Tema 2 Hidrología - Apuntes 2 PDF

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Profesor: Francisco moral...

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HIDROLOGÍA

TEMA 2

TEMA 2. EL CICLO HIDROLÓGICO TEMA 2.A. 1. El agua en la naturaleza 2. Las precipitaciones

1. EL AGUA EN LA NATURALEZA 1.1. CONCEPTO DE HIDROLOGÍA - La hidrología es la ciencia que estudia el agua (Fetter, 2001) - La hidrología es la ciencia que se ocupa dl agua que interviene en el ciclo hidrológico. Tanto en la atmósfera, como sobre o bajo la superficie terrestre (Meinzer, 1939). 1.2. PROPIEDADES DEL AGUA El agua tiene ciertas propiedades características como: - Puede presentarse en estado sólido, líquido o gas en condiciones ambientales terrestres. - Posee alto calor específico - Tiene carácter dipolar Estas características tienen como consecuencia (permiten): - Ciclo del agua - Zonación climática - Capilaridad/viscosidad 1.3. EL AGUA EN LA NATURALEZA El agua se distribuye de la siguiente manera en la naturaleza: - 97,2% OCÉANO 2,1% glaciares - 2,8% CONTINENTE 0,6% acuíferos 0,1% ríos, lagos, suelo Recursos hídricos (RRHH): volumen de agua disponible en una región en un periodo de tiempo. Se expresa en L3/T, normalmente Hm3/año o mm/año. Reservas hídricas: Volumen de agua existente en una región en un momento dado. Se expresa en L3, normalmente Hm 3. 1.4. CICLO HIDROLÓGICO El ciclo del agua es el conjunto de procesos originados por la energía solar y la gravedad que producen la circulación del agua entre la atmósfera, los océanos y la zona superficial de los continentes (zona crítica).

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A) Componentes del ciclo hidrológico. Balance hídrico.

Donde: P: Precipitación ET: Evapotranspiración Esup + Esub: Escorrentía ∆r: Reservas (humedad del suelo) Por tanto, para un espacio y tiempo dados: ENTRADAS = SALIDAS + VARIACIÓN DE ALMACENAMIENTO

B) Componentes del ciclo hidrológico. Recursos hídricos.

-

Normalmente al hablar de recursos hídricos nos referimos a RRHH renovables, pero podemos encontrar: RRHH renovables: Agua que discurre por la superficie (escorrentía). Se regeneran periódicamente de forma natural. RRHH disponibles: Agua que discurre por la superficie (renovables) + reservas. RRHH utilizables: renovables – caudales ecológicos RRHH externos e internos: Los RRHH internos son aquellos que proceden de la escorrentía que se genera en un territorio y los RRHH externos son aquellos que proceden de la escorrentía que se genera en un territorio vecino.

1RRHH

Sub

1RRHH

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Superficie  109,5 + Subterráneo  29,9 112,2

 Estaríamos contando dos veces parte de la escorrentía, por tanto: RRHH = E.Sup + E.Sub – Solape*

*Solape: Escorrentía que se contabiliza dos veces.

2. LAS PRECIPITACIONES Precipitación: Cualquier forma de agua meteórica que cae sobre la superficie terrestre. Puede darse en forma de lluvia, nieve o granizo. 2.1. TIPOS DE PRECIPITACIONES A) PRECIPITACIONES CICLÓNICAS

Casi toda las precipitaciones. Se deben a borrascas o ciclones (frente cálido y frente frío). Se produce al chocar dos masas de aire con diferente temperatura.

Aire cálido Aire frío

B) PRECIPITACIONES CONVECTIVAS Inestabilidad de la atmósfera. El aire en contacto con la superficie se caliente y al calentarse se eleva. Al subir se enfría, se condensa y se produce la precipitación (tormentas de verano). C) PRECIPITACIONES OROGRÁFICAS Se produce cuando una masa de aire caliente se eleva al chocar con una montaña, se eleva, se enfría, condensa y precipita. 2.2. MEDIDA DE LA PRECIPITACIÓN El análisis de las precipitaciones es básico en cualquier estudio hidrológico que pretenda cuantificar los RRHH, ya que están constituyen la principal si no única, entrada de agua en una cuenca. A) ESTACIONES MANUALES: PLUVIÓMETRO Permite la cuantificación de la precipitación. Se instalan formando redes de control. Consta de un embudo por el que cae el agua de la precipitación hacia un depósito marcado con una escala. En función de la superficie y la altura que alcance el agua en el depósito (volumen) se puede calcular la precipitación:

𝑃=

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒

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La precipitación se suele expresar en mm/día o mm/año.  RELACIÓN ENTRE L/m3 Y mm =

=

=

Por tanto, por Ej. 12 L/m2 = 12mm

B) ESTACIONES AUTOMÁTICAS: PLUVIÓGRAFO DE SIFONAJE Y DE BALANCÍN  Pluviógrafo de sifonaje o flotador El pluviógrafo de sifonaje está compuesto por un brocal por donde entra el agua, un sistema de relojería donde se registra el pluviograma mediante el brazo inscriptor, una cámara de sifonaje conectada a un sifón y un colector donde se recoge el agua.

Cuando precipita, el agua captada por el brocal es acumulada en la cámara se sifonaje, donde el flotador que esta posee asciende en función del agua contenida haciendo ascender al brazo inscriptor el cual al ascender realiza el pluviograma.  Pluviógrafo de balancín Consta de un embudo por el que cae el agua de la precipitación hacia un balancín que contiene un depósito. Cuando el depósito se llena, el balancín se vuelca y el magnetismo manda una señal o pulso al ordenador. Este pluviógrafo también informa sobre la intensidad de precipitación

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C) ESTACIONES PLUVIOMÉTRICAS A partir de la medida de la precipitación diaria, podemos obtener la precipitación media mensual, y a través de esta, la precipitación media anual. Esto se consigue a través de estaciones meteorológicas. 2.3. PRECIPITACIÓN MEDIA EN UN ÁREA La precipitación puede variar considerablemente en el espacio y el tiempo. En ocasiones la información que se nos proporciona consiste en una serie de datos heterogéneos (por ejemplo datos de distintas estaciones que no corresponden a un mismo periodo de tiempo), sin embargo para el cálculo de la precipitación media necesitamos que lo datos sean homogéneos, esto es: - Igual periodo: la recopilación de datos debe ser en el mismo periodo de tiempo. - Serie completas: en el caso de que faltaran datos en una serie, tendríamos que comparar dos estaciones diferentes y si se corresponden los datos, coger de esta última aquellos datos que nos falten. - Series sin errores.  MÉTODOS DE CÁLCULO DE LA PRECIPITACIÓN MEDIA EN UN ÁREA. Existen tres métodos para calcular la precipitación media de un área: - Media aritmética: promedio aritmético de las alturas de precipitación (volumen) registradas en cada estación. Se trata del método más fácil pero el más inseguro. =

-

∑

Las estaciones que se encuentran fuera de la cuenca NO se cuentan. Polígonos de Thiessen: se lleva a cabo siguiendo los siguientes pasos: 1. Se trazan líneas rectas entre las estaciones más próximas entre sí, formando triángulos en cuyos vértices quedan las estaciones pluviométricas. 2. Se trazan las mediatrices* de cada segmento y se prolongan hasta que se corten en ellas, obteniéndose una serie de polígonos. 3. Obtención de polígonos: los polígonos formados rodean a cada estación. Cada polígono o área encerrada que se forma es el área de influencia de cada estación. 4. Cálculo del promedio de las precipitaciones registradas en cada estación. =

∑

*Mediatriz: Línea perpendicular a un segmento desde la mitad del mismo

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Método de isolíneas (isoyetas) 1. Se trazan isoyetas: líneas que unen puntos de igual altura de precipitación (pluviosidad) mediante la información registrada en cada estación de forma semejante a curvas de nivel (según altitud). 2. Cálculo de la precipitación media teniendo en cuenta el área entre dos isoyetas y la precipitación en dicha área. = ∑ Se trata del método más preciso porque permite la consideración de los efectos topográficos.

TEMA 2.B 1. Distribución de la precipitación: Intercepción, infiltración y humedad del suelo 2. Evaporación y transpiración 1. DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN La hidrología de la zona crítica (la superficie del continente) incluye numerosos procesos que afectan a la fracción de precipitación que produce la escorrentía (lluvia útil) o que se evapotranspira. Estos procesos son: - Intercepción: Parte del agua que precipita que queda retenida en la vegetación u objetos del terreno y que se evapora. - Encharcamiento: parte de la precipitación que queda atrapada en charcos desde donde vuelve a evaporarse. No contribuye a los recursos hídricos. - Infiltración: Es la más importante. El agua de la superficie atraviesa y penetra en el suelo y subsuelo (humedad del suelo). El agua infiltrada puede evapotranspirarse, pasar a flujo superficial o flujo subterráneo. 1.1. INFILTRACIÓN. Proceso por el cual el agua penetra a través de la superficie del terreno. La cuantía de la infiltración es variable, depende de varios factores: - Factores propios del terreno: pendiente, usos del terreno, textura del suelo, humedad del suelo, etc.

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Factores hídricos: intensidad de la precipitación, turbidez del agua, temperatura del agua (a temperaturas bajas el agua no favorece la infiltración). INFILTRACIÓN Se evapotranspira

Flujo subsuperficial

Flujo subterráneo

b) Agua que se infiltra y es retenida debido a la alta permeabilidad de la

roca madre = FLUJO SUBTERRÁNEO

a) Agua que se infiltra y no es retenida debido a la abaja permeabilidad de la roca madre = FLUJO SUBSUPERFICIAL

Todo el agua que se infiltra y es retenida constituye la HUMEDAD DEL SUELO (agua retenida, cuando no forma escorrentía). Cuando la roca madre se satura pierde capacidad de infiltración y se forma la escorrentía. La infiltración puede ser: - Difusa: mayor parte del agua. Acuíferos - Concentrada: se infiltra gran cantidad de agua en un punto. La roca tiene que tener muy alta permeabilidad. Sumideros. Para medir el agua infiltrada se utiliza el infiltrómetro, aunque no sirve para estudios generales. 1.2. EL AGUA EN EL SUELO El agua infiltrada puede: a) Quedar retenida en la superficie del suelo (evapotranspiración) b) Fluir a través del suelo (Flujo subsuperficial) c) Fluir hacia la zona saturada de los acuíferos si el subsuelo es permeable (Flujo subterráneo). A su vez, el agua retenida en la superficie del suelo puede estar: - Fuertemente unida a las partículas sólidas del suelo  Agua de retención higroscópica y pelicular

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-

Débilmente unida a las partículas del suelo  Agua capilar o agua disponible para las plantas. El agua no retenida o gravífica puede fluir a través del suelo formando la escorrentía.

Resumen: En la superficie del suelo (corresponde a la opción a) hay: - Agua retenida: puede estar  Unida fuertemente a las partículas sólidas del suelo: Agua de retención higroscópica o pelicular.  Unida débilmente a las partícula sólidas del suelo: Agua capilar - Agua no retenida: fluye por el suelo, forma la escorrentía.  Grado de humedad El grado de humedad (GH) es el % de peso del agua contenida en una muestra de suelo (antes de desecarla) respecto al peso de la muestra una vez desecada (a 105ºC). =

En función del grado de humedad de un suelo distinguimos entre:  Capacidad de campo (CC): grado de humedad de un suelo saturado, es decir, que no es capaz de retener más agua, por lo que pierde el agua gravífica (escorrentía).  Punto de marchitez (PM): grado de humedad de un suelo que solo tiene agua fuertemente retenida, es decir, no tiene agua capilar (no hay agua disponible para las plantas). Por tanto, si lo que queremos es saber el agua capilar presente en un suelo, es decir, el agua disponible para las plantas: = El grado de humedecimiento de un suelo es el siguiente: 1. Agua retenida higroscópica (fuertemente retenida) 2. Agua retenida capilar (débilmente retenida) 3. Agua no retenida (el suelo en este punto está saturado, no puede retner más agua, por lo que se forma escorrentía).

2. EVAPORACIÓN Y TRANSPIRACIÓN La evaporación es el fenómeno físico por el que el agua pasa de líquido a gas (o también por sublimación de sólido a gas) y que ocurre desde la superficie del suelo y la vegetación tras la precipitación, desde la superficie del agua (ríos, lagos) y desde el suelo (agua infiltrada).

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La transpiración es el proceso biológico por el que las plantas pierden agua a la atmósfera. Cogen agua a través de las raíces, toman una parte y el resto lo transpiran. La evapotranspiración es por tanto el resultado de estos dos procesos por los cuales e agua del suelo o de las masas de agua libre continentales retorna a la atmósfera en forma de vapor (Todo agua que sale de un territorio en forma de vapor). 2.1. DETERMINACIÓN DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN (ET) La cuantía de la ET depende de varios factores: - Factores atmosféricos  Poder evaporante de la atmósfera: cantidad de agua que la atmósfera es capaz de absorber si dispone de todo el agua necesaria para ello. Influye la radiación solar, la temperatura del aire, el viento, la humedad del aire, la presión de la atmósfera, etc. - Factores edáficos y biológicos  influye la humedad del suelo, la capacidad de campo (CC), la textura y estructura, la cubierta vegetal, etc. - Factores hídricos Influye la temperatura del agua, la salinidad… Existen varios métodos para medir la evapotranspiración: - Medida del poder evaporante de la atmósfera  Evaporación directa - Cálculo del poder evaporante de la atmósfera  ETP (Hipotética) Medida de la ETR - Cálculo de la ETR A) MEDIDA DEL PODER EVAPORANTE DE LA ATMÓSFERA / EVAPORACIÓN DIRECTA El poder evaporante de la atmósfera es la cantidad de agua que la atmósfera puede evaporar, para medirlo se utilizan los tanques de evaporación o el evaporímetro de piché entre otros. El tanque de evaporación consiste en un recipiente o tanque con un tornillo en su interior. Este tornillo tiene marcada una escala, de forma que al inicio del día se coloca a ras de agua y se mira cuánto marca. Al día siguiente se hace lo mismo, así, al restar esta cantidad a la del día anterior se obtiene la cantidad de agua evaporada. En un suelo en condiciones óptimas de humedad y cubierta vegetal, el poder evaporante de la atmósfera es aproximadamente igual a ETP (evapotranspiración potencial) B) CÁLCULO DEL PODER EVAPORANTE DE LA ATMÓSFERA/ EVAPOTRANSPIRACIÓN POTENCIAL DESDE UN SUELO. La ETP es la cantidad máxima de agua que un suelo puede evapotranspirar hipotéticamente (cantidad máxima de agua que un suelo perdería por ET). Se puede calcular mediante varios métodos:

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Thornthwaite: se utilizan datos mensuales de T y latitud (para conocer la radiación). Obtenemos la ETP MENSUAL. Blaney y Criddle: se utilizan datos mensuales de T, latitud y coeficiente de cultivo. Obtenemos la ETP MENSUAL. Penman: se utiliza para un estudio detallado, ya que se tiene en cuenta datos diarios de T, viento radiación, P. Vapor, latitud y tipo de superficie. Se obtiene la ETP DIARIA.

C) MEDIDA DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN REAL EN UN SUELO (ETR). Para medir la ETR se hace uso de lisímetros. Estos consisten en un recipiente enterrado y cerrado literalmente, de modo que el agua drenada por gravedad, es decir, el agua que se infiltra, es recogida por un drenaje. Próximo a él debe existir un pluviómetro. No es representativo de toda la región.. D) CÁLCULO DE LA ETR: BALANCE HÍDRICO DEL SUELO. Ejercicio de clase.

TEMA 2.C 1. Escorrentía superficial y subterránea. Aforos. 2. Hidrología nival. 1. ESCORRENTÍA. La escorrentía es el agua que circula por gravedad cerca de la superficie de los continentes, tanto sobre la superficie del terreno como a través del suelo o los acuíferos. La fracción de precipitación que produce escorrentía se denomina lluvia útil. Las aguas de escorrentía constituyen los recursos hídricos renovables de una región. 1.1. MEDIDA DE LA ESCORRENTÍA. El caudal de una corriente es la cantidad de agua que pasa por una sección determinada en un tiempo breve. Suele expresarse en L/s o m3/s. La aportación de una corriente es la cantidad de agua que pasa por una sección determinada en un periodo de tiempo más o menos largo. Suele expresarse en hm3/año o hm3/mes. 1.2. REDES DE AFORO. LA CUENCA HIDROGRÁFICA. Un aforo es la medida del caudal de una corriente de agua. En una cuenca hidrográfica extensa generalmente se cumple que: - Las entradas de agua por escorrentía superficial son prácticamente nulas - Las transferencias de aguas subterráneas con las cuencas vecinas suelen ser poco significativas - Las salidas de agua se producen por un único punto.

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A Escorrentía

Cuenca vertiente Límite de cuenca: divisoria hidrológica

Una cuenca hidrológica se define para un punto de la red fluvial.  ¿Cómo se calcula la escorrentía en la cuenca vertiente (mm/año)?

= Existen distintos tipos de aforos para medir un caudal Q: - Directos: medida puntual - Indirectos o continuos: registro continuo del caudal A) AFOROS DIRECTOS La medida del caudal se realiza directamente a través de procedimientos y/o aparatos como recipientes, flotadores, molinetes o aforos químicos:  Aforos con recipiente Se utiliza un recipiente o cubo. =  Aforos con molinete Mide la velocidad de la corriente en varios puntos de la sección. Se utilizan unos aparatos que son hélices que se sumergen en el agua unidas a un contador que permite contar el número de vueltas que da la hélice por efecto de la velocidad del agua. ( )=

(

)

Donde la velocidad se haya a partir de las revoluciones de la hélice: n = rev/s  Aforos con flotadores Mide la velocidad del agua aplicando la siguiente ecuación: Q=VxS

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 Aforos químicos Arrojamos una sustancia de concentración conocida a un cauca, se diluye en la corriente y aguas abajo tomamos muestras y las analizamos. Cuanto mayor sea el caudal más diluidas estarán las muestras. Para ello podemos utilizar aforos de vertido únicos o de vertido constante. (Ejercicios de clase) B) AFOROS INDIRECTOS O CONTINUOS Medimos el nivel del agua en el cauce y a partir de él estimamos el caudal. Mediante:  Relación nivel- caudal: curva de gastos La curva de gastos sirve para relacionar la altura con el caudal. La curva no es constante (inundaciones) y primero debemos relacionar un aforo directo. Para evitar problemas en la curva de gastos (inundaciones, crecidas…) elegimos una zona donde no cambie el caudal, por ejemplo en una presa, un puente o una zona montañosa.  Escalas limnimétricas Se trata de escalas graduales en cm y firmemente sujetas al suelo, se necesita un operario que acuda diariamente.  Limnígrafos Miden el nivel y guardan un registro gráfico o digital a lo largo del tiempo (continuo) denominado limnigrama. Evitan la presencia diaria de un operario y permite apreciar la evolución del caudal de forma continua. Como solo mide el nivel del agua, debemos realizar numerosos aforos directos para establecer una relación nivel-caudal. Con estos datos se puede obtener un hidrograma.  Data-loggers Son los registros a distancias y almacenamientos de datos (Registros informáticos). 1.3. ESTACIONES DE AFORO Todas las estaciones de aforo están compuestas por los siguientes elementos: - Canal donde reunimos el caudal - Represa o vertedero - Escala, para controlar el nivel del agua - Limnigrafo que permite registrar los caudales Y existen diversos diseños de estaciones de aforo: - Aforos de vertedero: es cualquier estructura transversal a la corriente que eleva el nivel del agua y permite la circulación de ésta a través de una abertura. Si cumple ciertas condiciones no será necesario calibrarlo mediante aforos directos con

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molinetes. Pueden ser desde pequeñas instalaciones provisionales en cauces pequeños hasta construcciones fijas de grandes dimensiones:  De lámina delgada: tipo de represa o vertedero que se coloca en un caudal por donde encau...