hidrologiagricola

Hidrología Agrícola Rafael Muñoz Carpena

PARTE I: INTRODUCCION A LA HIDROLOGÍA


Tema 1:Introducción a la hidrología 3

Tema 1: Intr oducción a la hidr ología

1.1 El agua: un recurso precioso

Según el último informe de la ONU, la escasez de agua es, junto a lacontaminación, el problema medioambiental más grave. Cada habitante del planetaconsume el doble de agua que a principios de siglo pero un tercio de la poblaciónmundial no tiene toda la que necesita.

La distribución del agua en el planeta, tanto en cantidad como en calidad, escaprichosa. Las sequías de los años 90, están obligando a replantearse el aguacomo un bien de importancia primordial en la riqueza sostenible de los pueblos.

La escasez de agua en zonas donde la cuenca hídrica está dividida entre dos o máspaíses provoca conflictos. Esta situación se da en más de 200 lugares del mundo.En la actualidad hay más de 300 tratados internacionales para regular estassituaciones. Muchas de las guerras de los últimos años han tenido en su raízdisputas sobre el agua. Como ejemplo, el área que va desde Turquía a Egipto acogealrededor del 2.6% de la población mundial (160 millones) pero dispone de sólo el0.4% de los recursos hídricos. Desde hace años hay un contencioso entre Israel,Siria y Jordania sobre el aprovechamiento del río Jordán y afluentes. El control delas aguas está en su mayoría en manos israelitas desde la guerra árabe-israelí de1967. Otro conflicto de gran actualidad se sitúa en la franja de Gaza, pues la sobre-explotación por parte de Israel del acuífero de la zona ha traído consigo el rellenocon aguas marinas y su salinización. Otros conflictos enfrentan a Turquía con Siriae Irak en la cuenca del Eufrates y Tigris, o a Bangladesh e India en la cuenca delGanges, donde existen varios pantanos que interceptan el agua y limitan su usoaguas abajo. En Asia Central el que en su día fue el inmeso lago Aral ha sidoreducido a un 40% de su antiguo tamaño al desviar sus dos principales afluentespara el riego y uso industrial en las zonas de la Georgia rusa. Esto ha desertizado lazona, ha destruído su equilibrio ecológico y ha sumido en la pobreza a una regióntradicionalmente rica por su industria derivada de la pesca.

El problema de la disponibilidad de agua en España ha sido acuciante durante losúltimos años por la sequía (la peor desde 1875). Mientras los recursos tradicionaleshan alcanzado prácticamente su límite el consumo se ha multiplicado por 25 entre1950-85, lo que dobla la media del área mediterránea. Actualmente el consumomedio nacional es de 200 l/hab-día, que es el tercero a nivel mundial (tras E.E.U.U.y Canadá). Se espera que se incremente en un 15% para 2010 y en un 36% para el2020.

El problema de escasez de agua tiene otras implicaciones, aparte de las evidentes,como son la alarmante desertificación del sur de la Península e Islas Canarias. Lascrónicas cuentan que Almería era un bosque hace un siglo. La tala desmedida porla actividad minera en una zona donde el propio bosque condicionaba la humedady sostenibilidad del ecosistema, la sobre-explotación de los acuíferos y la escasaprecipitación (el cabo de Gata registra el mínimo de Europa) han hecho de estaprovincia una de las zonas más desérticas de Europa. En Canarias este proceso seha hecho patente en las islas mayores en los últimos tiempos, aunque los hábitos de



consumo no se han limitado y se siguen potenciando actividades que implican granconsumo de agua.

Los otros poblemas asociados con el agua son el abastecimiento y la calidad. Enpaíses como Haití, Somalia y Laos más de la mitad de los ciudadanos no disponede agua potable en sus hogares, y en España se estima que hay unas 77000viviendas sin agua potable. En los países en vías de desarrollo el 80% de lasenfermedades de la población residente están causadas por agua contaminada.Aunque la contaminación del agua por agroquimicos en general ha ido pareja aldesarrollo económico (es un problema común al ámbito europeo) en nuestro paísestá empezando a adquirir dimensiones preocupantes. En la reciente publicacióndel Libro Azul del agua por el MOPT (1999), se admite por primera vez a niveloficial que el problema está generalizado aunque con marcadas diferencias entreregiones.

¿Cuáles son los recursos hídricos disponibles?. ¿Es la explotación actualequilibrada o avanzamos hacia la desertificación?. ¿Representa la contaminaciónactual del agua un riesgo?. ¿Podemos recuperar la cantidad y calidad de nuestrosrecursos?.

Todas estas preguntas entran dentro del ámbito de la hidrología. Su estudio entrañagran dificultad porque debemos de enfrentarnos a un hecho básico: laimprevisibilidad de las lluvias, que son el motor del ciclo hidrológico ycondicionan la disponibilidad del agua como recurso.

Para obtener respuestas válidas la hidrología debe estudiar sistemáticamente cadauno de los componentes o procesos del ciclo hidrológico, sus bases científicas,cuantificar su magnitud y definir la interacción con los otros componentes delbalance hídrico. Este enfoque es el seguido en este texto.

La primera parte de la obra recoge una Introducción en la que se presenta el ciclohidrológico y se describen las propiedades químicas y físicas del agua que leconfieren su naturaleza particular.

La segunda parte está dedicada a la Hidrología Atmosférica, que estudia losintercambios entre la atmósfera y la superficie (precipitación, evaporación,condensación y rocío). La descripción de la precipitación ha de incluir, aparte delas bases físicas conocidas, el estudio de la variabilidad espacial y temporal quepresenta. Al final de esta parte se introducen nociones del análisis de frecuenciahidrológica que permiten la predicción estocástica de la mágnitud de los sucesosextremos de precipitación, de gran importancia en la ingeniería hidráulica comovalor de diseño.

La tercera parte está dedicada a la Hidrología del Suelo. Aquí se introducen laspropiedades físicas del suelo que condicionan su capacidad para absorber (infiltrar)total o parcialmente el agua de lluvia, así como de conducirla a su través hastazonas más profundas donde se encuentran los acuíferos. Se introducen lasecuaciones físicas que permiten realizar predicciones de la cantidad de agua quepermanece en la superficie al no poder absorberla el suelo (exceso de lluvia) asícomo la que drena y recarga los acuíferos.

La cuarta parte, Hidrología Superficial, arranca de esa cantidad de agua disponible



en superficie y presenta los procesos de agregación pendiente abajo para dar lugaral fenómeno de la escorrentía. Se discuten métodos de estimación de las variablesde diseño relacionadas con la escorrentía en cuencas hídricas agroforestales,también de gran interés en la ingeniería hidráulica.

En la última parte, Hidrología Subterránea o Hidrogeología, se introduce al estudiode los acuíferos, su localización, funcionamiento y la explotación paraabastecimiento de agua.

1.2 La hidrología como ciencia: relación con otras ciencias

La hidrología es la ciencia que estudia el agua en la Tierra: su ocurrencia,circulación y distribución, sus propiedades físicas y químicas y su relación con elmedio ambiente incluídos los seres vivos. Como el agua está presente en multitudde lugares y formas, su estudio necesariamente necesita de otras ciencias lo queimplica su carácter marcadamente multidisciplinar. La Figura 1-1 da una idea deello.

Es importante distinguir entre hidrología e hidráulica. Si bien la hidráulica tienecomo objeto también el agua, su enfoque es principalmente el de su conducción yalmacenamiento, teniendo como principal fuente la mecánica de fluídos.

Como se verá en el apartado a continuación, la hidrología tiene sus antecedentes enla formulación del origen y destino del agua en la Tierra, lo que se conoce comociclo hidrológico y que ha sido objeto de discusión hasta tiempos muy recientes.La hidrología ha experimentado un desarrollo espectacular desde mediados delsiglo XIX hasta nuestros días. Así en 1851 se empezaron a utilizar métodoscuantitativos para la predición de la escorrentía generada por una superficie a partir

Figura 1-1. Relación de la hidrología con otras ciencias

HIDROLOGIA

AtmosféricaSuperficial

Subterránea (hidrogeología)

INGENIERIA DE RECURSOSHIDRICOS

Matemática aplicadainformática

Química / Física

Estadística

Mecánica de fluídos

Geomorfología

Electrónica

Geología

Edafología

Meteorologia yClimatologia

Precioitación/Evaporación

Infiltración

Flujosubterráneo

Adquisición dedatos

Escorrentía/ erosión

Flujosuperficial

Resoluciónde

ecuaciones

Degradación,prec., disolución,

reacción,...

Incertidumbre, distribución

espacial,predicción

Diseño, Planificación,manejo



de la introducción por Mulvaney en Irlanda del método racional. El ingenierofrancés Darçy revolucionó el conocimiento del flujo del agua medios porosossaturados (como lo son los acuíferos) con la formulación de la ley que lleva sunombre. En 1871 Saint-Venant desarrolló las ecuaciones fundamentales de flujosuperficial abriendo el camino a la hidrología superficial moderna. A finales delXIX Manning (1891) presentó sus trabajos sobre flujo en canales abiertos queañadieron herramientas para la cuantificación del flujo superficial concentradocomo el que se produce en ríos, arroyos, etc. A principios de este siglo sesucedieron estudios que son la base de nuestro conocimiento actual de esta ciencia.Así en 1908 se midió por primera vez el flujo en una cuenca hidrográfica enEEUU, en 1911 Green y Ampt propusieron su famosa ecuación de infiltración ensuelos, y la tesis doctoral de Richards (1931) formuló la ecuación fundamental deflujo en medio poroso insaturado así como aportó herramientas de laboratorio parasu estudio. La literatura científica en este campo desde entonces es inmensa y afinales de este siglo, con la ayuda de los ordenadores, se está avanzando en lapredicción del comportamiento hidrológico de diversos sistemas de interéseconómico, social y medioambiental.

1.3 El ciclo hidrológico.

Aunque la idea de un ciclo hidrológico donde el agua se renueva continuamente,en su camino continuo entre la tierra y el mar y su vuelta a través de la atmósfera esun hecho comúnmente aceptado hoy (Figura 1-2) , esto no fue así hasta mediadosdel siglo XIX.

Ya en la Grecia clásica el hombre intentó encontrar una explicación al origen ydestino del agua, proponiendo la explicación que el camino visible del agua (desde

Figura 1-2. Esquema del ciclo hidrológico (de Chow et al, 1987)



las montañas al mar) era cerrado por unos canales subterráneos que alimentabanlas montañas desde el mar. Esta concepción fue admitida hasta que Perrault en el s.XVII defendió la idea de que era la atmófera la que cerraba el ciclo. Estaconcepción moderna fue objeto de acalorado debate durante los dos siglosposteriores hasta que J. Dalton zanjó la polémica en 1803 (todavía hay referenciasa discusiones sobre el tema en algunos círculos durante la primera mitad del s.XIX). A partir de la segunda mitad del s.XIX se inicia el estudio científico del ciclohidrológico.

A finales de los años 70 se presentaron las primeras cifras del balance hidrológicoglobal (Tablas 1-1 y 1-2), durante la década hidrológica en la que se pusieron encomún datos de los dos bloques políticos de la época (Este y Oeste). Es importantetener en cuenta que este balance corresponde a escala planetaria y periodos detiempo suficientemente prolongados. En dichas tablas se observa que en valoresabsolutos la evaporación en los océanos es 7 veces la de la tierra. En términos delámina de agua (volumen sobre superficie) la precipitación sobre los océanos esunas 3/2 veces superior que sobre la tierra, mientras que la evaporación lo es 3veces. Debido a esto los océanos dominan el ciclo hidrológico, y su influencia sehace notar en las zonas continentales costeras. Las descargas desde la tierra alocéano son en su mayoría en forma de flujo superficial.

Aunque el agua cubre las 3/4 partes de la superficie del planeta, el 97.5% es salada.El 2.5% restante es dulce aunque la mayor parte no directamente utilizable porhallarse en los casquetes polares o glaciares o en forma de humedad del suelo.Aproximadamente el 0.01% del agua total presente en el planeta es agua dulceutilizable (pozos, lagos, ríos y embalses).

Tabla 1-1:Cantidades estimadas de agua en el mundo (S) (UNESCO, 1978).

Área (105 km2)

Volumen (km3)

agua total%

agua dulce%

Océanos 361.3 1338000000 96.50 ---

Agua subterránea dulce 134.8 10530000 0.76 30.10

Agua subterránea salada 134.8 12870000 0.93 ---

Humedad del suelo 82.0 16500 0.0012 0.05

Hielo polar 16.0 24.023.500 1.70 68.60

Hielo no polar y nieve 0.3 340600 0.025 1.00

Lagos dulces 1.2 91000 0.007 0.26

Lagos salinos 0.8 85400 0.006 ---

Pantanos 2.7 11470 0.0008 0.03

Ríos 148.8 2.120 0.0002 0.006

Agua biológica 510.0 1120 0.0001 0.003

Agua atmosférica 510.0 12900 0.001 0.04

Agua total 510.0 1385984610 100 ---

Agua dulce 148.8 35029210 2.50 100



Para evaluar la relativa movilidad del agua entre las distintas fases del ciclohidrológico se utiliza el tiempo de residencia (Tr) definido como el tiempopromedio que necesita una molécula de agua para pasar a través de un subsistemadel ciclo hidrológico:

Tr = S / Q (1-1)

Los valores de S y Q se obtienen de las Tablas 1-1 y 1-2.

Ejemplo: El Tr de la humedad atmosférica global (8.2 días) se obtiene dividiendoel volumen de la humedad atmoférica (12900 km3) por la tasa de flujo entre laatmófera y superficie (precipitación total sobre tierra y océanos, 458000 + 119000= 577000 km3/año). La comparación de las Tr permite sacar conclusiones sobre larelativa mobilidad del agua de los diferentes subsistemas.

Aunque la cantidad total de agua dulce disponible en el planeta podría abastecer aunos 20,000 millones de habitantes, su distribución a nivel mundial es muyvariable. La media mundial de agua potable disponible es de 7460 m3/habitante.Sin embargo el valor varía por continentes desde los 3010 de Asia a los 84140 m3/habitante de Oceanía (el continente menos poblado), según se recoge en la Figura1-3. Según FAO unos 232 millones de personas en 26 países disponen de menos de1000 m3/habitante-año, cuando la dieta mínima (pobre en proteínas) requiere unos1600.

En Canarias la media de recursos es muy inferior a las cifras anteriores, aunque

Tabla 1-2:Balance anual de agua global (Q) (UNESCO, 1978)

Componente unidades Océano Tierra

Área (km2) 361.300.000 148.800.000

Precipitación (km3/año)(mm/año)(pulg/año)

458.0001.270

50

119.00080031

Evaporación (km3/año) (mm/año) (pulg/año)

505.0001.400

55

72.00048419

Escorrentía hacia los océanos

Ríos (km3/año) — 44.700

Agua subterránea (km3/año) — 2.200

Escorrentía total (km3/año) (mm/año) (pulg/año)

———

47.00031612



varía mucho de isla en isla (Tabla 1-3).

En la actualidad existe evidencia, aunque no concluyente todavía, de que el ciclohidrológico puede estar intensificándose en el contexto del llamado CambioClimático Global

1.4 Flujos hidrológicos: Definiciones

La hidrología se basa en el estudio de los componentes que intervienen en elbalance hidrológico. La Figura 1-4 presenta los más importantes. La presencia o node los distintos componentes en un balance hídrico es función de la escalaconsiderada (columna, perfil de suelo, parcela o campo, cuenca, región,..., planeta)y condiciones del medio.

Tabla 1-3:Recursos convencionales de agua en Canarias (D.G. Aguas, 1990)

IslaP. de hecho(hab.)

Recursos(m3/hab-año)

El Hierro 6995 3700

La Palma 75577 3400

La Gomera 15858 3300

Tenerife 685583 670

Gran Canaria 715611 300

Fuerteventura 49542 820

Lanzarote 88475 220

TOTAL CANARIAS 1637640 653

20000

40000

60000

80000

m3 / h

abita

nte

AsiaAfricaEuropaNorteaméricaSurAméricaOceanía

Media mundial

Figura 1-3. Disponibilidad del agua potable por continentes



1.5 Propiedades del agua

1.5.1 Naturaleza del agua como dipolo

En la Figura 1-5 se muestra la naturaleza dipolar de la molécula del agua medianteun modelo de esferas y palillos (a) y orbitales (b). Debido a la disposición casitetraédrica de los pares de electrones de valencia alrededor del átomo de oxígeno,los dos átomos de hidrógeno tienen cargas parciales positivas (δ+) y el átomo deoxígeno tiene dos cargas negativas parciales (δ-).

En (c) se muestran dos moléculas de agua unidas por un puente de hidrógeno entreel átomo de oxígeno de la molécula en la parte de arriba (con δ-) y el átomo dehidrógeno en la de abajo (con δ+). Cada molécula de agua puede unirse de estamanera a otras, como ocurre en el caso del hielo, con lo que el conjunto se vuelverígido. Conviene recordar que el enlace covalente entre los átomos de la moléculade agua es del orden de 10 a 50 veces más fuerte que el producido por los puentesde hidrógeno.

Divisoria de aguassubterráneas

Infiltración

Percolación

Flujosubterráneo

Nivelfreático

Divisoriade

aguas

Precipitación

Evaporación

Transpiración

IntercepciónInterflujo

Escorrentía

Almacenamientosuperficial

Detención

Figura 1-4. Componentes del ciclo hidrológico en una ladera



1.5.2 El agua como una substancia física (Lecciones de Feynman)

Los esquemas desarrollados por el premio nobel de física Richard P. Feynman(Figura 1-6) nos muestran cómo la naturaleza dipolar de la molécula de agua,unido a su estado de energía interna (calor) manifestado por la vibración de susmoléculas (temperatura), explican la estructura de las distintas fases en que sepresenta el agua: sólido (a), líquido (b) y gas (c). Nótese como la separación entremoléculas (y por lo tanto su densidad) varía en cada fase. En el sólido (hielo) laenergía interna es pequeña y los puentes de hidrógeno mantienen ordenadas lasmoléculas en una estructura espacial uniforme que deja “huecos” en su interior(menor densidad del hielo frente al agua) y su volumen y forma definidos. Con elaumento de la temperatura, estado líquido, la vibración de las moléculas aumenta yse desordenan las moléculas, con lo que hay menos “huecos” en la materia (mayordensidad) y la forma ya no está definida aunque su volumen es relativamenteconstante. Cuando el nivel de energía interna aumenta se produce un cambio de

Figura 1-5. Estructura dipolar de la molécula de agua (adpt.Lehninger, 1987)



fase caracterizado por la rotura de los puentes de hidrógeno y separación entremoléculas (ni volumen ni forma definidos) en el estado conocido como gas.

En la Figura (c) se observa como la acción de fuerzas conjuntas de puentes dehidrógeno sobre uniones covalentes débiles (caso de la sal NaCl) son capaces dedisociar la molécula, por lo que el agua actúa como el disolvente universal desustancias polares.

1.5.3 Densidad y energía interna

Los cambios de densidad pueden observarse en la Figura 1-7. Nótese que la escalade ordenadas está muy ampliada para mostrar el cambio. Compárese esta Figuracon la 1-8 que muestra la relación de la energía interna del agua con sus fases. Lapresión producida por el aumento de volumen que experimenta el agua al helarsees enorme (207,000 kPa) lo que explica los fenómenos de meteorización de lasrocas.

Nótese como el calor latente de evaporación implica un importante cambio deenergía sin cambio de temperatura, 540 cal/g (Fig. 1-8). Esto tiene su incidencia enla suavizacion de los cambios de temperatura en el planeta. Se calcula que un 23%de la energía recibida del sol se invierte en cambios de fase en lugar de subida detemperatura.

Figura 1-6. El agua como sustancia física. (R.P. Feynman y R.B. Leighton. 1963. The FeynmanLectures on Physics, Vol I. Addison Wesley).

AGUA (x 1,000,000,000)HIELO

SAL DISOLVIENDOSE EN EL AGUAAGUA EVAPORANDOSE EN EL AIRE

OXIGENO HIDROGENO NITROGENO SODIOCLORO



1.6 Concepto de sistema. Modelo hidrológico

1.6.1 Concepto de sistema

La complejidad de los fenómenos hidrológicos dificulta su descripciónmecanística. En ausencia de este conocimiento físico, éstos pueden representarsede forma simplificada mediante el concepto de sistema. El sistema es un conjuntode partes conectadas entre sí que forman un todo. El objetivo del análisis del

0 20 40 60 80 100

Temperatura (˚C)

900

920

940

960

980

1000

Den

sida

d (K

g /m

3 )

Hielo

Líquido

Vapor

AGUA

Figura 1-7. Estados del agua en relación a su densidad

Figura 1-8. Estados del agua en relación a su energía interna (adp. Chow et al., 1987)

-20 0 20 40 60 80 100 120

Temperatura (°C)

0

1

2

3

Ene

rgía

inte

rna

(106 J

)

Hielo Agua líquida VaporCp

0.33 x 106 J/KgCalor latente de fusión C

alor

late

nte

de c

onde

nsac

ión

2.5

x 10

6 J/K

g

Cal

or la

tent

e de

vap

oriz

ació

n

(rel

ativ

a a

-20°

C)



sistema es estudiar su operación y predecir su salida, ofreciendo como relaciónentre las entradas y salidas una función de transformación, tranferencia u operador,denotado por Ω,

que da lugar a una ecuación básica de transformación del sistema del tipo:

O(t)=Ω .I(t) (1-2)

En el caso del sistema hidrológico se echa mano para su resolución a la ecuaciónde continuidad o balance,

∆S= I(t)-O(t) (1-3)

Donde I(t) y O(t) son las tasas de entrada y salida en función del tiempo, y ∆S es elcambio de almacenamiento del sistema. La ecuación anterior puede ser expresadatambién en forma de ecuación diferencial o de cambio como:

dS/dt= I(t)-O(t) (1-4)

1.6.2 La cuenca como sistema

La Figura 1-10 muestra la aplicación del concepto de sistema a una cuencahidrológica. La cuenca actuaría como una caja negra con entradas(I(t)=Precipitación) y salidas (O(t)=Drenaje). Relacionando ambas existiría unafunción de transferencia Ω(t).

1.6.3 Ecuación hidrológica fundamental o de balance

La ecuación de continuidad o de balance de masa permite establecer la relaciónentre los distintos componentes de un sistema hidrológicos. Aunque dichainterrelación exhibirá variación en espacio y tiempo, para una escala y un espaciode tiempo determinado es posible establecer una ecuación de balance hídrico.

Dicha ecuación es de gran utilidad práctica puesto que permite la estimación de

OperadorΩ

Entrada

I(t) O(t)

Salida

Precipitación, I(t)

Drenaje, O(t)

Superficie

Divisoria deaguas

Figura 1-9. Representación de la cuenca como sistema hidrológico (adp. Chow et al., 1987)



algún componente del balance en función del resto. Así para el caso de considerarlos flujos de agua en un perfil que incluya la atmósfera y un suelo tenemos lasiguiente ecuación de balance global resultante de sumar las ecuaciones de laFigura 1-10,

P = ET + RO ± ∆θ +D (1-5)

.

Esta ecuación es la utilizada en los lisímetros para el cálculo de evapotranspiración(ET). El método se basa en medir experimentalmente los otros sumandos de laecuación anterior y obtener la ET por diferencia. Así la precipitación (P) se midecon un pluviómetro, la escorrentía (RO) normalmente se considera nula por estar lasuperficie del lisímetro nivelado, la variación del contenido de humedad (∆θ) semide mediante algún método de los descritos más adelnate, y la percolaciónprofunda (D) se mide en el punto de drenaje en la base del lisímetro.

1.6.4 El ciclo hidrológico como sistema

El concepto de sistema puede aplicarse al ciclo hidrológico según se recoge en laFigura 1-11, con los tres subsistemas principales: el atmosférico, el superficial y elsubsuperficial.

L.S.

ETP

RO

F

L.I.

Atmósfera

Suelo

D

Acuífero

∆θ

(1) P = F + RO

(2) F = ET ± ∆θ + D

Figura 1-10. Balance de agua en un perfil de suelo (adpt. Skaggs, 1982)



1.6.5 Caso particular de sistema: embalse o río lineal

En el caso de un embalse lineal tenemos que el almacenamiento se relaciona con lasalida mediante,

S=kO (1-6)

Eliminando S entre las dos ecuaciones (1-4) y (1-6) y ordenando tenemos laecuación diferencial que describe el almacenamiento y salida de un embalse líneal.

k dO/dt + O(t) = I(t) (1-7)

Dicha ecuación se ha utilizado para describir la reducción gradual de un ríodurante el periodo seco o de un embalse grande con suficiente altura, según seanlas condiciones iniciales y de contorno aplicadas.

1.7 Referencias utilizadas en este capítulo

Buras, N. (ed.). 1997. Reflections on hydrology: science and practice. Washington D.C.:American Geophysical Union.

Chow V.T., D.R. Maidment y L.W. Mays. 1987. Hidrologia Aplicada. Madrid: McGraw-Hill Interamericana.

Cicerone, P.E. y G. Sánchez. 1999. Con el agua al cuello. Newton, 18: 21-37Dirección General de Aguas-Gobierno de Canarias. 1987. El Agua en Canarias. Las

Palmas.Lehninger, A.L. 1982. Principles of Biochemistry. New York: Worth PublishersLevi, E. 1989. El Agua Según la Ciencia. Méjico: Castell-MexicanaMaidment, D.R. (ed.). 1992. Handbook of Hydrology. New York: McGraw-Hill

Figura 1-11. Representación en diagrama de bloques del sistema hidrológico (Chow et al., 1987)

Precipitación Evaporación

Intercepción

Transpiración

Escorrentíasuperficial

Flujo subsuperficial

Flujo de aguasubterránea

Flujo superficial

Infiltración

Recarga de aguasubterránea

Escorrentía haciaríos y océanos

Σ

Σ

++

+

+

+

+

+

Atm

ófer

aS

uper

ficie

Sue

lo-a

quífe

ro



Ministerio de Obras Públicas y Transporte (MOPT). 1999. La Calidad de las AguasSubterráneas en España - Libro Azul del Agua. Madrid: MOPT.

Skaggs, R.W. 1982. DRAINMOD. Model documentation. NC. Water Resources Pub.Raleigh.

Solis. C. 1990. Los Caminos del Agua. Madrid: Mondadori.UNESCO. 1978. World Water Resource and Water Resources of the Earth. FAO:Roma.


Ejercicios de la Parte I 18

Ejercicios de la P arte I

1.- En el texto se recogen las tablas con datos del ciclo hidrológico terrestre según losestudios desarrollados en la antigua Unión Soviética durante la llamada DécadaHidrológica Internacional (trad. UNESCO, 1978).Se pide:a) Suponiendo que el agua de los oceános está implicada en el ciclo hidrológico,calcular el tiempo de residencia promedio del agua oceánica.b) Suponiendo que la escorrentía superficial que llega a los océanos viene de los ríos,calcular el tiempo de residencia promedio del agua en éstos.c) Suponiendo que la escorrentía de agua subterránea que llega a los océanos vienedel agua dulce subterránea, calcular el tiempo de residencia promedio de este agua.d) Compárense los valores anteriores con el tiempo de residencia calculado en clasepara el agua atmosférica. e) En 1980 la población mundial se estimó alrededor de 4,500 millones. Elcrecimiento anual en la década anterior fue del 2% anual. Si todo el mundo tuvieraun consumo como el del país de más consumo per cápita (6.8 m3/hab-día)incluyendo aguas públicas, agricultura e industria, ¿en qué año habrá escasez deagua dulce? (Nota: asúmase que la cantidad disponible para el uso es la escorrentíatotal -superficial y subterránea - del planeta).f) Calcule el promedio global de precipitación y evaporación (mm/año).

2.- La islas de Tenerife y Gran Canaria tienen una superficie de 2,058 Km2 y 1558Km2, y poblaciones de 630,000 y 605,000 habitantes, respectivamente.Según los datos de los últimos Planes Hidrológicos Insulares (1994, 1995), las tasasde precipitación (P), evaporación (E) y escorrentía superficial (Es) son:

Nota: En Tenerife anualmente se explotan 218 Hm3/año, de los cuales 211 procedende agua subterránea (galerias -148-, pozos -55-, manantiales -8-), 1 de aguasuperficial y 6 de otras procedencias (aguas residuales, desalinización, etc). En GranCanaria se explotan 174 Hm3 (110 subterránea, 37 superficial, y 27 otros). Se pide:a) Elaborar una tabla para cada isla como la 1.1 presentada en el capitulo anterior(Nota: ¡con todos los campos!).b) Calcular el consumo por habitante y día (en m3/día) en cada isla asumiendo que lacantidad disponible para el uso es la escorrentía total -superficial y subterránea - decada isla. ¿Cómo se comparan los consumos de las islas entre sí?. ¿Cómo secomparan con el mencionado en el apartado 1e?. ¿Porqué?.c) De forma global, ¿está balanceada la explotación de agua en cada isla con los

FactorGran Canaria(Hm3/año)

Tenerife(Hm3/año)

P 466 865

E 304 606

Es 73 20



recursos renovables?. ¿Existe escasez de agua en las islas? (Nota: los cálculosanteriores se basan en una distribución geográfica uniforme del agua. ¿Es estoverdad?).d) ¿Cual será el efecto de una sequía como la padecida en los años 95-96?. (Nota:asúmase que los usos de agua se mantienen constantes -públicos, agrícolas,turísticos, industriales- y que la precipitación se reduce a la mitad).e) Cite tres organismos (públicos) con competencia en materia de aguas en Canariasy su función principal.

3.- Como se en el texto podemos aplicar el concepto de sistema a una cuencahidrográfica para describir la reducción gradual de un río durante el periodo seco. Eneste caso tenemos para t=0 O(t)=O(0)=Oo=cte y , I(t)=0 para t>0. Se pide:a) Resuelva la ecuación para O(t) con t>0 y k=10 días y O(0)=100 l/s.b) Represente gráficamente los caudales instantáneos de I(t), O(t) para un periodode 20 días (Nota: los 2 son funciones de tiempo).c) Represente gráficamente los caudales acumulados de entrada y salida y elalmacenamiento en el río (Nota: ¿son las unidades iguales para todas?).

4.- Utilizando las ecuaciones del problema anterior:a) Resuelva la ecuación para un embalse lineal con O(t) con I(t)=1 para t>0, O(0)=0y k=2 horas. b) Represente gráficamente los caudales instantáneos de I(t), O(t) y S(t)para un periodo de 10 horas (Nota: los 3 son funciones de tiempo pero ojo a lasunidades). c) Represente gráficamente los caudales acumulados de entrada y salida yel almacenamiento en el embalse lineal.

5.- Un embalse tiene los siguientes volúmenes de entrada y salida (Hm3) para losprimeros meses del año. Si al principio de enero el embalse contiene 60 Hm3 calculeel almacenamiento al final de Marzo.

6.- Los flujos de entrada y salida consecutivos mensuales de un embalse en un año son(en unidades relativas) los siguientes:

El embalse contiene 60 uds. al principio del año. ¿Cuántas uds. de agua hay en elembalse a mediados de agosto?.¿Cuántas hay al final del año?.

7.- Calcule la salida constante (promedio) de agua para un embalse de 485 Ha de

Mes Enero Febrero Marzo

Entrada 4 6 9

Salida 8 11 5

Mes E F M A M J J A S O N D

Entrada 3 5 4 3 4 10 30 15 6 4 2 1

Salida 6 8 7 10 6 8 20 13 4 5 7 8



superficie durante un periodo de 30 días en el cual el nivel del embalse descendió60.94 cm a pesar de que hubo un caudal promedio de entrada de 61171 m3/día. Laspérdidas por evaporación fueron de 7.62 cm, por flujo subterráneo 2.54 cm y laprecipitación 10.16 cm.

8.- Calcule la salida constante (promedio) de agua para un embalse de 500 Ha desuperficie durante un periodo de 30 días en el cual el nivel del embalse descendiómedio metro a pesar de que hubo un caudal promedio de entrada de 200,000 m3/día.Durante este periodo las pérdidas por flujo subterráneo fueron 2 cm, la precipitacióntotal 10.5 cm, y la evaporación de 8.5 cm.

hidrologiagricola

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