Tema 1: Conceptos básicos

DEFINICIÓN DE HIDROLOGÍA

Es la geociencia que describe y predice la ocurrencia, la circulación y distribución del agua en la (Tierra y su atmósfera) hidrosfera.

Tiene dos objetivos principales:

• Conocimiento y cuantificación de los componentes del ciclo hidrológico global:

  • Distribución del agua.

    • Variaciones temporales y espaciales del agua en los diferentes compartimentos del sistema hidrológico global.

• Conocimiento de la fase terrestre del ciclo hidrológico (énfasis en la faceta superficial):

  • Movimiento del agua sobre y bajo la superficie del suelo.

  • Interacciones físicas y químicas con el sustrato debidas a este movimiento.

  • Los procesos biológicos implicados en este movimiento.

La Hidrología es considerada como una ciencia básica en la gestión de los recursos hídricos. Debe ser la base de la ingeniería hidrológica.

Los principales hechos para el gran desarrollo de la hidrología sobre todo en el último siglo y medio están relacionados con:

• La necesidad de gestionar/planificar el uso de los recursos hídricos.

• La minimización del riesgo derivado de los eventos hidrológicos extremos: sequías e inundaciones.

Solo si cuantificamos el agua disponible podemos gestionar correctamente la distribución de los recursos hídricos.

SISTEMAS HIDROLÓGICOS: LA CUENCA HIDROGRÁFICA

Sistema hidrológico: un sector de superficie territorial delimitado que:

• Recibe una serie de inputs de una cantidad conservativa.

• Almacena una parte de dicha cantidad (inputs).

• Evacua parte de dicha cantidad (outputs).

Para sustancias conservativas, como el agua, podemos escribir la ecuación de la conservación como ecuación de balance en una cuenca (el agua es conservativa aunque su densidad varie un poco dependiendo de la salinidad).

La ecuación del balance hídrico para un período temporal determinado es:

• ENTRADAS – SALIDAS = CAMBIO EN EL ALMACENAMIENTO

La unidad temporal es un año hidrológico, empieza el 1 de octubre de un año, y termina el 30 de septiembre.

Cuenca hidrográfica (cuenca hidrológica o cuenca de drenaje): correspondiente a un punto determinado del trazado de un río, a la superficie territorial receptora de agua de precipitación, cuya escorrentía pasa por el punto referido (watershed). Es el espacio de trabajo de la hidrología. Si se habla de una cuenca completa, la cuenca hidrográfica siempre es la desembocadura del río.

En Hidrología la cuenca hidrográfica suele ser el ámbito espacial de aplicación de la ecuación de la conservación en forma de balance hídrico a una región geográfica para establecer sus características hidrológicas básicas.

Las zonas de la cuenca hidrográfica son:

• Divisoria hidrográfica: límite físico superficial de una cuenca hidrográfica. Es la línea que une todos los puntos de mayor cota en torno al río, en esos puntos el agua caerá hacia el por escorrentía, es decir, delimita la zona por la que la escorrentía cae en la cuenca.

• Desembocadura: punto topográficamente más bajo de un río.

• Delimitación: se requiere un mapa topográfico. Se basa en determinar si una gota imaginaria de agua caída por precipitación alcanzará finalmente la desembocadura del río de la cuenca delimitada o no alcanzará la desembocadura (una divisoria nunca puede ir a través del río).

BALANCE HÍDRICO:

• Es la aplicación de la ecuación del balance de agua a una cuenca hidrográfica (o a una superficie dada, como un estado o continente, subcuenca).

• Para la formulación del balance hídrico regional se asume que:

  • El volumen es una cantidad conservativa.

  • La densidad, por tanto, también lo es.

FÓRMULA —> ENTRADAS – SALIDAS = ΔS

• Entradas:

  • Precipitación (P)

  • Flujo de entrada de agua subterránea (G_IN)

• Salidas:

  • Escorrentía (Q)

  • Evapotranspiración (ET)

  • Flujo de salida de agua subterránea (G_OUT).

  • ΔS: variación del agua almacenada en la cuenca.

    • P + G_IN – (Q + ET + G_OUT) = ΔS

Para una serie hidrográfica (rango de años): ΔS = 0

• P + G_IN – (Q + ET + G_OUT) = 0

En muchas ocasiones, G_IN y G_OUT son despreciables frente al resto de los términos de la ecuación, de manera que:

• P – (Q + ET) = 0

Se puede simplificar si se cumplen dos premisas:

• Si un año hidrológico es más lluvioso de lo habitual, las entradas serán mayores a las salidas, y el incremento de A será positivo. Será un año excedentario.

• Si un año es seco que la media para esa cuenca es previsible que las salidas serán mayores que las entradas. Será un año deficitario para la cuenca.

DEMACRACIONES HIDROGRÁFICAS ESPAÑOLAS:

España está dividida en demarcaciones hidrográficas. Las cuencas de primer nivel son los que desembocan en el mar. Desde que entró en vigor los planes de cuenca, se deja de hablar de cuencas hidrográficas y pasa a hablarse de demarcaciones hidrográficas. Por ejemplo, el mar menor en Murcia pertenece a la demarcación hidrográfica del Segura.

El Estado es el encargado de las demarcaciones hidrográficas. Cada una de ellas está gestionada por una confederación hidrográfica. Las demarcaciones hidrográficas que están en negro indican que el río está dentro de una única comunidad autónoma, y en ellas, es esa propia comunidad autónoma la que lo controla.

HIDROGRAFÍA DE LA PENÍNSULA IBÉRICA:

Las cuencas hidrográficas en amarillo son las cuencas de vertiente mediterránea, ya que desembocan en el Mar Mediterráneo. Las cuencas de color verde son las de vertiente cantábrica, desembocan en el Mar Cantábrico. Y las de rosa, que desembocan en el Océano Atlántico, son las de vertiente atlántica.

Es frecuente ver desbordamiento en la vertiente cantábrica debido a las altas precipitaciones. Los ríos de la vertiente atlántica son los más largos de la península ibérica. El río Ebro es muy largo, y el más caudaloso de España. A pesar de ser un río mediterráneo se comporta de forma similar al Duero y al Tajo.

ENDORREÍSMO Y EXORREÍSMO EN LA PENÍNSULA IBÉRICA:

La vertiente atlántica y la vertiente cantábrica están fusionadas ocupando así el 69% de la ocupación hidrográfica, ya que el Mediterráneo está dentro del océano Atlántico.

En la alta cuenca del Guadiana, el sector central del Ebro, y el tramo bajo del Guadalquivir son “regiones sin desagüe al mar”, endorreicas (no tiene salida ni a otro río ni al mar, el agua se suele acumular en lagos o lagunas, que se encuentran en la zona más baja de la cuenca.)

CONCEPTO Y ELEMENTOS DEL CICLO HIDROLÓGICO

Ciclo hidrológico: proceso general de transferencia del agua en la hidrosfera.

• Ascendente por evaporación.

• Descendente por las precipitaciones y, posteriormente, por escorrentía.

  • La escorrentía subterránea es mucho más lenta que la superficial.

  • Los ríos pueden llevar agua transcurrido mucho tiempo desde la última precipitación.

  • Las aguas subterráneas:

    • Son solo una etapa más del ciclo hidrológico.

    • Su origen son las precipitaciones.

• Elementos del ciclo hidrológico:

  • Evaporación:

    • Agua interceptada

    • Agua que, alcanzando el suelo, no se infiltra.

    • Infiltración:

      • Evaporación de parte del agua infiltrada en el suelo.

      • Transpiración.

      • Escorrentía subsuperficial o hipodérmica.

      • Escorrentía subterránea:

        • Alimenta los cauces.

        • En zonas costeras afluye directamente al mar.

    • Escorrentía superficial:

      • Parte retorna a la atmósfera por evaporación.

      • Parte queda retenida como nieve o hielo en lagos y embalses.

      • La mayor parte llega al mar.

Movimiento del agua en la hidrosfera debido a dos factores:

• La radiación solar —> proporciona energía para evaporar el agua del suelo y elevarla a la atmósfera.

• La gravedad —> hace que el agua condensada precipite y una vez en la superficie se dirija hacia las zonas más bajas.

Movimiento del agua en el ciclo hidrológico puede verse alterado por la acción antrópica:

• Drenajes —> incremento del flujo subterráneo a los ríos.

• Deforestación —> incremento de escorrentía superficial.

• Repoblación —> incremento de intercepción e infiltración.

• Embalses —> modificación drástica del ciclo hidrológico.

ALMACENAMIENTO Y MOVIMIENTO DEL AGUA EN LA HIDROSFERA

Los océanos tienen la mayor parte del agua en el globo terrestre, donde menos hay es en los cursos fluviales, luego en la atmósfera. Después de los océanos se encuentran las tierras emergidas, es decir, los glaciares. Si el hielo de los casquetes polares se fundiese completamente, el nivel del mar subiría unos 70cm.

En la gráfica observamos la distribución de agua en la hidrosfera de forma numérica. Tenemos los siguientes factores: área, volumen, altura equivalente, porcentaje de agua total y el tiempo de residencia medio.

Alrededor del 0,65% del agua es potable para los seres humanos, pero no está equitativamente repartido, algunos países tienen mayor porcentaje que otros.

En España tenemos 1/3 del agua se va por escorrentía, pero los otros 2/3 se desconoce su paradero. Por ello en España tenemos pocos recursos hídricos.

Diagrama esquemático de los volúmenes almacenados y de los flujos anuales de agua en el ciclo hidrológico global.

• Almacenamiento:

  • El agua en el ciclo hidrológico está siempre en movimiento y, a la vez, siempre formando parte de algún reservorio (almacenamiento).

  • El caudal de salida en función de la cantidad almacenada en un reservorio

    • q= f(s), donde:

      • q= caudal de salida.

      • s= volumen almacenado en reservorio (acuífero).

  • En la cuencas hidrográficas naturales la ecuación no es lineal.

• Efectos:

  • Disminuye la variabilidad relativa del caudal de salida con respecto al de entrada.

  • Aumenta la persistencia del tiempo de flujo de salida frente al tiempo de entrada.

• Tiempo de residencia:

  • El tiempo de residencia (o tiempo de tránsito) es una medida universal del efecto del almacenamiento en un determinado reservorio.

  • Se calcula dividiendo la masa media total (o volumen) de agua del reservorio (S) entre el valor medio de salida de agua (q) o de entrada (i) del reservorio.

  • TR = S/q = S/i

EL BALANCE HÍDRICO GLOBAL

Entradas = Salidas ± ΔS ΔS = 0 si el tiempo elevado.

El balance hidrológico (año medio) en la hidrosfera (si se dividiese en tres unidades):La evapotranspiración potencial es la máxima que se puede dar en una zona en función de la temperatura y de la vegetación de la misma.

La escorrentía es la diferencia entre la precipitación y la evapotranspiración potencial. Aún así, no puede ser negativa como aparece en la gráfica.

Tenemos valores altos de evapotranspiración potencial. La precipitación disminuye radicalmente, lo que provoca unos grandes déficits de humedad.

• Reservas hidráulicas (concepto estático): cantidad de agua contenida en uno de los dominios de la hidrosfera en un instante determinado.

  • Las reservas de agua dulce interesantes son las contenidas hasta 1000m de profundidad.

• Recursos hidráulicos (concepto dinámico): flujo de agua que entra y sale en una cuenca hidrográfica en un periodo de tiempo dado, generalmente 1 año: RECURSOS RENOVABLES.

RECURSOS≠RESERVAS

• Elementos del balance a varias escalas (mm/año):

• Elementos del balance(%):

Se puede observar en las gráficas que la precipitación de España con respecto a Europa y el mundo es inferior. Respecto a la escorrentía directa, el nivel nacional es superior al global, sin embargo en proporción la escorrentía subterránea es mucho mayor en Europa que en España.

EL BALANCE HIDROLÓGICO EN ESPAÑA

En España, entran al año 310.000 hm³/año por precipitación. La evapotranspiración supone unos

200.000 hm³/año.

Lo que caracteriza al clima Mediterráneo es que el déficit de humedad a principios de verano es siempre superior al excedente de agua que los excedentes de los meses húmedos.

Tema 2: Precipitación

CONDICIONES QUE DAN LUGAR A LA PRECIPITACIÓN

Para que se produzca la precipitación, grandes masas de aire deben sufrir un descenso uniforme de la temperatura por debajo del punto de rocío (cuando se produce la condensación) la gran masa de aire debe elevarse a gran altura:

• El aire que asciende experimenta un descenso en su temperatura (consecuencia del descenso de la presión atmosférica).

• El aire al elevarse aumenta su volumen (se expande), lo que hace que disminuya su temperatura.

Si:

• Si NO se produce condensación: GRADIENTE ADIABÁTICO SECO  1^o/100m ascenso (por cada 100m de ascenso, la temperatura disminuye 1 ^o).

• Punto de rocío: GRAD. GEOMÉTRICO VERTICAL DEL

PUNTO DE ROCÍO —> 0,2^o/100m (por cada 100m de ascenso, la temperatura disminuye 0,2 ^o)

• Si se produce condensación: (liberación de calor latente) G. ADIABÁTICO SATURADO 0,6^o/100m (por cada 100m de ascenso, la temperatura disminuye 0,6 ^o)

Precipitación: se produce cuando en el interior de una nube tiene lugar una condensación masiva elevación del aire a gran velocidad por debajo del punto de rocío por:

• Convección

• Orográficas

• Ciclónicas o frontales

Precipitación por convección:

• Se origina por una célula de convección: masa de aire ascendente más cálido (y por tanto más ligero) acompañada de una célula descendente de aire más frío (más denso).

• En su ascenso el aire se enfría adiabáticamente hasta alcanzar la misma temperatura que el aire circundante. Si en su ascenso alcanza una temperatura interior al punto de rocío: CONDENSACIÓN.

• Lo más conocido en España es la gota fría.

• Si en su ascenso alcanza una temperatura inferior al punto de rocío  condensación

Precipitaciones orográficas:

• Ocurre cuando las masas de aire se elevan por la presencia de montañas.

  • Ladera de barlovento: descarga masiva de precipitación, descarga la gran parte de su humedad.

  • Ladera de sotavento: sombra de lluvias (desiertos). Como en la ladera de barlovento ya ha descargado la gran parte de la humedad, apenas se produce precipitación.

Precipitaciones ciclónicas:

• La mayor parte de las que se dan en latitudes medias y altas. En estas latitudes la precipitación se asocia al frente polar, línea de contacto entre:

  • Aire frío: origen ártico

  • Aire cálido y húmedo: origen subtropical.

• Son las lluvias conocidas como lluvias de temporal. Son predecibles. Es el Anticiclón de las Azores.

• Los ciclones se forman por la penetración de una masa de aire de origen subtropical en el polar o viceversa

Frentes fríos asociados a grandes tormentas.

• Penetración de aire frío en la zona del aire caliente.

• La masa de aire frío permanece en contacto con el suelo.

Frentes cálidos:

• El aire cálido penetra en una región de aire más frío.

• Suelen ir acompañados de tiempo estable (la penetración del aire cálido en el frío suele ser menos turbulenta).

• Si el aire cálido es inestable se produce también un ascenso convectivo de éste originando tormentas.

MEDIDA DE LA PRECIPITACIÓN

Unidades: mm = l/m²

Instrumental: pluviómetro (20cm²)

El pluviómetro únicamente nos permite saber cuánto ha llovido en un día, y con qué intensidad.

Nueva estación meteorológica automática de la red climatológica ordinaria. Sensores meteorológicos de estaciones automáticas: detector de tipo de precipitación y su valor acumulado.

DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN

Factores que condicionan la distribución de P:

1. Circulación general de la atmósfera:

   • Dos máximos principales: zonas de convergencia (precipitación alta) atmosférica:

     • Latitudes bajas: convergencia de vientos de ambos hemisferios.

     • Latitudes medias: frente polar.

     • Cuatro mínimos en zonas de divergencia (precipitación baja) atmosférica:

       • Dos polos.

       • Células subtropicales de altas presiones: principales desiertos (especialmente H. Norte).

2. Distribución océanos-superficie terrestre emergida y circulación oceánica:

   • Corrientes cálidas oceánicas causan elevada evaporación en el Atlántico Norte y Pacífico Norte.

     • Más lluvias en costa oeste de Europa u Norteamérica.

     • Hemisferio sur: superficies oceánicas cálidas en noreste de Brasil y Australia.

       • Sólo la costa del sur de Chile muestra paralelismo con costa oeste en H. Norte (también Nueva Zelanda, aunque menos claro).

3. Situación de los principales sistemas montañosos:

   • Cordillera oeste americana (norte y sur) es el ejemplo más claro.

La Precipitación En España

Factores que condicionan la distribución de la precipitación:

• La ubicación de la Península Ibérica en el seno de la circulación general.

• La variación cíclica anual:

  • Verano: desplazamiento hacia el N del cinturón de altas presiones: clima árido.

  • Invierno: influencia del frente polar (desplazamiento hacia el sur): precipitaciones.

• Configuración orográfica de la Península Ibérica.

• La oceanidad: temperaturas relativamente altas del Atlántico Norte y del Mediterráneo: evaporación. Los vientos del oeste traen siempre muchísima humedad del océano Atlántico.

• Distribución estacional de la precipitación (mm en España):La Sierra de Tramontana (Mallorca) genera vientos y precipitaciones que suministran el agua necesaria a la isla.

  El norte de Almería y la costa de Murcia se encuentran en una zona que se ha convertido en el proveedor de fruta y verdura de toda España e incluso zonas de Europa. Aun así, es una zona muy árida, que hay que hay que administrarle una gran cantidad de agua mediante riego y el suelo está completamente “destrozado” debido a los fertilizantes y el “abuso” de un suelo que por sí solo no podría seguir proveyendo a la población.

  Podemos observar que las zonas más húmedas son las de la vertiente cantábrica y la atlántica. Los vientos provenientes del oeste traen consigo un alto contenido de humedad (del océano de Atlántico) que suele descargar en la zona oeste de la península Ibérica.

TEMA 3: Evapotranspiración

Evaporación

Proceso físico por el cual el agua cambia de estado líquido al gaseoso (o del sólido al gaseoso), retornando directamente a la atmósfera en forma de vapor.

• Para que se produzca evaporación, es necesario:

  • Una fuente de energía (radiaciones solares)

  • Capacidad evaporante de la atmósfera

• Puede producirse evaporación:

  • Desde una superficie de agua libre

  • Desde un suelo saturado

    • Arenas finas saturadas ≈ 100% de la evaporación que se produce desde una superficie de agua libre

    • Arcillas finas saturadas ≈ 75-85%

  • Desde suelo sin vegetación

  • Desde un suelo cubierto por vegetación

FACTORES QUE LA AFECTAN Y REDUCCIÓN DE LA EVAPORACIÓN

A) FACTORES:

• Radiación solar

• Temperatura (aire y agua)

• Tensión de vapor

  • E = K (es – ed) —— D = (es – ed)

  • es = tensión de vapor saturante a la temperatura del agua

  • ed= tensión de vapor del aire circundante

  • D = déficit higrométrico

• Pureza del agua

• Forma de la superficie evaporante

B) REDUCCIÓN:

• Ubicación de embalses

• Reducción de turbulencia y velocidad del viento

• Películas de sustancias hidrófobas

VARIACIONES Y ÓRDENES DE MAGNITUD

A) VARIACIÓN

• Diaria

• Mensual

• Anual

B) MAGNITUD —> En el centro de la P. I.

• Verano > 100 mm/mes

• Invierno < 20-30 mm/mes

UNIDADES, INSTRUMENTAL DE MEDIDA Y MÉTODOS DE CÁLCULO

A) UNIDADES —> mm

B) INSTRUMENTAL

• Medida desde superficies de agua libre —> EVAPORÍMETROS

  • Estanques de evaporación

  • Superficies de papel húmedo

• Medida desde suelos sin vegetación:

  • Estanques lisimétricos y lisímetros

  • Parcelas experimentales

C) MÉTODOS DE CÁLCULO

• BALANCE HÍDRICO (sólo en láminas de agua libre)

  • Ev = E – S - ∆A

    • Ev: evaporación.

    • E: entradas.

    • S: salidas excepto evaporación.

    • ∆A: variación en la reserva de agua.

• FÓRMULAS SEMIEMPÍRICAS:

  • Lungeon

  • Penman

  • etc.

Transpiración

CONCEPTO

La transpiración es el resultado del proceso físico-biológico por el que el agua cambia del estado líquido a gaseoso a través del metabolismo de las plantas, pasando desde el suelo a la atmósfera.

• Balance: salida

• Plantas:

  • Hidrófitas

  • Mesófitas

  • Freatófitas

• FACTORES QUE LA AFECTAN:

  • Aspectos físicos: los mismos que afectan a la evaporación

  • Aspectos biológicos: especie vegetal, edad, follaje, desarrollo radicular, estomas, etc.

MEDIDA

A) UNIDADES —> mm (volumen transpirado/superficie cubierta de vegetación)

B) MÉTODOS

• Gran dificultad •

• Experiencias de laboratorio

VARIACIONES

• Diurnas, estacionales, interanuales.

• La magnitud es muy variable dependiendo en gran medida de la especie vegetal.

Evapotranspiración

CONCEPTO

Es el resultado del proceso por el cual el agua cambia de estado líquido a gaseoso, directamente o a través de las plantas, volviendo a la atmósfera en forma de vapor.

• ET = E + T

• Solo aplicable a las superficies cubiertas por vegetación

• Influida por los factores que afectan a E y T.

UNIDADES —> mm

MÉTODOS DE CÁLCULO

Fenómeno microclimático

1. Métodos basados en la física teórica del microclima:

   • Balances de energía

   • Perfiles de humedad y velocidad del viento

   • Flujo turbulento de humedad

   • Fórmulas semiempíricas o combinadas

2. Medidas directas

   • Evapotranspirómetros

   • Lisímetros

   • Parcelas y cuencas experimentales

   • Perfiles de humedad del suelo

3. Métodos empíricos:

   • Relación EV-ET medida en estanques

   • Fórmula de Thornthwaite

   • Fórmula de Blaney-Criddle

   • Fórmula de Makkink

   • Fórmula de Turc, Coutagne, etc.

4. Métodos de balance químico

Evapotranspiración y demanda del suelo

La DAR es un importante capítulo dentro de las necesidades hídricas de una zona en la mayoría de los casos

• Su valor depende:

  • de la ETP (desarrollo vegetal óptimo)

  • de la ETR (disponibilidad hídrica real)

• La diferencia entre ETP y ETR es la DAR, aunque a veces hay que considerar otros factores:

  • DAR = ETP – ETR

Pero:

• si el sistema de riego no es 100% eficiente (ef)

• si se producen pérdidas por conducción (PC)

• si se produce aporte de agua subterránea al suelo por ascenso capilar (AS)

  • DAR = (ETP – ETR - AS) / ef +PC

ef depende de sistema de riego empleado:

• Riegos a pie: 0,75

• Aspersión: 0.85 – 0.90

• Goteo: 1