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Hidrología Aplicada Capítulo 1: Introducción
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1.1. GENERALIDADES
El constante aumento de la población, lleva consigo un continuo aumento en la
demanda de alimentos, de ahí, que las fuentes productoras de estos tengan que
incrementarse en número y en sus rendimientos y siendo el agua, elemento
indispensable en la producción de ellos, ya sea en forma directa o indirecta, es
preocupación universal, disponer de agua en cantidad y calidad suficiente para
satisfacer las necesidades, sean estas de tipo agrícola, pecuario, poblacional,
generación de energía, industrial y otros.
En el caso específico del Perú, según estudios realizados en 1992 por la Dirección
General de Aguas y Suelos, a nivel de la costa existen 876,000 ha aptas para ser
incorporadas a la agricultura y la limitación principal es el recurso agua; en la Sierra, el
uso actual ha sobrepasado al uso potencial en 156,000 ha; en la región de la Selva, se
encuentra el mayor potencial de tierras agrícolas con 4´611,000 ha.
A pesar de que el agua es un elemento abundante en el globo terrestre, éste se
encuentra mal distribuida, tanto regional como estacionalmente; lo que hace necesario
la construcción de obras hidráulicas para el aprovechamiento. La disponibilidad de
este recurso es muy irregular a lo largo del territorio peruano, presentándose en
los ríos regímenes de descargas muy variables. En la región Costa, el cultivo se
realiza en su totalidad bajo el sistema de riego y las tierras son de mayor
fertilidad; esta es la región más importante por la densidad económica de sus
cultivos y por el mayor desarrollo tecnológico en el sistema de riego, pero su
principal restricción es el recurso agua. En la Sierra, sólo el 30% de la superficie
total agrícola es regada y el resto se cultiva al secano; por lo tanto, el desarrollo
de la actividad agrícola está sujeta principalmente a las precipitaciones que se
presentan estacionalmente. En la región Selva el 5% de la superficie agrícola
explotada se cultiva bajo riego y el 95% se cultiva al secano.
Lo anterior se debe a la mala distribución geográfica y temporal de las
disponibilidades hídricas y considerando que las precipitaciones se presentan
en épocas del año diferentes a las de las necesidades de los cultivos, se infiere
la necesidad de seguir desarrollando métodos y sistemas que nos permitan
aprovechar íntegramente las disponibilidades hídricas del país, mediante la
planificación y construcción de obras de infraestructura hidráulica.
1.2. VISION HISTORICA DE LA HIDROLOGIA
Biswas (1972), en un tratamiento conciso de la historia de la hidrología, describe las
prácticas de manejo del agua hechas por los egipcios en el Oriente Medio y por los
chinos a lo largo de la ribera del Hwang Ho, donde existen evidencias arqueológicas de
estructuras hidráulicas para irrigación. La presa, sobre el río Nilo, fue construido hace
cerca de 4000 A.C. y posteriormente el canal de conducción entre Cairo y Suez.
CAPITULO 1: INTRODUCCION

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Fueron los filósofos griegos (1400 A.C.) quienes iniciaron, de manera seria, el estudio
de las escorrentías de aguas superficiales, tratando de conocer el origen de los ríos,
sus conclusiones fueron satisfactorias, de las cuales nos legaron en forma casi exacta
el ciclo hidrológico. Los romanos, en la persona de Marco Vitruvios (15 A.C.) nos dieron
también una versión del ciclo hidrológico incluyendo la infiltración del agua al subsuelo.
Durante el renacimiento fue perceptible un cambio gradual de los conceptos puramente
filosóficos de la hidrología a las observaciones científicas, ya que estas se
incrementaron notablemente, como ejemplo podemos mencionar a Bernardo Palissy
(1509 – 1589), filósofo Francés y a Leonardo da Vinci (1452 – 1519), quienes
perfeccionaron el conocimiento del ciclo hidrológico, especialmente sobre la infiltración
del agua de lluvia y su retorno a la superficie a través de manantiales.
Se puede considerar que la hidrología nació en el siglo XVII cuando dos científicos
franceses, Pierre Perrault (1608 – 1680) y Edmé Mariotte (1620 – 1682), determinaron
la fuente de abastecimiento de los ríos. Perrault midió la precipitación en un punto
arriba de Borgoña y estimó la escorrentia del río Sena en los años 1668, 1669 y 1670 y
encontró que el promedio anual era de 520 mm, posteriormente determinó la
escorrentia de la cuenca y concluyó que ascendía a una sexta parte del agua
precipitado, deduciendo que “La lluvia era la fuente de abastecimiento de las corrientes
superficiales”. Mariotte, midió la cantidad de agua de lluvia que se infiltra, concluyendo
que el agua infiltrada abastecía a los manantiales; usando el método del flotador,
estimó el gasto del río Sena en París en 94,4 m3
/s o 2,97x109
m3
/año, cantidad que era
menor que la sexta parte de la precipitación promedio anual de la cuenca que
abastecía la corriente, comprobando así las conclusiones de Perrault. Varios años
después Edmund Halley (1656 – 1742) famoso astrónomo británico miembro de la Real
Sociedad de Londres, publicó estudios de evaporación del mar mediterráneo,
afirmando que estaban en función de los volúmenes que llegaban al mar por las
diferentes corrientes.
Durante el Siglo XVIII florecieron estudios experimentales de hidráulica, como el
piezómetro de Bernoulli, el tubo de Pitot, el teorema de Bernoulli y la fórmula de Chezy
(1769). Todos estos adelantos contribuyeron al desarrollo de los estudios hidrológicos
sobre bases cuantitativas. En éste período fue publicado el libro “Treatasi on Rivers and
Torrents” que incluyó datos cuantitativos sobre escurrimiento pluvial y corrigió algunos
conceptos hidrológicos erróneos.
El Siglo XIX fue la época grande de la hidrología experimental, en esa época se pueden
ver muchas contribuciones significativas, muchas de ellas a la hidrología de las aguas
subterráneas. Los conocimientos geológicos fueron por primera vez aplicados a los
problemas hidrológicos por William Surith; En el campo de las aguas superficiales, la
hidrometría sufrió grandes avances incluyendo el desarrollo de muchas fórmulas e
instrumentos de medición. En este periodo aparecieron la ley de flujo en medios
porosos de Darcy, la fórmula de pozos de Dupuit-Thiem y la ecuación de capilaridad de
Hagen-Poiseuille. En hidrología superficial, muchas fórmulas de flujo e instrumentos de
medición fueron desarrollados. Humphreys y Abbot (1861) reportaron la medición de la
descarga del río Mississipi en 1888; la fórmula de Manning fue introducida en 1889 y el
correntómetro fue inventado por Price en 1885. Durante este período el gobierno de los
Estados Unidos fundó las agencias hidrológicas siguientes: U.S. Army Corps of
Engineers (1802), the Geological Survey (1879), the Weather Bureau (1891), y the
Mississipi River Commission (1893).
Los primeros 30 años del Siglo XX, según Chow (1964), el empirismo se hizo más
evidente, ya que cientos de fórmulas empíricas fueron propuestas y la selección de sus
coeficientes y parámetros se basó principalmente sobre conceptos y experiencias, lo
que fue poco satisfactorio, motivando el incremento en la investigación hidrológica, para

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lo cual se crearon numerosas sociedades como: Bureau of Reclamation (1902), the
Forest Service (1906), the U.S. Army Engineers Waterways Experimental Station
(1928), entre otros.
De 1930 a 1950 se aplicaron análisis racionales a las bases empíricas para resolver
problemas hidrológicos. En este período se incrementó notablemente el
establecimiento de numerosos laboratorios de hidráulica e hidrología en todo el mundo.
En este período, llamado de periodo de racionalización (Chow, 1964), se dieron pasos
importantes en el avance de la hidrología con el desarrollo de programas de
investigación, cuyos resultados se mencionan a continuación: teoría del hidrograma
unitario (Sherman, 1932), teoría de la infiltración (Horton, 1933) y ecuación hidráulica
de pozos (Theis, 1935). En 1958 Gumbel, propuso el uso de distribución de valores
extremos para el análisis de frecuencias de datos hidrológicos y las diferentes agencias
hicieron contribuciones significativas en el desarrollo de la teoría hidrológica.
En la actualidad son utilizados instrumentos sofisticados y computadoras de alta
velocidad para medir entre otros, los delicados fenómenos de la hidrología y para
resolver complicadas ecuaciones matemáticas de la teoría hidrológica.
1.3. DEFINICION Y DOMINIO DE LA HIDROLOGIA
Desde el punto de vista etimológico la Hidrología es el estudio del agua. Para definir la
hidrología se han propuesto numerosos enunciados de los cuales, a continuación se
mencionan los que a juicio personal son los más importantes a conocer:
En el año de 1961 Merrian y Webster describen a la hidrología como “La ciencia que
estudia las propiedades, distribución y circulación del agua, sobre la superficie de la
tierra, en el suelo, bajo las rocas y en la atmósfera, en lo que se refiere a la
evaporación y precipitación”.
En 1959 El Federal Council for Science and Technology for Scientific Hydrology
recomendó la siguiente definición: “Hidrología es la ciencia que trata del agua en la
tierra, su ocurrencia, su circulación y distribución, sus propiedades físicas y
químicas y su relación con el medio ambiente incluyendo los seres vivientes”.
Según Wisler y Brater: “La hidrología es la ciencia que trata con los procesos que
gobiernan el vaciado y aprovisionamiento de los depósitos de agua en áreas sobre la
tierra”. En esta última definición se incluye el transporte de agua a través del aire, sobre
la superficie de la tierra y a través de los estratos terrestres o sea, es la ciencia que
estudia las “diferentes fases del ciclo hidrológico”.
Por último se puede definir la hidrología como “La ciencia que estudia las aguas que
pueden ser aprovechables en forma superficial, así como en forma subterránea,
siempre que sea una profundidad económicamente aprovechable”.
De las diferentes definiciones, se infiere que la Hidrología no es una ciencia
completamente pura, que tiene una relación muy estrecha con otras ciencias como
meteorología, geología, ecología, oceanografía y otros, que sus aplicaciones son muy
numerosas y para enfatizar la importancia que tiene en este aspecto, se usa el término
“Hidrología Aplicada”. Se observa que la hidrología trata de establecer leyes entre la
causa y el fenómeno, es decir conociendo el fenómeno (precipitación, evaporación,
escorrentía, etc.) trata de establecer las causas que las originan, con la finalidad de
determinar las medidas necesarias para su control, además, trata de establecer leyes

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entre causa y efecto lo que es sumamente difícil, ya que un fenómeno meteorológico
para presentarse necesita de la ocurrencia de varias causas; por ejemplo se pueden
predecir caudales o lluvias futuras, pero no se pueden predecir cuando ocurrirán esos
fenómenos y solo se pueden dar ciertas probabilidades de ocurrencia.
1.4. LA HIDROLOGIA EN LA INGENIERIA
Desde el punto de vista de la ingeniería, la Hidrología incluye los métodos para
determinar el caudal como elemento de diseño de las obras que tienen relación con el
uso y protección del agua, tales como represas, canales, abastecimiento, drenaje,
calidad del agua, manejo de cuencas, etc. El análisis hidrológico es fundamental para el
planeamiento, diseño y operación de los sistemas hidráulicos por lo que el ingeniero
debe buscar respuestas a las siguientes preguntas:
- ¿Cuál es el caudal máximo probable en el lugar propuesto para la construcción de
una presa?
- ¿Como varía la producción de agua en una cuenca de estación a estación y de año
a año?
- ¿Cual es la relación entre la escorrentía superficial y flujo de agua subterráneo en
una cuenca?
- Al analizar los caudales mínimos, ¿cual será el caudal esperado con un nivel de
persistencia del 90 %?
- Dado la variación natural de un curso de agua, ¿cual será la capacidad del embalse
apropiado?
- ¿Que equipos de medición y modelos de computadora serán necesarios para
predecir los caudales en tiempo real?
Para responder estas y otras interrogantes, el ingeniero desarrolla metodologías
basadas en análisis y mediciones que permiten cuantificar cierta fase o fases del ciclo
hidrológico como precipitación, escorrentía, infiltración, etc. Generalmente el ingeniero
está interesado en determinar los caudales o volúmenes de agua, incluyendo su
variabilidad espacial, temporal, estacional, anual o regional. Los caudales son
comúnmente expresados en m3
/s y el volumen en m3
o en unidades de lámina de agua
(mm, cm) como un intento de representar una lámina de agua uniforme sobre el área
de la cuenca.
1.5. ASPECTOS CLIMATICOS E HIDROGRAFICOS DEL PERU
Aspectos Generales
El Perú, se sitúa entre los paralelos 0°01’48” y 18°20’50.8” de latitud Sur y los
meridianos 68°9’27” y 81°19’34.5” de longitud Oeste cuya superficie total incluyendo
islas y la parte peruana del Lago Titicaca es de 1’285,216 km2
, dividido en las regiones
de Costa, Sierra y Selva, por la presencia de la cordillera de los Andes. La Costa es la
parte comprendida entre el Océano Pacífico y el flanco occidental de los Andes (2,000
msnm aproximadamente) y abarca 2l 10.61% (136,361 km2
) de la superficie del país;
constituye una franja árida, con un ancho máximo de 160 km en Sechura y un mínimo
de 5 km en Arequipa. La Sierra está comprendida entre los 2,000 msnm del flanco
occidental y los 2,000 msnm del flanco oriental de la cordillera de los Andes y ocupa el
30.5% (391,991 km2
) de la superficie del país. La Selva es la región que va desde los
2,000 msnm en el flanco oriental de la cordillera de los Andes hasta el llano amazónico

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y se extiende hasta las fronteras con el Ecuador, Colombia, Brasil y Bolivia; ocupa el
58.89% (756,864 km2
) de la superficie del país.
Aspectos Climáticos:
Según la Enciclopedia “Gran Geografía del Perú”, (1985), por su localización
geográfica, dentro de la zona intertropical, al Perú le corresponde un clima cálido,
húmedo y lluvioso. Sin embargo, la presencia de la cordillera andina, que tiene una
dirección más o menos meridiana; la circulación anticiclónica del Pacífico Sur y la
existencia de la Corriente Peruana, de aguas frías, han modificado las condiciones
climáticas y dado origen a una variedad que va desde el tropical, cálido y húmedo, de la
costa norte (Tumbes) y la amazonía, hasta el glaciar, frío y seco, de las punas y altas
cordilleras, pasando por el árido de la costa central y pisos inferiores andinos de la
vertiente occidental y el templado, en los pisos intermedios y valles interandinos.
Los factores climáticos que intervienen en el clima del Perú son la latitud, que deja
sentir sus efectos sólo en la región oriental o amazónica y en la costa norte del Perú; la
altitud, factor determinado por la cordillera andina, relieve intertropical con una altura
media de 4.000 msnm, que constituye importante barrera climática al impedir la libre
circulación atmosférica y el contacto de las masas de aire del anticiclón del Pacífico Sur
y aquéllas que vienen de la actividad intertropical del Amazonas. Ambas masas de aire,
al chocar con las altas cumbres andinas, se condensan y precipitan. Las esporádicas
masas de aire que pueden sobrepasar los andes por algunos pasos interandinos no
están aún bastante estudiadas, salvo en la zona central andina, motivo por el cual, su
significación climática sobre todo en la costa sur, no puede todavía establecerse en
forma precisa.
La Corriente Peruana o Corriente de Humbolt, de aguas frías, que se desplaza de sur a
norte en el Pacífico peruano, desde la frontera con Chile hasta la altura de La Libertad y
Lambayeque, constituye, igualmente, una anomalía en el mar peruano, que por su
latitud debería tener características de los mares tropicales. En la costa norte, la
Corriente del Niño, de aguas cálidas, origina perturbaciones climáticas cuando se
desplaza hacia el sur llegando hasta Tumbes y Piura y en ocasiones excepcionales,
cuando grandes volúmenes de aguas tropicales penetran al mar peruano, originan el
Fenómeno del Niño, causando anomalías climáticas que llegan hasta la costa central y
otras regiones alejadas.
Las masas de aire del anticiclón del Pacífico Sur, que giran alrededor del centro de alta
presión que lo forma, llegan hasta el territorio peruano, convirtiéndose en neblinas. Las
mas bajas, al ser enfriadas por la influencia de la Corriente Peruana se precipitan
esporádicamente en forma de lloviznas o garúas que tienen poca intensidad y duración.
Aquellas que por su altitud no sufren acción de la corriente, se condensan y pueden ser
la causa de muchas de las precipitaciones sobre el flanco occidental andino. El
anticiclón del Atlántico Sur, con sus masas de aire de gran humedad, de acuerdo a su
posición, también es una fuente de suministro de masas de aire marítimo hacia el
continente que penetran por la depresión transversal amazónica y originan
precipitaciones a lo largo de su recorrido y sobre todo en los flancos orientales del
relieve andino.
La convergencia intertropical localizada normalmente al norte de la línea ecuatorial,
migra hacia el sur en ciertas condiciones, provocando abundantes lluvias en la costa
norte del Perú. A esto debemos agregar la posible influencia de la Corriente del Niño y
la comprobada acción del Fenómeno del Niño, con sus aguas cálidas, que crean con
facilidad una actividad convectiva, con las consiguientes precipitaciones que en algunos
años como los de 1925 y sobre todo de 1983, alcanzaron gran intensidad.

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Aspectos Hidrográficos
El territorio del Perú tiene un frente oceánico con un litoral de aproximadamente 3.080
km. de longitud, y hacia el cual drenan sus aguas 53 ríos y quebradas principales, que
constituyen la vertiente del Pacífico, con una extensión de 278,892 km2
, o sea 21.7 %
del área total del país. Alto porcentaje de su territorio, forma parte de la cuenca
hidrográfica del Amazonas cuyas aguas se vierten finalmente en el océano Atlántico y
drenan un área de 957,486 km2
, o sea el 74.5 % de la superficie del país.
El conjunto de ríos que tienen como colector continental el río Amazonas, forman el
sistema hidrográfico del Amazonas, cuya cuenca es la de mayor extensión
superficial del planeta. Al Sureste del territorio, existe una cuenca endorreica o cuenca
interior, sin salida al mar. Es la cuenca del lago Titicaca, sobre los 3,809 msnm, gran
colector de ríos de alta montaña, que representan 48,838 km2
, o sea el 3.8% de la
superficie del país. El Titicaca tiene un efluente, el río Desaguadero, que conduce un
pequeño volumen de sus aguas hasta las lagunas de Poopo en territorio de Bolivia.
Los ríos pertenecientes a cada una de las cuencas antes mencionadas tienen
características diferentes en lo que respecta a volumen de sus aguas; régimen;
pendiente de sus lechos; navegabilidad, etc. De manera general, los de la vertiente del
Pacífico son de corto recorrido y fuerte pendiente, con gran variación en el volumen de
sus aguas que en época de estiaje, muchos de ellos llegan inclusive a secarse; con
excepción del río Tumbes que es navegable en pequeñas embarcaciones y en un corto
trecho de su curso bajo. Los ríos del sistema hidrográfico del Amazonas, son en cambio
de largo recorrido y en conjunto presentan un perfil longitudinal de pendiente muy baja
y al ingresar en la selva baja, permiten el tráfico de embarcaciones cuyo tonelaje puede
llegar incluso hasta 10,000, cuando navegan por el Amazonas. Los ríos de la cuenca
del Titicaca, son de corto recorrido con pendientes suaves y variaciones de caudal
importantes, de acuerdo a la intensidad de las precipitaciones durante la estación
lluviosa que llegan inclusive a producir inundaciones en la meseta del Collao.
1.6. EL CICLO HIDROLOGICO
De todo lo anterior se deduce que la hidrología se puede considerar como un examen o
evaluación científica del continuo ciclo del agua, llamado también Ciclo Hidrológico
que puede ser definido como “la interminable circulación que siguen las partículas de
agua en cualquiera de sus tres estados. La circulación se efectúa en forma natural y
durante la misma, el agua sufre transformaciones físicas, que en nada alteran su
cantidad”.
El ciclo hidrológico se lleva a cabo en tres estratos del sistema terrestre: la atmósfera, o
sea la capa gaseosa que envuelve al globo terráqueo, la litosfera que corresponde a la
porción sólida de la superficie del globo y la hidrosfera, formada por los cuerpos de
agua que cubren parte de la superficie terrestre. A ciencia cierta no se sabe donde se
inicia el Ciclo Hidrológico, pero se considera que por ocupar los mares y océanos el 70
% de la superficie del planeta, es ahí donde se inicia el ciclo, ya que la evaporación
proveniente de ellos es mucho más alta que la proveniente de la tierra y de algunas
partes de la atmósfera.
El vapor de agua producto de la evaporación, se condensa en la atmósfera formando
nubes, las que al reunir ciertas condiciones precipitan llegando a la tierra o a los
océanos. Parte del agua de precipitación puede ser interceptada por las plantas,

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escurrir sobre la superficie de los suelos ó infiltrarse al subsuelo; gran parte del agua
interceptada, de la transpirada por las plantas y de la que escurre superficialmente,
vuelve a la atmósfera al evaporarse. El agua infiltrada puede percolar a zonas
profundas, almacenándose en acuíferos subterráneos, las cuales pueden aflorar como
manantiales, agregándose a corrientes superficiales y llegar a los mares y océanos
para ser evaporada cerrando así el ciclo del agua o ciclo hidrológico. Por lo tanto, se
puede observar que en el ciclo hidrológico intervienen procesos complicados de
evaporación, transpiración, infiltración, percolación, afloramiento, almacenamiento y
escorrentía.
Cuadro N° 1.1: Distribución del Agua en el Planeta
Fuente Area
(106
km2
)
Volumen
(km3
)
Porcentaje de
Agua Total
Porcentaje de
Agua Dulce
Océanos 361.3 1,338,000,000 96.5
Agua Subterránea: - Dulce
- Salada
134.8
134.8
10,530,000
12,870,000
0.76
0.93
30.1
Humedad del suelo 82.0 16,500 0.0012 0.05
Hielo Polar 16.0 24,023,500 1.7 68.6
Hielo no Polar y Nieve 0.3 340,600 0.025 1.0
Lagos: - Dulce
- Salada
1.2
0.8
91,000
85,400
0.007
0.006
0.26
Pantanos 2.7 11,470 0.0008 0.03
Ríos 148.8 2,120 0.0002 0.006
Agua Biológica 510.0 1,120 0.0001 0.003
Agua Atmosférica 510.0 12,900 0.001 0.04
Agua Total 510.0 1,385,984,610 100
Agua Dulce 148.8 35,029,210 2.5 100
Fuente: World Water Balance and Water Resources of the Earth, UNESCO, 1978
Cuadro N° 1.2: Balance Global Anual del Agua
Fuente Unidades Oceáno Tierra
Área km2
361,300,000 148,800,000
Precipitación km3
/año
mm/año
458,000
1,270
119,000
800
Evaporación km3
/año
mm/año
505,000
1,400
72,000
484
Escorrentía hacia los océanos
Ríos km3
/año 44,700
Agua Subterránea km
3
/año 2,200
Escorrentía Total km3
/año
mm/año
47,000
316
Fuente: World Water Balance and Water Resources of the Earth, UNESCO, 1978

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1.7. EL SISTEMA HIDROLOGICO
Los fenómenos hidrológicos son extremamente complejos, por lo que nunca serán
conocidos completamente. Sin embargo a falta de una concepción perfecta, pueden ser
representados de forma simplificada mediante el concepto de sistema que es
considerado como un conjunto de partes que interactúan como un todo. El ciclo
hidrológico puede considerarse como un sistema con componentes que serían:
precipitación, evaporación, escorrentía y los otros componentes del ciclo. Estos
componentes pueden ser agrupados a su vez en subsistemas y para analizar todo el
sistema, los subsistemas pueden ser tratados por separado y los resultados
combinados de acuerdo a las interacciones entre ellos.
En la Figura 1.3, se representa al ciclo hidrológico global como un sistema. Las líneas
punteadas dividen el sistema total en tres subsistemas: el sistema de agua
atmosférica, que contiene los procesos de precipitación, evaporación, intercepción y
transpiración; el sistema de agua superficial que contiene los procesos de escorrentía
superficial, flujo sobre el suelo, flujo subsuperficial y subterráneo (hacia los cauces y a
los océanos); y el sistema de agua subsuperficial, que contiene los procesos de
infiltración, percolación profunda, flujo subsuperficial y flujo subterráneo.
Evaporación
Escorrentía
a cauces y mares
Precipitación
Intercepción
Transpiración
Flujo sobre
el suelo
Escorrentía
superficial
Percolación
profunda
Infiltración
Flujo
subsuperficial
Flujo
subterráneo
Agua
Atmosférica
Agua
Superficial
Agua
Subterránea
+
+
+
+
Figura 1.3: Representación del Sistema Hidrológico Global Mediante un
Diagrama de Bloques
+
+
+
Evaporación

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En la mayoría de los problemas prácticos,
solo son considerados algunos de los
procesos hidrológicos al mismo tiempo, así
como se toma en cuenta solo una pequeña
porción de la superficie terrestre. En la
hidrología moderna se usa un concepto más
restringido de sistema que el ciclo hidrológico
global, se trata del volumen de control, similar
a lo que se usa en mecánica de los fluidos,
para aplicar los principios básicos de
conservación de masa, cantidad de
movimiento y energía.
Por lo tanto, podemos definir a un sistema hidrológico como una estructura o volumen
limitado en el espacio, al cual entran variables como agua y otras entradas, opera
internamente sobre ellas, y produce variables de salida, que pueden ser de la misma
naturaleza que las de entrada, pero de diferente magnitud. Un medio de trabajo ingresa
al sistema, interactúa con la estructura y otros medios, y abandonan el sistema como
salida. Procesos físicos, químicos y biológicos operan sobre los medios de trabajo
dentro del sistema; los medios de trabajo más comúnmente incluidos en el análisis
hidrológico son el agua, aire y energía calórica. Debido a las dimensiones y
complejidad de los procesos hidrológicos, la aplicación de las leyes físicas producen
sólo aproximaciones en los resultados. La mayoría de los procesos son además, de
naturaleza aleatoria, por lo tanto, el análisis estadístico juega un papel importante en el
estudio hidrológico del sistema.
La Figura 1.5 representa el proceso lluvia-
escorrentía correspondiente a una tormenta
sobre una cuenca desde el punto de vista de
un sistema hidrológico. El proceso de entrada
I(t) es la precipitación, distribuida en el
espacio sobre el plano superior; el caudal Q(t)
es el proceso de salida, concentrado en el
punto de salida de la cuenca, y es el resultado
de aplicar la función de transferencia (t) del
sistema a la entrada I(t). También podrían
considerarse como salidas a la evaporación y
al flujo subsuperficial, sin embargo, estos
procesos son muy pequeños comparados con
el caudal que ocurre durante la tormenta. La
estructura del sistema viene a ser el conjunto
de líneas de flujo sobre o a través del suelo,
incluyendo todas las corrientes tributarias que
eventualmente se transforman en caudal de
salida.
1.8. MODELO HIDROLÓGICO
El objetivo de análisis de sistemas hidrológicos es estudiar la operación del sistema y
predecir su salida. Un modelo del sistema hidrológico es una aproximación del
sistema real, sus entradas y salidas son variables hidrológicas mensurables, y su
estructura, un conjunto de ecuaciones o funciones de transferencia que transforman las
variables de entrada en variables de salida. Una de las primeras clasificaciones agrupa
ENTRADA
I(t)
SALIDA
Q(t)
OPERADOR
(t)
Figura 1.4: Representación esquemática de
la operación del sistema
Caudal
Q(t)
Precipitación
I(t)
Cuenca
Figura 1.5: La Cuenca como
Sistema Hidrológico

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a los modelos hidrológicos en dos categorías: Modelos Físicos y Modelos
Matemáticos. Los primeros representan el sistema sobre una escala reducida, tal
como los modelos hidráulicos; los segundos representan el sistema en forma
matemática, mediante una serie de funciones que relacionan las variables de salida con
las variables de entrada. La mayoría de los procesos hidrológicos son aleatorios y su
magnitud varía con el tiempo y con el espacio, por lo que el desarrollo de un modelo
con esas características es una tarea muy difícil y requiere de una simplificación,
despreciando algunas fuentes de variación.
Los modelos matemáticos, a su vez, pueden ser determinísticos o estocásticos. El
modelo determinístico no considera la aleatoriedad, es decir que una entrada al
sistema siempre produce la misma salida y se usa cuando las variaciones de la salida
son pequeñas como en el caso de los pronósticos, modelo de hidrograma unitario, etc.
Un modelo estocástico produce salidas, por lo menos, parcialmente aleatorias y se
usa cuando las variaciones de la salida son mayores, como en las predicciones.
Desde un punto de vista general, los problemas hidrológicos pueden ser encuadrados
dentro de tres categorías: Valores medios: (para planeamiento de recursos hídricos,
definición de políticas generales). Incluye la definición de valores medios anuales,
mensuales y estacionales de precipitación, caudal, evaporación, etc. Son valores
medios sobre grandes áreas geográficas, en general heterogéneas del punto de vista
climático, geológico y topográfico. Valores extremos: (especificaciones para obras
hidráulicas). Se requieren valores máximos o mínimos de precipitación, caudal, etc., los
cuales, junto con criterios económicos, permiten determinar las dimensiones de
aliviaderos, alturas de presas, capacidad de bombas, alturas de puentes, volúmenes de
embalses, obras de irrigación, plantas de tratamiento, etc. Valores temporales: (para
operación de sistemas hídricos). En ciertos casos como en la operación de estructuras
hidráulicas y en previsiones en tiempo real, se necesita del registro histórico de la
respuesta de un sistema hidrológico a una excitación o impulso dado.
1.9. EL BALANCE HÍDRICO
Dado que la cantidad de agua disponible en la
tierra es finito e invariable, el sistema
hidrológico global puede ser considerado
cerrado, no obstante sean comunes los
sistemas abiertos. Según Viessman, Knapp,
Lewis y Harbaugh (1977), la cuenca
hidrográfica es un área definida
topográficamente, drenada por un curso de
agua o un sistema conectado de cursos de
agua de tal forma que todo el caudal sea
descargada a través de una única salida.
Para ilustrar la aplicación del balance hídrico
en una cuenca hidrográfica, consideremos el
sistema muy simple y muy restringido de la
Figura 1.6.
Este sistema está constituido de una superficie plana inclinada, completamente
impermeable, confinada en sus cuatro lados con una salida en el punto A. Si una
entrada de lluvia es aplicada al sistema, una salida, designada como flujo superficial, se
desarrollará en A. El balance de agua en este sistema puede ser representado por la
siguiente ecuación hidrológica:
O = Salida (Caudal)
I = Entrada (Precipitación)
Figura 1.6: Modelo de Balance Hídrico Simple
A

- 12 -
dt
dS
O
I (1.1)
donde I es la entrada por unidad de tiempo, O la salida por unidad de tiempo y dS/dt la
variación del almacenamiento dentro del sistema por unidad de tiempo. Existe la
necesidad de que una altura mínima sea acumulada en la superficie para que haya
escorrentía superficial pero, a medida en que la intensidad de lluvia aumenta, la altura
de agua retenida sobre la superficie aumenta. Una vez cesado la lluvia, el agua
retenido sobre la superficie continuará fluyendo hasta dejar el sistema como caudal
remanente. En este ejemplo toda la precipitación será eventualmente transformada en
caudal, siempre que sean despreciadas las pérdidas por evaporación durante la
entrada.
En la realidad, el balance hídrico en una cuenca hidrográfica no es tan simple como el
modelo presentado; diversas pérdidas ocurren durante el proceso. Así como la
evaporación que tiene lugar desde el momento en que se inicia la precipitación; luego
que llega al suelo, el agua precipitada, comienza a ser almacenada; como la superficie
del suelo no es plana como en el modelo, ya que existen depresiones en el terreno, el
agua allí acumulada, eventualmente será evaporada o se infiltrará en el suelo; no
obstante alcanza los cursos de agua o se transforma en escorrentía, el agua continua
sufriendo el proceso de evaporación, y que deben, por lo tanto ser consideradas.
Otro proceso que ocurre, desde el momento
en que la precipitación toca el suelo, es el de
la infiltración ya que ningún suelo es
impermeable y existen siempre pérdidas por
infiltración; cuando el agua penetra en el
suelo, sigue diversos caminos, quedando
almacenada temporalmente en el suelo, y
luego percolando hacia capas profundas,
conformando el agua subterránea o
moviéndose lateralmente, como flujo
subterráneo, pudiendo aflorar nuevamente o
fluir para otra cuenca.
Considerando todos estos procesos, de una
forma general, el balance hídrico en una
cuenca hidrográfica puede ser visualizado en
la Figura 1.7 y representado por las siguientes
ecuaciones matemáticas:
a) Balance Hídrico en la superficie
s
s
s
g S
I
T
E
R
R
P (1.2)
b) Balance Hídrico debajo de la superficie
g
g
g
g
2
1 S
T
E
R
G
G
I (1.3)
G1
Sg
Ss
Es
Ts
Eg
Tg
Rg
G2
I
Estrato impermeable
P
R
Figura 1.7: Diagrama Esquemático
del Balance Hídrico en una Cuenca

- 13 -
c) Balance Hídrico en la cuenca hidrográfica (suma de las ecuaciones 1.2 y 1.3)
g
s
1
2
g
s
g
s S
S
G
G
T
T
E
E
R
P (1.4)
En las ecuaciones anteriores, los subíndices “s” y “g” significan el origen del vector,
sobre o debajo de la superficie del suelo, respectivamente.
P = precipitación E = evaporación
T = transpiración R = escorrentía superficial
G = flujo subterráneo I = infiltración
S = almacenamiento
Ejemplo 1.1:
Para un mes dado, un lago de 1.5 km2
tiene una entrada de 0.5 m3
/s, una salida de 0.3
m3
/s y un incremento de almacenamiento total de 0.1 km2
-m. Un pluviómetro cercana al
lago registró una precipitación total de 50 mm para el mes. Asumiendo que la
infiltración es insignificante, determinar las pérdidas por evaporación, sobre el lago.
Solución:
La ecuación del balance hídrico, puede plantearse de la siguiente manera:
ento
almacenami
ion
precipitac
salida
entrada
n
evaporacio
S
P
O
I
E
mm
864
m
864
.
0
km
5
.
1
mes
1
dias/mes
30
h/dia
24
s/h
3600
m
10
/
km
1
/s
m
5
.
0
2
2
6
2
3
I
mm
4
.
518
m
5184
.
0
km
5
.
1
mes
1
dias/mes
30
h/dia
24
s/h
3600
m
10
/
km
1
/s
m
3
.
0
2
2
6
2
3
O
mm
50
P
mm
7
.
66
m
0667
.
0
km
5
.
1
m
km
1
.
0
2
2
S
mm
9
.
328
7
.
66
50
4
.
518
864
E
Ejemplo 1.2:
Para un año dado, una cuenca con un área de 2500 km2
recibe 130 cm de
precipitación. El caudal promedio medido a la salida de la cuenca fue de 30 m3
/s.
Estimar la cantidad de pérdida de agua debido al efecto combinado de evaporación,
transpiración e infiltración. ¿Calcular la escorrentía superficial en cm?. ¿Cual es el
coeficiente de escorrentía?.
Solución:

- 14 -
La ecuación de balance hídrico para la cuenca se puede escribir de la siguiente
manera:
ento
almacenami
erfcial
a
escorrenti
ion
precipitac
o
subterrane
flujo
piracion
evapotrans
S
R
P
G
ET
sup
asumiendo que los niveles de agua son los mismos para t = 0 y t = 1, entonces S = 0
cm
9
.
37
m/km
1000
km
2500
cm/m
100
dias/año
365
s/dia
86400
/s
m
30
2
2
3
R (escorrentía superficial)
Las pérdidas por evaporación, transpiración e infiltración es:
cm
1
.
92
cm
9
.
37
cm
130
G
ET
el coeficiente de escorrentía es: 29
.
0
cm
130
cm
9
.
37
P
R
1.10. BIBLIOGRAFÍA
(1) BEDIENT P. B.; HUBER W. C. – Hydrology and Floodplain Analysis, USA,
Addison-Wesley Publishing Company, 1992
(2) CHOW VEN TE – Hand book of Applied Hydrology, New York, McGraw-Hill Book
Company, 1964
(3) CHOW VEN TE; MAIDMENT D. R.; MAYS L. W. – Applied Hydrology, McGraw-
Hill Book Company, 1988
(4) GARCÉS, L. N. - Hidrología, Sao Paulo, Ed. Edgard Blücher. 1967
(5) HERAS, R. - Manual de Hidrología: los recursos hidráulicos, Madrid, Centro de
Estudios Hidrográficos, 1949 v. 3
(6) INSTITUTO NACIONAL DE RECURSOS NATURALES (INRENA) – DIRECCION
GENERAL DE AGUAS Y SUELOS (DGAS) – Estudio de Reconocimiento del Uso
del Recursos Hídrico por los Diferentes Sectores Productivos en el Perú, INR-42-
DGAS, Lima – Perú, 1996
(7) LINSLEY Jr., R. K.; KOHLER, M. A. & PAULHUS, J. L. H. – Applied Hydrology,
New York, McGraw-Hill Book Company, 1949
(8) LINSLEY Jr., R. K.; KOHLER, M. A. & PAULHUS, J. L. H. – Hydrology for
Engineers, New York, McGraw-Hill Book Company, 1958
(9) NEMEC, J. – Engineering Hydrology, London, McGraw-Hill Book Company, 1972
(10) SECRETARIA DE RECURSOS HIDRÁULICOS, Elementos de escurrimiento
superficial – Memorando Técnico N° 330, México D. F., 1974
(11) VIESSMAN Jr., W.; HARBAUGH, T.E. & KNAPP, J. W. – Introduction to
Hydrology, New York, Intext Educational, 1972.
(12) VILELA S. M.; MATTOS A. – Hidrologia Aplicada, Sao Paulo, McGraw-Hill do
Brasil, 1975

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