HIDROLOGIA BASICA, ciclo del agua
El agua es la sustancia mas abundante en la tierra, el principal constituyente de todos los seres vivos y una fuerza importante que constantemente esta cambiando la superficie terrestre. Es también un factor clave en la climatización de nuestro planeta para la existencia humana y en la influencia en el progreso de la civilización.
La hidrología, que cubre todas las fases del agua en la tierra (ciclo hidrológico), 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 obras y/o estructuras hidráulicas (azudes, diques, presas, embalses, desagües, etc.)
- diseño de obras viales (alcantarillas, puentes, etc.)
- abastecimiento de agua potable, tratamiento y evacuación de aguas residuales
- irrigación y drenaje de suelos
- generación hidroeléctrica
- estudios de disponibilidad hídrica y de sequías (escurrimientos nivales, pluviales, etc.)
- manejo integral de crecientes (aluvionales, urbanas, fluviales, etc.)
- navegación
- erosión y control de sedimentos
- estudios de impacto ambiental (control y disminución de la contaminación hídrica, salinidad, metales pesados, uso consuntivo, minería, etc.)
- uso recreacional del agua
- protección de la vida terrestre y acuática
- sistemas de alerta temprana de inundaciones y catástrofes
La hidrología puede definirse como la disciplina que trata de las propiedades, existencia, distribución y movimiento del agua sobre y debajo de la superficie de la tierra, sus conocimientos se aplican al uso y control de los recursos hídricos en los continentes del planeta
Las aguas oceánicas son del dominio de la oceanografía y de las ciencias marinas.
Oscar Edward Meinzer (1876-1948), a quien se conoce como el padre de la geohidrología moderna, definió a la hidrología como la ciencia interesada en la existencia del agua en la tierra, sus reacciones físicas y químicas con el resto de ésta y su relación con la vida sobre la misma.
Englobando los conceptos anteriores, el Federal Council of Science and Technology for Scientific Hydrology de los Estados Unidos, expresó:
HIDROLOGIA ES LA CIENCIA QUE TRATA SOBRE LAS AGUAS DE LA TIERRA, SU EXISTENCIA, DISTRIBUCION Y CIRCULACION, SUS PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS, A SI COMO SU INTERACCION CON EL MEDIO AMBIENTE Y LOS SERES VIVOS , EN PARTICULAR CON LOS SERE HUMANOS. EL DOMINIO DE LA HIDROLOGIA ABARCA TODAS LAS CIENCIAS RELACIONADAS CON EL AGUA SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE.
El agua es un recurso natural renovable, siendo el elemento natural más utilizado. El estudio aplicado de los recursos hídricos se centra en la determinación de las disponibilidades futuras de agua (oferta de agua) que se tendrán, en una región determinada y en un período dado de tiempo (ámbitos espacial y temporal), para un aprovechamiento de beneficio social, desde los puntos de vista de su pronóstico, obtención y utilización, atendiendo a los aspectos hidrológicos y ecológicos involucrados, como así también a los condicionantes de tipo técnico/ingenieril, legales y económicos que limiten su uso.
En la tierra, el agua existe en un espacio llamado Hidrosfera, que se extiende aproximadamente comprendiendo la franja de los 15.000 metros inferiores de la atmósfera y los 1.000 metros superiores de la litosfera o corteza terrestre. En tal ámbito, aquella se encuentra en los tres estados físicos: sólido, líquido y gaseoso. El segundo estado es el que presenta mayor interés para la hidrología, ya que en esa forma está en la lluvia, en los ríos y lagos, en las aguas subterráneas de la zona saturada y buena parte de la zona no saturada, etc.
De hecho, tanto en el lenguaje corriente como en el científico, la palabra agua, si no se indica otra cosa, se refiere al agua en estado líquido. En el estado sólido se presenta el agua en la naturaleza en forma de nieve, hielo y granizo. Por último, el vapor de agua es bastante abundante en las capas bajas de la atmósfera y en las capas más superficiales de la corteza terrestre.
El agua circula en la hidrosfera a través de un laberinto de caminos, que conforman el CICLO HIDROLOGICO, el que constituye el foco central de la hidrología. Este ciclo no tiene principio ni fin, y sus diversos procesos ocurren en forma continua. El concepto de ciclo hidrológico lleva implícita el movimiento o transferencia de las masas de agua referidas en el apartado anterior, de un sitio a otro y de un estado a otro.
El movimiento permanente del ciclo se debe fundamentalmente a dos causas: la primera, el sol, que proporciona la energía para elevar el agua del suelo, al evaporarla; la segunda, la gravedad, que hace que el agua condensada precipite y que una vez sobre la superficie, o bajo ella, discurra hacia las zonas bajas.
El Ciclo Hidrológico La idea del Ciclo Hidrológico, que hoy nos parece tan intuitiva, durante siglos no fue comprendida por filósofos y "científicos", creyendo que el ciclo se realizaba al revés: el agua penetraba en la corteza desde el fondo de los océanos, se almacenaba en la profundidad, probablemente en grandes cavernas, y ascendía después por el calor de la Tierra hasta las partes altas de las montañas, surgiendo en las zonas de nacimiento de los ríos. No creían posible que el caudal de un gran río fuera producido exclusivamente por las lluvias y les maravillaba la existencia de manantiales en lugares topográficamente elevados y con caudales relativamente constantes.
Tales, Platón, Aristóteles,... hasta Kepler (1571-1630) y Descartes ("Principios de la Filosofía", 1644) no se limitaban con esbozar la idea del Ciclo al revés, sino que dedicaban largos textos a pormenorizar las diversas etapas del proceso. Lo más complicado era la pérdida de la sal marina, pero para ello invocaban procesos similares a la destilación.
También hubo excepciones, como el arquitecto romano Vitrubio o Leonardo da Vinci que hablaron del ciclo tal como es.
La Hidrología moderna nace con las experiencias de Perrault, Mariotte y Halley. Fueron los primeros hidrólogos empíricos que basaron sus ideas en medidas y no en la especulación.
En 1674 Pierre Perrault publica "De l'origine des fontaines". Había medido las precipitaciones de la cuenca alta del Sena y los aforos del río, concluyendo que el volumen de las precipitaciones era seis veces superior a las aportaciones del río. Mariotte, contemporáneo de Perrault, repitió estos experimentos en un punto distinto de la cuenca del Sena, estudiando además la infiltración profunda del agua, y comprobando que el caudal de ciertos manantiales variaba de acuerdo con la oscilación de las precipitaciones.
Faltaba por cuantificar la otra mitad del Ciclo: cómo era posible que del cielo cayera tanta agua. El astrónomo Halley se interesó por el fenómeno de la evaporación porque se empañaban las lentes de sus telescopios. Realizó medidas y cálculos concluyendo que el volumen de agua evaporado un día de verano del Mediterráneo era superior al volumen de agua que recibe de todos los ríos que llegan él.
Se denomina Ciclo Hidrológico al movimiento general del agua, ascendente por evaporación y descendente primero por las precipitaciones y después en forma de escorrentía superficial y subterránea.
Sobre esta definición tan simple podemos realizar algunas observaciones:
1. No es tan simple como "El agua se evapora en el océano y precipita sobre los continentes". Vemos en la figura adjunta arriba que en ambos medios se produce evaporación y precipitación, aunque es cierto que la evaporación predomina en el océano y la precipitación en los continente.
2. La escorrentía subterránea es mucho más lenta que la superficial. La lentitud (a veces inmovilidad) de la escorrentía subterránea confiere al ciclo algunas características fundamentales, como que los ríos continúen con caudal mucho tiempo después de las últimas precipitaciones.
3. Las aguas subterráneas no son más que una de las fases o etapas del ciclo del agua, no tienen ningún misterioso origen magmático o profundo. A veces se olvida esta obviedad y se explotan las aguas de una región como si nada tuvieran que ver con las precipitaciones o la escorrentía superficial, con resultados indeseables.
Una excepción: Existen efectivamente surgencias de aguas que proceden del interior de la Tierra y nunca han estado en la superficie ni formado parte del Ciclo Hidrológico. Pueden denominarse aguas juveniles y se trata de casos verdaderamente excepcionales. Las aguas termales, sulfuradas, etc. de los balnearios se demuestra mediante estudios isotópicos que son aguas meteóricas en la mayoría de los casos.
Las aguas fósiles o congénitas son aquellas que quedaron atrapadas en la formación de un sedimento.
Otras aguas subterráneas que parecen ajenas al ciclo son las que aparecen en regiones desérticas. Son aguas que se infiltraron hace decenas de miles de años cuando esas mismas zonas desérticas no eran tales. Tanto estas como las aguas fósiles pertenecen al Ciclo Hidrológico, pero han estado apartadas de él durante un periodo muy prolongado.
Fases del Ciclo
Como se trata de un ciclo podríamos considerar todas sus fases comenzando desde cualquier punto, pero lo más intuitivo puede ser comenzar en la Precipitación y considerar qué caminos puede seguir el agua que cae sobre los continentes en las precipitaciones.
Evaporación. Una parte se evapora desde la superficie del suelo ("charcos") o si ha quedado retenida sobre las hojas de los árboles. A este último fenómeno se le denomina "interceptación", y en lluvias de corta duración sobre zonas de bosque puede devolver a la atmósfera una gran parte del agua precipitada sin haber tocado el suelo.
Infiltración. El agua infiltrada puede, a su vez, seguir estos caminos:
Evaporación. Se evapora desde el suelo húmedo, sin relación con la posible vegetación.
Transpiración. Las raíces de las plantas absorben el agua infiltradada en el suelo, una pequeña parte es retenida para su crecimiento y la mayor parte es transpirada. La suma de evaporación y transpiración, se estudia conjuntamente: es la evapotranspiración.
Escorrentía subsuperficial o hipodérmica, ("interflow"), que tras un corto recorrido lateral antes de llegar a la superficie freática acaba saliendo a la superficie.
Si no es evaporada ni atrapada por las raíces, la gravedad continuará llevándola hacia abajo, hasta la superficie freática; allí aún puede ser atrapada por las raíces de las plantas "freatofitas" (chopos, álamos,...), de raíces muy profundas, y que a diferencia de otras plantas, buscan el agua del medio saturado.
Finalmente, el agua restante da lugar a la escorrentía subterránea.
Escorrentía superficial. El agua de las precipitaciones que no es evaporada ni infiltrada, escurre superficialmente. Aún le pueden suceder varias cosas:
1. Parte es evaporada: desde la superficie de ríos, lagos y embalses también se evapora una pequeña parte.
2. Otra parte puede quedar retenida como nieve o hielo o en lagos o embalses. ("Escorrentía superficial diferida")
3. Finalmente una parte importante es la escorrentía superficial rápida que sigue su camino hacia el mar.
En resumen, hemos visto que el agua precipitada puede:
- sufrir Evaporación y Evapotranspiración.
- escurrir superficialmente.
- constituir escorrentía subterránea.
Escorrentía Directa, la que llega a los cauces superficiales en un periodo de tiempo corto tras la precipitación, y que normalmente engloba la escorrentía superficia. Son imposibles de distinguir: una gran parte de lo que parece escorrentía superficial (por el aumento de los caudales que sigue a las precipitaciones) ha estado infiltrada subsuperficialmente
Escorrentía Básica, la que alimenta los cauces superficiales en los estiajes, durante los periodos sin precipitaciones, concepto que engloba la Escorrentía Subterránea y la superficial diferida.
Ya hemos visto cómo continúan su camino el agua evaporada y la escurrida superficialmente. Para continuar con la visión del ciclo, nos queda sólo reseñar cómo lo hace el agua subterránea, la escorrentía subterránea.
El agua que ha llegado a la zona saturada circulará por el acuífero siguiendo los gradientes hidráulicos regionales. Hasta que sale al exterior o es extraída su recorrido puede ser de unos metros o de bastantes kilómetros, durante un periodo de unos meses o de miles de años. Esta salida al exterior puede ser por los siguientes caminos:
- Ser extraída artificialmente, mediante pozos o sondeos. En zonas de topografía plana y superficie freática profunda, la extracción por captaciones constituye casi la única salida del agua subterránea.
- Salir al exterior como manantial. Los contextos hidrogeológicos quedan lugar aun manantial son variados.
- Evapotranspiración, por plantas freatofitas o si la superficie freática está próxima a la superficie. En laderas que cortan la superficie freática se genera una abundante vegetación.
Del agua que alcanza la superficie del suelo, una parte queda retenida en charcas o en las irregularidades del terreno, y en buena parte retorna pronto a la atmósfera en forma de vapor. Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequeños surcos, que luego se reúnen en arroyos y más tarde desembocan en los ríos, agua que luego se dirigirá a lagos o al mar, de donde será evaporada o bien se infiltrará en el terreno.
Por último existe una tercera fracción de la precipitación que penetra bajo la superficie del terreno a través de los agujeros o canalículos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio poroso. Una buena parte del agua infiltrada no desciende hasta la zona saturada del subsuelo o es retenida en la zona no saturada o del suelo, de dónde retorna a la atmósfera por o por la de las plantas. En la práctica no es fácil separar ambos fenómenos, por lo que se los suele considerar en forma conjunta.
El movimiento del agua a través del terreno se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la acción gravitatoria. En el movimiento del agua en la zona no saturada, otras fuerzas (especialmente la tensión superficial) pueden jugar un papel muy importante. En tales condiciones el agua puede discurrir a través del suelo en dirección sensiblemente horizontal o paralela a la superficie como y descargar en los ríos agregándose a la escorrentía superficial.
Otra parte del agua infiltrada puede profundamente para recargar el agua subterránea, la que a su vez puede volver a la atmósfera por evapotranspiración, cuando el ancho de la zona no saturada es relativamente pequeña y aquella quede suficientemente próxima a la superficie del terreno. Otras veces, el agua subterránea pasa a engrosar el caudal de los ríos, alimentando directamente su cauce o a través de manantiales: en las zonas costeras estos manantiales, a veces, son submarinos.
Si la precipitación cae en forma de nieve, quedará acumulada en estado sólido sobre el terreno, hasta que reciba suficiente calor para su fusión, por lo que, a los efectos hidrológicos, la precipitación en forma de nieve equivaldría a otra de lluvia que hubiese caído al tiempo de la fusión, descontando la cantidad de nieve que se evapora directamente.
Excepto en áreas de escurrimiento endorreicas o interiores de las zonas áridas o semiáridas, resulta que la mayor parte de las aguas de la escorrentía directa y de la subterránea terminan en el mar, pudiendo considerarse por ello, que los océanos constituyen el punto final del ciclo hidrológico, pues de ellos vuelve a evaporarse el agua, para iniciar de nuevo todo el proceso.
El ciclo hidrológico es un proceso continuo en el que, en su concepción más general, una partícula de agua evaporada del océano vuelve al mismo después de pasar por las etapas de precipitación y escorrentía superficial o subterránea. Sin embargo, a lo largo del ciclo puede haber múltiples cortocircuitos o ciclos menores; por ejemplo, una gota de lluvia caída sobre el continente podría recorrer indefinidamente el ciclo: lluvia-infiltración-evaporación-lluvia-infiltración, etc.; o, en forma análoga, una partícula de lluvia sobre el mar: lluvia-evaporación-lluvia-evaporación, etc.
También hay que tener muy en cuenta que el movimiento del agua en el ciclo hidrológico se caracteriza por su irregularidad, tanto en el espacio como en el tiempo. Por ejemplo, en las regiones desérticas, la lluvia puede ocurrir en unos pocos días y no todos los años, sino sólo cada cierto número de ellos; en este caso, algunos elementos del ciclo hidrológico, como la infiltración y la evaporación, suelen ser casi tan irregulares como la lluvia, y la escorrentía superficial o subterránea son a veces, prácticamente inexistentes. Análogamente, tampoco se registra una correspondencia entre las regiones donde se produce la evaporación del agua y aquellas sobre las que luego incide la precipitación, como consecuencia del transporte del vapor de agua por las masas móviles de aire.