[Definición]   [Ciclo Hidrológico]   [Balance Hídrico]   [Aplicaciones]   [Metodologías]   [Avenidas y Tamaño]   [Preguntas]   [Problemas]   [Bibliografía]   •   CAPÍTULO 1:   INTRODUCCIÓN   "Si no se permite que los ríos continúen efectuando su función natural de exportadores de sal al océano, las tierras productivas de hoy se convertirán eventualmente en depósitos estériles de sal." Arthur F. Pillsbury (1981) Este libro electrónico trata de los principios de la ciencia hidrológica y su aplicación en la solución de problemas de ingeniería hidráulica, hidrológica, y de recursos hídricos. Este primer capítulo se divide en seis secciones. La Sección 1.1 define la hidrología y la ingeniería hidrológica. La Sección 1.2 describe el ciclo hidrológico. La Sección 1.3 describe los conceptos de cuenca y balance hídrico. La Sección 1.4 explica el uso de varios conceptos en la solución de problemas típicos. La Sección 1.5 presenta los diversos enfoques utilizados para resolver problemas de ingeniería hidrológica. La Sección 1.6 trata del escurrimiento superficial, la hidrología de inundaciones, y la escala de cuenca. El concepto de escala de cuenca se usa en este libro como un marco de referencia para el estudio de modelos, métodos, y técnicas hidrológicas. 1.1  DEFINICIÓN [Ciclo Hidrológico]   [Balance Hídrico]   [Aplicaciones]   [Metodologías]   [Avenidas y Tamaño]   [Preguntas]   [Problemas]   [Bibliografía]   •   [Arriba]   La hidrología es la ciencia que estudia las aguas de la Tierra, su ocurrencia, circulación y distribución, sus propiedades químicas y físicas, y su relación con los seres vivos. La hidrología abarca el agua superficial y el agua subterránea; esta última, sin embargo, se considera como un campo en sí mismo. Otras ciencias relacionadas incluyen la climatología, meteorología, geología, geomorfología, sedimentología, y oceanografía. La ingeniería hidrológica es una ciencia aplicada. En ella se utilizan principios hidrológicos para la solución de problemas de ingeniería derivados de la explotación de los recursos hídricos. En su sentido más amplio, la ingeniería hidrológica busca establecer relaciones que definan la variabilidad espacial, temporal, estacional, anual, o plurianual del agua, con el fin de determinar los riesgos asociados con el dimensionamiento de estructuras hidráulicas. 1.2  EL CICLO HIDROLÓGICO [Balance Hídrico]   [Aplicaciones]   [Metodologías]   [Avenidas y Tamaño]   [Preguntas]   [Problemas]   [Bibliografía]   •   [Arriba]   [Definición]   El ciclo hidrológico describe la recirculación continua de las aguas de la Tierra, uniendo atmósfera, masa continental, y océanos. El proceso es bastante complejo, conteniendo varios subciclos. Para explicarlo brevemente, el agua se evapora de la superficie del océano, impulsado por la energía solar, y se une a la atmósfera, desplazándose hacia el interior de la masa continental. Una vez allí, las condiciones atmosféricas actúan para condensar y precipitar el agua, la cual, impulsada por fuerzas gravitacionales, regresa al océano por medio de arroyos y ríos. La Figura 1-1 muestra una representación gráfica del ciclo hidrológico. La Figura 1-2 muestra una visión esquemática, incluyendo la interacción entre las diversas fases y elementos de retención de volumen de agua [2]. Este esquema incluye todos los procesos físicos relacionados con la ingeniería hidrológíca. La precipitación y otras fases de transporte líquido están representadas por flechas rectas. La evaporación y otra fases de transporte gaseoso (vapor de agua) están representadas por flechas onduladas. Fig. 1-1  El ciclo hidrológico. Fig. 1-2  Vista esquemática del ciclo hidrológico (con permiso de "Dynamic Hydrology," P. S. Eagleson, 1970, Mc-Graw-Hill [2]). Los elementos de retención de volumen de agua son: Atmósfera Vegetación Nieve y hielo Superficie Suelo Arroyos, lagos y ríos Acuíferos Océanos. Las fases líquidas del ciclo hidrológico son: Precipitación de la atmósfera a la superficie Escurrimiento de la vegetación a la superficie Descongelamiento de la nieve y el hielo Escurrimiento superficial de la superficie a los arroyos, lagos y ríos, y de los arroyos, lagos y ríos a los océanos Infiltración de la superficie al suelo Exfiltración del suelo a la superficie Entreflujo del suelo a arroyos, lagos y ríos, y viceversa Percolación del suelo a los acuíferos Ascenso capilar de los acuíferos al suelo Flujo de los arroyos, lagos y ríos a los acuíferos, y viceversa, y de los acuíferos a los océanos, y viceversa. Las fases gaseosas del ciclo hidrológico son: Evaporación de la superficie, arroyos, lagos, ríos y océanos a la atmósfera Evapotranspiración de la vegetación a la atmósfera Sublimación de la capa de nieve y capas de hielo a la atmósfera Difusión de vapor del suelo a la superficie. 1.3  EL BALANCE HÍDRICO [Aplicaciones]   [Metodologías]   [Avenidas y Tamaño]   [Preguntas]   [Problemas]   [Bibliografía]   •   [Arriba]   [Definición]   [Ciclo Hidrológico]   Una cuenca es una porción de la superficie de la Tierra que concentra el escurrimiento en su punto más aguas abajo, referido como la salida de la cuenca (Fig. 1-3). El escurrimiento así concentrado fluye hacia una cuenca más grande y, en última instancia, al océano. El lugar donde la corriente de una cuenca entra a otra corriente o cuerpo de agua más grande se conoce como la boca de esa cuenca. Fig. 1-3  La cuenca alta del río Parramatta, Nueva Gales del Sur, Australia. La interpretación del ciclo hidrológico en los confines de una cuenca lleva al concepto de balance hídrico. El balance hídrico se refiere a la contabilidad de las diversas fases del ciclo hidrológico en una cuenca, con el objetivo de determinar sus magnitudes relativas. La siguiente ecuación de balance considera tanto las aguas superficiales como las aguas subterráneas: ΔS = P - ( E + T + G + Q ) (1-1) en la cual ΔS = cambio en el almacenamiento, P = precipitación, E = evaporación, T = evapotranspiración, G = flujo de salida de aguas subterráneas, y Q = escurrimiento superficial. En un lapso de tiempo dado, el cambio en el almacenamiento es la diferencia entre la precipitación y la suma de evaporación, evapotranspiración, salida de aguas subterráneas, y escurrimiento superficial. En la práctica, los términos de la Ecuación 1-1 se expresan en unidades de profundidad, es decir, un volumen de agua distribuido uniformemente sobre el área de la cuenca. En condiciones de equilibrio, ΔS = 0, y la Ec. 1-1 se reduce a la siguiente expresión (Fig. 1-4): P = E + T + G + Q (1-2) Fig. 1-4  El balance hídrico que considera tanto las aguas superficiales como las aguas subterráneas. La siguiente es una ecuación de balance hídrico que considera solamente el agua superficial: ΔS = P - ( E + T + I + Q ) (1-3) en la cual I = infiltración, y los demás términos ya han sido definidos. En un lapso de tiempo dado, en condiciones de equilibrio, la Ec. 1-3 se reduce a la siguiente (Fig. 1-5): P = E + T + I + Q (1-4) Fig. 1-5  Un balance hídrico que considera sólo las aguas superficiales. Debe tenerse en cuenta de que se puede dar alguna doble contabilidad en la Ecuación 1-4, debido a que una porción de la infiltración puede convertirse en evaporación de lagos y humedales, en evapotranspiración de la vegetación, y en escurrimiento superficial (flujo base) a través de la exfiltración. La Ecuación 1-4 puede ser expresada en forma reducida como sigue: Q = P - L (1-5) en la cual L = pérdidas, o abstracciones hidrológicas, igual a la suma de la evaporación E, evapotranspiración T, e infiltración I. La Ecuación 1-5 establece que el escurrimiento es igual a la precipitación menos la suma de todas las pérdidas. Este concepto es la base de los métodos prácticos de cálculo del escurrimiento superficial (Capítulos 4 y 5). 1.4  APLICACIONES [Metodologías]   [Avenidas y Tamaño]   [Preguntas]   [Problemas]   [Bibliografía]   •   [Arriba]   [Definición]   [Ciclo Hidrológico]   [Balance Hídrico]   La ingeniería hidrológica responde a las siguientes preguntas: ¿Cuál es la avenida máxima probable en un sitio de represa propuesta o existente (Fig. 1-6)? ¿De qué manera varía el rendimiento hídrico de una cuenca de una estación a otra, y de un año a otro? ¿Cuál es la relación entre los recursos de agua superficial y agua subterránea en una cuenca? ¿Qué nivel de flujo en una corriente puede esperarse que sea superado el 90 por ciento del tiempo? Teniendo en cuenta la variabilidad natural de los flujos, ¿cuál es el tamaño adecuado de un reservorio situado en una corriente dada? ¿Qué equipamiento (por ejemplo, sensores de lluvia) y software (modelos de computadora) son necesarios para la predicción de crecidas en tiempo real? Buscando respuestas a estas preguntas, la ingeniería hidrológica utiliza análisis y mediciones. El análisis hidrológico tiene como objetivo desarrollar una metodología para cuantificar una determinada fase o fases del ciclo hidrológico; por ejemplo, precipitación, infiltración o escurrimiento superficial. La técnica del hidrograma unitario (Capítulo 5) es un ejemplo de un método para análisis hidrológico. Las mediciones de campo como el aforo de una corriente (Capítulo 3) complementan y verifican el análisis. Los métodos estadísticos, por ejemplo, la regresión lineal (Capítulo 7), complementan el análisis y/o las mediciones hidrológicas. En general, el ingeniero hidrólogo está interesado en la descripción de caudales o volúmenes, incluyendo la variabilidad espacial, temporal, estacional, anual, o regional. Las cantidades de flujo (descargas) se expresan en metros cúbicos por segundo o en pies cúbicos por segundo; los volúmenes se expresan en metros cúbicos, hectómetros cúbicos (un hectómetro es igual a un millón de metros cúbicos), o en acre-pies. En la ingeniería hidrológica los volúmenes se expresan en unidades de profundidad (milímetros, centímetros o pulgadas), tomados como una profundidad de agua uniformente distribuida en toda el área de la cuenca. Fig. 1-6  Vertedero de emergencia de la Presa Oroville, California, EE.UU. 1.5  METODOLOGÍAS [Avenidas y Tamaño]   [Preguntas]   [Problemas]   [Bibliografía]   •   [Arriba]   [Definición]   [Ciclo Hidrológico]   [Balance Hídrico]   [Aplicaciones]   Existen varios enfoques en la ingeniería hidrológica. Éstos pueden ser considerados como modelos que representan el comportamiento del prototipo, es decir, el mundo físico. En general, los modelos se clasifican en: (a) materiales, y (b) formales. Un modelo material es una representación física del prototipo, más simple en estructura pero de propiedades similares. Un modelo formal es una abstracción matemática de una situación idealizada, la cual conserva las propiedades estructurales más importantes del prototipo [4]. Los modelos materiales pueden ser icónicos o analógicos. Los modelos icónicos son representaciones simplificadas de los sistemas hidrológicos del mundo real, tales como lisímetros, simuladores de lluvia, y cuencas experimentales (Fig. 1-7). Los modelos analógicos son aquéllos que basan sus mediciones sobre elementos sustancialmente diferentes a los del prototipo, tal como el flujo de corriente eléctrica para representar el flujo de agua. Fig. 1-7   El lisímetro de Coshocton, Ohio, EE.UU. En la ingeniería hidrológíca todos los modelos formales son matemáticos; de allí el uso del término modelo matemático para referirse a los modelos formales. A menos que se especifique lo contrario, el término modelo se utiliza en este libro en referencia a un modelo matemático. Este último es el tipo de modelo más utilizado en la ingeniería hidrológica. Los modelos matemáticos pueden ser: (1) teóricos, (2) conceptuales, o (3) empíricos. Un modelo teórico se basa en un conjunto de leyes generales, usualmente físicas; por el contrario, un modelo empírico se basa en gran medida en inferencias derivadas del análisis de datos. El modelo conceptual yace aproximadamente en el medio entre los modelos teóricos y empíricos. Existen cuatro tipos de modelos matemáticos en la ingeniería hidrológica: (1) determinístico, (2) probabilístico, (3) conceptual, y (4) paramétrico. Un modelo determinístico se formula mediante el uso de leyes físicas y se describe usando ecuaciones diferenciales. Un modelo probabilístico, ya sea estadístico o estocástico, se rige por las leyes de probabilidades. Los modelos estadísticos se basan en muestras observadas, mientras que los modelos estocásticos se rigen por las propiedades aleatorias de ciertas series de tiempo hidrológicas; por ejemplo, caudales diarios [5]. Un modelo conceptual es una representación simplificada de procesos físicos, obtenida agrupando variaciones espaciales y/o temporales, y descrita en términos de ecuaciones diferenciales ordinarias o ecuaciones algebraicas. Un modelo paramétrico representa procesos hidrológicos por medio de ecuaciones algebraicas que contienen parámetros dados, los cuales son evaluados por métodos empíricos. En general, los métodos de análisis en la ingeniería hidrológica pueden clasificarse en uno de los cuatro tipos de modelos mencionados. Por ejemplo, el tránsito de una onda cinemática (Capítulos 4 y 9) es determinístico, estando gobernado por una ecuación diferencial parcial que describe los balances de masa y cantidad de movimiento de la mecánica de fluidos. El método de Gumbel para el análisis de frecuencia de ocurrencia (Capítulo 6) es probabilístico, basado en una ley de probabilidad de valores extremos. La cascada de embalses lineales (Capítulo 10) es conceptual, buscando simular las complejidades de la respuesta de una cuenca por medio de una serie de depósitos lineales hipotéticos. El método racional (Capítulo 4) es paramétrico, con un flujo pico (para una frecuencia dada) determinado sobre la base de un coeficiente de escurrimiento estimado en forma empírica. En principio, los modelos determinísticos simulan procesos físicos y, por lo tanto, deben ser los más cercanos a la realidad. En la práctica, sin embargo, la complejidad inherente a los fenómenos físicos generalmente limita el enfoque determinístico a casos bien definidos, para los cuales puede demostrarse una clara relación causa-efecto. Los métodos probabilísticos se utilizan para ajustar los datos medidos (es decir, la hidrología estadística) y modelar componentes aleatorios (hidrología estocástica) en los casos en los cuales su presencia es evidente. Cuando la simplicidad es aconsejable, los métodos y modelos conceptuales y paramétricos continúan desempeñando un papel importante en la ingeniería hidrológica. Los modelos hidrológicos pueden ser agrupados (aglomerados) o distribuidos. Los modelos agrupados pueden describir las variaciones temporales, pero no las variaciones espaciales. Un ejemplo típico de un modelo hidrológico agrupado es el hidrograma unitario (Capítulo 5), el cual describe la respuesta total de una cuenca, sin tener en cuenta la respuesta de sus subcuencas. A diferencia de los modelos agrupados, los modelos distribuidos tienen la capacidad de describir variaciones tanto temporales como espaciales. Los modelos distribuidos son computacionalmente más demandantes que los modelos agrupados. Un ejemplo típico de un modelo hidrológico distribuido es el cálculo del flujo superficial utilizando técnicas de tránsito (Capítulo 10) (Fig. 1-8). En este caso, las ecuaciones de masa y cantidad de movimiento (o substitutos apropiados de las mismas) son utilizadas para calcular las variaciones temporales de descarga y profundidad de flujo en determinadas ubicaciones dentro de la cuenca en estudio. Fig. 1-8   Configuración de libro abierto del flujo superficial usando dos planos y un canal central. Las soluciones de los modelos hidrológicos pueden ser analíticas o numéricas. Las soluciones analíticas se obtienen mediante el uso de las herramientas clásicas de las matemáticas aplicadas, tales como las transformadas de Laplace y los métodos de perturbaciones [3]. Las soluciones numéricas se obtienen mediante la discretización de las ecuaciones diferenciales en ecuaciones algebraicas y su solución con la ayuda de un computador. Los ejemplos de soluciones analíticas son los modelos lineales utilizados en el análisis de sistemas hidrológicos [1]. Los ejemplos de soluciones numéricas son varios; cabe mencionar los utilizados en las técnicas del tránsito hidrológico de avenidas (Capítulos 8, 9 y 10) y en los modelos computacionales en actual uso, tales como HEC-HMS y SWMM (Capítulo 13). 1.6  HIDROLOGÍA DE AVENIDAS Y TAMAÑO DE CUENCA [Preguntas]   [Problemas]   [Bibliografía]   •   [Arriba]   [Definición]   [Ciclo Hidrológico]   [Balance Hídrico]   [Aplicaciones]   [Metodologías]   A nivel de cuenca, la escorrentía superficial se produce normalmente en los siguientes casos: (a) cuando la intensidad de la precipitación excede la capacidad abstractiva de la cuenca, o (b) cuando el perfil del suelo está completamente saturado de humedad, reduciéndose la infiltración a cantidades insignificantes o nulas. Con el tiempo, grandes cantidades de escorrentía superficial se concentran en la cuenca para producir los caudales altos conocidos como inundaciones. El estudio de éstas, sus causas, transporte, y efectos, es el tema de la hidrología de inundaciones. En la naturaleza, la precipitación varía usualmente en el espacio y en el tiempo. En la ingeniería hidrológica, puede suponerse que la precipitación es: (1) constante en el espacio y el tiempo, (2) constante en el espacio y variable en el tiempo, o (3) variable en el espacio y en el tiempo. En la práctica, el tamaño (o escala) de la cuenca ayuda a determinar cuál de estas hipótesis es la más apropiada para un caso dado. En general, las pequeñas cuencas son aquéllas en las cuales el escurrimiento puede modelarse suponiendo precipitaciones constantes en el espacio y en el tiempo. Las cuencas medianas son aquéllas en las cuales el escurrimiento puede ser modelado por precipitaciones constantes en el espacio, pero variables en el tiempo. Las cuencas grandes son aquéllas en las cuales el escurrimiento puede ser modelado suponiendo que las precipitaciones varían tanto en el espacio como en el tiempo. En la hidrología de avenidas, las cuencas pequeñas suelen ser modeladas con un enfoque empírico simplista tal como el método racional (Capítulo 4). Para las cuencas medianas, un modelo conceptual como el hidrograma unitario es el preferido por la mayoría de ingenieros en la práctica (Capítulo 5). Para las cuencas grandes, las variaciones temporales y espaciales en precipitación y escurrimiento puede demandar el uso de un modelo distribuido, incluyendo el tránsito de avenidas en embalses y canales (Capítulos 8 y 9). La Figura 1-9 muestra una matriz que representa la relación entre el tamaño o escala de la cuenca y tres técnicas comúnmente utilizadas en la hidrología de inundaciones. Fig. 1-9  Relación entre la escala de la cuenca y tres técnicas comúnmente utilizadas en la hidrología de inundaciones. Está claro que cuanto más grande sea la cuenca, es más probable que haya sido aforada, es decir, que posea un registro de caudales. Por otro lado, cuanto más pequeña sea la cuenca, lo más probable es que no existan aforos. Esta situación lleva a que el enfoque probabilístico (Capítulo 6) sea aplicable principalmente a las cuencas grandes, en particular a aquéllas que posean un registro de caudales (aforos) comparativamente largo. Para cuencas sin registros, o con registros relativamente cortos, las técnicas estadísticas pueden ser utilizadas para desarrollar modelos paramétricos de aplicabilidad regional (Capítulo 7). Los temas de tránsito de flujo (tránsito de avenidas (Capítulos 9 y 10) y la modelación hidrológica (Capítulo 13) abarcan toda la gama de aplicaciones, desde las cuencas más pequeñas hasta las cuencas más grandes. PREGUNTAS [Problemas]   [Bibliografía]   •   [Arriba]   [Definición]   [Ciclo Hidrológico]   [Balance Hídrico]   [Aplicaciones]   [Metodologías]   [Avenidas y Tamaño]   ¿Qué es el ciclo hidrológico? ¿Cuáles son las fases de transporte líquido en el ciclo hidrológico? ¿Cuáles son las fases de transporte gaseoso (vapor de agua) en el ciclo hidrológico? ¿Qué es una cuenca? Mencione dos ejemplos de problemas de ingeniería (distintos de los mencionados en el texto) en los cuales es necesario el conocimiento hidrológico para obtener una solución. ¿Qué es un modelo material? ¿Un modelo formal? ¿Qué es un modelo icónico? ¿Qué es un modelo analógico? ¿Qué es un modelo determinístico? ¿Qué es un modelo agrupado, o aglomerado? Compare los modelos conceptuales con los paramétricos. Compare las soluciones analíticas con las numéricas. ¿Qué es una cuenca pequeña desde el punto de vista de la hidrología de inundaciones? ¿Qué es una cuenca mediana? ¿Qué es una cuenca grande? PROBLEMAS [Bibliografía]   •   [Arriba]   [Definición]   [Ciclo Hidrológico]   [Balance Hídrico]   [Aplicaciones]   [Metodologías]   [Avenidas y Tamaño]   [Preguntas]   Durante un año dado, se recolectaron los siguientes datos hidrológicos en una cuenca de 2,500 km2: precipitación total, 620 mm; pérdida total combinada debida a evaporación y evapotranspiración, 320 mm; salida de las aguas subterráneas, incluyendo el abatimiento de las aguas subterráneas, 100 mm; y escorrentía superficial, 150 mm. ¿Cuál es el cambio en el volumen de agua que se almacena en la cuenca durante ese año? (Volumen en hm3, es decir, en millones de metros cúbicos). Durante 2012, fueron recolectados los siguientes datos hidrológicos en una cuenca de 85 km2: precipitación total, 27 pulgadas; pérdida total combinada debido a evaporación y evapotranspiración, 10 pulgadas; salida de las aguas subterráneas, incluyendo el abatimiento de las aguas subterráneas, 7 pulgadas; y escorrentía superficial, 9 pulgadas. ¿Cuál es el cambio en el volumen de agua que se almacena en la cuenca durante el año 2012? (Volumen en acres-pie). Durante un año dado, se recolectaron los siguientes datos hidrológicos en una cuenca de 350 km2: precipitación total, 850 mm; evaporación y evapotranspiración, 420 mm; y escurrimiento superficial, 225 mm. Calcular el volumen de infiltración (en hm3, es decir, en millones de metros cúbicos), despreciando los cambios en el almacenamiento de agua superficial y subterránea. Durante un año dado, se midieron los siguientes datos hidrológicos en una cuenca de 60 km2: precipitación total, 35 pulgadas; pérdidas por evaporación, evapotranspiración e infiltración, 28 pulgadas. Calcular la escorrentía media anual (en m3/s), despreciando los cambios en el almacenamiento de aguas superficiales y subterráneas. BIBLIOGRAFÍA •   [Arriba]   [Definición]   [El ciclo hidrológico]   [Balance Hídrico]   [Aplicaciones]   [Metodologías]   [Avenidas y Tamaño]   [Preguntas]   [Problemas]   Agricultural Research Service, U.S. Department of Agriculture. (1973). "Linear Theory of Hydrologic Systems," Technical Bulletin No. 1468. (J.C.I. Dooge, author). Washington, D .C., Octubre. Eagleson, P. S. (1970) . Dynamic Hydrology. Nueva York: McGraw-Hill. Lighthill, M. J., and G. B. Whitham. (1955). On kinematic waves. I. Flood movement in long rivers. Proceedings of the Royal Society of London, Vol. A229, Mayo, 281-316. Woolhiser, D. A., y D. L. Brakensiek. (1982). "Hydrologic Modeling of Small Watersheds," Chapter 1 in Hydrologic Modeling of Small Watersheds, edited by C. T. Haan et al. ASAE Monograph No. 5, St. Joseph, Michigan. Yevjevich, V. (1972). Stochastic Processes in Hydrology. Fort Collins, Colo.: Water Resources Publications. http://hidrologiaaplicada.sdsu.edu 170709 20:00