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• Elkin Saldaña Yrigoin

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“UNIVERSIDAD

NACIONAL DE SAN MARTÍN- TARAPOTO” FACULTAD DE ECOLOGÍA E.A.P. INGENIERÍA AMBIENTAL CÁTEDRA

: HIDROLOGÍA

TEMA

: DEFINICIÓN DE HIDROLOGIA, IMPORTANCIA, CICLO HIDROLÓGICO Y BALANCE.

DOCENTE

: Ing. JUAN CARLOS ROJAS VASQUEZ

CICLO:

V

MOYOBAMBA – MARZO 2015

I.

INTRODUCIÓN Desde sus inicios hasta la fecha, la hidrología ha evolucionados de una curiosidad

meramente filosófica hasta convertirse en una disciplina científica que forma parte de las llamadas ciencias de la tierra como lo son la geología, la climatología, la meteorología y la oceanografía. En la actualidad la Hidrología, como disciplina científica, estudia la ocurrencia, distribución movimiento y características del agua en la tierra y su relación con el medio ambiente. Uno de los puntos importantes que se debe conocer, al abarcar el tema de Hidrología, es el ciclo hidrológico que, en términos sencillos, se refiere al movimiento continuo y circulación de agua entre la Tierra y la atmósfera. Valga la aclaración que, n o existe un

punto de partida en el ciclo del agua en la tierra pero lo que sí está claro es que se basa en todos los estados del agua: gas, líquido y sólido. Otro de los temas importantes a tratar es el Balance Hidrológico que relaciona las variables que intervienen en el ciclo hidrológico, y se aplica cuando se realiza una distribución de los recursos hidráulicos a nivel global, o en cuencas particulares. II. OBJETIVOS  Conocer la importancia de la Hidrología y su relación con otras ciencias.  Explicar el Ciclo Hidrológico con cada uno de sus componentes.  Comprender el Balance hidrológico. III. MARCO TEÓRICO 3.1. DEFINICIÓN. Según Máximo Villón Béjar, La hidrología es una ciencia natural que estudia el agua, su ocurrencia, circulación, y distribución en la superficie terrestre, sus propiedades químicas y físicas y su relación con el medio ambiente, incluyendo los seres vivos. Según el Consejo Federal de Ciencia y Tecnología establecido por el presidente de Estados Unidos en 1959: Hidrología es la ciencia que trata de las aguas sobre la tierra, su ocurrencia, circulación y distribución, sus propiedades químicas y físicas y su reacción con el medio ambiente, incluyendo su relación con los seres vivos. El dominio de la Hidrología abarca toda la historia de la vida del agua en la tierra. La Hidrología, según Dingman (1994), es “La ciencia que se enfoca al ciclo hidrológico global y a los procesos involucrados en la parte continental de dicho ciclo, es decir, es la geociencia que describe y predice:  Las variaciones espaciales y temporales del agua en las etapas terrestre, oceánica 

y atmosférica del sistema hídrico global y; El movimiento del agua sobre y debajo de la superficie terrestre, incluyendo los procesos químicos, físicos y biológicos que tienen lugar a lo largo de su trayectoria”.

3.2.

IMPORTANCIA. La importancia de la hidrología se ve reflejada en que proporciona al ingeniero o a

quien lo requiera diversos métodos para la resolución de problemas prácticos que se puedan presentar en el diseño, planeamiento, y ejecución de estructuras hidráulicas fundamentalmente. 3.3.

CICLO HIDROLÓGICO. Se denomina ciclo hidrológico (Figura 1) al conjunto de cambios que experimenta

el agua en la naturaleza, tanto en su estado como en su forma (aguas superficiales, aguas subterráneas, etc.). El ciclo hidrológico, es completamente irregular y es precisamente contra estas irregularidades con las que lucha el hombre. Una muestra de ello, son los períodos de

satisfacción con los requerimientos del agua, para las diferentes actividades (uso poblacional, irrigación, generación de energía eléctrica, uso industrial), otros períodos de sequias y otros de inundaciones. Como todo ciclo, el hidrológico no tiene principio ni fin, y su descripción puede comenzar en cualquier punto. El agua se encuentra sobre la superficie terrestre, ríos, lagos y mares, se evapora bajo el efecto de la radiación solar y el viento. El vapor resultante es transportado por las masas de aire en movimiento. En determinadas condiciones el vapor se condensa formando las nubes, que a su vez, pueden ocasionar precipitaciones que caen a la tierra. Durante su trayecto hacia la superficie de la tierra, el agua precipitada puede volver a evaporarse, o ser interceptada por las plantas o las construcciones, luego fluye por la superficie hasta las corrientes, o se infiltra. El agua interceptada y una parte de la infiltrada y de la que corre por la superficie se evapora nuevamente. De la precipitación que llega a las corrientes, una parte se infiltra y otra llega hasta los océanos y otras formas grandes de masa de agua como los lagos. El agua que se infiltra satisface la humedad del suelo y abastece los depósitos subterráneos, de donde puede fluir hacia las corrientes de los ríos, o bien descargar en los océanos; La que queda detenida en la capa vegetal del suelo es regresada a la atmósfera por transpiración.

Figura 1: Ciclo hidrológico completo

El ciclo hidrológico, es de suma importancia básica para delimitar el campo de la hidrología, la cual comprende la fase entre la precipitación sobre el terreno y su retorno a la atmósfera o al océano; corresponde el análisis de la atmósfera a la meteorología y el estudio del océano a la oceanografía. 3.3.1 Componentes del ciclo hidrológico. 3.3.1.1. Precipitación. La formación de la precipitación requiere la elevación de una masa de agua en la atmósfera de tal manera que se enfríe y parte de su humedad se condense. La condensación requiere de una semilla llamada el núcleo de condensación, alrededor del cual las moléculas del agua se pueden unir (Chow, 1994). Si la temperatura se encuentra por debajo del punto de congelamiento, se forman cristales de hielo. Algunas partículas de polvo que flotan en el aire pueden actuar como núcleos de condensación. Las partículas que contienen iones son efectivas como núcleos debido a que los iones atraen por electroestática las moléculas de agua enlazadas polarmente. Los iones en la atmósfera incluyen partículas de sal que se forman a partir de la evaporación de espuma marina y compuestos de sulfuro y nitrógeno que provienen de la combustión. Los diámetros de estas partículas varían entre 10-3 y 10 µm y se conocen como aerosoles. Las pequeñas gotas de agua crecen mediante la condensación e impacto con las más cercanas a medida que se mueven por la turbulencia del aire, hasta que son lo suficientemente grandes para que la fuerza de la gravedad sobrepase la fuerza de fricción y empiezan a caer, incrementando su tamaño cuando golpean otras gotas en su descenso. Pero, a medida que la gota cae el agua se evapora de su superficie y su tamaño disminuye, de tal manera que el tamaño puede reducirse nuevamente al tamaño de un aerosol y desplazarse hacia arriba en la nube debido a la turbulencia. Una corriente ascendente de solo 0,5 cm/s es suficiente para arrastrar una gota de 10 µm. El ciclo

de condensación, caída, evaporación y elevación se repite en

promedio unas diez veces antes de que la gota alcance un tamaño crítico de 0,1 mm, que es suficientemente grande para que caiga a través de la base de la nube. Las gotas permanecen esféricas hasta un diámetro de alrededor de 1 mm, pero empiezan a aplanarse en el fondo cuando aumenta su tamaño y dejan de ser estables en su caída al atravesar el aire dividiéndose en pequeñas gotas de lluvia. Las gotas de lluvia normales que caen a través de la base de una nube tienen de 0,1 a 3 mm de diámetro. A. Formas de precipitación.

La precipitación incluye lluvia, nieve y otros procesos mediante los cuales el agua cae a la superficie terrestre, tales como granizo y nevisca. Según Linsley y otros (1977), las precipitaciones líquidas o sólidas se presentan en distintas formas: 

Llovizna: Consiste en pequeñas gotas de agua, con diámetro variable entre 0,1 y 0,5 mm, con velocidad de caída muy baja. Por lo general, la llovizna precipita de los estratos bajos de la atmósfera y muy rara vez sobrepasa el valor de 1mm/h de intensidad.



Lluvia: Según la definición oficial de la Organización Meteorológica Mundial, la lluvia es la precipitación de partículas líquidas de agua, de diámetro mayor de 0,5 mm o de gotas menores, pero muy dispersas.



Escarcha: es una capa de hielo, generalmente transparente y suave, que contiene bolsas de aire. Se forma en superficies expuestas, por el congelamiento de agua superenfriada que se ha depositado en ella, por llovizna o lluvia. También existe otro tipo de escacha, que es opaca y consiste en depósitos granulares de hielo separado por aire atrapado. Se forma por el rápido congelamiento de la gotas de agua sobreenfriadas, que caen sobre los objetos expuestos.



Nieve: está formada por cristales de hielos blancos o traslúcidos de forma compleja y aglomerados. Estos conglomerados pueden formar copos de nieve que pueden llegar a tener varios centímetros de diámetro. La densidad de la nieve fresca varía, por lo general, una capa de nieve acumulada de125 a 500 mm, representan una lámina de agua líquida de 25.0 mm.



Bolsitas de nieve: o granizo suave, son partículas de hielo

redondeadas,

blancas u opacas, con una estructura similar a la de los copos de nieve y de 2 a 5 mm de diámetro. Las bolsitas de nieve son suaves y se rompen fácilmente al golpear en superficies duras. 

Granizo: es precipitación en forma de bolas o trozos irregulares de hielo, que se produce por nubes convectivas, la mayoría de ellas de tipo cúmulo-nimbus. El granizo puede ser esférico, cónico o de forma irregular y su diámetro varía entre 5 a más de125 mm.



Bolas de hielo: están compuestas de hielo transparente o traslúcido. Pueden ser esféricas o irregulares, y cónica, por lo general, tienen menos de 5 mm de diámetro. Las bolas de hielo rebotan cuando golpean en superficies duras y producen gran ruido en el momento del impacto. Son granos sólidos de hielo

formados por el congelamiento de gotas de agua o por el recongelamiento de cristales de hielo que se han fundido. B. Tipos de precipitación De acuerdo a los fenómenos meteorológicos, las precipitaciones (Figura 2) pueden clasificarse en: precipitaciones por convección, precipitaciones orográficas y precipitaciones ciclónicas o de frentes:

Figura 2: Diferentes tipos de precipitaciones 

Precipitaciones convectivas: son causadas por el ascenso de aire caliente saturado o no, más liviano que el aire frío de los alrededores. Durante su ascenso, las masas de aire se enfrían según un gradiente de 1ºC por 100 m (seco) o 0,5ºC por 100 m (saturado); cuando alcanza el punto de condensación, se produce la formación de nubes. Si la corriente de convección vertical inicial es intensa, el sistema nuboso puede alcanzar una zona de temperaturas muy bajas o un grado de turbulencia fuerte, que pueden desatar la lluvia. La precipitación convectiva es de corta duración, puntual y su intensidad puede variar entre una llovizna ligera y un aguacero. Son características de las regiones ecuatoriales, donde los movimientos de las masas de aires, son esencialmente verticales. Las nubes se forman durante la mañana bajo la acción de la insolación intensa y por la tarde o al anochecer, se presenta un violento aguacero acompañado de relámpagos y trueno. Durante la noche, las nubes se disuelven y en la mañana, el cielo se presenta generalmente claro.

Las precipitaciones convectivas también tienen lugar en la zona templada, en los períodos calientes casi siempre bajo la forma de aguaceros violentos y puntuales. 

Precipitaciones orográficas: cuando las masas de aire cargadas de humedad que se desplazan del océano a los continentes encuentran una barrera montañosa, tienden a elevarse y se produce un enfriamiento que puede generar una cobertura nubosa y desatar precipitaciones. Las precipitaciones orográficas se presentan bajo la forma de lluvia o de nieve en la dirección hacia la que sopla el viento (vertientes sotavento de la barrera montañosa). La obstrucción en el trayecto de las masas de aire húmedo por un macizo montañoso en la dirección desde donde sopla el viento (vertiente a barlovento), produce una zona de pluviosidad débil. El aire al descender sobre esa vertiente se calienta y disminuye su humedad relativa, puede generar un régimen de vientos secos y calientes que da nacimiento a zonas semiáridas o áridas.



Precipitaciones frontales: este tipo de precipitaciones están asociadas a las superficies de contacto (frente) entre masas de aire de temperatura y humedad diferentes. La precipitación

frontal

resulta del levantamiento de aire cálido

sobre una masa de aire denso y frío. La velocidad de ascenso de la masa de aire caliente es relativamente baja. La precipitación puede extenderse de 300 a 500 km por delante del frente y es generalmente lluvia que varía entre ligera y moderada. La precipitación de frentes fríos es de corta duración, se forma cuando el aire cálido es obligado a ascender por una masa de aire frío en movimiento.

Los frentes fríos se mueven más rápidamente que los frentes

cálidos y sus superficies frontales son menos inclinadas. Como consecuencia de esto, el aire cálido se eleva más rápidamente y el monto de precipitación es, por lo general, mayor. C. CARACTERISTICAS DE LAS PRECIPITACIONES. Tres parámetros importantes a considerar con respecto a las tormentas son: intensidad, frecuencia y extensión superficial.



INTENSIDAD.

La intensidad de las precipitaciones, está en relación con el volumen de precipitaciones que se producen en un período de tiempo previamente establecido, y

es un dato de mucha importancia para los Hidrólogos vinculado con la prevención del flujo hídrico y para establecer criterios de conservación de suelos. La intensidad tiene que ser determinada a partir de la carta de registros de los valores ocurridos de precipitación. Los resultados pueden ser presentados a través de una gráfica de intensidad - duración. 

FRECUENCIA.

Resulta esencial conocer el período de tiempo promedio en el cual un volumen especificado de precipitación o intensidad puede llegar a ocurrir, de acuerdo a evaluaciones estadísticas. Este es conocido como “período de retorno” o “intervalo de recurrencia”. 

EXTENSIÓN SUPERFICIAL

Los totales de precipitaciones que puedan llegar a ocurrir, dependen obviamente del tipo y escala del sistema de tormentas locales, disturbios tropicales, o depresiones extra tropicales y de todos los factores determinantes del clima de la región en la que se encuentre la cuenca de estudio. 3.3.1.2.

Evaporación y evapotranspiración:

Se define como evaporación (figura 3) al proceso físico por el cual el agua pasa del estado líquido al gaseoso y representa la tasa neta de transporte de vapor hacia la atmósfera. El cambio de estado de líquido a vapor se debe a la radiación solar que brinda la energía necesaria para que las moléculas del agua cambien de estado. Además de la radiación solar, las variables meteorológicas que intervienen en la evaporación, particularmente de las superficies libre de agua, son la temperatura del aire, velocidad de viento, tensión de vapor ó humedad relativa del ambiente, determinando el poder evaporante de la atmósfera, que es la capacidad del aire que rodea a la superficie evaporante para admitir vapor de agua. La evaporación puede ser de distintas procedencias: evaporación de superficie de agua libre, como ser lagos, tanques, cursos de agua, etc., evaporación del agua del suelo y transpiración de plantas, que también toman agua del suelo por medio de sus raíces.

Estas dos últimas son muy difíciles de cuantificar o estimar en forma

separada,

por

lo

tanto

se

engloban

en

una

sola

variable

denominada

evapotranspiración. De la precipitación que llega al suelo desde la atmósfera, un gran porcentaje vuelve en forma de evaporación desde ríos, lagos, lagunas, océanos y mares y como

evapotranspiración (evaporación desde el suelo y transpiración de las plantas). Otro porcentaje se infiltra y llegará quizás, según las condiciones del suelo, a alimentar su humedad y por percolación alimentará los acuíferos. Otro porcentaje escurrirá sobre la superficie del terreno hasta alcanzar los cauces de los ríos y los mares, para completar así el ciclo hidrológico. La evaporación es una variables fundamental del ciclo hidrológico, si se tiene en cuenta que aproximadamente el 70% del agua que precipita es devuelta

a la

atmósfera por dicho proceso.

Figura 3: Evaporación del agua 3.3.1.3.

Infiltración, percolación y aguas subterráneas:

Se denomina infiltración al proceso de entrada de agua a través del suelo proveniente de lluvia, derretimiento nival o irrigación. Para que exista infiltración, debe existir:  una fuente de abastecimiento de agua: lluvia, riego o agua acumulada en depresiones.  un receptor de esa infiltración: el suelo, a través de su capacidad de almacenamiento. 3.3.1.4. Escurrimiento superficial, cuenca hidrográfica y aguas superficiales: Un río drena un área determinada que se denomina área de captación o cuenca o cuenca hidrográfica. Los límites de esta área están definidos por zonas más elevadas del terreno que constituyen las divisorias de agua. El conjunto de todos los cursos de

agua (ríos principales, afluentes, tributarios, arroyos, etc.) que confluyen en un curso de agua principal, se denomina red de drenaje superficial.

Figura 4: Escurrimiento superficial 3.4.

BALANCE HIDROLÓGICO. El Balance Hidrológico relaciona las variables que intervienen en el ciclo

hidrológico:

precipitación,

evapotranspiración,

escurrimiento

superficial,

almacenamiento superficial y subterráneo y flujo de agua subterránea. Se aplica cuando se realiza una distribución de los recursos hidráulicos a nivel global, o en cuencas particulares. Es imprescindible en los estudios de regulación de embalses y en los proyectos de suministro de agua para acueducto, riego y generación hidroeléctrica. El cálculo del balance hídrico en una cuenca o en una región determinada permite obtener información sobre: el volumen anual de escurrimiento o excedentes; el período en el que se produce el excedente y por tanto la infiltración o recarga del acuífero; y el período en el que se produce un déficit de agua o sequía y el cálculo de demanda de agua para riego en ese período. El establecimiento de un balance supone la medición de flujos de agua (caudales) y almacenamientos de la misma (niveles). Se pueden establecer balances de forma general, incluyendo aguas superficiales y subterráneas y parciales de sólo aguas superficiales, de un acuífero, del agua del suelo, etc. En cualquier caso, a la hora de establecer el balance se examinan las entradas y las salidas en el sistema analizado (Figura 5), es decir, se aplica la Ecuación de Continuidad sobre un volumen de control delimitado por una superficie de referencia a través de la cual el agua se mueve desde la parte interna a la externa y viceversa, siendo un sistema abierto a flujos de masa, cantidad de movimiento y de energía. Así, el balance se reduce a la cantidad de agua que queda almacenada:

Entrada - Salida = Variación del almacenamiento En general, se puede afirmar que del agua que cae en un determinado sitio (precipitación = P), una parte vuelve a la atmósfera, ya sea por evaporación directa o por transpiración de la vegetación (evapotranspiración = ETR); otra parte escurre por la superficie (escorrentía superficial = ES) confluyendo a través de la red de drenaje hasta alcanzar los cauces principales y finalmente el mar, y el resto se infiltra en el terreno y se incorpora al sistema de aguas subterráneas o acuífero (infiltración = I). Estas magnitudes deben cumplir con la ecuación del balance hidrológico: CAPTACIÓN – EVAPOTRANSPIRACIÓN = ESCORRENTÍA SUPERFICIAL + INFILTRACIÓN

Basándose en lo anterior y considerando el volumen de control mostrado en la Figura 1.6, la ecuación general del Balance Hidrológico en una cuenca determinada tiene la siguiente forma: P – Q – G = ET + ∆S (1.1) ∆S= P – Q – G – ET (1.2) Donde: P es la precipitación en el período seleccionado. Q es el caudal superficial que sale de la cuenca que se analiza. G constituye el flujo neto de aguas subterráneas desde la cuenca hacia el exterior. ET representa la evapotranspiración real en la cuenca. ∆S es el cambio en almacenamiento superficial (en los cuerpos hídricos superficiales o en el manto nieve) y subterráneo (la fracción de agua en la zona no saturada del suelo y el acuífero). Incluye almacenamiento en cauces, embalses, suelo y acuíferos.

Figura 5 Ejemplo de un volumen de control en una cuenca hidrográfica donde se tiene como entrada la precipitación y salida el caudal Q (t) 3.5.

RELACIÓN DE LA HIDROLOGÍA CON OTRAS CIENCIAS. La hidrología está muy relacionada con otras ciencias básicas tales como la física,

la química, la biología, la geología, la mecánica de fluidos, la matemática, la estadística. Dentro de la hidrósfera, la hidrología cruza o forma parte de la potamología (cauces superficiales), limnología (lagos), criología (nieve y hielo), glaciología y oceanología. En la litosfera, la hidrología se relaciona con la agronomía, hidrogeología (Parte de la geología que estudia el ciclo de las aguas superficiales y subterráneas, así como su prospección, captación y protección.) y geomorfología (estudia la figura del globo terráqueo y la formación de los mapas). IV. CONCLUSIONES  El ciclo hidrológico, es de suma importancia básica para delimitar el campo de la hidrología, la cual comprende la fase entre la precipitación sobre el terreno y su 

retorno a la atmósfera o al océano. La evaluación de los recursos hídricos de una cuenca requiere de una estimación correcta del balance hidrológico, es decir, comprender el ciclo en sus diferentes fases, la forma en que el agua que se recibe por precipitación se reparte como parte del proceso de evapotranspiración, escorrentía e infiltración.

V. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Fattorelli S &Fernandez P. (2011) DISEÑO HIDROLÓGICO. Villo Bejar M, (2011). HIDROLOGÍA. Editorial Villon. Tercera edición. Lima Perú Breña Puyol A & Jacoba Villa M. Principios y Fundamentos de la Hidrología Superficial. Universidad Autónoma Metropolitana.