HIDROLOGÍA Intro
La hidrología es la presencia, circulación y distribución del agua en la Tierra
Primeros en estudiar la hidrología ► filósofos griegos
En el siglo 17 Pierre Perrault desarrollo el ciclo hidrológico.
Los filósofos naturales estaban convencidos que la cantidad de precipitación no era responsable del flujo en ríos.
Aristóteles proponía que la mayoría del agua venía de cavernas subterráneas en las cuales el aire era transformado en agua.
Perrault en su libro “El origen de los manantiales” rechazó muchas opiniones Demostróque la lluvia no penetra en el suelo más de aproximadamente 2 pies TEORÍA DEL CICLO HIDROLÓGICO: Evaporación, transpiración, infiltración y escurrimiento superficial.
El ciclo hidrológico
Necesita energía del Sol para ponerse en movimiento. Zona de amortiguamiento: Cuando hay una fuerte pendiente, se hace plano un tramo y se colocan plantas (simulando un pantano) para que el escurrimiento sea lento y se almacene agua más limpia. La radiación solar da directamente a los océanos, se evapora parte del agua y se forma el vapor de agua en la atmosfera (dura 10 días como vapor de agua). El vapor de agua cambia a estado líquido a través del proceso de condensación y forma nubes. Luego se produce la precipitación (lluvia o nieve) para retornar nuevamente a los océanos o a la superficie terrestre. Nivel freático: Lugar geométrico donde la presión hidrostática es igual a la presión atmosférica. Parte del agua subterránea es absorbida por la vegetación y devuelta a la atmosfera por la transpiración. Los ríos que solo tienen agua cuando llueve es por el escurrimiento (intermitente). Y cuando los ríos siempre tienen agua es porque también se alimentan del nivel freático. Si el agua externa cae sobre un suelo saturado forma inundación. El agua del escurrimiento superficial puede ser retenida temporalmente por lagos pero finalmente regresa a los océanos.
El agua de mar se transforma en agua fresca de precipitación por lo tanto los almacenamientos y fuentes de agua consisten principalmente de agua sin sal. EXCEPTO: almacenamientos subterráneos con sales disueltas y aguas superficiales contaminadas por el ser humano.
Hidrometeorología
Rama de la física que estudia los fenómenos que suceden en la atmósfera, rama de la meteorología que se encarga del ciclo hidrológico, el balance hídrico y las estadísticas de lluvia de las tormentas. Estudia la precipitación y evaporación, las dos fases fundamentales del ciclo hidrológico.
La atmósfera
Es la capa de gases que recubre la Tierra y la protege. Tiene 100 km de espesor. La presión disminuye con la altura porque hay menos cantidad de aire. La capa de ozono absorbe la radiación solar, liberando algo de energía en forma de calor. Para los hidrólogos, la troposfera es la capa más importante, porque contiene un 75% del peso de la atmosfera y virtualmente toda su humedad En regiones exteriores como la estratosfera y mesosfera se generan algunas de las perturbaciones que afectan la troposfera y a la superficie terrestre. La altura de la tropopausa que es la zona límite entre la troposfera y la estratosfera es de alrededor de 11 km. Esta varía entre 8km en los polos y hasta 16 km en el Ecuador. Cuando la temperatura superficial es elevada se ha notado una tendencia de que la tropopausa este a una mayor altura. La temperatura desde el nivel del suelo hasta la tropopausa disminuye al incrementarse la altitud a un ritmo de 6.5°C/Km. Presión atmosférica: Fuerza ejercida hacia abajo, sobre un área unitaria horizontal que resulta de la acción de la gravedad sobre la masa de aire verticalmente encima. Presión atmosférica a nivel del mar: 1bar(105 Pa)=760 mm de Hg
Densidad el aire: 𝜌 = 𝑅𝑇 donde R es la constante específica del aire seco
𝑝
(0.29kJ/kgK). Temperatura promedio a nivel del mar: 288°K por lo tanto la 𝜌 del aire será 1.2Kg/m³. La presión atmosférica en la troposfera es de 1000 mb aprox.
A nivel del mar las variaciones de presión van de 940 a 1050 mb. Los meteorólogos utilizan cuadros sinópticos con patrones formados por isobaras (líneas de igual presión) que definen áreas de altas y bajas presiones, que sirven para identificar y pronosticar los cambios climáticos.
La cantidad de vapor de agua en la atmósfera está directamente relacionada a la temperatura. Está restringido a las capas inferiores de la troposfera porque la temperatura disminuye con la altitud. El vapor de agua es menor en los polos y más alta alrededor de las regiones ecuatoriales. La presión de vapor se limita a la humedad en la atmosfera. Su unidad de medida son los milibares. Saturación: Máxima cantidad de vapor de agua que puede sostener a una cierta temperatura. Supersaturación: Si es el aire se encuentra en contacto con agua en estado líquido en un estado divido suficientemente fino (por ejemplo, gotas de agua muy pequeñas en las nubes). En zonas muy frías se tienen 2 curvas de vapor de presión de saturación. Una con respecto al agua y otra con respecto al hielo. En la zona entre las curvas el aire es insaturado con respecto al agua pero supersaturado con respecto al hielo. Punto de rocío: Es la temperatura Td en la cual una masa de aire no saturado se vuelve saturado cuando es enfriado si la presión se mantiene constante. Déficit de saturación: Es una cierta cantidad adicional de vapor de agua (humedad) que el aire puede tener a una cierta temperatura para llegar a su saturación. 𝑒𝑎 − 𝑒𝑑
Humedad relativa: Relación entre la cantidad de humedad en el ambiente con la cantidad necesaria para saturar el aire a la misma temperatura (en 𝑒𝑑
porcentaje). 𝑒𝑎 ∗ 100
Humedad absoluta: Masa de vapor de agua por unidad de volumen de aire a una temperatura dada y es equivalente a la densidad del vapor de agua. 𝜌=
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 (𝑔) 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 (𝑚3 )
Humedad específica: Relaciona la masa de vapor de agua (mw g) con la masa de aire húmedo (en kg) en un volumen dado. 𝑞=
𝑚𝑤 (𝑔) 𝜌𝑤 𝑔 = ( 𝑘𝑔) (𝑚𝑤 + 𝑚𝑑 )(𝑘𝑔) 𝜌
donde Md es la masa (Kg) de aire seco Agua precipitable: Es la cantidad total de vapor de agua en una columna de aire, expresada como la profundidad de agua líquida en milímetros sobre el área de la base de la columna. El agua precipitable da un estimado de lluvia máxima posible bajo condiciones irreales de condensación total.
Radiación solar
Es la fuente de energía para que el ciclo hidrológico se ponga en marcha. Está definida por: la emisión solar, altitud del sol, distancia desde el sol y duración del día. El sol es un globo de materia incandescente, tiene una capa exterior gaseosa de un espesor aproximado de 320 Km y transmite luz desde una distancia de 145 millones de Km. La tasa máxima de emisión solar (10500 kW/m2) ocurre a una longitud de onda de 0.5 m en el rango de la luz visible. Constante solar: La radiación total recibida en unidad de tiempo sobre un área unitaria de superficie ubicada en ángulo recto a los rayos del sol, a la distancia media de la Tierra al Sol. Su valor promedio es de 1.39 kW/m². Enero► Perihelio, la Tierra está más lejana al sol. Julio► Afelio, la Tierra está más cercana al sol. Los factores que determinan la altitud del Sol son: latitud, estación del año y hora del día. El total de radiación que caerá en un punto de la superficie terrestre está gobernado por la duración del día, que a su vez es dependiente de la latitud y de la época del año. La atmósfera opera como un filtro de energía en ambas direcciones, protegiendo de condiciones extremas y de la pérdida de energía.
Atenuación: Pérdida de energía en la radiación solar cuando ésta atraviesa la atmósfera. Se da en tres formas diferentes: dispersión, absorción y reflexión. Zona de conexión: La energía es expulsada a la Tierra, solo una pequeña parte es captada por la Tierra. La mitad de la energía total emitida por el Sol está en el rango de la luz visible. Composición de la radiación solar: Luz visible, luz ultravioleta, luz infrarroja Dispersión: La radiación colisiona con moléculas de aire o vapor de agua, aproximadamente un 9% de la radiación que llega a la Tierra es dispersada. El 16% que se dispersa y pasa a la Tierra le da el color celeste al cielo. Absorción: Un 15% de la radiación solar es absorbida por los gases de la atmósfera, particularmente por el ozono, vapor de agua y dióxido de carbono. Reflexión: Capacidad que tienen diferentes superficies de reflejar la luz solar (albedo). la nieve fresca reflejan aproximadamente el 90% de la radiación (r = 0.9). Los océanos tropicales oscuros bajo un sol alto absorben casi toda la radiación (r = 0). El albedo de la superficie de agua de un reservorio se asume usualmente igual a 0.05 y del césped corto, 0.25. Radiación neta: Es la energía disponible para calentar el suelo, las capas de aire inferiores y para la evaporación del agua luego del balance entre la radiación que ingresa y aquella que sale. Solo el 43% de la radiación solar alcanza la superficie de la Tierra. 𝑅 = 𝑆 ↓ − 𝑟 𝑆 ↓ + 𝐿↓ − 𝐿↑
En donde S y L son las radiaciones de onda corta y de onda larga y r es el albedo. Las flechas indican la dirección de ingreso o salida. En la noche, S = 0 y L es muy pequeña y puede ser despreciada de tal forma que R = L. En otras palabras, la radiación neta es negativa y existe una pérdida marcada de calor que es particularmente notoria cuando el cielo está despejado.
Evaporación
Inicio del ciclo hidrológico. Los océanos contienen 95% del agua de la Tierra. Para convertir agua líquida en vapor de agua gaseoso se requiere una fuente de energía. El calor latente de vaporización debe ser agregado a las moléculas del líquido para provocar el cambio de estado. La energía disponible para evaporación es la radiación neta.
Tasa de evaporización: Dependerá de la temperatura de la superficie y del ambiente. Así como también el vapor de agua existente en el aire. Y del déficit de saturación (cuanto más de agua puede contener el aire). La evaporación se presentará hasta que se llegue al estado de saturación. El reemplazo del aire saturado por el aire seco permite que la evaporación continúe, mayor velocidad de reemplazo, más rápido se produce la evaporación. Factores que afectan la evaporización Desde el agua: la energía disponible, la radiación neta, las temperaturas de la superficie y del aire, el déficit de saturación y la velocidad del viento. Desde el suelo: la evaporación del agua líquida recogida por la precipitación, de la lluvia interceptada por la vegetación y de la transpiración del agua por las plantas.
Evapotranspiración potencial: máxima evaporación y transpiración posible que se daría lugar si existiera un abastecimiento de humedad ilimitado.
Precipitación
Si el aire fuera puro, la condensación del vapor de agua para formar gotas de agua líquida ocurriría únicamente cuando el aire estuviera extremadamente supersaturado. La presencia de pequeñas partículas en el aire llamadas aerosoles proveen de núcleos alrededor de los cuales el vapor de agua del aire normalmente saturado puede condensarse. Núcleos de condensación: Son los que dan la base sólida para que la condensación genere las gotas. Se dividen en partículas higroscópica, las cuales son fáciles de condensar (sales, ambientes marinos) y no higroscópicas, necesitan cierto nivel de supersaturacion para condensarse (polvo). Núcleos de Aitken: Partículas diminutas que pueden viajar grandes distancias, a través de continentes e inclusive circunnavegar la Tierra. Mecanismos de enfriamiento de una masa de aire - Por una expansión adiabática del aire ascendente: Un volumen de aire puede ser forzado a ascender debido a la presencia de una cadena montañosa. - Por el encuentro de dos masas diferentes de aire: Por ejemplo, cuando una masa de aire caliente y húmeda converge con una masa de aire fría el aire caliente es forzado a subir y puede ser enfriado hasta su punto de rocío. - Por el contacto entre una masa de aire húmedo y un objeto frío, tal como el suelo (condensación orográfica).
Estos mecanismos son importantes porque al enfriar el aire se lo lleva al punto de rocío para llegar a la condición saturada.
Crecimiento de las gotas depende de: - Fuerzas higroscópicas y de tensión superficial. - Humedad del aire. - De las tasas de transferencia de vapor a gotas de agua. - Calor latente de condensación liberado. (El calor latente corresponde al calor de cambio de estado y está definido como la energía requerida por una sustancia para cambiar de fase, por ejemplo: de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). La tasa de crecimiento de las gotas depende de su origen y de la tasa de enfriamiento del aire que abastece de la humedad. Es poco probable que las pequeñas gotas de las nubes se congelen a condiciones normales del aire, hasta que es enfriada por debajo de los -10 °C (263 K) y comúnmente existen hasta los -20 °C (253 K). Las gotas se congelan únicamente por la presencia de núcleos de hielo. Nubes: Vapor de agua que se condensa. Nubes de mayor altitud► Conformadas por cristales de hielo Nubes intermedias► Gotas de agua o cristales de hielo Nubes bajas► Compuestas por gotitas de agua Cúmulonimbus: Nubes con fuertes desarrollos verticales ascendentes. A -20°C se congela la mayoría de las nubes y hay más cristales de hielo.
Crecimiento de las gotas de lluvia
Las gotitas de las nubes pueden crecer en forma natural hasta un tamaño de aproximadamente 100m de radio. Proceso de Bergeron: El vapor de agua es depositado sobre las partículas de hielo para formar cristales de hielo. Entonces el aire se convierte en no saturado y las gotitas comienzan a evaporarse. El proceso continúa hasta que todas las gotitas se hayan evaporado o hasta que los cristales de hielo hayan crecido tanto que pueden precipitarse de las nubes para derretirse y caer en forma de lluvia al alcanzar altitudes menores.
Este mecanismo opera mejor en las nubes con temperaturas en el rango de -10 °C hasta -30 °C y con poco contenido de agua líquida.
Crecimiento por colisión: En nubes en donde las temperaturas están por encima de los 0 °C (273 K), no hay presencia de partículas de hielo y las gotitas de las nubes colisionan unas con otras y crecen por coalescencia. Las gotitas de mayor tamaño caen con mayor velocidad a través de las gotitas de menor tamaño con las cuales colisionan y se fusionan. Opera más en ambientes marinos.
Crecimiento por acumulación: Ocurre en nubes con un contenido mezclado de partículas de hielo y gotitas de agua. Se forman copos de nieve, gránulos de hielo o granizo a medida que las gotitas de las nubes se fusionan con partículas de hielo.
Patrones climáticos que producen precipitación
Anticicliones► Áreas de presión atmosférica alta Depresiones► Áreas de presión atmosférica baja En la ubicación de los anticiclones está el desarrollo de las masas de aire homogéneas (muestran poca variación horizontal en temperatura y humedad) Masas de aire frias ► más estables Masas de aire cálidas ► menos estables Las diferencias en presión atmosférica provocan que las masas de aire se muevan de regiones de alta presión a regiones de baja presión. Precipitación orográfica: puede originarse directamente desde una masa de aire marítima que fue enfriada debido a que se vio forzada a ascender por la presencia de montañas en su camino. Cuando el aire es enfriado debido a la convergencia de dos masas de aire contrastantes se puede producir una precipitación más generalizada, independiente de las características del terreno. Zona frontal: Frontera entre dos masas de aire.
Medición
Una red hidrológica es aquella que provea de los datos más comúnmente utilizados por los hidrólogos.
Se han propuesto 3 usos principales de las redes hidrológicas: o Para planeación: requiere registros a largo plazo o Para manejo: requiere mediciones en tiempo real para operaciones diarias y predicciones futuras o Para investigación: usualmente requiere gran cantidad de datos de muy alta calidad
Consideraciones de diseño o La primera corresponde a la investigación fundamental inicial de la zona y las características conocidas del área a estudiar o La segunda etapa en el diseño de redes incluye la planeación práctica. o La tercera etapa corresponde a la planificación detallada y al diseño requerido de las instalaciones de los sitos nuevos.
El esquema hidrométrico ideal incluye planes para la medición de todas las diferentes variables hidrológicas Estas variables pueden incluir: o Transporte de sedimentos o Calidad de agua o Daños por inundaciones
Debido a que la evaporación y transpiración sobre un área son cantidades relativamente conservadoras en el ciclo hidrológico, requieren de menores cantidades de estaciones de medición. La evaporación y transpiración dependen de la altitud y por lo tanto la red de estaciones de medición deberá muestrear zonas de diferente altitud dentro de una cuenca. o El propósito principal de las investigaciones de agua subterránea son: o Identificar acuíferos productivos o Determinar sus propiedades hidráulicas o Monitorear los niveles de agua en los acuíferos.
POLIGONOS DE THIESSEN
ISOYETAS
