Capítulo 1 CONCEPTOS GENERALES Y DEFINICIONES INTRODUCCIÓN La Hidrología es una de las ciencias más antiguas de la humanidad, lo cual está relacionado con la evolución de las necesidades del ser humano. En un principio las aglomeraciones humanas se formaban alrededor del agua, lagos o riberas, lo cual facilitaba el acceso al recurso y al transporte de personas y mercancías. Los primeros problemas que el hombre encontró fue la transformación mecánica del agua. Las primeras construcciones realizadas para el aprovechamiento del agua comprendían poco de hidrología. En este sentido las primitivas obras hidráulicas se pueden considerar como los primeros estudios llevados a la práctica realizados por el hombre sobre el agua. El concepto de ciclo hidrológico fue introducido por Aristóteles (384-322 a.c.). La concepción del ciclo tal y como se entendía consistía en que los océanos eran los embalses de la Tierra, de su evaporación se formaban las nubes que, al condensarse, producían la lluvia que formaba las riberas y éstas, a su vez, alimentaban los océanos. Vitruvio (100 a.c.) mantiene esta misma idea y únicamente en el siglo XV Leonardo Da Vinci trata de estimar sus componentes principales; pero sólo Pierre Perrault (siglo XVII) comparó medidas de lluvia con la descarga estimada del río Sena, demostrando que la escorrentía era cerca de la sexta parte de la precipitación. El progreso importante de la hidrología empezó realmente a partir de 1930; los desarrollos agrícola, industrial y económico influyeron decididamente a impulsar el estudio de los problemas eventuales de carestía de agua. Con ello, la planificación hidrológica y el estudio de la disponibilidad de los recursos hídricos toma especial relevancia. Así mismo, el estudio del ciclo hidrológico, tanto en su componente superficial como subterránea, se ve potenciado a raíz del desarrollo técnico de los últimos cien años. DIVISIÓN DE LA HIDROLOGÍA La Hidrología es la ciencia que trata de las aguas terrestres, de sus maneras de aparecer, de su circulación y distribución en el globo, de sus propiedades físicas y químicas y sus interacciones con el medio ambiente, incluyendo su relación con los seres vivos. Teniendo en cuenta la amplitud de la Hidrología y el número considerable de temas, disciplinas y materias que abarca, la división de esta ciencia ha sido y es una tarea bastante difícil. 1
HIDROLOGÍA I: CICLO HIDROLÓGICO Según Debski, la Hidrología puede dividirse conforme a tres criterios: a) El espacio físico donde el agua está confinada. Según este criterio, la clasificación de la Hidrología es la siguiente: a.1.- Hidrometeorología: Estudio de los fenómenos meteorológicos en relación directa con la Hidrología. a.2.- Potamología: Estudio de las aguas superficiales (ríos, riberas, torrentes y arroyos). a.3.- Limnología: Estudio de los lagos. a.4.- Oceanografía: Estudio de los océanos. a.5.- Pedohidrología: Estudio del agua en la primera capa del suelo. a.6.- Hidrogeología: Estudio de las aguas subterráneas. b) Las etapas cronológicas de la investigación científica. La Hidrología se divide en: b.1.- Hidrometría: Estudio de la medida del agua y de sus características físicas. b.2.- Hidrografía: Descripción geográfica regional o monográfica de los fenómenos hídricos. b.3.- Hidrología científica: Búsqueda de las causas y consecuencias de los fenómenos hídricos y de sus relaciones funcionales. c) Los diferentes temas de investigación. Según este último criterio la Hidrología se divide en: c.1.- Hidrología integral: estudio de los problemas de circulación y movimiento del agua en la Tierra. c.2.- Criología: Estudio de los fenómenos hidrológicos relativos a la nieve y al hielo. c.3.- Glaciología: Estudio de la formación, del movimiento y características de los glaciales. c.4.- Crenología: Estudio de los manantiales. c.5.- Hidroquímica: Estudio de las propiedades químicas del agua. c.6.- Hidrofísica: Estudio de las propiedades físicas del agua. c.7.- Biohidrología: Ciencia del agua como medio biológico. La Hidrología es una ciencia muy compleja que se apoya en muchas disciplinas. La importancia que tiene en el ámbito de la ingeniería civil se puede apreciar en la relación que existe con temas concretos, como pueden ser: a) La planificación hidráulica. b) La evaluación de los recursos hídricos. c) El cálculo de caudales máximos para el diseño de obras de desagüe. d) Estudio de sequías e inundaciones. e) Estudio del efecto laminador de avenidas en embalses y cauces. 2
Capítulo 1. CONCEPTOS GENERALES Y DEFINICIONES f) Regulación. g) Estudio de contaminación de cauces por vertidos. h) Estudio de contaminación del medio subterráneo. i) Estudio de la recarga natural y artificial. j) Aprovechamientos hidroeléctricos. k) Cálculo de redes de saneamiento. La Hidrología, que cubre todas las fases del agua en la Tierra, es una materia de gran importancia para el ser humano y su ambiente. El papel de la Hidrología aplicada es ayudar a analizar los problemas relacionados con la ingeniería civil, en un sentido amplio del término, y proveer una guía para el planteamiento y el manejo de los recursos hidráulicos. CONCEPTO DE CICLO HIDROLÓGICO El Ciclo Hidrológico es el tema central de la Hidrología. El ciclo no tiene principio ni fin y sus diversos procesos ocurren en forma continua. Se puede definir como el conjunto de trayectorias que describe el agua en la naturaleza, con independencia del estado en que se encuentre. De hecho, la Hidrología abarca el estudio de cada uno de los componentes que constituyen el Ciclo Hidrológico de manera global y separada. En la Figura 1.1 se muestran los distintos componentes que constituyen el Ciclo Hidrológico. El agua se evapora desde los océanos, lagos, ríos,... entrando a formar parte de la atmósfera. El vapor de agua producido se transporta y se eleva en la atmósfera por diferencia de densidades del aire o por la existencia de cadenas montañosas, en donde se enfría y se condensa precipitando. El agua precipitada puede ser interceptada por la vegetación, infiltrarse, formando parte del agua del suelo, o percolando a zonas más profundas, recargando los acuíferos y entrando a formar parte del flujo subterráneo, o bien fluir por la superficie en forma de escorrentía superficial. El agua infiltrada y que no percola a zonas más profundas puede correr a través del suelo como flujo subsuperficial y fluir de nuevo a la superficie como manantial. Tanto el agua interceptada, o detenida en lagos, océanos, como la que fluye en forma de escorrentía superficial es susceptible de evaporarse. El agua que, habiéndose infiltrado, permanece en el suelo, saturando el mismo, es susceptible de ser succionada por las raíces de las plantas, lo que se denomina transpiración. El conocimiento pleno de todos los componentes del Ciclo Hidrológico es una tarea ardua que conlleva un estudio pormenorizado y cuasiexperimental. Hoy en día no se conocen de forma precisa cuantitativamente todos los componentes del Ciclo Hidrológico a nivel mundial. Cerca del 96.5% del agua del planeta se encuentra en los océanos. Del resto, el 1.7 % se encuentra en los hielos polares, el 1.7 % en manantiales subterráneos y únicamente el 0.1 % en forma de agua superficial y atmosférica. A pesar de que el contenido de agua en los sistemas superficiales y atmosféricos es relativamente pequeño, inmensas cantidades de agua pasan a través de ellos anualmente. En la Figura 1.1 se muestran los valores de los componentes con respecto a un volumen anual de precipitación terrestre de 100. Se observa que la evaporación representa el 61% 3
HIDROLOGÍA I: CICLO HIDROLÓGICO de la precipitación total, y el resto constituye la escorrentía hacia los océanos, fundamentalmente como agua superficial. La evaporación desde los océanos constituye cerca del 90 % de la humedad atmosférica. Figura 1.1. Representación del Ciclo Hidrológico. El concepto de balance hidrológico lleva aparejado el del Ciclo Hidrológico dentro de unos límites definidos tanto geográfica como temporalmente. El sistema hidrológico se define como una estructura, rodeada por una frontera, que acepta agua, opera con ella internamente y la produce como salida durante un período de tiempo concreto. En la Figura 1.2 se muestran los valores anuales de los componentes del Ciclo Hidrológico en el caso de España. En este caso, España correspondería a la unidad geográfica donde se realiza el balance hidrológico y el año hidrológico sería la unidad temporal. En el caso de España, el año hidrológico comienza el 1 de Octubre y finaliza el 30 de Septiembre del siguiente año cronológico. La razón de que el año hidrológico comience el 1 de Octubre es debido a que es cuando comienza la estación de lluvias y se da por finalizada la época estival, donde las precipitaciones son menores. El estudio de la Hidrología reside en el estudio de los distintos componentes del Ciclo Hidrológico. En los siguientes Capítulos se describirán con detalle todos y cada uno de ellos. 4
Capítulo 1. CONCEPTOS GENERALES Y DEFINICIONES CONCEPTOS BÁSICOS En este epígrafe se van a definir conceptos básicos necesarios antes de estudiar cada uno de los componentes del Ciclo Hidrológico. Concepto de Cuenca hidrológica Un estudio hidrológico se realiza en una extensión de terreno en el cual cualquier escurrimiento procedente de las precipitaciones o curso de agua vierte a una sección determinada. Se define cuenca vertiente real como la totalidad de la superficie topográfica drenada por ese curso de agua y sus afluentes, aguas arriba de la sección considerada. Este concepto no tiene porqué coincidir con el de cuenca topográfica, que puede ser mayor o menor (Figura 1.3). En los suelos permeables la cuenca vertiente real puede diferir de la cuenca topográfica. La cuenca topográfica está delimitada por las divisorias de agua o crestas que bordea la cuenca. Las líneas divisorias nunca cortan a un río, arroyo, barranco. La cuenca vertiente funciona como un colector que recibe la precipitación pluvial y nival y la transforma en escurrimientos. Esta transformación se realiza con pérdidas de agua, función de las condiciones climatológicas existentes en la cuenca y condiciones físicas. Concepto de Balance Hidrológico El concepto de balance hidrológico tiene asociado los conceptos de espacio y tiempo. El concepto espacial es amplio, ya que el balance hidrológico se puede realizar en la unidad hidrológica de cuenca, o bien en unidades inferiores como pueden ser embalses, suelo,... En estos casos los balances se realizan en distintos volúmenes de control, sea el embalse o el suelo la unidad de referencia donde se estudian las entradas y las salidas producidas en el sistema. El balance se realiza en un momento determinado, lo que introduce el concepto de temporalidad. En ese instante de tiempo se calculan las entradas, las salidas y las variaciones de volumen ocurridas en el sistema. La ecuación de balance de masa establece que: VARIACIÓN AGUA ENTRADAS SALIDAS = (1.1) t donde t es la duración del instante de tiempo. Características morfológicas de la cuenca Se consideran como tales las características geométricas de la cuenca, en relación con su nivel topográfico. Tiempo de concentración Se define el tiempo de concentración como el tiempo que tarda en llegar la gota más lejana precipitada en la cuenca al punto de desagüe de la misma, es decir el máximo 5
HIDROLOGÍA I: CICLO HIDROLÓGICO tiempo que tarda una gota caída en la cuenca en recorrer la distancia existente hasta el punto de salida de la cuenca. El tiempo de concentración se puede calcular con diferentes expresiones. Una de ellas es la que expresa el tiempo de concentración en función de la distancia longitudinal máxima de la cuenca y del máximo desnivel existente en la misma (Soil Service of California): t c 0.77 3 L = 0.0195 (1.2) ( h max h min ) donde L, h max y h min son la longitud máxima de la cuenca, altura máxima y altura mínima en metros, respectivamente. t c es el tiempo de concentración en minutos. Figura 1.2. Componentes del Ciclo Hidrológico en España. 6
Capítulo 1. CONCEPTOS GENERALES Y DEFINICIONES Divisoria de aguas Salida Cuenca superficial Cuenca subterránea Figura 1.3. Cuenca topográfica y Cuenca vertiente. Índice de compacidad El contorno define la forma y la superficie que abarca la cuenca vertiente. La forma de ésta influirá en los escurrimientos y en el hidrograma (relación caudal-tiempo) en el punto de salida de la cuenca. Así, los escurrimientos de una cuenca circular serán diferentes que los de una cuenca de forma alargada. El tiempo de concentración depende también de la forma. En las cuencas alargadas y estrechas el agua discurre por un solo cauce en general, y en las ovaladas por más de un cauce hasta que llegan a uno principal. Ello influye en que el tiempo de concentración sea diferente en ambos casos. 7
HIDROLOGÍA I: CICLO HIDROLÓGICO El Índice de compacidad de Gravelius representa la relación entre el perímetro de la cuenca y el de un círculo que delimitase la misma superficie. Si A es la superficie de la cuenca en km 2 y P el perímetro de la cuenca en km, p el perímetro del círculo de superficie A, el índice de compacidad I c es p = 2πR = 2 πa (1.3) P P P I c = = = 0.28 (1.4) p 2 πa A El valor del índice de compacidad será mayor que la unidad y crecerá con la irregularidad de la forma de la cuenca. En la Figura 1.4 se muestran tres cuencas teóricas de forma rectangular de igual área. Los índices de compacidad de cada una de ellas son: I 1 c = 1.12, I c 2 = 1. 4, I c 3 = 1. 87 El caudal de desagüe se alcanzará antes en el primer caso que en el tercero. Curva Hipsométrica La curva hipsométrica representa las distintas cotas del terreno en función de la superficie de la cuenca que está al menos a esa altitud. Dependiendo de la forma de la curva hipsométrica se puede saber el tipo de cuenca que es, si es una cuenca de meseta o una cuenca de valle aluvial (Figura 1.5). La curva hipsométrica permite cualificar el relieve. Una pendiente inicial fuerte hacia cotas inferiores indica llanuras. Una pendiente débil indica la existencia de cuenca en forma de valle encajonado. Curva de frecuencias altimétricas La curva de frecuencias altimétricas es otra manera de representar la distribución de las áreas en función de las altitudes. Esta curva da la proporción de superficie (en % de la superficie total de la cuenca) comprendida entre los diferentes intervalos de altitud (Figura 1.6). Índices de pendiente de la cuenca Se define el rectángulo equivalente como aquel que tiene el mismo perímetro y superficie que la cuenca. En consecuencia, tiene el mismo índice de compacidad e igual repartición hipsométrica. La pendiente media es la media ponderada de las pendientes de todas las superficies elementales en las que la línea de máxima pendiente es constante. El índice de pendiente es un valor medio de las pendientes de la cuenca. Se deduce a partir del rectángulo equivalente y su expresión es: 8
Capítulo 1. CONCEPTOS GENERALES Y DEFINICIONES 1 I (1.5) n p = βi ( a i a i 1 ) 1000 L i= 2 donde I p es el índice de pendiente, a 1, a 2... son las curvas de nivel consideradas en metros, β i es la fracción de la superficie total de la cuenca comprendida entre las cotas a i y a i-1 y L es la longitud mayor del rectángulo equivalente. L / 3 L / 2 L 3 L 2 L L Cuenca 1 Cuenca 2 Cuenca 3 Figura 1.4. Cálculo del Índice de compacidad para distintas cuencas. Red Hidrográfica Se define red hidrográfica al drenaje natural, permanente o temporal, por el que fluyen las aguas procedentes de los escurrimientos superficiales, subsuperficiales y subterráneos. La red de drenaje se caracteriza mediante el concepto de densidad de drenaje e índice de torrencialidad. La densidad de drenaje es el cociente entre la longitud total de los cursos de agua en Km y la superficie de la cuenca en Km 2. El índice de torrencialidad se define como el cociente entre el número de cursos de agua de primer orden (sin ningún afluente) y la superficie de la cuenca en km 2. 9
HIDROLOGÍA I: CICLO HIDROLÓGICO 50 40 Superficie (km 2 ) 30 20 10 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Altitud (m) Figura 1.5. Curva Hipsométrica. 50 % de la superficie total de la cuenca 40 30 20 10 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Altitud (m) Figura 1.6 Curva de frecuencias altimétricas. 10