¿Qué es la hidrología?

La hidrología es el estudio del movimiento, distribución y calidad del agua en todas las zonas de la Tierra, y se dedica tanto al ciclo hidrológico como a los recursos de agua. Los hidrólogos trabajan en ciencias ambientales o geológicas, geografía física, e ingeniería civil y ambiental.

Los dominios de la hidrología incluyen la hidrometeorología, la hidrología superficial, la hidrogeología, la administración del drenaje y la calidad del agua. La oceanografía y la meteorología no están incluidas porque en ellas el agua es sólo uno de muchos aspectos importantes.

La investigación hidrológica es útil en cuanto que nos permite entender mejor el mundo en el que vivimos, y también proporciona conocimientos para la ingeniería ambiental, política y planificación.

Síntesis histórica de la hidrología.

La hidrología ha sido objeto de investigación e ingeniería desde hace milenios. Por ejemplo, sobre el año 4000 a.C. el Nilo fue represado para mejorar la productividad agrícola de las tierras, que antes eran estériles. Las ciudades de Mesopotamia fueron protegidas de los desbordamientos con altas paredes de tierra. Los acueductos fueron construidos por los antiguos griegos y romanos, mientras que en China se construyeron obras para controlar las inundaciones y la irrigación. Los cingaleses usaron la hidrología para construir las complejas obras de irrigación de Sri Lanka, e inventaron válvulas que permitieron la construcción de grandes embalses, presas y canales que todavía funcionan.

Marcus Vitruvius, en el siglo I d.C., describió una teoría filosófica del ciclo hidrológico, en la cual se decía que la precipitación que cae en las montañas se infiltra en la superficie de la tierra y provoca corrientes y brotes en las tierras bajas. Con la adopción de un acercamiento más científico, Leonardo da Vinci y Bernard Palissy alcanzaron de forma independiente una representación exacta del ciclo hidrológico. Hasta el siglo XVII no empezaron a cuantificarse las variables hidrológicas.

Los pioneros de la ciencia moderna de la hidrología fueron Pierre Perrault, Edme Mariotte y Edmund Halley. Midiendo la precipitación, la escorrentía y el área de drenaje, Perrault demostró que la precipitación era suficiente para explicar el flujo del Sena. Marriotte combinó la velocidad y las medidas de corte transversal del río para obtener la descarga, de nuevo en el Sena. Halley demostró que la evaporación del Mar Mediterráneo era suficiente para explicar la efusión de los ríos que fluyen al mar.

Los avances durante el siglo XVIII incluyeron el piezómetro de Bernoulli y la ecuación de Bernoulli (obtenidos por Daniel Bernoulli), así como el tubo de Pitot. En el siglo XIX se desarrolló la hidrología de agua subterránea, con la ley de Darcy, la fórmula de Dupuit-Thiem y la ecuación del flujo capilar de Hagen-Poiseuille.

Los análisis racionales comenzaron a sustituir al empirismo en el siglo XX, mientras que las agencias gubernamentales comenzaban sus propios programas de investigación hidrológicos. De particular importancia fue la unidad hidrográfica de Leroy Sherman, la teoría de la infiltración de Robert E. Horton y la prueba/ecuación de los acuíferos de C.V. Theis.

Desde los años 1950, el estudio de la hidrología ha tenido una base más teórica que en el pasado, gracias a los avances en el entendimiento físico de los procesos hidrológicos y por el uso de ordenadores y sistemas de información, sobre todo geográficos.

Ramas de la hidrología.

• Hidrología química: estudio de las características químicas del agua.
• Ecohidrología: estudio de las interacciones entre los organismos vivos y el ciclo hidrológico.
• Hidrogeología: estudio de la presencia y movimiento del agua en acuíferos.
• Hidroinformática: adaptación de la tecnología de la información a la hidrología y sus aplicaciones a los recursos de agua.
• Hidrometeorología: estudio de la transferencia de agua y energía entre las superficies de tierra y agua y la atmósfera inferior.
• Hidrología de isótopos: estudio de las firmas isotópicas del agua.
• Hidrología superficial: estudio de los procesos hidrológicos que tienen lugar en la superficie de la Tierra o cerca de ella.

Campos relacionados.

• Química acuática
• Ingeniería civil
• Climatología
• Ingeniería ambiental
• Geomorfología
• Hidrografía
• Ingeniería hidráulica
• Limnología
• Oceanografía
• Geografía física

Medidas hidrológicas.

El movimiento del agua por la Tierra puede ser medido de varias formas. Esta información es importante tanto para la evaluación de los recursos de agua como para el entendimiento de los procesos implicados en el ciclo hidrológico. Lo siguiente es una lista de dispositivos usados por los hidrólogos y lo que miden:

• Disdrómetro – características de precipitación.
• Olla de evaporación de Symon – evaporación.
• Infiltrómetro – infiltración.
• Piezómetro – presión de agua subterránea y, por inferencia, profundidad del agua subterránea.
• Radar – propiedades de las nubes, estimación de la tasa de lluvia, y detección de nieve y granizo.
• Pluviómetro – lluvia y nevada.
• Satélite – identificación de áreas lluviosas, estimación de la tasa de lluvia, uso y cobertura de la tierra, humedad del suelo.
• Higrómetro – humedad.
• Corrientómetro – flujo de corriente.
• Tensiómetro – humedad de suelo.
• Reflectómetro de dominio temporal – humedad de suelo.
• Sonda de capacitancia – humedad del suelo.

Predicción hidrológica.

Las observaciones de los procesos hidrológicos se usan para hacer predicciones sobre el futuro comportamiento de los sistemas hidrológicos (flujo de agua y calidad del agua).

Uno de los principales intereses actuales en la investigación hidrológica es la Predicción en Cuencas No calibradas (BAR), es decir, en cuencas donde existen muy pocos datos o ninguno.

Hidrología estadística

Analizando las propiedades estadísticas de los archivos hidrológicos, como la precipitación o el flujo de un río, los hidrólogos pueden estimar los futuros fenómenos hidrológicos. Esto, sin embargo, asume que las características de los procesos permanecen sin alterar.

Estas estimaciones son importantes para ingenieros y economistas, de modo que pueda hacerse un análisis de riesgo apropiado para influir en las decisiones sobre inversión en la futura infraestructura y determinar las características de fiabilidad de la producción de sistemas de abastecimiento de agua. La información estadística se utiliza para fórmular reglas de operaciones para presas grandes que forman parte de sistemas que incluyen demandas agrícolas, industriales y residenciales.

Modelos hidrológicos

Los modelos hidrológicos son representaciones conceptuales simplificadas de una parte del ciclo hidrológico. Se usan principalmente para la predicción hidrológica y para entender los procesos hidrológicos. Hay dos tipos principales de modelos hidrológicos:

• Modelos basados en datos. Estos modelos son sistemas de caja negra, que usan conceptos matemáticos y estadísticos para asociar una determinada entrada (por ejemplo, precipitación) con un modelo de salida (por ejemplo, escorrentía). Las técnicas que suelen usarse son la regresión, funciones de transferencia, redes neurales e identificación de sistema. Estos modelos son conocidos como modelos de hidrología estocásticos.
• Modelos basados en descripciones del proceso. Estos modelos tratan de representar los procesos físicos observados en el mundo real. Contienen representaciones de escorrentía superficial, flujo subsuperficial, evapotranspiración y flujo de canal, pero pueden ser mucho más complicados. Estos modelos son conocidos como modelos hidrológicos deterministas. Pueden subdividirse en modelos de un solo evento y modelos de simulación continua.

La investigación reciente sobre modelos hidrológicos trata de tener un acercamiento más global para entender el comportamiento de los sistemas hidrológicos, de manera que se puedan obtener mejores predicciones y afrontar los principales desafíos en la administración de los recursos de agua.

Transporte hidrológico

El movimiento del agua es un medio significativo por el cual otros materiales, como el suelo o los contaminantes, son transportados de un lugar a otro. Desde los años 60, se han desarrollado modelos matemáticos bastantes complejos, facilitados por la disponibilidad de ordenadores de alta velocidad. Las clases de contaminantes más comunes que se analizan son nutrientes, pesticidas, y sólidos y sedimentos disueltos.

Aplicaciones de la hidrología

• Determinación del equilibrio de agua de una región.
• Diseño de proyectos de restauración ribereños.
• Mitigación y predicción de inundaciones, desprendimiento de tierras y riesgo de sequía.
• Pronóstico de inundaciones en tiempo real y advertencias.
• Diseño de esquemas de irrigación y administración de la productividad agrícola.
• Parte del módulo de riesgo en modelado de catástrofes.
• Suministro de agua potable.
• Diseño de presas para abastecimiento de agua o generación de energía hidroeléctrica.
• Diseño de puentes.
• Diseño de alcantarillas y sistemas de drenaje urbano.
• Análisis del impacto de la humedad antecedente en sistemas de alcantarillado sanitarios.
• Predicción de cambios geomorfológicos, como erosión o sedimentación.
• Evaluación de los impactos de cambio ambiental natural y antropogénico en los recursos del agua.
• Evaluación del riesgo de transporte de contaminantes y establecimiento de pautas de política ambiental.

Ciclo hidrológico. (Ver artículo)

Fase del ciclo Hidrológico. (Ver artículo).

Componentes hidrológicos.

1. Cuencas: Es la unidad hidrológica superficial más utilizada. No coincide ni tiene por que con las unidades hidrológicas subterráneas. Consiste en una porción de territorio que se puede aislar de forma que si esta fuese impermeable toda el agua que escurriría por ella drenaría por un mismo punto. Dos tipos de cuenca se pueden reconocer, endorreicas y exorreicas. Las cuencas endorreicas son aquella que terminan en un lago central y cuenca exorreicas aquellas cuencas que drenan fuera de la unidad hidrológica. Es un elemento que permite controlar las cantidades de agua para poder hacer una contabilidad de la misma.
2. Río: Es un sistema dinámico de flujo de agua y sedimentos que controlan la función biológica de la tierra. Son los corredores activos más importantes que tiene la naturaleza y dependen de estos para el equilibrio de la vida.
3. Vegetación: Presenta un papel crucial en la morfología fluvial y se considera la que estabiliza el terreno. Tanto a nivel de río como a nivel de cuenca la vegetación es un retardador del flujo.
4. Lago: Es un cuerpo de agua natural que mantiene un equilibrio biológico muy delicado con el resto de la naturaleza. Los fenómenos asociados en lagos son complejos y requieren para su estudio de un grupo interdisciplinario. Incluye la biología, la limnología, hidrología, hidráulica, sedimentología, termodinámica, etc.
5. Embalse: Con características similares al lago lo único es que es un volumen de agua artificial creado por el hombre y que tiene repercusiones medioambientales. El agua en los embalses es la utilizada por el hombre para su uso. Los usos más importantes son: energía hidroeléctrica, regadío y abastecimiento.
6. Superficie del terreno: Es la superficie que compone la cuenca, contiene los lagos y ríos y alimenta los acuíferos por medio de la infiltración. Además la fuente para obtener el sedimento que alimenta los ríos y lagos. Contiene los nutrientes para la vegetación y en parte es utilizada por el hombre para su explotación. Esta íntimamente ligado con el agua pues es su conductor y contenedor.

Precipitaciones.

Es un fenómeno meteorológico que consiste en la caída sobre la superficie terrestre de la humedad procedente de la atmosfera, ya sea en estado líquido o sólido.

Formación de la Precipitación.

Los elementos necesarios para la formación de las precipitaciones son:

• Humedad atmosférica.
• Radiación solar.
• Mecanismos de enfriamiento del aire
• Presencia de núcleos higroscópicos para que halla condensación.

El proceso de formación se puede resumir como sigue:

1. El aire húmedo de los estratos bajos es calentado por conducción
2. El aire húmedo se torna más leve que el de su alrededor y experimenta una ascensión adiabática.
3. El aire húmedo se expande y se enfría a razón de 1ºC por cada 100 m (expansión adiabática seca) hasta llegar a una condición de saturación para llegar a la condición de condensación.
4. Las gotas de agua se forman cuando la humedad se condensa en pequeños núcleos higroscópicos.
5. Dichas gotas quedan en suspensión y crecen por diversos motivos hasta que por su peso precipitan. Existen dos procesos de crecimiento de las gotas:
6. Es el aumento de las gotas por choque con otras.
7. Difusión de vapor. Encuentro de capas supersaturadas (difusión de vapor de agua) con aquellas en las que ya existen gotas de agua, adquiriendo estas últimas mayor tamaño.

Tipos de precipitación.

1. Precipitaciones convectivas. Se da cuando las masas de aire bajas se calientan acompañadas de vientos fríos superiores. Esto ocasiona una descompensación muy grande de fuerzas de empuje y de flotación, generando corrientes ascendentes de aire húmedo que al ir ascendiendo llegan a la presión de saturación y el vapor se condensa rápidamente. Los movimientos generados en este fenómeno dan lugar a una rápida coalescencia de las gotas de agua. Las tormentas generadas de esta forma son las culpables del denominado flash flood.
2. Precipitaciones orográficas. Cuando corrientes de aire húmedo que circula por los valles y choca contra las montañas. Este aire húmedo se ve forzado a ascender hacia estratos más altos. Es en ese momento que pueden chocar con estratos más frios y secos ocasionando la condensación súbita del vapor de agua.
3. Precipitación por convergencia. Cuando dos masas de aire en movimiento y a diferente temperatura se chocan entre sí. Si una masa de aire frío se encuentra una masa de aire caliente, este tiende a ser desplazado hacia arriba formando un frente frío. Si en cambio es la masa de aire caliente en movimiento que se encuentra con una masa de aire frió, este tiende a moverse en una superficie inclinada formando un frente cálido. (fig. 1).

Figura 1. Frentes de aires debido a la colisión entre masas.

Formas de medir las precipitaciones.

La lluvia se puede medir en términos de altura de agua pues consiste en la medida de un volumen por unidad de superficie. También se puede considerar como cuanta agua se puede acumular (mm) en una superficie determinada (m²). Si en un área determinada por una Ha (10´000 m²) cae un volumen de 10 m³ cual es la altura que ocuparía si la superficie en cuestión es impermeable. La respuesta es que son exactamente 1 mm. También es 1 litro de agua vertido en un metro cuadrado, el agua ascendería 1 mm. Es por ello que se habla de mm de agua, para indicar el volumen caído en una superficie. Una lluvia normal acumulada en un periodo de tormenta es de 20 mm, lo cual indica que si la superficie es impermeable la cantidad de agua acumulada en ella es de 2 cm, o bien que en una Ha de terreno han caído 200 m³, esto es en un área de 100 x 100 m (una manzana normalizada).

También se suele utilizar la medida de intensidad de precipitación y es la cantidad de agua que cae en una cierta área por unidad de tiempo. Es decir se esta hablando de (m³/m²/s). Mide la velocidad con que fluye la lluvia o la velocidad con que se acumula la lluvia en un área determinada. Normalmente se mide en (mm/hr.). La intensidad caracteriza el evento ya sea de gran duración o de poca duración. Por ejemplo se puede caracterizar un evento como la lluvia caída en un día, o un mes o un año. Estas mediadas caracterizan un territorio. En España se puede hablar de lluvias medias de 700 mm/año. Es decir una media de 7 metros de agua en promedio al año. Parece mucha cantidad de agua pero no es así pues gran cantidad se infiltra en el terreno y el resto fluye hacia el mar. Ambas cosas son necesarias para el mantenimiento de los sistemas bióticos; la vegetación, los animales y el hombre. El problema también recae en la variabilidad espacial y temporal de la lluvia. Si la lluvia fuese repartida más o menos uniformemente esta podría llegar a todos los lugares sin prácticamente problema alguno, pero al caer en forma frecuencial o pulsátil y de manera abrupta, es decir tormentas abundantes en poco tiempo y en cuencas aisladas, sin embargo esta media sigue siendo poca. El valor de 700 mm/año correspondería a una media de 2 mm/día.

Los equipos de medición para las precipitaciones que hoy día más utilizados son:

• Pluviómetro (no registrador): Registra la lámina[i] de agua caída para un determinado periodo.
• Fluviógrafo (registrador): Registra la lámina de lluvia caída para el tiempo de duración de la lluvia.
• Radar meteorológico: la información radar de un instante determinado de la situación de una tormenta en la zona. El radar meteorológico mide la lluvia de forma indirecta a través de la reflectividad (Z), variable que esta relacionada con las características de las gotas de lluvia.

l = Lámina en un intervalo de tiempo/Intervalo de tiempo = Lam/t.

Estos equipos registran la lluvia caída en un punto y se observan diariamente. Par un equipo se puede determinar los parámetros siguientes:

LL_D (lluvia diaria) = Lámina de lluvia registrada por el equipo en 24 horas.

LL_M (lluvia mensual) = ∑ LL_D

LL_A (lluvia anual) = ∑ LL_M

Método de determinación de la lluvia promedio de una cuenca hidrológica.

El sistema fluvial esta constituido por un río principal y sus afluentes. El área de terreno que aporta agua superficialmente a este sistema se denomina: cuenca superficial o topográfica, delimitada por una línea imaginaria, que acorde a la distribución del relieve, se desplaza de forma continúa por las mayores alturas. Esta línea se denomina “parteaguas” o divisoras.

Los métodos más usados para determinar la lluvia media de una cuenca son:

• Media aritmética.

Se recomienda cuando la topografía de la cuenca es llana y los pluviómetros están distribuidos bastante uniformemente dentro de la cuenca. Los equipos deben de estar dentro de la cuenca y la ecuación para su cálculo.

[i] Un intervalo de tiempo/intervalo de tiempo = Lam/t

Donde:

N: es el número de equipos.

P: es la precipitación media.

P_i: es la precipitación en cada equipo.

Esta ecuación es aplicable a cualquier unidad de tiempo (día, mes, año, etc.)

Ejemplo: Se calcula la P por cada año y se determina la P en N años que es llamada la media hiperanual.

Tabla 2. Ejemplo de estadísticas de las precipitaciones anuales

Años.	P1 (mm).	P2 (mm).	P3 (mm).	P4 (mm).
1980	1´200	1´300	1´280	1´260
1981	1´300	1´350	1´322	1´324
1982	1´280	1´320	1´300	1´300

Precipitación media hiperanual (promedio de lluvia en un número de años):

P = (1´200 + 1´324 + 1´300)/3 = 1´294.7 mm.

• Método de Thiessen.

El método de Thiessen o mediana consiste en definir el área de influencia para cada pluviómetro. El método requiere de unir con rectas los puntos de ubicación de ubicación los pluviómetros de tal forma que se pueda trazar las medianas de estas rectas. Las uniones de medianas definen polígonos de diferentes áreas, las que se toman como áreas de influencia para cada punto (fig. 2).

Se recomienda usar una distribución no uniforme de los equipos en la cuenca y utilizar los equipos dentro y fuera de la misma.

Figura 2. Método de Thiessen.

Escurrimiento.

El escurrimiento junto con la precipitación son los factores del ciclo hidrológico más estudiados en la Hidrología Superficial. Los hidrólogos recopilan primordialmente datos sobre caudales de agua para utilizarlos en los estudios hidrológicos que tienen como finalidad evaluar el potencial hídrico de una región, pero estudiando sobre todo el escurrimiento llamado superficial (o escorrentía superficial) de un río que no es más que un componente del escurrimiento total del río.

Se estudiará el proceso de formación del escurrimiento total de un río analizando sus componentes, los factores que influyen en él y los gastos máximos o crecidas del río.

Componentes del Escurrimiento.

El agua que cae sobre la tierra en forma de precipitación y que llega al lecho del curso del agua de las corrientes puede llegar a él por cuatro vías diferentes. Estas vías son conocidas también como componentes del escurrimiento total y son (ver figura 3.4):

• Escurrimiento superficial.
• Escurrimiento subsuperficial.
• Escurrimiento subterráneo.
• Precipitaciones que caen directamente en las superficies de agua libre.

A continuación, se analizará brevemente cada uno de los componentes del escurrimiento total de una corriente.

Figura 3. Formas de escurrimientos.

Escurrimiento Superficial.

El escurrimiento superficial es el agua que discurre sobre la superficie del terreno hasta su cauce. Es el flujo de agua que por gravedad se mueve en la superficie del suelo, según la pendiente del terreno. Es el agua que ha escapado de la infiltración, de la evaporación, y del almacenaje superficial.

Parte del agua que cae como lluvia en la tierra fluye sobre la superficie del suelo como escurrimiento superficial, pero puede transcurrir un largo plazo entre el instante en que las primera gotas de un aguacero caen en un punto dado de la cuenca vertiente y aquel en que se observa un aumento del caudal a la salida de ella, esto es debido a que no se produce escurrimiento superficial hasta que la intensidad de la lluvia no sobrepase la capacidad de infiltración del suelo.

Si la intensidad de la lluvia excede la capacidad de infiltración del suelo una película de agua se forma y corre por gravedad a través de las pendientes del terreno frenado por las irregularidades del terreno y cobertura vegetal. Una parte del agua se acumula en las depresiones superficiales, las llena y continúa su curso hasta la red hidrográfica de la cuenca, contribuyendo en ese momento a un aumento del caudal de la corriente.

La importancia de la componente escurrimiento superficial en el escurrimiento total depende de la naturaleza de la cuenca (suelos, topografía, vegetación), de su estado de humedad inicial al momento de la lluvia, así como del tipo de precipitación. Una lluvia breve de baja intensidad que caiga en un suelo permeable y muy seco dará lugar a un escurrimiento superficial nulo. Mientras que esa misma lluvia cae en un terreno impermeable puede producir un escurrimiento considerable.

Podemos afirmar que el escurrimiento superficial es el factor principal del escurrimiento de un río y más aún es el factor primordial en los gastos máximos de sus crecidas.

Escurrimiento Subsuperficial.

Parte de la precipitación que se infiltra en la superficie del suelo y que fluye casi horizontalmente a través de las aguas superiores del suelo hasta que penetran en un cauce o reaparece en la superficie del suelo en un nivel inferior al de su punto de infiltración, es llamada corriente subsuperficial o escurrimiento subsuperficial o hipodérmico.

La parte del escurrimiento total que ocurre como escurrimiento subsuperficial depende fundamentalmente de la geología de la cuenca.

Escurrimiento Subterráneo

Parte del agua de las precipitaciones, cuando el suelo contiene una humedad suficiente, puede percolar hacia abajo hasta alcanzar la capa freática. Este incremento del agua subterránea puede eventualmente descargar en las corrientes como corriente de agua subterránea, llamada también caudal base si el nivel hidrostático está por encima del nivel de las corrientes fluviales de la cuenca. La importancia de ese aporte depende de la estructura y geología del suelo y subsuelo y de la intensidad de la lluvia.

La duración del trayecto del escurrimiento subterráneo hasta el cauce es más larga que la de los otros componentes del escurrimiento, por razones de la longitud de la velocidad de filtración de los terrenos, aunque en las regiones cársicas (zonas de rocas calizas con grandes canales de disolución que pueden constituir cavernas) este movimiento es más rápido y la contribución del agua subterránea como corriente afluente es mayor.

Las cuencas con suelos superficiales permeables y grandes masas de agua subterránea efluentes tienen un caudal elevado sostenido a lo largo del año y su relación entre el gasto máximo de crecidas y el gasto medio será pequeña, mientras que en cuencas con masas de agua subterráneas que no efluyen (salen del medio rocoso que las contiene, llamado acuífero) en el período seco del año, o en período de escasas lluvias el escurrimiento será nulo o mínimo debido a que no hay aporte del agua subterránea.

Precipitaciones caídas directamente en las superficies de aguas libres.

Este cuarto componente del escurrimiento aporta su plena contribución al cauce de agua desde el comienzo del aguacero. Su aporte puede ser fácilmente calculado a partir de las precipitaciones si se conoce el área de las superficies de aguas libres que existen en la cuenca.

En general su importancia es pequeña. Por lo cual se integra en los cálculos con el escurrimiento superficial.

En la realidad, es muy complejo evaluar los aportes de los componentes del escurrimiento, es decir por qué el agua puede empezar a escurrir como escurrimiento superficial, infiltrarse y completar su recorrido hasta la corriente como escurrimiento subsuperficial, Por otra parte, esta puede salir a la superficie cuando un estrato impermeable corta una ladera, terminando su recorrido como corrientes subsuperficial.

Por consiguiente en la práctica es costumbre considerar el escurrimiento total dividido en dos partes:

• Escurrimiento directo.
• Caudal base o Caudal básico

Factores que afectan al escurrimiento

Para calcular la magnitud del escurrimiento es necesario analizar los factores que lo afectan.

En conclusión, la naturaleza del caudal de toda corriente está determinada por dos grupos de factores diferentes: uno de estos grupos se relaciona con el clima y en especial con la precipitación y el otro grupo con las características físicas de las cuencas.

Factores climáticos

La influencia de estos factores depende de:

• Tipo de precipitación.
• Intensidad de la lluvia.
• Duración de la lluvia.
• Distribución de la lluvia en la cuenca.
• Dirección del movimiento de las tormentas.
• Precipitación antecedente y humedad del suelo.

Factores fisiográficos

Los más importantes son:

• Uso de la tierra.
• Tipo de suelo.
• Área de la cuenca.
• Forma de la cuenca.
• Altitud de la cuenca.
• Pendiente de la cuenca.
• Orientación.
• Red de drenaje.

Gastos máximos. Métodos de Cálculo. Fórmula Racional.

Una de las principales tareas que se realizan en un estudio hidrológico de una cuenca es la evaluación del comportamiento del escurrimiento de los ríos. Dentro de esa evaluación si se proyecta construir una obra hidráulica de drenaje (o de evacuación) es necesario hacer énfasis en el análisis de las crecidas o gastos máximos que han ocurrido y las que pueden presentarse en el río.

En los proyectos de presas, de puentes, de protección contra las crecidas de drenaje, etc. se determina el gasto máximo para diferentes probabilidades.

Intuitivamente se puede introducir el concepto de probabilidad. Por ejemplo, cuando se lanza una moneda al aire, se puede suponer que el 50% de las veces caerá estrella y el otro 50%, escudo, en las mismas condiciones. O sea, que en 100 lanzamientos es posible que aparezcan 50 veces escudo y otras 50 estrella. Puede decirse que de cada 2 tiradas aparece el fenómeno una vez. La frecuencia n será entonces 2, o sea las veces que tiene que repetirse el fenómeno para que aparezca una vez.

La probabilidad (p) se define entonces como el inverso de la frecuencia:

En el ejemplo analizado p=1/2 = 50%. Pero esto es un fenómeno probable, pero no seguro.

En el caso de un dado de 6 caras, la probabilidad de que salga una de ellas sería:

Los fenómenos climatológicos deben analizarse basándose en el concepto de probabilidad, pues no es posible asegurar que se produzcan con una magnitud y en un momento determinado, por su carácter aleatorio. Es de muy conocido por todos los pronósticos del tiempo y las incertidumbres asociadas a él.

Esas probabilidades coinciden con las de diseño de las obras, es decir, la probabilidad que tiene la obra para soportar o evacuar una determinada avenida. Las avenidas grandes no son muy frecuentes, ocurren con probabilidades de 1%. 2%, hasta 20% o sea, cada 100 años, 50 años, etc. Entonces mientras más importante es una obra hidráulica, debe diseñarse para una probabilidad más baja, ya que hay que protegerlas contra los fenómenos de mayor magnitud.

Existen numerosos métodos para el cálculo de , se estudiará uno utilizado universalmente: la Fórmula Racional que se utiliza en cuencas pequeñas cuando no hay observaciones del escurrimiento recopilado.

Fórmula Racional.

Si se desea calcular el caudal máximo ( ) que escurre en una cuenca, se puede seguir el siguiente razonamiento:

Como se sabe el caudal Q, es la relación entre el volumen (V) y el tiempo (t); como:

La intensidad de la lluvia (I) fue definida como:

I=Lámina/t   (por ejemplo, en m/s)

Si se quiere calcular el caudal escurrido para una lluvia dada, habría que multiplicar la intensidad por el área de la cuenca A en m2, para obtener el Q en m3/s es decir que:

Pero esto implicaría que todo el caudal que llueve sobre un área determinada escurre, lo que ya se sabe que es imposible, por lo que hay que considerar una proporción adecuada. Si se representa esta proporción por C, entonces el caudal escurrido se calculará por:

Rigurosamente, la intensidad de la lluvia está asociada a una probabilidad I (y por ende el Q) que está definida a su vez, por la importancia de la obra que se postergará. Por ello, ajustando las unidades e introduciendo el concepto de lluvia para una probabilidad determinada, queda la siguiente expresión:

Donde:

= gasto máximo para la probabilidad de diseño en m³ /s.

I_p = Intensidad máxima de precipitación para la probabilidad de diseño, en mm/min.

C = Coeficiente de escurrimiento, adimensional

A = Área de la cuenca objeto de estudio en km².

Obviamente, el factor 16,6 es un coeficiente de conversión de unidades.

Para determinar el área de la cuenca tributaria, se determinará en el plano topográfico en el que se reflejan sus límites.

El coeficiente de escurrimiento C, expresa la relación entre el escurrimiento y la precipitación. Teóricamente varía entre 0 y 1 y evidentemente nunca podrá ser mayor que uno.

Cuando la cuenca o área de drenaje presenta diferentes tipos de suelos, vegetación y pendiente, media, etc. el coeficiente de escurrimiento se obtendrá para cada área parcial.

Figura 4. Monograma para el cálculo de la intensidad de la lluvia de diferentes probabilidades y duración para cualquier punto de la republica de Cuba.

Cuando la cuenca se componga de zonas de distintas características, se obtendrá un coeficiente ponderado de escurrimiento luego de determinar las áreas y los coeficientes que corresponden en la zona objeto de estudio mediante la expresión:

Donde:

C_i = coeficiente parcial de escurrimiento.

A_i = área parcial correspondiente.

i = cálculo de la intensidad.

La intensidad máxima I_p se determina por el nomograma de la NC 48-26 (fig. 16).

El valor de I_p es función de:

L 1% = Lámina diaria de 1%. Se determina por un mapa que existe con isolíneas del 1 %. En el proyecto será un dato para cada variante.

p % = Probabilidad de diseño. En estas obras que llevan un diseño en función de los gastos máximos oscila la probabilidad entre el 1 % y el 20 %.

El tiempo de concentración de una cuenca se define como el tiempo que demora en llegar una gota de agua desde la parte más alejada hasta el cierre. Se han desarrollado varias expresiones para estimarlo, la recomendada para los propósitos de este libro es:

Donde:

t_c = tiempo de concentración en minutos.

L = longitud sinuosa del río principal o de la corriente predominante en metros.

H = desnivel del río principal o de la corriente predominante en metros.

En resumen, para determinar el gasto máximo en un punto o cierre de una cuenca se procede de la forma siguiente:

• Se mide la longitud L del cauce principal
• Se calcula el desnivel H en una longitud L por diferencias de estos.
• Se calcula el tiempo de concentración tc de la cuenca por la expresión anterior.
• Se estima la Ip% por el nomograma con L 1%, p y t c.
• Se calcula el coeficiente C
• Se calcula el área A

Se calcula:

Cálculos hidrológicos.

En este epígrafe se sintetizarán algunos de los conceptos expuestos anteriormente con el propósito de expresar las etapas que componen un cálculo hidrológico.

Para el diseño de determinadas obras hidráulicas, como pueden ser: canales, embalses, aliviaderos, sistemas de drenajes, etc., es necesario hacer el estudio hidrológico de la zona donde se proyecte ejecutar las obras.

Uno de los cálculos que hacen en los estudios hidrológicos es el de los gastos máximos de los ríos como ya se ha expresado.

En el proyecto de la asignatura, se debe calcular el gasto máximo correspondiente a una probabilidad dada para el diseño del aliviadero de una presa y canales de drenaje en el cierre en estudio. Se denomina cierre al punto de un río escogido para hacer los cálculos hidrológicos hasta él. La cuenca aguas arriba se denomina cuenca receptora.

Un punto de cierre muy frecuente es el que coincide con la ubicación de una presa para interrumpir la corriente para crear un embalse.

La secuencia para estos cálculos se define a continuación.

1. Ubicación de los cierres en estudio para el proyecto

Dado el plano con escala 1: 10 000 con curvas de nivel a 2 m de equidistancia y cuadrículas de 1 km2, se ubicarán los cierres en estudio. En la figura 17, se muestra un ejemplo de ubicación de un cierre.

Figura 5. Ubicación del cierre de un embalse con coordenadas N 190.5 y E 200.9

1. Reforzamiento del sistema fluvial

El sistema fluvial es el conjunto formado por el río principal y sus afluentes. Por lo general, en los planos cartográficos de los ríos importantes son representados por líneas continuas y los ríos de menor categoría o arroyos por líneas discontinuas.

En estos planos además de los ríos aparecen otras informaciones, como son: curvas de nivel, carreteras, vías férreas, edificaciones, etc. Por este motivo, cuando se quiere estudiar alguna información en particular, sobre el plano en algunas ocasiones es necesario reforzar esa información para determinarla sobre las demás, una de ellas sería el sistema fluvial.

Al reforzar el sistema pluvial se define el cauce principal (que es el de mayor longitud) y se facilita el trazado con más precisión de la divisoria de la cuenca.

Para reforzar el sistema fluvial hasta el cierre en estudio se recomienda el razado desde la cota del cierre (cota de menor altura) hasta los puntos de mayor cota, es decir, el movimiento es en dirección a puntos de mayor altura.

2. Trazado de la divisoria hasta el cierre.

El parteaguas, conocido como línea divisoria de las aguas, es una línea imaginaria que delimita el área de superficie de tierra que aporta a un sistema fluvial.

Esa área de superficie de tierra que delimita el parteaguas se conoce como cuenca superficial.

Para trazar la divisoria se recomienda:

• La divisoria debe cortar ortogonalmente a las curvas de nivel y pasar por los puntos de mayor nivel topográfico.
• Cuando la divisoria va aumentando su altitud (su cota) debe cortar a las curvas de nivel de la parte convexa.
• Cuando la altitud de la divisoria va decreciendo, debe cortar a las curvas de nivel por su parte cóncava.
• Si en el recorrido del trazado de la divisoria a parecen curvas de nivel cerradas que indican elevaciones, la divisoria debe cortar el punto más alto de dichas curvas.
• Si en el recorrido del trazado de la divisoria aparecen dos curvas de nivel de igual cota con curvaturas opuestas, la divisoria debe pasar entre dichas curvas.
• Como comprobación, la divisoria nunca cortará un arroyo o un río, excepto en el punto de cierre de la cuenca.

3. Cálculo del área de las cuencas superficiales.

Para estimar el área de una cuenca superficial debe considerarse la escala del plano donde se trazó el parteaguas que delimita la cuenca.

Algunos de los métodos utilizados para calcular área son:

• Trazado de figuras geométricas conocidas (triángulos, rectángulos, etc.) que abarquen toda el área de cuenca.
• Uso de instrumentos mecánicos, como el planímetro.

4. Cálculo de la longitud del cauce.

Definido el cauce principal de la cuenca, se mide su longitud sinuosa desde el cierre hasta el origen en la parte alta de la cuenca. Para esto puede utilizarse un compás de punta seca, un cordel, un longímetro, etc. Esta medición se debe repetir varias veces.

El valor estimado de esta longitud debe tener en cuenta la escala del plano.

5. Cálculo del desnivel del cauce considerado.

El desnivel entre dos puntos expresa la diferencia de cotos entre ellos. Para estimar el desnivel del cauce se detectan la cota o altura del cierre y la del origen del cauce considerado.

El desnivel H se calcula por:

H = cota origen- cota cierre

g = Estimación del tiempo de concentración de la cuenca

Para estimar el tiempo de concentración de una cuenca t_c, se han definido varias expresiones, la que se utilizará es la ecuación 10 ya recomendada.

1. Cálculo del coeficiente de escurrimiento

El coeficiente de escurrimiento C se estima a partir de los factores que lo determinan: en función del tipo de suelo y vegetación.

Cuando en una cuenca existen varios tipos de suelos y vegetación, se calcula el valor de C global de la cuenca como una media ponderada de las C en las diferentes áreas que ocupan las diversas combinaciones suelo – vegetación.

La expresión de media ponderada sería por la fórmula 9.

2. Cálculo de la intensidad máxima para la probabilidad de diseño

El cálculo de la intensidad máxima que se utiliza en los cálculos de los gastos máximos depende de la probabilidad de diseño de la obra, del tiempo de concentración de la cuenca y de la lámina máxima diaria de la lluvia del % que se obtiene de mapas preparados al efecto

Existen diversos métodos para estimar la intensidad máxima, uno de ellos es la Norma Cubana NC 48 26, que propone un nomograma, que ya se mostró en la figura 16.

Para estimar la intensidad máxima por ese nomograma se procede de la siguiente forma (referirse a la figura 16):

Se define un punto sobre el eje horizontal correspondiente a la lámina máxima diaria del 1%, L 1 % en mm; a partir del dato se traza una vertical por el punto L 1% que corte a la línea inclinada correspondiente a la probabilidad (p) de diseño, definiéndose en dicha línea un punto de coordenadas (L 1 %, p)

Por el punto anterior se traza una horizontal, (que corte el eje vertical Lp hasta llegar a la recta inclinada correspondiente al tiempo de concentración de la cuenca t_c. Esta intersección define un punto y por ese punto se traza una vertical hasta el eje horizontal.

El punto que se define en esa horizontal es la intensidad máxima de la probabilidad de diseño deseada, o sea Ip % en mm/min.

3. Cálculo del gasto máximo para la probabilidad de diseño

Una de las fórmulas más utilizadas para calcular gastos máximos en cuencas pequeñas sin registros de observaciones es la conocida Fórmula Racional como ya se expresó (fórmula 5).

Aplicando esta fórmula se concluye el cálculo hidrológico para la cuenca que se requería.

Lugar de la Hidrología en Introducción a la Ingeniería Hidráulica y Ambiental.

La comprensión cabal del ciclo hidrológico, los procesos que en él intervienen y su relación como un sistema, es básica para la asignatura, para el desarrollo de la carrera y para el desempeño profesional de un Ingeniero Hidráulico. Conocer cómo se mueve el agua en la naturaleza y las consecuencias de la acción del hombre sobre el equilibrio natural del ciclo hidrológico es el punto de partida para evaluar el impacto ambiental de las obras hidráulicas.

Los fenómenos extremos: sequías y avenidas, son la razón de ser de muchas obras hidráulicas y determinan en gran medida su dimensión. De ahí la importancia de los cálculos hidrológicos y del estudio profundo de la relación lluvia – escurrimiento para realizar los estimados más precisos de los caudales máximos. En el proyecto se calculan los caudales máximos para dos cuencas diferentes y con el propósito de diseñar obras con importancias diferentes: el aliviadero del embalse y un canal de drenaje para la residencia estudiantil. Dada la gravedad de las consecuencias que implicaría la falla del aliviadero la probabilidad de diseño que le corresponde es más baja que la del canal.

La introducción del moderno concepto del Manejo Integrado de los Recursos Hídricos proporciona al estudiante de una herramienta básica para su trabajo como futuro Ingeniero Hidráulico, ya que dada la situación actual que presentan los recursos hídricos en el mundo y especialmente en Cuba, no es posible continuar su manejo con las concepciones tradicionales que atentan sobre todo contra la sustentabilidad. Sobre este concepto se profundizará en el desarrollo ulterior de la asignatura.