hidrologia

1. 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.
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2. 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.
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3. 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%
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4. 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.
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5. 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:
t
AGUAVARIACIÓN
SALIDASENTRADAS
∆
=− (1.1)
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
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6. 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):
( )
77.0
minmax
3
c
hh
L
0195.0t








−
= (1.2)
donde L, hmax y hmin son la longitud máxima de la cuenca, altura máxima y altura
mínima en metros, respectivamente. tc es el tiempo de concentración en minutos.
Figura 1.2. Componentes del Ciclo Hidrológico en España.
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7. Capítulo 1. CONCEPTOS GENERALES Y DEFINICIONES
Salida
Divisoria de aguas
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.
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8. 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 km2
y P el perímetro de la cuenca en km, p el perímetro del círculo de
superficie A, el índice de compacidad Ic es
A2R2p π=π= (1.3)
A
P
28.0
A2
P
p
P
Ic =
π
== (1.4)
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:
12.1I 1c = , 4.1I 2c = , 87.1I 3c =
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:
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9. Capítulo 1. CONCEPTOS GENERALES Y DEFINICIONES
( )∑=
−−β=
n
2i
1iiip 1000aa
L
1
I (1.5)
donde Ip es el índice de pendiente, a1, a2 ... son las curvas de nivel consideradas en
metros, βi es la fracción de la superficie total de la cuenca comprendida entre las cotas ai
y ai-1 y L es la longitud mayor del rectángulo equivalente.
Cuenca 1 Cuenca 2 Cuenca 3
L
L
L / 2
2 L
L / 3
3 L
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 Km2
. 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 km2
.
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10. HIDROLOGÍA I: CICLO HIDROLÓGICO
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0
10
20
30
40
50
Superficie(km
2
)
Altitud (m)
Figura 1.5. Curva Hipsométrica.
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0
10
20
30
40
50
%delasuperficietotaldelacuenca
Altitud (m)
Figura 1.6 Curva de frecuencias altimétricas.
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