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• Alex Platon Sucapuca

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1.1

SISTEMAS

1.1.1 Concepto de Sistema Un sistema es un conjunto de elementos y procesos relacionados entre sí, que actúan sobre una variable de entrada para convertirla en salida. El ciclo hidrológico puede tratarse como un sistema cuyos componentes son precipitación, evaporación, escorrentía y las demás fases que intervienen en el mismo. Estos componentes pueden agruparse como subsistemas del ciclo total, con lo cual, para analizar el sistema integralmente considerado, estos subsistemas más simples pueden evaluarse separadamente, combinando luego los resultados de acuerdo con las interacciones entre los subsistemas. 1.1.2 Representación En la Figura 1.2, se representa el ciclo hidrológico como un sistema, dividida en tres subsistemas.

Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..1 Ciclo Hidrológico como subsistemas

Subsistema de agua atmosférica (A), que contiene los procesos de precipitación, evaporación, intercepción y transpiración.

Subsistema de agua superficial (B), que contiene los procesos de flujo superficial, escorrentía superficial y, nacimientos de agua subsuperficial y subterránea y escorrentía hacia ríos y océanos. Subsistema de agua subsuperficial (C), que contiene los procesos de infiltración, recarga de acuíferos, flujo subsuperficial y flujo de agua subterránea, el flujo subsuperficial ocurre en la capa de suelo cercana a la superficie, mientras que el flujo de agua subterránea lo hace en estratos profundos de suelo y roca. Un sistema hidrológico se define como una estructura o volumen en el espacio rodeado por una frontera, que acepta agua y otras entradas, opera con ellas internamente y las produce como salidas. Esquemáticamente, la operación del sistema así concebido puede representarse de la siguiente manera:

Si se quiere representar el caso más frecuente de un sistema hidrológico, que es el constituido por el proceso lluvia escorrentía en una cuenca, y teniendo en cuenta que cuenca es una superficie de terreno que drena hacia una corriente en un lugar dado y la división de aguas en una línea que separa dicha superficie de otras que drenan hacia otros causes, como se muestra en la Figura 1.3

Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..2 La cuenca como sistema hidrológico

1.2

MODELOS HIDROLOGICOS

1.2.1 Definición Se define un modelo de un sistema como la conceptualización de las interrelaciones y respuestas de un sistema real, a la que se incorpora la esencia del mismo, y que es capaz de predecir las interacciones principales y sus respuestas a un conjunto de condiciones propuesto, es decir es la representación artificial del sistema. 1.2.2 Clasificación Los modelos hidrológicos pueden dividirse en dos categorías: Modelos físicos y modelos abstractos. 1.2.2.1 Modelos físicos Son aquellos modelos en que se usa una representación material del sistema, este tipo de modelos comprende: a) Modelos a escala. Son aquellos que representan el sistema en una escala reducida, tal como los modelos de una estructura de control de una obra hidráulica.

b) Modelos Análogos. Que usan otro sistema físico que posea propiedades similares a las del prototipo. 1.2.2.2 Modelos abstractos Este tipo de modelos son los más extendidos en hidrología, representan el sistema en forma matemática, por lo general se los conoce como modelos matemáticos. Están constituidos por un conjunto de ecuaciones que describen y representan el sistema real, describiendo las variables de entrada y salida. Estas variables pueden ser funciones del espacio y del tiempo y también pueden ser variables probabilísticas o aleatorias. Tratar de desarrollar un modelo con variables aleatorias que dependen de las tres dimensiones espaciales y del tiempo es una tarea ardua, por tal razón y por propósitos prácticos es necesario simplificar el modelo. El modelo puede localizarse en un árbol de acuerdo con las alternativas, tal como se muestra en la Figura 1.4

Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..3 Clasificación de modelos hidrológicos en función: la forma, la aleatoriedad, variación espacial y temporal de los fenómenos hidrológicos. (Fuente: V.T. Chow)

Primero, se toma en cuenta la aleatoriedad, según esta clasificación puede ser determinístico o estocástico. Los procesos hidrológicos son parcialmente determinísticos y parcialmente aleatorios o estocásticos.

Determinísticos, es un modelo donde las mismas entradas o condiciones iniciales producirán invariablemente las mismas salidas o resultados, no consideran aleatoriedad, incertidumbre, una entrada dada produce siempre una misma salida. Se supone aquí que los datos se conocen con certeza Estocásticos, (probabilísticos) en la que la causalidad no es determinante, por lo que tienen salidas que son por lo menos parcialmente aleatorias. Los resultados están determinados tanto por las acciones predecibles del proceso como por elementos aleatorios. Tiene incertidumbre. Segundo, se considera la variación espacial, que significa si las variables del modelo varían en el espacio o serán uniformes. En el caso de modelos determinísticos se clasifican en Agregados o Distribuidos. Agregados, el sistema es promediado en el espacio o considerado como un punto único sin dimensiones en el espacio. Distribuidos, considera que los procesos hidrológicos ocurren en varios puntos del espacio, y define las variables como funciones de las dimensiones espaciales. Los modelos estocásticos se clasifican en independientes en el espacio y correlacionados en el espacio, dependiendo de la influencia de las variables aleatorias tengan entre ellas en diferentes puntos del espacio. Tercero, se considera la variación temporal, los modelos determinísticos se clasifican en modelos de flujo permanente y modelos de flujo no permanente. Los modelos estocásticos, se clasifican en dependientes en el tiempo y correlacionados en el tiempo. Un modelo práctico usualmente considera uno o dos fuentes de variación. Adicionalmente se deben tener en cuenta los siguientes conceptos para entender de mejor manera los sistemas y modelos en hidrología. Fenómeno, es el proceso físico que produce una alteración del estado del sistema, por ejemplo: la lluvia, evaporación, infiltración, etc.

Variable, es el valor que describe cuantitativamente un fenómeno, en la hidrología están el caudal, evaporación, lluvia diaria, etc. Parámetro, es el valor que caracteriza el sistema, que no establece modificaciones en el tiempo, por ejemplo: capacidad de infiltración de un suelo, área de la cuenca, etc.