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Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingenier ía Ingenier ía Civ i l HIDROLOGÍA Guía de Estudio para las Cátedras: HIDROLOGÍA I HIDROLOGÍA II Unidad 1: LA HIDROLOGÍA. EL CICLO HIDROLÓGICO Ing. Esp. Rubén VILLODAS 2008 ÍNDICE DE TEMAS UNIDAD 1: LA HIDROLOGÍA. EL CICLO HIDROLÓGICO.....................................................................................................1-1 TEMA 1.a: LA HIDROLOGÍA.................................................................................................................................................. 1-1 1.a.1. DEFINICION ......................................................................................................................................................... 1-1 1.a.2. IMPORTANICA Y AMBITO DE APLICACIÓN ................................................................................................... 1-2 1.a.3. OFERTA Y DISPONIBILIDAD HÍDRICA............................................................................................................ 1-3 1.a.4. POTENCIAL HÍDRICO ......................................................................................................................................... 1-4 TEMA 1.b: LA INGENIERÍA HIDROLÓGICA......................................................................................................................... 1-4 TEMA 1.c: EL CICLO HIDROLÓGICO ................................................................................................................................... 1-7 1.c.1. ESTADOS, LOCALIZACIÓN Y MOVIMIENTOS DEL AGUA............................................................................ 1-7 1.c.2. LA ACCIÓN ANTRÓPICA ..................................................................................................................................1-10 1.c.3. CANTIDADES DE AGUA EN EL MUNDO.......................................................................................................1-10 TEMA 1.d: DESARROLLO HISTÓRICO DE LA HIDROLOGÍA .........................................................................................1-10 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. El Ciclo Hidrológico....................................................................................................................................................1-8 Figura 2. Representación Esquemática del Ciclo Hidrológico..............................................................................................1-8 Unidad 1 1-1 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II UNIDAD 1: LA HIDROLOGÍA. EL CICLO HIDROLÓGICO TEMA 1.a: LA HIDROLOGÍA 1.a.1. DEFINICION El agua es la sustancia mas abundante en la tierra, el principal constituyente de todos los seres vivos y una fuerza importante que constantemente esta cambiando la superficie terrestre. Es también un factor clave en la climatización de nuestro planeta para la existencia humana y en la influencia en el progreso de la civilización. La hidrología, que cubre todas las fases del agua en la tierra (ciclo hidrológico), es una materia de gran importancia para el ser humano y su ambiente. Aplicaciones prácticas de la hidrología se encuentran en labores tales como: diseño y operación de obras y/o estructuras hidráulicas (azudes, diques, presas, embalses, desagües, etc.) diseño de obras viales (alcantarillas, puentes, etc.) abastecimiento de agua potable, tratamiento y evacuación de aguas residuales irrigación y drenaje de suelos generación hidroeléctrica estudios de disponibilidad hídrica y de sequías (escurrimientos nivales, pluviales, etc.) manejo integral de crecientes (aluvionales, urbanas, fluviales, etc.) navegación erosión y control de sedimentos estudios de impacto ambiental (control y disminución de la contaminación hídrica, salinidad, metales pesados, uso consuntivo, minería, etc.) uso recreacional del agua protección de la vida terrestre y acuática sistemas de alerta temprana de inundaciones y catástrofes La hidrología puede definirse como la disciplina que trata de las propiedades, existencia, distribución y movimiento del agua sobre y debajo de la superficie de la tierra, sus conocimientos se aplican al uso y control de los recursos hídricos en los continentes del planeta Las aguas oceánicas son del dominio de la oceanografía y de las ciencias marinas. Oscar Edward Meinzer (1876-1948), a quien se conoce como el padre de la geohidrología moderna, definió a la hidrología como la ciencia interesada en la existencia del agua en la tierra, sus reacciones físicas y químicas con el resto de ésta y su relación con la vida sobre la misma. Englobando los conceptos anteriores, el Federal Council of Science and Technology for Scientific Hydrology de los Estados Unidos, expresó: Hidrología es la ciencia que trata sobre las aguas de la tierra, su existencia, distribución y circulación, sus propiedades físicas y químicas y su interacción con el medio ambiente y con los seres vivos, en particular con los seres humanos, El dominio de la hidrología abarca todas las ciencias relacionadas con el agua sobre la superficie terrestre. El agua es un recurso natural renovable, siendo el elemento natural mas utilizado. El estudio aplicado de los recursos hídricos se centra en la determinación de las disponibilidades futuras de agua (oferta de agua) que se tendrán, en una región determinada y en un período dado de tiempo (ámbitos espacial y temporal), para un aprovechamiento de beneficio social, desde los puntos de vista de su Unidad 1 1-2 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II pronóstico, obtención y utilización, atendiendo a los aspectos hidrológicos y ecológicos involucrados, como así también a los condicionantes de tipo técnico/ingenieril, legales y económicos que limiten su uso. 1.a.2. IMPORTANICA Y AMBITO DE APLICACIÓN El agua desarrolla funciones básicas en casi todos los ámbitos de la vida, ya sea como alimento, parte constituyente de los organismos, elemento esencial en la fotosíntesis de los vegetales, medio de transporte, vehículo de energía, regulador de la energía en el balance térmico de la tierra y elemento modelador del paisaje. A los fines de prever una disponibilidad estable de agua a la población, industria y actividades agropecuarias, que resulte suficiente para satisfacer sus necesidades, por una parte, y brinde protección frente a los excesos, por otra, las disciplinas que se refieren al estudio del agua deben poder contestar, entre otras, las siguientes preguntas: 1) ¿Cuánta agua será requerida? La pregunta fundamental de la Planificación respecto a la evolución de las demandas futuras de agua para la población, industria, agricultura, ganadería, transporte, generación de energía, esparcimiento y otros usos, en los próximos años y en las próximas décadas, es de difícil respuesta, en virtud de que a los aspectos específicamente físicos que gobiernan la presencia y la circulación del agua en la superficie terrestre, es necesario añadir consideraciones de tipo social y ecológico, que deben ser tenidas en cuenta. 2) ¿De cuánta agua se dispondrá? Dado que la oferta de agua presenta una marcada variación en el tiempo (sucesión de períodos húmedos y secos, por una parte, y de escurrimientos altos y bajos con extremos también muy variables, por otra) y en el espacio (zonas húmedas y zonas áridas), resultan necesarios profundos y variados análisis de tipo hidrológico, para cuantificar esta variabilidad de la oferta en una región determinada, tanto en lo concerniente a las aguas superficiales como a las subterráneas. En tales análisis deben determinarse no sólo los valores medios, sino también los extremos. Mientras que las magnitudes de los caudales de crecida constituyen la base para el diseñode obras de atenuación y protección, los valores medios y los parciales acumulados en largos períodos de tiempo, se constituyen en los parámetros fundamentales para conocer las disponibilidades de agua y estudiar su regulación. Teniendo en cuenta que los escurrimientos futuros de agua no pueden conocerse con seguridad, el empleo de la Teoría de Probabilidades juega un rol muy importante en la hidrología. 3) ¿En qué estado se presentará el agua? El estado natural de los recursos hídricos constituye otro aspecto de fundamental consideración en los estudios que hacen a su aprovechamiento. Este estado natural se ve influenciado en gran medida por las descargas en los cauces de desechos y residuos producto de la actividad humana, que incorporan a las aguas tanto sustancias orgánicas como inorgánicas, como así también por la carga térmica, producto del vuelco de aguas de distinta temperatura. El estado futuro previsible en que se encontrará el agua debe ser evaluado tomando en consideración las urbanizaciones (siempre crecientes), la proyección de la industrialización de la áreas de influencia y los aportes de residuos químicos provenientes de las labores agrícolas. 4) ¿Cómo pueden usarse de la mejor manera los recursos hídricos en beneficio de la sociedad? A fin de adecuar a las demandas una oferta de agua marcadamente variable tanto en el espacio y en el tiempo como en su estado de contaminación y además, por lo general, insuficiente, y paralelamente garantizar su uso para los diversos fines a que se la destina, resulta necesario contar con numerosas instalaciones y obras de ingeniería que hagan posible tal uso, complementando con las medidas operativas que permitan un manejo eficiente de tales instalaciones. Unidad 1 1-3 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II Resulta importante en este último aspecto la realización de balances hídricos y el pronóstico de los procesos hidrológicos. 5) ¿Qué medida deben adoptarse para la protección de los recursos hídricos? Los recursos hídricos, tanto superficiales como subterráneos, deben ser permanente y estrictamente vigilados a los efectos de protegerlos de su degradación, lo que requiere un amplio espectro de medidas de orden jurídico, económico, técnico y pedagógico. 6) ¿Quién puede utilizar el agua? El derecho al uso del agua debe ser cuidadosamente definido y respetado, sobre todo en aquellos ámbitos en que el recurso es escaso o en épocas de reducción de los aportes, quedando este aspecto a cargo de las Legislaciones de Aguas vigentes en cada región. La hidrología presta una notable y decisiva contribución en la respuesta a las preguntas formuladas, en especial en lo atinente al estudio de los recursos útiles disponibles, al análisis de los procesos hidrológicos involucrados y a las mediciones pertinentes, con sus correspondientes registros y evaluación de datos. Los recursos hídricos de una región determinada están constituidos por las disponibilidades y los potenciales naturales de sus aguas superficiales y subterráneas. 1.a.3. OFERTA Y DISPONIBILIDAD HÍDRICA Como disponibilidad u oferta de agua se considera el agua dulce que, en el área considerada y en un intervalo de tiempo definido, aparece en forma de agua superficial y subterránea como componente del ciclo hidrológico de la atmósfera terrestre. Desde un punto de vista científico cabe distinguir, en relación con la cantidad de agua que brinda la naturaleza en un lugar dado, entre: Oferta potencial de agua.... definida por la deferencia entre los valores medios (correspondientes a largos períodos de tiempo) de la precipitación y la evaporación Oferta efectiva de agua ...... que corresponde a la diferencia entre la oferta potencial y los volúmenes de agua que escurren rápidamente durante la crecidas (o eventualmente exceden las capacidades y condiciones de almacenamiento de las cuencas subterráneas). Oferta regulada de agua..... referida al agua disponible tras la materialización de obras y/o la adopción de medidas que propendan a lograr la regulación de los volúmenes naturalmente aportados. La posibilidad de utilización del agua existente, para una finalidad determinada, resulta de consideraciones ponderadas de tipo hidrológico, ecológico, técnico y económico. Así deben cuantificarse: Disponibilidad hidrológica..... que se determina mediante análisis estocásticos de espacio-tiempo aplicados al ciclo hidrológico (incluyendo las pérdidas derivadas de la utilización del agua), considerando la ecuación del balance hídrico para el ámbito dado, en un lapso definido de tiempo. En forma simplificada se la puede consignar como un volumen total o caudal medio del que puede disponerse, con un determinado rango de seguridad y en un intervalo de tiempo dado (por ejemplo, caudal promedio en m3/s, que con una probabilidad del 80%, pueden aportar los recursos hídricos de la región en 30 días). Cabe observar que esta cantidad varía según la ubicación de dicho período en el año calendario y según el grado de probabilidad establecido. Unidad 1 1-4 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II Disponibilidad ecológica........ queda determinada por la calidad del agua y por el balance entre los efectos que para el ecosistema conlleva la extracción de agua que se efectúa y los beneficios que se derivan de su utilización. Disponibilidad técnica ........... resulta de los trabajos y obras de ingeniería requeridos para la captación, conducción y acondicionamiento de las aguas, en ocasiones limitados o condicionados en cuanto a su posibilidad de construcción por razones topográficas, geotécnicas, de materiales de construcción disponibles, etc. Estas situaciones pueden variar a medida que la ingeniería va desarrollando nuevas tecnologías para superarlas. Disponibilidad económica..... queda caracterizada por la relación existente entre las inversiones totales que deben efectuarse para la materialización de un aprovechamiento y los beneficios que del mismo se esperan obtener. Del total de agua que constituye la oferta, la cantidad utilizable no es una fracción cuyo valor sea invariable, sino que puede irse modificando a medida que lo hacen los aspectos hidrológicos, ecológicos, económicos y técnicos involucrados. Así un emprendimiento que en determinado momento no resulta factible o conveniente puede serlo varios años después, o viceversa, si en su momento no se tomó la decisión de ejecutarlo. 1.a.4. POTENCIAL HÍDRICO Los potenciales naturales, por su parte, se refieren a las características propias inherentes a la presencia del recurso, que la naturaleza ofrece como servicios sin costo (la mayoría beneficiosos, si bien en ocasiones perjudiciales), y para cuya explotación se hace necesario, por lo general, la realización de las obra hidráulicas y de infraestructura necesarias. A los potenciales naturales presente en los recursos hídricos corresponden: Potencial de autodepuración........ que se produce por medio de reacciones físico-quimicas y biológicas Potencial de sostén biológico ....... por el cual las masas de agua sirven de sustento a diversas formas de vida animal y vegetal Potencial ecológico......................... de las masas de agua como parte integrante de los ecosistemas Potencial de transporte ................ consecuencia de las propiedades físicas del agua relativas a la flotación de los cuerpos Potencial energético ...................... que permite la transformación de energía potencial en cinética y, en función de caudales y desniveles, la generación de energía eléctrica Potencial recreativo ....................... para el ser humano Potencial de las crecidas............... generalmente de consecuencias perjudiciales para las áreas inundables TEMA 1.b: LA INGENIERÍA HIDROLÓGICA Dentro de la amplitud de los conceptos analizados en el apartado anterior, la Ingeniería Hidrológicase refiere a todos aquellos aspectos que atañen al diseño, dimensionado y operación de proyectos y obras de ingeniería destinados al uso y control del agua. Los límites entre la hidrología y otras ciencias de la tierra, tales como la meteorología, climatología oceanografía, geología, etc., son confusos, y no tiene objeto práctico el intentar definirlos rígidamente. De la misma forma, la distinción entre la ingeniería hidrológica y otras ramas de la hidrología aplicada es igualmente vaga, habiendo aportado muchos de estos últimos conceptos básicos que ahora se hallan definitivamente incorporados a aquella. La hidrología es utilizada en ingeniería principalmente en relación con el diseño y funcionamiento de estructuras y obras hidráulicas. Su objeto es el de dar respuesta adecuada al ingeniero cuando se encuentra Unidad 1 1-5 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II ante la problemática de contar con los datos básicos que le permitan dimensionar adecuadamente tanto las obras en su conjunto como sus diversos componentes. Las siguientes preguntas, son preguntas típicas que se espera deben ser respondidas por, o con ayuda de, un hidrólogo: ¿Qué caudales máximos pueden esperarse en el vertedero de una presa, en un colector de evacuación de crecidas o en la alcantarilla de una carretera? ¿Qué capacidad se requiere dar a un embalse para asegurar un suministro adecuado de agua para irrigación y otros usos, teniendo en cuenta las características propias del régimen hídrico del cauce, incluyendo sus períodos de sequías? ¿Qué efecto producen los embalses, las defensas de márgenes y otras obras de atenuación sobre las crecidas que se originan en os ríos donde las mismas se ubican? De los conceptos anteriores se inducen las dificultades que se presentan al pretender dar respuesta adecuada a interrogantes como los planteados, en lo cual serán determinantes la notoria heterogeneidad que presenta la distribución de los recursos hídricos sobre la superficie terrestre, por una parte, y la variabilidad de los aportes en el tiempo que se observa en un mismo lugar, por otra. En virtud de ello, la hidrología debe versar sobre distintos tópicos, los que en su forma más amplia pueden abarcar: − la recolección de datos − los métodos de análisis de los mismos Disponer de datos básicos adecuados es esencial en todas las ciencias y la hidrología no constituye una excepción. De hecho, las características complejas de los procesos naturales que tienen relación con los fenómenos hídricos hacen difícil el tratamiento de muchos de los procesos hidrológicos mediante un razonamiento deductivo riguroso. No siempre es posible partir de una ley básica y determinar, con base en la misma, el resultado hidrológico que se requiere. En su lugar, es necesario partir de un conjunto de hechos observados, analizarlos, y con este análisis establecer las normas sistemáticas que gobiernan tales hechos. Así, el hidrólogo se encuentra en una difícil posición cuando no cuenta con los datos históricos adecuados para el área particular del problema. Resulta fundamental, al respecto, conocer la forma en que estos datos son recolectados y publicados, las limitaciones de precisión que ellos puedan tener y los métodos propios para su interpretación y ajuste. Los problemas típicos de hidrología implican cálculos de valores extremos que no se hallan presentes en una muestra de datos de corta duración, características hidrológicas en lugares en donde no se ha llevado a cabo recolección de información (lugares que son mucho más numerosos que aquellos de donde se dispones de datos), o cálculos de la acción humana sobre las características hidrológicas de un área. Generalmente cada problema hidrológico es único, en cuanto trata con un conjunto diferente de condiciones físicas dentro de una cuenca hidrográfica específica. Por lo tanto, las condiciones cuantitativas de un análisis no son siempre transferibles a otros problemas. Sin embargo, la solución general de la mayoría de los problemas puede desarrollarse a partir de la aplicación de unos pocos conceptos básicos relativamente tipificados. Los conocimientos de un ingeniero civil deben incluir estos conceptos y la forma en como deben aplicarse para resolver las fases especificas de un problema hidrológico determinado. Merece destacarse sobre el particular que la hidrología constituye una rama que difiere notoriamente de otras materias de la ingeniería. De acuerdo a lo expuesto, los fenómenos naturales con los cuales debe tratar la hidrología, no se prestan a los análisis rigurosos de la mecánica. Por esta razón, existe una mayor variedad de métodos, una mayor amplitud para la aplicación de criterios personales y una aparente falta de precisión en la determinación de los parámetros requeridos. Unidad 1 1-6 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II En realidad, la precisión de las soluciones hidrológicas no se halla tan alejada, como aparenta, de otros tipos de cálculo de la ingeniería, en los que la incertidumbre se oculta generalmente con el uso de coeficientes de seguridad, con procedimientos rígidamente estandarizados y con suposiciones más o menos aproximativas referentes a las propiedades de los materiales, introducidas, las mas de las veces, solo en pos de lograr soluciones que puedan ser desarrolladas con procedimientos matemáticos de resolución relativamente sencilla y generalizada. Resulta fundamental tener en cuenta al respecto que toas las obras hidráulicas deben ser dimensionadas en base a una planificación futura, no existiendo en consecuencia para el proyectista seguridad en cuanto a las condiciones a que quedarán sujetas las obras. El calculista de estructuras determina las cargas impuestas a las mismas, pero no cuenta con la seguridad de que tales cargas no serán excedidas, por ejemplo, o puede conocerse con certeza qué sobrecargas reales por viento o sismo podrán ejercerse sobre la estructura durante todo el tiempo que la misma se halle en servicio. Para tomar en consideración estas incertidumbres, efectuando consideraciones razonables, generalmente contenidas en los Códigos respectivos vigentes en las zonas en cuestión, utilizando coeficientes de seguridad adecuados. El ingeniero hidráulico, por el contrario, está mucho menos seguro de los escurrimientos que afectarán a su obra. Las incertidumbres hidrológicas no son de manera alguna las únicas que presenta el diseño hidráulico, porque las demandas futuras de agua, los beneficios y los costos, son también todos inciertos en determinado grado. Si embargo, un error serio en las estimaciones de los parámetros hidrológicos previstos o esperados, puede tener efectos devastadores sobre la economía del proyecto en su totalidad, o lo que es aún peor por sus consecuencias, sobre la estabilidad misma de las obras que lo componen. Dado que la secuencia exacta de los escurrimientos fluviales para los años futuros no puede predecirse, la ingeniería hidrológica debe plantear, y dar alguna respuesta, acerca de las variaciones probables de dichos escurrimientos y sus valores extremos, de modo tal que el diseño y del dimensionado de las obras, y sus partes componentes, pueda efectuarse basándose en un riesgo calculado. El análisis de los métodos para estimar la probabilidad de los eventos hidrológicos, y la utilización de estas probabilidades en los cálculos hidráulicos, constituye la finalidad primordial de la ingeniería hidrológica. A los fines de una mejor compresión de su importancia dentro de la ingeniería de las obras hidráulicas, un listado tentativo de los datos y estudios más usuales que, para el correcto diseño de aquellas, debe aportar la ingeniería hidrológica en particular y la hidrología en general, puede incluir, referido a las aguas superficiales, algunos de las siguientes: • Estudio de los aportes naturales del cauce hídrico considerado, tantoen lo que hace a valores medios y extremos, como a su distribución temporal. • Volumen total de agua aportada por una fuente (río, arroyo, etc.) en un período determinado de tiempo, a los efectos de compararlas con las demandas que presenta el aprovechamiento analizado. • Caudal pico de la crecida máxima probable, para diversos tiempos de recurrencia, que puede producirse en el cauce principal considerado, atendiendo según corresponda, a sus posibles orígenes (nival, pluvial, etc.) • Para toda la duración de la avenida, la distribución de los caudales en función del tiempo y el volumen total de agua aportada por la misma. • Intervalo de repetición de las crecidas. • Avance de las crecidas por los cauces principales. • Características e intervalo de repetición de las sequías. Unidad 1 1-7 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II • Estudio de la capacidades, más convenientes, que deben tener los embalses y las obras de conducción, adecuados tanto a las disponibilidades del recurso como a los insumos previstos, dentro de rangos económicamente factibles. • Estudio de las características de los fenómenos de erosión, sedimentación e infiltración. • Calidad de las aguas en general, y su salinidad, en particular. • Delimitación de línea de ribera y localización de zonas inundables. Estudio del riesgo hídrico de márgenes y ordenamiento territorial asociado. Rotura de presas. • Apoyo al estudio de los aspectos ecológicos y económicos involucrados. • Medición y seguimiento de procesos de fusión nival y de glaciares. En muchos casos los estudios inherentes a un proyecto deben incluir los del agua subterránea, que en obras aisladas pueden limitarse a determinar el efecto de aquella en los métodos constructivos y disposiciones de proyecto a adoptar, mientras que en estudios integrales, corresponde que sean llevados a cabo con amplitud, dada la interrelación y complementación que debe existir entre las aguas superficiales y profundas, para la atención más racional y económica de las demandas de agua con fines de riego o de abastecimientos diversos (agua potable, industriales, etc.). En estos casos los estudios deberán abarcar, total o parcialmente: • Estudio integral de las cuencas subterráneas. • Calidad de las aguas. • Estimación del volumen de agua subterránea disponible en condiciones normales de explotación. • Características del escurrimiento subterráneo. Cantidad, ubicación y características de los acuíferos explotables, efectuando, de corresponder, la zonificación necesaria. • Alimentación y recarga de acuíferos. Relaciones entre las aguas superficiales y subterráneas. • Relevamiento de las perforaciones existentes en el área bajo estudio. Para cada perforación, de ser posible, deben recopilarse los siguientes datos: identificación, nombre del propietario, año de construcción, diámetro (o diámetros), tipo de bomba instalada, tipo de motor, potencia instalada, caudal obtenido y croquis de ubicación, que permita luego volcar en un mapa regional la totalidad de las perforaciones detectadas. TEMA 1.c: EL CICLO HIDROLÓGICO Las Figura 1y Figura 2 presentan una simplificación de los procesos del sistema hidrológico general. 1.c.1. ESTADOS, LOCALIZACIÓN Y MOVIMIENTOS DEL AGUA En la tierra, el agua existe en un espacio llamado Hidrosfera, que se extiende aproximadamente comprendiendo la franja de los 15.000 metros inferiores de la atmósfera y los 1.000 metros superiores de la litosfera o corteza terrestre. En tal ámbito, aquella se encuentra en los tres estados físicos: sólido, líquido y gaseoso. El segundo estado es el que presenta mayor interés para la hidrología, ya que en esa forma está en la lluvia, en los ríos y lagos, en las aguas subterráneas de la zona saturada y buena parte de la zona no saturada, etc. De hecho, tanto en el lenguaje corriente como en el científico, la palabra agua, si no se indica otra cosa, se refiere al agua en estado líquido. En el estado sólido se presenta el agua en la naturaleza en forma de nieve, hielo y granizo. Por último, el vapor de agua es bastante abundante en las capas bajas de la atmósfera y en las capas más superficiales de la corteza terrestre. El agua circula en la hidrosfera a través de un laberinto de caminos, que conforman el ciclo hidrológico, el que constituye el foco central de la hidrología. Este ciclo no tiene principio ni fin, y sus diversos procesos ocurren Unidad 1 1-8 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II en forma continua. El concepto de ciclo hidrológico lleva implícita el movimiento o transferencia de las masas de agua referidas en el apartado anterior, de un sitio a otro y de un estado a otro. Figura 1. El Ciclo Hidrológico Figura 2. Representación Esquemática del Ciclo Hidrológico El movimiento permanente del ciclo se debe fundamentalmente a dos causas: la primera, el sol, que proporciona la energía para elevar el agua del suelo, al evaporarla; la segunda, la gravedad, que hace que el agua condensada precipite y que una vez sobre la superficie, o bajo ella, discurra hacia las zonas bajas. Unidad 1 1-9 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II Se puede suponer que el ciclo se inicia cuando una parte del vapor de agua de la atmósfera (proveniente a su vez de la evaporación desde los océanos y la superficie terrestre), se condensa y da origen a precipitaciones que inciden nuevamente sobre tales superficies. No toda la precipitación alcanza la superficie del terreno, ya que una parte se vuelve a evaporar durante su caída y otra es retenida (intercepción) por la vegetación o por las superficies de edificios, carreteras, etc., y devuelta a la atmósfera al poco tiempo, en forma de vapor. Del agua que alcanza la superficie del suelo, una parte queda retenida en charcas o en las irregularidades del terreno (almacenamiento superficial), y en buena parte retorna pronto a la atmósfera en forma de vapor. Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequeños surcos, que luego se reúnen en arroyos y más tarde desembocan en los ríos (escorrentía superficial), agua que luego se dirigirá a lagos o al mar, de donde será evaporada o bien se infiltrará en el terreno. Por último existe una tercera fracción de la precipitación que penetra bajo la superficie del terreno (infiltración) a través de los agujeros o canalículos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio poroso. Una buena parte del agua infiltrada no desciende hasta la zona saturada del subsuelo o de agua subterránea, sino que es retenida en la zona no saturada o zona de humedad del suelo, de donde retorna a la atmósfera por evaporación o por la transpiración de las plantas. En la práctica no es fácil separar ambos fenómenos, por lo que se los suele considerar en forma conjunta, con el término de evapotranspiración. El movimiento del agua a través del terreno se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la acción gravitatoria. En el movimiento del agua en la zona no saturada, otras fuerzas (especialmente la tensión superficial) pueden jugar un papel muy importante. En tales condiciones el agua puede discurrir a través del suelo en dirección sensiblemente horizontal o paralela a la superficie como flujo subsuperficial y descargar en los ríos agregándose a la escorrentía superficial. Otra parte del agua infiltrada puede percolar profundamente para recargar el agua subterránea, la que a su vez puede volver a la atmósfera por evapotranspiración, cuando el ancho de la zona no saturada (franja capilar) es relativamente pequeña y aquella quede suficientemente próxima a la superficie del terreno. Otras veces, el agua subterránea pasa a engrosar el caudal de los ríos, alimentando directamente su cauce o a través de manantiales: en las zonas costeras estos manantiales, a veces, son submarinos. Si laprecipitación cae en forma de nieve, quedará acumulada en estado sólido sobre el terreno, hasta que reciba suficiente calor para su fusión, por lo que, a los efectos hidrológicos, la precipitación en forma de nieve equivaldría a otra de lluvia que hubiese caído al tiempo de la fusión, descontando la cantidad de nieve que se evapora directamente. Excepto en áreas de escurrimiento endorreicas o interiores de las zonas áridas o semiáridas, resulta que la mayor parte de las aguas de la escorrentía directa y de la subterránea terminan en el mar, pudiendo considerarse por ello, que los océanos constituyen el punto final del ciclo hidrológico, pues de ellos vuelve a evaporarse el agua, para iniciar de nuevo todo el proceso. El ciclo hidrológico es un proceso continuo en el que, en su concepción más general, una partícula de agua evaporada del océano vuelve al mismo después de pasar por las etapas de precipitación y escorrentía superficial o subterránea. Sin embargo, a lo largo del ciclo puede haber múltiples cortocircuitos o ciclos menores; por ejemplo, una gota de lluvia caída sobre el continente podría recorrer indefinidamente el ciclo: lluvia-infiltración-evaporación-lluvia-infiltración, etc.; o, en forma análoga, una partícula de lluvia sobre el mar: lluvia-evaporación-lluvia-evaporación, etc. También hay que tener muy en cuenta que el movimiento del agua en el ciclo hidrológico se caracteriza por su irregularidad, tanto en el espacio como en el tiempo. Por ejemplo, en las regiones desérticas, la lluvia puede ocurrir en unos pocos días y no todos los años, sino sólo cada cierto número de ellos; en este caso, algunos elementos del ciclo hidrológico, como la infiltración y la evaporación, suelen ser casi tan irregulares como la lluvia, y la escorrentía superficial o subterránea son a veces, prácticamente inexistentes. Análogamente, tampoco se registra una correspondencia entre las regiones donde se produce la evaporación del agua y aquellas sobre las que luego incide la precipitación, como consecuencia del transporte del vapor de agua por las masas móviles de aire. Unidad 1 1-10 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II Concretando lo anterior, debe tenerse muy presente que aunque el concepto de ciclo hidrológico es simple, el fenómeno es sumamente complejo e intrincado. Aquél no es sólo grande, sino que está compuesto de muchos ciclos interrelacionados de extensión continental, regional y local. Aunque el volumen total de agua en el ciclo hidrológico global permanece sensiblemente constante, la distribución de esta agua está cambiando en forma continua en continentes, regiones y cuencas locales de drenaje. 1.c.2. LA ACCIÓN ANTRÓPICA La hidrología de una región está determinada en forma fundamental por sus patrones de clima, tales como relieve, condiciones de la superficie y vegetación. También, a medida que la civilización progresa, las actividades humanas invaden gradualmente el medio ambiente natural del agua, alterando el equilibrio dinámico del ciclo hidrológico e iniciando nuevos procesos y eventos. Por ejemplo, hay teorías que afirman que debido a la quema de combustibles fósiles, la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera se está incrementando, lo que puede llevar al calentamiento de la tierra y tener efectos de largo alcance sobre la hidrología global. A nivel local, la acción del hombre va introduciendo cambios progresivamente importantes en el ciclo hidrológico de algunas regiones. Por ejemplo, los drenajes extensivos han hecho descender el nivel de la zona saturada y, paralelamente, se ha reducido la evapotranspiración y ha aumentado la aportación de la escorrentía subterránea a los ríos; la construcción de presas y canales de derivación modifica los regímenes naturales de escurrimiento de los ríos; la deforestación o la repoblación forestal pueden también modificar el régimen de crecidas de los ríos, pero no parece haber datos que permitan asegurar una modificación sustancial en su aportación media anual. 1.c.3. CANTIDADES DE AGUA EN EL MUNDO El cálculo de la cantidad total de agua en la tierra y en las diversas fases del ciclo hidrológico ha sido tema de investigación científica desde la segunda mitad del siglo XIX. Sin embargo, la información cuantitativa es escasa, particularmente en los océanos, debido a lo cual las cantidades de agua presentes en varios componentes del ciclo hidrológico global no pueden asegurarse con precisión. En valores aproximados se considera que el volumen total de agua en nuestro planeta es de 1.386.000.000 km3, de los cuales el 96.5% se encuentra en los océanos, el 1.7% en los hielos polares, otro 1.7% como agua subterráneas y solamente el 0.1% restante compone los sistemas de agua superficial y atmosférica. Esta última, que constituye la fuerza motriz de la hidrología del agua superficial, tiene sólo 12.900 km3, es decir, menos del 0.001% de toda el agua de la tierra. De la cantidad total de agua indicada en el párrafo anterior, el 97.5% corresponde a aguas saladas y el 2.5% restante (unos 35.000.000 km3) a aguas dulces, de los cuales sólo el 0.006% está en los ríos (2.120 km3), mientras que el agua biológica, fijada en los tejidos de plantas y animales, representa el 0.003%, equivalente a la mitad del anterior. A pesar de que el contenido comparativo de agua en los sistemas superficial y atmosférico es tan pequeño, inmensas cantidades de agua pasan anualmente a través de ellos. La precipitación media anual que incide fuera de la océanos (o sea sobre superficie terrestre) se estima en 119.00 km3/año, equivalente a 800 mm/año, de los cuales el 61% (72.000 km3/año ó 484 mm/año) se consumen por evaporación, mientras que el 39% restante conforma la escorrentía hacia los océanos, principalmente como agua superficial. TEMA 1.d: DESARROLLO HISTÓRICO DE LA HIDROLOGÍA La ciencia de la hidrología, y su evolución, se halla íntimamente relacionada con el concepto de ciclo hidrológico. En una forma muy general, el desarrollo histórico de la hidrología puede ser estudiado a través de una serie de períodos. Dado que en varios casos tales períodos se solapan, los años que los limitan no deben ser tomados en forma estricta. 1) El período de la especulación (antigüedad – 1400) Unidad 1 1-11 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II Cuando el hombre comenzó a distinguir los diversos elementos que constituían su entorno natural y sus características, descubrió ya en remotas épocas, no sólo la vital importancia del agua y su utilización sino también las graves consecuencias de sus faltas y de sus excesos. Se ha descubierto así que ya 5.000 años atrás existieron culturas que desarrollaron importantes obras hidráulicas, a lo largo de los grandes ríos del Asia Menor y del Nilo Inferior. Estas construcciones tenían por objeto irrigación y drenaje, protección frente a crecidas y abastecimiento de agua, y de su concepción se desprende que quienes las diseñaron deben haber conocido ya sencillos principios hidrológicos. Sin embargo, las primeras mediciones hidrológicas no fueron llevadas a cabo con fines de aplicación. El dispositivo que hace 4.000 años medía los niveles del río Nilo sólo era accesible a los sacerdotes, los que, de acuerdo a los valores observados, fijaban el monto de los impuestos. En registros escritos que datan del año 400 a.C., relativos a temas de política y administración, se cita que las mediciones de precipitación eran tomadas como base para la fijación del impuesto a las tierras. Las civilizaciones asiáticas antiguas desarrollaron una línea de pensamiento independiente. Los chinos registraron observaciones de lluvias, nevisca, nieve y viento en el oráculo de huesos de Anyang hacia el año 1.200 a.C. Probablemente usaron pluviómetros alrededor del año 1.000 a.C. y establecieron una medición sistemática de lluvias alrededor del año 200 a.C. En la India, las primeras medicionescuantitativas de lluvia datan de la segunda parte del siglo IV a.C. El concepto de ciclo hidrológico dinámico pudo haber surgido en China hacia el año 900 a.C., en la India hacia el año 400 a.C. y en Persia alrededor del siglo X, pero estas ideas tuvieron muy poco impacto sobre el pensamiento occidental. Basados en los conocimientos empíricos de las antiguas culturas del Asia Menor y de los egipcios, los filósofos griegos desarrollaron diversas hipótesis del ciclo hidrológico, que se hallaban sensiblemente influenciadas por dos fenómenos característicos de la región por ellos conocida: el caso del río Nilo y las zonas karsticas de Grecia, con sus oquedades y aguas subterráneas. Los egipcios no podían imaginar, dada la escasez de precipitaciones en su propio territorio, que en algún lugar éstas pudiesen ser suficientes para alimentar los grandes caudales del Nilo. Surgieron así tres hipótesis relativas al camino por medio del cual el agua reornaba al mar a través de ríos y arroyos: a) La hipótesis del ascenso del agua en el interior de la tierra firme. De acuerdo a esta teoría de Mileto (-639 a -545) y Platón (-428 a -347), el agua (“origen de todas las cosas”) se infiltraba desde el mar hacia la tierra, donde percolaba hacia el interior y ascendía, aflorando en las nacientes de ríos y arroyos, depurándose en aquél trayecto de las sales que contenía. b) La hipótesis meteorológica (Ciclo atmosférico). Esta teoría reconoce y describe correctamente diversos elementos del ciclo hidrológico. Según Anaximandro de Mileto (-610 a -547), “la lluvia proviene de la humedad, que el sol le quitó a la tierra”. Xenófanes estableció alrededor de 500 a.C., que la evaporación del agua del mar constituía la fuente principal de la humedad atmosférica y que los ríos eran alimentados por las lluvias. Anaxágoras de Clazomene (-500 a -428) ideó una versión primitiva del ciclo hidrológico. Creía que el sol evaporaba el agua del mar hacia la atmósfera, desde donde caía como lluvia, y formaba las reservas subterráneas, las cuales alimentaban los caudales de los ríos. Un avance en relación con esta teoría fue hecho por otro filósofo griego, Teofrasto (-372 a - 287), quien describió en forma correcta el ciclo hidrológico en la atmósfera. Dio una explicación lógica de la formación de la precipitación por medio de la condensación y del congelamiento. c) La hipótesis de la transformación del aire en agua en el interior de la corteza terrestre. Fue formulada como una tercera hipótesis por Aristóteles (-384 a - 322) en su obra Meteorologica, según la cual en la tierra se va formando agua Unidad 1 1-12 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II en forma permanente por enfriamiento del aire atmosférico que penetra en los poros y grietas de la capa superficial. Después de estudiar los trabajos de Teofrasto, el arquitecto e ingeniero romano Marco Vitruvio, quien vivió en la época de Cristo, concibió la teoría que se acepta hoy en día, extendió la explicación de Teofrasto al afirmar que el agua subterránea se deriva principalmente de la lluvia y la nieve infiltradas a través de la superficie del suelo. Esta puede considerarse como la precursora de la versión moderna del ciclo hidrológico. A pesar de ello, la hipótesis de Aristóteles fue considerada durante varios siglos como la mas veraz, y las correctas apreciaciones de Marco Vitruvio pasaron desapercibidas. 2) El período de observación (1400 a 1600) Cuando después de la Edad Media renacieron las ciencias, se produjo un cambio gradual desde los conceptos puramente filosóficos de hidrología hacia la ciencia observacional. Leonardo da Vinci (1452 a 1519) efectuó los primeros estudios sistemáticos de la distribución de velocidad en los ríos, utilizando una vara lastrada que se mantenía a flote por medio de una vejiga animal lastrada. Las 8.000 páginas de notas de Leonardo que se conservan contienen más referencias relacionadas con la hidráulica que con cualquier otra materia. El científico francés Bernard Palisay (1509 a 1589) demostró, aplicando los conceptos de la gravedad y de la condensación, que los ríos y manantiales se originan de la lluvia, refutando las antiguas teorías que sostenían que las corrientes eran alimentadas directamente por percolación de aguas de mar o por transformación de aire en el subsuelo. 3) El período de la medición (1600 a 1700) Puede considerarse que la ciencia de la hidrología, en su versión moderna, comenzó en el siglo XVII con las mediciones de los fenómenos involucrados. Así por ejemplo, el naturalista francés Pierre Perrault (1608 a 1680) estableció para una subcuenca del río Sena el balance hídrico de un año medio, según el cual: precipitación = escorrentía + “pérdidas”, llegando a la conclusión que las precipitaciones eran suficientes para alimentar los ríos. El físico Edmé Mariotte (1620 a 1684) verificó los cálculos de Perrault mediante mediciones de precipitaciones y caudales en el mismo río. El problema aún indefinido de las “pérdidas” fue resuelto por el astrónomo Edmond Halley (1656 a 1742), quien estimó experimentalmente valores para la evaporación desde superficies de agua, las que aplicó para calcular el balance hídrico del Mar Mediterráneo, lo que lo permitió demostrar que el agua evaporada era más que suficiente para asegurar los caudales de los ríos mediante precipitaciones. 4) El período de la experimentación (1700 a 1800) Durante el siglo XVIII los estudios de hidráulica experimental y su aplicación a los fenómenos hidrológicos, se tradujeron en un florecimiento de la hidrología, dando como resultado nuevos descubrimientos y una mejor comprensión de los principios hidráulicos. Notables ejemplos en tal sentido los constituyen el piezómetro de Bernoullí, el tubo de Pitot, el molinete de Woltman, los modelos en escala de Smeaton, el tubo de Borda, el principio de D’Alembert, el teorema de Bernoullí y la fórmula de Chézy; desarrollándose en general mejores instrumentos, entre ellos el pluviógrafo de cubeta basculante. Todos estos avances aceleraron grandemente el comienzo de los estudios hidrológicos realizados sobre una base cuantitativa. 5) El período de la modernización (1800 a 1900) El siglo XIX fue en muchos aspectos la gran era de la hidrología experimental que había comenzado con el precedente período de la experimentación, y se fue modernizando en forma tal que en esta época se cimentaron la mayoría de los principios de la hidrología moderna, Si bien el signo de la modernización puede observarse en numerosas contribuciones a la hidrología moderna, la mayoría de ellas lo fueron en el campo del agua subterránea y de la medición de las aguas superficiales. En el primero de los ámbitos mencionados, los conocimientos de la geología fueron aplicados por primera vez a problemas hidrológicos por William Smith, en Inglaterra. Se efectuó además la formulación de numerosas expresiones, tales como la ecuación de Hagen-Poiseuille para el flujo capilar (1839); la ley de Darcy relativa al flujo en medios porosos (1856); la fórmula de bombeo de pozos de Unidad 1 1-13 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II Dupuit-Thiem (1863, 1906), mientras que en 1889 se presentaba el principio del balance de las aguas salinas. En el campo de las aguas superficiales, la hidrometría experimentaba un notorio avance, incluyendo la formulación de numerosas expresiones para determinar el flujo en canales, el desarrollo de diversos dispositivos de medición y el comienzo del aforo sistemático en cauces importantes. El método racional para calcular las crecidas máximas fue propuesto por Thomas Mulvaney en 1850, Ganguillet y Kutter determinaron el coeficiente de Chézy en 1869 y Manning propuso su ecuación para el flujo en canales abiertos (1891). En noviembre de 1867 se organiza la primera medición internacional de los caudales de un río, en el Rhin. En otros aspectos, en 1802,John Dalton (1766 a 1844) fue el primero en reconocer la relación entre la evaporación y la tensión del vapor; y Rippl presentó su diagrama para determinar los requerimientos de almacenamiento (1883). Asimismo se introducen por primera vez importantes estudios hidrológicos en el proyecto de grandes obras hidráulicas. 6) El período del empirismo (1900 a 1930) Sin embargo, la hidrología cuantitativa todavía no estaba consolidada a principios del siglo XX. Al no conocerse suficientemente las bases físicas de la mayoría de las determinaciones hidrológicas cuantitativas ni haberse desarrollado aún suficientemente los programas de investigación, los hidrólogos e ingeniero debía recurrir a bases empíricas para poder resolver sus problemas prácticos. Así, durante la última parte del siglo XIX como todavía aproximadamente en los primeros 30 años del XX, el empirismo en hidrología se tornó más evidente, siendo propuestas por ejemplo, cientos de fórmulas de ese tipo para la solución de diversos problemas, resultando la selección de los valores de los coeficientes y parámetros intervinientes en las mismas (por lo general de un amplio rango de variabilidad) una cuestión de criterio personal. En la mayoría de los casos se llegaba, con estos métodos, a la obtención de resultados totalmente diferentes, según la fórmula y los coeficientes que se aplicaran, aunque hubiesen sido propuestas para idéntico fin. Como consecuencia de lo expuesto se observó al poco tiempo que las aproximaciones empíricas a la solución de problemas hidrológicos prácticos resultaba altamente insatisfactoria, se puso mayor énfasis en la investigación hidrológica y en el análisis racional de la información observada. Así, como primeros pasos, Green y Ampt (1911) desarrollaron un modelo físico para la infiltración y Hazen (1914) introdujo el análisis de frecuencia para el cálculo de crecidas máximas y los requerimientos de almacenamiento de agua. Paralelamente se fueron creando diversas agencias estatales en diversos países dedicadas parcial o específicamente a la hidrología, y a nivel internacional se comenzó, como un aspecto fundamental para el desarrollo de la hidrología y el conocimiento e inventario pleno de los recursos hídricos, con un trabajo integrado. El mismo tiene sus orígenes con la creación en 1922 de la International Association of Scientific Hydrology (IASH) y sus comisiones de aguas superficiales, aguas subterráneas, erosión continental, nieve y hielo, calidad del agua y sistemas de recursos hídricos. De cuestiones hidrológicas se ocupan asimismo (si bien fueron creadas con posterioridad), la Asociación Internacional para la Investigación Hidrológica (IAHR), la Asociación Internacional de Hidrogeólogos (IAH) y la Comisión Internacional de Irrigación y Drenaje (ICID). 7) El período de la racionalización (1930 a 1950) Durante este período aparecieron muchos grandes hidrólogos que emplearon análisis racionales en lugar del empirismo, para la resolución de los problemas hidrológicos. Así en 1931, Richards determinó la ecuación que gobierna el flujo no saturado, en 1932 Sherman efectúa un avance fundamental en hidrología con la introducción del uso del método del hidrograma unitario para transformar la precipitación efectiva en escorrentía directa; en 1933 Horton desarrolló la mejor aproximación lograda hasta la fecha para determinar los excedentes de precipitación en base a la teoría de infiltración y luego, en 1945 define una serie de relaciones que permiten una descripción de la forma de una cuencas de drenaje. Por otra parte, en 1941 Gumbel propuso el uso de una ley de distribución de valores extremos Unidad 1 1-14 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II para análisis de frecuencias de datos hidrológicos, con lo que, conjuntamente con otros autores, revitalizó el uso de las estadística en hidrología, que tiempo atrás había sido propuesto por Hazen. En 1944, Bernard jerarquiza el rol de la Meteorología, marcando así el comienzo de la ciencia de la hidrometeorología. Finalmente, en 1950 Einstein desarrolla la función que introduce el análisis teórico del transporte y sedimentación del material de arrastre de los ríos y Hurst (1951) demostró que las observaciones hidrológicas pueden exhibir secuencias para valores bajos o altos, que persisten a lo largo de muchos años. 8) El período de la teorización (1950 a la fecha) Desde alrededor de 1950, las aproximaciones teóricas han sido extensamente empleadas en la resolución de los problemas hidrológicos, como consecuencia de que muchos de los principios racionales propuestos pueden ser ahora formulados y resueltos mediante el análisis matemático. El vertiginoso avance da la computación ha sido aplicado también al planteo de delicados fenómenos de hidrología y a la resolución de las complicadas ecuaciones matemáticas resultantes de la aplicación de las modernas teorías hidrológicas. Independientemente de ello, el desprendimiento de la moderna mecánica de los fluidos de la hidráulica tradicional, ha ayudado también en gran medida a promover el desarrollo de la hidrología teórica. Ejemplos de estudios de hidrología teórica los constituyen los análisis lineales y no lineales de sistemas hidrológicos, la aplicación de conceptos estadísticos en la hidrodinámica de las aguas subterráneas, la aplicación de las teorías de transferencia de calor y de masas en los análisis de evaporación, estudios relativos a la energía y dinámica de la humedad del suelo, la generación secuencial de datos hidrológicos y el uso de la investigación operativa en el diseño de sistemas de aprovechamiento de los recursos hídricos. En la actualidad, el trabajo conjunto ente los distintos países en el campo de la hidrología es dirigido fundamentalmente por la UNESCO y la Organización Meteorológica Mundial (WMO). El Decenio Hidrológico Internacional (IHD), de 1965 a 1974 y su continuación a largo alcance en el Programa Hidrológico Internacional (IHP), brindó y brinda un valioso aporte para la formulación de trabajos integrados en el ámbito de la investigación hidrológica y la formación y capacitación de personal, con la meta de llevar a todos los países a la situación de conocer más cabalmente sus recursos hídricos, protegerlos y usarlos mas racionalmente.
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