Datos comunes: 1, 2, 3, 4, 7, 9 y manantiales Caudal – Datos comunes: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11
Reducción de la Dilución contaminación Limpieza
Caudal
– Datos comunes: 1, 2, 3, 4, 7, 8, 9
Crecidas Embalses
– Datos comunes: 4, 6, 9 – Datos comunes: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11
Uso industrial
Ríos Embalses
Caudal Caudal
– Datos comunes: 1, 2, 3, 4, 7, 8, 9 – Datos comunes: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11
Recreación, estética y tradición
Lagos y embalses
Fisiografía
– Relación almacenamiento-altura – Características de la línea costera – Posibilidades de olas – Datos comunes: 9 – Geometría de canal – Relación profundidad-velocidadcaudal – Suelo, cobertura y su orilla – Datos comunes: 7, 10, 11 – Distribución de temperaturas del aire – Distribución de vientos – Datos comunes: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 – Datos comunes: 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9 – Variaciones los caudales del embalse
Clima Caudal
Conservación de Ríos la fauna acuática y terrestre
Caudal Lagos y embalses Estructuras
– Datos comunes: 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9 – Distribución de fluctuaciones de nivel de agua – Datos comunes: 9 – Cambios resultantes en la profundidad velocidad, temperatura del agua, carga de sedimentos y características de las orillas, aguas arriba y aguas abajo
652
CAPÍTULO 44
(continuación) Control de salinidad y sedimentos
Dilución Limpieza
Recarga de agua Embalses y subterránea estanques Infiltración en los márgenes Pozos
Caudal Crecidas Embalses
– Datos comunes: 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9 – Datos comunes: 4, 6, 8, 9 – Datos comunes: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11
Caudal
– Datos comunes: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 – Datos comunes: 3, 4, 6, 7, 8, 9
Caudal Caudal
– Datos comunes: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11
1. Serie cronológica de volúmenes de caudal, mensuales y anuales. 2. Serie cronológica de caudales medios diarios. 3. Distribución de frecuencias de caudal bajo. 4. Distribución de frecuencias de crecidas. 5. Distribución de frecuencias de crecidas de gran volumen. 6. Formas de los hidrogramas de crecidas típicas. 7. Información sobre la cobertura de hielo. 8. Transporte de sedimentos. 9. Calidad del agua. 10. Distribución de las precipitaciones, en espacio y tiempo. 11. Distribución de las evaporaciones, en espacio y tiempo.
Referenciass 1. Linsley, R. K. y Franzini, J. B., 1972: Water Resources Engineering. McGrawHill, Nueva York. 2. Maass, A., y otros, 1962: Design of Water Resources Systems. Harvard University Press, Cambridge, Massachussetts.
CAPÍTULO 48 DESARROLLO SOSTENIBLE DE LOS RECURSOS HÍDRICOS
48.1 Generalidades En los últimos dos decenios se ha observado una mayor concientización de que los recursos naturales son limitados y de que el futuro desarrollo debe tenerlo en cuenta. El concepto de sostenibilidad ha logrado una aceptación general. Este concepto tiene distintos significados para diferentes personas. No obstante, la definición adoptada por la Unión Internacional para la conservación de la Naturaleza y sus Recursos, el Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente y el Fondo Mundial en favor de la Naturaleza [1] es la que hemos utilizado aquí: “el desarrollo sostenible es una forma de desarrollo cuyo objetivo es mejorar la calidad de vida del ser humano, respetando, no obstante, la capacidad de carga de los ecosistemas esenciales para la vida”. Una cuestión importante es si existe o no alguna forma de medir la sostenibilidad del desarrollo. Se puede decir que, si se tienen en cuenta la variabilidad natural y las tendencias en la disponibilidad de los recursos hídricos, los efectos del desarrollo se reflejarán en cambios en la base de recursos. Por consiguiente, el control de la cantidad y de la calidad del agua contenida en los sistemas naturales, es decir ríos, lagos, agua subterránea, hielo y nieve, es un requisito previo para determinar en qué medida se puede sostener el desarrollo. La construcción de bases de datos adecuadas a través de la supervisión de los sistemas hidrológicos es un requisito previo fundamental de la evaluación y la gestión de los recursos hídricos. El objetivo de este capítulo es revisar si son adecuadas o no las redes y técnicas actuales de supervisión, a la luz de una base de recursos en evolución y políticas de gestión del agua destinadas al desarrollo sostenible. 48.2 Variabilidad del recurso 48.2.1 Cambios naturales El sistema hidrológico, accionado por las condiciones meteorológicas, se encuentra en constante evolución. Durante largos períodos de tiempo, desde décadas hasta milenios, las variaciones en la recepción de la energía generada por el sol, actuando a través del sistema atmosférico, dan lugar a importantes cambios en los regímenes hidrológicos. Así por ejemplo, los cambios en la distribución y la extensión de las masas de hielo y la cobertura de vegetación reflejan generalmente cambios hidrológicos.
654
CAPÍTULO 48
Recientemente, se ha comprendido que las interacciones entre el aire y el mar son extremadamente importantes para el clima. El fenómeno El Niño, con sus repercusiones lejanas sobre amplias zonas, puede tener consecuencias hidrológicas de largo alcance, especialmente importantes cuando se convierten en sequías o inundaciones. Los acontecimientos naturales de un tipo totalmente diferente, como las grandes erupciones volcánicas con descargas masivas de polvo y gases en la atmósfera, también pueden tener efectos de gran magnitud en el sistema hidrológico. 48.2.2 Cambios antropógenos Las actividades humanas tienen un efecto cada vez mayor en los sistemas hidrológicos. Algunas de las actividades más importantes son las siguientes: a) la construcción de presas y desviaciones produce efectos importantes en los regímenes del caudal y en el transporte de sedimentos de muchos ríos del mundo; b) los cambios en el uso de la tierra a menudo tiene enormes impactos en los sistemas hidrológicos; i) la deforestación a menudo conduce a caudales máximos de crecidas más pronunciados y a aumentos en la erosión del suelo; ii) el drenaje de los pantanos con frecuencia modifica el régimen de escorrentía; iii) las prácticas agrícolas con frecuencia modifica las velocidades de infiltración y recarga del agua subterránea; iv) la urbanización aumenta de manera característica la rapidez del caudal; c) la calidad del agua en muchos lugares se ha visto adversamente afectada por los residuos industriales y municipales, y por las prácticas agrícolas que emplean fertilizantes, pesticidas, etc.; d) la emisión de gases de efecto invernadero producirá un cambio climático en el siglo próximo y con posibles repercusiones en los sistemas hidrológicos. Para poder comprender mejor el sistema hidrológico, así como para poder predecir la disponibilidad del agua en el futuro y emplear con eficacia los recursos, los sistemas de control deben tener en cuenta este gran número de cambios. 48.3 Cambios de actitud en la gestión de los recursos hídricos En muchas partes del mundo se han producido grandes cambios socioeconómicos. El rápido crecimiento de la población, sobre todo en un gran número de países en desarrollo y especialmente en los núcleos urbanos en vías de expansión, en combinación con la industrialización y el aumento del nivel de vida, ha dado lugar a un aumento en la demanda de agua. La contaminación del agua en muchas regiones ha reducido las cantidades aptas para el consumo. El aumento de la demanda superior al abastecimiento, será un hecho cada vez más común en el futuro. Por consiguiente, es imprescindible una gestión más eficaz y efectiva del agua.
DESARROLLO SOSTENIBLE DE LOS RECURSOS HÍDRICOS
655
En los últimos dos decenios se han producido importantes cambios en la gestión del agua; con dos cuestiones muy importantes de fondo. En primer lugar, hay una centralización cada vez mayor de que el agua es un elemento fundamental en el medio ambiente natural. La presencia y el movimiento del agua a través de todos los sistemas biológicos es la base de la vida. El agua, la tierra y los sistemas biológicos se deben considerar como entes interrelacionados, y se debe armonizar la supervisión de los diferentes componentes del ecosistema. En segundo lugar, el agua es absolutamente esencial en todas las formas de actividad económica. El agua es fundamental para la agricultura y la producción de alimentos, para gran parte de la producción industrial, y la creación de energía. El agua también es capital para la salud humana. Demasiada cantidad de agua (en forma de inundaciones) o demasiado poca agua (sequías) puede causar catástrofes humanas y medioambientales. La parte a) de la figura que se muestra en la página siguiente, indica la evolución del consumo mundial de agua entre los años 1900 y 2000. Globalmente, el consumo se ha incrementado diez veces y para el año 2000, se utilizará casi la mitad de los suministros de agua disponibles. La agricultura, y particularmente el riego, sigue siendo el principal consumidor a pesar de una constante disminución en el porcentaje de agua que utiliza (de un 90,5 por ciento de agua consumida en 1900 a un 62,6 por ciento para el año 2000). En ese mismo período, la porción utilizada por la industria pasará de un 6,4 a un 24,7 por ciento, las ciudades que comparten el mismo ritmo de crecimiento, pasarán de un 2,8 por ciento en 1900 a un 8,5 por ciento en el año 2000. ¿Cómo ha sido el consumo de agua en comparación con los recursos hídricos disponibles en cada una de las principales regiones del mundo durante el siglo XX? La parte b) de la figura responde a esta pregunta en términos de porcentajes calculados en base a los recursos teóricos, es decir, la cantidad de caudal total en los ríos. De acuerdo con estos cálculos, los porcentajes de consumo de recursos naturales de Europa y Asia son muy superiores a los de América del Norte, África y, y sobre todo América del Sur y Australia y Oceanía. También está claro que Europa y Asia tienen el más alto crecimiento en consumo, exceptuando a América del Sur donde el incremento se ve compensado por abundantes reservas de agua. La creciente noción de la naturaleza omnipresente del agua y de su importancia en el medio ambiente natural, y en la actividad humana, ha puesto de relieve la necesidad de adoptar un enfoque holístico para su gestión. El desarrollo de este recurso para el uso humano puede tener impactos medioambientales perjudiciales mientras que, a la inversa, los cambios en la base de recursos naturales puede limitar o afectar las actividades humanas. Estos cambios han dado lugar al enfoque de una gestión integrada de los recursos hídricos.
656
CAPÍTULO 48
a) 3
Consumo de agua mundial (en km/año
6 000 Consumo total Agricultura Industria Economía municipal Embalses
5 000 4 000 3 000 2 000 1 000 0 1900
1920
1940
1960
1980
2000
1940
1960
1980
2000
25 Consumo de agua por región (%)
b)
Asia Europa Mundo América del Norte África Australia y Oceanía América del Sur
20
15
10
5
0
1900
1920
Evolución del consumo mundial de agua según a) la actividad y b) la región 48.3.1 Gestión de cuencas Se admite generalmente que la unidad de gestión natural es la cuenca de los ríos. Es perfectamente lógico gestionar los recursos hídricos dentro de su cuenca y de una manera coordinada, habida cuenta de que el agua generalmente se usa varias veces en su movimiento desde las aguas de cabecera hasta la desembocadura del río. De igual modo, también es lógico gestionar todos los recursos naturales, la vegetación, los suelos, etc. dentro de la unidad de la cuenca. Las demandas de agua para la realización de las actividades humanas también deben gestionarse dentro de la cuenca de una forma integrada. Desgraciadamente, los límites políticos normalmente no coinciden con los límites de las cuencas. Los ríos a menudo cruzan fronteras internacionales, y pasan de un Estado a otro. En resumen, cerca de la mitad de la superficie de tierras se encuentra dentro de cuencas internacionales y más de 200 cuencas son de carácter internacional. 48.3.2 Fragmentación de la gestión Es frecuente que varios organismos o instituciones de un Estado o país tengan autoridad sobre diferentes aspectos de la gestión de los recursos hídricos. Los departamentos
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o ministerios de agricultura, energía, industria y salud pública a menudo tienen competencias que pugnan entre sí. También es frecuente encontrar ministerios del medio ambiente relativamente nuevos, que intentan definir y resolver los problemas de su competencia, jurisdicción y autoridad en relación con los temas de la contaminación, la conservación y la protección de los recursos, o la buena gestión del medio ambiente natural. Con mucha frecuencia, las redes de supervisión de un país o un Estado también están fragmentadas tanto política como institucionalmente. Incluso si se trata de un solo organismo, no se coordina la supervisión de la cantidad y la calidad. Las confusas responsabilidades y competencias institucionales en los países y los conflictos de las exigencias sobre el uso del agua entre los países (dentro de cuencas internacionales) plantean auténticos problemas para el establecimiento y el mantenimiento de redes de supervisión eficaces. En este complejo marco de filosofías de gestión del agua que cambian rápidamente, así como realidades políticas y socioeconómicas cambiantes, y cambios en la base de recursos, los sistemas de supervisión tienen que ser diseñados y puestos en funcionamiento. 48.4 Programas de datos sobre el agua 48.4.1 Evaluación de las necesidades de datos para el futuro El Informe de la Conferencia Internacional sobre el Agua y el Medio Ambiente (CIAMA) celebrada en Dublín (26-31 de enero de 1992) [2], ofrece una convincente evaluación de la importancia de los recursos hídricos para el medio ambiente del planeta y su economía. Sus planteamientos de políticas específicas recalcan de manera muy eficaz el papel que los servicios hidrológicos deben desempeñar en el logro de los objetivos relacionados con el desarrollo sostenible. La CIAMA abordó los siguientes temas: a) gestión y desarrollo integrados de los recursos hídricos; b) evaluación de los recursos hídricos e impactos del cambio climático en éstos; c) protección de los recursos hídricos, la calidad del agua y ecosistemas acuáticos; d) el agua y el desarrollo urbano sostenible; el abastecimiento de agua potable y el saneamiento de los centros urbanos; e) agua para una producción alimentaria y un desarrollo rural sostenibles, así como para el abastecimiento de agua potable y saneamiento en las zonas rurales; f) mecanismos de ejecución y coordinación en los niveles global, regional, y local. Es difícil prever el tipo de información que será necesario para satisfacer a largo plazo las necesidades planteadas en estas seis áreas. Quizá, las mejores ideas podrían obtenerse de un análisis de las recientes tendencias en la gestión del agua (sección 48.3). Como estos datos se recopilan para que sean usados por los gestores del agua, del gobierno o del sector privado, los cambios en la forma de gestionar el agua influirán en las demandas de datos e información.
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CAPÍTULO 48
Los impactos de estos cambios podrían incluir: a) una creciente competencia por el agua, que haría que se atribuyese un mayor valor a los suministros disponibles y, por último, una redefinición de bienes y servicios en términos de su contenido en agua (situación que podría agravarse por una disminución de la disponibilidad y la calidad del agua en muchas regiones); b) presiones económicas que obligarían a los usuarios a pagar mayores emolumentos, a participar en los costos así como a una financiación local de los programas del agua, con un concurrente cambio del énfasis que en la actualidad se pone en las actividades de desarrollo del agua y que pasaría a programas sobre el medio ambiente y gestión de la demanda; c) una mayor atención a la conservación y la reutilización del agua en todas las fases de desarrollo de los proyectos. En algunas regiones, el agua recuperada cuesta ahora menos que el suministro de agua dulce; d) una legislación sobre el medio ambiente diseñada para frenar y responsabilizar a los contaminadores y usuarios, respecto a los impactos de sus acciones en los suministros disponibles; e) una evolución de jurisprudencia para obligar a los usuarios y a los gestores del agua a justificar sus usos, necesidades y prácticas de gestión de una manera más rigurosa, y el probable incremento en la prioridad acordada para los usos medioambientales del agua (por ejemplo, para el ecosistema acuático) contra los usos económicos tradicionales (por ejemplo, agricultura e industria) en los procedimientos legales; f) dar mayor énfasis a la gestión del agua por cuenca y a escala internacional para resolver las cuestiones y los conflictos transfronterizos. Estas tendencias indican que para poder satisfacer las necesidades de los gestores del agua en el futuro será necesaria una mayor coordinación de los esfuerzos de recopilación de datos. La gestión del agua se está integrando cada vez más a otras disciplinas y especialidades, y por consiguiente, será necesario disponer de datos compatibles sobre cantidad y calidad del agua, agua superficial y subterránea, así como de cuencas y regiones específicas. Para poder atender estas necesidades, se requerirá resolver las cuestiones actuales en relación con la accesibilidad, la compatibilidad y la fiabilidad de los datos. La planificación integrada de redes de datos es esencial a fin de poder disponer de datos globales sobre el clima y los caudales para las cuencas en cuestión. Aunque la mayoría de los usuarios seguirá necesitando datos para los diseños y el análisis, se deberá prestar mayor atención a la necesidad de una información regional global sobre el agua superficial que pueda aplicarse a una gran diversidad de tipos de cuestiones y problemas relacionados con el agua. Esto significa información general, hojas y resúmenes informativos, mapas de agua superficial y precipitaciones, evaluaciones hidrológicas de cuencas y regiones, e información en relación con la evaluación de
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problemas del agua subterránea. El empleo de datos del agua en tiempo real seguirá creciendo para satisfacer numerosas necesidades. 48.4.2 Carácter y eficacia de las redes Un ejemplo de las tendencias es la red canadiense, que se gestiona a través de una serie de acuerdos federales-provinciales y que incluye 2 700 estaciones hidrométricas y 200 estaciones de sedimentos activos (más 3 100 estaciones hidrométricas y 600 estaciones de sedimentos desactivadas). Esta red y sus datos responden en gran medida a las necesidades de sus clientes para una serie de aplicaciones a la gestión de recursos, tanto económicas como ambientales. En este sentido, la red ha servido y seguirá sirviendo de apoyo para una gestión sostenible del agua a través de una amplia gama de aplicaciones de planificación, diseño y explotación del agua. No obstante, el valor de la base de datos se puede incrementar aún más desarrollando productos interpretativos que aborden las necesidades de información sobre el estado de los recursos hídricos y sus caracteres y tendencias. No obstante, se considera que la red canadiense actual es insuficiente para satisfacer las múltiples necesidades de gestión sostenible del agua. Una serie de evaluaciones recientes han puesto de relieve varias áreas en las que los datos son inadecuados. Por ejemplo, se necesitan más estaciones hidrométricas para definir las variaciones en la hidrología regional. En la actualidad, sólo existen alrededor de 500 estaciones con condiciones de caudales naturales y con la suficiente amplitud y calidad de datos registrados para las aplicaciones de hidrología regional. Estas estaciones no ofrecen una buena representación de las condiciones naturales a nivel de cuencas de todo Canadá. La mayoría de ellas están en las latitudes meridionales, lo cual ofrece pocas oportunidades de documentar y comprender los caudales naturales de las cuencas situadas en las latitudes intermedias y septentrionales. Ahora bien, la amplitud de los datos registrados y la cobertura espacial de estas estaciones son datos de entrada básicos para valoraciones hidrológicas de todo tipo, incluida la calibración de modelos hidrológicos y medioambientales. El informe de la CIAMA menciona la creciente urbanización como un importante problema para el desarrollo sostenible. No obstante, para los estudios de los impactos de la urbanización en los recursos hídricos, las cuencas urbanas equipadas son muy pocas y están desigualmente distribuidas. La red de vigilancia actual del transporte de sedimentos se encuentra en la misma situación. Si bien la mayoría de las estaciones canadienses se han establecido en asociación con proyectos de ingeniería (por ejemplo, la sedimentación de embalses) o con el fin de recopilar datos a largo plazo en lugares clave, estos datos se pueden usar para documentar el transporte de sedimentos a través de sistemas fluviales. Esta información es necesaria para la mayoría de cuestiones relativas al medio ambiente, como el transporte de contaminantes asociados con los sedimentos. No obstante, se
660
CAPÍTULO 48
necesita un mejor conocimiento del transporte de sedimentos a escala del sistema, y es necesario coordinar las actividades de supervisión de sedimentos a lo largo de los sistemas fluviales. Las estrategias de muestreo, la amplitud de los datos y la calidad de los registros deben ser compatibles para toda la cuenca. En resumen, las redes nacionales existentes, aunque producen los datos de entrada esenciales para una gestión sostenible del agua, necesitarán un constante ajuste para que puedan proporcionar información suficiente para abordar algunos de los problemas más acuciantes sobre el medio ambiente a los que se enfrentan los gestores de recursos hídricos. 48.4.3 Opciones de estrategias para las redes Además de tratar de mejorar la representatividad de las redes actuales de medición del agua superficial, los servicios hidrológicos deben desarrollar estrategias de supervisión más amplias. Para las cuencas seleccionadas, será necesario integrar las actividades de adquisición de datos hidrométricos a los programas de sedimentos, calidad del agua, meteorología y hábitat acuático (sección 20.1.4). Por ejemplo, los estudios de transporte de contaminantes asociados a los sedimentos precisan el conocimiento de la fuente, las trayectorias y el destino de las partículas finas. Para ello es necesario conocer el régimen de flujo y el régimen de los sedimentos. Tanto para la interpretación de las concentraciones como para calcular las cargas de contaminantes, esta supervisión integrada requiere una estrecha coordinación en todas las etapas desde la planificación hasta la elaboración de los informes. Se debe desarrollar una planificación integrada de redes de datos para maximizar la eficacia de todos los programas de investigación sobre el agua. Una serie de estudios recientes [3] intentan definir las necesidades de las redes desde perspectivas muy diferentes, y, en último lugar, coordinar los datos recopilados en base a la cuenca de manera que se pueda disponer de datos adecuados sobre el agua (es decir, precipitaciones, escorrentía, agua subterránea y calidad del agua) para satisfacer las necesidades futuras. Los programas de supervisión actuales se pueden ampliar mediante el empleo de estudios suplementarios. Por ejemplo, los estudios fluviales de fuentes de sedimentos y cambio morfológico [4, 5] suplementan los datos del programa regular para determinar el comportamiento del río. Este conocimiento, que no se puede obtener solamente de los estudios de supervisión, se está utilizando para la gestión de pesquerías, estudios de ingeniería fluvial y estudios de calidad del agua. A otra escala diferente, las consideraciones de la calidad del agua son cada vez más importantes para el diseño del saneamiento urbano. Para que los datos puedan ser útiles el diseño de programas de supervisión adecuados debe incluir el muestreo a cortos intervalos, la precipitación integrada y la supervisión de la escorrentía, así como los tiempos de respuesta extremadamente rápidos. Estas difieren bastante de las condiciones cubiertas por los procedimientos normales de supervisión.
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El uso de modelos informáticos es una estrategia adicional para ampliar la información derivada de las actividades de supervisión del agua. En ciertas circunstancias, los diseños de las redes de supervisión se pueden mejorar mediante el uso de modelos. 48.5 Conclusiones Los servicios hidrológicos tienen un papel muy importante que desempeñar en materia de datos e información necesarios para la comunidad hidrológica. Para poder maximizar el uso y los beneficios de estos servicios, los datos deben ser suficientes, fiables y accesibles a los usuarios. Uno de los mayores problemas es que muchas veces no hay datos disponibles para una cuenca específica de interés. Los datos meteorológicos a menudo son incompatibles con los registros de caudal disponibles en términos de temporización y emplazamiento. Los procedimientos de planificación de redes integradas podrían identificar las oportunidades para el diseño y el funcionamiento de redes coordinadas. De esta manera, se podrían elaborar series de datos compatibles y se podrían desarrollar procedimientos operativos más eficaces. Además, se podrían identificar mejores métodos para realizar la transposición y la transferencia de datos, y desarrollarse para aplicaciones hidrológicas. Es posible que las incompatibilidades de las series de datos entre organismos, regiones y países no puedan ser resueltas a corto plazo, pero las series de datos resumidas que incorporan los parámetros más aplicados, como las precipitaciones y la escorrentía, serían muy útiles para que se puedan aprovechar mejor los datos con fines hidrológicos. Este capítulo ha destacado la necesidad de enfoques holísticos y filosofías de gestión verdaderamente integradas. Para los organismos nacionales, adaptarse a estas nuevas formas de pensar va a suponer un enorme reto, pero será absolutamente imprescindible para que el desarrollo de los recursos hídricos llegue a ser sostenible. Referencias 1. Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza y sus Recursos/ Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente/Fondo Mundial en favor de la Naturaleza, 1991: Caring for the Earth: A strategy for Sustainable Living, Gland, Suiza. 2. Naciones Unidas, Conferencia Internacional sobre el Agua y el Medio Ambiente: El desarrollo en la perspectiva del siglo XXI, 26-31 de enero de 1992, Dublín, Irlanda. 3. Perks, A. R., y otros., 1989 : New Brunswick Hydrometric Network Evaluation: Summary Report. Environment, Canada and New Brunswick Department of Municipal Affairs and Environment, Dartmouth, Nova Scotia. 4. Church, M. A., Kellerhals, R. et Day, T. J., 1989 : Regional clastic sediment yield in British Columbia. Canadian Journal of Earth Sciences, volumen 26, N° 1, págs. 31-45.
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CAPÍTULO 48
5. Carson, M. A., 1987 : An Assessment of Problems Relating to the Source, Transfer and Fate of Sediment Along the Mackenzie River, NWT. Internal Report, Water Resources Branch, Environment Canada.
CAPÍTULO 49 CALIDAD DEL AGUA Y PROTECCIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS
49.1 Generalidades Los proyectos de recursos hídricos se deben diseñar y gestionar de manera que cumplan las normas de calidad del agua y eviten los efectos perjudiciales en la calidad del agua río abajo. Existe una estrecha relación entre las características cuantitativas de una masa de agua y su calidad. Como los proyectos de recursos hídricos en general alteran las características cuantitativas de la masa de agua concernida, es posible hacer estimaciones de los cambios en la calidad del agua, si esa relación se comprende y se define bien. Desgraciadamente, estas relaciones son muy complejas, y sólo en muy contadas ocasiones, se dispone de los datos necesarios para definirlas. Por esta razón, tras la terminación de un proyecto, generalmente sólo se pueden hacer estimaciones aproximadas. Los modelos de calidad del agua pueden contribuir a reducir la magnitud del problema, pero la correcta calibración y validación de estos modelos precisa un período relativamente largo de observaciones simultáneas de la cantidad y la calidad del agua, además de otros datos sobre proyectos existentes. En la Conferencia Internacional sobre el Agua y el Medio Ambiente: El Desarrollo en perspectiva del Siglo XXI [1], las Naciones Unidas recomiendan una serie de acciones para proteger la calidad del agua y los ecosistemas acuáticos asociados. 49.2 Relación entre la cantidad y la calidad del agua 49.2.1 Arroyos y ríos Una significativa proporción de las variaciones de la calidad del agua de un río puede estar relacionada con las variaciones de su caudal. Los efectos de los cambios de caudal de un río en las concentraciones y cargas de sustancias son numerosos, y pueden interactuar entre sí. Un incremento de caudal de un río generalmente conduce a: a) una dilución de los contaminantes que entran con el agua residual; b) un incremento en los sólidos en suspensión procedentes de la escorrentía superficial y de la perturbación de los sedimentos del fondo; c) una liberación de los materiales adsorbidos por los sedimentos o precipitados (por ejemplo fosfatos, metales pesados); d) un incremento en la demanda de oxígeno bioquímico causado por la agitación de las sustancias reductoras del lecho del río;
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CAPÍTULO 49
una disminución de la relación entre agua subterránea y escorrentía superficial en el caudal del río que generalmente conduce a una disminución del Ph; f) un lavado de los microorganismos bénticos, y una reducción en la concentración de los microorganismos acuáticos y en el tiempo de residencia g) una atenuación de los efectos ocasionados por las súbitas entradas de contaminantes; h) una reducción de la absorción de la radiación solar y la disminución asociada de la actividad fotosintética; y i) una mayor turbulencia y una mejor aereación. La secuencia y el tiempo de incidencia de fuertes caudales son factores críticos para la magnitud de muchos de estos efectos. Una segunda crecida que se presenta poco tiempo después de la primera, puede contribuir poco a los efectos de la primera crecida. El deshielo y la lluvia tras un largo período de congelación pueden conducir a una súbita afluencia de sales procedentes del deshielo de las carreteras y puede provocar importantes concentraciones máximas de sodio y cloro a pesar del aumento del caudal. El uso de la tierra, la cubierta del suelo y otras características de la porción de la cuenca en que se origina la escorrentía que genera la crecida, son otros factores que afectan la magnitud de los cambios en la calidad del agua ocasionados por caudales altos. Cuando el aumento del caudal de un río resulta en una importante ocupación de la planicie de inundación, se pueden producir una serie de efectos adicionales en la calidad del agua. Los más significativos de estos efectos son los siguientes: a) una atenuación de la crecida relacionada con un almacenamiento adicional en el valle y en la orilla, que conduce a una reducción general de los efectos del aumento de caudal; b) un incremento de la relación superficie – volumen de agua, que favorece la absorción de la radiación solar y la actividad fotosintética; c) una reducción de la velocidad de la corriente en la planicie de inundación, que conduce a una disminución de la reaereación y a una deposición de los sólidos en suspensión fuera del canal fluvial principal; d) un intenso contacto con el sedimento anteriormente depositado, con diferentes tipos de estructuras del suelo, depósitos, etc., que pueden contaminar el río. Los períodos de estiaje generalmente conducen a efectos contrarios a los que se originan por los incrementos de caudal. Además, los períodos de poca agua a menudo van acompañados por una variación diurna relativamente alta en las características de la calidad del agua, como el oxígeno disuelto, el dióxido de carbono, el Ph y la temperatura. En climas áridos, es importante el efecto de la evaporación en la concentración de las diferentes sustancias disueltas en el agua. En climas fríos, los períodos de estiaje en invierno también pueden ser períodos de déficit de oxígeno, cuando la capa de hielo interfiera con el proceso de reaereación.
CALIDAD DEL AGUA Y PROTECCIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS
665
49.2.2 Grandes lagos y embalses La estratificación térmica se debe a factores naturales. No obstante, la contaminación térmica puede ser un elemento que contribuya a este fenómeno (sección 49.5.4). La siguiente figura muestra un perfil representativo de la estratificación estival en un gran embalse de almacenamiento. La estratificación térmica corresponde, particularmente en los lagos ricos en nutrientes, a la estratificación del oxígeno disuelto y, con frecuencia, a la estratificación de las demás sustancias disueltas. El epilimnion o capa superior de agua, que es más cálida en verano, generalmente tiene mejor calidad de agua. En esta capa superior de agua, cabe esperar una reducción del contenido de silicatos posterior a los incrementos en diatomeas, y una disminución de la dureza originada por entradas directas del agua de las precipitaciones. El hipolimnión, es decir la capa más profunda de agua, más fría en verano, tiene una concentración de oxígeno disuelto reducida. En esta capa se acumulan diferentes sustancias debido a la deposición sobre el fondo, la adsorción sobre los sedimentos y la ingestión por organismos vivos. En el hipolimnión se puede producir una descomposición anaeróbica de las algas y otros organismos. Cabe esperar que el hipolimnión muestre tendencias a incrementar la concentración de amoníaco y sulfuro de hidrógeno, a reducir la concentración de nitratos y sulfatos, a acumular sedimentos y, en algunas ocasiones, metales pesados, así como a incrementar periódicamente la concentración de hierro, manganeso y fosfatos. Durante inversión térmica originada por el enfriamiento estacional de la capa superficial del lago, se produce una circulación convectiva que da lugar a la mezcla de sustancias y a que se establezca una temperatura uniforme.
Presa
Superficie del agua
Epilimnión
30 °C
Termoclina
10 °C a 30 °C
Hipolimnión
10 °C
Afluente
7,5 °C
Perfil representativo que muestra la estratificación estival en un gran embalse de almacenamiento de una presa de gran altura
666
CAPÍTULO 49
Además de los efectos antes mencionados, es probable que: a) en grandes lagos y embalses, la materia orgánica se biodegrade en gran medida debido al prolongado tiempo de residencia; b) que las variaciones en la calidad del agua se vean atenuadas por la misma razón; c) que las algas desencadenen la formación de sustancias quelantes y halocarburos. 49.3
Efectos de los proyectos de recursos hídricos en la calidad del agua de arroyos y ríos 49.3.1 Presas y diques El aumento de los niveles de agua río arriba en una presa, y en menor medida en un dique, generalmente tiene los siguientes efectos en la calidad del agua del tramo aguas arriba del río: a) intensificación de los procesos de autodepuración debido al aumento del tiempo de residencia en el tramo y a una mayor deposición de sólidos en suspensión, que resulta en un aumento de la absorción de radiación solar y en cambios en las características de los sedimentos del lecho del río; b) esto, a su vez, conduce a un aumento en la producción de fitoplanctón, a un mayor consumo de oxígeno, y a un aumento en las fluctuaciones entre las cantidades diurnas y nocturnas de oxígeno, el Ph y el dióxido de carbono. La migración de los peces se ve perturbada por la barrera física y por los cambios en la calidad del agua. Los cambios en la vegetación de la orilla, que dependen de la topografía local, el clima y la variación en el nivel del agua, también pueden afectar la calidad del agua. En climas fríos, las presas y los diques crean condiciones favorables para un aumento de la duración de la capa de hielo aguas arriba. Esto conduce a una disminución de la reaereación. Otros efectos adicionales en los casos de grandes volúmenes de almacenamiento, pueden ser consecuencias de la estratificación térmica. La mayor contaminación retenida en el tramo aguas arriba puede conducir a una eutrofización o a que se produzcan condiciones anaeróbicas (sección 49.5.1). Los efectos de una presa o un dique en la calidad del agua del tramo aguas abajo depende del volumen de almacenamiento aguas arriba y del diseño y funcionamiento de la presa, así como de otros factores. Los efectos más importantes son: a) reducciones en la carga de sólidos en suspensión, en la carga de contaminación y en la turbidez; b) cambios en las características químicas del agua (generalmente una menor concentración de oxígeno y nitratos disueltos, y aumentos de fosfato, dióxido de carbón y sulfuro de hidrógeno, se produce este último especialmente cuando prevalecen las condiciones anaeróbicas aguas arriba); c) disminuciones de la temperatura del agua en verano, aumento de la temperatura en invierno;
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d) reducciones de la fluctuación entre temperatura diurna y nocturna a la que están adaptados la flora y la fauna del río. 49.3.2 Obras de regulación del río La regulación del río generalmente implica labores de profundización y enderezamiento del cauce del río para diversos fines (navegación, control de inundaciones, mejoramiento del uso de la tierra y protección contra la erosión) y, por consiguiente, origina cambios en las características geométricas e hidráulicas del cauce del río y, en algunos casos, en la planicie de inundación. La preparación fluvial con fines de navegación generalmente implica la construcción de diques y esclusas. Además de los efectos de los diques (sección 49.3.1), los trabajos de preparación y el funcionamiento de los canales de navegación conducen a un aumento de la turbidez y de la mezcla del agua y la aereación como resultado de los efectos mecánicos del movimiento de las embarcaciones. Por otra parte, las embarcaciones son una fuente de contaminación permanente y accidental. En otros casos, los trabajos de preparación del río originan una reducción de los procesos de autodepuración debido a que el enderezamiento de las orillas elimina las zonas de agua estancada que sirven tanto de áreas de autodepuración como de medio favorable para el desarrollo de la vida animal y vegetal. La reducción de la relación entre superficie y volumen conduce a una reducción en la absorción de radiación de solar y en la reaereación. La reducción de la reaereación puede ser parcialmente compensada cuando la preparación del río da lugar a un aumento de las velocidades del agua. 49.3.3 Reducción y aumento de caudal Además de los efectos de regulación del cauce de las presas, muchos de los proyectos de recursos hídricos comprenden reducciones en el caudal aguas abajo por desviaciones para fines de abastecimiento de agua, o un aumento de las entradas de agua procedentes de fuentes externas a la cuenca. Cuando el agua extraída se somete a tratamiento y el lodo y los residuos resultantes se devuelven al río donante, o cuando se desvía el agua desde las partes menos contaminadas de la sección transversal del río, los efectos de la desviación son equivalentes a una reducción de caudal o a una entrada de contaminación (sección 49.5). El vertido de lodos y residuos normalmente está sujeto a un control a través de requisitos legales sobre la calidad de los efluentes. Los efectos del aumento de caudal dependen sobre todo de la calidad del agua adicional en comparación con la del agua del río. Una adición de agua de inferior calidad es equivalente a una entrada de contaminación.
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CAPÍTULO 49
49.4
Efectos de los proyectos de recursos hídricos en la calidad del agua en grandes lagos y embalses Los proyectos de recursos hídricos pueden mejorar o degradar la calidad del agua en los grandes lagos y embalses. Un proyecto de este tipo que incluya la extracción de agua con una calidad superior a la media (por ejemplo, del epilimnión) generalmente empeora la calidad del agua en el lago, al igual que si se introduce en el lago o el embalse agua de calidad inferior a la acostumbradas. La calidad del agua en un gran embalse depende, en gran medida, de las características del terreno que se ha inundado y del tratamiento que se aplique. Si el futuro fondo del embalse está cubierto por un suelo rico en contenido orgánico (humus), éste es lavado una vez llenado el embalse y se produce una eutrofización acelerada (sección 49.5.1). Esto se puede evitar retirando la vegetación y el suelo antes de inundar, lo cual es una operación muy costosa. 49.5
Cambios en la calidad del agua debido a la contaminación
49.5.1 Eutrofización Una de las formas más comunes de contaminación se produce por excesivas concentraciones de nutrientes de las aguas residuales urbanas o de la escorrentía rural. Esto generalmente resulta en un excesivo desarrollo de las poblaciones de algas, especialmente en zonas de baja velocidad del agua, e importantes reducciones o incluso la desaparición de un determinado número de especies vegetales y animales. Este proceso se conoce con el nombre de eutrofización. La eutroficazión es un proceso natural que marca la maduración y el envejecimiento de los lagos. No obstante, en condiciones en que no interviene la actividad humana, este proceso puede tardar cientos o miles de años, según el tamaño del lago, las condiciones hidrológicas, y la capa de tierra en la cuenca. La civilización es responsable de la eutrofización acelerada en un gran número de lagos en todo el planeta. El problema de la eutrofización y sus factores causativos supone un enorme problema para la calidad del agua. A pesar de habérsele dedicado un amplio trabajo de investigación, aún no se ha podido explicar cuantitativamente el proceso de enriquecimiento de nutrientes y el crecimiento de las algas u otros procesos de eutrofización. Los informes señalan que para el crecimiento de las algas son esenciales los siguientes elementos: B, C, Ca, Cl, Co, Cu, Fe, H, K, Mg, Mn, Mo, N, Na, P, S, V y Zn. Aunque una deficiencia de cualquiera de estos elementos puede limitar el crecimiento, el nitrógeno y el fósforo son los que muestran mayores probabilidades de limitar el crecimiento de las algas en aguas naturales. Algunos países tratan de detener el avance de la eutrofización prohibiendo el uso de compuestos fosforosos en los detergentes e introduciendo procesos de tratamiento para extraer el fósforo y el nitrógeno.
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Los efectos de la eutrofización se reflejan en la aparición de asombrosos cambios en el ecosistema acuático correspondiente. Un medio ambiente extremadamente contaminado tiene pocas especies. Cuando la contaminación se debe a sustancias tóxicas, el número de individuos que sobreviven en cada especie es pequeño, algunas veces muy pequeño, y cuando la contaminación se debe sobre todo a los nutrientes, aunque el número de especies es pequeño, el número de individuos en cada especie es grande. 49.5.2 Materia orgánica y autodepuración Una gran cantidad de las sustancias contaminantes de origen urbano, industrial, y en particular agrícola se componen de materia orgánica. En las aguas naturales se produce una serie de fenómenos que tienden a transformar esta materia orgánica en una materia inorgánica más o menos inocua. Este fenómenos se conoce con el nombre de proceso de autodepuración. Los microorganismos reciclan parte de esta materia y generan una contaminación orgánica secundaria. Para que la degradación biológica que produce la autodepuración pueda tener lugar, es preciso que las sustancias orgánicas disueltas en el agua se adsorban y se concentren sobre la superficie de las partículas sólidas. La adsorción puede tener lugar en las partículas sólidas presentes en el fondo del río, las orillas y los macrofitos, y sobre los sólidos en suspensión. La mayor parte de la degradación biológica está asociada al consumo de oxígeno, que es el factor esencial en el proceso de autodepuración. Cuando el consumo de oxígeno en el agua se produce con tanta rapidez que supera la velocidad con la que es restituido por la aereación o por las actividades biológicas generadoras de oxígeno, se rebase la capacidad de autodepuración aeróbica de la masa de agua. Esto sucede cuando existe una o varias de las siguientes condiciones: a) una carga de materia orgánica demasiado grande; b) los procesos de degradación biológica se aceleran por ciertos factores como el aumento de la temperatura; c) la reposición del oxígeno puede verse disminuida por una estratificación térmica, por la presencia de una capa de hielo, o por otras causas. Cuando se rebasa la capacidad de autodepuración, la descomposición de la materia orgánica generalmente continúa en condiciones anaeróbicas. Esto interfiere con muchos usos de la masa de agua. El uso del agua con fines recreativos y para la pesca es imposible en estas condiciones, y puede ser mucho menos deseable para otros usos, como fuente de suministro de agua. 49.5.3 Adsorción y acumulación de contaminantes Sobre los sólidos en suspensión orgánicos e inorgánicos se produce la adsorción de algunas sustancias nocivas. Cuando estos sólidos en suspensión se asientan sobre el lecho del río, las sustancias nocivas desaparecen temporalmente del agua. Los
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CAPÍTULO 49
microorganismos también son capaces de concentrar, a través de procesos bioquímicos, una serie de contaminantes orgánicos e inorgánicos. Por ejemplo, la concentración de algunos pesticidas en los microorganismos alcanza niveles hasta 300 000 veces superiores a los encontrados en el medio ambiente acuático correspondiente. No obstante, debido a los procesos físicos y biológicos, las sustancias adsorbidas y acumuladas por los microorganismos pueden regresar posteriormente a la masa de agua en solución o en forma de partículas. La concentración de contaminantes por los microorganismos es de particular importancia porque éstos son el punto inicial de la cadena alimenticia y pasan de un nivel de organismo a otro en concentraciones cada vez mayores. Este proceso es responsable del envenenamiento con mercurio relacionado con la conocida enfermedad llamada minemata. 49.5.4 Contaminación térmica La contaminación térmica se define como un incremento de la temperatura de una masa de agua por encima del nivel natural que se origina por el vertido de aguas residuales industriales o urbanas; en especial, el agua de refrigeración. Los efectos de la contaminación térmica en la calidad del agua son complejos y están relacionados con los efectos que provocan las altas temperaturas en la viscosidad del agua, así como con una disminución de la capacidad de disolver el oxígeno y un aumento de la actividad química y biológica. La contaminación térmica también puede ser un factor que contribuye a la estratificación térmica. Debido a la contaminación térmica se prolonga el período de productividad biológica, lo que significa un incremento de la carga de contaminación orgánica. Además, algunas especies de algas verdes son reemplazadas por algas azul-verdes que transmiten al agua características indeseables de olor, sabor y toxicidad. Como ya se mencionó, los procesos de autodepuración se aceleran con las altas temperaturas, y por consiguiente, con la contaminación térmica, en la medida en que se puedan producir ocasionalmente déficits pronunciados de oxígeno. En invierno, la contaminación térmica retarda la formación del hielo, y esto aumenta la posibilidad de reaereación. 49.6
Medidas para reducir los efectos de la contaminación en la calidad del agua Estas medidas esencialmente se pueden agrupar en dos amplias clases: las preventivas y las correctivas. Siempre que sea posible, es mejor aplicar las medidas preventivas. 49.6.1 Medidas preventivas Las medidas preventivas consisten en eliminar los contaminantes de las aguas residuales, cambiar los procesos industriales para reducir los residuos, cambiar la composición
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química de determinados productos industriales (como la eliminación de los compuestos fosforados de los detergentes), reducir la refrigeración artificial de las aguas residuales industriales, etc. Si la contaminación tiene su origen en la materia arrastrada por la escorrentía desde la superficie de la cuenca de un río (por ejemplo, pesticidas y herbicidas, fertilizantes, los residuos urbanos no controlados), la contaminación se puede reducir al cambiar las prácticas que conducen a la propagación indiscriminada de contaminantes en la cuenca del río y al adoptar medidas que reduzcan la escorrentía y la erosión del suelo. La erosión del suelo da lugar a una importante contaminación. Su prevención exige una explotación forestal y prácticas de construcción y agrícolas adecuadas. Por último, la contaminación originada por las filtraciones desde vertederos de basuras puede ser muy importante a nivel local. Esto se puede evitar si se ubican y diseñan adecuadamente estos vertederos. 49.6.2 Medidas correctivas Reducir la contaminación en las masas de agua una vez que los contaminantes han llegado a ellas es generalmente difícil y costoso. En la mayoría de los casos, sólo se puede tratar el agua desviada de la masa de agua para diferentes usos (por ejemplo, suministro de agua doméstico o industrial). No obstante, en circunstancias especiales, se puede hacer algún trabajo para mejorar toda la masa de agua. Este tipo de trabajo consiste, en el caso de ríos, en una reaereación (oxigenación) artificial o en una mezcla y dragado de los contaminantes asentados; y en el caso de lagos y embalses, en las siguientes medidas: a) vaciar periódicamente el lago durante el período comprendido entre finales del otoño y principios de la primavera para intentar exponer la materia orgánica directamente al aire y permitir su descomposición aeróbica; b) dragar el fondo del lago en las zonas que contengan la mayor parte de la materia orgánica y contaminante; c) reaereación forzada con aire comprimido en las capas carentes de oxígeno; d) recoger y eliminar la materia orgánica producida en forma de floraciones algáceas, peces no deseables, etc. Referencias 1. Naciones Unidas, 1992: Conferencia Internacional sobre el Agua y el Medio Ambiente: El desarrollo en la perspectiva del Siglo XXI, 26-31 de enero de 1992, Dublín, Irlanda.
CAPÍTULO 50 EVALUACIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS
50.1 Generalidades El agua, como el aire que respiramos, es una necesidad básica para toda la vida sobre la Tierra. Es un elemento vital para muchos aspectos del desarrollo económico y social, como la producción de energía, la agricultura y el suministro doméstico e industrial de agua; y constituye un componente crítico del medio ambiente global. Existe una concienciación cada vez mayor de que el desarrollo, incluido el de los recursos hídricos, debe ser sostenible, lo que implica que los recursos naturales del mundo se deben explotar y conservar de manera que se puedan satisfacer las necesidades de las generaciones actuales y futuras (capítulo 48). Necesidad de una evaluación de los recursos hídricos 50.2 La evaluación de los recursos hídricos (ERH) es la determinación de las fuentes, la extensión, la seguridad, y la calidad de los recursos hídricos, que es la base para evaluar las posibilidades de su utilización y control [1]. Esta evaluación es de vital importancia para una gestión acertada y sostenible de los recursos hídricos del planeta. Son varias las razones que podemos citar para que sea así, entre otras [2]: a) el crecimiento demográfico mundial está originando demandas cada vez mayores de agua para la alimentación, la producción alimentaria, la higiene y otras necesidades sociales y económicas básicas, pero los recursos hídricos del planeta son finitos. La creciente demanda ha alcanzado su límite en algunas zonas y, en los próximos 20 años, llegará al límite en muchas otras zonas, mientras que antes de que acabe el próximo siglo, los recursos hídricos del planeta se habrán consumido totalmente si continúan las tendencias actuales; b) las actividades humanas se intensifican y diversifican, y tienen un impacto cada vez mayor y más evidente en los recursos naturales que reducen y contaminan. Este es particularmente el caso del agua, cuya calidad para muchos de sus usos puede verse severamente degradada por la contaminación de una amplia gama de productos químicos, microorganismos, materiales radiactivos y sedimentos, y por cambios físicos; c) los peligros naturales asociados con el agua, como las inundaciones, las sequías y los ciclones tropicales figuran entre los más destructivos para la vida humana
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CAPÍTULO 50
y la propiedad, y han sido responsables de la muerte y la más absoluta miseria de millones de personas en toda la historia de la humanidad. La deforestación y la urbanización, en particular, han exacerbado los peligros de inundación, aumentando la magnitud y la frecuencia de estos fenómenos; d) hay una mayor concientización de que el clima del planeta no es constante y, de hecho, es muy probable que pueda ser modificado por la actividad humana. Aunque el anunciado aumento de la temperatura global del planeta, debido al calentamiento inducido por los gases causantes del efecto invernadero ha sido ampliamente difundido, los efectos más importantes quizá se producirán en la distribución de las precipitaciones, la escorrentía y la recarga del agua subterránea. No hay razones para suponer que los futuros patrones de estos fenómenos sigan siendo los mismos que en el pasado. La única manera de tomar decisiones acertadas para una mejor gestión del agua es disponer de datos e información fiables sobre el estado y las tendencias de los recursos hídricos, incluidos la cantidad, la calidad, las estadísticas sobre fenómenos como las crecidas y el uso para fines humanos. En gran medida, la evaluación de los recursos hídricos es un requisito previo para todos los aspectos de su desarrollo y gestión. Este hecho ha sido reconocido por la Conferencia del Agua celebrada por Naciones Unidas en Mar del Plata en el año 1977, a través de la Resolución 1 y la Recomendación A del Plan de Acción de Mar del Plata [3] que recalcó la necesidad de disponer de un mayor conocimiento sobre la cantidad y la calidad del agua superficial y de los recursos de agua subterránea, además de una supervisión global para guiar la explotación de estos recursos. Asimismo, la Conferencia Internacional sobre el Agua y el Medio Ambiente celebrada en Dublín (26-31 de enero de 1992) recomendó una serie de acciones en apoyo a una evaluación nacional de los recursos hídricos [4]. 50.3 Usos de la información sobre los recursos hídricos Se han establecido servicios hidrológicos o hidrometeorológicos, u organismos relacionados en diferentes países para la recopilación, el archivo y la difusión sistemáticos de datos sobre los recursos hídricos (capítulos 21-25). Su principal papel es ofrecer información a los encargados de tomar decisiones sobre el estado y las tendencias de los recursos hídricos. Esta información puede ser necesaria a efectos de [2]: a) evaluar los recursos hídricos de un país (cantidad, calidad, distribución en tiempo y espacio), el potencial para el desarrollo relacionado con el agua, y la capacidad del suministro para satisfacer la demanda real y prevista; b) planificar, diseñar y realizar proyectos relacionados con el agua; c) evaluar los impactos medioambientales, económicos y sociales de las prácticas existentes y propuestas de gestión de los recursos hídricos, y planificar buenas estrategias de gestión;
EVALUACIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS
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d) reforzar las medidas de seguridad para las personas y la propiedad contra los peligros relacionados con el agua, particularmente las inundaciones y las sequías. En general, la información sobre los recursos hídricos se recopila para un fin específico, como el diseño de una planta hidroeléctrica. No obstante, la creciente competencia que existe entre los usuarios por la escasa agua exige que los recursos sean explotados de manera integrada, a fin de que se pueden comprender las interacciones entre diferentes proyectos y usuarios. Esto aumenta mucho más la responsabilidad de los suministradores de esta información debido a la necesidad de disponer simultáneamente de una variedad de diferentes tipos de información, y tiene que presentarse de diferentes formas para los distintos usuarios, por lo tanto, es esencial que los organismos evaluadores comprendan las necesidades de todos los usuarios, y no sólo de aquéllos con los que tradicionalmente han tratado. La necesidad de anticipar las necesidades de los futuros usuarios de datos y de comenzar a recopilar la información antes de que pueda probarse con certeza la existencia de una demanda real es incluso más apremiante. Por consiguiente, se hace necesario que exista una coordinación en el diseño y la actualización de las redes de adquisición de datos, sobre todo las estaciones principales, para asegurar que las estaciones dedicadas a supervisar los diferentes elementos del ciclo del agua estén lo suficientemente relacionadas, tanto en número como en emplazamiento, para lograr una red integrada (secciones 20.1.4 y 48.4). Un enfoque de este tipo ampliaría el contenido de la información de las series de datos para atender las necesidades futuras, conocidas o imprevistas. Con el creciente reconocimiento de problemas como la posibilidad del cambio climático global y los impactos de actividades humanas en el medio ambiente, como la urbanización, existe una creciente necesidad de la información requerida como base del desarrollo y la gestión sostenibles de los recursos hídricos. 50.4 Tipos de información relativa a los recursos hídricos La diversidad de los posibles usos de la información sobre los recursos hídricos implica la existencia de una considerable gama de tipos de datos. La información convencional sobre los recursos hídricos comprende las estadísticas de una variedad de elementos meteorológicos e hidrológicos. Entre estos elementos figuran [2]: a) precipitaciones, por ejemplo cantidad de lluvias, nieve y niebla-humedad condensada; b) niveles y caudales fluviales, así como niveles en lagos y embalses; c) niveles de agua subterránea; d) evapotranspiración; e) concentraciones y cargas de sedimentos en los ríos; f) calidad (bacteriológica, química y física) del agua superficial y del agua subterránea. Las estadísticas incluyen: a) valores medios anuales, mensuales o estacionales;
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CAPÍTULO 50
b) máximos, mínimos y percentiles seleccionados; c) mediciones de variabilidad, como la desviación típica; d) registros continuos en forma de hidrograma de caudal fluvial, por citar un ejemplo. Se requieren datos tanto históricos como de tiempo real para cubrir toda la gama de necesidades, desde la planificación de recursos hídricos hasta el diseño de proyectos y el aviso de inundación. La predicción de inundaciones o caudales bajos (capítulo 44) puede precisar una sintetización de los datos para el futuro, empleando modelos numéricos de circulación de flujo (capítulo 34). El manual de la OMM/UNESCO titulado Evaluación de Recursos Hídricos: Manual para un estudio de apreciación de las actividades nacionales [1] reconoce una serie de tipos de proyectos de recursos hídricos para los cuales se precisa información hidrológica, que se indican en la Tabla de la página siguiente. Además de las mediciones más convencionales, existe un creciente reconocimiento de la necesidad de medir otros aspectos del medio ambiente del agua dulce y de un medio ambiente aún más amplio en el que el agua dulce es sólo un componente. Estos incluyen: a) los volúmenes de agua necesarios para uso industrial, doméstico y agrícola, y para la navegación, que son actualmente importantes modificadores del ciclo hidrológico en numerosas cuencas; b) clasificación de los ríos relacionados con los usos que se hacen, como hábitat de peces de agua dulce o agua con fines de recreación; c) características de las cuencas hidrográficas que puedan estar relacionadas con la hidrología, como patrones de vegetación, humedad del suelo, topografía, y características de acuíferos; d) estado del medio ambiente, como la eutrofización de los lagos y el impacto en el agua dulce natural y los ecosistemas de estuarios. En total, estos aspectos implican una amplia gama de datos e información relacionados con el agua que posiblemente se pedirá a los servicios hidrológicos y demás organismos asociados que recopilen y archiven. Cada país tiene sus propias prioridades que dependen de su nivel de desarrollo económico y social, de la sensibilidad de sus medios ambientes naturales frente a las perturbaciones causadas por la actividad humana, y de la naturaleza del medio ambiente físico en sí, por ejemplo, el clima, la topografía y la abundancia o escasez de agua. Son varios los requisitos fundamentales que debe cumplir un programa eficaz de evaluación de recursos hídricos: a) recopilar datos de alta calidad que permitan un análisis estadístico seguro; b) los datos y la información que estos programas proporcionen deben corresponder a las necesidades de los usuarios; c) debe ser un programa integrado de observación integrada, en el que se realicen las mediciones de distintas variables de forma simultánea, para que ofrezca el máximo valor total;
Información hidrológica necesaria para los proyectos referentes a recursos hídricos Proyecto
Sedimentos Calidad del agua* Series Máx. Min. Series Máx. Min.
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H = Alto nivel de prioridad; M = Nivel medio de prioridad * Los parámetros de la calidad del agua son diversos y dependen del tipo de proyecto
H
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Redistribución del agua (derivación, obras de agua, caudales) Redistribución del agua en el tiempo (embalses) Producción de energía (energía hidro-eléctrica, dispositivos de enfriamiento) Embalses de agua (presas, diques) Aliviaderos (vertederos) Mejoras en la calidad (tratamiento del agua y de las aguas residuales) Repartición (llanura inundable, ríos panorámicos) Seguros (el daño ocasionados por el agua, contaminación) Predicciones de caudales y niveles (control de crecidas, reservas) Normas y legislación (calidad de agua)
Nivel del agua Caudal Series Máx. Min. Series Máx. Min.
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CAPÍTULO 50
d) se debe disponer de otras formas de información que sean compatibles con la información de los recursos hídricos y que se puedan analizar con esta información; e) se necesita un sistema eficaz para archivar y difundir los datos a fin de asegurar que no se pierdan, ni se corrompan, y que estén disponibles en una forma que permita su análisis (capítulos 24 y 25). Los requisitos antes mencionados se pueden cumplir a través de la aplicación de nuevas tecnologías (como la telemetría, para obtener los datos en tiempo casi real); el archivo y el procesamiento de los datos con ordenadores personales; la teledetección para recopilar información zonal con mayor eficacia, y sistemas de información geográfica (sección 40.7) con objeto de ofrecer un medio para analizar los datos espaciales. Al mismo tiempo, los nuevos dispositivos de almacenamiento por microordenadores (es decir, los discos ópticos) permiten entregar los datos con mayor facilidad. No obstante, no sólo se necesita la tecnología; un personal capacitado y bien dirigido es incluso más importante. A medida que los recursos financieros disminuyen cada vez más en muchos países, se va haciendo más vital la puesta en marcha de estructuras organizativas eficaces para asegurar que estos recursos sean usados con la mayor eficacia. 50.5 Componentes de un programa de evaluación de recursos hídricos Para permitir una evaluación preliminar de los recursos hídricos disponibles, que pueda servir de base para los planes nacionales o regionales a largo plazo, este tipo de programa implica la recopilación y el procesamiento de los datos hidrológicos e hidrogeológicos existentes, además de los datos auxiliares necesarios para su interpolación zonal. Estos planes deben estar basados en las necesidades de agua actuales y futuras, o ajustarse a estas necesidades. En la figura que sigue se indican los componentes de un programa de evaluación de recursos hídricos que, básicamente, consisten en lo siguiente [1]: a) recopilación de datos hidrológicos – recopilación de datos históricos sobre los componentes de los ciclos del agua en un determinado número de puntos distribuidos en la zona de estudio; b) recopilación de datos fisiográficos – obtención de datos sobre las características naturales del terreno que determinan las variaciones espaciales y temporales de los componentes de los ciclos del agua, como la topografía, los suelos, la geología de la superficie y de las rocas del lecho, el uso de la tierra y la vegetación. Para resumir, estos datos se denominan características fisiográficas. c) técnicas empleadas para la evaluación zonal de los recursos hídricos – técnicas de transformación de datos en información y de establecimiento de relaciones entre los datos hidrológicos y los datos fisiográficos para de obtener información sobre las características de los recursos hídricos de la zona de evaluación.
EVALUACIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS Recopilación de datos hidrológicos (componentes del ciclo del agua, incluida la cantidad y la calidad de las aguas superficiales y subterráneas)
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Recopilación de datos fisiográficos (topografía, suelos y geología)
Investigación básica y aplicada
Enseñanza y formación
Técnicas de evaluación espacial de los recursos hídricos (técnicas de regionalización)
Información sobre los recursos hídricos (bancos de datos, mapas)
Usuarios (planificación, organización y funcionamiento de los equipos de recursos hídricos)
Componentes de un programa de evaluación de recursos hídricos El programa de evaluación de recursos hídricos se considera adecuado si dispone de estos tres componentes y si, al relacionarlos, son lo suficientemente exactos como para ofrecer la información de recursos hídricos necesaria a efectos de la planificación en cualquier punto de la zona evaluada. Esto exigirá una definición para el país en cuestión del tipo de información que necesita para la planificación, la manera de generar esta información y transmitirla a los usuarios, y los efectos de una falta de información o de una inexactitud de los datos en el proceso de toma de decisiones en las etapas de planificación.
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CAPÍTULO 50
Todas las actividades básicas de evaluación de proyectos hídricos precisan personal cualificado, equipos y técnicas eficaces para los estudios sobre el terreno, el diseño y el funcionamiento de las redes, y un desarrollo de técnicas fiables de interpolación zonal. Esto, a su vez, puede que precise una formación y educación del personal necesario, e investigaciones básicas y aplicadas para el desarrollo de la tecnología requerida. Un análisis de estas actividades puede ofrecer indicaciones de su idoneidad a efectos de la evaluación de los recursos hídricos o, si son inadecuadas, puede proporcionar información sobre los medios adicionales que deben dedicarse a dichas actividades para lograr la base necesaria para el futuro desarrollo de un programa adecuado de evaluación de recursos hídricos. 50.6 Evaluación de las actividades de evaluación de recursos hídricos Estas evaluaciones son una responsabilidad nacional, y cualquier valoración de la medida en que deban acometerse adecuadamente en un país es también responsabilidad del país en cuestión. La publicación de la OMM/UNESCO titulada Evaluación de Recursos Hídricos – Manual para un estudio de apreciación de las actividades nacionales [1] ha sido preparada con el fin de incrementar las capacidades de los países para evaluar sus logros en esta materia y ofrecer un marco general para determinar sus necesidades y las acciones necesarias para alcanzar los requisitos mínimos. La metodología propuesta en el Manual abarca toda la gama de tópicos y actividades que se incluyen en un programa de evaluación de recursos hídricos, y en él se comparan los niveles actuales de la evaluación básica de recursos con los requisitos mínimos aceptables en términos de instalaciones, equipos, personal capacitado, educación, formación e investigación; contiene listas de comprobación para cada componente (véase la figura anterior) y ofrece orientación sobre cómo podría evaluarse cada actividad, en la mayoría de los casos, en términos cuantificables. Los resultados de las evaluaciones serán diferentes para cada país, según las características del programa de evaluación correspondiente, así como las características y las necesidades del país. No obstante, habrá un conjunto mínimo de resultados que cabe esperar en prácticamente cada caso, a saber: a) un análisis del marco institucional existente para realizar el programa de evaluación de recursos hídricos con sus ventajas, desventajas y limitaciones asociadas resultantes; b) evaluación comparativa de las redes de medición e indicaciones de los elementos de las redes que necesitan mejorar con respecto a densidad de estaciones, equipos, personal operativo y supervisor, y otros factores; c) análisis de los estudios y programas disponibles para recopilar y procesar los datos fisiográficos pertinentes al programa de evaluación de recursos hídricos;
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d) evaluación de la aplicación de las diferentes técnicas para la ampliación zonal de la evaluación de recursos hídricos y datos relacionados, y de las técnicas de transferencia de información; e) análisis de las requisitos de la información hidrológica para la planificación a largo plazo, de la producción y el flujo de esta información al usuario, y de los resultados del uso de esta información en el proceso de planificación, que demuestren la aptitud o la inaptitud del programa de evaluación de recursos hídricos; f) estimación del personal y las técnicas que se precisan para un programa de evaluación de recursos hídricos adecuado y una apreciación de los programas de educación y formación existentes en comparación con los requisitos actuales y futuros; g) estudio de las actividades de investigación básicas y aplicadas en el país (y región) y sus aptitudes (o inaptitudes) para la evaluación de los recursos hídricos en comparación con las necesidades actuales y futuras, incluyendo las necesidades de cooperación científica y tecnológica, regional e internacional; h) definición de las principales fuentes de dificultades en el programa en términos de marco institucional, recursos financieros, instrumentación, técnicas, y otros; i) recomendaciones para eliminar todas las deficiencias de la evaluación básica de recursos hídricos a través de una cooperación nacional o regional y/o mediante ayuda internacional. Referencias 1. Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO)/Organización Meteorológica Mundial (OMM), 1988: Evaluación de Recursos Hídricos – Manual para un estudio de apreciación de las actividades nacionales . 2. Organización Meteorológica Mundial (OMM)/Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO), 1991: Progress in the implementation of the Mar del Plata Action Plan and a strategy for the 1990's. Report on Water Resources Assessment. 3. Naciones Unidas, 1977: Plan de Acción de Mar del Plata. Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Agua, Argentina. 4. Naciones Unidas, 1992: Conferencia Internacional sobre el Agua y el Medio Ambiente: el desarrollo en la perspectiva del Siglo XXI, 26-31 de enero de 1992, Dublín, Irlanda.
CAPÍTULO 51 ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA DE AGUA
51.1 Generalidades Sólo recientemente los administradores del agua han empezado a reconocer que el uso del agua es realmente una demanda que puede verse influenciada por las políticas de precio. Este reconocimiento se ha visto impulsado por la concientización de que los recursos hídricos, incluso en los llamados países ricos en agua, se están volviendo cada vez más escasos. Algunas de las manifestaciones de esta concientización son: limitaciones más rigurosas del gasto público, preocupación en cuanto a prolongar en la mayor medida posible la existencia de los recursos disponibles, y un renovado interés en mantener y mejorar la calidad del medio ambiente. El enfoque gestióndemanda difiere de los enfoques tradicionales orientados al suministro porque insiste en la necesidad de políticas sociales y económicas para influir en los usos del agua. La gestión de la demanda de agua se basa en una serie de herramientas y técnicas que se pueden clasificar en tres categorías: económicas, estructurales y operativas, y sociopolíticas [1]. Una política realista para fijar los precios del agua es uno de los elementos fundamentales para la gestión de la demanda de agua y es vital para muchas de sus opciones. Las técnicas estructurales son las que modifican las estructuras existentes para lograr un mejor control sobre la demanda de agua. Como ejemplos de medidas estructurales podemos citar la medición, la adaptación, la regulación de caudales y el reciclaje. Las técnicas sociopolíticas en un contexto de gestión de demanda de agua se refieren a la política y las medidas que puedan adoptar los organismos públicos para estimular la conservación del agua. Estas técnicas incluyen programas de concientización pública, reglamentación de códigos de construcción y aplicación de normas, y políticas económicas gubernamentales. En el diseño hidrológico de un proyecto de recursos hídricos se deben tener en cuenta las demandas de agua existentes antes de la construcción del proyecto. Si no se consideran estas demandas se pueden causar pérdidas económicas, así como problemas sociales y legales en el funcionamiento del proyecto. 51.2 Uso del agua Los datos sobre el uso del agua son necesarios para evaluar el impacto de las actividades humanas en el ciclo hidrológico natural. Una información suficiente sobre el
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CAPÍTULO 51
uso del agua puede ayudar a la planificación de los proyectos de abastecimiento de agua, a la evaluación de la eficacia de las opciones para la gestión de la demanda del agua, y a resolver problemas que incluyen los usos en competencia por el agua y la escasez de agua originada por extracción excesiva de la fuente o por las sequías. En Estados Unidos, el Congreso reconoció la necesidad de contar con una información uniforme, actualizada y fiable sobre el uso del agua, y ordenó al Geological Survey que establezca un programa de información nacional sobre el uso del agua. El Geological Survey estableció directrices y normas nacionales para satisfacer las necesidades regionales y nacionales [2]. El uso del agua se puede subdividir en uso fuera del río y uso en el río [3]. El primero es un uso que depende del agua que se desvía o extrae de una fuente de agua superficial o subterránea para transportarla al lugar de uso. Para determinar la cantidad total de agua utilizada (extracción para el autoabastecimiento o el abastecimiento urbano), se evalúan cinco subtipos de uso: a) extracción – cantidad de agua desviada o extraída de una fuente de agua superficial o subterránea; b) abastecimiento/descarga – cantidad de agua entregada en el punto de uso y la cantidad descargada después de usarla; c) pérdida durante el transporte – cantidad de agua que se pierde en su transporte, por ejemplo desde el punto de extracción de la fuente hasta el punto de entrega, o desde el punto de descarga hasta el punto de retorno; d) uso consuntivo – parte del agua extraída de la fuente que se evapora, transpira o se incorpora a diversos productos, incluidos agrícolas. En algunos casos, el uso consuntivo será la diferencia entre el volumen de agua entregada y el volumen descargado; e) flujo de retorno – cantidad de agua que se descarga desde el lugar de consumo y que queda disponible para seguir utilizándose. Las categorías de uso externo presentadas en este capítulo incluyen el abastecimiento de agua municipal, uso doméstico, riegos, ganado, uso industrial, y energía termoeléctrica. Cada categoría de uso tiene diferentes efectos en la reutilización potencial de los flujos de retorno. La reutilización potencial refleja la calidad y la cantidad de agua que queda disponible para su posterior empleo. Por ejemplo, el flujo de retorno de los riegos puede estar contaminado por pesticidas y fertilizantes, y, debido al alto uso consuntivo del agua durante el riego, el contenido mineral del flujo de retorno es a menudo muy superior al del agua suministrada. Por consiguiente, el flujo de retorno de los riegos generalmente tiene poco potencial de reutilización, lo cual contrasta mucho con el potencial de reutilización de la mayor parte del agua descargada desde las plantas termoeléctricas, donde el cambio principal en el agua es un aumento de temperatura. El uso del agua en la fuente no depende de la desviación o extracción de las fuentes de agua superficial o subterránea. Las estimaciones cuantitativas de la
ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA DE AGUA
685
mayoría de usos en la fuente son difíciles de recopilar. No obstante, en vista de que estos usos compiten con los usos fuera del río y afectan la calidad y la cantidad de los recursos hídricos para todos los usos, una gestión eficaz de estos recursos exige que se elaboren métodos y procedimientos capaces de permitir una evaluación cuantitativa de los usos en la fuente. Las categorías de uso en la fuente presentadas en este capítulo son: la navegación, la lucha contra la contaminación, la recreación (estética y tradición), la pesca y la conservación de la fauna silvestre. La energía hidroeléctrica se analiza en el capítulo 56. 51.2.1 Suministro de agua a nivel urbano El abastecimiento de agua a nivel urbano o doméstico se refiere al agua extraída por las compañías públicas o privadas, que se entrega a múltiples usuarios para uso doméstico, comercial, industrial y central de energía termoeléctrica [3]. La información sobre los suministros municipales se puede obtener de las compañías por correo, encuestas o entrevistas personales. Deben estar disponibles datos del tamaño de la población servida y la cantidad de agua extraída. Los datos sobre el volumen suministrado por las compañías a los diferentes usuarios son más difíciles de obtener y esta información generalmente es menos exacta. 51.2.2 Uso doméstico El uso doméstico del agua comprende necesidades cotidianas tales como bebida, preparación de comida, limpieza personal, lavado de ropa y vajilla, descarga de artefactos sanitarios y riego de jardines [3]. La información sobre el volumen suministrado a los usuarios domésticos se puede obtener de los propias compañías suministradoras. El número de personas abastecidas por sus propios sistemas (autoabastecimiento) se puede determinar restando el número de la población total de la zona al número de personas abastecidas. Los sistemas domésticos de autoabastecimiento casi nunca se miden y existen pocos datos disponibles sobre los mismos. Las extracciones domésticas para el autoabastecimiento se pueden estimar empleando coeficientes de uso per cápita basados en un volumen razonable de agua por persona y por día para la región en estudio. 51.2.3 Uso comercial El uso comercial del agua incluye el agua para moteles, hoteles, restaurantes, edificios de oficinas, otras instalaciones comerciales, y las instituciones civiles y militares [3]. La información sobre el abastecimiento que hacen las compañías que distribuyen agua a usuarios comerciales se puede obtener de éstos. En muchos casos, las estimaciones de las extracciones para el autoabastecimiento se pueden basar en la población de las instalaciones comerciales, es decir, el número de estudiantes que
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CAPÍTULO 51
asiste a una universidad, los reclusos en una institución penal, los trabajadores en un edificio de oficinas, o la ocupación media de un hotel. 51.2.4 Riego El agua para el riego incluye toda el agua que se una artificialmente para las cosechas agrícolas y hortícolas, así como el agua empleada para regar céspedes públicos y privados, jardines, y campos de golf. El agua de riego puede ser autosuministrada o suministrada por empresas de riegos. La cantidad de agua de riego necesaria para producir una cosecha depende de una serie de factores como las precipitaciones naturales y otras condiciones climáticas, el tipo de cosecha, la duración de la época de crecimiento, el método y la programación de los riegos, las propiedades del suelo, etc. Existen varios métodos, en distintos países, para estimar las necesidades de agua para las cosechas [4,5], pero normalmente sólo sirven para las condiciones en las que se elaboran. Las directrices relativas a este tema se pueden solicitar a la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO). Para inventarios específicos sobre el uso del agua para riego, se puede usar un formulario de inventario para recopilar la información necesaria sobre el uso del agua [6]. Para grandes zonas y zonas en las que no es posible hacer mediciones, es posible hacer estimaciones del agua empleada para riegos por métodos indirectos, como muestras estadísticas, mapas del uso de la tierra, teledetección, o una combinación de estos métodos [6]. Los recientes esfuerzos realizados para mejorar la eficacia del agua utilizada para el riego han conducido a una búsqueda de métodos agrícolas más eficaces que implican una reducción de las demandas de agua y los flujos de retorno, una mejor calidad del agua, y una reducción de los gastos monetarios en riegos, manteniendo o hasta incluso incrementando el nivel de producción de cosechas. 51.2.5 Ganadería El uso del agua para la ganadería se define como el agua utilizada en todo lo referente a la producción de carne de res, aves, huevos, leche, y lana y de animales, como la cría de caballos, conejos, animales de piel fina en cautividad, y piscifactorías [3]. Las piscifactorías se dedican fundamentalmente a la producción de peces comestibles en condiciones controladas de alimentación, higiene y procedimientos de pesca. La mayor parte del agua utilizada para las piscifactorías sirve para mantener un nivel y una calidad de agua aceptables en los estanques. La cantidad de agua superficial y subterránea que se extrae para uso del ganado se puede estimar a partir del número de animales en la zona del proyecto. Para obtener la estimación del uso del agua, se multiplica el número de cada tipo de animal por un uso medio de agua por animal. El consumo total de agua para las piscifactorías se calcula multiplicando el área de los estanques por un coeficiente de aplicación.
ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA DE AGUA
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51.2.6 Uso industrial El uso industrial del agua incluye el agua que se emplea para procesar, lavar y refrigerar productos manufacturados [3]. Las principales industrias que consumen agua son, entre otras, la industria del acero, la industria química y de productos conexos, la industria del papel y productos derivados y las refinerías de petróleo. La información sobre el suministro de agua a los usuarios industriales se puede obtener de las diversas empresas de suministro. La extracción industrial de autoabastecimiento se puede estimar mediante encuestas en las plantas individuales y es bastante constante durante todo el año. En muchos casos, se precisa que el agua sea de buena calidad. El muestreo estadístico de los usuarios industriales puede dar una idea del uso total del agua por un sector industrial determinado. Es importante señalar que un pequeño número de industrias consume la mayor cantidad de agua destinada a este sector. Por ejemplo, en Estados Unidos, las grandes industrias, que sólo suponen el tres por ciento del número total de industrias, consumen alrededor de un 95 por ciento del total de agua de uso industrial. Otro método indirecto para calcular el consumo industrial del agua se puede lograr a través de la correlación entre el uso industrial del agua y el empleo y la producción. 51.2.7 Energía termoeléctrica La categoría correspondiente a la energía termoeléctrica incluye el agua empleada en la generación de energía eléctrica con combustibles fósiles, energía nuclear o geotérmica [3], que también se analiza en la sección 56.3. Las estimaciones de la extracción de agua para generar energía termoeléctrica deben ser fiables porque los archivos de las plantas termoeléctricas son bastante completos. La mayor parte del agua que extraen las plantas termoeléctricas se emplea en la refrigeración del condensador y el reactor. Las plantas tienen una amplia variedad de técnicas para la eliminación del agua de refrigeración tras su paso por los condensadores. La necesidad de agua se reduce cuando el agua de refrigeración se recicla a través de torres o estanques de refrigeración, pero un alto porcentaje se evapora (uso consuntivo), normalmente más de un 60 por ciento. Cuando el agua se usa para fines de refrigeración se utiliza sólo una vez antes de regresar a alguna masa de agua superficial, la cantidad de agua que se necesita es mucho mayor, pero la evaporación es leve (inferior a tres por ciento). Las estimaciones de extracción de agua se puede hacer, en general, a partir de la producción energía eléctrica. 51.2.8 Reducción de la contaminación La calidad del agua en muchos ríos es inferior a lo que sería deseable, debido a la alta concentración de contaminantes. La situación generalmente se agrava durante los períodos de sequía, cuando la relación entre las descargas de efluentes y el caudal aumenta. Por consiguiente, la reducción de la contaminación puede precisar un aumento del caudal para evitar que los contaminantes rebasen un nivel de concentración
688
CAPÍTULO 51
máximo previsto. Un medio aceptable para reducir la concentración de contaminantes sería la limpieza ocasional de los contaminantes mediante afluencias masivas de grandes caudales procedentes de los embalses. 51.2.9 Recreación, estética y tradición Hay muchos ríos en el mundo en los que se desea mantener un régimen específico de flujo para fines turísticos y de recreación, por un interés histórico, para actividades religiosas o para otros usos intangibles. Los cambios en el régimen de flujo de estos ríos puede suscitar fuertes objeciones, y se deben planificar y realizar con sumo cuidado. La demanda de agua para fines recreativos normalmente exige que el agua sea de una calidad razonable, que tenga un nivel y una velocidad bastante constantes, y un oleaje poco intenso. Los cambios repentinos en el nivel del agua pueden ser poco aceptados por la comunidad. Generalmente es difícil cuantificar el uso del agua para estos fines. 51.2.10 Conservación de la pesca y la vida silvestre Al analizar las demandas de agua para la pesca y la vida silvestre, debemos considerar que una variación en el régimen del flujo puede producir cambios en las poblaciones de las diferentes especies de la fauna y la flora. Para mitigar los efectos ecológicos adversos, y para potenciar los efectos positivos en el desarrollo de un proyecto, se debe consultar a los expertos en caso de que se contemple algún cambio en el régimen natural del flujo. La evaluación de estos cambios es complicada. 51.2.11 Navegación Las demandas para la navegación generalmente se centran en torno a la regulación del caudal (para mantener la profundidad mínima y la velocidad por debajo de un máximo de seguridad) y a los volúmenes de agua necesarios para pasar a través de las esclusas (sección 57.1). En algunos casos, para cumplir los requisitos de profundidad de navegación, es necesario dragar parcial o totalmente el cauce. A menudo es difícil cuantificar el uso del agua para estos fines. 51.2.12 Control de inundaciones El control de inundaciones no es un uso del agua sino generalmente una demanda de una distribución de tiempo más uniforme del caudal. Esto se puede lograr mediante varias prácticas de uso de la tierra, como repoblación forestal de la cuenca y arada del contorno. Uno de los medios más comunes para controlar las inundaciones consiste en reducir los niveles máximos de inundación almacenando el exceso de agua en embalses. En la sección 47.3 se analiza el conflicto básico que existe entre el control de inundaciones y la conservación del agua.
ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA DE AGUA
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Referencias 1. Holland, T. W., 1992: Water-use data collection techniques in the southeastern United States, Puerto Rico, and the Virgin Islands. U.S. Geological Survey WaterResources Investigations Report 92-4028. 2. Solley, W. B., Pierce, R. R. y Perlman, H. A., 1992: Estimated use of water in the United States in 1990. U.S. Geological Survey Circular 1081. 3. Tate, D. M., 1990: Water Demand Management in Canada: A State-of-the-Art Review. Social Science Series Nº 23, Water Planning and Management Branch, Inland Waters/Lands Directorate, Environment Canada, Ottawa. 4. Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO)/Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO), 1973: Irrigation, Drainage and Salinity. Hutchinson & Co, Londres. 5. Kharchenko, S. I., 1968: Hydrology of Irrigated Lands. Hydrometeorological Publishing House, Leningrado. 6. U.S. Department of the Interior, 1977 (1992): Water use. En: National Handbook of Recommended Methods for Water-data Acquisition.
CAPÍTULO 52 ESTIMACIÓN DE LA CAPACIDAD DE UN EMBALSE
52.1 Generalidades El análisis de la variabilidad natural del caudal de un río puede indicar si con frecuencia será deficiente con respecto a las necesidades estimadas de agua para un proyecto particular de explotación. Si el caudal es bajo se puede aumentar almacenando agua en un embalse, cuya capacidad dependerá del volumen de extracción, que se denomina descarga del embalse D, de su capacidad de almacenamiento S, y de la estructura de la serie temporal de los caudales. La relación entre la capacidad de almacenamiento del embalse, la descarga, y la fiabilidad resultante R del suministro de agua se denomina ecuación de almacenamiento [1]. En el diseño de un embalse, cualquier par de estas tres variables se puede considerar como independiente y se le pueden asignar valores específicos. El valor de la tercera variable se calcula mediante la ecuación de almacenamiento para el régimen hidrológico dado. Existen varios métodos para resolver las ecuaciones de almacenamiento que dependen de la representación del régimen de afluencia, por ejemplo un registro histórico o sintético de caudales, propiedades probabilísticas del proceso de afluencia, o curvas de duración-caudal del afluente. La tarea habitual en el diseño de un embalse para controlar un caudal bajo es determinar la capacidad de almacenamiento del embalse necesaria para mantener un nivel dado de extracción con una fiabilidad dada, es decir, resolver la ecuación de almacenamiento de la forma: S = f(D, R)
(52.1)
donde R se expresa como porcentaje del tiempo de funcionamiento sin fallos, como el riesgo de que se produzca un fallo en el funcionamiento, en un año o un período de tiempo determinado o como la cantidad de agua realmente suministrada al consumidor, expresada en porcentaje de la demanda. La solución más simple se presenta cuando la fiabilidad para el período de diseño se puede considerar igual a un 100 por ciento, es decir cuando no se permiten fallos en el suministro de agua. Aunque en la práctica nunca se da ese caso, en los cálculos preliminares se suele usar debido a su simplicidad. Los casos más realistas, cuando la fiabilidad es inferior al 100 por ciento dentro del período de diseño, no se pueden resolver directamente en la forma de
692
CAPÍTULO 52
ecuación 52.1. El método habitual de solución consiste en determinar aproximaciones sucesivas utilizando la ecuación de almacenamiento en la forma R = f(D, S). La solución se obtiene al mantener constante una de las variables independientes, la otra se va ajustando hasta obtener el valor deseado de R. En muchos casos, el valor de R no se especifica explícitamente, sino que se usa otro criterio de rendimiento del embalse, por ejemplo la ganancia económica máxima esperada la pérdida económica mínima prevista. No obstante, los problemas de este tipo están fuera del ámbito de este capítulo. Los enfoques para sus soluciones han sido presentados por Maass y otros en Design of Water-resources Systems [2]. 52.2
Evaluación de las pérdidas de agua desde los sistemas hídricos de superficie 52.2.1 Naturaleza de las pérdidas En las condiciones previas al proyecto, se producen pérdidas de agua, como la evaporación y la infiltración, que se reflejan en los registros de caudales empleados para estimar los suministros de agua. La construcción de nuevos embalses y canales a menudo va acompañada por una evaporación e infiltración adicionales. La estimación de estas pérdidas se puede basar en mediciones realizadas en embalses y canales existentes. Las pérdidas totales se calculan al promediar caudales de afluente y de efluente, y los volúmenes de cambio de almacenamiento medidos. En términos de balance hídrico las infiltraciones no constituyen una pérdida porque contribuyen a la recarga del agua subterránea o a la descarga aguas abajo de una estructura de control fluvial. No obstante, constituyen una pérdida en lo que al propósito fundamental del proyecto se refiere; por ejemplo, el agua pérdida por infiltración no puede ser aprovechada en la generación de energía eléctrica o para el suministro de agua potable. Por consiguiente, el término "pérdida" se debe entender en el sentido de la gestión del agua, y no en su sentido hidrológico. La altura del agua que se evapora anualmente de la superficie de un embalse puede fluctuar entre 400 milímetros en climas frío y húmedos, y más de 2 500 milímetros en regiones cálidas y áridas. De ahí que la evaporación es una consideración importante en muchos proyectos y merece una atención especial. Las pérdidas por infiltración embalses, canales de riego y navegación pueden ser importantes cuando estas instalaciones están localizadas en un área de estratos permeables. La reducción de estas pérdidas puede ser costosa, y las dificultades técnicas que entraña pueden impedir que un proyecto se realice. 52.2.2 Pérdidas en zonas de regadío Las pérdidas de agua en un sistema de riego pueden ser varias veces superiores a la cantidad de agua realmente utilizada por las cosechas. Estas pérdidas se producen por el exceso de agua drenado desde la superficie de la tierra o por la percolación
ESTIMACIÓN DE LA CAPACIDAD DE UN EMBALSE
693
hacia el agua subterránea, la evaporación desde el suelo, la transpiración de la vegetación no deseada, y la filtración y evaporación desde canales. Entre un 20 y un 60 por ciento del agua desviada para el riego puede aparecer como flujo de retorno y contribuir tanto al caudal como a la recarga de agua subterránea. Los constituyentes químicos en los flujos de retorno de los riegos generalmente están más concentrados que en el agua original y pueden contener elementos no deseables adicionales. Las pérdidas por evaporación de agua superficial y del suelo se pueden calcular por varios métodos que se analizan en [3]. La infiltración y la percolación se pueden estimar a partir de observaciones sobre el terreno de los niveles de agua subterránea en pequeños sistemas piloto o experimentales de regadío establecidos en una zona de interés, o por el método del balance hídrico. 52.2.3 Evaporación en los embalses En el capítulo 37 se describen algunos métodos para estimar la evaporación de un embalse mediante observaciones de tanques y datos meteorológicos. En ausencia de tanques de evaporación u otra observación meteorológica adecuada en el embalse o en un sitio cercano a él, para evaluar la evaporación de los embalses se emplean las estimaciones regionales de esas magnitudes. La tierra, antes de quedar sumergida bajo el embalse, pierde agua por evapotranspiración. A efectos de diseñar el embalse, es necesario estimar el aumento de pérdidas de agua en el área del embalse debido a la formación de un lago, es decir la diferencia entre la evaporación estimada del embalse y la evapotranspiración estimada anterior al proyecto en la misma área de tierra que va a ser cubierta por el embalse. La medición directa de la evapotranspiración presenta una serie de problemas que en su mayoría no han sido resueltos [3-6]. En la sección 9.5 se describen algunos métodos indirectos para estimar la evapotranspiración. En la selección del emplazamiento de una presa se debe buscar, siempre que sea posible, el área mínima de superficie de almacenamiento por unidad de volumen embalsado. Se han realizado amplias investigaciones relativas a la eliminación de la evaporación mediante la propagación de películas monomoleculares sobre la superficie del agua, pero todavía quedan sin resolver problemas prácticos importantes que plantea la aplicación de estas técnicas en caso de grandes embalses [7]. La estratificación térmica en embalses y la diferencia de temperatura entre los caudales afluente y efluente pueden tener efectos significativos en la evaporación del embalse. 52.2.4 Infiltración en los embalses La infiltración en un embalse depende de la estructura y la permeabilidad de los estratos subyacentes y de las condiciones locales. La estimación de la infiltración esperada se puede deducir a partir de una evaluación de la infiltración en los embalses existentes, o a través de investigaciones geológicas en el lugar, o a partir
694
CAPÍTULO 52
de la relación área-profundidad del embalse proyectado. Después de construido un embalse y tras la recopilación de los datos de caudales y otros parámetros, se puede evaluar la infiltración o las pérdidas totales y establecer una relación entre infiltración y profundidad. 52.3 Influencia del emplazamiento del embalse Cuando el embalse está situado en el punto de desviación o utilización, o cerca de éste, el caudal estimado disponible para el proyecto se puede considerar como el afluente del embalse, mientras que las necesidades y pérdidas de agua estimadas se pueden considerar como la extracción requerida del almacenamiento. No obstante, si el embalse está localizado a cierta distancia aguas arriba, el caudal afluente sólo representará una parte del caudal disponible. La capacidad de almacenamiento del embalse debe estar basada en las necesidades de agua del proyecto reduciendo la cantidad de agua que se pueda suministrar a partir de la escorrentía incontrolada entre el embalse y el punto de demanda. Los procedimientos descritos a continuación se aplican específicamente al caso en que el almacenamiento está situado en el punto de utilización; aunque si se hacen las adaptaciones pertinentes, estos procedimientos también se pueden aplicar en la mayoría de los otros casos. 52.4 Influencia de la sedimentación La sedimentación ocasiona una reducción constante de la capacidad de almacenamiento del embalse. Si el volumen de sedimentos es pequeño con respecto a la capacidad del embalse, el volumen medio anual de sedimentos se puede considerar, en los cálculos como una reducción anual constante del almacenamiento. Si se produce un gran volumen de sedimentos, la disminución de la capacidad se debe relacionar con el caudal anual o con cada una de las grandes crecidas que se produzcan. El capítulo 13 contiene más detalles sobre el transporte de sedimentos. 52.5 Análisis secuencial Las series temporales utilizadas para el diseño de un embalse de almacenamiento pueden estar constituidas por los registros históricos del caudal, por un registro histórico del caudal ampliado por síntesis a partir de otro registro de caudal o de datos de precipitaciones (sección 32.3.3), o por una serie sintetizada de afluentes del embalse. La mayoría de las veces, los cálculos se basan en series temporales de los caudales medios mensuales, de diez días, o diarios. 52.5.1 Método numérico La mejor manera de aplicar el método numérico es de disponer los cálculo en forma tabular como figura en la tabla 52.1. El cálculo se puede realizar para una cantidad
TABLA 52.1 Cálculos secuenciales del funcionamiento del embalse Vertederos
103 m3 9
103 m3 10
km2 11
103 m3 12
103 m3 13
2 254 2 096 2 025 2 000 –––– 2 010
0,56 0,54 0,53 0,52
0 0 0 0
0 0 0 10
0,52
0
0
2 015 2 036 2 082 2 233 2 300 ––––
0,53 0,53 0,54 0,55 0,56
0 0 0 0 41
0 0 0 0 0
mm 103 m3 2 3
mm 4
103 m3 5
40 50 40
22 27 21
90 70 50
50 38 26
20 20 20
150 80 50
150 80 40
-158 -71 -25
50
26
30
16
30
30
30
+10
40 60 80 90 70
21 32 42 49 38
30 40 50 70 90
16 21 26 38 50
20 30 50 160 140
20 20 20 20 20
20 20 20 20 61
+5 +21 +46 +51 +67
ESTIMACIÓN DE LA CAPACIDAD DE UN EMBALSE
Área del embalse
Déficit de agua
Almacenamiento al final del mes, S
103 m3 103 m3 103 m3 6 7 8
Variación del almacenamiento, ∆S
Efluente, O
695
1955 Enero Febrero Marzo Abril Mayo . . .
Extracción deseada, D
Diciembre
Afluente, I
1 1954 . . . Septiembre Octubre Noviembre
Evaporación, E
Precipitación, P
Año, mes
696
CAPÍTULO 52
inicial de agua en almacenamiento prevista, empezando, por ejemplo, con un embalse vacío o totalmente lleno, o para la llamada condición de estado estacionario, cuando el almacenamiento inicial es igual al almacenamiento al final del período de diseño. En este caso, los cálculos se realizan primero con un almacenamiento inicial arbitrario, y después se repiten con el almacenamiento inicial igual al almacenamiento final obtenido en el primer ciclo. Los resultados del segundo ciclo representan la situación de estado estacionario. La tabla 52.1 contiene una parte de los cálculos para un caso en que la capacidad de almacenamiento S = 300 × 106 m3 está comprendido entre un mínimo Smín = 2,0 × 106 m3 y un máximo Smáx = 2,3 × 106 m3. Se puede suponer que se precisa el mínimo de almacenamiento para, por ejemplo facilitar la navegación en el embalse, mientras que no debe rebasarse el máximo debido al riesgo de ocasionar daños a las propiedades ribereñas. Asimismo, si la descarga correspondiente a la demanda necesita que el almacenamiento sea inferior a 2 × 106 m3, debe aumentarse el efluente para evitar este aumento. En el presente ejemplo, el ritmo de extracciones varía según la estación del año (columna 7 de la tabla). El afluente del embalse está representado por una serie de totales mensuales (columna 6). También se indican los totales de precipitación y de evaporación mensuales en milímetros (columnas 2 y 4). Los volúmenes de precipitación P y evaporación E (columnas 3 y 5, respectivamente) para un mes dado se calculan empleando el área de la superficie del embalse al final del mes anterior (columna 11). Cada fila de la tabla representa el equilibrio hidrológico del embalse para un mes, es decir, una solución para la ecuación de almacenamiento: Si = Si-1 + Ii + Pi – Ei – Oi = Si-1 + ∆Si
(52.2)
donde la descarga Oi iguala la demanda de agua Di, según los límites Smín ≤ Si ≤ Smáx (los valores de P y E se toman de las columnas 3 y 5). La inobservancia del límite inferior se evita reduciendo el efluente en la cantidad Smín – Si, que se registra como déficit de agua (noviembre, columna 13). Si se elimina el límite Smín, el embalse se vuelve semi-infinito en el sentido de carecer de fondo. Esta suposición se usa para determinar la capacidad de almacenamiento necesaria para evitar escaseces de suministro de agua a lo largo de la duración de la serie de afluentes, es decir, para R = 100 por ciento. La capacidad de almacenamiento de diseño sería igual al descenso máximo de almacenamiento registrado durante el período de diseño. La inobservancia del límite superior se evita aumentando el efluente en una cantidad igual a Si – Smáx registrada como vertimiento (mayo, columna 12). Una vez terminados los cálculos para toda la serie, los déficits de agua se utilizan para calcular la fiabilidad R. El valor de R, junto con los valores originales de
ESTIMACIÓN DE LA CAPACIDAD DE UN EMBALSE
697
S y D, representan una solución de la ecuación de almacenamiento para las series de entradas especificadas. Como el mismo par de valores de S y D conducirá a valores diferentes de R para diferentes series de entradas, el valor de R que se obtiene del registro histórico no es necesariamente representativo de un período futuro. Por lo tanto, es conveniente realizar los cálculos de R para un cierto número de series de entradas sintéticas (al menos 50) y adoptar su promedio como valor de diseño. Cuando se requieren límites de confianza de R, se deben calcular al menos mil valores. En esos casos, el volumen de cálculos es importante, y convendría realizarlos con un ordenador. La facilidad con la que se pueden efectuar los cálculos hace que el enfoque numérico de series temporales sea el más flexible y de mayor capacidad para el diseño de embalses [1, 8]. 52.5.2 Método gráfico En un embalse, con un afluente I y un efluente O, el almacenamiento S en un tiempo t se define matemáticamente por la siguiente ecuación: St = So +
t
t
o
o
∫ ( I − 0) dτ = So + ∫
t
∫o
Idτ − Odτ = So + It* − Qt*
(52.3)
Los gráficos de las sumas acumulativas de I* y O* representan las curvas de los valores acumulados del afluente y el efluente respectivamente, siendo So el almacenamiento inicial del embalse. En la ecuación 52.1 puede verse que la capacidad de almacenamiento del embalse es la diferencia entre las dos curvas. La figura 52.1 contiene un ejemplo de esta técnica, en la que se determina la capacidad de almacenamiento, S, para una extracción constante, D, con la condición de que no se permita ningún fallo durante el período de diseño. El procedimiento emplea el concepto de embalse semi-infinito (sin fondo) mencionado en la sección 52.5.1 y permite obtener la capacidad de almacenamiento necesaria como el agotamiento mínimo del almacenamiento registrado en un embalse inicialmente lleno durante el período de diseño. Se procede gráficamente de la siguiente manera: la extracción constante D corresponde a una pendiente constante de la curva de demandas acumuladas D*. A través de cada pico se traza una línea paralela a D* sobre la curva de caudales afluentes I*. La capacidad de almacenamiento del diseño S es la máxima distancia vertical entre cualquier punto de I* y cualesquiera de las líneas paralelas a D*. 52.6 Método probabilístico Si el caudal se considera como un proceso estocástico, cada realización de este proceso, es decir, cada serie temporal, responde a las propiedades probabilísticas pertinentes al proceso dado. Si estas propiedades son relativamente sencillas, es posible usarlas directamente para el análisis del embalse sin generar series temporales. Los
698
CAPÍTULO 52
métodos que emplea este enfoque se denominan rigurosos y los que ignoran la estructura secuencial del proceso y sólo hacen uso de su distribución probabilística se denominan aproximados. A veces, estos procesos se denominan estocásticos y probabilísticos, respectivamente [9].
Caudales afluente y efluente acumulados en 109 m3
9 8 Curva de valores acumulados del caudal afluente l*
7
máx d=S 6 Curva de valores acumulados del caudal efluente O*
5 4
Escala radial de caudal en m3 s-1 50
3
40 dt
30 D* 20
2 l*t
1
10 0
0
1
2
3
4
5 6 7 Tiempo en años
8
9
10
11
12
Figura 52.1 – Método de curva de valores acumulados para determinar la capacidad de almacenamiento de un embalse 52.6.1 Métodos rigurosos Existen sólo dos métodos estocásticos desarrollados para simular el proceso de afluencia a un embalse: el modelo de afluentes aleatorios y el modelo de afluentes autorregresivos de primer orden [10]. El problema tiene que plantearse en la forma R = f(D, S), esto es, la capacidad de almacenamiento se divide en k intervalos ∆Si, i = 1, 2, . . ., k de manera que S = ∑ ∆Si. Cada intervalo, o capa de almacenamiento, está representado por un solo valor Si, generalmente el punto medio del intervalo. El objetivo de los cálculos es hallar la distribución de probabilidades de los estados de almacenamiento S1, S2, . . ., Sk para los valores dados de S y D. La fiabilidad se obtiene de esta distribución. Al hallar esta distribución, se aprovecha el hecho de que sea el almacenamiento inicial, la distribución alcanza pronto un equilibrio o estado estacionario, que es independiente del almacenamiento inicial. Por lo tanto, basta con hallar la distribución de los estados de almacenamiento para cualquier instante tm del
ESTIMACIÓN DE LA CAPACIDAD DE UN EMBALSE
699
estado de equilibrio del proceso, estableciendo en primer lugar la probabilidad condicional de que el embalse estará en un estado dado Si si había estado en el estado Sj en el momento tm-1, para cada estado de almacenamiento en el momento tm. Esta probabilidad se denomina la probabilidad de transición pij y se puede determinar a partir de la distribución de probabilidades del afluente y el valor del afluente D. Una vez conocidas todas las probabilidades de transición, se puede calcular la probabilidad Pi(m) del estado Si del embalse en el momento tm mediante la ecuación:
Pi( m) = P1( m −1) pi1 + P2(m −1) pi 2 + . . . + Pk( m −1) pik
(52.4)
Esta ecuación se escribe para cada estado de almacenamiento i = 1, 2, . . ., k. Dicha forma de análisis sólo se puede emplear para obtener una representación del proceso de afluencia para series de caudales anuales, estacionales o mensuales que se pueden suponer como un proceso aleatorio o autorregresivo de primer orden. 52.6.2 Métodos aproximados El diseño de embalses de almacenamiento destinados a satisfacer demandas relativamente moderadas en general se debe basar en una representación temporal detallada de los afluentes. Esta representación consiste en una serie de caudales diarios con una compleja estructura estocástica que impide el uso de métodos probabilísticos rigurosos. En estos casos, la única alternativa al método de series temporales es el uso de métodos probabilísticos aproximados que se aplican en las etapas preliminares de planificación y diseño. El método más común emplea frecuencias de caudales y de volúmenes de bajo caudal, y se basa en la hipótesis de que hay un número suficiente de períodos de sequía y períodos de lluvia para llenar el embalse antes de que empiece el siguiente período de sequía. El hecho de que los caudales mínimos suelen tener lugar durante un período del año, en secuencias casi nunca interrumpidas por crecidas, hace posible despreciar el orden secuencial real y encontrar la capacidad de almacenamiento aproximada necesaria para aumentar los caudales más bajos hasta un nivel constante D a partir de la curva de duración (sección 35.2). La capacidad de almacenamiento está definida como el volumen que determina la superficie del espacio limitado por la curva de caudales en la que Q < D y por una línea definida donde Q = D. El riesgo del almacenamiento necesario para las condiciones de sequía estacional se puede evaluar empleando curvas de frecuencia de caudales de estiaje (sección 35.3). Por ejemplo, si sólo se permite un caudal diario medio inferior a 5 m3 s-l, por término medio una vez cada cuatro años, el almacenamiento exigido se puede determinar a partir de las curvas indicadas en la figura 35.1. Las curvas de duración y las curvas de frecuencia de caudales bajos no se deben usar para corrientes de agua que no son permanentes. Para esas corrientes y para las
700
CAPÍTULO 52
perennes de alto caudal, es preferible utilizar curvas de frecuencia-duración de descarga. Como ejemplo, si se desea una extracción del río de 3 m3 s-l, el volumen disponible en el 80 por ciento de los años se puede calcular a partir de la figura 52.2. El volumen disponible de extracción en un caudal dado se puede determinar con más comodidad usando las curvas de frecuencia de duración-volumen. Este método también se puede emplear para una estimación preliminar de la capacidad de almacenamiento de un embalse de control de crecidas. Así, por ejemplo, si sólo se permiten caudales diarios medios superiores a 100 m3 s-l una vez cada cinco años (es decir, con una probabilidad de excedencia de un 20 por ciento), el almacenamiento de detención necesario se puede determinar por medio de la figura 52.3. 700
0
1
3 300
Duración mínima por estación (h)
7 200 12
Caudal mínimo m3 s-1
500
20 100
70
50
30
20
10 99
98
95
90
80
70 60 50 40 30 20 Frecuencia de excedencia
10
5
2
01
Figura 52.2 — Frecuencia de la ocurrencia de caudales en función de la duración
701
ESTIMACIÓN DE LA CAPACIDAD DE UN EMBALSE 1000 Anual
500 90 días
30 días
200 10 días
Volumen en 106 m3
100
3 días
50
1 día
20
10
5
0 99
95
90 70 50 30 10 Frecuencia de excedencia en porcentaje de años
5
1
Figura 52.3 — Frecuencia de ocurrencia de grandes volúmenes en función de la duración 52.7 Relación almacenamiento-extracción-fiabilidad A fin de facilitar las comparaciones y las evaluaciones económicas de las diferentes alternativas de diseño de embalses, es conveniente resolver la ecuación de almacenamiento 52.1 para una amplia gama de las tres variables de esa ecuación y representar la solución de manera concisa. La representación más corriente para un lugar dado de un río consiste en trazar el gráfico de la extracción en función de la capacidad
702
CAPÍTULO 52
de almacenamiento del embalse, usando la característica de fiabilidad como parámetro. Estas relaciones se pueden seguir generalizando al expresar la extracción y la capacidad de almacenamiento como porcentaje del caudal afluente anual medio (figura 52.4). 52.8 Embalses para fines múltiples La mayoría de los embalses de almacenamiento sirven para una serie de usos indicados en la sección 47.2. En general, no es posible asignar una parte fija de almacenamiento para cada uso. Lo usual es que, esa asignación esté limitada a usos de emergencia. Por ejemplo, a menudo se crea una zona de separación inmediatamente por encima de la zona de almacenamiento muerto, y se reserva para ser usada en circunstancias excepcionales, como cuando se limpia la sección aguas abajo del río en caso de una contaminación accidental, como suministro de agua de emergencia en caso de problemas sanitarios imprevistos, o como reserva en caso de incendios. Asimismo, los embalses pueden tener un almacenamiento de regulación de inundación sin compuertas, para evitar que la inundación pueda sumergir la presa. No obstante, se utiliza el mismo almacenamiento para satisfacer la mayoría de los usos y sus necesidades se acomodan mediante normas de explotación bastante complejas para el funcionamiento del embalse. Las descargas de los embalses a menudo se formulan en términos de curvas de control que indican la cantidad de descarga en función del almacenamiento instantáneo y de la época del año. Se pueden obtener ejemplos de estas curvas en la publicación titulada Time Series Analysis: Forecasting and Control [11] de Box y Jenkins y en Mathematicheskoe Modelirovanie Gidrologichskikh Ryadov [12] de Svanidze. El diseño y el funcionamiento de los embalses para múltiples fines precisa un complejo análisis, que generalmente se realiza mediante métodos iterativos que implican ajustes de las curvas normativas y una evaluación de los efectos en todos los objetivos previstos a fin de optimizar el conjunto del sistema de gestión del recurso hídrico considerado. En estos casos, las clásicas relaciones de fiabilidad-almacenamiento-extracción sólo pueden servir como una primera aproximación de la política de explotación, que después se vuelve a definir paulatinamente. Maass y otros en Design of Water-resources Systems [2] plantean diferentes métodos de optimización. 52.9 Sistemas de embalses Los procedimientos que se emplean en el diseño de sistemas de embalses son similares a los descritos anteriormente para proyectos de múltiples propósitos. En vista de las complejas interacciones que existen entre los componentes del sistema y entre los suministros y las demandas, generalmente no es posible hallar una solución directa. En consecuencia, se selecciona un diseño inicial, basándose en la apreciación del ingeniero, que posteriormente se mejora mediante ajustes secuenciales sucesivos.
703
ESTIMACIÓN DE LA CAPACIDAD DE UN EMBALSE m3/s
90
% de Q
50
95
85
100
97 99
Extracción D D Prélèvement
40
30 50
Índice de fiabilidad R en %
20
10
50
100
150
% de V
0 0
1 2 Capacidad de almacenamiento S
109 m3
Figura 52.4 – Relación de fiabilidad entre almacenamiento y calado Los embalses de una cuenca generalmente no se diseñan como un sistema desde el principio, sino que los proyectos iniciales se diseñan para objetivos específicos. A medida que aumenta la utilización de los recursos de la cuenca de un río, se hace necesario estudiar el funcionamiento de todos los proyectos como un sistema y, de vez en cuando, añadir nuevos proyectos al sistema. Cuando se hacen estos estudios y adiciones, es posible que haya cambios en el funcionamiento de los componentes existentes, pero es difícil hacer cambios de gran envergadura debido a las numerosas restricciones legales, políticas, económicas y físicas. Por lo tanto, el nivel de optimización que se puede alcanzar en la práctica es con frecuencia bajo. En cualquiera de las etapas de diseño de un sistema de embalses, todos los nuevos proyectos de almacenamiento factibles se deben evaluar en suficiente detalle para determinar el orden en que se han de realizar los diferentes proyectos. Este orden se determina comparando los costos y los nuevos servicios prestados. A medida que aumentan las demandas sobre un sistema de embalses, sólo será necesario determinar cuándo se debe poner en marcha el nuevo proyecto que se considera el más interesante. Las simulaciones detalladas del suministro y la demanda en diversos lugares exigen una especial atención a la presentación de las diferentes relaciones estadísticas y físicas entre las variables en todos los sitios. Box y Jenkins en Time Series Analysis: Forecasting and Control [11] y Svanidze en Mathematicheskoe Modelirovanie Gidrologichskikh Ryadov [2] ofrecen algunas técnicas de simulación aplicables a estos casos.
704
CAPÍTULO 52
52.10 Efectos incidentales de los embalses 52.10.1 Efectos en los regímenes hidráulicos e hidrológicos La construcción de un embalse cambia los regímenes hidráulicos e hidrológicos aguas abajo. Los usos consuntivos del agua reducen el caudal medio, mientras que la regulación del embalse cambia la distribución estacional del caudal y generalmente reduce su variabilidad. La retención de agua en el embalse ocasiona una sedimentación y da lugar a que el agua descargada sea más clara que el afluente lo que, a su vez, puede producir erosión aguas bajo del embalse. La disminución de la pendiente fluvial origina remansos y problemas de sedimentación en el cauce del río aguas arriba del embalse. 52.10.2 Efectos en el medio ambiente Los efectos medioambientales constituyen una creciente preocupación en la planificación y la gestión de los proyectos de recursos hídricos. La creación de embalses generalmente tiene una influencia muy importante en la ecología. Si el volumen de almacenamiento es grande en relación con la escorrentía anual, la eutrofización puede tener un significativo impacto en la calidad del agua del embalse debido a los prolongados períodos de retención. Los embalses ejercen una gran influencia en la temperatura y el contenido de oxígeno del agua de descarga. La regulación del caudal también cambia la naturaleza del uso de la tierra aguas abajo del embalse. El incremento en el uso del agua generalmente resulta en un aumento de la cantidad de aguas residuales que puede disminuir la calidad del agua en el río receptor. Los cambios de esta naturaleza constituyen una gran preocupación. No obstante, los embalses también originan cambios que tienen efectos beneficiosos. En muchos casos, el medio ambiente en las proximidades de los embalses y aguas abajo de éstos se ha mejorado mucho en materia de recreación, de estética, de ecología y de salud. Es primordial evaluar constantemente todos los efectos medioambientales de los embalses de almacenamiento y crear instalaciones de supervisión para medir los factores medioambientales antes y después de la construcción del embalse. 52.11 Estimación de los niveles máximos del embalse Los embalses se deben diseñar para niveles de agua algo superiores a los niveles que puedan alcanzarse durante la máxima crecida como medida de seguridad contra la sobreelevación del nivel del agua debido al viento, contra los efectos de las olas y las ondulaciones periódicas de la superficie del agua (seiches). Este resguardo no se puede considerar como un volumen adicional al almacenamiento aunque puede ofrecer un factor de seguridad suplementario contra las crecidas superiores a la crecida máxima del diseño. Las presas de tierra generalmente se dotan de un mayor resguardo, sobre todo en zonas susceptibles de efectos sísmicos o sometidas a severas heladas.
ESTIMACIÓN DE LA CAPACIDAD DE UN EMBALSE
705
52.11.1 Sobreelevación del nivel por efecto del viento El viento que sopla sobre la superficie del agua de un embalse aumenta el nivel del agua en el extremo de sotavento del embalse y lo disminuye en el extremo de barlovento. Esta subida y bajada es más pronunciada en aguas poco profundas y se pueden calcular a partir de la siguiente ecuación: Hs =
ku 2 ln cos θ gd
(52.5)
donde Hs es la altura de sobreelevación sobre el nivel del cumbre en aguas relativamente tranquilas, u la velocidad del viento medida a una altura de 10 metros sobre el nivel del embalse, l la distancia durante la cual actúa el viento para formar las olas o la longitud recta de una superficie de agua no obstruida y expuesta a la acción del viento, n un coeficiente adimensional que depende de la configuración y la hidrología del lago, θ el ángulo entre la dirección del viento y la línea a lo largo de la cual se mide la distancia en la que actúa el viento, g la aceleración de la gravedad, d la profundidad media del agua según la dirección del viento, y k es un coeficiente adimensional de esfuerzo cortante. La ecuación 52.5 es válida para cualquier sistema coherente de unidades dimensionales. Para lagos básicamente rectangulares de profundidad uniforme, n = 1 y k = 1,45 × 10-6, siempre que u < 880d(g/l cos θ). Para velocidades del viento superiores a este valor, la sobreelevación del nivel por efecto del viento, calculada mediante la ecuación 52.5, será superior a la sobreelevación real. 52.11.2 Olas generadas por el viento El viento que sopla a través de un embalse también genera olas que pueden alcanzar y superar las orillas del lago y el paramento aguas arriba de las presas. Se precisa un resguardo adecuado para evitar el desbordamiento debido a las olas. La sobreelevación por acción de las olas depende de la altura y la longitud de las olas y de la pendiente del terraplén. La altura de las olas generadas por el viento en aguas de profundidad limitada se puede calcular mediante la ecuación:
Hs =
0,283u gd tan h 0,578 2 u g 2
0,75
0,42 gl 0.0125 2 u tan h 0,75 tan h 0,578 gd u 2
(52.6)
donde Hs es la altura significativa de las olas (altura media del tercio más alto de las olas) y u, d, l, y g se definen en la sección 52.11.1. En las tablas matemáticas
706
CAPÍTULO 52
ordinarias se puede encontrar una lista de los valores de la tangente x. La ecuación 52.6 representa la altura inicial de la ola antes de que sufra una reflexión o refracción en el embalse. TABLA 52.2 Ajuste de la velocidad a lo largo de la orilla
*
Dirección del viento
Emplazamientode la estación de medición del viento
Relación*
Hacia la orilla Hacia la orilla Hacia la orilla Hacia la orilla Contra la orilla
A entre 5 y 75 kms de la orilla En la orilla 12,5 a 25 kms tierra adentro En la orilla A 25 kms de la orilla
1,0 0,9 0,7 0,7 1,0
Relación entre la velocidad del viento en el lugar y la velocidad del viento sobre el agua (ambas a 10 metros de elevación).
El diseño de un embalse normalmente debe estar basado en datos obtenidos en estaciones terrestres sobre el viento que produce olas en la zona (fetch). Uno de los problemas meteorológicos más difíciles es determinar el campo del viento sobre el lago a partir de observaciones hechas en tierra. La relación entre la velocidad del viento sobre tierra y la velocidad del viento sobre el lago depende de la estabilidad de la masa de aire sobre el lago, la que a su vez, depende de la diferencia de temperatura entre la superficie del agua y el aire que la cubre. Depende, además, de la rugosidad de la topografía del sitio en que se ha instalado la estación terrestre. La tabla 52.2 [3] contiene valores aproximados de esta relación. La altura de las olas sólo es crítica cuando el embalse está a punto de llegar a su nivel máximo de almacenamiento. Así pues, se tendrán en cuenta únicamente los vientos que se producen en épocas de niveles altos de agua. La altura por encima del nivel de agua tranquila a la cual se eleva el agua como resultado de la acción de las olas se denomina sobreelevación a causa de olas. Esta elevación depende de la pendiente del terraplén y de la inclinación de las olas, y se puede calcular mediante los gráficos publicados por Saville y otros en Freeboard Allowances for Waves in Inland Reservoirs [14]. 52.11.3 Ondulaciones periódicas de la superficie del agua En las masas de agua restringidas, como los embalses, el origen de las ondulaciones periódicas de la superficie del agua puede estar en las variaciones que se produciesen en los afluentes y efluentes, la acción del viento, cualquier cambio repentino de la
ESTIMACIÓN DE LA CAPACIDAD DE UN EMBALSE
707
presión atmosférica o de la temperatura de la tierra. De acuerdo con las características fisiográficas del embalse, estas ondas se pueden reflejar desde las orillas, o en lugares en que se producen cambios abruptos en la anchura o la profundidad del embalse. En una masa de agua larga y estrecha, las series de olas se pueden formar con varios nodos y antinodos. No existe ningún método para calcular la altura de las olas debido a causas como cambios súbitos en la presión atmosférica o a terremotos. La altura del resguardo necesaria para estos fenómenos puede variar desde varios centímetros hasta casi un metro, según el tamaño y la importancia del embalse. La altura antinodal de una ola generada por un cambio repentino en los caudales afluentes o efluentes de un embalse se puede calcular aproximadamente mediante la ecuación: Ha =
∆q bv
(52.7)
donde Ha es la altura de la ola por encima o por debajo del nivel de agua tranquila, ∆q la variación en el caudal afluente o salida de efluente del embalse, b es la anchura de la superficie del embalse donde se produce el punto antinodal de la ola, y v es la velocidad de la ola.
Referencias 1. Organización Meteorológica Mundial, 1973: Applications of Hydrology to Water Resources Management. Informe de hidrología operativa N° 4, OMM–N° 356, Ginebra. 2. Maass, A., y otros, 1962: Design of Water-resources Systems. Harvard University Press, Cambridge, Massachussetts. 3. Organización Meteorológica Mundial, 1958: Measurement of Evaporation, Humidity in the Biosphere and Soil Moisture (N. E. Rider). Nota técnica N° 21, OMM–N° 72, T.P. 28, Ginebra. 4. Organización Meteorológica Mundial, 1955: The Standardization of the Measurement of Evaporation as a Climatic Factor (G. W. Robertson). Nota técnica No 11, OMM–N° 42, T.P. 16, Ginebra. 5. Organización Meteorológica Mundial, 1958: Techniques for Surveying Surfacewater Resources (R. K. Linsley). Nota técnica N° 26, OMM–N° 82, T.P. 32, Ginebra. 6. Organización Meteorológica Mundial, 1983: Guía de instrumentos y métodos de observación meteorológicos. Quinta edición, OMM–N° 8, Ginebra. 7. Department of Northern Affairs and National Resources, 1961: Proceedings of Hydrology Symposium No. 2 — Evaporation.
708
CAPÍTULO 52
8. Fiering, M. B., 1967: Streamflow Synthesis. Harvard University Press, Cambridge, Massachussetts. 9. Chow, V. T. (ed.), 1964: Handbook of Applied Hydrology. McGraw-Hill, Nueva York. 10. Lloyd, E. H., 1967: Stochastic Reservoir Theory, Volume 4, Advances in Hydroscience, Academic Press, Nueva York. 11. Box, G. E. P. y Jenkins, G. M., 1970: Time Series Analysis: Forecasting and Control. Holden-Day, San Francisco. 12. Svanidze, G. G., 1977: Mathematicheskoe modelirovanie gidrologicheskikh ryadov (Modelización matemática de series hidrológicas). Gidrometeoizdat, Leningrado. 13. Graham, H. E. y Nunn, D. E., 1959: Meteorological Considerations Pertinent to Standard Project Hurricane, Atlantic and Gulf Coasts of the United States. National Hurricane Research Project, Report No. 33, U.S. Weather Bureau, Washington, D.C. 14. Saville, T., McClendon, E. W. y Cochran, A. L., 1962: Freeboard allowances for waves in inland reservoirs. Proceedings of the American Society of Civil Engineers, volumen 88, WW2, págs. 93-124.
CAPÍTULO 53 ESTIMACIÓN DE LAS CRECIDAS DE DISEÑO
53.1 Generalidades La mayoría de las estructuras construidas sobre los ríos, entre sus orillas o en sus cercanías están potencialmente expuestas a los daños ocasionados por las crecidas. Como casi siempre es imposible o económicamente irrealizable lograr conseguir una protección absoluta contra las crecidas, un diseño racional de estas estructuras debe tener en cuenta el riesgo de inundación. A nivel del diseño, es necesario definir una crecida que corresponda al máximo riesgo tolerable. Esta crecida, llamada crecida de diseño, se define como el hidrograma de crecidas o la descarga máxima instantánea adoptada para el diseño de una estructura hidráulica o de un control fluvial tras tener en cuenta los factores económicos e hidrológicos. Se trata de una crecida que una obra pueda resistir sin sufrir grandes daños, ni los objetos que protege, ni sus propias estructuras. El riesgo de daños es equivalente a la probabilidad de una incidencia de crecidas que rebasen la de diseño. El factor decisivo en la determinación de una crecida de diseño es la característica o el parámetro de la crecida que pueda identificarse como la causa principal de daños potenciales. La decisión en cuanto a cuál es el parámetro más importante de las crecidas, para un proyecto en particular, es responsabilidad del planificador y del diseñador y debe estar basada en un análisis de ingeniería de la situación en cuestión. Generalmente, los parámetros decisivos son los siguientes: a) la descarga máxima en el caso de alcantarillas, secciones de desagüe bajo puentes, vertederos y salidas de diques y presas pequeñas; b) la altura máxima de la crecida en el caso de represas, altura de seguridad de puentes, distribución en zonas de planicies de inundación, y diseño de carreteras y vías férreas en valles fluviales; c) el volumen de crecidas para el diseño de embalses de regulación de caudal y, en general, para todos los casos en que la atenuación de la crecida por almacenamiento de agua pueda ser significativa; por ejemplo, para el diseño de capacidades de vertederos y resguardos de presas; d) la forma del hidrograma de crecidas en aquellos casos en que deba considerarse la superposición de varias crecidas; por ejemplo, protecciones contra inundaciones río abajo de la desembocadura de grandes tributarios o para el funcionamiento de los embalses durante las crecidas.
710
CAPÍTULO 53
53.2 Clases de crecidas de diseño Los siguientes tipos de crecidas de diseño se usan comúnmente en la la ingeniería de gestión de recursos hídricos: a) crecida de diseño para vertederos – Término a menudo usado en el diseño de presas para identificar la crecida que un vertedero debe poder evacuar para ofrecer el grado de deseado protección a la presa [1]; b) crecida de construcción – Una crecida para la cual se deben tomar precauciones razonables para evitar la inundación de las obras de construcción y con ello evitar daños a los proyectos durante su construcción; c) crecida máxima probable (CMP) – La mayor crecida que cabe esperar en un lugar, teniendo en cuenta todos los factores pertinentes de emplazamiento, meteorología, hidrología y terreno (sección 27.3). Tiene básicamente un período de retorno infinito y podría seleccionarse como crecida de diseño para evitar desastres; d) crecida normal de proyecto (CMP) - Crecida resultante de la combinación de condiciones meteorológicas e hidrológicas más desfavorables que se consideren razonablemente características de la región geográfica correspondiente, salvo las combinaciones extremadamente excepcionales. Tiene un largo aunque no especificado período de retorno y puede seleccionarse como crecida de diseño para estructuras de gran importancia. 53.2.1 Magnitud y métodos de cálculo La regla general para seleccionar la magnitud de la crecida de diseño es reducir el riesgo de inundación (aumentar la crecida de diseño) que es inversamente proporcional a la magnitud de los posibles daños materiales. Para estructuras que implican riesgos reducidos de daños, como alcantarillas de carreteras y carreteras secundarias, la crecida de diseño se puede calcular mediante métodos empíricos en vista de que el conocimiento de su período de retorno exacto es relativamente de poca importancia. Para estructuras o proyectos que suponen grandes daños potenciales, pero sin peligro de pérdida de vidas humanas, las crecidas de diseño se deben calcular, siempre que sea posible, mediante métodos que permitan una evaluación de sus períodos de retorno de manera que se puedan emplear métodos de optimización para la selección de la magnitud de la crecida de diseño. Cuando existan riesgos de pérdida de vidas humanas, el objetivo es asegurar una máxima protección, y en general se adopta la crecida máxima probable o la crecida de proyecto normal. 53.2.2 Período de vida útil En el gran número de casos en que la crecida de diseño se selecciona optimizando la relación entre los daños previstos producidos por la indundación y el costo de las medidas de protección, el nivel óptimo resultante del riesgo calculado depende, en
ESTIMACIÓN DE LAS CRECIDAS DE DISEÑO
711
cierta medida, del tiempo previsto de funcionamiento de la obra. Este período se denomina vida útil u horizonte de planificación de la obra y se determina en la etapa de planificación en base a las cuatro períodos de tiempo siguientes [2]: a) la vida física, que termina cuando una instalación ya no puede realizar físicamente la función prevista; b) la vida económica, que termina cuando los beneficios incrementales del uso continuado de la instalación dejan de superar los costos incrementales de su explotación continua; c) el período de análisis, que es el tiempo durante el cual cabe esperar que una instalación funcione en condiciones que puedan predecirse con relativa precisión en el momento de realizar el análisis (salvo el funcionamiento que, en un futuro esté sujeto a un alto grado de incertidumbre); y d) el horizonte de construcción, que se alcanza cuando se prevé que una instalación ya es incapaz de satisfacer las futuras demandas (obsolescencia funcional). El nivel óptimo del riesgo calculado y, por consiguiente, el período de retorno de diseño para cada uno de estos períodos puede ser diferente, y la selección final de la crecida de diseño no puede hacerse sin considerar criterios políticos, sociales, medioambientales, u otros criterios no cuantificables. 53.2.3 Crecidas de diseño para grandes embalses En la selección de crecidas de diseño para el diseño de vertederos de grandes embalses se debe prestar especial atención al hecho de que el propio embalse puede cambiar considerablemente el régimen de crecidas, tanto dentro del embalse como en la sección aguas abajo del río. El efecto básico producido por un embalse sobre la crecida es su atenuación. Su evaluación requiere un conocimiento de la forma del hidrograma original de crecidas. Cuando no se conoce el hidrograma, se asume una forma hipotética (a menudo triangular) que se ajusta al volumen de crecidas y descarga máxima seleccionados. Al evaluar el efecto de la atenuación de crecidas en la reducción de capacidad del vertedero y el resguardo de una presa, es imperativo adoptar un enfoque conservador y tener en cuenta sólo los efectos que puedan garantizarse en todo momento. De esta manera, se considerará únicamente el efecto del vertedero sin compuertas, y se supondrá que todas las salidas con compuertas están cerradas y que el embalse está lleno hasta la cresta del vertedero al iniciarse la crecida. Además de la atenuación de la crecida, también se deben analizar minuciosamente el régimen de crecidas aguas abajo desde el punto de vista de los cambios en la sucesión de los picos de crecida, los efectos de los cambios de forma de los hidrogramas de crecidas y los efectos en el cauce del río ocasionados por el aumento de la tendencia erosiva del agua casi libre de sedimentos que sale del embalse a través del vertedero.
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CAPÍTULO 53
Asimismo, se debe tener en cuenta el tipo de estructura de la presa porque es fundamental en la determinación de su vulnerabilidad en caso de producirse un desbordamiento. La vulnerabilidad es mayor en las presas de tierra que suelen derrumbarse cuando se desbordan. 53.2.4 Crecida máxima probable (CMP) La crecida máxima probable se calcula a partir de las precipitaciones máximas probables (sección 29.4) o de la combinación más desfavorable del volumen máximo de afluentes originados al derretirse la nieve y de la máxima precipitación probable que se puede producir durante el período crítico de fusión de nieve (sección 31.7). Como las precipitaciones generalmente representan la mayor parte de la escorrentía de la CMP, debe prestarse especial atención a la conversión de las precipitaciones en escorrentía. Esta conversión se realiza mediante modelos determinísticos de precipitaciones-escorrentía (secciones 33.3 y 39.3), pero su aplicación con este fin implica ciertas modificaciones diseñadas para acomodar la extrema magnitud del fenómeno pluvial que se está usando como dato de entrada. Las modificaciones más importantes son las siguientes: a) el efecto de las condiciones iniciales de humedad del suelo y de la variación de la velocidad de infiltración, durante la lluvia sobre el caudal, se reduce sensiblemente en comparación con su efecto en la simulación de caudal en condiciones normales. De ahí que se pueden simplificar considerablemente los refinados métodos empleados en la mayoría de los modelos para estimar los índices de infiltración. Una práctica común consiste en usar la capacidad mínima de infiltración o el coeficiente máximo de escorrentía, para un tipo de suelo y una capa de vegetación dados, durante toda la tormenta; b) cuando se utilice un hidrograma unitario para transformar la precipitación máxima, debe recordarse que la validez de la hipótesis implícita de linealidad está limitada a condiciones similares a las vigentes al calcular dicho hidrograma. Un análisis de crecidas en una serie de cuencas [3] ha demostrado que las ordenadas en los hidrogramas unitarios obtenidos de grandes crecidas (superiores a 125 milímetros de escorrentía en el área de la cuenca) son con frecuencia entre un 25 y un 50 por ciento superiores a las coordenadas máximas obtenidas de crecidas menores (25 a 50 milímetros de escorrentía). Es importante tener en cuenta que el ajuste del hidrograma unitario para el cálculo de la CMP debe hacerse de manera que se obtenga una estimación conservadora; y c) en el caso de cuencas de drenaje de más de 500 km2 o incluso cuencas más pequeñas donde las diversas regiones que la componen tienen características de escorrentía muy diferentes, es necesario elaborar hidrogramas unitarios y CMP individuales para varias subáreas, y obtener la CMP para toda la cuenca por la propagación de las crecidas componentes aguas abajo hasta el lugar del proyecto.
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Debe recordarse que la misma configuración de curvas isoyetas de la tormenta de diseño sobre la cuenca de captación, que indica la crecida máxima, si se utiliza un solo hidrograma unitario para toda la cuenca, no necesariamente indica la crecida máxima si se divide la cuenca en varias subáreas. Por consiguiente, para cada subdivisión de la cuenca, se deberá determinar por separado una posición óptima de la tormenta de diseño (es decir, la posición que arroje la combinación más desfavorable de los parámetros pertinentes de la CMP) teniendo en cuenta las restricciones debidas a la orografía, como se indica en la sección 29.4. Aunque no se pueda asignar un período de retorno específico a la CMP, sus parámetros se deben comparar con las curvas de frecuencia respectivas ajustadas a las crecidas históricas, para asegurarse de que tengan períodos de retorno muy prolongados, que no han sido igualados por ninguna de las crecidas históricas. 53.2.5 Crecida de proyecto estándar (CPE) La crecida de proyecto estándar (CPE) suele ser igual a casi un 50 por ciento de la CMP [1] y su determinación se basa en consideraciones similares a las de este último parámetro. La CPE se determina al transformar la mayor tormenta observada en la región del proyecto, en lugar de una tormenta meteorológicamente maximizada, como en el caso de la CMP. A pesar de esto, la CPE representa una crecida muy extraordinaria, y no debe rebasar en más de un pequeño porcentaje las mayores crecidas que se produzcan en la región [1]. 53.3 Preparación de datos Los datos básicos para determinar las crecidas de diseño son los registros recopilados por los Servicios Hidrológicos y Meteorológicos regionales o nacionales. Estos datos existen en forma de registros liminimétricos y de mediciones de las descargas, que constituyen la base para calcular las curvas de caudales. Como la magnitud de la crecida de diseño depende fundamentalmente de las mediciones de grandes descargas, debe prestarse especial atención a su evaluación y a la extensión de las curvas de caudales. Para una correcta evaluación del régimen de crecidas, es esencial adquirir suficiente información sobre las crecidas históricas. El elemento básico de esta información es el nivel del agua. Al recopilar la información sobre niveles de crecidas, se puede hacer uso de restos de materiales depositados por crecidas, marcas de crecidas en puentes, edificios y orillas de los ríos, recuerdos de los residentes que han vivido en el lugar durante mucho tiempo, fotografías tomadas durante las crecidas, materiales de archivo, artículos publicados en la prensa, y literatura pertinente. Para convertir en descargas las alturas de crecidas determinadas durante las investigaciones, los cálculos hidráulicos deben estar basados en secciones transversales reconstruidas del río, perfiles longitudinales, pendiente de la superficie del
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CAPÍTULO 53
agua y rugosidad del cauce. Se deben tener en cuenta todas las modificaciones conocidas del cauce del río (por ejemplo, dragados, terraplenes, rectificaciones del cauce). Debido a la limitada exactitud de las características reconstruidas del río, basta aplicar las fórmulas de Manning y Chézy para este tipo de cálculos hidráulicos. 53.4 Técnicas para el cálculo de crecidas de diseño La selección de técnicas de cálculo para determinar las crecidas de diseño depende del tipo, cantidad y calidad de los datos hidrológicos disponibles. En general, la mejor técnica es la que permite la extracción de la máxima cantidad de información pertinente a partir de los datos dados. Cabe destacar que una técnica o un método que ofrezca un mayor grado de refinamiento no necesariamente tiene que ser el más apropiado para una situación específica. Por ejemplo, si bien es cierto que al ajustar una distribución de probabilidades de tres parámetros a una muestra de datos se puede obtener una mayor precisión que con una distribución de dos parámetros, sería erróneo suponer que un modelo de tres parámetros es siempre preferible a un modelo de dos. La preferencia de uno u otro depende del tamaño de la muestra de datos. La relativa eficacia de un modelo de tres parámetros generalmente disminuye según el tamaño de la muestra sea más pequeño, porque, para una muestra pequeña, la cantidad de ruido (error de muestreo) en el tercer parámetro puede ser mucho mayor que la cantidad de información. Los errores de muestreo pueden conducir a un ajuste menos adecuado que si se ignora el tercer parámetro. Para poder sacar el máximo de información de una serie de datos escasos o inexactos se aconseja aplicar varios métodos distintos, comparar los resultados y seleccionar los parámetros de diseño en base a criterios de ingeniería. El análisis de sensibilidad puede ser de gran utilidad en el momento de tomar la decisión final porque puede mostrar el impacto de los errores potenciales en la magnitud de la variable de diseño. 53.4.1 Métodos empíricos Con las fórmulas empíricas para las crecidas se trata de obtener formas simples de relaciones entre las variables de crecidas (generalmente la crecida máxima) y los factores que producen la crecida caracterizados por diferentes variables geomorfológicas y meteorológicas. Un tipo de fórmula comúnmente usado para expresar la descarga Q como función exponencial del área de la cuenca de captación A: Q = CAn
(53.1)
donde el coeficiente C y el exponente n varían dentro de amplios límites, seleccionándose los valores para un estudio en particular en base a datos empíricos [4]. La aplicación de las fórmulas empíricas generalmente está limitada a la región para la cual han sido desarrolladas, y se deben utilizar con gran precaución y sólo en
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caso de no poder aplicarse un método más exacto. Otro de los inconvenientes de las fórmulas empíricas es la dificultad que hay para evaluar el período de retorno del caudal máximo calculado. Se puede trazar un gráfico de una curva envolvente que abarque los picos de los caudales máximos observados en un gran número de estaciones en una región meteorológica y geomorfológicamente homogénea. Estas curvas ofrecen una información útil, especialmente cuando se dispone de pocos datos en cualquiera de las diversas estaciones. Se ha tratado de mejorar estar técnica construyendo diferentes envolventes relacionadas con diversos factores climatológicos y/o geomorfológicos [5]. No obstante, los períodos de retorno de los picos de caudales siguen siendo indeterminados. 53.4.2 Modelos determinísticos Los modelos determinísticos se usan para sintetizar las crecidas de diseño simulando los procesos físicos que rigen la formación de la crecida. Los modelos empleados para este fin son básicamente los mismos que se utilizan para la síntesis de caudales en general (capítulos 33 y 34). No obstante, en vista de que en ellos se destacan las crecidas acaecidas, en vez de construir un registro continuo de caudales, la elección, calibración y aplicación de los modelos para el cálculo de la crecida de diseño pueden ser diferentes de los que se emplean para una síntesis de caudales con fines generales. En particular, los modelos deben ofrecer una representación exacta de los picos de crecidas, los volúmenes, y las formas de los hidrogramas individuales que correspondan a las precipitaciones reales acaecidas y a las condiciones de fusión de la nieve. Su capacidad de predecir la posición exacta del hidrograma de crecida en el eje de los tiempos es de importancia secundaria. Dependiendo de que la crecida de diseño vaya a ser sintetizada a partir de las precipitaciones y/o la fusión de la nieve, o partiendo de hidrogramas de crecidas conocidos en los puntos aguas arriba, los modelos determinísticos de interés caen dentro de dos amplias categorías: a) modelos de precipitaciones-escorrentía, como se describen en el capítulo 33; y b) modelos de encaminamiento de caudales, como se describen en el capítulo 34. 53.4.3 Métodos probabilísticos Una de las mayores preocupaciones en la elaboración de las crecidas de diseño es la evaluación de los riesgos asociados con la incidencia de crecidas superiores a la crecida de diseño. El conocimiento de estos riesgos es importante por sus implicaciones sociales, ambientales y económicas, como la determinación de las primas de seguros contra inundaciones, la reglamentación relativa a las en zonas de inundaciones o las consecuencias sobre la calidad del agua. Como las crecidas son fenómenos estocásticos, sus magnitudes e intervalos de futura incidencia no se pueden
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CAPÍTULO 53
predecir. La única posibilidad es evaluar las en base a un método probabilístico, es decir, asignando una probabilidad a la posibilidad de que una crecida de una magnitud dada pueda ser rebasada dentro de un período determinado de tiempo. Una variable que tiene una probabilidad de excedencia p, tiene un período de retorno T = l/p. El capítulo 27 ofrece una guía para el análisis de frecuencia en general y el capítulo 36, en particular, para las crecidas. La probabilidad de excedencia de una magnitud dada de un acontecimiento, derivada de un modelo de distribución de probabilidades, se refiere a cada observación que se hizo del evento. Por lo tanto, cuando se considera una serie anual de crecidas, la probabilidad de excedencia pn define el riesgo de que la magnitud dada pueda ser rebasada en cualquier año. No obstante, a menudo es más necesario calcular una probabilidad pn que un evento dado (por ejemplo, la excedencia de un pico de crecida en particular) se producirá al menos una vez en n años; por ejemplo, durante la vida de diseño de un proyecto. Si se satisface la hipótesis de independencia de las crecidas en años sucesivos, esta probabilidad es igual a: 1 n n pn = 1 − (1 − p) = 1 − 1 − T
(53.2)
donde T es el período de retorno. Cabe destacar que el riesgo de que se produzca un evento al menos una vez durante su período de retorno se deduce de la ecuación 53.2 para n igual a T. Si T es grande, el riesgo se acerca al valor asintótico 1 – e-1 ≅ 0,63. A partir de la ecuación 53.2, T se puede expresar como una función de n y pn, es decir, para calcular un período de retorno tal que el riesgo de incidencia del evento durante un período de n años tenga un valor dado pn. Este período de retorno se denomina período de retorno de diseño Td y es igual a: Td = 1/[1 – (1 – pn) 1/n]
(53.3)
Una aproximación útil de esta fórmula sería: 1 1 Td = n − pn 2
(53.4)
La tabla que figura a continuación indica algunos de los valores de Tdn y pn. Para ilustrar su uso, supongamos que la vida de diseño de una presa es de 50 años y que el diseñador desea correr un riesgo de sólo un 10% de que la presa pueda desbordarse durante su vida de diseño. Entonces, n es igual a 50, pn a 0,10, y la presa debe diseñarse de manera que resista una crecida que tiene un período de retorno Td = 475 años, es decir, una probabilidad de excedencia p = 1/Td ≈ 0,2 por ciento.
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Período de retorno de diseño Td necesario para un acontecimiento cuya probabilidad de incidencia en n años es igual a pn n años pn 0,01 0,10 0,50 0,75
2 199,0 19,5 3,4 2,0
10
50
100
995,0 95,4 14,9 7,7
4975,0 475,0 72,6 36,6
9950,0 950,0 145,0 72,6
Referencias 1. Linsley, R. K. y Franzini, J. B., 1972: Water Resources Engineering. McGrawHill, NuevaYork. 2. James, L. D. y Lee, R. R., 1971: Economics of Water Resources Planning. McGraw-Hill, NuevaYork. 3. Morris, W. V., 1961: Conversion of storm rainfall to runoff. Proceedings of Symposium Nº 1 — Spillway Design Floods, 4-5 de noviembre 1959, Ottawa, Department of Northern Affairs and National Resources, Water Resources Branch, págs. 172-226. 4. Eagleson, P. S., 1970: Dynamic Hydrology. McGraw-Hill, NuevaYork. 5. Francou, J. y Rodier, J., 1967: Essai de classification des crues maximales observées dans le monde. Cahier d’hydrologie de l’ ORSTOM, Vol. IV, N° 3.
CAPÍTULO 54 CONTROL DE CRECIDAS
54.1 Generalidades Las obras de regulación de crecidas pueden consistir en diques de defensa o malecones a lo largo del curso de un río, diseñados para confinarlo a un determinado cauce, o dirigirlo a lo largo de canales de evacuación de crecidas previstos y embalses diseñados para almacenar una parte del caudal de inundación, para reducir la crecida máxima aguas abajo del embalse. Para los diques de defensa y los malecones, se debe prestar especial atención a los requisitos de las instalaciones de drenaje interiores asociadas. Puede que se precisen grandes instalaciones de bombeo y áreas de embalse. 54.2 Embalses para el control de crecidas Un embalse debe estar dotado de un volumen de almacenamiento que dependerá del grado necesario de reducción de crecidas, y de las características de las crecidas del río. Si las crecidas sólo se producen durante ciertos períodos del año, se puede hacer que el nivel del embalse descienda antes de que comience el peligro de inundación, volviéndose a llenar posteriormente una vez que haya pasado el peligro. En estos casos, la reducción de las crecidas se logra la mayoría de las veces a través de programas de funcionamiento del embalse, en lugar de proporcionar almacenamiento adicional. No obstante, en zonas donde se puede producir una crecida repentina en cualquier momento del año, se debe mantener en todo momento una capacidad de reserva para almacenar temporalmente las aguas de las crecidas. La capacidad de almacenamiento que se debe mantener en reserva para fines de regulación de las crecidas se puede proporcionar a través de embalses internos o externos al río, aunque el almacenamiento para fines múltiples normalmente se proporciona mediante embalses situados en el río. Un embalse interno se forma aguas arriba de una presa construida a través de un río, mientras que el embalse externo está situado a los lados del río, y conectado al río a través de canales, umbrales, etc. 54.2.1 El problema de diseño La reducción de la crecida se logra deteniendo y almacenando una parte del agua de la crecida. La cantidad de almacenamiento necesaria (almacenamiento retenido) se
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CAPÍTULO 54
define como la parte del volumen del embalse que puede producir una reducción dada en una crecida máxima de una magnitud determinada o de una probabilidad de incidencia dada. Se distinguen tres tipos básicos de almacenamiento: a) almacenamiento regulado, en un embalse localizado en el río o fuera del río; b) almacenamiento no regulado en un embalse sobre un curso de agua; c) almacenamiento no regulado en un embalse fuera de un curso de agua. La capacidad de almacenamiento necesaria para lograr un efecto dado depende del tipo de almacenamiento utilizado. La siguiente figura muestra los efectos de transformación de las crecidas de cada uno de los tipos de almacenamiento, cuando se desea la misma reducción del pico de crecidas, y en las subsecciones que siguen se analizan estos efectos. En la práctica actual, el efecto de un embalse de regulación de crecidas generalmente es una combinación de tipos regulados y no regulados.
Flujo en m3 s-1
Flujo no controlado
QN
0
Flujo controlado a)
b)
c)
Tiempo Almacenamiento requerido para reducir el pico de crecida de caudal QN
Efectos de embalses en crecidas a) almacenamiento regulado, b) almacenamiento no regulado c) almacenamiento no regulado fuera del río 54.2.1.1 Almacenamiento de retención regulado El control total sobre el almacenamiento de retención de las crecidas de un embalse es el que ofrece la forma más eficaz de paliar las inundaciones porque sólo se puede empezar a almacenar el agua tras haberse alcanzado el caudal máximo admisible (también denominado caudal no perjudicial) aguas abajo del embalse. De esta manera, sólo se almacena la porción de agua de crecida que puede causar daño. El control sobre el almacenamiento se logra mediante la regulación de salidas dotadas de compuertas en el caso de un embalse situado en el río, y mediante la regulación de entradas y salidas provistas de compuertas en el caso de un embalse fuera del río. En un embalse situado dentro en el río, el control total sólo se logra si
CONTROL DE CRECIDAS
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la salida tiene la capacidad suficiente para descargar el caudal no perjudicial cuando el almacenamiento del embalse está en su mínimo, y si se puede regular totalmente la descarga de agua desde el almacenamiento de detención. En un embalse fuera del río, el control total sólo se puede lograr si la entrada dispone de suficiente capacidad para evitar cualquier aumento de caudal que se produzca en la sección aguas abajo del río por encima del caudal no perjudicial, y si se puede regular la descarga del agua detenida. La crecida de diseño para determinar la capacidad de almacenamiento de retención de crecidas de un embalse no necesariamente tiene que ser igual a la crecida de diseño utilizada para diseñar su vertedero, puesto que generalmente los requisitos de seguridad de la presa suelen ser diferentes a los requisitos normales de protección contra inundaciones aguas abajo del embalse. 54.2.1.2 Almacenamiento de retención no regulado en el río El almacenamiento por encima de una cresta de vertedero fijo de un embalse emplazado en un río se considera como no regulado, a los efectos de diseño, aunque pudiera estar parcialmente regulado por descargas a través de salidas dotadas de compuertas y turbinas. No obstante, para diseñar el almacenamiento de retención no regulado, estas descargas se consideran constantes durante el paso de una crecida, o las salidas se consideran como cerradas. La primera condición es la que generalmente se adopta para evaluar los efectos normales de regulación de crecidas aguas abajo del embalse, mientras que la segunda condición se aplica a la evaluación de la seguridad de la presa. El almacenamiento de retención no regulado desempeña un importante papel en la seguridad contra desbordamiento de una presa. Su diseño está interrelacionado con el diseño del vertedero de la presa y debe estar basado en la misma crecida de diseño que el propio vertedero. Las consideraciones relacionadas con la seguridad en el diseño del vertedero exigen que se considere el embalse como lleno hasta la cresta del vertedero al comienzo de la crecida de diseño. Como indica la comparación entre las partes a) y b) de la figura, el almacenamiento no regulado es menos eficaz en cuanto a la reducción de los picos de crecidas que en el almacenamiento regulado. Esto se debe a que el almacenamiento no regulado comienza a llenarse antes de que sea necesario. 54.2.1.4 Almacenamiento de retención no regulado fuera del río Este tipo de almacenamiento se emplea en los embalses fuera de los ríos (algunas veces llamados pólders por su semejanza estructural con los verdaderos pólders) que se construyen encerrando una parte de la planicie de inundación mediante un dique cuya cresta en el extremo aguas arriba se hace descender para formar un umbral, es decir, una entrada en el cerramiento. Cuando la altura del río en el extremo aguas
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CAPÍTULO 54
arriba se eleva por encima de la cresta del umbral, el pólder comienza a llenar inundando por encima del umbral. El hecho de que el río sea independiente del embalse hace que el almacenamiento no regulado fuera del río sea más eficaz que el almacenamiento regulado dentro del río debido a que el llenado innecesario comienza más tarde (partes b) y c) de la figura). 54.2.2
Consideraciones sobre el funcionamiento para la elaboración del diseño El almacenamiento de retención de crecidas se utiliza frecuentemente en embalses múltiples situados sobre el río, dotados de salidas con compuertas y con una capacidad suficiente para ofrecer un alto grado de control del almacenamiento del embalse. Estos embalses siempre tienen algún almacenamiento de retención de crecidas sin compuertas y, en muchos casos, también tienen designada una parte del almacenamiento dotados de compuertas reservado para la retención de las crecidas. Además, el almacenamiento designado para otros usos puede ser utilizado ocasionalmente para regular las crecidas. Esta diversidad ofrece cierto grado de flexibilidad y hace que la reducción de las crecidas dependa en gran medida del modo de funcionamiento del embalse. Por consiguiente, se hace necesario, en estos casos, analizar un gran número de diferentes modos de funcionamiento durante las primeras etapas de diseño, ya que los resultados afectan la selección de las variables de diseño del proyecto. 54.2.3 Otras consideraciones referentes a los embalses 54.2.3.1 Intervalo de tiempo entre crecidas sucesivas El empleo de embalses de almacenamiento para reducir las crecidas plantea la cuestión de una posible ocurrencia de dos o más crecidas en sucesión inmediata, y por lo tanto, la posibilidad de que el almacenamiento de retención que se ha llenado por una crecida no pueda ser vaciado antes de que llegue la siguiente. El problema radica básicamente en la distribución de los tiempos entre acontecimientos de crecidas de determinadas magnitudes y se puede resolver mediante un análisis de frecuencia (sección 27.2) de los registros históricos de caudal, de los patrones meteorológicos sinópticos, o de los registros sintéticos de caudales derivados de los registros de precipitaciones a través de modelos determinísticos (sección 33.3). No obstante, debe tenerse sumo cuidado al extrapolar las curvas de frecuencia de los intervalos entre crecidas a fin de asegurarse de que se han respetado las restricciones físicas. 54.2.3.2 Efectos de la sedimentación El depósito de sedimentos en un embalse reduce su capacidad de almacenamiento y de cumplir su función. La mayoría de los embalses tienen determinada parte de su capacidad de almacenamiento designada para el depósito de sedimentos a fin de evitar una reducción prematura del almacenamiento activo. Puede suceder, sin embargo,
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que este almacenamiento resulte inadecuado. El almacenamiento de retención de crecidas puede verse muy afectado al ocupar la parte aguas arriba del embalse que es donde primero se produce la sedimentación. Así, la eficacia en la reducción de las crecidas de un embalse generalmente disminuye con el tiempo. Este aspecto debe ser tenido en cuenta en la planificación de obras de protección a largo plazo contra las crecidas de forma que se puedan tomar a tiempo otras medidas. 54.2.3.3 Efectos del desarrollo de la zona aguas arriba El diseño de una estructura de regulación de crecidas se basa en un análisis de crecidas acaecidas en el pasado, aunque la estructura sea para regular futuras crecidas. El crecimiento demográfico y los incrementos en el nivel de vida conducen a un mayor uso de las tierras. Los bosques pueden transformarse en terrenos agrícolas, y se puede mejorar el drenaje de estos terrenos. El cambio del trabajo manual por la mecanización en la agricultura, y la ampliación e intensificación de la urbanización, a menudo contribuyen a un incremento de los volúmenes y descargas de la escorrentía superficial y el transporte de sedimentos. La aplicación de buenas prácticas de conservación del suelo contribuye a disminuir este incremento. La evaluación de los efectos hidrológicos del desarrollo agrario es una tarea difícil, pero el hidrólogo debe ser consciente de sus efectos en términos de aumentar el riesgo de inundaciones. 54.3 Otras medidas estructurales 54.3.1 Desviación La desviación de las aguas de crecidas de un río a otro implica las siguientes consideraciones hidrológicas: a) determinar los hidrogramas de crecida de diseño para ambos ríos; b) separar la parte del hidrograma de crecidas que se debe desviar; c) estudiar la propagación de la crecida del caudal desviado a través del canal de desviación; d) combinar el caudal desviado con las crecidas que se producen en el río receptor; y e) calcular las nuevas frecuencias de crecidas en tramos aguas abajo de los dos ríos implicados. Debe tenerse el cuidado de evaluar el desfase y la superposición de crecidas en el río receptor, así como los efectos de remanso que puedan causar un aumento del riesgo de inundaciones en el tramo aguas arriba del punto de descarga en el río receptor. 54.3.2 Modificación de cauces La modificación de los cauces tiene generalmente por objetivo aumentar su capacidad al aumentar su profundidad y anchura, cortando meandros y reduciendo su longitud, así como limpiándolo y a veces revistiéndolo para reducir su resistencia a la corriente. El resultado es un incremento en la velocidad de la corriente y una dis-
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CAPÍTULO 54
minución de la altura del río en el tramo en cuestión, y por lo tanto una reducción de las crecidas a lo largo del tramo modificado, que produce aumentos de los picos de crecidas aguas abajo. La mejor manera de evaluar las modificaciones del cauce es empleando métodos de hidráulicos de estudio de la propagación (capítulo 34) teniendo en cuenta correctamente la interacción entre las crecidas en el cauce principal y las de los tributarios río abajo. Uno de los efectos de la modificación de los cauces es un aumento de la erosión en el tramo modificado y aguas arriba de dicho tramo, además de un aumento de sedimientos aguas abajo. Los efectos contrarios se pueden lograr reduciendo la capacidad del cauce por medio de varias obras de rectificación del caudal. Al obstruir la corriente, estas estructuras dan lugar a un aumento de la inundación aguas arriba y una reducción de las crecidas aguas abajo. El mecanismo de funcionamiento es similar al de un embalse no regulado emplazado dentro del río (sección 54.2.1.2). 54.3.3 Diques y muros de protección contra las crecidas Los diques o malecones, paralelos a los ríos o rodeando las zonas ribereñas, constituyen las principales medidas de protección contra inundaciones, sobre todo en terrenos planos y a lo largo de grandes ríos, y se pueden combinar con otros medios (como desviaciones, cuencas de retención, embalses de emergencia y distribución por zonas). La mayoría de los diques se construyen de tierra y deben ser resistentes a los niveles de crecida, a la acción de las olas y a las infiltraciones, por ejemplo, sifonamiento y erosión interna. El diseño de estos diques requiere: a) que los niveles de crecida de diseño se establezcan de acuerdo con el valor económico del área protegida; b) resguardos contra el desbordamiento y los ataques de las olas; c) duración de los niveles de crecida para calcular la infiltración y los gradientes hidráulicos en los diques de tierra y subterráneos; d) probabilidad de obstrucciones de hielo y posterior contracorriente. Los niveles de agua de diseño se deben calcular en base a observaciones de hielo libre, si el régimen de flujo es natural. En los ríos en que las actividades humanas influyen en el régimen hidrológico (embalses, diques o presas aguas arriba), el nivel de agua se debe calcular en base a las condiciones hidráulicas [1]. La probabilidad del nivel de agua de diseño para los diques es normalmente de un 2,1 a un 0,1 por ciento (crecidas en 50, 100 ó 1 000 años) según el valor de la zona protegida. En ríos sujetos a frecuentes obstrucciones de hielo, los niveles de agua se deben calcular de acuerdo con los niveles más altos de contracorriente ocasionados por las obstrucciones de hielo aguas abajo. Los resguardos por encima del nivel de crecida de diseño deben asegurar que las crecidas extremas no sobrepasen el dique, que la infiltración no origine un caudal
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significativo en el dique, y que las olas no superen el nivel de la cresta del dique. Según las condiciones de las olas y de la pendiente del dique en el lado del agua, la altura del resguardo normalmente debe ser de uno a dos metros. El resguardo se puede también construir de muros contra crecidas sobre la cresta del dique. La carga del dique depende de la duración de las crecidas. Por consiguiente, un análisis estadístico de la duración de determinados niveles del agua puede ayudar a diseñar y a construir presas resistentes a la infiltración. La alineación de los diques, es decir la anchura de las planicies de inundación no protegidas, influye en los niveles de agua río arriba. Si son muy estrechos pueden originar una seria elevación del nivel de crecidas. Por consiguiente, el diseño de los diques debe tener en cuenta los nuevos niveles de agua río arriba. Las dimensiones del resguardo en planicies de inundación también requiere que se preste la debida atención al cambio en la resistencia hidráulica vinculada a la vegetación. El riesgo de rupturas de los diques no puede eliminarse del todo. El área que podría inundarse por las rupturas del dique se puede estimar en base a la experiencia previa. En caso de hacerse este tipo de estudios, se pueden elaborar avisos de emergencia para la población. La evaluación de la situación de emergencia es una actividad importante para las áreas protegidas que pueden llegar a necesitar evacuaciones o encontrarse aisladas debido a las inundaciones. 54.4 Medidas no estructurales 54.4.1 Control de las planicies de inundación Las planicies de inundación son propicias para el desarrollo agrícola, municipal, industrial y del transporte debido a la alta fertilidad del suelo, la proximidad del agua y materiales de construcción como arena y grava, así como su planeidad que facilita la construcción y la accesibilidad. Su desarrollo se ve estimulado por el hecho de que los intervalos entre las mayores crecidas son algunas veces largos. Por estas razones, y por el elevado costo y la eficacia limitada de las estructuras de protección contra inundaciones, se está haciendo cada vez más necesario regular el desarrollo de las planicies de inundación a través de una distribución por zonas y seguros de inundaciones adecuados. La función del hidrólogo es delimitar la extensión de las crecidas de los diferentes períodos de retorno. Esta tarea se puede realizar al estudiar la propagación de las crecidas de diseño de diferentes frecuencias a través de la planicie de inundación, así como al determinar los niveles de crecida, y al trazar líneas de crecidas sobre mapas topográficos. 54.4.2 Aviso de crecidas Para mejorar los resultados de mitigación de crecidas, es necesario adoptar una actitud activa hacia la reducción de los daños originados por las inundaciones, en lugar
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de confiar pasivamente el efecto de las medidas estructurales existentes, la distribución en zonas, y otras medidas. El enfoque activo consiste en la adopción de diferentes medidas ad hoc que pudieran ser adecuadas para cada crecida en particular, como evacuación de una zona amenazada, retiro de equipos valiosos, protección temporal contra inundaciones mediante sacos de arena en combinación con bombeo. Para ello, es esencial que se desarrolle un sistema eficaz de aviso de crecidas (sección 43.3.1), que indique con suficiente anticipación la magnitud y duración esperada de la inundación. Un punto importante que cabe destacar a este respecto es la necesidad de un funcionamiento constante del sistema de aviso de crecidas, a pesar del hecho de que sólo pueda usarse en muy contadas ocasiones. Los sistemas que sólo se activan una vez cada muchos años tienen muchas probabilidades de fallar cuando son necesarios. Un funcionamiento constante mantiene en buenas condiciones de trabajo los equipos y programas informáticos, y la organización, y permite mejorar progresivamente el sistema. Para que el funcionamiento constante sea rentable, el sistema de aviso de crecidas puede combinarse con otras actividades, como la predicción diaria del tiempo, las mediciones hidrométricas periódicas, y el control de tráfico. 54.5
Diseño de las obras de drenaje de cuencas urbanas y de pequeñas cuencas rurales 54.5.1 Características de los sistemas de drenaje El diseño de los sistemas de drenaje para cuencas urbanas y pequeñas cuencas rurales es diferente del diseño de las cuencas naturales por las siguientes razones: a) el área de drenaje en las captaciones urbanas suele ser muy pequeña; b) las cuencas urbanas generalmente tienen una alta proporción de áreas impermeables que dan lugar a una elevada escorrentía; c) el proceso de generación de crecidas suele ser más rápido en las captaciones urbanas que en grandes cuencas rurales; d) el agua generalmente no es drenada por los ríos, sino por conductos y canales cerrados; e) en las cuencas urbanas generalmente no se dispone de datos de caudales. Debido a la escasez general de datos de escorrentía para pequeñas cuencas rurales y áreas urbanas, el diseño de los sistemas de drenaje de aguas pluviales debe empezar con un análisis de frecuencia de las precipitaciones de diferentes intensidades (capítulos 28 y 29). En general, no es rentable diseñar sistemas de drenaje urbanos o agrícolas (alcantarillados, cunetas de desagüe de carreteras y aeropuertos, alcantarillas de carreteras, estaciones de bombeo para zonas bajas, etc.) para resistir las precipitaciones más intensas – más concretamente, para resistir las descargas más críticas – que pudiesen producirse durante la vida del sistema.
CONTROL DE CRECIDAS
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De ahí que estos sistemas se diseñan de manera que ofrezcan protección contra una combinación de intensidad y duración de precipitaciones de una probabilidad especificada, en vez de hacerlo contra las precipitaciones máximas probables. El caudal tipo para un sistema podría ser determinado a partir de consideraciones como la estimación de los daños que causaría sobrecargar la capacidad de la obra con caudales grandes, pero poco frecuentes, y el costo adicional de diseñar y construir tal sistema capaz de tolerar esos caudales extraordinarios. El capítulo 55 contiene un análisis del drenaje agrícola. 54.5.2 Cálculo de las descargas de los sistemas de drenaje Los caudales en el emplazamiento terminal de un sistema de drenaje debidos a precipitaciones de una intensidad dada generalmente se calculan mediante el llamado método racional, que se describe en detalle en diferentes manuales [2, 3]. Este sencillo método que ha venido empleándose en la práctica para preparar y diseñar los sistemas durante más de un siglo, se basa en datos sobre la intensidad máxima de las precipitaciones durante el tiempo de concentración y los coeficientes de escorrentía, según el relieve de la cuenca. No obstante, este método sólo se aplica a pequeñas áreas con un breve tiempo de concentración y se emplea para calcular el valor del caudal máximo, pero no el volumen de escorrentía ni la forma del hidrograma. El método racional no sirve para describir el comportamiento de una cuenca urbana que contiene varios ramales de alcantarillas. En este caso, cuando se dispone de los registros necesarios, se puede elaborar un hidrograma unitario (sección 33.3.1) para las redes de alcantarillado existentes. Si no se dispone de estos registros o si se diseña una red modificada, se puede establecer una curva de tiempo-área para el sistema empleando alguna de las numerosas técnicas disponibles [4, 5, 6]. El diseño y funcionamiento de una red de alcantarillado para una gran ciudad puede justificar el uso de modelos de sistema distribuidos. Estos modelos han venido experimentado un rápido desarrollo y ya se dispone de numerosos tipos [7, 9]. La tendencia actual en el diseño de los sistemas urbanos de drenaje y en los pequeños sistemas rurales de drenaje consiste en pasar del análisis de los datos meteorológicos a la síntesis de las tormentas de diseño que a continuación se emplean como datos de entrada cuando se utilizan modelos determinísticos para obtener los hidrogramas de crecida de proyectos con entradas individuales en el sistema fluvial o en las diferentes partes de la cuenca. Se estudiará entonces la propagación de estos hidrogramas a través del sistema de drenaje con ayuda de métodos de cálculo de la propagación de caudales, para obtener los hidrogramas finales de crecida de diseño para puntos específicos dentro del sistema. Marsalek presenta una descripción y evaluación de algunos modelos hidrológicos recientes para las cuencas urbanas en Urban Hydrological Modelling and Catchment Research in Canada [8] y Maksimovic y Radojkovic tratan el mismo tema en Urban Drainage Modelling [9].
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CAPÍTULO 54
54.6 Efectos en el ciclo hidrológico Los sistemas de drenaje de las zonas urbanizadas ejercen un pronunciado efecto en el ciclo hidrológico: la red y el relieve hidrográfico se modifican, así como los elementos hidroclimáticos (clima local, precipitaciones, evaporación, etc.), la acumulación superficial y subsuperficial, la escorrentía superficial y subterránea, la calidad del agua, la erosión y el transporte de sedimentos. El balance hídrico en las regiones urbanizadas se transforma. La meteorología para la estimación cuantitativa de estos cambios se describe en el Manual on Drainage in Urbanized Areas [2] y el Manual on Urbanization Effects on Hydrology and Water Quality [3] publicados por la UNESCO. Referencias 1. Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura, 1984: Regulated River Basins — A Review of Hydrological Aspects for Operational Management (T. Kitson, ed.). IHP-II project A.22, Documento técnico de hidrología, París. 2. Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura, 1987: Manual on Drainage in Urbanized Areas. Volúmenes 1 y 2, Estudios e informes de hidrología Nº 43, París. 3. Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura, 1991: Manual on Urbanization Effects on Hydrology and Water Quality, San Petersburgo. 4. Chow, V. T. (ed.), 1964: Handbook of Applied Hydrology. Mc Graw-Hill, NuevaYork. 5. Watkins, L. H., 1962: The Design of Urban Sewer Systems. Technical Paper 55, Road Research Laboratory, Londres. 6. Terstriep, M. L. and Stall, J. B., 1969: Urban runoff by the road research laboratory method. Journal of the Hydraulics Division, American Society of Civil Engineers, volumen 95, HY6, págs. 1809-1834, Discussion Vol. 96, págs. 11001102, 1625-1631, 1879-1880; volumen 97, págs. 574-579. 7. Fleming, G., 1975: Computer Simulation Techniques in Hydrology. Elsevier, NuevaYork. 8. Marsalek, J., 1976: Urban Hydrological Modelling and Catchment Research in Canada. Technical Bulletin Nº 98, Environment Canada, Canada Centre for Inland Waters, Burlington, Ontario. 9. Maksimovic, C. y Radojkovic, M., (eds.), 1986: Urban drainage modelling. Proceedings of the International Symposium on Comparison of Urban Drainage Models with Real Catchment Data, 9-11 de abril de 1986, Dubrovnik, Yugoslavia.
CAPÍTULO 55 RIEGO Y DRENAJE
55.1 Riego Uno de los principales objetivos de la gestión de un sistema de riego es maximizar los rendimientos de las cosechas por volumen de agua consumida por el sistema. En la práctica, se utilizan cuatro tipos básicos de riego: superficial, por aspersión, subsuperficial y por goteo. Cuando el agua es escasa y cara, el uso del riego por goteo puede resultar interesante. El agua consumida sirve para: a) cubrir las necesidades de agua de las cosechas, que la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) [1] define como: el volumen de agua necesaria para compensar las pérdidas de agua originadas por la evaporación en una cosecha sana que crece en grandes campos en condiciones sin restricciones vinculadas al suelo, en términos de agua del suelo y fertilidad, y para obtener todo el potencial de la producción, teniendo en cuenta las condiciones de crecimiento dadas;
b) para satisfacer las pérdidas producidas por: i) evaporación proveniente de malas hierbas; ii) evaporación proveniente de superficies húmedas de vegetación y suelo saturado; iii) evaporación proveniente del suelo húmedo; iv) drenaje del agua del suelo; v) infiltraciones, fugas y evaporación de los embalses en canales asociados de distribución de agua. La gestión del agua está dirigida a asegurar que se cubran las necesidades de agua, minimizando al mismo tiempo otras pérdidas de agua. 55.1.1 Necesidades de agua de las cosechas Las necesidades de agua de las cosechas generalmente se calculan a partir del conocimiento de la demanda de evaporación y de las características de la cosecha, o más recientemente a partir de mediciones directas del estado del agua del suelo o del esfuerzo fisiológico de las plantas. La Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación [1] describe cómo se puede utilizar el método de evaporación en tanque, el método de
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CAPÍTULO 55
radiación, el método de Penman o el de Blaney-Criddle para calcular una evaporación potencial de la cosecha de referencia, que, multiplicada por un coeficiente adecuado de la cosecha, ofrezca una estimación del agua que necesita la cosecha. Los capítulos 9 y 38 contienen más información sobre los tres primeros métodos mencionados. En la ex Unión Soviética, se ha aplicado ampliamente el método del balance caloragua, que se basa en datos de una red hidrometeorológica estándar y que fue desarrollado por el Instituto hidrológico nacional. 55.1.1.1 Método de Blaney-Criddle Este método es uno de los más usados para estimar las necesidades de agua de una cosecha. La publicación de la FAO Guidelines for Predicting Crop Water Requirements [1], sugiere una adaptación de este método para calcular la evapotranspiración de referencia de las cosechas para zonas donde sólo se dispone de datos de temperatura del aire. El enfoque original de Blaney-Criddle requiere el uso de la temperatura y del porcentaje de horas de luz del día como variables climáticas para predecir el efecto del clima en la evapotranspiración. Luego, se aplica un coeficiente de uso consuntivo de la cosecha determinado empíricamente para establecer la necesidad de agua consuntiva, que se define como la cantidad de agua potencialmente necesaria para satisfacer las necesidades de evapotranspiración de las zonas vegetativas de manera que la producción de las plantas no se vea afectada por una falta de agua. No obstante, las necesidades de agua de las cosechas varían entre climas que tienen una temperatura del aire parecida, como entre climas muy secos o muy húmedos, o entre condiciones de calma y de mucho viento. De esta manera, el efecto del clima en las necesidades de agua de las cosechas no queda determinado sólo por la temperatura y la duración del día. Por consiguiente, el coeficiente de uso consuntivo de las cosechas variará no sólo con la cosecha, sino también con las condiciones climáticas. Su valor depende tanto del tiempo como del lugar, y normalmente se precisan experimentos locales sobre el terreno para su determinación. El factor de uso consuntivo f de Blaney-Criddle se calcula como sigue: f = p (0,46 t + 8,13)
(55.1)
donde p es el porcentaje medio diario de horas de luz del día anuales para un mes y una latitud dados, y t la media de las temperaturas diarias, en °C, durante el mes considerado. El factor f se expresa en milímetros por día, y representa el valor medio para el mes dado. Esta adaptación del método de Blaney-Criddle sólo debe usarse en caso de que sólo se disponga de datos meteorológicos. El empirismo que implica cada predicción de evapotranspiración a partir de un solo factor meteorológico es inevitablemente alto. Las condiciones meteorológicas de naturaleza parecida son las únicas para las cuales parece existir una correlación positiva entre los valores de f y la evapotranspiración de referencia de la cosecha.
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El uso del método de Blaney-Criddle para calcular la evapotranspiración media diaria debe aplicarse a períodos no inferiores a un mes. A menos que se pueda obtener una verificación de las condiciones meteorológicas generales prevalecientes (por ejemplo, la humedad mínima durante el día, la relación entre las horas de luz solar reales y las máximas posibles, así como las condiciones del viento durante el día a dos metros de altura), las predicciones son bastante cuestionables. Por ese motivo, es necesario tener mucho cuidado en el uso de este método porque, para un mes en particular, las horas reales de luz solar pueden variar mucho de un año a otro. En consecuencia, se sugiere que se calcule la evapotranspiración para cada mes calendario de cada año del registro, en lugar de emplear temperaturas medias basadas en registros de varios años. Este método no debe usarse en regiones ecuatoriales donde las temperaturas permanecen relativamente constantes, mientras que las demás variables meteorológicas cambian. Ni se debe usar para pequeñas islas donde la temperatura del aire generalmente es una función de la temperatura de la superficie del mar circundante, y responde poco al cambio estacional de la radiación. En altas latitudes, los niveles de radiación durante el día pueden ser superiores a los niveles que se dan en las condiciones a partir de las cuales se derivó el método. Asimismo, en los climas con una alta variabilidad en las horas de luz solar durante los meses de transición, como los climas monzónicos y los climas de latitudes medias durante la primavera y el otoño, el método puede inducir a errores. 55.1.1.2 Humedad del suelo El tensiómetro y las sondas de neutrones son los instrumentos que se han utilizado para controlar la humedad del suelo y calcular las necesidades de aplicación en base a una medición del déficit de humedad del suelo. También se pueden utilizar directamente para programar y regular las cantidades de aplicación, conectando y desconectando el riego una vez alcanzados los niveles de humedad del suelo predeterminados [3, 4]. El capítulo 15 contiene información detallada sobre el uso de estos instrumentos. 55.1.1.3 Calidad del agua El agua para el riego no sólo tiene que estar disponible en cantidad suficiente, sino que además debe cumplir determinados criterios de calidad. Las plantas son particularmente sensibles al nivel de sales disueltas en el agua. Un alto contenido de sales en el agua y en el suelo, así como un riego irregular puede causar problemas de salinización en las tierras de riego, que son frecuentes en muchas regiones del planeta. 55.1.2 Pérdidas de agua Las pérdidas de agua se ven influenciadas por la configuración particular del sistema de riego y se pueden minimizar con prácticas de gestión, que puedan resultar en
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CAPÍTULO 55
considerables ahorros en los costos de su explotación. El drenaje del agua del suelo no debe considerarse sólo como una pérdida. Para eliminar la acumulación de sales, se precisa un mínimo de drenaje. Cuando las precipitaciones estacionales son insuficientes para eliminar estas sales, se deben aumentar las cantidades de aplicación para cubrir las necesidades tanto de la cosecha como de la lixiviación. La publicación de la FAO Guidelines for Predicting Crop Water Requirements [1] contiene más detalles sobre cómo calcular este incremento a partir de un conocimiento de la calidad del agua de riego y de la necesidad de agua de la cosecha. La elección del método de riego influirá también en las pérdidas por evaporación. Los sistemas de aspersión humedecen las superficies de la vegetación, y la cantidad de pérdida debido al agua interceptada es muy probable que sea mayor que la transpiración de una cosecha seca (e incluso varias veces superior en el caso de las cosechas de plantas de gran altura). El riego en la superficie origina pérdidas por evaporación desde la superficie del suelo humedecido, pero no es probable que representen una parte importante de la necesidad de agua de la cosecha, a menos que la superficie se mantenga humedecida durante una proporción significativa de tiempo, como en un campo de arroz. Es más preocupante que se pueda necesitar un excesivo suministro de agua (en la aplicación a caballones y surcos) para cubrir la necesidad de agua de la cosecha, y que las pérdidas por drenaje puedan ser grandes y espacialmente variables. El riego por goteo ofrece el máximo potencial de gestionar la cantidad de agua de manera que se reduzcan al mínimo tanto las pérdidas por evaporación superficial como por drenaje en exceso de las necesidades de lixiviación. Al colocar los puntos de goteo cerca de la cosecha, se puede minimizar el crecimiento de las malas hierbas y las pérdidas por evaporación a través de ellas. Los sistemas de este tipo se pueden utilizar en situaciones de riego extensivo de pequeños propietarios, en modalidades de gran escala y pequeña escala, mediante suministro por gravedad. Salvo el riego subsuperficial, que puede no ser rentable en muchas circunstancias, los métodos de riego por goteo son los que ofrecen el mayor potencial de eficacia en el uso del agua [5]. 55.2 Drenaje agrícola 55.2.1 Definición El drenaje agrícola es la eliminación del exceso subterráneo o superficial de agua de la tierra para crear condiciones más favorables para el crecimiento de las plantas. El drenaje superficial puede eliminar los excesos ocasionados por las precipitaciones en la superficie de la tierra a un ritmo capaz de evitar largos períodos de estancamiento o inundación sin una erosión excesiva, de manera que los pastos o las cosechas dispongan de las mejores condiciones posibles de humedad. El capítulo 54 contiene información sobre el diseño de las obras de drenaje para cuencas pequeñas.
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El drenaje subsuperficial reduce el nivel freático para que no interfiera en el desarrollo de las raíces de las plantas, y estimula la lixiviación necesaria para mantener el equilibrio salino adecuado en el suelo. Richards y Marsh ofrecen un análisis detallado de esta cuestión en Irrigation based on soil section measurements [4]. 55.2.2 Factores que afectan el drenaje Las necesidades de drenaje en la agricultura varían considerablemente debido a las diferencias de clima, geología, topografía, suelos, cosechas y métodos agrícolas. La humedad superficial, la falta de vegetación, la presencia de vegetación no deseable (como hierbas de pantano, juncos o árboles de pantano), la presencia de árboles o plantas de color y crecimiento irregulares, las variaciones en el color del suelo y los depósitos de sales sobre la superficie del terreno, son evidencias visuales de un drenaje inadecuado. La topografía, la geología, las obstrucciones creadas por el hombre, o los suelos de un lugar y del área que lo circunda, pueden impedir el paso del agua y dar lugar a que se produzca una deficiencia en el drenaje de estos lugares. Los factores determinados por el lugar se pueden clasificar en varias categorías y pueden presentarse por separado o en diferentes combinaciones. A continuación, se ofrece una relación de algunos de los factores más importantes: a) falta de una vía o depresión natural de drenaje que sirva de salida. Estos sitios son frecuentes en las zonas cubiertas por glaciares y las zonas planas costeras donde los sistemas de drenaje natural están en proceso de desarrollo; b) falta de una inclinación del suelo suficiente para hacer que el agua fluya hacia una salida. Estos sitios se pueden encontrar en las superficies irregulares y erosionadas de las tierras cubiertas por glaciares, por encima de las restricciones y barreras naturales impuestas por las planicies de inundación de los valles, y por encima de las presas; c) capas de suelo de baja permeabilidad que limitan el movimiento del agua hacia abajo. Muchos suelos tienen un subsuelo compacto, formaciones de rocas, o una capa compacta por debajo de la superficie en la zona normal de las raíces de las plantas; d) obstrucciones creadas por el hombre como carreteras, tajos escalonados, presas, diques, puentes y alcantarillas debajo de las carreteras con capacidad insuficiente, que obstruyen o limitan la circulación del agua; e) barreras superficiales naturales que originan concentraciones locales de agua en suficientes cantidades como para agravar el problema de drenaje; f) problemas de drenaje subsuperficial en las zonas de riego originados por las pérdidas por percolación profunda desde la superficie de riego, y por infiltración desde el sistema de canales y zanjas que abastece los terrenos de riego. Las pérdidas por percolación profunda desde la superficie de riego caen dentro de los límites generales de un 20 a un 40 por ciento del agua aplicada, mientras que las
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CAPÍTULO 55
pérdidas por infiltración desde los canales y las zanjas varían ampliamente y pueden fluctuar entre cero y un 50 por ciento del agua aplicada. La mayoría de los suelos en las regiones áridas contienen una serie de sales en concentraciones que fluctúan entre ligeras y altas. Las condiciones creadas por el aumento del nivel freático originado por la percolación profunda desde la superficie de riego tienden a concentrar las acumulaciones de sales en la zona de las raíces. Una de las principales funciones del drenaje subsuperficial es bajar el nivel freático y mantener el nivel de la concentración de las sales por debajo de la zona de las raíces. Una gran parte del trabajo de drenaje subsuperficial que se realiza en las regiones áridas es, en realidad, para controlar la salinidad. El peligro de sobredrenaje no existe con la mayoría de los suelos que tienen un drenaje interno deficiente. El hecho de reducir la separación entre los drenajes en suelos de constitución física deficiente contribuye al establecimiento y crecimiento de la vegetación necesaria para acondicionar el suelo, incluso aunque esta intensidad de drenaje pudiera no ser necesaria en ese mismo suelo, si estuviera en buenas condiciones físicas. La supresión del agua libre en el suelo elimina toda la humedad que rebasa el nivel mantenido por la acción capilar. El drenaje no elimina el agua capilar que utilizan las plantas para su crecimiento. La profundidad de los drenajes regula la altura del nivel freático. Si en un suelo de baja succión capilar el nivel freático es bajo, es posible que la humedad no pueda desplazarse hacia arriba hasta la zona de las raíces. Esta condición es deseable en suelos de regadío salinos, salino-alcalinos y alcalinos. La posibilidad de sobredrenaje se da en algunos suelos extremadamente arenosos, y en algunas zonas de suelos turbosos y suelos muy ricos en materia orgánica. Estos suelos tienen una profundidad particular de nivel freático que es la mejor para el crecimiento de las plantas y que debe tenerse en cuenta al diseñarse el sistema de drenaje. 55.2.3 Beneficios del drenaje agrícola La eliminación del agua libre que estimula la acción bacteriana en el suelo, esencial para la elaboración de los nutrientes de las plantas, permite la entrada de aire en el suelo. Las raíces de las plantas, igual que las bacterias del suelo, necesitan tener oxígeno, y el drenaje consigue que se cubra esta necesidad creando un espacio de aire en el suelo. La lluvia que baja a través del suelo elimina el dióxido de carbono y permite la infiltración de aire limpio. Por consiguiente, el drenaje ofrece la aireación que necesita el suelo. El drenaje superficial elimina rápidamente el agua estancada, permitiendo así que el resto del agua gravitacional se mueva a través del suelo. La eliminación del agua libre mediante el drenaje permite que el suelo se caliente con mayor rapidez debido a que el suelo húmedo necesita una mayor energía térmica para aumentar su temperatura. El calor del suelo estimula la actividad bacteriana, lo
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cual aumenta la producción de nutrientes y el crecimiento de las plantas. Los suelos que más rápidamente se calientan en primavera son los primeros que se pueden sembrar. Además, también se logra crear mejores condiciones de germinación para las semillas. La eliminación del agua subterránea mejora las condiciones necesarias para el crecimiento de las raíces. Por ejemplo, si se elimina la presencia de agua libre hasta una profundidad en el suelo de sólo 25 centímetros, las raíces de los cultivos se alimentarán dentro de este área confinada, pero si se elimina el agua libre hasta un metro de profundidad, las raíces de las plantas dispondrán de toda esta profundidad para obtener los nutrientes y la humedad que necesitan. 55.2.4 Tipos básicos de drenaje El drenaje se logra estableciendo o acelerando el flujo por gravedad dentro del lugar, desviando el flujo desde el lugar, o combinando ambos métodos. 55.2.4.1 Drenaje de alivio Se denomina drenaje de alivio al establecimiento o la aceleración del flujo de exceso de agua dentro del lugar y desde él. Los flujos superficiales se eliminan mediante sistemas de zanjas subterráneas y nivelación del suelo. Los flujos subsuperficiales se eliminan con drenajes de alivio, que son drenajes laterales colocados paralelamente, o de manera aproximada, al flujo de agua subterránea. 55.2.4.2 Drenaje de intercepción Las zanjas o drenajes de intercepción emplazados a través del flujo de agua subterránea (o infiltración) se instalan principalmente para interceptar el flujo subterráneo que se mueve pendiente abajo. Como este tipo de drenaje intercepta y desvía tanto los flujos superficiales como los flujos subterráneos, la eliminación del agua superficial generalmente se conoce como drenaje por desviación, mientras que la eliminación del agua subterránea por este método se denomina drenaje por intercepción. 55.2.5 Métodos de drenaje artificial 55.2.5.1 Drenaje superficial El drenaje superficial se puede lograr mediante zanjas abiertas, y conformando la superficie del terreno para que el agua pueda llegar a las zanjas de eliminación. El drenaje por este método es válido para sitios planos donde: a) los suelos tengan una baja permeabilidad en todos sus perfiles, por ejemplo, los suelos arcillosos de baja permeabilidad; b) los suelos tengan poca profundidad sobre el subsuelo o la roca de baja permeabilidad (20 a 50 centímetros); c) los suelos podrían responder al drenaje subsuperficial, pero carecen de salida subsuperficial libre;
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CAPÍTULO 55
d) el drenaje subsuperficial no es económicamente factible; y e) el drenaje superficial suplementa el drenaje subsuperficial. 55.2.5.2 Drenaje subsuperficial El drenaje subsuperficial se puede lograr mediante diferentes tipos de drenajes enterrados, drenajes toperos y zanjas a cielo abierto. Este tipo de drenaje se aplica a condiciones de saturación del suelo en las que es física y económicamente factible usar drenajes subterráneos para eliminar el agua libre de la zona de las raíces. La fertilidad del suelo debe ser tal que permita obtener rendimientos adicionales de las cosechas para justificar el gasto de instalar los drenajes. La necesidad de instalar sistemas subsuperficiales y su diseño están relacionados con la cantidad de exceso de agua que entra en el suelo, la permeabilidad del suelo y del suelo subyacente y las necesidades de los cultivos. En general, los suelos de textura fina tienen permeabilidades bajas. En estos suelos, los espacios de los poros son tan pequeños y están tan taponados con material coloidal que la entrada del flujo gravitacional en el drenaje se ve obstruida, lo cual restringe su capacidad de eliminar el agua libre a sólo un área limitada. En algunos suelos arenosos, turbosos, así como de alto contenido de materia orgánica, los espacios de los poros son grandes y el tránsito del agua es rápido. La humedad se produce como consecuencia del alto nivel freático, sobre todo en primavera, en las áreas carentes de regadío; mientras que en otoño, o tras la época de riego, en las áreas de regadío. Esta humedad debe ser corregida mediante drenaje para poder conseguir los rendimientos máximos de los cultivos. Los suelos de este tipo se pueden drenar con buenos resultados, pero muchos de ellos presentan problemas de instalación y mantenimiento. En algunos suelos arenosos finos, la cantidad de material coloidal existente no basta para mantener las partículas unidas y existe el peligro de que se produzca una entrada excesiva de partículas en los drenajes. Estos suelos exigen precauciones especiales al construir los drenajes. El drenaje subsuperficial de zanja a cielo abierto puede resultar práctico en estos casos. En los suelos turbosos y de alto contenido de materia orgánica, las partículas finas del suelo muestran cierta tendencia a entrar en el drenaje; existe el peligro de un desplazamiento de las baldosas del drenaje debido a la naturaleza inestable del suelo y los suelos de este tipo recién drenados muestran una tendencia a asentarse de manera considerable. Por estas razones, se recomienda que el uso de drenajes enterrados para drenar estos suelos se posponga hasta que haya tenido lugar el asentamiento inicial. Para el drenaje inicial de estos suelos, se pueden usar drenajes toperos y zanjas a cielo abierto. En los suelos muy porosos, como las arenas gruesas y algunas turbas, el descenso excesivo del nivel freático puede ocasionar una deficiencia de humedad durante
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los períodos de sequía. Estos suelos, al ser tan porosos, tienen una succión capilar baja y son incapaces de llevar el agua a la zona de las raíces de ciertos cultivos, si el nivel freático cae demasiado por debajo de dicha zona. Hay otras condiciones del suelo en las que los drenajes son peligrosos o no son prácticos. En algunos suelos, los bloques de mineral o las piedras pueden elevar los costos del drenaje a niveles prohibitivos. En otros suelos, la capa superior del suelo es satisfactoria, pero tiene debajo arena inestable hasta la profundidad a la que deben instalarse los drenajes, con lo cual resulta más difícil o imposible su instalación. En otros suelos (como los que contienen glauconita, óxido de hierro u óxido de magnesio), las juntas o las perforaciones de los drenajes muestran una tendencia a obturarse debido a la acción química. 55.2.6 Factores económicos El drenaje de algunos suelos puede ser satisfactorio, pero los costos de instalación son tan altos que los beneficios que se pueden obtener no justifican el gasto. En la mayoría de los casos, los drenajes de alivio con una separación inferior a 15 metros no son económicamente justificables a menos que se empleen para cultivos muy valiosos o para obtener beneficios indirectos substanciales. Los beneficios indirectos deben ser considerados cuando, por ejemplo, la desecación de los huertos permite usar los aparatos de aspersión sin que sufran atascos. Algunos suelos se pueden drenar satisfactoriamente, pero su productividad inherente es tan baja que los resultados no justifican el gasto. Puede que no haya salidas adecuadas disponibles y que sólo se puedan obtener a un precio prohibitivo. En algunos casos, la capacidad financiera del agricultor no permie endeudarse, aún en el caso de que los beneficios que pueda obtener del aumento en el rendimiento de la cosecha y las reducciones en el costo de producción puedan amortizar la instalación de los drenajes en un plazo de cinco a 10 años. Referencias 1. Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura, 1975: Guidelines for Predicting Crop Water Requirements (J. Doorenbros and W. O. Pruitt). Irrigation y Drainage Paper Nº 24. 2. Kharchenko, S. I., 1975: Hydrology of Irrigated Lands. Gidrometeoizdat, Leningrado. 3. Campbell, G. S. y Campbell, M. D., 1982: Irrigation scheduling using soil moisture measurements: theory and practice. Advances in Irrigation, volumen 1, págs. 25-42. 4. Richards, S. J. and Marsh, A. W., 1961: Irrigation based on soil section measurements. Proceedings of the Soil Science Society, págs. 65-69.
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CAPÍTULO 55
5. Hodnett, M. G., Bell, J. P., Ah Koon, P. D., Soopramanien, G. C. y Batchelor, C. H. L., 1990: The control of drip irrigation of sugarcane using ‘index’ tensiometer: some comparisons with control by the water–budget method. Agricultural Water Management, edición especial.
CAPÍTULO 56 ENERGÍA HIDROELÉCTRICA Y PROYECTOS ENERGÉTICOS
56.1 Generalidades La energía es uno de los productos más importantes que permiten satisfacer las necesidades físicas y favorecer el desarrollo económico de la sociedad moderna. Las necesidades de energía crecen constantemente. Hasta hoy, el mercado mundial de la energía ha dependido casi en su totalidad de los combustibles fósiles, que a pesar de no ser renovables, son baratos. La energía que producen las centrales hidroeléctricas en todo el mundo proporciona alrededor de la quinta parte de toda la energía eléctrica del planeta. La producción de energía eléctrica constituye uno de los principales usos de los recursos hídricos, por lo cual los datos y la información hidrológica son esenciales para planificar la explotación de las fuentes de energía eléctrica renovables como no renovables. Si bien el agua es uno de los dos componentes esenciales de la producción de energía, su uso es sobre todo no consuntivo y no contaminante. En la producción de energía termoeléctrica, el agua es necesaria en casi todas las etapas técnicas, desde la perforación de los pozos de prueba para las explotaciones de los yacimientos de gas y petróleo hasta la transformación de los combustibles fósiles y nucleares en energía eléctrica en las centrales termoeléctricas (usos que son en gran medida consuntivos y/o contaminantes). Recientemente, el crecimiento exponencial de las demandas de energía eléctrica ha dado lugar a la aparición de nuevos problemas, relativos al suministro de agua para la producción de energía y al impacto de los desarrollos energéticos en el clima y el medio ambiente global. 56.2 Energía hidroeléctrica La energía hidroeléctrica es una fuente que se renueva constantemente y que está disponible en el segmento de escorrentía del ciclo hidrológico. La energía obtenida del agua en circulación ofrece algo único para el desarrollo económico de una nación: la sostenibilidad, que ha sido definida por la Comisión Bruntland como la actividad económica que satisface las necesidades de la generación actual sin poner en peligro la capacidad de las próximas generaciones de satisfacer sus necesidades [1]. Los sistemas hidroeléctricos son diversos, no sólo como resultado de las diferentes condiciones
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CAPÍTULO 56
naturales a las cuales pueden adaptarse, sino también debido a la diversidad de circunstancias relacionadas con la demanda y la utilización de la energía. La energía hidroeléctrica muchas veces se desarrolla como parte de un proyecto para usos múltiples, por lo que el proyecto puede abarcar toda la gama de usos de los recursos hídricos como la regulación de crecidas, la navegación, el riego, el suministro urbano e industrial, la recreación y el desarrollo de la pesca y la vida silvestre. Un proyecto casi nunca concierne a una sola zona local, sino que generalmente implica la investigación de toda una cuenca fluvial que integra consideraciones regionales, nacionales y hasta incluso internacionales. Cualquiera que sea la importancia del proyecto, la fase de planificación debe tener en cuenta todas las necesidades en materia de recursos hídricos de la región y las diferentes formas de satisfacer esas necesidades. Toda propuesta de desarrollo hidroeléctrico precisa una evaluación minuciosa de sus efectos en los recursos y de las diferentes necesidades de la región, además de la capacidad de satisfacer estas necesidades. Si bien durante este último cuarto de siglo, los proyectos hidroeléctricos han ido alcanzando dimensiones cada vez mayores, las pequeñas centrales hidroeléctricas de hasta unos pocos megavatios (MW) pueden explotar la energía potencial de manera rentable en lugares situados en pequeños ríos, o muchas veces pueden ser integradas a las presas o canales artificiales existentes. 56.2.1 Ventajas Aunque los proyectos hidroeléctricos, de todo el planeta, satisfacen un porcentaje relativamente pequeño de la demanda de energía eléctrica global, la importancia de la producción de estas centrales es proporcionalmente superior a la obtenida a partir de otras fuentes, además que son especialmente significativos como estímulo económico en los países en desarrollo y como una parte importante de los complejos sistemas energéticos de los países más industrializados. Su importancia nunca disminuirá por las siguientes razones: a) la energía hidroeléctrica se obtiene de un recurso constantemente renovable que se alimenta de la energía solar para mantener el ciclo hidrológico; b) la energía hidroeléctrica no contamina. Su producción no emite un calor significativo, ni gases causantes del efecto invernadero; c) los rendimientos de las centrales hidroeléctricas pueden alcanzar niveles cercanos al 90 por ciento, mientras que las centrales térmicas sólo logran rendimientos del orden de un 30 a un 40 por ciento; d) las centrales hidroeléctricas tienen una duración larga y útil; e) la técnica hidroeléctrica es una técnica madura que ofrece un funcionamiento fiable y flexible; además, sus equipos son fáciles de adaptar a las condiciones del lugar; f) el almacenamiento de agua ofrece un medio para almacenar energía y puede estar disponible para otros usos;
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g) las centrales hidroeléctricas son capaces de reaccionar, en cuestión de segundos, a los cambios en las demandas de electricidad; y h) la producción hidroeléctrica carece de costos de combustible y ofrece bajos costos de explotación y mantenimiento; no sufre los efectos de la inflación. Un proyecto hidroeléctrico potencial, por supuesto, puede estar sujeto a restricciones geopolíticas, como la inundación de zonas río arriba, para crear una cabecera y/o un lugar de almacenamiento; así como a impactos sobre el medio ambiente, como cambiar una ecología ribereña por una ecología lacustre. 56.2.2 Potencial de un lugar La energía hidroeléctrica se obtiene al transformar la energía de una caída de agua en energía mecánica en el eje de un generador de turbina, de esta manera, se convierte en energía eléctrica a través del rotor y el estator del generador. La energía potencial de un lugar, en kW: P = 9,81 Q h e
(56.1)
donde Q es la descarga en m3 s-1, h la altura neta de caída en metros y e el rendimiento de la central. La caída utilizada puede resultar de la regulación de características naturales del curso de agua, como pendientes pronunciadas, rápidos y cataratas, o se puede crear artificialmente mediante la construcción de una presa capaz de establecer un área sustancial de almacenamiento o embalse que se pueda usar para regular o cambiar el régimen natural de flujo del río. El caudal disponible para ser utilizado, teniendo en cuenta las pérdidas necesarias, es el flujo de agua sobre el cual se construye la central, pero este flujo se puede modificar de varias maneras: a) mediante regulación; b) por medio de embalses; c) a través de desviaciones desde cuencas fluviales contiguas; y d) mediante bombeo para permitir el uso de un embalse aguas arriba para almacenar energía. La capacidad que se debe instalar en un sitio potencial no sólo depende de la magnitud y del régimen del caudal y la altura de caída disponible o la caída desde la cual ese caudal se puede aprovechar, sino también de la capacidad de almacenamiento disponible, las longitudes de los canales, las limitaciones de funcionamiento impuestas en interés de los otros usos del agua, y de algo muy importante, la magnitud y las características de los mercados energéticos a abastecer. La altura de caída bruta de una central hidroeléctrica es la diferencia entre la altura de las aguas de cabecera (depósito regulador) y la del nivel de aguas abajo (canal de descarga), cuando la central está funcionando. La altura bruta variará con la magnitud del caudal del río y del embalse, o con los niveles de agua del estanque. Al considerar la viabilidad económica de un proyecto es importante conocer la altura bruta media que
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CAPÍTULO 56
cabe esperar, para calcular la energía media, así como la altura bruta mínima, para poder evaluar la energía realmente disponible, es decir, la energía que siempre se podrá suministrar para satisfacer la demanda de los consumidores. La altura bruta media depende del caudal del río por debajo del lugar. En condiciones de bajo caudal, el nivel de aguas abajo será bajo y el nivel aguas arriba estará cerca de su valor máximo, mientras que en condiciones de alto caudal, el nivel aguas abajo será alto y el nivel aguas arriba estará en el límite mínimo. Una central de baja altura de caída situada en un río sometido a grandes caudales de crecidas periódicas importantes puede tener una reducción al mínimo de su altura de caída en las condiciones de la crecida, de manera que su funcionamiento se vería perjudicado hasta el extremo de llegar a tener poca o ninguna capacidad, lo que conduciría a una interrupción de su funcionamiento. Si bien la mayor parte de la altura de caída bruta se utiliza para producir energía eléctrica, hay pérdidas hidráulicas que se producen en los conductos de entrada del agua que transportan el agua desde la cámara de agua hasta las turbinas, además de las pérdidas en los conductos de salida del agua, es decir, desde las turbinas pasando por el tubo de aspiración, hasta el canal de descarga. El tubo de aspiración está diseñado para recuperar la mayor parte de la energía cinética del agua en su salida de la turbina. Dentro de ciertos límites, todas las pérdidas antes referidas son controlables porque disminuyen con el aumento de tamaño de los conductos de agua, o con el tipo de diseño. La altura de caída neta o eficaz en una central hidroeléctrica es igual a la altura de caída bruta menos todas las pérdidas aguas arriba de la entrada a la caja espiral que rodea la turbina de reacción, o en la salida del tubo de aspiración, o a la base de la tobera, si la turbina es de impulsión. Por lo tanto, la altura de caída neta es una función de la altura de caída bruta y de la descarga a través de la central (dado que la velocidad-altura de las pérdidas aumenta aproximadamente igual al cuadrado de la descarga), así como del caudal del río inmediatamente debajo de la central. Para poder hacer una estimación fiable de la energía que se puede generar en un lugar seleccionado, se precisa un registro adecuado del caudal junto con la información y los datos hidrológicos pertinentes, como sigue: a) datos diarios y/o mensuales del caudal durante un largo período de tiempo, al menos 10 años; b) desviaciones de caudal aguas arriba de la presa o de las obras de toma de agua; c) curvas de caudal-duración; d) áreas de drenaje; e) pérdidas por evaporación desde las superficies de embalse propuestas; f) relación entre la altura-descarga debajo del sitio propuesto; g) hidrograma de la crecida de diseño del vertedero; h) curvas de caudales de la presa, el vertedero y la salida; i) objetivos del proyecto, almacenamiento disponible y normas de funcionamiento;
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j)
743
pérdidas por infiltración, requisitos de escala para peces, y desviaciones desde el almacenamiento; k) curva duración-altura del embalse; l) datos de descarga máxima anual para evaluar los riesgos asociados con el diseño del vertedero; y m) requisitos de caudal mínimo aguas abajo del lugar. La Parte D de la presente Guía contiene ejemplos de las técnicas usadas en el análisis de los datos hidrológicos a fin de obtener la información pertinente a los efectos de diseño. El Manual de Referencias del Sistema de Hidrología Operativa Múltiples (HOMS) tiene información sobre la disponibilidad de paquetes de programas informáticos para la aplicación de estas técnicas. Probablemente, la herramienta más útil en los estudios de factibilidad de energía hidroeléctrica es la curva duración-caudales (sección 35.2). Una curva de este tipo basada en el día como unidad ofrece una curva más exacta que las curvas mensuales, sobre todo para las partes cercanas a cada extremo de la curva. Las diferencias serán más evidentes para los ríos que tienen poco o ningún almacenamiento superficial natural. El área debajo de la curva es equivalente al caudal medio del río para el período cubierto por los datos. La curva duración-caudales tiene una forma adimensional muy útil que se puede obtener expresando la ordenada en función del caudal medio. Como que la forma general de esta curva es bastante similar para diferentes ríos de una región hidrológica similar, constituye un medio para obtener una curva duración-caudales aproximada con sólo una estimación del caudal medio del río. Este enfoque puede resultar necesario cuando hay pocos o ningún registro de caudal disponibles, pero se dispone de datos sobre las precipitaciones y las condiciones hidrológicas generales que permiten establecer una estimación fiable del caudal medio anual para el río que se estudia, así como registros de caudal adecuados para realizar las curvas duracion-caudal de otros ríos de la región. La capacidad de las turbinas que se han de instalar en una central de este tipo generalmente será de una potencia que pueda aprovechar el caudal disponible durante un 20 a un 40 por ciento del tiempo. No obstante, la capacidad de diseño de la central se determinará comparando el costo de los diferentes tamaños de centrales, sus niveles de producción resultantes y el valor de esta potencia para el sistema. El valor de la energía hidroeléctrica para un sistema de generación de energía depende del costo que supondría obtener una energía equivalente a partir de una fuente alternativa al mismo tiempo. Por otra parte, el costo de la energía varía según las horas. En las horas de poca demanda, como durante la noche, sólo funcionarían las centrales de mayor rendimiento del sistema, de manera que el costo incremental de la energía resultaría pequeño; pero durante las horas de mucha mayor demanda durante el día, se utilizarían equipos de inferior rendimiento, por lo que el costo incremental de la energía sería mayor durante estos períodos.
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CAPÍTULO 56
El área bajo la curva duración-caudales hasta la capacidad de descarga de las turbinas dará el caudal medio anual que se puede aprovechar, el cual, junto con la altura de caída neta, proporcionará la base para calcular la potencia disponible de la instalación propuesta. El efecto del almacenamiento (capacidad de embalse) en la curva duración-caudales sería elevar la curva a la derecha de la media y bajarla a la izquierda del caudal medio. Si fuera posible proporcionar una regulación completa, la curva de duración por debajo del embalse de almacenamiento se convertiría en una línea horizontal que correspondería al caudal medio del río. El almacenamiento permite fluctuaciones en la salida durante el día y la semana para poder responder a las fluctuaciones de la demanda. El término período de mayor demanda se utiliza para las fluctuaciones durante el día. Las centrales hidroeléctricas están particularmente bien preparadas para gestionar las actividades durante estos períodos. Los cambios de carga se pueden resolver en cuestión de segundos con sólo modificar la abertura de las compuertas de las turbinas. Esta capacidad puede permitir importantes ahorros de combustible, así como una mayor seguridad de suministro en un sistema mixto hidro/térmico. No obstante, si el embalse tiene suficiente capacidad para atender tanto las fluctuaciones diarias y semanales como los mayores niveles de producción de energía que tienen lugar durante las estaciones del año en que la energía eléctrica tiene mayor demanda, el proyecto debe realizarse teniendo en cuenta un almacenamiento estacional. Por ejemplo, en muchas regiones, las demandas de energía son mayores en invierno cuando el caudal del río puede estar a su nivel más bajo. El almacenamiento de los caudales generalmente altos que se originan de la fusión de la nieve durante la primavera podría aumentar entonces los caudales en invierno. Provisionalmente, se puede proporcionar un sobrealmacenamiento del agua del año anterior para largos períodos de sequía de uno o más años. La determinación de las relaciones entre almacenamiento y producción es uno de los análisis hidrológicos básicos asociados al diseño de los embalses (capítulo 52). Las restricciones físicas pueden incluir los límites sobre el área que se puede inundar, es decir sobre el nivel máximo del agua, sobre el nivel mínimo debido al emplazamiento de las tomas de bajo nivel, sobre la capacidad de descarga y sobre la capacidad del cauce aguas abajo. Las restricciones también pueden estar vinculadas a las necesidades de piscicultura durante las épocas de desove de los peces, o para algunas especies silvestres, según los niveles de agua necesarios para su supervivencia. En las regiones septentrionales, por ejemplo, el mantenimiento de una capa de hielo o la prevención de obstrucciones de hielo puede exigir el establecimiento de máximos de descarga, adecuados durante el período invernal. Cuando la capacidad del embalse se fija por condiciones en el lugar (como normalmente se hace), el caudal garantizado por el régimen de escorrentía del área de aportación, junto con el espacio de almacenamiento disponible, se podrían determinar por el análisis de las curvas de valores acumulados (sección 29.2). El rendimiento
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asegurado es la suma del almacenamiento utilizable en el embalse y el afluente utilizable durante el período de caudal bajo crítico. El período de caudal crítico no siempre puede ser un parámetro fácil de seleccionar. Una combinación de dos años consecutivos de sequía moderada podría ser mejor que un solo año aislado muy seco. Para la planificación de la utilización de la energía hidroeléctrica, y para el diseño de las centrales, se debe calcular una curva de duración especial, como la duración resultante de las alturas y descargas correspondientes, y que corresponde al rendimiento proyectado para la central. Esta curva de duración-rendimiento se puede obtener por la aplicación sucesiva de la ecuación 56.1 para los puntos correspondientes (Q,h) seleccionados de sus respectivas curvas de duración. Otro medio de gran utilidad para evaluar los recursos hidroeléctricos es el perfil longitudinal hidroenergético, que corresponde a la energía potencial del río que se puede generar en un año medio, seco o lluvioso. Este perfil se basa en los registros de descargas del río y en las correspondientes pendientes de nivel de agua (o línea de energía). 56.2.3 Disposiciones operacionales [K75] Las demandas de agua con fines de almacenamiento, en un proyecto de almacenamiento para múltiples usos, pueden ser parcialmente complementarias o podrían ser competitivas, por lo cual es necesario hacer las asignaciones adecuadas de capacidad entre las demandas en competencia, eliminando o resolviendo los conflictos en la mayor medida posible. Desde el punto de vista de la generación de energía, es deseable usar el agua de acuerdo con la demanda de energía hidroeléctrica manteniendo el nivel de almacenamiento lo más alto posible, y generando la energía eléctrica según la mayor altura de caída resultante. Para el riego, cabe esperar que el agua necesaria esté disponible durante la época de riego, mientras que para el uso urbano e industrial el agua será necesaria durante todo el año. En la mayoría de los casos, el agua usada para generar energía eléctrica se descarga en el río y puede ser reutilizada en los tramos inferiores. Por consiguiente, no existe un conflicto esencial entre la generación de energía eléctrica y el suministro de agua; pero, para los otros usos, si pueden producirse conflictos básicos. Si, por ejemplo, el agua se desvía del embalse mediante un canal de gravedad para fines de regadío, este uso estaría en conflicto directo con la generación de energía eléctrica. Incluso en caso de que el flujo destinado al proyecto de regadío regresara de nuevo al río, este uso podría estar en conflicto directo con el suministro de agua río abajo y la navegación porque el proyecto de regadío habría consumido una cantidad sustancial del agua desviada y su calidad podría haberse deteriorado. Por este motivo, cuando se contemplan embalses para múltiples usos, la planificación de la capacidad del embalse se vuelve mucho más compleja. Cada objetivo se añade a la complejidad porque cada uso se debe evaluar y el resultado final se debe obtener mediante un proceso de optimización.
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Se deben establecer criterios o normas operacionales para minimizar los conflictos entre los diferentes usos. Una norma operacional es una pauta para el funcionamiento del embalse y en general se basa en un análisis secuencial detallado de varias combinaciones críticas de condiciones hidrológicas y demandas de agua. Cuando la energía hidroeléctrica es el principal objetivo del funcionamiento del embalse, se debe hacer un análisis detallado del caudal para coordinar la producción de energía con los demás usos del embalse a fin de determinar el rendimiento medio energético del proyecto. Este análisis también puede servir para establecer la potencia y la energía asegurada durante el período crítico, sobre todo cuando el almacenamiento de conservación es relativamente grande y cabe esperar que la altura de caída fluctúe en un gran intervalo. Se pueden probar diferentes planes operativos para maximizar la producción de energía sin dejar de cubrir los otros usos. Una vez logrado el rendimiento óptimo, se puede poner en marcha una norma de funcionamiento durante los períodos críticos de caudal alto y bajo. Una norma simple de generación de energía por un embalse que sólo tiene esta función consiste en indicar la altura del embalse o el volumen de almacenamiento necesario para asegurar la generación de la potencia garantizada en cualquier momento del año. Se pueden desarrollar variaciones de la norma para establecer una curva superior y otra inferior que correspondan al volumen del embalse por encima o por debajo del nivel normal. Las predicciones hidrológicas ayudarán en la maximización del rendimiento energético al minimizar el derramamiento de agua. Puede que se precisen restricciones de caudal donde haya limitaciones aguas abajo debido a las inundaciones. La norma operacional se puede adaptar para que refleje estas restricciones. El análisis probabilístico de los suministros se puede emplear para guiar al operador a utilizar o no la norma 'superior' o 'inferior'. 56.2.4 Calidad del agua La calidad del agua generalmente no es de gran preocupación para los proyectos hidroeléctricos, ni con respecto al afluente, ni con respecto al efluente. En la actualidad se sabe, gracias a los estudios sobre el medio ambiente, que la degradación de la biomasa y la reducción de la oxigenación en el embalse son mínimos. En algunos ríos de las regiones tropicales, el agua puede ser peligrosamente ácida y corrosiva al punto que puede atacar las paletas móviles y otras partes de la maquinaria de las turbinas. La carga de sedimentos de un río también puede ser un factor que debe tenerse en cuenta en el diseño y en la limitación de la vida útil de un embalse, así como de las partes encastradas y móviles de la turbina hidráulica. 56.3 Proyectos relativos a la producción de energía Si bien el principal uso del agua en los proyectos de energía eléctrica es la hidroeléctricidad, el agua es también esencial en la producción térmica de energía y necesaria en casi todas sus etapas técnicas, desde la perforación de pozos de prueba en la
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exploración de yacimientos de gas y petróleo, hasta la transformación en energía eléctrica de los combustibles fósiles y nucleares en las plantas termoeléctricas. Las siguientes descripciones ofrecen una guía para la cantidad y la calidad del agua necesaria para el proceso, así como el uso consuntivo y la calidad del efluente de estos proyectos. En la tabla más abajo se resumen de la serie de necesidades en agua para numerosos procesos relativos a la producción de energía. 56.3.1 Generación de energía a partir de combustibles fósiles o nucleares Los usos del agua para la generación de electricidad a partir de combustibles fósiles o nucleares son similares. Todas estas centrales eléctricas emplean agua para los sistemas de vapor y de condensación, para sus servicios generales y para sus sistemas de suministro de agua potable y de otros tipos. El volumen empleado depende de los sistemas de refrigeración-condensación y de rechazo del calor. En el caso de las centrales generadoras que usan carbón como combustible, también se necesita agua para transportar las cenizas, lo cual exige alrededor de 0,00095 m3 s-1 MW-1, y cuando es necesario desulfurar los gases de la combustión, se necesitan alrededor de 0,00019 m3 s-1 MW-1. No obstante, el agua de refrigeración del condensador es el uso más importante, y la cantidad necesaria es del orden de 0,032 a 0,44 m3 s-1 MW-1 en base a un aumento de temperatura del condensador de 8°C. Los principales sistemas de rechazo del calor de los residuos son la refrigeración de proceso directo, las torres de refrigeración por evaporación y las torres de refrigeración en seco. La aplicación de las regulaciones que controlan la contaminación térmica de los cursos de agua está dando lugar a una disminución en el uso de la refrigeración de proceso directo. Las torres de refrigeración por evaporación son los mayores consumidores de agua y aportadores de agua efluente. Las torres de refrigeración en seco disipan el calor de los residuos de la planta generadora directamente a la atmósfera por medio de intercambiadores térmicos de refrigeración por aire sin adición de calor a las masas naturales de agua, y sin uso consuntivo de las mismas. Las centrales que emplean este sistema, no obstante, precisan un mayor consumo de combustible y un costo de capital adicional de la central. Como es normal en cualquier sistema complejo, las centrales nucleares están expuestas a una amplia variedad de problemas imprevistos que pueden interferir con su funcionamiento normal y, en casos extremos, poner en peligro la salud y la seguridad del público. La probabilidad de que ocurran accidentes más graves es sin duda bastante pequeña en vista de los importantes dispositivos de seguridad y de salvaguardias que forman parte inherente del diseño de las centrales nucleares. El Volumen II de la publicación de la OMM titulada Meteorological and Hydrological Aspects of Siting and Operation of Nuclear Power Plants [2] describe los diferentes tipos de centrales nucleares que ya forman parte de numerosos sistemas de empresas eléctricas, y analiza los problemas vinculados a la hidrología y a los recursos
Consumo de agua del proceso Unidad
Consumo de agua m3/unidad
(producto)
(valores típicos)
Proceso
Necesidades de agua para la producción de energía
Comentarios
Volumen de producción estándar (producto)
Necesidad en agua m3/volumen de producción estándar (valores típicos)
-
millones t/año
0,0003 - 0,0019
millones t/año millones t/año millones t/año millones t/año
0,0025 - 0,0044 0,0127 - 0,0475 0,0301 0,0761 - 0,1204
toneladas
0,01-0,06
toneladas toneladas toneladas toneladas
0,08-0,14 0,4-1,5 0,95 2,4-3,8
barrile barrile
0,88 0,163
-
bbl/d bbl/d
1,02 x 10-5 1,88 x 10-6
MW-h MW-h
0,9-5,4 1,5
-
MW MW
0,00025 - 0,0015 0,00043
kg kg
0,67 0,4
mineral baja clase mineral alta clase
t/año t/año
2,11 x 10-5 1,27 x 10-5
toneladas
1,75-3,5
14%-25% make-up
t/d
2,03 x 10-5 4,05 x 10-5
15% make-up 10% make-up -
Fuente: Acres International, 1982. *Las actividades mineras del carbón se dividen en extracción y procesamiento del carbón. Por lo tanto, para determinar las necesidades de agua de una explotación minera de carbón, deben añadirse los valores de la minería superficial y subterránea o de la minería hidráulica a los valores del procesamiento del carbón para determinar las necesidades totales de agua de estos procesos.
CAPÍTULO 56
Minas de carbón (superficial y subterránea)* Minas de carbón (hidráulica)* Procesamiento del carbón* Tuberías de transporte del carbón Licuefacción del carbón Extracción de arenas impregnadas de brea Refinación de petróleo crudo Central eléctrica de combustible fósil Central nuclear Trituración de uranio - Ontario y Terranova - Saskatchewan Producción de metanol (gas de síntesis y biomasa)
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Resumen de las necesidades de agua para la producción de energía, salvo la energía hidroeléctrica
ENERGÍA HIDROELÉCTRICA Y PROYECTOS ENERGÉTICOS
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hídricos conexos que deben tenerse en cuenta en la planificación, el diseño, la explotación y el cierre de las centrales nucleares. Esta publicación contiene algunos ejemplos de las técnicas que podrían ser útiles para resolver los problemas más importantes en vista de la diversidad y complejidad de estos problemas. Tanto los caudales muy altos como los caudales muy bajos revisten una especial importancia para el funcionamiento y la seguridad de una central nuclear. Desde el punto de vista de la seguridad, es imprescindible que el sistema de refrigeración de emergencia del núcleo, la refrigeración del combustible gastado, y el sumidero de calor final, dispongan de suministros de agua altamente fiables [3]. De especial importancia es la necesidad de protección contra inundaciones desde cualquier tipo concebible, porque las inundaciones pueden ocasionar averías del modo normal de funcionamiento, es decir, de dos o más sistemas, que podrían reducir la eficacia de las medidas de seguridad del sistema [4]. Por esa razón, es primordial que se aplique el mejor sistema disponible de predicción hidrológica del régimen de las masas de agua que afectan a una central nuclear, además de que se realicen revisiones periódicas de las hipótesis hidrológicas hechas para la planificación y el diseño de la central. En la mayoría de los proyectos relativos a la energía, las consideraciones en cuanto a la calidad del agua no son el factor determinante en la viabilidad del proyecto, pero pueden ser un factor que contribuya a determinar la amplitud, el diseño de proceso, el emplazamiento económico o el interés del proyecto. La composición del agua que mana de las diferentes fuentes varía ampliamente, en cantidad de sales disueltas y en los gases disueltos que contiene. Las aguas superficiales suelen contener materia en suspensión y a menudo materia orgánica en solución o suspensión, procedentes de las plantas en descomposición o de las aguas residuales. El creciente uso de detergentes sintéticos, algunos de los cuales no se destruyen fácilmente en los procesos de tratamiento de aguas residuales, ha resultado en la presencia de cantidades medibles de estos productos químicos, incluso en los abastecimientos públicos de agua potable. El agua de lluvia en las zonas industriales y a considerables distancias en la dirección del viento de fuentes de emisiones, como los hornos de carbón y de petróleo, puede tener un pH bajo y ser potencialmente corrosiva. La mayoría de las aguas, no obstante, pueden ser tratadas para poder utilizarlas en la refrigeración de condensadores, servicio general, transporte de ceniza, y desulfuración de los gases de combustión. No obstante, la alimentación de las calderas precisa un agua muy pura, que no contenga más que trazas de sal disuelta. El costo de preparar esta agua pura generalmente aumenta en proporción el total de sales disueltas que el agua natural contiene. Las centrales termoeléctricas que emplean combustibles fósiles generan diversas corrientes de aguas residuales, de las cuales las más importantes son las descargas de agua de refrigeración y las aguas de purga. La mayor corriente de aguas residuales es el agua de refrigeración de los sistemas de refrigeración de proceso directo. Para las centrales eléctricas que emplean carbón como combustible, es ne-
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CAPÍTULO 56
cesario disipar por medio de refrigeración alrededor de 6 000 BTU de calor por cada kilovatio-hora de electricidad generada. Las descargas de agua de refrigeración a menudo tienen una temperatura superior a seis o nueve grados centígrados a la que tiene la corriente receptora. En los últimos años, se ha hecho necesario el uso de torres de refrigeración en numerosas instalaciones para evitar la contaminación térmica de los cursos de agua naturales. La siguiente mayor corriente de aguas residuales de una central eléctrica de este tipo está constituida por el agua de purga de las torres de refrigeración de los sistemas de refrigeración por evaporación. El agua de purga contiene altas cantidades disueltas de calcio, magnesio, sodio, cloro y sulfato, además de contener otros agentes introducidos para controlar la corrosión. Los residuos radiactivos proceden de la generación de energía nuclear y se deben, en gran medida, a factores como fugas, purgas, mantenimiento, reabastecimiento de combustible y a otros factores. El agua que circula por el reactor se emplea como fuente de calor y los productos de la corrosión creados en el sistema son la principal fuente de los isótopos radiactivos del agua del reactor. Es imprescindible que el agua usada para la refrigeración, así como la usada como fuente de vapor, sean excepcionalmente puras porque cualquier sal u otras impurezas contenidas en el agua podrían captar neutrones y volverse radiactivas. Otra fuente potencial de radioisótopos en el agua del reactor es la constituida por los productos de la fisión creados dentro de los elementos combustibles. La cantidad de isótopos radiactivos presentes en el agua del reactor depende, por lo tanto, de las velocidades de corrosión, de la frecuencia de fallo del revestimiento de los elementos combustibles y de la velocidad de su eliminación por condensación y por limpieza del reactor. La posible presencia de isótopos radiactivos en el agua exige precauciones en el tratamiento de los residuos. En el sistema de circulación primario, se debe tener mucho cuidado para mantener el agua a un alto nivel de pureza a fin de minimizar la acumulación de una radiactividad excesiva originada por las impurezas o por los productos de la corrosión. No hay residuos de agua primaria, pero una parte de ella se extrae, purifica y se vuelve a poner en circulación. El peligro de que pueda haber tensión de corrosión implica que el agua de la caldera contenga muy bajas concentraciones de oxígeno y cloruros. Para lograrlo, el agua que se emplea como materia prima se somete a tratamientos de desaireación y de evaporación para reducir los niveles de oxígeno y cloruros a menos de 0,003 y 0,3 mg l-1, respectivamente. 56.3.2 Extracción y procesamiento del carbón Para extraer carbón, tanto a cielo abierto como en minas subterráneas, se emplea muy poca cantidad de agua. De hecho, la infiltración de agua generalmente supone un estorbo, y puede que se dediquen considerables esfuerzos e inversiones a fin de extraerla de las minas. Las plantas de preparación del carbón emplean grandes cantidades de agua para limpiarlo, pero en general se utilizan sistemas de reciclaje cerca de un 10% de agua.
ENERGÍA HIDROELÉCTRICA Y PROYECTOS ENERGÉTICOS
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La tecnología del lodo de carbón ha estado disponible desde antes de principios de siglo. Las tuberías de lodo pueden resultar económicas para volúmenes grandes o para recorridos de largas distancias, pero tras la separación del producto de carbón pulverizado, el agua debe ser tratada antes de verterla en un curso de agua natural. Las instalaciones de tratamiento de efluentes dependerán de la calidad del carbón (es decir, su contenido de azufre, cenizas, y minerales) propuesto para el transporte, los aditivos químicos necesarios para inhibir la corrosión en las tuberías y equipos relacionados, así como los productos químicos usados como agentes de coagulación en el desagüe. La escorrentía procedente de los sitios en los que hay minas de carbón contiene altos niveles de metales, sólidos en suspensión y sulfato procedentes de la pirita y/o la marcasita comúnmente asociadas con los depósitos de carbón, esquisto y grés. Al quedar expuestos al aire, estos minerales forman el ácido sulfúrico y compuestos de hidróxido férrico. En los estanques de residuos, montones de rocas residuales y dondequiera que se amontone el carbón puede producirse un drenaje ácido. Los impactos en las aguas receptoras pueden dar lugar a un grado de acidez (pH de 2 a 4) y altas concentraciones de aluminio, sulfato, hierros y trazas de metales pesados. El resultado de la desforestación para crear las vías de acceso, y el propio proceso minero aumentarán la erosión, la sedimentación y la lixiviación de nitratos y cationes en las aguas receptoras. Los impactos son cargas de nutrientes y aumento de la turbidez en estas aguas. 56.3.3 Extracción y procesamiento del uranio El uso de agua en las minas de uranio subterráneas o a cielo abierto es generalmente pequeña y se debe en su mayor parte a las necesidades de suministro potable. El uso total de agua durante la trituración del uranio no es grande y en general se emplea para humedecer el triturador. El procesamiento y la concentración de uranio genera residuos y efluentes tanto radiactivos como no radiactivos. Los efluentes sólidos, líquidos y gaseosos son descargados en el medio ambiente en mayor o menor medida, según el control de proceso y las medidas instauradas de control de residuos. 56.3.4 Producción de petróleo El suministro de agua y su disponibilidad, el costo, la conservación de la energía y las preocupaciones relativas al medio ambiente tienen un impacto en la refinación del petróleo. Las modernas refinerías están diseñadas a fin de reducir la entrada de agua a una magnitud del orden de 1/50 con respecto a los sistemas de proceso directo más antiguos. Actualmente, se insiste en la refrigeración por aire, en lugar de agua, y en el uso múltiple del agua (reciclaje). El nivel de utilización del agua depende de la complejidad de la refinería, que tiende a estar directamente relacionada con la capacidad, siendo las refinerías más grandes las más complejas. Las
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CAPÍTULO 56
capacidades de entrada de agua por unidad pueden fluctuar entre 0,1 y 3 m3 bbl-1 según el tamaño, la complejidad, y el enfoque de diseño. Las descargas procedentes de la producción de petróleo y de las operaciones de refinería requieren un tratamiento antes de ser vertidas en los cursos de agua naturales. Estos procesos de tratamiento consisten, con frecuencia, en el asentamiento de sólidos y la separación del petróleo o del agua. Debido a los grandes volúmenes de agua que necesitan algunos procesos, el reciclaje se ha hecho algo esencial en las nuevas refinerías. 56.3.5 Producción de metanol El rendimiento de la transformación necesaria para producir combustible de metanol a partir de madera o gas natural es de alrededor de un 60 por ciento. De esta manera, una gran proporción del contenido de calor de los materiales originales de fuentes ricas en carbono debe ser rechazado durante el proceso de transformación en metanol. Casi la mitad de la pérdida de calor se puede rechazar mediante una refrigerador por evaporación que necesita evaporar casi 3 m3 de agua por cada tonelada de metanol producida. Además, si se utiliza la refrigeración directa y se permite un aumento de temperatura de 10°C, se necesita que pasen 170 m3 de agua a través del intercambiador térmico para eliminar este calor con una pérdida por evaporación inducida de 1,5 m3/tonelada de producto. Es evidente que si el agua es escasa o costosa, el diseñador del proceso debe elegir algún método de evacuación de calor que conserve el agua. El agua de refrigeración es con mucho, la parte más importante de la corriente efluente en la fabricación de metanol a partir de gas natural o madera. El grado de contaminación del agua de refrigeración de estos procesos es mínima y la principal consideración en la eliminación del agua residual es la contaminación térmica de las aguas receptoras. Referencias 1. Comisión Mundial sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo, 1987: Nuestro futuro común. Oxford University Press. 2. Organización Meteorológica Mundial, 1981: Meteorological and Hydrological Aspects of Siting and Operation of Nuclear Power Plants. Volume II - Hydrological Aspects, Nota Técnica Nº 170, OMM-Nº 550, Ginebra. 3. Organismo Internacional de Energía Atómica, 1980: Ultimate Heat Sink and Its Directly Associated Heat Transport Systems in Nuclear Power Plants: A Safety Guide. Safety Series No. 50-S6-D6, Viena. 4. Organismo Internacional de Energía Atómica, 1981: Determination of Design Basis Floods for Nuclear Power Plants on River Sites: A Safety Guide. Safety Series No. 50SG-S10A, Viena.
CAPÍTULO 57 NAVEGACIÓN Y CORRECCIÓN DE UN CAUCE
57.1 Aplicación de la hidrología a la navegación La navegación fluvial es una de las formas de usar el agua. Al inicio del desarrollo de la navegación, las instalaciones de transporte se adaptaban en principio a los ríos o a los tramos fluviales utilizados. Posteriormente, el aumento de las necesidades de transporte así como la necesidad de evitar costosos trasbordos dieron lugar a la construcción de condiciones más uniformes para la navegación a lo largo de muchas de las principales secciones de los ríos por medio de la canalización o la corrección de cauces. En los primeros tiempos de la navegación fluvial, se consideraba que la profundidad y la anchura de las vías fluviales eran sus parámetros básicos. Más tarde, el número de parámetros que se tenían en cuenta aumentó y se hicieron más predominantes las interacciones entre la construcción de buques y la conformación de las vías fluviales. Algunos de los factores que influyen en la navegación, en especial los que conciernen a la caracterización general de la vía fluvial, son más o menos constantes a través del tiempo y se pueden caracterizar perfectamente mediante mediciones más o menos permanentes. No obstante, los demás factores caracterizan las condiciones temporales de navegación que dependen del régimen de escorrentía del río. Por ese motivo, consideraremos estos dos grupos por separado. Hay dos facetas principales de la navegación fluvial en las que la hidrología desempeña un papel clave: a) la caracterización de los tramos del río con respecto a los tipos de embarcaciones que pueden usarlos regularmente para navegar; b) la descripción de las condiciones hidrológicas de las corrientes que influyen en la navegación. Las siguientes secciones ofrecen un análisis de estas dos facetas. 57.1.1 Aplicación de datos hidrológicos a la caracterización de las vías fluviales El objetivo de la investigación de cualquier vía fluvial para caracterizar su potencial para la navegación es determinar las probabilidades de navegación, en función de la estación de los diversos tramos de la vía fluvial para diferentes categorías de embarcaciones. Esto se puede lograr usando un sistema de categorías que se base en las magnitudes de los
754
CAPÍTULO 57
diferentes parámetros pertinentes, como el método que emplea la Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa. La definición de varios de estos parámetros es la siguiente: Vía fluvial. Parte de un río por la que pueden pasar barcos y caravanas de barcos, marcada por medio de señales de navegación (boyas) (figura 57.1); Margen de seguridad para la navegación. Conjunto de características de la profundidad, la anchura, la altura, y la sinuosidad de la vía fluvial, necesaria para permitir una navegación normal y segura de embarcaciones de determinadas dimensiones; Profundidad mínima de la vía fluvial (h). Profundidad mínima al nivel bajo navegable del agua que asegura la anchura necesaria de la vía fluvial; Anchura mínima de la vía fluvial (B). Anchura mínima al nivel bajo navegable del agua que asegura la profundidad necesaria de la vía fluvial;
HK h
B
H
HN HK
h
L
H HN
Figura 57.1 - Elementos geométricos de la vía fluvial
NAVEGACIÓN Y CORRECCIÓN DE UN CAUCE
755
Margen de seguridad vertical prescrito (H). Diferencia vertical mínima en todo la anchura de la vía fluvial, entre el borde inferior de cualquier estructura (por ejemplo, un puente) y el nivel bajo navegable; Radio mínimo de sinuosidad (R). Límite inferior admitido del radio de sinuosidad de una curva de un río medido con respecto al eje de la vía fluvial durante el nivel bajo navegable; Nivel bajo navegable (HK). Altura crítica que respeta el valor prescrito de profundidad y anchura del agua; Nivel alto navegable (HN). Altura crítica que, en general garantiza el margen de seguridad prescrito; Necesidad de agua para la navegación. Caudal mínimo necesario para garantizar la profundidad requerida para navegar sin problemas; Caudal mínimo navegable. Caudal que asegura el nivel bajo navegable del agua en una sección transversal dada; Caudal máximo navegable. Caudal que asegura el nivel alto navegable del agua en una sección transversal dada; Época de navegación. Parte del año durante la cual el hielo no impide la navegación; Vado. Tramo de transición de pequeña profundidad entre dos meandros de un río; Vado tope. Vado menos profundo a lo largo de un tramo de navegación dado; Los procedimientos para describir estos parámetros se definen a continuación: 57.1.1.1 Parámetros geométricos Para determinar la profundidad y la anchura disponible para la navegación, es indispensable disponer de una serie de secciones transversales separadas a corta distancia a lo largo del río. Para cada sección transversal, habrá que determinar la altura mínima en la cual sigue habiendo la anchura mínima de navegación. El nivel bajo navegable del agua para cada sección transversal se determina sumando la profundidad mínima de navegación (prescrita para el río en cuestión) con su altura de agua mínima. El radio de sinuosidad se debe determinar gráficamente mediante un mapa de contorno, de escala y exactitud adecuadas. En el caso de estudiar la posibilidad de navegación de un río, es aconsejable repetir este procedimiento para varios valores de anchura mínima de navegación a fin de determinar la categoría navegacional del río natural. 57.1.1.2 Parámetros hidrológicos Para determinar el grado de correspondencia entre el régimen de escorrentía y el nivel bajo navegable del agua, es necesario disponer de hidrogramas de caudal y curvas de duración de las alturas de agua (o descargas de caudal). Los hidrogramas de caudal se deben determinar a partir de datos diarios de una serie cronológica de unos 50 años como mínimo, y se deben calcular para un determinado
756
CAPÍTULO 57
102.5
Nivel del agua sobre el nivel del mar
102.0
101.5
80 %
HK
90 %
101.0
95 % 99 % 100.5
100.0
I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.
VIII.
IX.
X.
XI.
XII.
Figura 57.2 – Hidrograma de caudal medio en la sección transversal del kilómetro Nº 1695 del río Danubio número de posibilidades de excedencia (figura 57.2). Los períodos durante los cuales se espera, con una probabilidad dada, la profundidad mínima prescrita de la vía fluvial, se pueden determinar superimponiendo el nivel del nivel bajo navegable sobre estas curvas. Las duraciones de estos períodos se pueden obtener calculando las duraciones y/o las probabilidades. Como no siempre está asegurada la homogeneidad de los datos, primero se debe determinar la duración de los caudales y, a continuación, convertirlos en altura de agua por medio de una curva de relación altura-caudal (sección 12.5). La duración mínima del nivel bajo navegable a lo largo del tramo fluvial dado se puede hallar comparando el nivel bajo navegable del agua con los hidrogramas de caudal de diferentes secciones transversales. Por ejemplo, según las investigaciones realizadas para el río Danubio, el nivel
757
NAVEGACIÓN Y CORRECCIÓN DE UN CAUCE 7000
OUMA
MOHACS
6000
4000
(H
)
3000
Q
Caudal, Q (m3 s-1)
5000
2000
Q 94 %: 1135 m /s H 94 %: 217 cm
1000
0
100
10
200
20
30
300
40 50 60 Duración (%) 400
500
70
80
600
90
100
700
Nivel del agua H (cm)
Figura 57.3 – Determinación de la altura de agua navegable y del caudal navegables para una duración dada bajo navegable corresponde a una altura del agua de un 94 por ciento de duración, calculada para la serie de datos de altura de agua sin hielo (figura 57.3). En las zonas climáticas templadas y árticas, la duración de la época de navegación está determinada principalmente por los regímenes de hielo de los ríos. Los datos observados de los diferentes fenómenos relacionados con el hielo, como témpanos flotantes, congelación total, rotura del hielo y cese del hielo (sección 14.2), permiten calcular los valores de los diferentes fenómenos esperados con determinadas probabilidades, así como
758
CAPÍTULO 57
Frecuencia de témpanos de hielo y congelación total
Frecuencia (%)
100 80 60 40 20 0
Probabilidad de la duración de los días de hielo
Duración (en días)
140 120
1 %
100 80 60
20 %
40
50 % 80 %
20
99 % 0
Probabilidad de la duración de la cobertura de hielo estable
Duración (en días)
120 1 %
100 80 60
20 % 40 50 % 80 % 99 %
20
Mohács 1450
1500 Dombori Sió Baja
Dunaföldvár 1550
Dunaújváros
Ercsi
Adony 1600
Budapest 1650
Vác
Esztergom Garam Ipoly 1700
1750
Vág Komaram Dunaalmas
Gönyü
1800 MosoniDuna
1850
Bratislava
Dunaremete
0
Figura 57.4 – Condiciones de formación de hielo a lo largo del tramo húngaro del río Danubio
NAVEGACIÓN Y CORRECCIÓN DE UN CAUCE
759
estimar la duración de la interrupción forzosa de la navegación a causa del hielo del río. La figura 57.4 muestra los resultados de este cálculo para el tramo húngaro del río Danubio. Desde el punto de vista de la eficacia del funcionamiento de los rompehielos, el proceso y el análisis de las observaciones del espesor del hielo son también de primordial importancia. 57.1.1.3 Parámetros hidráulicos El estudio del régimen de flujo, como se describe en el capítulo anterior, sólo se puede realizar para secciones transversales seleccionadas, siendo necesario determinar los niveles alto y bajo navegables para interpolar estas secciones transversales para los tramos del río comprendidos entre ellas. El método de interpolación más fiable, especialmente en el caso del nivel bajo navegable, consiste en calcular perfiles de nivel de agua a lo largo del río, para lo cual es necesario conocer parámetros hidráulicos como las pendientes y la rugosidad de los diferentes tramos del río comprendidos entre las secciones transversales (capítulo 34). 57.1.2 Utilización de los datos hidrológicos en la navegación operacional La navegación fluvial es una actividad económica compleja que depende en gran medida de factores naturales. Sin un conocimiento fiable sobre el estado del lecho del río, el caudal, el régimen de formación de hielo y sus cambios esperados, la planificación y el funcionamiento de las actividades de navegación se verían seriamente obstaculizadas. Para poder obtener esta información, es necesario recopilar de manera constante los datos relacionados con el régimen hidrológico, así como predecir los cambios esperados y comunicar periódicamente tanto los datos como las predicciones a sus usuarios. 57.1.2.1 Recopilación de datos La navegación emplea una amplia gama de datos recopilados por los servicios hidrológicos. Entre estos datos figuran los siguientes: a) datos recopilados sobre la cuenca del río, como lluvia y nieve; b) datos recopilados en las estaciones de medición, como altura del agua en el río, caudal, temperatura del agua y del aire, carga de sedimentos en suspensión, carga del lecho y fenómenos relacionados con el hielo; c) datos recopilados a lo largo de los tramos del río, como profundidad de vados, dirección y velocidad de la corriente, perfiles de superficie del agua y fenómenos relacionados con el hielo. En la gran mayoría de los datos necesarios para la navegación, los métodos de observación que se emplean son los que se utilizan en la práctica general (Parte B). Existen algunas diferencias, principalmente en relación con las observaciones y las mediciones realizadas a lo largo de las secciones del río comprendidas entre las estaciones de medición.
760
CAPÍTULO 57
Las mediciones de la profundidad de los vados se deben realizar con frecuencia si la profundidad del agua por encima del vado no alcanza el valor prescrito. La profundidad se debe medir a lo largo de la cresta del vado. Como resultado de estas mediciones, habrá que determinar la anchura de la vía fluvial para los tramos de río de poca profundidad, debiendo establecerse la longitud del tramo de río en el que la profundidad del agua es inferior a la profundidad mínima navegable. Para que las caravanas de barcos puedan tener una maniobrabilidad fiable es también necesario disponer de mediciones de la dirección y la velocidad de la corriente a lo largo de los tramos de poca profundidad del río, así como alrededor de las esclusas de navegación. La velocidad de superficie se mide por medio de flotadores, mientras que la dirección y la velocidad de las corrientes dentro de la masa de agua se miden con medidores de corriente, equipados con detectores de dirección. Las observaciones normales de formación de hielo que se realizan como trabajo de rutina en la medición de las secciones transversales están muy lejos de ser satisfactorias para la navegación. Esta actividad se debe complementar tanto con respecto a los sitios de observaciones como a los fenómenos que se observan. Es decir que se deben ampliar las observaciones de los tramos de río comprendidos entre las estaciones de medición estableciendo, como mínimo, un punto de observación cada cinco o diez kilómetros. La tarea más importante es la observación periódica de los tramos del río, detectando, en particular, las obstrucciones originadas por los hielos. Durante los períodos en que los hielos van a la deriva y en los momentos en que termina la congelación y se rompe el hielo, las observaciones se deben hacer diariamente, mientras que durante el período de capa fija de hielo y de régimen de caudal sin cambios las observaciones se pueden hacer de manera satisfactoria a intervalos de cinco o diez días. La fiabilidad de las observaciones hechas desde las orillas se puede mejorar considerablemente realizando estudios y fotografías aéreas. Se recomienda que, cada cinco o diez días, se tracen mapas de formación de hielo. Para las predicciones de formación de hielo, necesarias para la navegación, es indispensable observar las primeras formaciones cristalizadas y, a continuación, el desarrollo de hielo en las orillas. Donde las condiciones hidráulicas favorezcan la formación de cristales de hielo, la densidad de hielo cristalizado se debe caracterizar de acuerdo con los siguientes tres grados: 0-33 por ciento, 34-67 por ciento y 68-100 por ciento de la profundidad del río. La densidad de hielo a la deriva se caracteriza de acuerdo con grados de 0-10 por ciento, 11-20 por ciento, ..., 91-100 por ciento del área de la superficie del río. Duración de la altura del agua 60 a 70% 70 a 80% 80 a 100%
Anchura de la banda de confianza 50 cm 40 cm 30 cm
NAVEGACIÓN Y CORRECCIÓN DE UN CAUCE
761
57.1.2.2 Predicciones La eficacia y la seguridad de la navegación fluvial depende de la fiabilidad de las predicciones hidrológicas relativas a las alturas del agua, los fenómenos relacionados con el hielo y la profundidad del agua en los vados. Son necesarias predicciones a largo y a corto plazo. A la navegación le interesa en particular las predicciones con antelaciones iguales a los tiempos de desplazamiento del agua por los tramos navegables del río. Además de los métodos generales de predicción hidrológica (Parte E), la navegación a menudo emplea predicciones mensuales (recopiladas teniendo en cuenta el volumen de agua almacenado en la red fluvial). Como la navegación es particularmente sensible a la fiabilidad de las predicciones de altura de agua durante los períodos de bajo caudal, las bandas de confianza de las predicciones deben ser estrechas. Por ejemplo, los siguientes valores son válidos para el río Danubio: 57.1.2.3 Transmisión de datos y predicciones Los datos recopilados a lo largo de un río navegable y las predicciones basadas en esos datos sólo se pueden utilizar si llegan a su debido tiempo a las empresas de navegación y a los capitanes de barcos. Para ello, es indispensable que exista un sistema bien organizado para la recopilación y la transmisión de la información. Estos sistemas revisten especial importancia en ríos internacionales, como el Danubio que pasa a través de ocho países. De acuerdo con las recomendaciones de la Comisión del Danubio, los datos recopilados en su cuenca son comunicados diariamente por télex. A fin de evitar errores, se han adoptado los códigos HYDRA e HYFOR (sección 4.4) para la transferencia de datos. Los anuncios llegan a los capitanes de barcos en parte por radio y en parte a través de boletines hidrológicos diarios. 57.1.3 Navegación en lagos, ríos y canales Entre la navegación en lagos y canales y la navegación en ríos, como se describe antes, se pueden identificar las siguientes diferencias: a) la importancia de los regímenes geométricos e hidrométricos para asegurar las condiciones de navegación es mucho menor porque las estructuras de control se encargan de proporcionar la estabilidad de estas condiciones; b) en lagos y embalses, la duración de la capa de hielo es más prolongada y por lo tanto la época navegable resulta más corta; c) aunque se reducen o prácticamente se eliminan los problemas originados por los vados, el entarquinamiento en torno a las cabeceras de esclusas y estructuras portuarias pueden ocasionar otros problemas; d) el viento que afecta la navegación aumenta en lagos y en embalses; e) existe una mayor dependencia de las operaciones de navegación con respecto a las normas de funcionamiento de las esclusas y otras estructuras.
762
CAPÍTULO 57
La seguridad de la navegación en lagos y canales exige una mayor amplitud de los límites de las observaciones: a) en las orillas de lagos y embalsamientos de ríos, se deben establecer y poner en marcha estaciones de medición del viento; b) para investigar las causas del entarquinamiento se debe medir sistemáticamente las cantidades de sedimentos que entran y salen de los embalses; c) en vista de que las presas crean condiciones favorables para la fragmentación del hielo, se deben realizar observaciones periódicas alrededor de las estructuras; d) se deben instalar registradores de altura de agua automatizados en las secciones transversales que sean particularmente adversas para la navegación, a lo largo de cualquier tramo influenciado por cargas máximas de generación de energía eléctrica. Para que estos datos puedan ser útiles, deben llegar a manos de los capitanes de los barcos en el momento oportuno. 57.2 Aplicación de los datos hidrológicos a la corrección de un cauce La preparación o regulación fluvial es una actividad continua que se realiza con el fin de formar el lecho del río para facilitar la navegación, proteger las orillas y regular las crecidas. Los ríos en su estado natural cambian a menudo sus lechos y al hacerlo impiden tanto la navegación como la descarga del hielo y las crecidas. La preparación fluvial se empeña en que el río forme su propio lecho con características geométricas e hidráulicas razonablemente constantes. El objetivo de la regulación del lecho menor es asegurar la navegación y el paso de los hielos durante los períodos de estiaje. La regulación del lecho medio se esfuerza por crear un lecho uniforme del río, libre de sedimentos. La regulación del lecho mayor tiene esencialmente el mismo objetivo que la regulación de crecidas, es decir, facilitar los caudales de crecidas sin daños importantes, ni pérdida de vidas. Además de los datos hidrológicos, para el diseño de las medidas de preparación de los ríos se precisa un gran número de otros datos y/o relaciones físicas, geográficas, morfológicas, meteorológicas e hidráulicas. Como el objetivo de la presente Guía no permite una explicación detallada de muchas de estas variables, sólo analizaremos las que están relacionadas con la hidrología operativa. 57.2.1 Evolución y caracterización de los meandros Los cursos naturales de agua generalmente tienden a formar cauces irregulares que se desvían hacia atrás y hacia adelante a través de sus planicies de inundación. Este fenómeno tiene su explicación en el hecho de que cada río es un sistema que lucha por encontrar un equilibrio dinámico en el cual uno de los componentes de los cambios es la formación de curvas o meandros.
NAVEGACIÓN Y CORRECCIÓN DE UN CAUCE
763
Numerosas teorías se han elaborado para explicar las causas físicas de la formación de los meandros y aunque existen algunas diferencias entre ellas, la mayoría coincide en los siguientes puntos comunes: a) uno de los componentes de la formación de los meandros es el movimiento de los sedimentos; b) los ríos naturales luchan por alcanzar un estado de equilibrio dinámico; c) el carácter de la formación de los meandros, el grado de desarrollo de las curvas y la frecuencia de su incidencia varían de un río a otro. La principal tarea de la preparación fluvial es encontrar un recorrido óptimo que sea adecuado a la naturaleza del río en cuestión, es decir, la selección de las curvas de las cuales se pueda esperar la creación de un nuevo equilibrio dinámico. Para hacerlo, es indispensable estudiar las curvas que aún están en un estado natural. La sinuosidad de las curvas de los ríos se puede caracterizar de una forma muy sencilla mediante arcos circulares (figura 57.5). Se deben determinar los siguientes parámetros: L – longitud del arco, medida a lo largo de la línea central, entre los dos puntos de inflexión; H – longitud de la cuerda de la curva; A – amplitud de la curva; R – sinuosidad o radio de la curva; α – ángulo central de la curva del río. Una curva de un río (véase la figura 57.6), según el grado de desarrollo puede ser: a) un tramo recto; b) una falsa curva, cuando la línea recta que conecta los dos puntos de inflexión contiguos no intersecta la línea convexa de la orilla, sino se queda entre las dos líneas de las orillas; c) una curva real, que a su vez puede ser: i) una curva no desarrollada, si en cada una de las dos secciones transversales de inflexión contiguas, existe al menos un punto desde el cual es visible el de la otra sección; ii) una curva desarrollada, si 1,2 H < L < 1,4 H y α < 120°; iii) una curva sobredesarrollada, si 1,5 H < L < 3,5 H; iv) una curva madura, si L > 3,5 H; o v) una curva cerrada, si la distancia entre las dos contrabandas es inferior a la anchura del lecho del río. Las características de sinuosidad de la figura 57.5 se pueden trazar como un perfil longitudinal o se pueden estudiar como variables aleatorias por métodos estadísticos. Las características geométricas del lecho del río son las siguientes: a) el área de la sección transversal (F); b) la anchura de la sección transversal (B); c) el perímetro mojado (P);
764
CAPÍTULO 57
L
A
R
R
H
α
Figura 57.5 – Definición esquemática de los parámetros de los meandros
Curva cerrada
α Curva no desarrollada
Tramo recto
Curva sobredesarrollada L > 3,5 H
α
α α α
Falsa curva
α
Curva desarrollada 1.1 H < L < 1,4 H
Curva madura L > 3,5 H
Figura 57.6 – Diferentes grados de desarrollo de los meandros d) el radio hidráulico (R = F/P); y e) la profundidad media del agua (hk – F/B). Las características geométricas de los lechos de los ríos cambian tanto en el tiempo como en el espacio. Realizando estudios periódicos de los lechos de los ríos, las características geométricas se pueden estudiar como funciones de la altura del agua, o bien con las frecuencias relativas de las diferentes variables calculadas para diferentes tramos del río. La figura 57.7 es un ejemplo que muestra la variación de la anchura de la sección transversal a lo largo del río Danubio aguas abajo de Budapest.
NAVEGACIÓN Y CORRECCIÓN DE UN CAUCE
765
750 Frontera del sur de Budapest Budapest-DunaföldvárDunaö Dunaföjdár-Sió
700
Frontera del sur de Sió
Anchura de la capa freática, B (en m)
650
Q
600 550
=
2
50
0
m3 /s
Q= 1 00 0 m3 /s
500 450 400 350 300
250 0
10
20
30 40 50 60 70 80 Frecuencia relativa (%) 0
10
20
30
90 100
40 50 60 70 80 Frecuencia relativa (%)
90 100
Figura 57.7 – Frecuencia relativa de las anchuras de las secciones transversales del río Danubio En base a estos datos, se puede seleccionar la sección transversal más adaptada a la naturaleza del tramo dado del río y sus dimensiones se pueden determinar empleando métodos hidráulicos. 57.2.2 Determinación de las descargas y alturas de diseño Determinación de la descarga de diseño para la regulación del lecho mayor 57.2.2.1 Los datos característicos del caudal y las descargas de crecidas con diferentes probabilidades se pueden determinar y calcular, respectivamente, mediante los métodos descritos
766
CAPÍTULO 57
en los capítulos 27 y 36. Los resultados de estos cálculos son los datos básicos necesarios para seleccionar la descarga de diseño para la regulación del lecho mayor. En la práctica actual, la descarga de diseño se da como una magnitud de una probabilidad dada, o como un período medio de retorno de las descargas máximas anuales sin hielo. La probabilidad depende de las condiciones demográficas y económicas del área a proteger. 57.2.2.2
Determinación de la descarga de diseño para la regulación del lecho medio Las dimensiones del lecho medio están estrechamente relacionadas con los regímenes de caudal y sedimentos. Estos dos regímenes y, por consiguiente, la evolución del lecho del río, son procesos que cambian con el tiempo. La tarea consiste en determinar la descarga formativa (o de diseño) que tiene los mayores impactos en las estructuras naturales y/o proyectados del lecho del río. Cada uno de los parámetros geométricos del lecho del río varía de diferente manera, según la duración de las diferentes descargas. Por este motivo, habrá una descarga dominante con respecto a la anchura del lecho del caudal medio, mientras que para su profundidad habrá otra descarga dominante diferente. Para cada uno de los parámetros geométricos, se puede hallar un valor de descarga que tenga el mayor efecto en ese parámetro, pero en realidad, no existe una descarga formativa única que forme de la misma manera todas las variables del lecho del río. Como el régimen de sedimentos también desempeña un importante papel en la formación del lecho del río se deben tener en cuenta las características del transporte de sedimentos. Por ejemplo, en relación con la regulación del río Níger, se describió un acoplamiento de las características del caudal y los regímenes de sedimentos. La fórmula que sirvió para determinar la altura del agua para la descarga formativa fue:
∫ hi Gi dt ho = T ∫TG dt
(57.1)
Otro método que se puede aplicar gráfica o numéricamente para determinar la descarga de diseño QD en una sección transversal dada de un río, es el siguiente: se calibra el eje vertical de un sistema ortogonal de coordenadas para las alturas del agua H (m), y en el eje horizontal se sitúan cuatro calibraciones diferentes: la frecuencia de las alturas de agua f (m-1), la descarga de caudal (m3 s-1), la velocidad media del caudal (m s-1) y el producto P = ∆f Q v (m4 s-2). Utilizando este sistema de coordenadas, se trazan, en primer lugar, las curvas que representan las relaciones Q(H), v(H), y f (H). Mientras que Q(H) y v(H) generalmente son curvas cóncavas, como puede verse en la
NAVEGACIÓN Y CORRECCIÓN DE UN CAUCE
767
figura 57.8, f (H) es una curva de histograma o de forma de campana, más o menos asimétrica, cuya base es el eje vertical H, y el área comprendida entre la curva f (H); y el eje H es la unidad. Luego, se subdivide el eje H dentro del área comprendida entre la altura máxima y la altura mínima de agua registrada, en un número suficiente de intervalos ∆H (m) (por ejemplo, equidistantes). En la altura media de agua Hi de cada intervalo ∆Hi, se leen los valores Qi = Q(Hi) (m3 s-1), vi = v(Hi) (m s-1) y fi = fi = f(Hi) (m-1) desde las curvas respectivas, y se calculan los productos ∆fi = ∆Hifi. Por último, para cada altura de agua Hi , se calcula el producto Pi = Qi vi ∆fi (m4 s-2), que es proporcional a la energía cinética del agua en circulación; y se determina la localización de la resultante PD de las "potencias" paralelas (horizontales), utilizando, por ejemplo, el método del polígono funicular (método gráfico) o la ecuación del momento (método numérico). Ambos métodos son bien conocidos en estática. A la altura de agua HD correspondiente a la "potencia" PD resultante, se puede leer el valor necesario de la descarga de diseño QD = Q (HD) desde la curva Q(H). Los resultados así obtenidos deben ser comprobados en los tramos del río que se suponen estables.
Qi
Η (m) vi
v (H)
Q (H)
∆Ηi ∆fi fi Ηi
Pi = Qi vi ∆fi
Q [m3 s-1] v [m s-1] f [m-1] Q [m4 s-2]
Figura 57.8 – Método gráfico para determinar el caudal de diseño
CAPÍTULO 58 GESTIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS URBANOS
58.1 Generalidades Al considerar el agua que circula a través de un entorno urbano, es importante que se trate de detectar el origen de su cantidad y calidad, porque la elección de la estrategia adecuada en el diseño, la reconstrucción (rehabilitación), el mantenimiento y la gestión de los sistemas de drenaje para aguas pluviales depende en gran medida de este conocimiento. El origen del agua en una zona urbana puede ser: a) la escorrentía de las zonas aguas arriba; b) la escorrentía de las zonas adyacentes; c) el caudal de base del agua subterránea; d) la escorrentía de las precipitaciones sobre la zona considerada; e) las mareas y los oleajes; o f) el agua usada (sanitaria, industrial, etc.). La inundación originada por la escorrentía procedente de zonas naturales y rurales, así como el movimiento del agua subterránea, se analizan en los otros capítulos. Este capítulo sólo aborda la escorrentía superficial ocasionada por las precipitaciones locales y su interacción con las masas de agua que las reciben. El suministro y la gestión del agua urbana e industrial están relacionados con el drenaje urbano como fuente de las aguas residuales contaminadas (sanitarias e industriales). Las variaciones diarias en la cantidad y la calidad de las aguas residuales procedentes de estas fuentes se deben supervisar porque sirven como datos de entrada para: a) el diseño, el mantenimiento y la rehabilitación de los sistemas de drenaje; b) el diseño y la gestión de las plantas de tratamiento de aguas residuales; y c) la evaluación de los impactos del agua contaminada (y tratada) en las masas de agua receptoras. La supervisión y la gestión del agua subterránea en las zonas urbanas son muy específicas debido a las diversas interacciones entre las actividades humanas y el equilibrio y la calidad de este tipo de agua. El agua subterránea es a menudo una fuente fundamental de agua potable para las zonas urbanas. No obstante, la recarga del agua subterránea en las zonas urbanas generalmente se ve reducida por el incremento de los porcentajes de áreas impermeables, que dan lugar a una disminución
770
CAPÍTULO 58
de las velocidades de infiltración y a una mayor rapidez de la escorrentía superficial. Por otra parte, el agua subterránea de las zonas urbanas está sujeta a fuentes de contaminación puntuales y no puntuales. En consecuencia, los objetivos de la gestión integrada del agua podrían ser los siguientes: a) proporcionar agua potable e industrial en cantidades suficientes y con la calidad adecuada, en condiciones económicas óptimas y con un mínimo de efectos perjudiciales en el medio ambiente; b) minimizar la contaminación y los cambios perjudiciales en los niveles de agua subterránea; c) minimizar los costos de las crecidas y los daños originados por las tormentas mediante el drenaje adecuado de aguas pluviales, basado en una combinación de redes de drenaje mejoradas, así como el control en tiempo real de las estructuras auxiliares (cuencas de retención y detención, estaciones de bombeo, etc.); d) minimizar los efectos negativos de las aguas urbanas (sanitarias, industriales y pluviales) tratadas y no tratadas en las masas de agua receptoras. En vista de que el drenaje urbano de aguas pluviales es extremadamente afectado por las condiciones meteorológicas, sólo se analizan algunos detalles de este tema. 58.2 Drenaje de aguas pluviales en zonas urbanas Como las zonas urbanas están expuestas a tormentas de naturaleza estocástica, el diseño de los sistemas se basa en tormentas de un determinado período de retorno. La altura pluviométrica durante un determinado período de retorno es el parámetro que normalmente se toma de las curvas de intensidad-precipitaciones-frecuencia de duración, establecidas para numerosas ciudades. Aunque la práctica habitual consiste en utilizar una tormenta con un período de retorno de dos años como datos de entrada para el análisis precipitaciones-escorrentía, algunas veces se aplican otros períodos de retorno, según la importancia de la zona que se debe proteger y de los posibles daños que podrían originar las crecidas. La mayoría de los modelos recientes, utilizados en el diseño del drenaje de aguas pluviales, emplean datos históricos (registrados) o sintéticos de tormentas como datos de entrada. La intensidad de las precipitaciones en general se considera como función del tiempo. Las captaciones de drenaje urbano difieren de las captaciones naturales en numerosos aspectos. Entre estas diferencias figuran las siguientes: a) los tipos de uso de la tierra son diferentes y, en general, mejor documentados que en las captaciones naturales; b) el porcentaje de áreas impermeables es superior; c) a menos que se apliquen técnicas especiales para reducir la escorrentía [1, 2], las crecidas se generan rápidamente, con caudales máximos;
GESTIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS URBANOS
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d) el drenaje del agua desde las captaciones se efectúa mediante combinaciones de colectores superficiales y con sistemas de drenaje subterráneo; e) las áreas de drenaje son generalmente pequeñas, pero en las grandes áreas metropolitanas tienden a ser más grandes, con complejos sistemas de tuberías bajo tierra, estaciones de bombeo y, en los últimos años, grandes instalaciones de almacenamiento subterráneo. Durante los decenios 70 y 80 se disponía de excelentes programas para medir tanto las precipitaciones como la escorrentía [3], que permitieron el desarrollo y la calibración de complejos modelos, a menudo físicos, para el análisis de estos parámetros y el diseño de los sistemas de drenaje de aguas pluviales [4]. Si bien los sistemas de drenaje normalmente se diseñan con el fin de proteger contra las crecidas de una cierta probabilidad de ocurrencia, la mayoría de los modelos actuales son capaces de simular las consecuencias de una sobrecarga de caudal en combinación con el flujo superficial sobre las calles (flujo de canal abierto). 58.3
Modelización de sistemas de precipitaciones, escorrentía y drenaje de aguas pluviales A pesar de que se siguen empleando los modelos sencillos y clásicos, como el método racional y los métodos de curva superficie-duración, o los del hidrograma unitario, la mayoría de los sistemas modernos utilizan enfoques determinísticos más complejos. En la mayoría de los casos de flujo superficial, basta con utilizar las aproximaciones del método de la onda cinemática aplicada a las ecuaciones fundamentales (leyes de conservación de la masa y del momento), tomando como base una serie de pruebas realizadas con datos obtenidos del banco de datos de redes urbanas de drenaje [4]. Las mismas aproximaciones son suficientes para el flujo de las cunetas. En general, se puede lograr una buena concordancia entre los modelos y las mediciones de escorrentía, si se calibran correctamente los parámetros de los modelos [5]. En los complejos sistemas de drenaje urbano de las grandes ciudades, los modelos de simulación son sólo uno de los componentes de los complejos sistemas de protección contra inundaciones que se componen de varios módulos (actividades): a) predicciones de las precipitaciones en tiempo real, basadas en combinaciones de imágenes por radar y datos de mediciones pluviales; b) utilización de bases de datos informatizadas (red, uso de la tierra, información sobre el estado de las estructuras y los dispositivos de regulación, etc.) para un control en tiempo real del tratamiento de la calidad del agua y la supervisión en las masas de agua receptoras; c) enlaces con otros servicios urbanos para lograr una coordinación y una gestión del agua integrada; d) formación eficaz del personal en base a altos niveles de proceso de información y a la aplicación de sistemas de apoyo a las decisiones [6].
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Referencias 1. Fujita, S., 1984: Experimental sewer system for the reduction of urban storm runoff (B. Palmer, P.A. Malmquist y A. Sjoberg, eds.). Proceedings of the Third International Conference on Urban Storm Drainage, 4-8 de junio de 1984, Gothemburg, Suecia, Volumen 3. 2. Sieker, F., 1984: Stormwater infiltration in urban areas (P. Balmer, P.A. Malmquist y A. Sjoberg, eds.). Proceedings of the Third International Conference on Urban Storm Drainage, 4-8 de junio de 1984, Gothemburg, Suecia, Volumen 3. 3. Maksimovic, C. and Radojkovic, M., 1986: Urban Drainage Catchments – Selected Worldwide Rainfall-runoff Data from Experimental Catchments. Pergamon Press, Oxford. 4. Yen, B.C., 1986: Rainfall-runoff processes on urban catchments and its modelling (C. Maksimovic y M. Radojvic, eds.). Proceedings of the International Symposium on Comparison of Urban Drainage Models with Real Catchment Data, 9-11 de abril de 1986, Dubrovnik, Yugoslavia. 5. Fuchs, L., 1990: Accuracy of rainfall-runoff models. Proceedings of the Fifth International Conference on Urban Storm Drainage, 29 de julio-3 de agosto de 1990, Osaka, Japón. 6. Bauwens, W., Fuchs, L. y Maksimovic, C., 1990: An educational tool for the computer-aided design and renovation of sewer systems. Proceedings of the Fifth International Conference on Urban Storm Drainage, 9 de julio-3 de agosto de 1990, Osaka, Japón.
CAPÍTULO 59 TRANSPORTE DE SEDIMENTOS Y DEFORMACIÓN DEL LECHO DEL RÍO 59.1 Generalidades El transporte de sedimentos por el agua que circula a través de ríos y canales es un importante factor en la planificación, el diseño, y el funcionamiento de los proyectos de gestión del agua. Este fenómeno afecta la función de los embalses de almacenamiento, la estabilidad y la capacidad de transporte de los cauces fluviales, el diseño de las estructuras que están en contacto con el agua en movimiento y la calidad del agua para diferentes usos. Una correcta evaluación de los efectos del transporte de sedimentos y de las medidas que puedan ser necesarias para su regulación exige un conocimiento de los procesos de erosión del suelo, del transporte y la deposición de los sedimentos, así como de su interacción con los procesos hidrológicos que tienen lugar en la captación. 59.2 Erosión de las captaciones El agente más significativo de la erosión del suelo que origina los sedimentos es el agua en movimiento. El viento, los hielos y la gravedad son otros de los agentes de erosión del suelo. Los procesos mediante los cuales el agua degrada el suelo son complicados y dependen de las propiedades pluviométricas, las propiedades del suelo, la pendiente del terreno, la vegetación, los métodos agrícolas, y el proceso de urbanización. Estos dos últimos factores representan los efectos más importantes de las actividades del hombre en la erosión. Para la determinación de la pérdida de suelo (erosión laminar) de los terrenos agrícolas, se elaboraron ecuaciones empíricas, entre las que figura la de Musgrave para las condiciones prevalecientes en Estados Unidos [1] que citamos a modo de ejemplo: (59.1) E = IRS1,35 l0,35 p1,75 donde E es la pérdida media anual de suelo, en milímetros; I la erosionabilidad inherente del suelo, en milímetros; R un factor de cubierta del terreno; S la pendiente del terreno, en por ciento; l la longitud de la pendiente, en metros; y p la altura pluviométrica bianual, a 30 minutos, en milímetros. Los valores de los parámetros I y R se determinan empíricamente a partir de estudios regionales.
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CAPÍTULO 59
59.3 Erosión de los cauces La erosión de los cauces se debe a las fuerzas originadas por la concentración del caudal de agua. Su velocidad depende de las características hidráulicas del caudal del cauce y de la erosionabilidad de los materiales que forman el cauce. En los materiales no cohesivos, la resistencia a la erosión depende del tamaño, la forma, y el peso específico de las partículas, así como la pendiente del lecho; y en los materiales cohesivos también depende de los agentes de cohesión. Las relaciones entre las variables hidráulicas y los parámetros que influyen en la erosionabilidad de los cauces no son del todo conocidas y a menudo se expresan mediante fórmulas empíricas [1, 2]. Las obras de regulación de corrientes de agua y ríos pueden tener una seria influencia local en la aceleración de la erosión de los cauces, cuando estas obras provocan un aumento en la profundidad del cauce o en la velocidad de la corriente, o dan lugar a un cambio en la dirección del cauce, o reducen la carga natural de sedimentos. Este último efecto se presenta con frecuencia debajo de las presas y puede persistir a lo largo de muchos kilómetros río abajo. En las tierras desprovistas de vegetación y áridas pueden formarse hondanadas con velocidades de avance que se pueden calcular mediante fórmulas empíricas que contienen parámetros como el área de drenaje de las hondanadas, la pendiente del cauce de aproximación, la altura pluviométrica, y el contenido de arcilla del suelo erosionado [3]. 59.4 Transporte de sedimentos en los cauces 59.4.1 Transporte de sedimentos en suspensión Los sedimentos finos (en suspensión) transportados en los ríos se originan fundamentalmente en la capa superior del suelo de la captación y en las orillas de los cauces. No obstante, estos sedimentos también se originan en las aguas residuales y en otros flujos de retorno. Como ejemplo podemos citar que estos sedimentos constituyen alrededor de un tercio de la carga de sedimentos en suspensión en la parte baja del Rin. Gran parte del material transportado se deposita sobre las planicies de inundación [4], especialmente aguas arriba de las estructuras hidráulicas. El material asentado experimenta una compactación y otros cambios físicos y químicos que algunas veces puede evitar que vuelva a ser erosionado por las corrientes que lo habrían transportado anteriormente. A menudo, se observa una disminución en el transporte medio anual de sedimentos por unidad de área de la captación a medida que el área de la captación aumenta. La concentración del sedimento en suspensión en la escorrentía se describe mediante fórmulas como [2, 5]: log cs = C log Q + B
(59.2)
donde cs la concentración expresada en peso por unidad de volumen de agua, Q la descarga de agua, C un coeficiente adimensional y B una función de la altura pluviométrica, de la descarga antecedente o de otras variables meteorológicas e hidrológicas.
TRANSPORTE DE SEDIMENTOS Y DEFORMACIÓN DEL LECHO DEL RÍO
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La concentración de un sedimento en suspensión varía dentro de la sección transversal del cauce, siendo relativamente alta en la parte inferior y pudiendo también no ser uniforme lateralmente [2], por lo que a menudo es necesario tomar muestras en varios puntos o a lo largo de varias verticales de la sección transversal para obtener su media. Cuando la concentración media se multiplica por la descarga de agua, es necesario evaluarla para obtener el peso total de los sedimentos por unidad de tiempo. El gráfico de sedimento en suspensión en función del tiempo en general tiene un pico que no incide simultáneamente con la descarga máxima. Este desfase es resultado de las condiciones específicas de la cuenca, y hasta ahora no se ha encontrado ninguna fórmula general para evaluar esta diferencia. 59.4.2 Transporte de la carga del lecho Los sedimentos gruesos (carga del lecho) se mueven deslizándose, rodando y rebotando a lo largo de los cauces, y se concentran en el lecho del cauce o cerca de él. Las variables que rigen el transporte son el tamaño y la forma de las partículas y las propiedades hidráulicas del caudal. Como consecuencia de la interacción entre las fuerzas hidráulicas y el sedimento grueso, el lecho del cauce asume diferentes configuraciones que se conocen con diferentes nombres: planas, onduladas, dunas, llanas, de ondas estacionarias y antidunas. Estas configuraciones ejercen una resistencia al paso del agua que varía dentro de amplios límites y que asume un valor máximo para la configuración de dunas [3, 6]. Todavía se suele usar una fórmula empírica para expresar la velocidad del transporte de los sedimentos gruesos, propuesta por Du Boys en 1879 [1]. Esta fórmula tiene la forma siguiente: qs = c
τo τo τc − γ γ γ
(59.3)
donde τo = γ Rh Se y qs es la velocidad del transporte de sedimentos por unidad de anchura del cauce, en kg s-1 m-1, τo el esfuerzo de cizallamiento en el lecho del cauce, en kg m-2, τc un valor empírico para el τo mínimo necesario para transportar los sedimentos considerados, γ el peso específico del agua, en kg m-3, c un coeficiente dimensional, en kg m-3 s-1, Se la pendiente de energía del agua y Rh el radio hidráulico, en metros, que, para ríos anchos, se puede sustituir por la profundidad media del agua. La siguiente tabla indica los valores de los coeficientes para la ecuación 59.3 [1]. Coeficientes para la Ecuación de Du Boys Meyer y Peter crearon otra fórmula, con una base teórica superior [1]: ( γq)2/ 3 S − AD e qs = B
3/ 2
(59.4)
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CAPÍTULO 59
donde q la descarga por unidad de anchura del cauce en m2 s-l, γ el peso específico del agua en kg m-3, Se la pendiente de energía, D el tamaño representativo del grano, en metros; qs la descarga de la carga del lecho por unidad de anchura del cauce, en kg m-l s-l, B una constante adimensional que asume el valor de 0,40 en un sistema de unidades coherente y A una constante dimensional que asume el valor de 17,0 en el sistema de unidades kg-m-s. Si los sedimentos transportados son de diversos tamaños, D se cambia por D35, que es el tamaño de malla a través del cual pasaría el 35 por ciento del peso de la carga del lecho. La ecuación 59.4 produce resultados fiables, particularmente para los cauces de lecho de arena. Coeficientes de la ecuación de Du Boys Clasificación
Arena fina Arena media Arena gruesa Arena muy gruesa Grava Grava
Diámetro medio (mm)
c (kg m-3 s-1)
τc (kg m-2)
1/8 1/4 1/2 1 2 4
8 370 000 4 990 000 2 990 000 1 780 000 1 059 000 638 000
0,0792 0,0841 0,1051 0,1545 0,251 0,435
59.5 Sedimentación La velocidad del caudal de un río disminuye, cuando se acerca a su desembocadura, junto con su capacidad para transportar sedimentos. Los primeros en depositarse son los sedimentos gruesos que posteriormente interfieren con el transporte del cauce y pueden originar meandros y canales de distribución adicionales en el río. El área del agua que corre aumenta, la profundidad disminuye, la velocidad se reduce y con el tiempo, los sedimentos finos empiezan a depositarse. Como resultado, se pueden formar deltas en la parte superior de los embalses. El material depositado puede ser transportado más tarde a las partes más profundas del embalse por procesos hidráulicos que tienen lugar en la masa de agua. Los sedimentos se depositan de acuerdo con su velocidad de asentamiento. La figura que sigue ilustra una relación entre el tamaño del grano y la velocidad de asentamiento [1]. Tras la llegada de los sedimentos a un embalse, en la columna de agua puede permanecer una importante concentración de sedimentos en suspensión durante varios días. Esto puede interferir con el uso del agua almacenada para ciertos fines, como para el abastecimiento de agua o la recreación.
TRANSPORTE DE SEDIMENTOS Y DEFORMACIÓN DEL LECHO DEL RÍO
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1,0
10 100 Tamaño de grano, en mm
1 000
Velocidad de asentamiento de los granos de cuarzo Cabe destacar que no todos los sedimentos se depositan en los embalses. Una gran parte de ellos permanece en las partes superiores de la cuenca, algunos se depositan aguas arriba de los embalses, y otros son transportados aguas abajo por el agua descargada. La eficacia del atrapamiento de los sedimentos en un embalse depende de las propiedades hidráulicas del embalse, de la naturaleza de los sedimentos y de las propiedades hidráulicas de la salida. La densidad de los sedimentos recién depositados es relativamente baja, pero aumenta con el tiempo. El componente orgánico de los sedimentos puede sufrir cambios que pueden reducir su volumen e intensificar los procesos bioquímicos en el agua almacenada.
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CAPÍTULO 59
59.6 Medidas que deben tomarse para la regulación de sedimentos Las medidas para regular los sedimentos se clasifican en dos amplias categorías: a) medidas de tratamiento de la tierra para proteger la cuenca; y b) medidas estructurales. Vanoni ofrece una descripción detallada de estas medidas en la publicación Sedimentation Engineering [7]. El objetivo de las medidas de tratamiento de la tierra es reducir la erosión en la cuenca y con ello la velocidad de la formación de sedimentos, mejorando la capa protectora de la superficie del suelo, reduciendo la escorrentía superficial, y aumentando las velocidades de infiltración. Estas medidas incluyen: a) tratamiento de la vegetación por métodos agronómicos y bosques forestales, como el empleo de la rotación de cultivos y la exclusión de pastos en las zonas de escorrentía crítica y producción de sedimentos; b) prácticas sobre el terreno adecuadas, como el cultivo siguiendo las líneas del nivel del terreno en terrenos inclinados, la preparación de terraplenes inclinados sobre las pendientes muy pronunciadas, la nivelación y el revestimiento de los cursos de agua naturales, las zanjas de riego y drenaje y las depresiones. Las medidas estructurales tienen como objeto ofrecer un grado de protección superior al permitido por las medidas de gestión agraria, e incluyen la mejora y las obras de estabilización de los cauces, los embalses, las cuencas de residuos y sedimentos, los diques de defensa, los malecones, los canales de evacuación de crecidas y las desviaciones de las aguas de crecidas. Referencias 1. Chow, V. T. (ed.), 1964: Handbook of Applied Hydrology. McGraw-Hill, Nueva York. 2. National Research Council, 1973: Proceedings of the Ninth Hydrology Symposium on Fluvial Processes and Sedimentation, 8-9 May 1973, Edmonton, Inland Waters Directorate, Department of the Environment, Ottawa, Ontario. 3. Simons, D. B. y Richardson, E. V., 1962: The effects of bed roughness on depth-discharge relations in alluvial channels. U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 1498-E. 4. Guy, H. P., 1970: Fluvial Sediment Concepts. Chapter C1, Book 3 of Techniques of Water Resources Investigations, U.S. Geological Survey, Washington, D.C. 5. Negev, M., 1972: Suspended Sediment Discharge in Western Watersheds of Israel. Hydrological Paper 14, Hydrological Service, Jerusalem. 6. Simons, D. B. y Richardson, E. V., 1966: Resistance to flow in alluvial channels. U.S. Geological Survey, Professional Paper 422-j. 7. Vanoni, V. A. (ed.), 1975: Sedimentation Engineering. American Society of Civil Engineers, Nueva York.
ÍNDICE TEMÁTICO Ablación 630, 632, 633, 637 Abrasión 259 Advección 119, 516, 524-525, 530 Aguas subterráneas 1, 6, 9, 16-19, 29, 45, 69, 71-72, 87, 199-200, 207-225, 260, 273-274, 279, 292-294, 296-300, 303, 306, 331-332, 337-339, 350-351, 356, 363-364, 388-390, 426, 467-472, 478-479, 481, 488, 501-502, 560, 577, 581, 622, 626-627, 630-632, 654, 657-661, 664, 674, 675-678, 683-684, 686, 692-693, 732-733, 734-736 Albedo 36, 118 Alcantarillas 162-163 Alerta de inundación (prevención de crecidas) 30, 108, 273, 320, 585-588, 596, 606, 619, 621-622, 675-678, 725-726 Almacenamiento de detención 700, 719-727 Almacenamiento en el canal 486-548 Almacenamiento en las orillas 513-514 Altura de caída disponible 741 Aluvial 293 Anemómetro 107, 136, 142 Año seco 745 Área de capacidad muerta 490, 702 Arrastre 149, 220 Avalancha 31, 263 Barra 154 Bifurcación (relación de) 567 Bowen (relación de) 517
Caída 175, 179 Cámara de agua 742 Canal 55, 59, 87, 151, 159, 161, 173174, 177-178, 489, 491, 495-496, 544, 550-551, 589, 591, 594, 719, 723, 745, 761 Canal de aproximación 55, 179-180, 775-776 Capacidad 45, 544, 550-551, 553, 562, 630, 635, 691, 694, 696-697, 701702, 719-722, 739-745, 751 Capilaridad 100 Cascada 175 Caudal crítico 745 Cauce 148, 154-155, 161-162, 169, 173-174, 547, 704, 723-724, 775, 778 Clima 9-10, 14-15, 23, 30, 136, 180, 263, 309, 323, 417, 563, 636, 654-655, 657-658, 666, 674, 676, 730, 733, 739 Condensación 138, 453-466 Conducción o transporte 37, 684, 776, 778 Conductividad 39, 58, 160, 171-172, 223, 238-241, 244, 294, 348, 353, 550-553 Conductividad eléctrica del agua 223 Cono de depresión 208 Control 27, 32, 69, 111, 115, 123, 129-131, 156, 163, 175-178, 683, 719-728, 761-762 Control (sección de) 156, 162-163, 178
780
ÍNDICE TEMÁTICO
Correlación 116, 123-124, 128, 274-275, 278, 370, 374, 377-378, 444, 447, 469-474, 508, 555, 562, 596, 608-609, 610-613, 616-617, 620, 626, 631, 687 Correlograma 555 Crecida (ver también inundación) 69-70, 143, 146, 161-163, 165-166, 176, 181, 186, 188, 192, 273, 279, 282-286, 289-290, 301-302, 320-321, 328-329, 351, 404, 4013, 415-417, 419, 426-429, 435-436, 438, 464-465, 475, 489-491, 493, 495, 505-506, 582-589, 591, 595-597, 599-601, 605, 607, 610-612, 617, 627-628, 654, 664, 677, 694, 700, 704, 709-728, 740-745, 762, 778 Crecidas anuales 413, 505, 715-716 Crecida repentina 591, 599, 620-622, 719 Criosfera 14 Curva de doble acumulación 445, 467, 471 Curva de duración 400, 497-498, 699-700, 744 Curvas o meandros 755, 762 Darcy 40, 552 Degradación 224, 606, 746 Descarga 685, 687, 702 Descenso del nivel 38, 143-144 Ecosistema 655, 669 Ecuación de continuidad 493 Efluente 250, 260, 296, 307-308, 379, 626, 687, 747, 751-752 Erosión 289-290, 654, 667, 704, 724, 728, 732, 750-751, 773-778 Estación automática 319, 365 Estación hidrométrica 279-280, 287, 291-292, 389 Estudio (diseño) de tormenta 404, 713
Evapotranspiración 1, 38, 135, 137, 342, 370-373, 385, 391, 404, 466, 475, 479, 488, 533-538, 540, 542-552, 662, 635-636, 693, 730 Flujo natural 187 Hielo 50, 55, 60, 95, 120, 125, 127-128, 132, 166, 176, 191-193, 202-203, 233-234, 237-239, 245-248, 261-262, 284, 289-294, 300-301, 307, 326, 342, 351, 365-366, 368-370, 410, 461, 595-600, 601-603, 639-645, 653, 663-666, 723-725, 745, 754-759, 760-763, 765-767, 775-776 Hidrogeología 577 Hidrografía 705-706 Hidrometeorología 11, 438 Hidrometría 87-88, 596-597 Índice de sequía 426 Intervalo de confianza 50-51, 57, 591 Inundaciones 31, 90, 108, 123, 161-163, 208, 314, 316, 654, 667, 673, 676-677, 688, 773, 762, 774 Irrigación (riego) 30-31, 79, 82, 85, 138, 224, 279-280, 287-289, 292-300, 625-626, 692-693, 729-738, 736-737, 745-747 Longitud recta de una superficie de agua 705 Llovizna 109 Lluvia ácida 239 Marcas de crecidas 713 Molinete hidrométrico 147-148, 150-152, 154-157, 163-172, 218, 255, 374-375 Nivel de confianza 50-51, 57, 156, 170, 243 Obstrucción 213-214 Predicción (pronóstico) 2-3, 50, 328-329, 410, 453, 481-484, 489-492, 539, 544546, 548-549, 557, 581-591, 593-606, 607-618, 619-628, 629-637, 638-645
ÍNDICE TEMÁTICO
Predicción de crecidas 146, 279, 289, 320, 585, 588, 595-596, 603, 606, 619-629, 725-726 Presión hidrostática 132 Proceso de datos 17, 32, 317, 333, 337, 359, 366, 377, 383, 390, 393-394, 410, 588-591 Referencia (estaciones, puntos de) 214, 280 Reflujo 167 Rendimiento asegurado 744-745 Resguardo 704-706, 711, 724-725
781
Rocío 118-119, 342, 458 Sequía 69, 426, 497, 500, 655, 699, 744 Series anuales 414, 421, 439-440, 505-506 Series de máximos anuales 413-414, 586 Sistema de recolección de datos 318, 621 Tasa de evaporación 550 Teleférico 150, 165, 258, 265 Uso consuntivo 684, 687, 730, 739, 747 Zona 224
A Políticas, planificación y organización A00 Políticas, planificación y organización B Diseño de redes B00 Diseño de redes C Instrumentos y equipos C00 Generalidades C05 Calidad del agua, instrumentos para medición de diversas variables C06 Temperatura del agua C10 Carga de sedimento en suspensión C12 Arrastre de fondo C16 Calidad química C21 Calidad biológica C25 Datos meteorológicos generales; estaciones climatológicas y meteorológicas C26 Precipitación, generalidades C27 Precipitación, pluviómetros manuales y totalizadores C30 Precipitación, pluviógrafos y pluviómetros telemétricos C33 Precipitación, medición por radar C35 Temperatura del aire C37 Temperatura del suelo C39 Humedad C41 Horas de insolación C43 Radiación solar C45 Evaporación, generalidades C46 Evaporación, tinas y tanques C48 Evaporación, lisímetros C52 Velocidad y dirección del viento C53 Nieve, espesor del manto y equivalente en agua C55 Humedad del suelo, generalidades C56 Humedad del suelo, muestreadores C58 Humedad del suelo, métodos nucleares C60 Humedad del suelo, métodos eléctricos C62 Humedad del suelo, tensiómetros C65 Agua subterránea, nivel C67 Agua subterránea, perforaciones y relevamientos C71 Nivel o altura del agua C73 Caudal del curso de agua, canales aforadores, vertederos, métodos ultrasónicos y electromagnéticos C79 Velocidad del agua, molinetes o flotadores C85 Aforo de rios, generalidades C86 Aforo de rios, teleféricos C88 Aforo de rios, gruas, puentes y pasarelas, tornos y carretes C90 Aforo de rios, equipo para uso en embarcaciones C92 Mediciones de hielo D Teledetección D00 Teledetección E
Métodos de observación
E00 Generalidades E05 Calidad del agua E09 Sedimentos E25 Observaciones meteorológicas aplicadas a la hidrología E53 Nieve y hielo, glaciología E55 Humedad del suelo E65 Agua subterránea E70 Agua superficial, nivel y flujo E71 Nivel del agua E73 Medición del caudal, aforo por dilución E79 Mediciones de velocidad, uso de molinetes hidrométricos E85 Estimación de características hidrológicas a partir de mapas E88 Estudios de reconocimiento F Transmisión de datos F00 Transmisión de datos G Archivo, recuperación y difusión de datos G00 Generalidades G05 Normas, manuales y recomendaciones G06 Sistemas de almacenamiento de datos hidrológicos G08 Sistemas de almacenamiento de datos de agua superficial G10 Sistemas de almacenamiento de datos de agua subterránea: niveles, química del agua, rendimiento hídrico de pozos, flujos G12 Sistemas de almacenamiento de datos meteorológicos G14 Sistemas de almacenamiento de datos de calidad del agua G20 Programas para tabulación de datos hidrológicos en general G25 Anuarios hidrológicos G30 Sistemas de difusión de información o datos G40 Transferencia de datos entre autoridades; normas, recomendaciones, manuales y métodos de codificación G42 Transferencia de datos entre autoridades, programas para la puesta en práctica de las normas dadas en G40 H Procesamiento primario de datos H00 Sistemas de procesamiento de datos de diversos tipos. Normas, recomendaciones, manuales, etc. para procesamiento primario de datos en general H05 Datos generales de calidad del agua H06 Datos de temperatura del agua H09 Datos de transporte de sedimentos H16 Datos de calidad química H21 Datos de calidad biológica H25 Datos meteorológicos generales para uso en hidrología H26 Datos de precipitación obtenidos por medio de diversos procedimientos excepto radar H33 Datos de precipitación obtenidos por medio de radar incluyendo calibración mediante comparación con pluviómetros telemétricos H35 Datos de temperatura del aire H39 Datos de humedad del aire H41 Datos heliométricos, horas de insolación o radiación H45 Datos de evaporación
H52 Datos de viento H53 Datos de nieve y hielo; capa de nieve; espesor y equivalente en agua H55 Datos de humedad del suelo H65 Datos de agua subterránea H70 Agua superficial (nivel y flujo) en general H71 Datos de nivel de agua H73 Datos de caudal H76 Deducción de curvas de tarado, conversión de nivel en flujo por medio de curvas de tarado H79 Datos de velocidad del agua, cálculo del caudal a partir de mediciones puntuales de velocidad H83 Procesamiento de la información histórica sobre crecidas I Procesamiento secundario de datos I00 Generalidades I05 Datos generales de calidad del agua I06 Datos de temperatura del agua I09 Datos de transporte de sedimentos I25 Datos meteorológicos generales para uso en hidrología I26 Datos de precipitación I36 Contaminación aerotransportada I41 Datos heliométricos, horas de insolación o radiación I45 Evaporación en general I50 Evaporación, cálculo a partir de mediciones meteorológicas I53 Nieve y hielo I55 Datos de humedad del suelo I60 Balance hídrico I65 Niveles de agua subterránea I71 Datos de nivel de agua I73 Datos de caudal I80 Datos de estiaje I81 Datos de crecidas, análisis de frecuencia de crecidas J Modelos de predicción hidrológica J04 Predicción de caudales a partir de datos hidrometeorológicos J10 Tránsito de caudales a efectos de predicción J15 Modelos combinados de predicción y de tránsito de caudales J22 Predicción de flujos estacionales J28 Predicción de caudales de estiaje J32 Predicción de la humedad del suelo J45 Predicciones del estado del hielo J54 Predicción de la temperatura del agua superficial J55 Predicción de la calidad del agua superficial J65 Predicción de la producción de sedimento J80 Análisis de rendimiento de modelos K
Análisis hidrológico a efectos de planificación y diseño de obras ingeniería y sistemas de recursos hídricos. K10 Análisis regionales K15 Estudios de crecidas para sitios específicos
K22 Modelos de simulación de lluvia-escorrentía K35 Simulación y tránsito de caudales K45 Tránsito a través de embalses y lagos K54 Estudios de temperatura del agua K55 Estudios de calidad del agua K65 Estudios de sedimentos K70 Evaluación de proyectos de recursos hídricos K75 Políticas de diseño y de explotación de embalses L Agua subterránea L10 Análisis de datos de pozos y sondeos L20 Modelos de simulación de acuíferos L22 Calibración y verificación de modelos de aguas subterráneas. L30 Predicción de aguas subterráneas X Calculos matemáticos y estadísticos X00 Calculos matemáticos y estadísticos Y Material auxiliar para el entrenamiento en hidrología Y00 Material auxiliar para el entrenamiento en hidrología
