HIDROLOGÍA

MODULO 1COMPRENSIÓN DEL CICLO

HIDROLÓGICO

SECCIÓN 1. INTRODUCCIÓN AL CICLO HIDROLÓGICO

¿Qué es la hidrología?• La hidrología es el estudio científico de las aguas de

la Tierra. La hidrología examina las propiedades del agua, así como su presencia, ocurrencia, distribución y movimiento sobre el planeta

¿Qué es el ciclo hidrológico?

• El ciclo hidrológico, que también se conoce como ciclo del agua, describe el movimiento vertical y horizontal del agua en el estado gaseoso, líquido o sólido entre la superficie, el subsuelo, la atmósfera y los océanos terrestres.

Componentes del ciclo hidrológico

El balance hídrico en Hidrología

• El balance hídrico

• Caudal entrante (E) – Caudal saliente (S) = ±Cambio en almacenamiento (A)

• Es decir:

• E - S = ±∆A• (También conocida como ecuación de continuidad o de

conservación de masa)

El balance hídrico en Hidrología

• La cantidad de agua en un lugar en particular se puede calcular en términos generales por medio de concepto de balance hídrico, de acuerdo con el cual el volumen de agua en cualquier punto de un sistema hidrológico se considera simplemente en términos de la diferencia entre el caudal entrante (aferente) y el caudal saliente (eferente) del sistema y el cambio resultante en la cantidad de agua almacenada. En otras palabras, el caudal entrante menos el caudal saliente equivale al cambio en almacenamiento.

El balance hídrico en Hidrología

• En el campo de la hidrología esta ecuación se conoce también como ecuación de continuidad o de conservación de masa. En hidrología se utilizan también otras fórmulas más complejas para representar procesos físicos tales como la velocidad estimada del agua, y el movimiento del agua a través de una red de canales fluviales o a través del suelo.

Resumen del ciclo hidrológico

• La hidrología, el estudio de las aguas de la Tierra, examina tanto las propiedades del agua como su ocurrencia, distribución y movimiento sobre el planeta. El concepto de balance hídrico toma en cuenta el caudal entrante, el caudal saliente y la cantidad de agua en almacenamiento para calcular la cantidad de agua y su movimiento en la cuenca hidrográfica.

Pregunta de repaso:

• La cantidad de agua en un lugar en particular en un momento dado se puede calcular en términos generales como ______. (Elija la mejor opción.)

• a) La cantidad de agua que se halla debajo de la superficie terrestre

• b) El agua almacenada en los lagos y los ríos • c) La contribución de la precipitación, tanto en forma

de lluvia como de nieve • d) El balance entre el agua que fluye hacia un lugar y

el agua que fluye desde ese lugar

Respuesta correcta y explicación

• 1. La respuesta correcta es:• d) El balance entre el agua que fluye hacia un

lugar y el agua que fluye desde ese lugar

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SECCIÓN 2. DISTRIBUCIÓN

Comprensión del ciclo hidrológico

• El agua del ciclo hidrológico está distribuida de varias formas distintas. Para comprender la naturaleza del agua, es preciso considerar cómo y dónde está distribuida y su movimiento entre las distintas formas en que se encuentra almacenada

Agua almacenada en los océanos

• Los océanos almacenan más del 97 por ciento del agua de la Tierra en forma de agua salada que, a diferencia del agua dulce, suele contener cerca de 35 partes por mil de sólidos disueltos, principalmente cloruro de sodio. Esto equivale a 35 gramos por litro, una cantidad mucho mayor de la que contiene el agua dulce, que normalmente es cerca de 1 gramo de sólidos disueltos por litro o menos. El agua dulce forma los ríos y la mayoría de los lagos de la Tierra.

• La cantidad de sólidos disueltos determina el uso que se hace del agua dentro de los distintos ecosistemas y afecta a ciertas propiedades físicas del agua.

• El área donde los ríos se encuentran con el océano o el mar se conoce como estuario, un tipo de ecosistema muy importante. Aquí es donde el agua salada y el agua dulce se mezclan y vemos los efectos de las mareas. Las sequías y las inundaciones pueden afectar a los estuarios y tienen consecuencias ambientales y económicas importantes.

¿Qué es el agua dulce?• Aunque clasificamos el agua dulce en términos de un

contenido de sólidos disueltos de un gramo por litro, un nivel de medio gramo por litro o más se considera indeseable para el agua potable y muchos usos industriales.

• El agua de mar contiene aproximadamente 35 gramos de sólidos disueltos por litro, de modo que es un 3 por ciento más densa que el agua dulce. Nota: aparte de ser potable, el agua dulce tiene una multitud de otros usos (por ejemplo: irrigación y manufactura).

Almacenamiento de nieve y hielo• Los casquetes polares y los glaciares contienen algo más del 2

por ciento del agua de la Tierra. La nieve acumulada en las montañas es una fuente importante de agua, especialmente en las regiones áridas y semiáridas. En algunas zonas la nieve representa una porción considerable de la precipitación anual.

• Predecir la escorrentía producida por el deshielo es un proceso complicado que implica estimar los cambios en el equivalente en agua de la capa de nieve acumulada con el tiempo. Es también importante considerar los balances energéticos y las propiedades de la superficie del suelo.

¿Por qué flota el hielo?

• Bajo condiciones atmosféricas normales, el agua tiene una densidad aproximada de 1 gramo por centímetro cúbico, mientras que la densidad del hielo es de 0,92 gramos por centímetro cúbico. Por ser menos denso, el hielo flota en el agua.

Agua superficial

• El agua de superficie se almacena y distribuye en lagos, estanques, ríos y arroyos, y representa menos del 0,01 por ciento del agua de la Tierra.

• El volumen de agua presente en un lago en cualquier momento dado depende de la cantidad de agua que entra y sale del lago. El agua sale de los lagos por cualquier paso que permita el flujo hacia abajo, o bien por evaporación, transpiración de las plantas, filtración en el suelo, eliminación por medios artificiales o cualquier combinación de estos procesos.

¿Cuál es el cuerpo de agua dulce más grande del mundo?

• Se calcula que el Lago Baikal (Rusia) contiene cerca del 20 por ciento del agua dulce disponible en la superficie terrestre. Esta cantidad de agua equivale a la que contienen los cinco Grandes Lagos de la frontera entre Estados Unidos y Canadá. Aunque los Grandes Lagos son mayores en términos de superficie, el Lago Baikal alcanza una profundidad máxima de 1,637 metros. Este lago, el más antiguo del mundo (su formación data de hace 25 a 30 millones de años), mide 636 km de largo por 80 km de ancho y tiene 2.100 km de costa. Su cuenca comprende tres depresiones debajo del agua con una capacidad total de 23.600 km³.

Agua subterránea

• Típicamente, el agua subterránea se encuentra en el acuífero, una región debajo de la superficie terrestre que se compone de roca no consolidada y partículas de suelo. Esta región es capaz de transmitir y almacenar agua para su extracción. Menos del 1 por ciento de toda el agua disponible en la Tierra se encuentra almacenada como agua subterránea o humedad en el suelo.

• Esta figura muestra varios términos empleados para describir el sistema de agua subterránea. Cubriremos estas características más en detalle en la sección Agua subterránea de este módulo.

• El agua de los manantiales proviene casi exclusivamente de fuentes de agua subterránea. Si se retira una cantidad suficiente de agua subterránea del lugar donde se encuentra almacenada y baja el nivel freático local, el caudal base que abastece de agua a los arroyos en las épocas de escasa lluvia y humedad se reduce, y es posible que los manantiales se sequen.

Pregunta de repaso:

• 1. Asigne el porcentaje correcto de la cantidad total de agua en la Tierra a cada lugar de almacenamiento de agua.

Lugar Porcentaje del total de agua en la Tierra

Superficie

Océanos

Agua subterránea

Hielo y nieve

Respuesta correcta y explicación

Lugar Porcentaje del total de agua en la Tierra

Superficie 0,01 %

Océanos 97 %

Agua subterránea < 1 %

Hielo y nieve 2 %

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SECCIÓN 3. AGUA ATMOSFÉRICA

• El agua atmosférica es el producto del transporte y la distribución del vapor de agua por los procesos de transpiración, evaporación y sublimación.

• En muchas regiones de la Tierra, la precipitación es la única forma en que se transporta agua dulce a la zona.

Condensación y precipitación

• La condensación es el paso del agua en estado gaseoso (en forma de vapor) al estado líquido. Este proceso, que libera energía en forma de calor latente, es necesario para crear precipitación. En la mayor parte de la Tierra, la precipitación es el factor principal que controla el ciclo hidrológico local.

• El tipo de precipitación (por ejemplo, lluvia, nieve o granizo), la estación en que se produce y el área de distribución son factores que se deben considerar al estudiar la hidrología de una región.

• Tradicionalmente, la precipitación se ha medido mediante pluviómetros. Una desventaja de este método es que el pluviómetro proporciona una medición en un punto. Incluso con una red de pluviómetros, siempre existirán áreas para las cuales no se cuenta con datos. Además, algunos pluviómetros sólo se leen una vez al día, lo cual no permite medir la intensidad de las tormentas. Finalmente, los pluviómetros son susceptibles de fallos mecánicos y eléctricos. A la hora de estimar la precipitación pluvial media de una cuenca, es preciso estar consciente de todos estos problemas.

• Existen varios métodos para determinar las cantidades de precipitación en el área de una cuenca hidrológica específica. Uno de los más sencillos consiste en promediar todas las cantidades medidas por la red pluviométrica durante un período en particular. Una alternativa es el uso de polígonos de Thiessen para ponderar por área la cantidad medida por cada pluviómetro. Los polígonos de Thiessen se definen creando áreas con límites equidistantes de cada pluviómetro. Es también posible usar isohietas, o líneas de igual precipitación, para estimar la lluvia con una red pluviométrica.

• Entre los otros métodos posibles para estimar la lluvia cabe mencionar el uso de las observaciones de radar y satélite. En Estados Unidos, el Servicio Nacional de Meteorología (NWS) de NOAA opera una red integrada por aproximadamente 140 emplazamientos de radar meteorológico.

• Los satélites geoestacionarios (como los GOES) y polares (POES) permiten hacer estimaciones de la lluvia, especialmente para las zonas desprovistas de redes de radares o pluviómetros. La ventaja del radar es su capacidad de generar cálculos estimados de alta resolución mediante la detección directa de la precipitación, mientras que los satélites proporcionan cálculos de medición indirectos varias veces en cada período de 24 horas.

• El objetivo final de todos estos métodos es producir una estimación de la cantidad de precipitación que ha caído en determinada región. Si se utilizan pluviómetros registradores o radar, también se puede determinar la intensidad de las tormentas. La velocidad o intensidad de la lluvia es un dato útil que permite llegar a una mejor estimación de la escorrentía superficial.

Evaporación

• La evaporación es el paso del agua del estado líquido al estado gaseoso, es decir, lo opuesto de la condensación. Puede producirse evaporación siempre que el agua líquida entre en contacto con la atmósfera. En las regiones áridas, pueden evaporar hasta 2.000 mm al año de una superficie de agua.

• Existen varias maneras de medir la evaporación, todas las cuales sufren algún tipo de limitación. Uno de los métodos más sencillos es el tanque de evaporación. El descenso del nivel del agua es una indicación de la evaporación de una superficie de agua.

Transpiración

• La transpiración es el proceso por el cual la humedad que las plantas extraen del suelo mediante el sistema radicular eventualmente se evapora. A menudo, el efecto combinado de la evaporación y la transpiración se denomina evapotranspiración, o ET, y por lo general constituye el componente de pérdida más importante del sistema de agua del suelo.

• El tipo de vegetación, la densidad del dosel y la cobertura de las plantas son factores que influyen directamente en la cantidad de agua del suelo eliminada de la cuenca hidrológica a través de la transpiración. Las características específicas de las plantas, como los tipos de raíces y su profundidad, la cantidad de agua que entra y sale por sus hojas y la cantidad de luz reflejada por la superficie de la planta son factores importantes.

• Las plantas tales como los pastos o hierbas, los matorrales y algunas plantas de cultivo tienen períodos de crecimiento más cortos y, por tanto, períodos de transpiración más breves que la vegetación de los bosques

• En un bosque, los árboles caducifolios suelen transpirar durante un período menor que las coníferas. Normalmente, los árboles tienen tasas de transpiración más altas que la mayoría de las plantas. Por ejemplo, la utilización diaria máxima de agua de un pino de Monterrey maduro alcanza los 350 kg al día, mientras que el eucalipto grandis puede tener una utilización diaria máxima de 140 kg de agua al día. Las condiciones climáticas, la edad de la planta, la superficie y el tipo de hojas son factores que influyen en la transpiración de la planta.

Sublimación

• La sublimación es la conversión directa de la nieve y el hielo en vapor de agua atmosférico. Este proceso puede reducir el contenido de agua de la capa de nieve acumulada sin que se derrita.

• La sublimación provoca un enfriamiento considerable de la nieve acumulada. El proceso de sublimación requiere una energía equivalente a 680 calorías por gramo de hielo, mientras que el proceso de fundición sólo requiere 80 calorías por gramo. En otras palabras, la energía empleada para la sublimación de un gramo de nieve acumulada equivale a la cantidad de energía necesaria para derretir 8,5 gramos de nieve acumulada.

• La sublimación se intensifica en condiciones de viento y baja humedad. Con las condiciones apropiadas, algunas regiones pueden perder grandes porcentajes de la nieve acumulada. No obstante, en ausencia de estas condiciones meteorológicas la nieve acumulada que se pierde por sublimación es muy poca.

Preguntas de repaso• 1. ¿Cuál es el método general por el cual el agua líquida se transforma en vapor de

agua atmosférico?• a) sublimación

b) conducciónc) evaporaciónd) traslación

• 2. La transpiración de las plantas puede verse afectada por varios factores. ¿Cuál de los siguientes no es un factor determinante de la tasa de transpiración?

• a) vegetaciónb) doselc) área de drenaje d) edad de las plantas e) clima

• 3. Una de las ventajas principales de los pluviómetros sobre los radares es su capacidad de proporcionar constantemente información de alta resolución sobre la lluvia. (¿Verdadero o falso?)

Respuestas correctas • 1. ¿Cuál es el método general por el cual el agua líquida se

transforma en vapor de agua atmosférico?• La respuesta correcta es la opción c) evaporación.• 2. La transpiración de las plantas puede verse afectada por varios

factores. ¿Cuál de los siguientes no es un factor determinante de la tasa de transpiración?

• La respuesta correcta es la opción c) área de drenaje.• 3. Una de las ventajas principales de los pluviómetros sobre los

radares es su capacidad de proporcionar constantemente información de alta resolución sobre la lluvia.

• La respuesta correcta es Falso. Los pluviómetros proporcionan mediciones en un punto específico. En consecuencia, muchas zonas quedan sin datos.

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SECCIÓN 4. AGUA SUPERFICIAL

• El agua superficial o de superficie representa la parte del ciclo del agua en que el agua en estado líquido fluye sobre la superficie terrestre. Siempre que el agua se halle en la superficie, se puede clasificar como agua superficial. Por ejemplo, cuando la lluvia cae al suelo y comienza a correr, pasa de ser precipitación a ser agua de superficie. Cuando el agua subterránea brota a la superficie, como es el caso, por ejemplo, de los manantiales en la sierras, se denomina agua superficial.

• El agua superficial comprende todos los ríos, arroyos, lagos y embalses, y toda el agua que se halla en la superficie de la Tierra.

Infiltración• La infiltración se define como el

movimiento descendente del agua que atraviesa la superficie y penetra el perfil del suelo. El proceso de infiltración recarga los suministros de agua subterránea y pone agua a disposición de la vegetación.

• Aunque a menudo los términos infiltración y percolación se usan como si fueran sinónimos, percolación se refiere específicamente al movimiento del agua dentro del suelo, mientras la infiltración se refiere a la penetración del agua en la superficie del suelo.

• La tasa o velocidad de infiltración es la cantidad de agua que penetra el suelo en un determinado período. La tasa de infiltración se ve afectada directamente por factores tales como la textura, la cobertura, el contenido de humedad y la temperatura del suelo, así como el tipo de precipitación y la intensidad de la lluvia.

• La capacidad de infiltración, que abarca la infiltración en la superficie y la percolación, se expresa frecuentemente en términos de profundidad de agua por unidad de tiempo, normalmente en centímetros por hora (o pulgadas por hora, en EE.UU.). Cuando la tasa de precipitación excede la capacidad de infiltración, se produce escorrentía superficial.

Composición del suelo • El suelo se compone de partículas minerales, materia orgánica y espacio

poroso, que es el espacio vacío entre la partículas del suelo. Las partículas minerales constituyen aproximadamente de 45 por ciento del volumen. Los poros suelen ocupar entre el 40 y el 60 por ciento del volumen, según la textura del suelo. Los poros pueden estar llenos de agua o de aire, y esto varía con el tiempo.

• La medida en que los espacios porosos están llenos de agua determina las condiciones de humedad del suelo.

Humedad del suelo

• Si los espacios porosos están completamente llenos y el agua drena libremente del suelo por efecto de la gravedad como agua "de gravedad" o "gravitacional", decimos que el suelo está saturado. A medida que el agua drena del suelo, algunos poros se llenan de aire y vapor de agua. Cuando el agua ya no drena de los poros por gravedad, queda sujeta al sitio que ocupa por acción de su propia tensión capilar. Aunque algunos de los poros se han drenado, la mayoría aún contienen agua. Llegado este punto, el suelo ha alcanzado la capacidad de campo.

• A medida que el proceso de evapotranspiración elimina el agua del suelo, una mayor parte del espacio poroso quedará sin agua. Este proceso continúa hasta que sólo quede el agua más apretada a las partículas del suelo. Eventualmente, se alcanza el punto en que la tensión del agua contra las partículas del suelo es tal que las raíces de las plantas no la pueden usar. Éste es el "punto de marchitamiento".

• La cantidad de lluvia que puede infiltrar un volumen de suelo dado viene determinada por el espacio vacío que está disponible en el suelo.

• Por ejemplo, menos lluvia infiltrará un determinado volumen de suelo cuyo nivel de humedad se halla a capacidad de campo que un volumen de suelo igual que ha alcanzado el punto de marchitamiento. Por lo tanto, es muy importante conocer las condiciones de humedad del suelo a la hora de tratar de modelar la escorrentía de una tormenta.

Tipos de suelos

• La textura del suelo determina la cantidad de agua que el suelo puede contener bajo distintas condiciones de humedad. Los suelos arcillosos tienen partículas minerales muy pequeñas y sus poros también son muy pequeños. Los suelos arenosos se componen de partículas minerales más grandes y, por tanto, tienen un espacio poroso más grande también. Aunque parece contrario a la intuición, los espacio porosos más pequeños de un suelo arcilloso contienen una cantidad total de espacio mayor que los espacios porosos de un volumen equivalente de suelo arenoso.

• Esto significa que la arcilla a capacidad de campo contiene un porcentaje de agua mayor que los suelos de otras texturas. Los suelos arenosos, por otra parte, tienen partículas minerales y espacios porosos mayores, pero un porcentaje de porosidad y un correspondiente porcentaje de humedad menor a capacidad de campo y en el punto de marchitamiento, en comparación con la arcilla. Los suelos de textura arenosa se saturan con un porcentaje de humedad de suelo mucho menor.

• El movimiento del agua a través del suelo también se ve afectado por su textura. Una vez que el agua penetra el suelo, percola hacia abajo. Los suelos de textura arenosa permiten un movimiento del agua mucho más rápido que los suelos de textura arcillosa. Por lo tanto, después de un evento de precipitación las condiciones de humedad de un suelo de textura arcillosa serán mayores durante un período más largo que para un suelo arenoso.

Escorrentía

• En términos sencillos, la escorrentía (o escurrimiento) es aquella porción de la lluvia que no llega a infiltrarse en el suelo. En zonas pavimentadas, la escorrentía esperada equivale a la cantidad de lluvia que precipita menos la cantidad evaporada y cualquier pequeña cantidad almacenada en la superficie.

• A medida que el suelo se satura, la capacidad de infiltración se reduce. Si pudiéramos comparar tormentas idénticas, la cantidad de escorrentía directa (a veces denominada "escorrentía de tormenta") variaría según las condiciones de humedad del suelo.

• A veces, la capacidad de infiltración se ve reducida debido a una tormenta anterior. El agua infiltrada durante una tormenta aumenta la humedad actual del suelo. Esto significa que el suelo no es capaz de absorber la misma cantidad de agua que antes. El resultado es una tasa de infiltración reducida y una escorrentía superficial mayor con la segunda tormenta.

• El hidrograma es un gráfico del caudal de un río. La forma del hidrograma depende de las características de la tormenta y de la cuenca hidrológica. Los factores atribuibles a las tormentas son la cantidad, duración, intensidad y extensión de área de la precipitación. Algunos factores relacionados con la cuenca hidrológica son el tamaño y la forma de la cuenca, la pendiente general de la cuenca, la topografía, el suelo y la vegetación, la red de canales y el patrón de drenaje, el uso del suelo y la condiciones de humedad del suelo en el momento en que se produce la tormenta.

• Un aspecto de suma importancia es cómo determinar exactamente qué está comprendido en el concepto de escorrentía. Un componente es el agua cuyo flujo en la superficie se puede ver claramente. Pero a medida que el agua se infiltra, una parte comienza a fluir justo debajo de la superficie. Esta parte se denomina flujo transversal, interflujo o flujo subsuperficial. La parte de la lluvia que penetra las capas inferiores pasa a formar parte de las aguas subterráneas. El flujo de aguas subterráneas a los arroyos o ríos se denomina caudal base. El caudal base alimenta el caudal o flujo fluvial en períodos sin tormentas.

• El caudal aumenta en la rama ascendente del hidrograma. Tras el caudal máximo, se produce la rama descendente, o curva de recesión. La recesión continúa hasta que pase otra tormenta o que el nivel alcance otra vez un valor cercano al caudal anterior a la tormenta. Debido a la tormenta, el componente de caudal base puede aumentar ligeramente.

Preguntas de repaso:• 1. ¿Cuáles de los siguientes factores NO influyen directamente en la tasa de infiltración?

(Escoja todas las opciones pertinentes.)• a) características físicas del suelo

b) uso del sueloc) contenido de humedad del suelod) temperatura del sueloe) tipo de precipitaciónf) intensidad de la lluviag) tamaño de la cuenca

• 2. Llene los espacios en blanco. (Escoja todas las opciones pertinentes.)• Siempre que la a) tasa de precipitación, b) capacidad de infiltración, c) transpiración exceda la

d) capacidad de infiltración, e) tasa de precipitación, f) subsidencia, se producirá escorrentía superficial.

• 3. ¿Cuáles de los términos siguientes se aplican al agua que fluye justo debajo de la superficie? (Escoja todas las opciones pertinentes.)

• a) flujo transversalb) interflujoc) flujo subsuperficiald) caudale) flujo del suelo

• 4. Llene el espacio en blanco. (Escoja todas las opciones pertinentes.)• El ____________ alimenta el caudal en períodos sin tormentas.• a) caudal base

b) interflujoc) flujo subsuperficial

Respuestas correctas • 1. ¿Cuáles de los siguientes factores NO influyen directamente en la tasa

de infiltración?• La respuesta correcta es la opción g) tamaño de la cuenca.• Explicación de la respuesta: Todos estos factores influyen en la tasa de

infiltración EXCEPTO el tamaño de la cuenca. • 2. Llene los espacios en blanco.• Respuesta: Siempre que la a) tasa de precipitación exceda la d) capacidad

de infiltración, se producirá escorrentía superficial. • 3. ¿Cuáles de los términos siguientes se aplican al agua que fluye justo

debajo de la superficie? (Escoja todas las opciones pertinentes.)• La respuestas correctas son las opciones a) flujo transversal, b) interflujo y c)

flujo subsuperficial• 4. Llene el espacio en blanco.• a) El caudal base alimenta el caudal en períodos sin tormentas.

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SECCIÓN 5. AGUA SUBTERRANEA

• El agua subterránea es una parte importante del ciclo hidrológico y una fuente esencial de agua en muchas regiones del mundo. Como se encuentra debajo del suelo, no está sujeta a las mismas tasas de evaporación que los lagos de superficie.

Características de los acuíferos

• Un acuífero es un volumen subterráneo de roca y arena que contiene agua. El agua subterránea que se halla almacenada en los acuíferos es una parte importante del ciclo hidrológico. Se han realizado estudios que permiten calcular que aproximadamente el 30 por ciento del caudal de superficie proviene de fuentes de agua subterránea. Por ejemplo, se calcula que alrededor del 50 por ciento de toda el agua potable de EE.UU. proviene de aguas subterráneas. A nivel mundial, cerca de la mitad de la población depende del agua subterránea.

• Los acuíferos se componen de materiales tales como agua, suelo, espacio vacío dentro del suelo y materiales del subsuelo, debajo de la superficie terrestre. El agua que queda almacenada en el espacio vacío se clasifica en dos tipos generales: libre o confinada. En los acuíferos libres o no confinados el agua subterránea está en contacto con la atmósfera a través de los poros del suelo que los cubren. La capa superior del agua subterránea se denomina nivel freático (o napa freática). En los acuíferos confinados, el agua subterránea está encerrada por una capa no porosa o muy poco porosa denominada acuicludo y no entra en contacto con la atmósfera.

• Siempre que la superficie del suelo esté por debajo del nivel freático, es probable que se formen zonas con agua superficial permanente, como lagos, estanques y ríos

• La profundidad hasta el nivel freático se puede representar en un mapa. Estos mapas muestran la variabilidad de la distribución del agua subterránea en una cuenca hidrográfica. Este mapa del nivel freático del Condado de Cochise, en Arizona, muestra un nivel freático muy variado que oscila entre el nivel de superficie y profundidades en exceso de 240 metros.

Rendimiento hídrico y flujo del agua

Cuando baja el nivel freático, el material del acuífero produce cierto porcentaje de agua. Un coeficiente de almacenamiento de 0,15 indica que el 15 por ciento del volumen total del material del acuífero se compone de agua que puede drenar libremente por gravedad. El volumen restante (en este ejemplo, el 85 por ciento) se compone de agua que no drena por gravedad y material de suelo, como roca, arena, grava o arcilla. Esto significa que cuando el nivel freático de una zona baja a razón de 10 unidades, no produce 10 unidades de profundidad de agua, sino que produce el 15 % de esas 10 unidades, es decir 1,5 unidades de profundidad de agua.

El movimiento del agua en un acuífero puede alcanzar hasta los 1000 metros al día en los materiales tipo grava, y hasta milímetros al año en el caso de materiales arcillosos y otros materiales similares. Como el movimiento del agua en los acuíferos es mucho más lento que en la superficie, los efectos climáticos de las sequías y los períodos muy húmedos pueden verse atrasados y atenuados.

Recarga

• La recarga es la introducción de agua superficial en un lugar de almacenamiento de agua subterránea, como un acuífero. La recarga o reabastecimiento del depósito de agua subterránea puede ocurrir de varias formas. La más común es la recarga natural, que consiste en la infiltración y percolación de la precipitación u otros flujos superficiales naturales hasta los depósitos de agua subterránea. La recarga artificial o inducida incluye formas de aumentar la cantidad de agua subterránea más allá de lo que ocurriría naturalmente. Entre la técnicas artificiales cabe mencionar la recarga por riego (o inundación), por canales y por distintas técnicas de bombeo. Otro tipo de recarga es la incidental, que se produce a raíz de acciones tales como la irrigación y el transporte del agua por un sistema de canales, las cuales agregan agua a los depósitos subterráneos, aunque su objetivo principal es otro. El término recarga puede también abarcar la cantidad de agua que se añade a un acuífero.

Extracción

• La extracción es el proceso de retirar el agua subterránea artificialmente a través de un pozo o de una red de pozos.

• Cuando las tasas de extracción de agua subterránea exceden las de recarga de agua al suelo, el nivel freático local baja, un proceso que a veces se denomina "explotación de aguas subterráneas". Bajo estas condiciones, alrededor del pozo se produce una depresión del nivel freático que se denomina "cono de depresión". Si la situación persiste, el resultado será la reducción general de la napa freática.

Extracción

• La subsidencia del suelo es la reducción del nivel de la superficie debido a cambios que se producen debajo del suelo. Las causas más comunes de subsidencia del suelo están relacionadas con las actividades humanas, como el bombeo de aguas subterráneas o el drenaje de suelos orgánicos

• A medida que la superficie del suelo baja, surgen una serie de problemas, como los siguientes: 1) cambios en la elevación y pendiente de arroyos; 2) daños a la infraestructura, como puentes, carreteras, desagües pluviales, calles, alcantarillados, canales y diques; (3) daños a edificios públicos y privados; y (4) rotura del revestimiento del pozo provocada por las fuerzas generadas por la consolidación de los materiales finos del sistema de acuífero.

El impacto de la subsidencia del suelo

Los carteles de este poste indican la altura aproximada de la superficie del suelo en 1925, 1955 y 1977. Este lugar en el Valle de San Joaquín, al sureste de Mendota, en California, fue identificado durante el trabajo de estudio del Dr. Joseph F. Poland (en la foto) como el punto aproximado de máxima subsidencia en Estados Unidos.

Preguntas de repaso:

• 1. Una reducción de un metro en el nivel freático de una zona de un kilómetro cuadrado significa que se ha extraído una cantidad de agua suficiente para causar la formación de un "lago" de un metro de profundidad sobre una superficie de un kilómetro cuadrado. (¿Verdadero o falso?)

• 2. El material del acuífero está saturado (arriba/abajo) del nivel freático. (Elija la palabra más adecuada para llenar el espacio en blanco.)

• 3. ¿Cuál de los siguientes NO forma parte del material de un acuífero? (Elija la mejor opción.)

• a) agua b) espacio vacío c) arena d) gravae) limo f) roca madre impermeable

• 4. Si se retira suficiente agua de un acuífero y el nivel freático baja, es posible que los ríos y manantiales dejen de fluir. (¿Verdadero o falso?)

Respuestas correctas• 1. Una reducción de un metro en el nivel freático de una zona de un kilómetro cuadrado

significa que se ha extraído una cantidad de agua suficiente para causar la formación de un "lago" de un metro de profundidad sobre una superficie de un kilómetro cuadrado. (¿Verdadero o falso?)

• La respuesta correcta es Falso.Explicación: la cantidad de agua liberada de un volumen de suelo viene determinada por su coeficiente de almacenamiento. Una reducción del nivel de agua de un metro sólo produciría la liberación de una fracción de esa profundidad de agua.

• 2. El material del acuífero está saturado (arriba/abajo) del nivel freático. (Elija la palabra más adecuada para llenar el espacio en blanco.)

• La respuesta correcta es "abajo". • 3. ¿Cuál de los siguientes NO forma parte del material de un acuífero? (Elija la mejor

opción.) • La mejor respuesta es la opción f) roca madre impermeable. • 4. Si se retira suficiente agua de un acuífero y el nivel freático baja, es posible que los ríos

y manantiales dejen de fluir. (¿Verdadero o falso?)• La respuesta correcta es Verdadero.

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SECCIÓN 6. CAPA DE NIEVE Y DESHIELO

• La nieve y el hielo son componentes esenciales del ciclo hidrológico, especialmente en latitudes altas y en lugares de montaña. El agua almacenada en estado congelado se libera en primavera y suministra agua durante el resto del año.

Características de la capa de nieve• La capa de nieve acumulada está formada por una mezcla de

cristales de hielo, aire, impurezas y, si está derritiéndose, agua líquida. El deshielo aporta volúmenes considerables de agua a los sistemas fluviales. El momento en que se produce el deshielo de una capa de nieve, así como su volumen y velocidad, dependen de una serie de características de la capa de nieve, de la topografía local y de las condiciones meteorológicas. La hidrología de nieves es un campo especializado que se centra en el estudio de estos factores.

• La característica de mayor interés en hidrología es la cantidad de agua que se encuentra almacenada en la capa de nieve, que se denomina “equivalente en agua de la capa de nieve”. Entre los factores que influyen en la velocidad de deshielo cabe mencionar la temperatura de la capa de nieve, el albedo (la propiedad reflexiva de la nieve), la densidad y el volumen de la capa de nieve. La velocidad de deshielo se ve afectada también por factores tales como viento, humedad relativa, temperatura del aire e insolación.

Deshielo • La capa de nieve sufre cambios entre el momento en que la

nieve cae en la cuenca hidrográfica y el momento en que se derrite. La intervención de ciertos factores meteorológicos y del agua líquida provoca la transformación de las partículas de nieve individuales del copo de nieve cristalino que cayó durante la tormenta a una forma de hielo más granular.

• En un comienzo, la nieve dentro de la capa acumulada se asienta, lo cual provoca el aumento de su densidad. A medida que la superficie de la capa de nieve comienza a fundirse y derretirse, pueden formarse lentes de hielo. En primavera y en verano la temperatura del aire en la cuenca aumenta, produciendo el calentamiento de la capa de nieve. La temperatura máxima de la capa de nieve no puede exceder el punto de fusión del hielo. Cuando toda la capa de nieve alcanza esta temperatura y se vuelve isotérmica, cualquier energía adicional que se le agregue producirá el deshielo. Normalmente, el agua líquida se libera desde el fondo de la capa de nieve. A medida que la capa de nieve libera el agua, los factores relacionados con la escorrentía cobran importancia.

• Como en realidad la capa de nieve acumulada es de hielo, contiene cierto volumen de agua. A medida que la nieve se derrite, se libera agua líquida. La relación entre el volumen de agua líquida o equivalente en agua de la capa de nieve y la profundidad o espesor de la capa de nieve dependerá de la densidad de la nieve. La profundidad de la nieve siempre será mayor que la profundidad equivalente en agua líquida que la capa de nieve puede producir.

• Tras su caída, la densidad de la nieve aumenta por asentamiento gravitacional, compactación por acción del viento, derretimiento y congelamiento. Con frecuencia, la densidad de la nieve se expresa en términos de la razón entre la profundidad de la nieve y el equivalente en agua líquida. Por ejemplo, una unidad de agua líquida puede equivaler a 20 unidades de profundidad de nieve fresca. Sin embargo, a medida que la nieve se compacta y "envejece", esa razón disminuye.

• El porcentaje de contenido de agua de la nieve fresca oscila entre un 5 por ciento a una temperatura del aire de alrededor de -10 °C y un 20 por ciento a una temperatura de 0 °C.

La mayor parte de la nieve que cae en la vertiente occidental de la Cordillera de las Cascadas en Washington y Oregón tiende a ser ligeramente más densa que la que cae en la vertiente oriental.

En la vertiente occidental de la cordillera de las Cascadas, el porcentaje de contenido de agua de la capa de nieve es del 20 al 30 por ciento en invierno y aumenta al 30 al 50 por ciento en primavera. Sin embargo, en las Cascadas orientales, la densidad de la capa de nieve es mucho menor, ya que las condiciones climáticas suelen ser más frías y secas. El porcentaje de contenido de agua de las capas de nieve de esta zona varía del 10 al 20 por ciento en invierno y del 20 al 40 por ciento en primavera.

Si se conoce o se puede calcular la profundidad de la nieve, la razón siguiente permite calcular el equivalente en agua líquida de una capa de nieve:

Profundidad de la nieve x razón nieve/agua =

equivalente en agua de la capa de nieve

Por ejemplo, dada una profundidad de 125 cm de nieve y una razón nieve/agua de tres a uno, se deriva el siguiente cálculo estimado de agua líquida en la capa de nieve:

125 cm de nieve x 33 % = 41,7 cm de agua líquida

Preguntas de repaso:

• 1. ¿Verdadero o falso? El deshielo es una fuente esencial de agua en el ciclo hidrológico.

• 2. ¿Qué cantidad equivalente en agua producirá una capa de nieve de 28 cm de profundidad con una densidad del 25%? (Escoja la mejor opción.)

• a. 28 cm b. 10,25 cm c. 112 cm d. 7 cm

• 3. La capa de nieve puede reducirse cuando el hielo se transforma directamente en vapor de agua. Este proceso se denomina (escoja la mejor opción.)

• a. evaporaciónb. transpiraciónc. sublimaciónd. condensacióne. precipitación

Respuestas correctas

• 1. ¿Verdadero o falso? El deshielo es una fuente esencial de agua en el ciclo hidrológico.

• La respuesta correcta es Verdadero.• 2. ¿Qué cantidad equivalente en agua producirá una capa

de nieve de 28 cm de profundidad con una densidad del 25%? (Escoja la mejor opción.)

• La respuesta correcta es es la opción d. 7 cm.• 3. La capa de nieve puede reducirse cuando el hielo se

transforma directamente en vapor de agua. Este proceso se denomina (escoja la mejor opción.)

• La respuesta correcta es es la opción c. sublimación.