CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LA HIDROLOGÍA

1.1. CONCEPTO DE HIDROLOGÍA

La Hidrología o Hidrografía es la ciencia de la naturaleza que estudia el agua dentro del planeta Tierra, tanto en los aspectos de ocurrencia como acumulación y circulación desde el punto de vista cualitativo, cuantitativo y estadístico.

La hidrosfera es donde tiene lugar el ciclo hidrológico y se localiza entre los 15 Km. por encima de la superficie terrestre y 1 Km. por debajo.

La Hidrología contiene además de una parte cualitativa próxima a la Geografía, una parte cuantitativa relacionada con otras ciencias como la Física de la Atmósfera y la Meteorología que intervienen en la formación de nubes y en la precipitación. La Geología y mejor la Hidrogeología se utiliza al estudiar las aguas subterráneas. La Hidráulica es necesaria para el estudio del movimiento del agua. La Química se utiliza en lo relacionado con la composición y calidad de las aguas. La Agronomía y la Edafología permiten el conocimiento de las relaciones entre la capa vegetal y el agua.

La Estadística proporciona el soporte matemático que permite el estudio de la distribución de los fenómenos hidrológicos que son esencialmente estocásticos.

1.2 RESEÑA HISTÓRICA

La Hidrología como ciencia moderna se inicia en el siglo XIX con el desarrollo de la Física, con la aceptación del concepto de ciclo hidrológico y con la iniciación de medidas de precipitación y caudales. Pero desde la antigüedad existen referencias a medidas de caudales, debido a que los desarrollos de las grandes culturas fueron consecuencia de las actividades agrícolas próximas a grandes ríos. Existieron sistemas de regadíos en Egipto, China y Mesopotamia.

Para los griegos, asentados en una región montañosa predominantemente calcárea, sin ríos de gran importancia y donde la existencia de grutas es abundante se crea una teoría basada en el ascenso del agua del océano hasta las cavernas, de donde surgían las fuentes y que la sal era perdida en este ascenso. Los fenómenos de lluvia eran asociados a la Mitología.

Los Romanos mantienen estas mismas creencias que aún perduran a lo largo de la Edad Media. Es necesario llegar al Renacimiento para que se propongan nuevas teorías.

En el siglo XV, Leonardo da Vinci introduce la idea de la evaporación y la condensación. Unos años después Bernard Palissy propone ya con claridad el concepto de ciclo hidrológico.

En el siglo XVII Perrault, Mariotte y Halley avanzan dentro del concepto de ciclo hidrológico en los aspectos de escorrentía y evaporación. Por ejemplo Halley cuantifica la evaporación mundial y comprueba que es suficiente para cubrir todos los cursos de agua.

Durante los siglos XVIII y XIX los avances de la Hidráulica, Pitot, Bernouilli, Chezy, Venturi, etc.; hacen avanzar la Hidrología que por otra parte es empujada por las necesidades producidas por el desarrollo de las obras hidráulicas.

En la segunda mitad del siglo XIX, se generaliza la medida de precipitaciones y caudales. La formulación de Darcy para el movimiento del agua en medios porosos impulsa el desarrollo de la Hidrogeología y de la Hidrología.

El siglo XX se inicia con el deseo de que la Hidrología aporte datos para la predicción de aportaciones. Durante el primer tercio del siglo XX todos estos temas se abordan con formatos empíricos de escaso rigor, pero es a partir de los años 30 cuando se desarrollan teorías cuantitativas basadas en métodos estadísticos.

Es de enunciar La Teoría del Hidrograma Unitario de Sherman, Wienar (1948) que desarrolla el análisis estadístico de series temporales, Gumbel (1958) distribución de máximas, etc. Durante los años 60 la aparición de los ordenadores electrónicos permite mucha amplitud a los cálculos (gran volumen de seguridad), lo que ha permitido el desarrollo de modelos matemáticos.

1.3 E1 CICLO HIDROLÓGICO

El agua en la naturaleza está en movimiento constante describiendo un circuito cerrado que se denomina ciclo hidrológico.

La radiación solar es la fuente de energía que mantiene en movimiento este ciclo. La radiación solar produce la evaporación del agua existente en las masas oceánicas así como en ríos, lagos y embalses. Otra parte de evaporación procede del propio suelo y de las masas vegetales, denominada evapotranspiración.

Por procesos atmosféricos (básicamente enfriamiento) el vapor de agua atmosférico se condensa y puede precipitarse en forma de lluvia, bien sobre el océano o bien sobre la superficie emergida de la tierra.

De la precipitación que afecta a las áreas no marinas una parte se evapora directamente, otra se retiene en la tierra pudiendo pasar a zonas internas (aguas subterráneas). La parte no retenida se denomina escorrentía y es la que produce las corrientes hidráulicas (ríos) que al alcanzar el mar cierran el ciclo hidrológico.

En el caso más general el agua puede ser almacenada en:

1. Atmósfera (generalmente como vapor).

2. Lagos, ríos y embalses (agua dulce).

3. Océanos (agua salada).

4. Acuíferos (aguas subterráneas).

5. Suelo.

6. Vegetación.

7. Nieve y hielo.

La transferencia de agua entre cada uno de los elementos de almacenamiento anteriormente indicados, se denomina:

1. Precipitación. Paso del agua (lluvia, nieve...) desde la atmósfera a la superficie.

2. Evaporación. Paso del agua desde la superficie terrestre a la atmósfera.

3. Evapotranspiración. Evaporación en los vegetales.

4. Infiltración y exfiltración. Paso del agua entre la superficie y las capas mas profundas.

5. Deshielo. Paso del agua de fase sólida a líquida

6. Sublimación. Paso de fase sólida a vapor.

7. Flujo. En ambos sentidos entre acuíferos y masas de agua (océanos, ríos...).

1.4 BALANCE HIDROLÓGICO

El balance hidrológico es la aplicación de la conservación de la masa de agua existente en nuestro planeta y en su total incluirla toda el agua existente (océanos, ríos, subterráneas, etc.), pero en hidrología este balance se limita a las fases no gaseosas correspondientes a una zona concreta y a un período de tiempo determinado.

La zona física considerada habitualmente es la cuenca hidrográfica, es decir, aquella que no tiene aportaciones superficiales ni subterráneas de otras áreas. O lo que es lo mismo, es aquella superficie en la cual todas las aguas fluyentes, tanto superficiales como subterráneas, llegan a desembocar en un mismo punto.

El período de tiempo es normalmente un año, el denominado año hidrológico que comienza el 1 de Octubre y finaliza el 30 de Septiembre.

Como en todo sistema aislado E - S = V, donde E son las entradas, S son las salidas y V es la variación de volumen. Según esta última ecuación se tiene que E = P - Q, donde P es la precipitación y Q es la escorrentía.

Denominándose déficit de escorrentía a la diferencia entre los volúmenes de precipitación y el volumen de escorrentía.

Es habitual plantear este déficit como el cociente entre la escorrentía y la precipitación total, denominado coeficiente de escorrentía:  = Q / P.

La precipitación media terrestre es del orden de 800 mm y la escorrentía es de 315 mm (muy irregularmente distribuida).

La precipitación media en España es de 653 mm/año y la escorrentía media del orden de 0,25.

1.5 INVENTARIO MUNDIAL DEL AGUA

El agua es un elemento abundante en la naturaleza, pero su mayor parte, del orden del 97%, se encuentra concentrada en los océanos. La distribución es la siguiente:

1. Océanos: 96,5%.

2. Hielo en los polos: 1,7%.

3. Aguas subterráneas: 1,7%.

4. Aguas superficiales: 0,1 %.

1.6 EL AGUA SUBTERRÁNEA

Del cuadro anterior se puede afirmar que el 95% del agua potable disponible está en este momento en el planeta como agua subterránea, correspondiendo el 5 % restante a lagos, embalses y ríos.

Existen tres factores fundamentales para cuantificar el volumen de las aguas subterráneas:

1. Volumen total de un acuífero. Es el volumen o capacidad que tiene un acuífero.

2. Recarga anual de un acuífero. Es el volumen de agua que entra en el acuífero en el año hidrológico.

3. Recarga sostenible. Es el volumen que podría ser utilizada, el cual no debe sobrepasar la cantidad de agua que entra en el acuífero (referida a un año hidrológico).

1.7 DEMANDA MUNDIAL DE AGUA Y DESARROLLO DE LA UTILIZACIÓN DE LOS RECURSOS DE AGUA SUBTERRÁNEA

La demanda actual de agua supera los 4.000 Km3/año y es creciente en el orden de 150 Km3/año, debido al aumento de la población, así como al crecimiento de la demanda por el desarrollo de regadíos e industrias y el incremento del bienestar social.

Este aumento de la demanda ha de ser satisfecho bien con el aumento de la utilización de recursos superficiales o subterráneos, o bien con la reutilización del agua.

El incremento en la utilización de las aguas superficiales obliga a la construcción de más embalses.

Con relación al desarrollo de la utilización de los recursos subterráneos, éste es distinto según la climatología de la zona. Así, en zonas templadas con niveles medios de escorrentía, la relación entre aguas superficiales y subterráneas es muy alta afectándose mutuamente en su aprovechamiento, por ello se está tendiendo a una planificación conjunta de embalses superficiales y subterráneos para la regulación de caudales a utilizar.

En zonas áridas las aguas subterráneas son mucho más importantes ya que al no existir escorrentía, prácticamente toda la precipitación se evapora o recarga los acuíferos.

En España la demanda urbana de agua es aproximadamente de 3.972 Hm3/año y para usos agrícolas de 31.198 Hm3/año.

GRANDES PRESAS

En España existen 880 grandes presas y se estima que el volumen total contenido en las mismas de 53.000 Hm3, con una superficie de 270.000 Ha.

Grandes presas son aquellas que miden desde sus cimientos más de 15 m de altura, o que oscilen entre 10 y 15 m de altura y que cumplan alguna de las siguientes condiciones:

1. Longitud de coronación de500m (longitud de la línea de presa).

2. Capacidad de embalse superior a 1 Hm3.

3. Capacidad de desagüe mayor de 2.000 m3/seg.

4. Haber sido calificadas como tal por el organismo competente.