El documento describe el ciclo hidrológico y sus principales componentes. Explica que el ciclo hidrológico involucra la evaporación, condensación, precipitación, escorrentía superficial y subterránea, y que aproximadamente dos terceras partes del agua de la precipitación regresa a la atmósfera a través de la evaporación y transpiración. También proporciona cifras sobre la distribución mundial del agua dulce y salada, asi como de la escorrentía continental.

1. Hidrología de Cuencas Ysaías Choquegonza Huiracocha
CAPITULO I
HIDROLOGIA.
1.1. DEFINICION.
La hidrología juega un rol muy importante en la planificación de
cuenca, principalmente en los aspectos que tienen relación con el
dimensionamiento de estructuras de uso y control de agua así
como estudios y gestión del medio ambiente.
La hidrología es la ciencia natural que estudia al agua, su
existencia, ocurrencia, circulación y distribución en la superficie
de la tierra, sus propiedades físicas y químicas y su influencia
sobre el medio ambiente, incluyendo su relación con los seres
vivos. El dominio de la hidrología abarca la historia completa del
agua sobre la tierra.
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. Aplicaciones prácticas de la hidrología se encuentran en
labores tales como diseño y operación de estructuras hidráulicas,
abastecimiento de agua, tratamiento y disposición de aguas
residuales, irrigación y control de sedimentos, control de salinidad,
disminución de contaminación, uso recreacional del agua
protección de la vida terrestre y acuática.
1.2. EL CICLO HIDROLOGICO.
El ciclo hidrológico es la sucesión de un conjunto de cambios que
experimenta el agua en la naturaleza es decir sufre cambios en la
hidrosfera y que obedece a leyes físicas, tanto en su estado sólido,
liquido y gaseoso, como en su forma de agua superficial y agua
subterránea, etc. Se puede decir que es un proceso continuo cíclico
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de los fenómenos hidrológicos que no tiene principio ni fin, como
ya se mencionó, se considera el concepto fundamental de la
hidrología.
Para una mejor comprensión, el ciclo hidrológico comienza con la
emisión de vapor producido por la evaporación, transpiración y
evapotranspiración que son producidas por el agua, vegetación y el
suelo, que asciende hasta cierta altura de la atmósfera que son
llevados por las masas de aire en movimiento, donde se condensa
el vapor enfriado en gotitas visibles que forman nubes o neblinas,
las mismas gotitas se agrandan lo suficientemente para caer a la
tierra que dan origen a la precipitación, donde interceptada,
detenida y retenida por la vegetación y estructuras, precipitación
que se pierde por evaporación y transpiración antes de penetrar en
el suelo, una parte de agua es almacenado en las depresiones del
terreno, parte de la precipitación se convierte en escorrentía que
fluye por la superficie del terreno (escorrentía superficial para
formar ríos y quebradas que van a desembocar a lagos y océano) o
por debajo de aquel (escorrentía subterránea) y la otra se infiltra en
forma de conducto a través de materiales naturales o artificiales y
la otra parte se percola a través de un medio poroso, por ejemplo
de agua en el suelo bajo la acción de la gradientes hidráulicos
moderado; principalmente es un flujo debido a la acción de la
gravedad, y el resto se transporta por la capilaridad presentando al
agua capilar que son tratados en medios poroso, donde actúan dos
fuerzas la de adhesión que es mayor al de la fuerza de cohesión del
liquido. El resto de la precipitación se tiene como derretimiento
que es la acción de volver liquida por medio de calor el agua en
estado sólido, tal como nieve, granizo etc., y como filtración es un
movimiento y paso de agua alrededor de estructuras.
En conclusión se puede deducir que unas dos terceras partes de la
precipitación que llega a la superficie del terreno regresan a la
atmósfera por evaporación de las superficies del agua, del suelo y
de la vegetación, y por la transpiración de las plantas, la porción
restante de la precipitación regresa finalmente al océano a través
de los conductos superficiales o subterráneos.
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Los procesos del ciclo hidrológico discurren en la atmósfera y en
la superficie terrestre por lo que se puede admitir dividir el ciclo
del agua en dos ramas: aérea y terrestre.
El agua que precipita sobre los suelos va a repartirse, a su vez, en
tres grupos: una que es devuelta a la atmósfera por
evapotranspiración y dos que producen escurrimiento superficial y
subterráneo. Esta división está condicionada por varios factores,
unos de orden climático y otros dependientes de las características
físicas del lugar donde ocurre la precipitación.
Así, la precipitación, al encontrar una zona impermeable, origina
escurrimiento superficial y la evaporación directa del agua que se
acumula y queda en la superficie. Si ocurre en un suelo permeable,
poco espeso y localizado sobre una formación geológica
impermeable, se produce entonces escurrimiento superficial,
evaporación del agua que permanece en la superficie y aún
evapotranspiración del agua que fue retenida por la cubierta
vegetal. En ambos casos, no hay escurrimiento subterráneo; este
ocurre en el caso de una formación geológica subyacente
permeable y espesa.
La energía solar es la fuente de energía térmica necesaria para el
paso del agua desde las fases líquida y sólida a la fase de vapor, y
también es el origen de las circulaciones atmosféricas que
transportan el vapor de agua y mueven las nubes.
La fuerza de gravedad da lugar a la precipitación y al
escurrimiento. El ciclo hidrológico es un agente modelador de la
corteza terrestre debido a la erosión y al transporte y deposición de
sedimentos por vía hidráulica. Condiciona la cobertura vegetal y,
de una forma más general, la vida en la Tierra.
El ciclo hidrológico puede ser visto, en una escala planetaria,
como un gigantesco sistema de destilación, extendido por todo el
Planeta. El calentamiento de las regiones tropicales debido a la
radiación solar provoca la evaporación continua del agua de los
océanos, la cual es transportada bajo forma de vapor de agua por
la circulación general de la atmósfera, a otras regiones. Durante la
transferencia, parte del vapor de agua se condensa debido al
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enfriamiento y forma nubes que originan la precipitación. El
regreso a las regiones de origen resulta de la acción combinada del
escurrimiento proveniente de los ríos y de las corrientes marinas.
1.3. ESQUEMA DEL CICLO HIDROLOGICO.
En las figuras 1.1 y 1.2 se observa dos esquemas del ciclo
hidrológico con sus principales componentes.
1.4. EL RECURSO AGUA EN EL MUNDO.
El cálculo de la cantidad total de agua de la tierra y en numerosos
procesos del ciclo hidrológico ha sido tema de exploración
científica, sin embargo, la información cuantitativa es escasa,
particularmente en los océanos, lo cual significa que las
cantidades de agua en varios componentes del ciclo hidrológico
global todavía no se conocen en forma precisa.
En la tabla 1.1 se encuentran las cantidades estimadas de agua en
las diferentes formas que existe en la tierra. La cantidad total de
agua es de 1,338,000,000 billones de Km3 pero el 96.5% se
encuentra en los océanos y en el mar, el 1.7% se encuentra en los
hielos polares, el 1.7 en manantiales subterráneos y solamente el
0.1% en los sistemas de agua superficial y atmosférica. Cerca de
dos terceras partes del agua dulce de la tierra son hielo polar y la
mayoría es agua subterráneo que va desde 200 hasta 600 m de
profundidad. La mayor parte que se encuentra debajo de esta
profundidad es salina. Solamente el 0.006% del agua dulce esta en
ríos. El agua biológica que se encuentra en los animales y
vegetales representa cerca del 0.003% de toda el agua dulce,
equivalente a la mitad del volumen contenido en los ríos.
A pesar de que inmensas cantidades de agua pasan anualmente a
través de ellos. En la tabla 1.2 se muestra la distribución de la
escorrentía mundial que presenta distribuido en siete áreas
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continentales del planeta, Para ello han sido cuantificada por
varios autores, aquí solo mencionaremos la de SHIKLOMANOV.
Se ha estimado que la precipitación total sobre los continentes es,
en promedio de 1000.000 km3
por año lo que equivale a 685ml
anuales. De esta enorme cantidad de agua un elevado porcentaje,
el 65%, se evapora y regresa a la atmósfera. De la masa hídrica
restante, una parte se infiltra y, eventualmente da lugar a la
escorrentía subterránea: otra, contribuye al mantenimiento de
diversas formas de retención superficial, y la mayor parte
constituye la escorrentía superficial, la que en cifra redondas y
como promedio plurianual es de 35,000 km por año.
En consecuencia, los ríos de la tierra conducen hacia los mares y
océanos una cantidad anual de agua equivalente
35,000,000,000,000m3
. Estimaciones hecha por el U. S.
Geological Survey fijan la escorrentía superficial en 1,170,400
m3
/seg, en tanto que según el balance mundial efectuado por la
antigua Unión Soviética, este valor seria de 1,154,200m3
/seg.
A pesar de que inmensas cantidades de agua pasan anualmente a
través de ellos. En la tabla 1.3 se muestra la distribución del
recurso agua en el espacio y el tiempo es decir el balance anual del
agua en el mundo, por continentes.
1.5. CONCEPTO DE SISTEMA HIDROLOGICO.
Como de se puede apreciar en la figura 1.1 el ciclo hidrológico es
un fenómeno muy complejo y es posible que nunca se les entienda
en su totalidad por la gran cantidad de variables que intervienen.
Para una mejor comprensión se puede simplificar el problema, en
que los hidrólogos han introducido el concepto de SISTEMA para
entender el ciclo hidrológico y de esta manera lograr su aplicación
practica en la solución de problemas de Ingeniería Hidráulica e
Hidrología.
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6. Hidrología de Cuencas Ysaías Choquegonza Huiracocha
Figura 1.1 Ciclo Hidrológico.
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Figura 1.2 Proceso del Ciclo Hidrológico.
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8. Hidrología de Cuencas Ysaías Choquegonza Huiracocha
TABLA N° 1.1 Cantidades Estimadas de Agua en el Mundo.
Item Área(10^6 km2) Volumen(Km3) porcentaje de agua total porcentaje de agua dulce
Océanos 361.3 1338000000 96.5
Agua Subterránea
- Dulce 134.8 10530000 0.7597 30.0606
- Salada 134.8 12870000 0.9286
Humedad del Suelo. 82.0 16500 0.0012 0.0471
Hielo polar. 16.0 24023500 1.7333 68.5813
Hielo no polar y nieve. 0.3 340600 0.0246 0.9723
Lagos.
- Dulce 1.2 91000 0.0066 0.2598
- Salada 0.8 85400 0.0062
Pantanos. 2.7 11470 0.0008 0.0327
Ríos. 148.8 2120 0.0002 0.0061
Agua biológica. 510.0 1120 0.0001 0.0032
Agua atmosférica. 510.0 12900 0.0009 0.0368
Agua total. 510.0 1385984610 100.00
Agua dulce. 148.8 35029210 2.5274 100.00
Fuente: Chow Ven Te, Hidrología Aplicada 1994.
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Tabla 1.2 Distribución Continental de la Escorrentía Mundial Según SHIKLOMANOV
REGIÓN
Caudal Anual Porcentaje de
la escorrentía
total
Superficie
103
km3
Descarga
especifica
l/seg/km2
Mm Km3
Europa 306 3210 7 10500 9.7
Asia 332 14410 31 43475 10.5
África 151 4570 10 30120 4.8
América del Norte y central 339 8200 17 24200 10.7
América del Sur 661 11760 25 17800 20.9
Australia y tasmania 45 348 1 7683 1.4
Oceanía 1610 2040 4 1267 51.1
Antártica 160 2230 5 13977 5.1
Total Mundial 314 46768 100 149022 10.0
Caudal : 1 483 004 m3
/s.
Fuente: Arturo Rocha; Introducción a la Hidráulica Fluvial.
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Tabla 1.3 Balance anual de Agua en el Planeta.
Variable Unidades Océano Tierra
Área (Km2
) 361,300,00
0
148,800,000
Precipitación (km3
/año)
(mm/año)
(plg/año)
458,000
1,270
50
119,000
800
31
Evaporación (km3
/año)
(mm/año)
(plg/año)
505,000
1,400
55
72,000
484
19
Escorrentía hacia los Océanos
Ríos (km3
/año) 44,700
Agua Subterránea (km3
/año) 2,200
Escorrentía Total (km3
/año)
(mm/año)
(plg/año)
47,000
316
12
Fuente: UNESCO 1978
Por lo tanto el ciclo hidrológico es un medio apropiado para
describir el alcance de la hidrología, la cual se limita a la parte del
ciclo que cubre desde la precipitación del agua sobre la tierra hasta
el regreso de ésta bien sea a la atmósfera o a los océanos, mares,
lagos, etc. El ciclo hidrológico sirve para destacar cuatro fases
básicas de interés para el hidrólogo: Precipitación, evaporación y
transpiración, escorrentía superficial y agua subterránea y otras
fases del ciclo hidrológico de interés.
Si aplicamos el concepto de sistema al ciclo hidrológico en forma
simplificada, pues un SISTEMA es un conjunto de partes
conectadas en sí, que forman un todo. El ciclo hidrológico puede
tratarse como un sistema cuyos componentes que son sus
procesos. Estos componentes forman los subsistemas del ciclo
total, que se pueden analizar separadamente y combinarse los
resultados de acuerdo con las interacciones entre los subsistemas.
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11. Hidrología de Cuencas Ysaías Choquegonza Huiracocha
En el ciclo hidrológico global se representa como un sistema. Lo
que se dividen en tres subsistemas: el sistema de agua atmosférica
contiene los procesos de precipitación, evaporación, intercepción y
transpiración; el sistema de agua superficial contiene los procesos
de flujo superficial, escorrentía superficial, nacimientos de agua
subsuperficial y subterránea, y escorrentía hacia ríos, lagos, mares
y océano; y el sistema de agua subsuperficial contiene los
procesos de infiltración, recarga de acuífero, flujo subsuperficial y
flujo de agua subterránea.
Por tanto, un sistema hidrológico se define como una estructura o
volumen en el espacio, rodeada por una frontera que acepta agua y
otras entradas, opera en ellas internamente y las produce como
salidas, Por ejemplo un sistema se puede considerar a una presa, a
un vaso, una cuenca o una hoya, etc. para efectos prácticos, en una
cuenca acuífera se considera que la entrada, más importante del
sistema es la precipitación y las salidas igualmente importantes
son el caudal y la evaporación, que normalmente los limites de
frontera son las divisorias de las aguas.
Si se utiliza el concepto de un sistema, el esfuerzo se dirige hacia
la construcción de un modelo que relacione entradas y salidas en
lugar de llevar a cabo la extremadamente difícil tarea de una
representación exacta de los detalles del sistema, los cuales
pueden ser desconocidos o no significativos desde un punto de
vista práctico. Sin embargo, el conocimiento de un sistema físico
ayuda en el desarrollo de un buen modelo y en la determinación de
su precisión, esto es producto de un numero de caminos que se
examinan en la superficie y el suelo de una cuenca caso como la
forma, la pendiente y la rugosidad que cambian continuamente en
el tiempo, del mismo modo la precipitación varia aleatoriamente
en el espacio y el tiempo.
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Entrada Operación Salida

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1.6. ECUACIÓN FUNDAMENTAL DE LA HIDROLOGIA.
La ecuación fundamental esta dada por la simple relación de un
sistema considerando como una idea central de entradas y salidas
dentro de un volumen de control, produciendo un cambio de
almacenamiento, es decir lo que entra menos lo que sale es igual al
cambio de almacenamiento. La ecuación siguiente se calcula para
un determinado periodo de tiempo y para su volumen de control.
t
S
OI
∆
∆
=−
Considerando una cuenca hidrográfica y hidrológica se tiene la
siguiente relación:
Entradas (I):
 Precipitación.
 Importaciones de agua.
 Escorrentía superficial desde otras cuencas vecinas.
 Aguas subterráneas desde otras cuencas vecinas.
Salidas (O):
 Evaporación.
 Transpiración,
 Escorrentía superficial hacia otras cuencas vecinas.
 Exportaciones de agua.
 Aguas subterráneas hacia otras cuencas vecinas.
 Infiltración.
Cambios de Almacenamiento ( S∆ ):
 Almacenamiento de aguas subterráneas.
 Almacenamiento por cambio de humedad del suelo.
 Almacenamiento superficial en embalses, en canales y en la propia
escorrentía superficial.
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13. Hidrología de Cuencas Ysaías Choquegonza Huiracocha
1.7. APLICACIONES DE LA HIDROLOGIA.
 Escogencia de fuentes de abastecimiento de agua para uso
domestico o industrial.
 Estudio de diferentes proyectos de infraestructura hidráulica.
 Ejecución o construcción de obras hidráulicas.
 Drenaje.
 Irrigación.
 Regulación de los Cursos de agua.
 Control de inundaciones.
 Control de polución.
 Control de erosión.
 Navegación.
 Aprovechamiento hidroeléctrico.
 Operación de sistemas hidráulicos complejos.
 Recreación y preservación del medio ambiente.
 Preservación y desenvolvimiento de la vida acuática.
1.8. MODELOS HIDROLOGICOS.
Como el ciclo hidrológico es representado y considerado como un
sistema, por lo tanto éste es posible representarlo mediante un
modelo.
Un modelo de sistema hidrológico es una aproximación al sistema
real.; sus entradas y salidas son variables hidrológicas mensuradas
y su estructura es un conjunto de ecuaciones que conectan las
entradas y las salidas. Por lo tanto un modelo hidrológico tratará
de representar en forma aproximada al ciclo hidrológico y su
objetivo de análisis del sistema hidrológico es estudiar la
operación del sistema y predecir su salida.
Un modelo hidrológico puede dividirse en dos clases: modelo
físico y modelo abstracto. Los primeros trata de representar a
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14. Hidrología de Cuencas Ysaías Choquegonza Huiracocha
escala el ciclo hidrológico como sistema en una escala reducida,
tal como un modelo hidráulico del vertedero de una presa.
Y el modelo abstracto representa al ciclo hidrológico como
sistema en forma matemática. La operación del sistema se
describe por medio de un conjunto de ecuaciones que relacionan
las variables de entrada y de salida, este modelo es la que se usa
mayormente en la hidrología.
En la práctica, la importancia del modelo matemático reside en
que conociendo las entradas y estudiando la operación del sistema
es posible predecir su salida. Las variables pueden ser funciones
del espacio y del tiempo, y también pueden ser variables
probabilísticas o aleatorios que no tienen un valor fijo en un punto
particular del espacio y del tiempo, pero que están descritas a
través de distribuciones de probabilidad, por ejemplo más aun
tratándose de la lluvia como entrada que es un fenómeno
altamente aleatorio.
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