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1.1 EL CICLO HIDROLGICO 1.1.1. Introduccin El agua, compuesto en el que se centra la hidrologa, aparece en la Tierra bajo los tres estados posibles de la materia: slido, lquido y gaseoso. Ms importante, sin embargo, es su carcter dinmico: no slo se producen constantemente cambios de estado en todas direcciones (fusin, evaporacin, condensacin, congelacin...), sino que el agua se encuentra en constante movimiento (glaciares, ros, corrientes marinas, circulacin atmosfrica, flujo subterrneo..). La energa solar y la gravitatoria, principalmente, actan de fuerza motriz generando movimientos masivos del agua en toda la superficie terrestre. Este carcter dinmico da lugar a una constante recirculacin del agua presente en la hidrosfera, de forma que es imposible separar cualquier parte del ciclo vital del agua sin caracterizar adecuadamente el conjunto que rige la dinmica de esta compleja maquinaria. Ya en 1942, Meizer consider el ciclo hidrolgico como el concepto central de la hidrogeologa. As pues, la hidrosfera, en sentido amplio est constituida por agua en los tres estados (slido, lquido y gaseoso) y est presente en la capa atmosfrica (vapor de agua, nubes) y en la corteza terrestre (como ros, lagos, acuferos o glaciares). El mayor almacn de agua en la Tierra se encuentra en los ocanos con un 97.25% del total (Figura 1.1.1).

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Figura 1.1.1 Volumen y porcentajes de los almacenes de agua en la Tierra (datos de

PhysicalGeography.net http://www.physicalgeography.net/fundamentals/8b.html y de Custodio, E., Llamas, M.R., 1983).

El concepto del ciclo del agua parte del hecho que la cantidad o masa total de agua en la hidrosfera es esencialmente constante en el tiempo, y esta consideracin lleva implcita la del movimiento de masas de aguas de un lugar a otro y/o de un estado a otro. Este movimiento o cambios de estado viene impulsado por dos motores:

- Por la energa trmica, generada principalmente por la radiacin solar y que es el desencadenante de los cambios de estado del lquido (lquido a gaseoso, slido a gaseoso o lquido) y de la circulacin atmosfrica.

- Por gravedad, que supone el desplazamiento desde las cotas altas a las

cotas bajas de las masas de agua.

HUMEDAD SUELO

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Figura 1.1.2. Esquema del ciclo hidrolgico. La Figura 1.1.2 es una descripcin del Ciclo Hidrolgico y parece contradecir la necesidad de acudir a la idea de ciclo, al presentar compartimientos estancos analizables individualmente (o ciclos o fases del ciclo general ms rpidos). Sin embargo, no es as, como a continuacin se indica: Qu relacin existe entre aguas superficiales y aguas subterrneas?

- Se observa que parte del agua que llega a la superficie (por ejemplo por lluvia) puede infiltrarse por gravedad e ir descendiendo verticalmente a travs del agregado granular (o fisuras) que componen un terreno o formacin geolgica. Este descenso del agua contina hasta llegar a la zona saturada, que es aquella zona donde por acumulacin (por debajo ya aparecen materiales impermeables u otras formaciones) el agua llena la totalidad de los poros o huecos de la roca. Esta zona saturada de agua es la que denominamos el acufero propiamente dicho. Es decir, el agua que llega a la superficie en parte se infiltra y recarga el acufero.

TranspiracinEs interceptada por

vegetacin, edificios, etc...

No llega a la superficie terrestre

Llega a la superficie terrestre

PRECIPITACIN: Vapor de agua condensada, que cae por gravedad

(lluvia, nieve, granizo, niebla, etc.)

Se evapora en el descenso

Escorrenta superficial o directa: por gravedad,

abrindose camino hacia los puntos ms bajos (mares).

(Red hidrogrfica).

Infiltracin: - Agua retenida en el suelo, o en la zona no saturada. - Agua de recarga: el agua llega a la zona saturada del terreno y

se pone en movimiento (escorrenta subterrnea).

Encharcamiento:retencin

superficial, charcos, etc...

Mar

Evaporacin

Evaporacin

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- Parte del agua que precipita, en cambio, fluye por la superficie del terreno, generando una red superficial de drenaje (como ros o lagos), aunque no toda el agua que circula por estos ros procede de la lluvia. Por ejemplo en el caso de un ro en contacto con un acufero, el ro se comporta como efluente cuando drena el acufero subyacente. En este caso, el acufero puede llegar a alimentar el ro (se ver ms en detalle, en el Tema 2). Y al contrario, un ro influente puede llegar a alimentar un acufero adyacente, por infiltracin de una parte del agua que circula por el ro hacia un nivel saturado situado por debajo del nivel del ro.

- Un manantial, fuente o surgencia, de forma parecida, es un afloramiento

de agua subterrnea, una zona en la cual el nivel piezomtrico (lmite de la zona saturada) del acufero corta la superficie terrestre, dando lugar a la descarga de un caudal ms o menos importante del agua del acufero hacia cotas inferiores. Es pues un punto en el que el agua subterrnea del acufero sale a la superficie y pasa a formar parte de las masas de agua superficiales. Con el tiempo esta surgencia puede convertirse en un humedal permanente, con un caudal apreciable en superficie, y puede originar finalmente un curso de agua superficial importante. As, se podra imaginar que los manantiales actan como rebosaderos naturales de los acuferos (Figura 1.1.3).

Figura 1.1.3. Formacin de un rebosadero o manantial (la trama rayada indica un material

impermeable).

Cmo actan los fenmenos de evaporacin y/o transpiracin?

- El agua contenida en la franja capilar del suelo, en los 20-25 primeros centmetros de la superficie del suelo, est sometida a radiaciones solares. stas aportan la energa trmica que constituye el motor de la evapotranspiracin (paso de lquido a gas) desde el suelo, ya sea por evaporacin directa de la humedad contenida en el suelo, o por absorcin

fuente

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de dicha humedad por las races de las plantas y posterior transpiracin de stas hacia la atmsfera.

Las plantas representan pues un papel muy importante en la evapotranspiracin, ya que al absorber agua del suelo tramitan con sta a fin de restituir parte de ella a la atmsfera. En efecto, el sistema respiratorio de las plantas est dotado de estomas que durante el da estn abiertas, y se genera pequeas gotas que, sometidas a la radiacin solar, se evaporan o transpiran a la atmsfera. Se tratara del sistema de refrigeracin o de sudoracin vegetal, siendo los estomas los equivalentes a los poros de nuestra piel. Asimismo, esta circulacin ascendente del agua en la planta es bsica para su ciclo vital, ya que el agua arrastra en forma disuelta los nutrientes que necesita para su desarrollo.

- En el caso de precipitacin slida en las cumbres, la nieve se sublima,

pasando directamente a vapor de agua, tanto por efecto de la insolacin como del viento. Este fenmeno puede detectarse como vaho o neblina que distorsiona la visin del horizonte.

- La evaporacin de aguas continentales superficiales tambin es

importante, afectando a lagos, embalses y cursos de agua circulante como los ros, debido nuevamente a la combinacin de la insolacin y el viento.

En general, la evapotranspiracin depende de la capacidad que tenga el aire de absorber vapor de agua, que a su vez depender de la temperatura y humedad en superficie, y de la velocidad y direccin del viento as como del nmero de horas de insolacin. Qu sucede con el agua de escorrenta superficial, es decir, de aquella que no se ha infiltrado ni se ha evaporado?. Lgicamente, pasa a formar parte de los cursos de agua que circulan en superficie (ros), y que por gravedad va descendiendo hacia cotas cada vez ms bajas, reunindose con otros cauces hasta la desembocadura en un lago o en el mar. As, del agua trasportada por la atmsfera que se precipita en zonas continentales, finalmente se llega a que:

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- Parte del agua de los ros y torrentes acaba en el mar. - Los manantiales submarinos y los acuferos costeros vierten el agua

subterrnea al mar. - En algunos casos (zonas desrticas, zonas endorreicas), la evaporacin

puede ser tan intensa que no alcancen el mar.

En el mar, que es el punto final de estas aguas, vuelven a estar sometidas de nuevo a la evaporacin, con lo que el ciclo se reinicia de nuevo. En resumen, el ciclo hidrolgico es un proceso continuo. No obstante, el movimiento del agua dentro del ciclo hidrolgico se caracteriza por su irregularidad tanto en el espacio como en el tiempo: as por ejemplo, en algunas zonas desrticas, pueden pasar aos sin llover, y lgicamente apenas haber escorrenta directa, mientras que en otros casos, an en zonas tambin desrticas, pueden darse precipitaciones muy importantes. La caracterizacin de este ciclo es pues de suma importancia ya que constituye la entrada o principio de la circulacin de agua en los acuferos, y por tanto condiciona los fenmenos que se producen en su seno y que son el objeto de la ciencia llamada hidrologa subterrnea. 1.1.2. Definicin de los componentes de Ciclo Hidrolgico El Ciclo Hidrogeolgico describe el movimiento continuo del agua, pasando por todas sus fases, y como se denomina ciclo, no puede interpretarse ni un principio ni un final. Lo ms intuitivo, es considerar como primera fase, el agua que precipita sobre el terreno: el vapor de agua contenido en la atmsfera se condensa alrededor de las partculas, y por el peso cae y se desplaza de la atmsfera a la superficie terrestre. Durante este trayecto el agua precipitada puede seguir diferentes caminos (Figura 1.1.4):

- Puede ser retenida por las plantas o edificios (intercepcin y detencin superficial), de manera que una parte se evaporar y volver a la atmsfera, pero otra podr llegar a la superficie.

- Puede caer sobre la superficie terrestre. En este caso, una parte del

agua continuar circulando en superficie (escorrenta superficial), dando origen a torrentes, ros, lagos entre otros.

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- Pero otra parte del agua cada sobre la superficie terrestre empezar a rellenar los poros del subsuelo, dando origen a la infiltracin a una velocidad que depender de la porosidad del terreno (disposicin y tamao de los huecos entre los granos que componen el terreno), de su grado de humedad entre otros. De esta agua infiltrada, una parte circular por la zona ms superficial (escorrenta subsuperficial o hipodrmica) pudiendo aflorar en superficie durante su circulacin y dando lugar a manantiales. La parte restante del agua infiltrada, seguir descendiendo por gravedad y llegar a la zona saturada del subsuelo, pasando a formar parte de las aguas subterrneas del acufero (escorrenta subterrnea).

Figura 1.1.4. Componentes del Ciclo Hidrolgico. Habiendo tomado como inicio el agua cada por precipitacin, es lgico pensar que el destino final de todas estas agua es el mar, de manera que por su evaporacin volvern a originarse nubes de precipitacin y el ciclo volvera a empezar.

Recarga

Agua subterrnea dulce

Evapotranspiracin Precipitacin

Evapotranspiracin

Infiltracin Terreno pantanoso

Embalse Ro

Pozo

Mar

Terreno impermeable Acufero

confinado

Agua subterrnea salada

Terreno impermeable

Evaporacin

Evaporacin

Evaporacin

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Precipitacin Se consideran precipitaciones todas aquellas aguas que caen en la superficie terrestre en todas las formas posibles: lquida (lluvia, llovizna), slida amorfa (granizo), slida cristalizada (nieve), intermedias (nieve granulada, aguanieve), por condensacin (roco, niebla), por sublimacin (escarcha), entre otras.

Como ya se ha comentado, la precipitacin puede considerarse como el origen de todas las corrientes de agua superficiales y subterrneas, de manera que ser fundamental su medicin y conocimiento para la realizacin de cualquier estudio de carcter hidrolgico. Para la realizacin de los clculos hidrolgicos, es necesario que el hidrlogo considere la precipitacin cada en la cuenca hidrogrfica (Figura 1.1.5). sta se define como una rea o superficie del territorio en la que el agua de lluvia que se drena por escorrenta superficial, sale por un mismo y nico punto de la red fluvial situada a la cota ms baja (punto de salida de la cuenca).

Figura 1.1.5. Cuenca hidrogrfica con la representacin de las curvas de nivel y los puntos ms importantes.

La medida de la precipitacin expresa la altura que alcanzara el volumen de agua recogida sobre una hipottica superficie plana y horizontal. As, la unidad utilizada para medir la precipitacin es el milmetro (mm), que equivale a 1 L/m2 o a 10 m3/ha (1L/m2=1Lx10000 m2/ha).

Cuenca hidrogrfica total

Cursos de agua secundarios y principal

Punto de salida de la cuenca

Curvas de nivel equidistantes

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Escorrenta superficial Se define como la parte del agua de lluvia precipitada que llega a la superficie terrestre y que no se infiltra en el subsuelo y que circula por la superficie en forma de torrentes, ros, arroyos, por los cauces que constituyen la red de drenaje superficial. Las unidades ms utilizadas para la escorrenta superficial son el m3/s (unidades de caudal); y tambin se utiliza el L/skm2 (unidades de caudal especfico), que da una idea de la escorrenta especfica (o referida a la superficie de la cuenca) y sirve para establecer comparaciones entre cuencas. A veces se utiliza el hm3 como medida del volumen aportado por un ro o cuenca. El concepto de aportaciones en un punto dado, equivale al volumen total de agua que ha circulado por un punto dado en un tiempo dado, es decir, caudal por tiempo, medido en hm3/a, hm3/mes, entre otros. El agua en el suelo El suelo es el resultado de cambios fsicos y qumicos, as como de la actividad orgnica (vegetal, biolgica) sobre el substrato rocoso ms profundo. La Figura 1.1.6 representa esquemticamente un corte vertical del suelo:

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Figura 1.1.6. Corte terico vertical del suelo (modificado de Custodio, E., Llamas, M.R., 1983).

En funcin del contenido en agua del suelo, pueden diferenciarse 2 zonas principales; zona saturada y zona no saturada o de aireacin o vadosa, y dentro de sta la zona donde acta la evapotranspiracin, la zona intermedia y la zona de ascenso capilar. Zona saturada: los poros, intersticios y fisuras estn totalmente saturados de agua, es decir, el porcentaje de agua que contiene, coincide con el volumen de huecos y por lo tanto con la porosidad total del material. La superficie superior que limita esta zona es la superficie piezomtrica de las aguas subterrneas, en donde la presin en todos los puntos es la misma, e igual a la presin atmosfrica. Es la superficie libre de las aguas subterrneas o tambin llamada superficie hidrosttica o fretica. Zona no saturada o de aireacin o vadosa: es la zona localizada por encima de la zona de circulacin de las aguas subterrneas del acufero. El grado de saturacin de los poros no es del 100% como en el caso anterior, y esto facilita poder diferenciar zonas dentro de este espacio:

Zona de ascenso capilar, donde el grado de saturacin de los poros disminuye gradualmente de abajo a arriba hasta un valor lmite. El contenido de agua de esta zona no est condicionada por el flujo

ZONA SATURADA

Zona de ascenso capilar

Zona intermedia ZONA DE AIREACIN

O ZONA VADOSA

O ZONA NO SATURADA

Zona de evapotranspiracin (suelo agrcola o edfico)

Nivel fretico

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descendente del agua que se infiltra, sino por fenmenos de ascenso capilar desde la superficie donde el agua ocupa la totalidad de los poros, o zona saturada. El espesor de esta zona, por tanto, disminuye al aumentar la granulometra del suelo (al igual que el ascenso capilar disminuye con el dimetro del tubo) y esta zona sigue las fluctuaciones de la superficie piezomtrica (Heras, 1972).

Zona intermedia: en esta zona los huecos del subsuelo estn ocupados por agua lquida, aire y vapor de agua.

Zona de evapotranspiracin: es la zona ms superficial. Tiene un gran inters agronmico dado que, es la zona donde se encuentran e influye la actividad de las races de las plantas y donde se producen los fenmenos de evapotranspiracin. El espesor de esta zona vara en funcin del clima y del tipo de cubierta vegetal. Como media, puede considerarse un espesor de 0,5 a 2 metros, aunque como se ha dicho depende enormemente del tipo de vegetacin. Corresponde al concepto agronmico de suelo vegetal o capa edfica.

Si se produce una precipitacin importante, los poros de la zona no saturada pueden quedar temporalmente saturados de agua. Por efectos de la gravedad, este agua ir descendiendo hacia la zona saturada que actuar de recarga del acufero y se incorporar a la escorrenta subterrnea, pero una parte podr quedar retenida ocupando algunos poros de la zona no saturada, y otra parte podr circular por la zona ms superficial del subsuelo (escorrenta subsuperficial o hipodrmica). Tngase en cuenta que estos fenmenos de infiltracin de la lluvia que cae sobre un terreno son de una enorme complejidad, y dependen no solo de la intensidad de lluvia, la topografa, el tipo de terreno y la cobertura vegetal sino tambin del perfil vertical del grado de humedad del propio terreno. As, no responde de igual forma un suelo completamente seco que este mismo suelo completamente empapado de agua. Igualmente, la infiltracin es muy diferente para una precipitacin de 100 mm segn se haya producido en una lluvia regular que ha durado dos das o en una tormenta de una hora de duracin.

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Escorrenta subterrnea Es la que circula por la zona saturada, en el acufero. Es la parte del agua que se infiltra y que llega a la zona saturada, incorporndose a las aguas subterrneas y recargando al acufero. La escorrenta subterrnea, es por tanto, el objeto especfico de estudio de este curso. Dentro del ciclo hidrolgico, el agua subterrnea no es una masa esttica, sino que tiene movilidad. Su recarga natural se origina en la infiltracin de las aguas provinentes de la precipitacin, del cauce de los ros, torrentes, lagos.... y sus salidas naturales vienen determinadas por el mar, los manantiales y por el drenaje de aguas hacia los ros. Evapotranspiracin La evaporacin es el paso del estado lquido al estado gaseoso del agua. La transpiracin es bsicamente el mismo fenmeno pero que ocurre a travs del sistema circulatorio de las plantas, y que a su vez toman agua de la zona del suelo edfico. En las superficies cubiertas por la vegetacin, se renen ambos conceptos de manera que la separacin cuantitativa es prcticamente imposible y se denomina evapotranspiracin. Tal y como indica su nombre, la evapotranspiracin es un fenmeno fsico que suma el de evaporacin (fundamentalmente del agua de la superficie terrestre que puede encontrarse en cursos de agua superficiales, lagos...) y el de transpiracin (de carcter eminentemente vegetal). La unidad utilizada para la evapotranspiracin es el milmetro de altura de agua, al igual que la lluvia, y que equivale a 1 L/m2 o a 10 m3/ha. Salida al mar Parte del agua que proviene tanto de las aguas subterrneas de los acuferos como de los cursos de agua superficiales, se vierte al mar. En el caso de los ros, este volumen de agua es importante por su aportacin de sedimentos para la formacin de los deltas y tambin por la aportacin de nutrientes indispensables para la alimentacin de la fauna marina.

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La salida al mar del flujo subterrneo, tiene un papel clave para impedir la entrada de agua salinizada al acufero, que afectara la calidad del recurso hdrico.

Intercepcin y retencin superficial La precipitacin no siempre llega directamente hasta la superficie terrestre, ya que una parte poco importante puede ser interceptada por la presencia de la vegetacin. En el caso de la vegetacin, la estimacin de esta agua interceptada se evala como una fraccin del agua precipitada sobre la cuenca, a partir de los datos obtenidos en cuencas experimentales.

1.1.3. Accin del hombre El hombre introduce cambios en el ciclo hidrolgico para su provecho. Por eso es necesario hablar de dos grupos de fases o componentes del ciclo:

- Los componentes primarios del ciclo hidrolgico engloban las fases en que el hombre no acta directamente sobre la circulacin del agua: precipitacin, evapotranspiracin, la intercepcin y detencin superficial del agua, infiltracin1 y el agua en la zona no saturada. Aunque el hombre puede influir en ellas, provocando lluvias artificiales, reduccin de la evaporacin, recarga artificial, sistemas especiales de riego, etc.

- Los otros componentes del ciclo hidrolgico corresponden a las fases en

las que el hombre acta directamente sobre la circulacin del agua: la escorrenta directa y la escorrenta subterrnea forman el volumen total de agua explotable por el hombre. Por ejemplo: mediante la construccin de embalses, la derivacin de los ros, la utilizacin de las aguas superficiales, la explotacin de los acuferos mediante la construccin de pozos, etc.

1 Infiltracin: cantidad de agua que penetra en el suelo, humedece la cubierta vegetal y alimenta las zonas permeables del subsuelo.

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1.1.4 Definicin del balance de agua en el suelo o hidrometeorolgico y de la recarga El objetivo de esta primera parte del tema, es la de introducir los conceptos necesarios para poder realizar el balance de agua en el subsuelo o balance hidrometeorolgico, que su inters radica en el clculo de la recarga de agua al acufero. De manera que en los siguientes apartados se abordarn los siguientes aspectos:

- Datos climticos y climatologa Conceptos hidrometeorolgicos bsicos.

- El agua en el subsuelo. Parmetros Propiedades del subsuelo. - Clculo de la ETP y ETR Definicin y mtodos. - Infiltracin (I) y escorrenta. - Clculo de balances hidrometeorolgicos Conocida la I, la ETP y la

retencin de agua en el subsuelo se calcula la recarga del acufero. El clculo del balance de agua en el suelo tambin es importante porque: 1.- la capacidad de infiltracin depende del contenido de agua en el suelo al principio del periodo de lluvia. Su conocimiento es bsico en los modelos de clculo de escorrenta a partir de la infiltracin y para el clculo de avenidas. 2.- En los modelos de circulacin atmosfrica una de las entradas es la evaporacin. La interaccin suelo-atmsfera es muy importante en estos modelos pero su estimacin es dbil. Es importante para el estudio del clima global y su cambio. La recarga de un acufero se define como la cantidad de agua que entra en la zona saturada del terreno (Figura 1.1.7). Se expresa como volumen por unidad de superficie y de tiempo (m3/m2/d, m/d, mm/d). Vara enormemente en el espacio y tiempo, de manera que ser difcil medir y/o de extrapolar.

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Figura 1.1.7. Esquema del ciclo hidrolgico sealando la recarga y descarga de agua del

acufero (http://ga.water.usgs.gov/edu/watercycle.html).

El balance hidrometeorolgico o balance de agua en el suelo es un clculo que permite estimar de una forma aproximada la recarga a partir de los datos de temperatura, precipitacin y parmetros del suelo.