De: SALA, M. y BATALLA, J. M. (1996): Teoría y Métodos en Geografía Física. Editorial Síntesis, Espacios y Sociedades, 1, 303 pp. Historia de la hidrología El agua es esencial para la vida y su distribución y disponibilidad están asociadas con el desarrollo de las sociedades humanas. Por esta razón, los estudios sobre hidrología son, en cierto sentido, tan antiguos como las civilizaciones. Biswas (1970) llega a situar el origen de la hidrología varios milenios antes de Cristo. En la cuenca mediterránea, cuna de nuestra civilización, el interés por la gestión de los recursos del agua es ancestral. Así, uno de los planes de irrigación más antiguos que se conocen es el de la villa de Nippur en la Mesopotamia del siglo XIII a. C. (Kazmann, 1971). En la Grecia clásica, Platón ya pone de manifiesto el papel del bosque en la escorrentía (Poncet, 1968). No obstante la idea de que la lluvia podía ser el origen de las aguas que circulan por los ríos tardó mucho en aparecer. Ciertamente la dificultad de esta comprensión es más grande en un medio mediterráneo, puesto que no se da una correlación simple entre precipitación y escorrentía. Tan difícil resulta en estas condiciones relacionar los caudales de finales de junio con las lluvias de invierno, como la ausencia de escorrentía permanente después de las lluvias de otoño. En la antigüedad clásica e interés por el conocimiento de la localización y magnitud de los recursos hídricos es bien notoria, así como la búsqueda de una explicación a la ocurrencia de fuentes, ríos y al posible movimiento del agua en el suelo. Así, para Platón el origen de ríos y fuentes es el océano homérico o Tartarus, un gran pasaje subterráneo con ramificaciones que penetraban toda la tierra hasta que salía al exterior por ríos y fuentes. Aristóteles creía que el agua de la superficie era debida a la condensación del agua que contiene la tierra, es decir, a que existen unos vapores subterráneos ascendentes. Sin embargo Aristóteles explicó los mecanismos de la precipitación y Vitrubio, trescientos años más tarde, comprendió el origen pluvial de las fuentes, al entender que el agua subterránea se originaba en su mayor parte por la infiltración de la lluvia y la fusión de la nieve. Otro aspecto a mencionar son los esfuerzos para tomar mediciones de caudales, uno de los pilares donde se asienta la Hidrología. El primer instrumento que se conoce es el utilizado para medir los niveles del Nilo, y consiste en columnas talladas llamadas nilómetros en las que se registraron niveles de hasta 74,25 metros. También se cuantificaron incrementos del lecho de 2,68 metros en 2800 años, lo que significa una acumulación de sedimentos de 0,09 metros cada 100 años. El primer nilómetro árabe se construyó en el año 715 en la isla de Roda y se tienen registros de los niveles máximos y mínimos desde el año 641. Leonardo Da Vinci (1452-1519) llevó a cabo multitud de observaciones de campo, las cuales, si bien, fueron más cualitativas que cuantitativas, tiene ya visos de modernidad.
Intuyó, aunque algo confusamente, el ciclo hidrológico, y llegó a una comprensión mucho mejor que cualquiera de sus predecesores o contemporáneos de los principios del flujo del agua en los canales fluviales. Da Vinci tuvo dos conceptos del ciclo hidrológico, uno correcto, el de la evaporación de mares y lagos formando nubes y su posterior condensación, y otro incorrecto, que el agua fluye también desde el interior de la tierra hasta las montañas y allí aparece a través de fisuras. Sin embargo adquirió un conocimiento del flujo en canales abiertos mejor que ninguno de sus predecesores, conocimiento basado en la observación y la medición. Tenía un concepto claro del principio de continuidad, es decir, de que hay un mismo volumen de agua en canales de diferente dimensión y que lo que varía es la velocidad. Hizo observaciones sobre la distribución de la velocidad mediante un flotador situado en el agua, un distanciómetro en tierra y cantando las escalas musicales para medir el tiempo. También utilizó un nivel para medir la pendiente del río, tintes para estudiar el movimiento turbulento del agua, y puntos de aforo fijos para facilitar las observaciones de caudal. Estudió sistemáticamente las configuraciones del lecho y los efectos de fricción. Observó experimentalmente la sedimentación detrás de obstáculos y construyó canales de madera para detectar mejor los fenómenos hidrológicos. Formuló teorías sobre la irrigación, el drenaje y el control de avenidas. Planeaba escribir un libro sobre el agua que probablemente hubiese cambiado la historia de la Hidrología. Pero fue el francés Bernard Palissy (1510-1590) quién intuyó, acertadamente, que el origen único de fuentes y ríos era la infiltración y retorno en superficie del agua de precipitación. Palissy era alfarero pero era un gran observador de la naturaleza y se interesó por los problemas relacionados con el agua. Afirmó categóricamente que los ríos no podían tener otro origen que el de la precipitación, rechazando la teoría de los cambios en el nivel del mar y los túneles subterráneos por los que el agua ascendía hasta las montañas. Comprendió el principio de los pozos artesianos de la llanura del Po, es decir, su alimentación fluvial subterránea, y recomendó la forestación para prevenir la erosión. Desgraciadamente sus trabajos. lo mismo que los de Leonardo, no influyeron en sus contemporáneos, todavía dominados por las ideas clásicas y religiosas. En la misma época la contribución de Jacques Besson se centró en la comprensión del ciclo hidrológico, afirmando que el agua de precipitación es suficiente para mantener ríos y fuentes. Observó que el caudal decrece cuando baja la precipitación, y afirmó que evaporación y precipitación son iguales en cantidad. Por otro lado, el arquitecto Giovani Fontana de Medi llevó a cabo investigaciones sobre las crecidas del Tiber en Roma, con mediciones sistemáticas y análisis del flujo de crecida. Propuso una mejora de los canales de drenaje para evitar inundaciones. No fue hasta cerca del final del siglo XVII cuando se formularon teorías plausibles acerca del ciclo hidrológico basadas en pruebas empíricas. Los mayores avances se deben al trabajo de tres hombres que llevaron a cabo investigaciones hidrológicas con método científico, por lo que pueden muy bien ser considerados como los fundadores de
la Hidrología. Se trata de los franceses Perrault (1613-1688) y Mariotte (1620-1684), y el inglés Halley (1656-1742). Perrault, con sus estudios sobre la precipitación y caudal del Sena en París, demostró que, contrariamente a lo que se había venido creyendo, la precipitación era más que suficiente para alimentar el flujo fluvial y el de las fuentes, puesto que estimó la pluviometría en la cuenca de París en 520 mm/año, mientras que el caudal del Sena aguas abajo de París era de unos 100 mm/año. Es interesante destacar que el estudio de Perrault, para probar su hipótesis de que sólo la lluvia era suficiente para alimentar ríos y fuentes a lo largo del año, se realiza dentro del marco de una cuenca de drenaje, en la que estima las entradas de agua procedente de las precipitaciones y mide las salidas por el cauce, con lo que lleva a cabo el primer balance de agua. Sin embargo considera las entradas por infiltración y por agua subterránea como fenómenos locales y ocasionales. La publicación póstuma en 1686 del “Traité du mouvement des eaux et des autres corps fluides”, de Mariotte, traducido al inglés en 1718, influyó decisivamente al desarrollo de la Hidráulica y la Hidrología. El libro trata de las varias propiedades de los cuerpos fluidos, del origen de las fuentes, del equilibrio de los fluidos por su gravedad, del agua corriente y su medición, de la altura y amplitud de las corrientes perpendiculares y oblicuas, de la conducción de aguas y de la resistencia de las tuberías. De especial interés en Hidrología es la parte dedicada al origen de las fuentes y a la determinación de la velocidad y el caudal. Aporta pruebas experimentales (midió la precipitación anual en Dijon durante tres años) de que el agua de lluvia es más que suficiente para alimentar les fuentes, y de que el incremento o descenso del caudal está relacionado con la precipitación. Explica en detalle como el agua procedente de la lluvia se infiltra hasta llegar a un nivel subterráneo impermeable por el que circula hasta que encuentra un punto de salida. Con relación a la determinación de la velocidad del agua, utilizó flotadores como Leonardo, pero sugirió que estos fuesen de cera para que se sumergieran, sin llegar a caer en el fondo, a fin de reducir el efecto del viento en superficie. El tiempo de recorrido lo midió con un péndulo de medio segundo. Usó flotadores interconectados para demostrar que la velocidad variaba con la altura desde el fondo y estimó como velocidad media la que se registra a dos tercios de la superficie. Otro investigador importante en este periodo fue el astrónomo inglés Edmond Halley (1656-1742), que experimentó con la evaporación para demostrar que producía suficiente agua para generar la lluvia que alimenta el flujo de los ríos. Para determinar la cantidad de agua que se evapora de los océanos tomó un recipiente de dimensiones conocidas y lo llenó con agua, calentándola hasta alcanzar la temperatura del mar en la época de verano. Al cabo de una hora midió de nuevo el agua y encontró que se había perdido una cierta cantidad. Estimó después las dimensiones del Mediterráneo y calculó en toneladas el agua que debía evaporarse en verano, entendiendo que la evaluación era conservadora puesto que no había tenido en cuenta el efecto del viento. Después estimó la cantidad de agua que llegaba al Mediterráneo a través de sus grandes ríos, asumiendo
que cada uno de ellos tenía un caudal diez veces mayor que el del Támesis. Puesto que esta cantidad era superior a un tercio del total de la pérdida por evaporación, probó que hay suficiente agua en el Mediterráneo para alimentar a todos sus ríos. Determinó la evaporación para todos los meses del año observando el nivel de agua de un recipiente o evaporímetro todos los días a la misma hora. También trató el tema de los lagos y mares cerrados, llegando a la conclusión de que su nivel crece por la aportación de los ríos hasta llegar al límite en que pierde por evaporación lo que gana en agua fluvial. Durante el siglo XVIII florecieron los experimentos que llevaron a descubrir tanto instrumentos de medición (piezómetro de Benoulli, fórmula de Chézy) y modelos (modelos a escala de Smeaton). Los escoceses Hutton (1726-1797), Playfair (17481819) y Lyell (1797-1875) no sólo sientan los principios de la geología moderna sino que, al entender la adecuación que existe entre los valles fluviales y los caudales de los ríos, contribuyen también a poner las bases de la ciencia hidrológica. Dado que en Hidrología la estimación de la velocidad del agua es el punto clave de todo estudio, el perfeccionamiento en los métodos de medición representa siempre un hito decisivo. Por ello fue de gran importancia el tubo de Pitot (1695-1771). Este científico francés utilizó dos tubos paralelos, uno recto y el otro doblado a 90º en un corto tramo final, montados en un marco de madera. El instrumento se sumergía en el agua a la profundidad deseada con el tubo doblado cara a la corriente. En aguas quietas los niveles de agua de ambos tubos son iguales mientras que en aguas corrientes las alturas difieren. Aunque su comprensión de las leyes físicas no era correcta el instrumento fue muy útil. El francés Antoine Chézy (1718-1798) tuvo a su cargo el proyecto de traer más agua a París procedente del río Ivette, y se enfrentó al problema de determinar la sección y el caudal adecuados. Para ello desarrolló una fórmula de cálculo, y para probarla condujo dos experimentos en el canal de Compralat y en el Sena, en sectores rectos. La velocidad se tomó con un flotador. La fórmula es la siguiente: v = √a/p, donde a es el área de la sección, h es la pendiente y p el perímetro mojado. Sin embargo, el análisis y fórmula de Chézy no se incluyeron en el informe, por lo que tardó mucho tiempo en ser conocida. Du Buat (1738-1809) era de Normandía, y desarrollo varios principios de hidráulica mediante un gran número de experimentos, hechos por orden del gobierno. Sus trabajos fueron traducidos al alemán y al inglés. Razona, como Chézy, que la resistencia es proporcional al cuadrado de la velocidad, v2/m, donde m es la constante de proporcionalidad, que debía ser igual a la fuerza gravitacional en dirección del flujo: v2/m = gS, o sea v2 = mgS, donde g es la constante gravitacional y S la pendiente. Pero finalmente propuso una ecuación muy complicada e incómoda de aplicar. Si bien la importancia de las ecuaciones de Chézy y de Du Buat es enorme, les faltaba el análisis de condiciones diferentes a las de sus experimentos para ser realmente universales.
Después del innegable progreso que significó la etapa anterior, el conocimiento hidrológico experimentó un notable crecimiento y con el siglo XIX llegaron los comienzos de las mediciones sistemáticas del flujo fluvial, como en el caso del Rin cerca de Basilea en 1809, del Tíber en Roma en 1825, del Garona en 1837, del Ohio en 1838 y del Ebro en Tortosa en 1853. Anivel teórico se produjo, en 1889, la derivación, por parte de Manning, de una fórmula universal para calcular la velocidad del agua cuando no se dispone de mediciones, fórmula que sigue siendo utilizada hoy en día y que es como sigue: (v = (R2/3 . S1/2) / n), siendo v la velocidad, R el radio hidráulico, S la pendiente y n el coeficiente de rugosidad, coeficiente que fue estimado empíricamente por Manning. En 1856 el francés Darcy, con su trabajo “Les fontaines publiques de la ville de Dijon”, puso los fundamentos de la teoría del movimiento del agua subterránea, al establecer experimentalmente la ley que rige el flujo de agua a través de arenas, más tarde completada con la teoría sobre el flujo del agua en los pozos, y que significó un notable avance en Hidrología subterránea. En esta misma época se publicaron los primeros libros de texto sobre Hidrología, como el “Manual of Hidrology” de Beardmore en 1852. Puede, entonces, muy bien decirse que este siglo fue la gran era de la Hidrología experimental y, por tanto, el fundamento inmediato de la Hidrología científica actual. La primera mitad del siglo XX se caracteriza por ser un periodo de racionalización. En 1932 Sherman propuso que los hidrogramas se confeccionaran con relación a un módulo, a fin de que fuesen todos comparables entre sí a pesar de proceder de ríos con caudales muy dispares. Esto represento un avance fundamental en la modelización de las relaciones precipitación/escorrentía (Anderson y Burt, 1990). También se idearon muchas fórmulas empíricas para la solución de varios problemas hidrológicos, pero en las que la selección de coeficientes y parámetros dependía exclusivamente del juicio y experiencia del investigador. Horton (1875-1945), ingeniero hidráulico, es considerado como el padre de la hidrología en Estados Unidos. Abordó el problema de determinar la escorrentía superficial y la erosión en las vertientes, basándose en la teoría de que la generación de escorrentía dependía de que la intensidad la lluvia fuese superior a la capacidad de infiltración de agua en el suelo (Horton, 1932). Otro hito importante en el desarrollo de la Hidrología fue el establecimiento, con fines ecológicos del Laboratorio de Hidrología de Coweeta, en Carolina del Norte, y de sus cuencas experimentales (Douglas y Hoover, 1988). Los datos recogidos en estas estaciones permitieron a Hewlett (1961) darse cuenta de que, en climas húmedos con vertientes cubiertas por vegetación, la generación de escorrentía no era de tipo hortoniano, sino que se producía con relación a la circulación subsuperficial y a suelos saturados. Finalmente, Horton (1945) inicia la morfometría, o sea, la descripción cuantitativa de las redes fluviales y establece las relaciones entre sus parámetros principales, al considerar que las características físicas
de las cuencas eran importantes para la estimación de las características de la escorrentía. Desde el ámbito de la física de fluidos se llevan a cabo estudios sobre el comportamiento del agua en el suelo, los cuales son luego aplicados a la Hidrología (Sposito, 1987). El primer trabajo se debe a Buckingham (1905) y trata del equilibrio y comportamiento del flujo del agua en el suelo, para lo cual define la tensión capilar, y nota que en el suelo saturado debe ser cero. Más tarde Richards (1931) llevó a cabo mediciones precisas de la conductividad hidráulica mediante el diseño y utilización de tensiómetros. Con ello verificó experimentalmente la ley de flujos en medios porosos de Buckingham y derivó la ecuación que es aún comúnmente aceptada para su cálculo. Los avances conseguidos en la segunda mitad de nuestro siglo, que puede considerarse como la edad de oro de la Hidrología, han sido y son muy grandes, tanto en el ámbito teórico como en el práctico, especialmente gracias a trabajos llevados a cabo después de la Segunda Guerra Mundial con relación a la predicción y control de avenidas, irrigación, calidad de agua, etc. Las bases de estos avances se hallan en parte en el desarrollo de instrumentos extraordinariamente sofisticados, tanto para la medición como para el cálculo, con los cuales ha sido posible, por un lado, la obtención de muchos datos hidrológicos en condiciones variables en el tiempo y en el espacio, y por el otro, el tratamiento múltiple de estos datos y la resolución de ecuaciones matemáticas complicadas.
