Uni versi dadNaci onal deCuyo Facul taddeI ngeni er a I ngeni er aCi vi l Gua de Estudio para las Ctedras: Ing. Esp. Rubn VILLODAS TEMA 1.a:LA HIDROLOGA.................................................................................................................................................. 1-1 1.a.1.DEFINICION ......................................................................................................................................................... 1-1 1.a.2.IMPORTANICA Y AMBITO DE APLICACIN................................................................................................... 1-2 1.a.3.OFERTA Y DISPONIBILIDAD HDRICA............................................................................................................ 1-3 1.a.4.POTENCIAL HDRICO......................................................................................................................................... 1-4 TEMA 1.b:LA INGENIERA HIDROLGICA......................................................................................................................... 1-4 TEMA 1.c:EL CICLO HIDROLGICO ................................................................................................................................... 1-7 1.c.1.ESTADOS, LOCALIZACIN Y MOVIMIENTOS DEL AGUA............................................................................ 1-7 1.c.2.LA ACCIN ANTRPICA ..................................................................................................................................1-10 1.c.3.CANTIDADES DE AGUA EN EL MUNDO.......................................................................................................1-10 TEMA 1.d:DESARROLLO HISTRICO DE LA HIDROLOGA .........................................................................................1-10 Figura 1.El Ciclo Hidrolgico.................................................................................................................................................... 1-8 Figura 2.Representacin Esquemtica del Ciclo Hidrolgico.............................................................................................. 1-8 Unidad 11-1 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II El agua es la sustancia mas abundante en la tierra, el principal constituyente de todos los seres vivosyunafuerzaimportantequeconstantementeestacambiandolasuperficieterrestre.Estambinun factor clave en la climatizacin de nuestro planeta para la existencia humana y en la influencia en el progreso de la civilizacin. Lahidrologa,quecubretodaslasfasesdelaguaenlatierra(ciclohidrolgico),esunamateriadegran importanciaparaelserhumanoysuambiente.Aplicacionesprcticasdelahidrologaseencuentranen labores tales como: Xdiseoyoperacindeobrasy/oestructurashidrulicas(azudes,diques,presas, embalses, desages, etc.) Xdiseo de obras viales (alcantarillas, puentes, etc.) Xabastecimiento de agua potable, tratamiento y evacuacin de aguas residuales Xirrigacin y drenaje de suelos Xgeneracin hidroelctrica Xestudios de disponibilidad hdrica y de sequas (escurrimientos nivales, pluviales, etc.) Xmanejo integral de crecientes (aluvionales, urbanas, fluviales, etc.) Xnavegacin Xerosin y control de sedimentos Xestudiosdeimpactoambiental(controlydisminucindelacontaminacinhdrica, salinidad, metales pesados, uso consuntivo, minera, etc.) Xuso recreacional del agua Xproteccin de la vida terrestre y acutica Xsistemas de alerta temprana de inundaciones y catstrofes Lahidrologapuededefinirsecomoladisciplinaquetratadelaspropiedades,existencia,distribuciny movimiento del agua sobre y debajo de la superficie de la tierra, sus conocimientos se aplican al uso y control de los recursos hdricos en los continentes del planeta Las aguas ocenicas son del dominio de la oceanografa y de las ciencias marinas. Oscar Edward Meinzer (1876-1948), a quien se conoce como el padre de la geohidrologa moderna, defini alahidrologacomolacienciainteresadaenlaexistenciadelaguaenlatierra,susreaccionesfsicasy qumicas con el resto de sta y su relacin con la vida sobre la misma. Englobando los conceptos anteriores, el Federal Council of Science and Technology for Scientific Hydrology de los Estados Unidos, expres: El agua es un recurso natural renovable, siendo el elemento natural mas utilizado. El estudio aplicado de los recursos hdricos se centra en la determinacin de las disponibilidades futuras de agua (oferta de agua) que se tendrn, en una regin determinada y en un perodo dado de tiempo (mbitos espacialytemporal),paraunaprovechamientodebeneficiosocial,desdelospuntosdevistadesu Unidad 11-2 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II pronstico, obtencin y utilizacin, atendiendo a los aspectos hidrolgicos y ecolgicos involucrados, como as tambin a los condicionantes de tipo tcnico/ingenieril, legales y econmicos que limiten su uso. Elaguadesarrollafuncionesbsicasencasitodoslosmbitosdelavida,yaseacomoalimento,parte constituyente de los organismos, elemento esencial en la fotosntesis de los vegetales, medio de transporte, vehculodeenerga,reguladordelaenergaenelbalancetrmicodelatierrayelementomodeladordel paisaje. A los fines de prever una disponibilidad estable de agua a la poblacin, industria y actividades agropecuarias, que resulte suficiente para satisfacer sus necesidades, por una parte, y brinde proteccin frente a los excesos, por otra, las disciplinas que se refieren al estudio del agua deben poder contestar, entre otras, las siguientes preguntas: 1)Cunta agua ser requerida? LapreguntafundamentaldelaPlanificacinrespectoalaevolucindelasdemandasfuturasdeagua paralapoblacin,industria,agricultura,ganadera,transporte,generacindeenerga,esparcimientoy otros usos, en los prximos aos y en las prximas dcadas, es de difcil respuesta, en virtud de que a los aspectosespecficamentefsicosquegobiernanlapresenciaylacirculacindelaguaenlasuperficie terrestre, es necesario aadir consideraciones de tipo social y ecolgico, que deben ser tenidas en cuenta. 2)De cunta agua se dispondr? Dado que la oferta de agua presenta una marcada variacin en el tiempo (sucesin de perodos hmedos y secos, por una parte, y de escurrimientos altos y bajos con extremos tambin muy variables, por otra) y en el espacio (zonas hmedas y zonas ridas), resultan necesarios profundos y variados anlisis de tipo hidrolgico,paracuantificarestavariabilidaddelaofertaenunaregindeterminada,tantoenlo concerniente a las aguas superficiales como a las subterrneas. Entalesanlisisdebendeterminarsenoslolosvaloresmedios,sinotambinlosextremos.Mientras que las magnitudes de los caudales de crecida constituyen la base para el diseo de obras de atenuacin y proteccin, los valores medios y los parciales acumulados en largos perodos de tiempo, se constituyen en los parmetros fundamentales para conocer las disponibilidades de agua y estudiar su regulacin. Teniendoencuentaquelosescurrimientosfuturosdeaguanopuedenconocerseconseguridad,el empleo de la Teora de Probabilidades juega un rol muy importante en la hidrologa. 3)En qu estado se presentar el agua? El estado natural de los recursos hdricos constituye otro aspecto de fundamental consideracin en los estudios que hacen a su aprovechamiento. Esteestadonaturalseveinfluenciadoengranmedidaporlasdescargasenloscaucesdedesechosy residuos producto de la actividad humana, que incorporan a las aguas tanto sustancias orgnicas como inorgnicas,comoastambinporlacargatrmica,productodelvuelcodeaguasdedistinta temperatura. El estado futuro previsible en que se encontrar el agua debe ser evaluado tomando en consideracin las urbanizaciones (siempre crecientes), la proyeccin de la industrializacin de la reas de influencia y los aportes de residuos qumicos provenientes de las labores agrcolas. 4)Cmo pueden usarse de la mejor manera los recursos hdricos en beneficio de la sociedad? A fin de adecuar a las demandas una oferta de agua marcadamente variable tanto en el espacio y en el tiempocomoensuestadodecontaminacinyadems,porlogeneral,insuficiente,yparalelamente garantizarsuusoparalosdiversosfinesaqueseladestina,resultanecesariocontarconnumerosas instalacionesyobrasdeingenieraquehaganposibletaluso,complementandoconlasmedidas operativas que permitan un manejo eficiente de tales instalaciones. Unidad 11-3 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II Resultaimportanteenesteltimoaspectolarealizacindebalanceshdricosyelpronsticodelos procesos hidrolgicos. 5)Qu medida deben adoptarse para la proteccin de los recursos hdricos? Losrecursoshdricos,tantosuperficialescomosubterrneos,debenserpermanenteyestrictamente vigilados a los efectos de protegerlos de su degradacin, lo que requiere un amplio espectro de medidas de orden jurdico, econmico, tcnico y pedaggico. 6)Quin puede utilizar el agua? Elderechoalusodelaguadebesercuidadosamentedefinidoyrespetado,sobretodoenaquellos mbitos en que el recurso es escaso o en pocas de reduccin de los aportes, quedando este aspecto a cargo de las Legislaciones de Aguas vigentes en cada regin. Lahidrologaprestaunanotableydecisivacontribucinenlarespuestaalaspreguntasformuladas,en especialenloatinentealestudiodelosrecursostilesdisponibles,alanlisisdelosprocesoshidrolgicos involucrados y a las mediciones pertinentes, con sus correspondientes registros y evaluacin de datos. Los recursos hdricos de una regin determinada estn constituidos por las disponibilidades y los potenciales naturales de sus aguas superficiales y subterrneas. Como se considera el agua dulce que, en el rea considerada y en un intervalo detiempodefinido,apareceenformadeaguasuperficialysubterrneacomocomponentedelciclo hidrolgico de la atmsfera terrestre. Desdeunpuntodevistacientficocabedistinguir,enrelacinconlacantidaddeaguaquebrindala naturaleza en un lugar dado, entre: XOferta potencial de agua.... definida por la deferencia entre los valores medios (correspondientes a largos perodos de tiempo) de la precipitacin y la evaporacin XOferta efectiva de agua ...... que corresponde a la diferencia entre la oferta potencial y los volmenes de aguaqueescurrenrpidamentedurantelacrecidas(oeventualmente excedenlascapacidadesycondicionesdealmacenamientodelascuencas subterrneas). XOferta regulada de agua..... referida al agua disponible tras la materializacin de obras y/o la adopcin de medidasquepropendanalograrlaregulacindelosvolmenes naturalmente aportados. Laposibilidaddeutilizacindelaguaexistente,paraunafinalidaddeterminada,resultadeconsideraciones ponderadas de tipo hidrolgico, ecolgico, tcnico y econmico. As deben cuantificarse: XDisponibilidad hidrolgica..... quesedeterminamedianteanlisisestocsticosdeespacio-tiempo aplicadosalciclohidrolgico(incluyendolasprdidasderivadasdela utilizacindelagua),considerandolaecuacindelbalancehdricoparael mbito dado, en un lapso definido de tiempo. Enformasimplificadaselapuedeconsignarcomounvolumentotalo caudalmediodelquepuededisponerse,conundeterminadorangode seguridad y en un intervalo de tiempo dado (por ejemplo, caudal promedio enm3/s,queconunaprobabilidaddel80%,puedenaportarlosrecursos hdricos de la regin en 30 das). Cabe observar que esta cantidad vara segn la ubicacin de dicho perodo en el ao calendario y segn el grado de probabilidad establecido. Unidad 11-4 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II XDisponibilidad ecolgica........ queda determinada por la calidad del agua y por el balance entre los efectos queparaelecosistemaconllevalaextraccindeaguaqueseefectaylos beneficios que se derivan de su utilizacin. XDisponibilidad tcnica ........... resultadelostrabajosyobrasdeingenierarequeridosparalacaptacin, conduccinyacondicionamientodelasaguas,enocasioneslimitadoso condicionadosencuantoasuposibilidaddeconstruccinporrazones topogrficas, geotcnicas, de materiales de construccin disponibles, etc. Estas situaciones pueden variar a medida que la ingeniera va desarrollando nuevas tecnologas para superarlas. XDisponibilidad econmica..... quedacaracterizadaporlarelacinexistenteentrelasinversionestotales quedebenefectuarseparalamaterializacindeunaprovechamientoylos beneficios que del mismo se esperan obtener. Del total de agua que constituye la oferta, la cantidad utilizable no es una fraccin cuyo valor sea invariable, sinoquepuedeirsemodificandoamedidaquelohacenlos aspectoshidrolgicos,ecolgicos,econmicosy tcnicosinvolucrados.Asunemprendimientoqueendeterminadomomentonoresultafactibleo convenientepuedeserlovariosaosdespus,oviceversa,siensumomentonosetomladecisinde ejecutarlo. Los, por su parte, se refieren a las caractersticas propias inherentes a la presencia del recurso,quelanaturalezaofrececomoserviciossincosto(lamayorabeneficiosos,sibienenocasiones perjudiciales), y para cuya explotacin se hace necesario, por lo general, la realizacin de las obra hidrulicas y de infraestructura necesarias. A los potenciales naturales presente en los recursos hdricos corresponden: XPotencial de autodepuracin........ que se produce por medio de reacciones fsico-quimicas y biolgicas XPotencial de sostn biolgico ....... por el cual las masas de agua sirven de sustento a diversas formas de vida animal y vegetal XPotencial ecolgico......................... de las masas de agua como parte integrante de los ecosistemas XPotencial de transporte ................ consecuencia de las propiedades fsicas del agua relativas a la flotacin de los cuerpos XPotencial energtico ...................... quepermitelatransformacindeenergapotencialencinticay,en funcin de caudales y desniveles, la generacin de energa elctrica XPotencial recreativo....................... para el ser humano XPotencial de las crecidas............... generalmente de consecuencias perjudiciales para las reas inundables Dentro de la amplitud de los conceptos analizados en el apartado anterior, la se refiere a todos aquellos aspectos que ataen al diseo, dimensionado y operacin de proyectos y obras de ingeniera destinados al uso y control del agua. Loslmitesentrelahidrologayotrascienciasdelatierra,talescomolameteorologa,climatologa oceanografa, geologa, etc., son confusos, y no tiene objeto prctico el intentar definirlos rgidamente. De la mismaforma,ladistincinentrelaingenierahidrolgicayotrasramasdelahidrologaaplicadaes igualmentevaga,habiendoaportadomuchosdeestosltimosconceptosbsicosqueahorasehallan definitivamente incorporados a aquella. Lahidrologaesutilizadaeningenieraprincipalmenteenrelacinconeldiseoyfuncionamientode estructuras y obras hidrulicas. Su objeto es el de dar respuesta adecuada al ingeniero cuando se encuentra Unidad 11-5 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II ante la problemtica de contar con los datos bsicos que le permitan dimensionar adecuadamente tanto las obras en su conjunto como sus diversos componentes. Las siguientes preguntas, son preguntas tpicas que se espera deben ser respondidas por, o con ayuda de, un hidrlogo: Qucaudalesmximospuedenesperarseenelvertederodeunapresa,enuncolectorde evacuacin de crecidas o en la alcantarilla de una carretera? Qu capacidad se requiere dar a un embalse para asegurar un suministro adecuado de agua para irrigacinyotrosusos,teniendoencuentalascaractersticaspropiasdelrgimenhdricodel cauce, incluyendo sus perodos de sequas? Qu efecto producen los embalses, las defensas de mrgenes y otras obras de atenuacin sobre las crecidas que se originan en os ros donde las mismas se ubican? De los conceptos anteriores se inducen las dificultades que se presentan al pretender dar respuesta adecuada a interrogantes como los planteados, en lo cual sern determinantes la notoria heterogeneidad que presenta ladistribucindelosrecursoshdricossobrelasuperficieterrestre,porunaparte,ylavariabilidaddelos aportes en el tiempo que se observa en un mismo lugar, por otra. En virtud de ello, la hidrologa debe versar sobre distintos tpicos, los que en su forma ms amplia pueden abarcar: la recoleccin de datos los mtodos de anlisis de los mismos Disponerdedatosbsicosadecuadosesesencialentodaslascienciasylahidrologanoconstituyeuna excepcin.Dehecho,lascaractersticascomplejasdelosprocesosnaturalesquetienenrelacinconlos fenmenoshdricoshacendifcileltratamientodemuchosdelosprocesoshidrolgicosmedianteun razonamiento deductivo riguroso. No siempre es posible partir de una ley bsica y determinar, con base en la misma, el resultado hidrolgico que se requiere. En su lugar, es necesario partir de un conjunto de hechos observados, analizarlos, y con este anlisis establecer las normas sistemticas que gobiernan tales hechos. As, el hidrlogo se encuentra en una difcil posicin cuando no cuenta con los datos histricos adecuados para el rea particular del problema. Resultafundamental,alrespecto,conocerlaformaenqueestosdatossonrecolectadosypublicados,las limitaciones de precisin que ellos puedan tener y los mtodos propios para su interpretacin y ajuste. Los problemas tpicos de hidrologa implican clculos de valores extremos que no se hallan presentes en una muestra de datos de corta duracin, caractersticas hidrolgicas en lugares en donde no se ha llevado a cabo recoleccindeinformacin(lugaresquesonmuchomsnumerososqueaquellosdedondesedisponesde datos), o clculos de la accin humana sobre las caractersticas hidrolgicas de un rea. Generalmente cada problema hidrolgico es nico, en cuanto trata con un conjunto diferente de condiciones fsicas dentro de una cuenca hidrogrfica especfica. Por lo tanto, las condiciones cuantitativas de un anlisis nosonsiempretransferiblesaotrosproblemas.Sinembargo,lasolucingeneraldelamayoradelos problemaspuededesarrollarseapartirdelaaplicacindeunospocosconceptosbsicosrelativamente tipificados. Losconocimientosdeuningenierocivildebenincluirestosconceptosylaformaencomodebenaplicarse para resolver las fases especificas de un problema hidrolgico determinado. Merecedestacarsesobreelparticularquelahidrologaconstituyeunaramaquedifierenotoriamentede otras materias de la ingeniera. De acuerdo a lo expuesto, los fenmenos naturales con los cuales debe tratar la hidrologa, no se prestan a los anlisis rigurosos de la mecnica. Por esta razn, existe una mayor variedad de mtodos, una mayor amplitud para la aplicacin de criterios personales y una aparente falta de precisin en la determinacin de los parmetros requeridos. Unidad 11-6 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II En realidad, la precisin de las soluciones hidrolgicas no se halla tan alejada, como aparenta, de otros tipos de clculo de la ingeniera, en los que la incertidumbre se oculta generalmente con el uso de coeficientes de seguridad,conprocedimientosrgidamenteestandarizadosyconsuposicionesmsomenosaproximativas referentesalaspropiedadesdelosmateriales,introducidas,lasmasdelasveces,soloenposdelograr solucionesquepuedanserdesarrolladasconprocedimientosmatemticosderesolucinrelativamente sencilla y generalizada. Resulta fundamental tener en cuenta al respecto que toas las obras hidrulicas deben ser dimensionadas en base a una planificacin futura, no existiendo en consecuencia para el proyectista seguridad en cuanto a las condiciones a que quedarn sujetas las obras. El calculista de estructuras determina las cargas impuestas a las mismas, pero no cuenta con la seguridaddeque tales cargas no sern excedidas,por ejemplo,o puede conocerse con certeza qu sobrecargas reales por viento o sismo podrn ejercerse sobre la estructura durante todo el tiempo que la misma se halle en servicio. Paratomarenconsideracinestasincertidumbres,efectuandoconsideracionesrazonables,generalmente contenidas en los Cdigos respectivos vigentes en las zonas en cuestin, utilizando coeficientes de seguridad adecuados. El ingeniero hidrulico, por el contrario, est mucho menos seguro de los escurrimientos que afectarn a su obra. Las incertidumbres hidrolgicas no son de manera alguna las nicas que presenta el diseo hidrulico, porquelasdemandasfuturasdeagua,losbeneficiosyloscostos,sontambintodosinciertosen determinado grado. Si embargo, un error serio en las estimaciones de los parmetros hidrolgicos previstos o esperados, puede tenerefectosdevastadoressobrelaeconomadelproyectoensutotalidad,oloqueesanpeorporsus consecuencias, sobre la estabilidad misma de las obras que lo componen. Dadoquelasecuenciaexactadelosescurrimientosfluvialesparalosaosfuturosnopuedepredecirse,la ingenierahidrolgicadebeplantear,ydaralgunarespuesta,acercadelasvariacionesprobablesdedichos escurrimientosysusvaloresextremos,demodotalqueeldiseoydeldimensionadodelasobras,ysus partes componentes, pueda efectuarse basndose en un riesgo calculado. El anlisis de los mtodos para estimar la probabilidad de los eventos hidrolgicos, y la utilizacin de estas probabilidades en los clculos hidrulicos, constituye la finalidad primordial de la ingeniera hidrolgica. A los fines de una mejor compresin de su importancia dentro de la ingeniera de las obras hidrulicas, un listado tentativo de los datos y estudios ms usuales que, para el correcto diseo de aquellas, debe aportar la ingeniera hidrolgica en particular y la hidrologa en general, puede incluir, referido a las aguas superficiales, algunos de las siguientes: Estudiodelosaportesnaturalesdelcaucehdricoconsiderado,tantoenloquehaceavalores medios y extremos, como a su distribucin temporal. Volumentotaldeagua aportadapor unafuente(ro,arroyo,etc.)enunperododeterminadode tiempo,alosefectosdecompararlasconlasdemandasquepresentaelaprovechamiento analizado. Caudalpicodelacrecidamximaprobable,paradiversostiemposderecurrencia,quepuede producirseenelcauceprincipalconsiderado,atendiendosegncorresponda,asusposibles orgenes (nival, pluvial, etc.) Paratodaladuracindelaavenida,ladistribucindeloscaudalesenfuncindeltiempoyel volumen total de agua aportada por la misma. Intervalo de repeticin de las crecidas. Avance de las crecidas por los cauces principales. Caractersticas e intervalo de repeticin de las sequas. Unidad 11-7 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II Estudiodelacapacidades,msconvenientes,quedebentenerlosembalsesylasobrasde conduccin,adecuadostantoalasdisponibilidadesdelrecursocomoalosinsumosprevistos, dentro de rangos econmicamente factibles. Estudio de las caractersticas de los fenmenos de erosin, sedimentacin e infiltracin. Calidad de las aguas en general, y su salinidad, en particular. Delimitacindelneaderiberaylocalizacindezonasinundables.Estudiodelriesgohdricode mrgenes y ordenamiento territorial asociado. Rotura de presas. Apoyo al estudio de los aspectos ecolgicos y econmicos involucrados. Medicin y seguimiento de procesos de fusin nival y de glaciares. En muchos casos los estudios inherentes a un proyecto deben incluir los del agua subterrnea, que en obras aisladas pueden limitarse a determinar el efecto de aquella en los mtodos constructivos y disposiciones de proyecto a adoptar, mientras que en estudios integrales, corresponde que sean llevados a cabo con amplitud, dadalainterrelacinycomplementacinquedebeexistirentrelasaguassuperficialesyprofundas,parala atencinmsracionalyeconmicadelasdemandasdeaguaconfinesderiegoodeabastecimientos diversos (agua potable, industriales, etc.). En estos casos los estudios debern abarcar, total o parcialmente: Estudio integral de las cuencas subterrneas. Calidad de las aguas. Estimacin del volumen de agua subterrnea disponible en condiciones normales de explotacin. Caractersticasdelescurrimientosubterrneo.Cantidad,ubicacinycaractersticasdelos acuferos explotables, efectuando, de corresponder, la zonificacin necesaria. Alimentacin y recarga de acuferos. Relaciones entre las aguas superficiales y subterrneas. Relevamiento de las perforaciones existentes en el rea bajo estudio. Para cada perforacin, de ser posible,debenrecopilarselossiguientesdatos:identificacin,nombredelpropietario,aode construccin, dimetro (o dimetros), tipo de bomba instalada, tipo de motor, potencia instalada, caudal obtenido y croquis de ubicacin, que permita luego volcar en un mapa regional la totalidad de las perforaciones detectadas. Las Figura 1y Figura 2 presentan una simplificacin de los procesos del sistema hidrolgico general. Enlatierra,elaguaexisteenunespaciollamadoHidrosfera,queseextiendeaproximadamente comprendiendo la franja de los 15.000 metros inferiores de la atmsfera y los 1.000 metros superiores de la litosfera o corteza terrestre. En tal mbito, aquella se encuentra en los tres estados fsicos: slido, lquido y gaseoso. El segundo estado es el que presenta mayor inters para la hidrologa, ya que en esa forma est en lalluvia,enlosrosylagos,enlasaguassubterrneasdelazonasaturadaybuenapartedelazonano saturada, etc. De hecho, tanto en el lenguaje corriente como en el cientfico, la palabra agua, si no se indica otra cosa, se refiere al agua en estado lquido. En el estado slido se presenta el agua en la naturaleza en forma de nieve, hielo y granizo. Por ltimo, el vapor de agua es bastante abundante en las capas bajas de la atmsfera y en las capas ms superficiales de la corteza terrestre. El agua circula en la hidrosfera a travs de un laberinto de caminos, que conforman el, el que constituye el foco central de la hidrologa. Este ciclo no tiene principio ni fin, y sus diversos procesos ocurren Unidad 11-8 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II en forma continua. El concepto de ciclo hidrolgico lleva implcita el movimiento o transferencia de las masas de agua referidas en el apartado anterior, de un sitio a otro y de un estado a otro. Elmovimientopermanentedelciclosedebefundamentalmenteadoscausas:laprimera,elsol,que proporciona la energa para elevar el agua del suelo, al evaporarla; la segunda, la gravedad, que hace que el agua condensada precipite y que una vez sobre la superficie, o bajo ella, discurra hacia las zonas bajas. Unidad 11-9 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II Se puede suponer que el ciclo se inicia cuando una parte del vapor de agua de la atmsfera (proveniente a su vez de la evaporacin desde los ocanos y la superficie terrestre), se condensa y da origen a que inciden nuevamente sobre tales superficies. No toda la precipitacin alcanza la superficie del terreno, ya que una parte se vuelve a evaporar durante su cada y otra es retenida ( ) por la vegetacin o por las superficies de edificios, carreteras, etc., y devuelta a la atmsfera al poco tiempo, en forma de vapor. Del agua que alcanza la superficie del suelo, una parte queda retenida en charcas o en las irregularidades del terreno( ),yenbuenaparteretornaprontoalaatmsferaenformadevapor. Otrapartecirculasobrelasuperficieyseconcentraenpequeossurcos,queluegoserenenenarroyosy mstardedesembocanenlosros( ),aguaqueluegosedirigiralagosoalmar,de donde ser evaporada o bien se infiltrar en el terreno. Porltimoexisteunatercerafraccindelaprecipitacinquepenetrabajolasuperficiedelterreno ( ) a travs de los agujeros o canalculos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio poroso.Unabuenapartedelaguainfiltradanodesciendehastalazonasaturadadelsubsueloode , sino que es retenida en la zona no saturada o del suelo, de donde retorna a la atmsferaporoporladelasplantas.Enlaprcticanoesfcilsepararambos fenmenos, por lo que se los suele considerar en forma conjunta, con el trmino de. Elmovimientodelaguaatravsdelterrenosecaracterizaporsuextraordinarialentitudysedebe fundamentalmente a la accin gravitatoria. En el movimiento del agua en la zona no saturada, otras fuerzas (especialmentelatensinsuperficial)puedenjugarunpapelmuyimportante.Entalescondicioneselagua puede discurrir a travs del suelo en direccin sensiblemente horizontal o paralela a la superficie como y descargar en los ros agregndose a la escorrenta superficial. Otra parte del agua infiltrada puedeprofundamente para recargar el agua subterrnea, la que a su vezpuedevolveralaatmsferaporevapotranspiracin,cuandoelanchodelazonanosaturada() es relativamente pequea y aquella quede suficientemente prxima a la superficie del terreno. Otras veces,elaguasubterrneapasaaengrosarelcaudaldelosros,alimentandodirectamentesucauceoa travs de manantiales: en las zonas costeras estos manantiales, a veces, son submarinos. Silaprecipitacincaeenformadenieve,quedaracumuladaenestadoslidosobreelterreno,hastaque reciba suficiente calor para su fusin, por lo que, a los efectos hidrolgicos, la precipitacin en forma de nieve equivaldra a otra de lluvia que hubiese cado al tiempo de la fusin, descontando la cantidad de nieve que se evapora directamente. Exceptoenreasdeescurrimientoendorreicasointerioresdelaszonasridasosemiridas,resultaquela mayorpartedelasaguasdelaescorrentadirectaydelasubterrneaterminanenelmar,pudiendo considerarse por ello, que los ocanos constituyen el punto final del ciclo hidrolgico, puesde ellos vuelvea evaporarse el agua, para iniciar de nuevo todo el proceso. Elciclohidrolgicoesunprocesocontinuoenelque,ensuconcepcinmsgeneral,unapartculadeagua evaporadadelocanovuelvealmismodespusdepasarporlasetapasdeprecipitacinyescorrenta superficialosubterrnea.Sinembargo,alolargodelciclopuedehabermltiplescortocircuitosociclos menores; por ejemplo, una gota de lluvia cada sobre el continente podra recorrer indefinidamente el ciclo: lluvia-infiltracin-evaporacin-lluvia-infiltracin,etc.;o,enformaanloga,unapartculadelluviasobreel mar: lluvia-evaporacin-lluvia-evaporacin, etc. Tambin hay que tener muy en cuenta que el movimiento del agua en el ciclo hidrolgico se caracteriza por suirregularidad,tantoenelespaciocomoeneltiempo.Porejemplo,enlasregionesdesrticas,lalluvia puedeocurrirenunospocosdasynotodoslosaos,sinoslocadaciertonmerodeellos;enestecaso, algunos elementos del ciclo hidrolgico, como la infiltracin y la evaporacin, suelen ser casi tan irregulares comolalluvia,ylaescorrentasuperficialosubterrneasonaveces,prcticamenteinexistentes. Anlogamente, tampoco se registra una correspondencia entre las regiones donde se produce la evaporacin del agua y aquellas sobre las que luego incide la precipitacin, como consecuencia del transporte del vapor de agua por las masas mviles de aire. Unidad 11-10 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II Concretando lo anterior, debe tenerse muy presente que aunque el concepto de ciclo hidrolgico es simple, el fenmenoessumamentecomplejoeintrincado.Aqulnoesslogrande,sinoqueestcompuestode muchos ciclos interrelacionados de extensin continental, regional y local. Aunque el volumen total de agua enelciclohidrolgicoglobalpermanecesensiblementeconstante,ladistribucindeestaaguaest cambiando en forma continua en continentes, regiones y cuencas locales de drenaje. La hidrologa de una regin est determinada en forma fundamental por sus patrones de clima, tales como relieve,condicionesdelasuperficieyvegetacin.Tambin,amedidaquelacivilizacinprogresa,las actividadeshumanasinvadengradualmenteelmedioambientenaturaldelagua,alterandoelequilibrio dinmico del ciclo hidrolgico e iniciando nuevos procesos y eventos. Por ejemplo, hay teoras que afirman que debido a la quema de combustibles fsiles, la cantidad de dixido de carbono en la atmsfera se est incrementando, lo que puede llevar al calentamiento de la tierra y tener efectos de largo alcance sobre la hidrologa global. Anivellocal,laaccindelhombrevaintroduciendocambiosprogresivamenteimportantesenelciclo hidrolgico de algunas regiones. Por ejemplo, los drenajes extensivos han hecho descender el nivel de la zona saturaday,paralelamente,sehareducidolaevapotranspiracinyhaaumentadolaaportacindela escorrenta subterrnea a los ros; la construccin de presas y canales de derivacin modifica los regmenes naturales de escurrimiento de los ros; la deforestacin o la repoblacin forestal pueden tambin modificar el rgimendecrecidasdelosros,peronoparecehaberdatosquepermitanasegurarunamodificacin sustancial en su aportacin media anual. El clculo de la cantidad total de agua en la tierra y en las diversas fases del ciclo hidrolgico ha sido tema de investigacincientficadesdelasegundamitaddelsigloXIX.Sinembargo,lainformacincuantitativaes escasa,particularmenteenlosocanos,debidoalocuallascantidadesdeaguapresentesenvarios componentes del ciclo hidrolgico global no pueden asegurarse con precisin. En valores aproximados se considera que el volumen total de agua en nuestro planeta es de 1.386.000.000 km3, de los cuales el 96.5% se encuentra en los ocanos, el 1.7% en los hielos polares, otro 1.7% como agua subterrneasysolamenteel0.1%restantecomponelossistemasdeaguasuperficialyatmosfrica.Esta ltima, que constituye la fuerza motriz de la hidrologa del agua superficial, tiene slo 12.900 km3, es decir, menos del 0.001% de toda el agua de la tierra. De la cantidad total de agua indicada en el prrafo anterior, el 97.5% corresponde a aguas saladas y el 2.5% restante (unos 35.000.000 km3) a aguas dulces, de los cuales slo el 0.006% est en los ros (2.120 km3), mientras que el agua biolgica, fijada en los tejidos de plantas y animales, representa el 0.003%, equivalente a la mitad del anterior. A pesar de que el contenido comparativo de agua en los sistemas superficial y atmosfrico es tan pequeo, inmensascantidadesdeaguapasananualmenteatravsdeellos.Laprecipitacinmediaanualqueincide fueradelaocanos(oseasobresuperficieterrestre)seestimaen119.00km3/ao,equivalentea800 mm/ao, de los cuales el 61% (72.000 km3/ao 484 mm/ao) se consumen por evaporacin, mientras que el 39% restante conforma la escorrenta hacia los ocanos, principalmente como agua superficial. Lacienciadelahidrologa,ysuevolucin,sehallantimamenterelacionadaconelconceptodeciclo hidrolgico. En una forma muy general, el desarrollo histrico de la hidrologa puede ser estudiado a travs deunaseriedeperodos.Dadoqueenvarioscasostalesperodossesolapan,losaosqueloslimitanno deben ser tomados en forma estricta. 1)El perodo de la especulacin (antigedad 1400) Unidad 11-11 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II Cuando el hombre comenz a distinguir los diversos elementos que constituan su entorno natural y sus caractersticas,descubriyaenremotaspocas,noslolavitalimportanciadelaguaysuutilizacin sinotambinlasgravesconsecuenciasdesusfaltasydesusexcesos.Sehadescubiertoasqueya 5.000 aosatrs existieron culturasque desarrollaron importantes obras hidrulicas,a lo largo de los grandesrosdelAsiaMenorydelNiloInferior.Estasconstruccionestenanporobjetoirrigaciny drenaje,proteccinfrenteacrecidasyabastecimientodeagua,ydesuconcepcinsedesprendeque quienes las disearon deben haber conocido ya sencillos principios hidrolgicos. Sin embargo, las primeras mediciones hidrolgicas no fueron llevadas a cabo con fines de aplicacin. El dispositivo que hace 4.000 aos meda los niveles del ro Nilo slo era accesible a los sacerdotes, los que, de acuerdo a los valores observados, fijaban el monto de los impuestos. En registros escritos que datan delao400a.C.,relativosatemasdepolticayadministracin,secitaquelasmedicionesde precipitacin eran tomadas como base para la fijacin del impuesto a las tierras. Lascivilizacionesasiticasantiguasdesarrollaronunalneadepensamientoindependiente.Loschinos registraron observaciones de lluvias, nevisca, nieve y viento en el orculo de huesos de Anyang hacia el ao1.200a.C.Probablementeusaronpluvimetrosalrededordelao1.000a.C.yestablecieronuna medicinsistemticadelluviasalrededordelao200a.C.EnlaIndia,lasprimerasmediciones cuantitativasdelluviadatandelasegundapartedelsigloIVa.C.Elconceptodeciclohidrolgico dinmicopudohabersurgidoenChinahaciaelao900a.C.,enlaIndiahaciaelao400a.C.yen PersiaalrededordelsigloX,peroestasideastuvieronmuypocoimpactosobreelpensamiento occidental. BasadosenlosconocimientosempricosdelasantiguasculturasdelAsiaMenorydelosegipcios,los filsofosgriegosdesarrollarondiversashiptesisdelciclohidrolgico,quesehallabansensiblemente influenciadas por dos fenmenos caractersticos de la regin por ellos conocida: el caso del ro Nilo y las zonaskarsticasdeGrecia,consusoquedadesyaguassubterrneas.Losegipciosnopodanimaginar, dadalaescasezdeprecipitacionesensupropioterritorio,queenalgnlugarstaspudiesenser suficientes para alimentar los grandes caudales del Nilo. Surgieron as tres hiptesis relativas al camino por medio del cual el agua reornaba al mar a travs de ros y arroyos: a)La hiptesis del ascenso del agua en el interior de la tierra firme. De acuerdo a esta teora de Mileto (-639 a -545) y Platn (-428 a -347), el agua (origen de todas las cosas) se infiltraba desde el mar hacia la tierra, donde percolaba hacia el interior y ascenda, aflorando en las nacientes de ros y arroyos, depurndose en aqul trayecto de las sales que contena. b)Lahiptesismeteorolgica(Cicloatmosfrico).Estateorareconoceydescribe correctamentediversoselementosdelciclohidrolgico.SegnAnaximandrode Mileto (-610 a -547), la lluvia proviene de la humedad, que el sol le quit a la tierra. Xenfanes estableci alrededor de 500 a.C., que la evaporacin del agua del mar constitua la fuente principal de la humedad atmosfrica y que los ros eran alimentados por las lluvias. Anaxgoras de Clazomene (-500 a -428) ide una versin primitiva del ciclo hidrolgico. Crea que el sol evaporaba el agua del marhacialaatmsfera,desdedondecaacomolluvia,yformabalasreservas subterrneas,lascualesalimentabanloscaudalesdelosros.Unavanceen relacinconestateorafuehechoporotrofilsofogriego,Teofrasto(-372a-287), quien describi en forma correcta el ciclo hidrolgico en la atmsfera. Dio unaexplicacinlgicadelaformacindelaprecipitacinpormediodela condensacin y del congelamiento. c)Lahiptesisdelatransformacindelaireenaguaenelinteriordelacorteza terrestre.FueformuladacomounatercerahiptesisporAristteles(-384a-322)ensuobraMeteorologica,segnlacualen latierrasevaformandoagua Unidad 11-12 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II en forma permanente por enfriamiento del aire atmosfrico que penetra en los poros y grietas de la capa superficial. DespusdeestudiarlostrabajosdeTeofrasto,elarquitectoeingenieroromanoMarcoVitruvio,quien vivienlapocadeCristo,concibilateoraqueseaceptahoyenda,extendilaexplicacinde Teofrasto al afirmar que el agua subterrnea se deriva principalmente de la lluvia y la nieve infiltradas a travs de la superficie del suelo. Esta puede considerarse como la precursora de la versin moderna del ciclo hidrolgico. A pesar de ello, la hiptesis de Aristteles fue considerada durante varios siglos como la mas veraz, y las correctas apreciaciones de Marco Vitruvio pasaron desapercibidas. 2)El perodo de observacin (1400 a 1600) CuandodespusdelaEdadMediarenacieronlasciencias,seprodujouncambiogradualdesdelos conceptos puramente filosficos de hidrologa hacia la ciencia observacional. Leonardo da Vinci (1452 a 1519) efectu los primeros estudios sistemticos de la distribucin de velocidad en los ros, utilizando una vara lastrada que se mantena a flote por medio de una vejiga animal lastrada. Las 8.000 pginas de notas de Leonardo que se conservan contienen ms referencias relacionadas con la hidrulica que con cualquierotramateria.ElcientficofrancsBernardPalisay(1509a1589)demostr,aplicandolos conceptosdelagravedadydelacondensacin,quelosrosymanantialesseoriginandelalluvia, refutandolasantiguasteorasquesostenanquelascorrienteseranalimentadasdirectamentepor percolacin de aguas de mar o por transformacin de aire en el subsuelo. 3)El perodo de la medicin (1600 a 1700) Puede considerarse que la ciencia de la hidrologa, en su versin moderna, comenz en el siglo XVII con lasmedicionesdelosfenmenosinvolucrados.Asporejemplo,elnaturalistafrancsPierrePerrault (1608 a 1680) estableci para una subcuenca del ro Sena el balance hdrico de un ao medio, segn el cual:precipitacin=escorrenta+prdidas,llegandoalaconclusinquelasprecipitacioneseran suficientesparaalimentarlosros.ElfsicoEdmMariotte(1620a1684)verificlosclculosde Perrault mediante mediciones de precipitaciones y caudales en el mismo ro. El problema an indefinido delasprdidasfueresueltoporelastrnomoEdmondHalley(1656a1742),quienestim experimentalmente valores para la evaporacin desde superficies de agua, las que aplic para calcular el balance hdrico del Mar Mediterrneo, lo que lo permiti demostrar que el agua evaporada era ms que suficiente para asegurar los caudales de los ros mediante precipitaciones. 4)El perodo de la experimentacin (1700 a 1800) DuranteelsigloXVIIIlosestudiosdehidrulicaexperimentalysuaplicacinalosfenmenos hidrolgicos,setradujeronenunflorecimientodelahidrologa,dandocomoresultadonuevos descubrimientos y una mejor comprensin de los principios hidrulicos. Notables ejemplos en tal sentido losconstituyenelpiezmetrodeBernoull,eltubodePitot,elmolinetedeWoltman,losmodelosen escala de Smeaton, el tubo de Borda, el principio de DAlembert, el teorema de Bernoull y la frmula de Chzy; desarrollndose en general mejores instrumentos, entre ellos el pluvigrafo de cubeta basculante. Todosestosavancesacelerarongrandementeelcomienzodelosestudioshidrolgicosrealizadossobre una base cuantitativa. 5)El perodo de la modernizacin (1800 a 1900) El siglo XIX fue en muchos aspectos la gran era de la hidrologa experimental que haba comenzado con el precedente perodo de la experimentacin, y se fue modernizando en forma tal que en esta poca se cimentaron la mayora de los principios de la hidrologa moderna, Si bien el signo de la modernizacin puede observarse en numerosas contribuciones a la hidrologa moderna, la mayora de ellas lo fueron en el campo del agua subterrnea y de la medicin de las aguas superficiales. Enelprimerodelosmbitosmencionados,losconocimientosdelageologafueronaplicadospor primeravezaproblemashidrolgicosporWilliamSmith,enInglaterra.Seefectuademsla formulacin de numerosas expresiones, tales como la ecuacin de Hagen-Poiseuille para el flujo capilar (1839); la ley de Darcy relativa al flujo en medios porosos (1856); la frmula de bombeo de pozos de Unidad 11-13 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II Dupuit-Thiem (1863, 1906), mientras que en 1889 se presentaba el principio del balance de las aguas salinas. Enelcampodelasaguassuperficiales,lahidrometraexperimentabaunnotorioavance,incluyendola formulacindenumerosasexpresionesparadeterminarelflujoencanales,eldesarrollodediversos dispositivos de medicin y el comienzo del aforo sistemtico en cauces importantes. El mtodo racional paracalcularlascrecidasmximasfuepropuestoporThomasMulvaneyen1850,GanguilletyKutter determinaron el coeficiente de Chzy en 1869 y Manning propuso su ecuacin para el flujo en canales abiertos (1891). En noviembre de 1867 se organiza la primera medicin internacional de los caudales de un ro, en el Rhin. En otros aspectos, en 1802, John Dalton (1766 a 1844) fue el primero en reconocer la relacin entre la evaporacin y la tensin del vapor; y Rippl present su diagrama para determinar los requerimientos de almacenamiento (1883). Asimismo se introducen por primera vez importantes estudios hidrolgicos en el proyecto de grandes obras hidrulicas. 6)El perodo del empirismo (1900 a 1930) Sinembargo,lahidrologacuantitativatodavanoestabaconsolidadaaprincipiosdelsigloXX.Alno conocersesuficientementelasbasesfsicasdelamayoradelasdeterminacioneshidrolgicas cuantitativas ni haberse desarrollado an suficientemente los programas de investigacin, los hidrlogos e ingeniero deba recurrir a bases empricas para poder resolver sus problemas prcticos. As, durante la ltima parte del siglo XIX como todava aproximadamente en los primeros 30 aos del XX, el empirismo enhidrologasetornmsevidente,siendopropuestasporejemplo,cientosdefrmulasdeesetipo paralasolucindediversosproblemas,resultandolaseleccindelosvaloresdeloscoeficientesy parmetrosintervinientesenlasmismas(porlogeneraldeunampliorangodevariabilidad)una cuestin de criterio personal. En la mayora de los casos se llegaba, con estos mtodos, a la obtencin de resultados totalmente diferentes, segn la frmula y los coeficientes que se aplicaran, aunque hubiesen sido propuestas para idntico fin. Comoconsecuenciadeloexpuestoseobservalpocotiempoquelasaproximacionesempricasala solucin de problemas hidrolgicos prcticos resultaba altamente insatisfactoria, se puso mayor nfasis en la investigacin hidrolgica y en el anlisis racional de la informacin observada. As, como primeros pasos,GreenyAmpt(1911)desarrollaronunmodelofsicoparalainfiltracinyHazen(1914) introdujoelanlisisdefrecuenciaparaelclculodecrecidasmximasylosrequerimientosde almacenamiento de agua. Paralelamentesefueroncreandodiversasagenciasestatalesendiversospasesdedicadasparcialo especficamente a la hidrologa, y a nivel internacional se comenz, como un aspecto fundamental para el desarrollo de la hidrologa y el conocimiento e inventario pleno de los recursos hdricos, con un trabajo integrado.Elmismotienesusorgenesconlacreacinen1922delaInternationalAssociationof ScientificHydrology(IASH)ysuscomisionesdeaguassuperficiales,aguassubterrneas,erosin continental, nieve y hielo, calidad del agua y sistemas de recursos hdricos. De cuestiones hidrolgicas se ocupanasimismo(sibienfueroncreadasconposterioridad),laAsociacinInternacionalparala InvestigacinHidrolgica(IAHR),laAsociacinInternacionaldeHidrogelogos(IAH)ylaComisin Internacional de Irrigacin y Drenaje (ICID). 7)El perodo de la racionalizacin (1930 a 1950) Durante este perodo aparecieron muchos grandes hidrlogos que emplearon anlisis racionales en lugar delempirismo,paralaresolucindelosproblemashidrolgicos.Asen1931,Richardsdeterminla ecuacinquegobiernaelflujonosaturado,en1932Shermanefectaunavancefundamentalen hidrologaconlaintroduccindelusodelmtododelhidrogramaunitarioparatransformarla precipitacin efectiva en escorrenta directa; en 1933 Horton desarroll la mejor aproximacin lograda hasta la fecha para determinar los excedentes de precipitacin en base a la teora de infiltracin y luego, en1945defineunaseriederelacionesquepermitenunadescripcindelaformadeunacuencasde drenaje. Por otra parte, en 1941 Gumbel propuso el uso de una ley de distribucin de valores extremos Unidad 11-14 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II paraanlisisdefrecuenciasdedatoshidrolgicos,conloque,conjuntamenteconotrosautores, revitalizelusodelasestadsticaenhidrologa,quetiempoatrshabasidopropuestoporHazen.En 1944,BernardjerarquizaelroldelaMeteorologa,marcandoaselcomienzodelacienciadela hidrometeorologa. Finalmente, en 1950 Einstein desarrolla la funcin que introduce el anlisis terico deltransporteysedimentacindelmaterialdearrastredelosrosyHurst(1951)demostrquelas observaciones hidrolgicas pueden exhibir secuencias para valores bajos o altos, que persisten a lo largo de muchos aos. 8)El perodo de la teorizacin (1950 a la fecha) Desdealrededorde1950,lasaproximacionestericashansidoextensamenteempleadasenla resolucin de los problemas hidrolgicos, como consecuencia de que muchos de los principios racionales propuestospuedenserahoraformuladosyresueltosmedianteelanlisismatemtico.Elvertiginoso avance da la computacin ha sido aplicado tambin al planteo de delicados fenmenos de hidrologa y a laresolucindelascomplicadasecuacionesmatemticasresultantesdelaaplicacindelasmodernas teorashidrolgicas.Independientementedeello,eldesprendimientodelamodernamecnicadelos fluidos de la hidrulica tradicional, ha ayudado tambin en gran medida a promover el desarrollo de la hidrologa terica. Ejemplos de estudios de hidrologa terica los constituyen los anlisis lineales y no lineales de sistemas hidrolgicos,laaplicacindeconceptosestadsticosenlahidrodinmicadelasaguassubterrneas,la aplicacindelasteorasdetransferenciadecalorydemasasenlosanlisisdeevaporacin,estudios relativos a la energa y dinmica de la humedad del suelo, la generacin secuencial de datos hidrolgicos yelusodelainvestigacinoperativaeneldiseodesistemasdeaprovechamientodelosrecursos hdricos. Enlaactualidad,eltrabajoconjuntoentelosdistintospasesenelcampodelahidrologaesdirigido fundamentalmenteporlaUNESCOylaOrganizacinMeteorolgicaMundial(WMO).ElDecenio HidrolgicoInternacional(IHD),de1965a1974ysucontinuacinalargoalcanceenelPrograma HidrolgicoInternacional(IHP),brindybrindaunvaliosoaporteparalaformulacindetrabajos integrados en el mbito de la investigacin hidrolgica y la formacin y capacitacin de personal, con la metadellevaratodoslospasesalasituacindeconocermscabalmentesusrecursoshdricos, protegerlos y usarlos mas racionalmente. Uni versi dadNaci onal deCuyo Facul taddeI ngeni er a I ngeni er aCi vi l Gua de Estudio para las Ctedras: Ing. Esp. Rubn VILLODAS TEMA 2.a:CLIMATOLOGA................................................................................................................................................... 2-1 2.a.1.DEFINICIONES DE CLIMA................................................................................................................................. 2-1 2.a.2.FACTORES Y ELEMENTOS................................................................................................................................ 2-1 2.a.2.i.Factores .......................................................................................................................................................... 2-2 2.a.2.ii.Elementos....................................................................................................................................................... 2-2 2.a.3.SERIES.................................................................................................................................................................. 2-2 2.a.4.CLASIFICACIN................................................................................................................................................... 2-2 2.a.4.i.Macroclimatologa......................................................................................................................................... 2-3 2.a.4.ii.Microclimatologa.......................................................................................................................................... 2-6 TEMA 2.b:METEOROLOGA ................................................................................................................................................. 2-7 2.b.1.DEFINICIN ......................................................................................................................................................... 2-8 2.b.1.i.El Tiempo Atmosfrico................................................................................................................................. 2-8 2.b.1.ii.El Ciclo Hidrolgico y los Elementos del Tiempo...................................................................................... 2-8 2.b.2.LA ATMSFERA.................................................................................................................................................. 2-9 2.b.2.i.Zonificacin.................................................................................................................................................... 2-9 2.b.2.ii.Composicin.................................................................................................................................................2-11 2.b.2.iii.Atmsfera Standard...................................................................................................................................2-11 TEMA 2.c:LA RADIACIN SOLAR.....................................................................................................................................2-12 2.c.1.GENERALIDADES..............................................................................................................................................2-12 2.c.1.i.La Constante Solar......................................................................................................................................2-12 2.c.1.ii.Reflexin y Absorcin..................................................................................................................................2-12 2.c.1.iii.Emisin.........................................................................................................................................................2-13 2.c.1.iv.Dispersin.....................................................................................................................................................2-14 2.c.2.LA RADIACIN NETA EN LA SUPERFICIE TERRESTRE.............................................................................2-14 2.c.3.UNIDADES.........................................................................................................................................................2-14 2.c.4.MEDICIN..........................................................................................................................................................2-15 TEMA 2.d:CALOR.................................................................................................................................................................2-15 TEMA 2.e:TEMPERATURA.................................................................................................................................................2-16 2.e.1.DISTRIBUCIN GEOGRFICA.........................................................................................................................2-16 2.e.2.VARIACIONES PERIDICAS............................................................................................................................2-16 2.e.3.MEDICIN..........................................................................................................................................................2-17 2.e.3.i.Termmetros ...............................................................................................................................................2-17 2.e.3.ii.Termgrafos.................................................................................................................................................2-17 2.e.4.PRESENTACIN DE DATOS TRMICOS.......................................................................................................2-17 2.e.4.i.Temperaturas Medias y Normales............................................................................................................2-18 2.e.4.ii.Grado-da......................................................................................................................................................2-18 2.e.4.iii.La Temperatura Bajo la Superficie Terrestre..........................................................................................2-18 2.e.4.iv.Capa Invariable ............................................................................................................................................2-19 2.e.4.v.Grado Trmico .............................................................................................................................................2-19 2.e.4.vi.Amplitud Diurna..........................................................................................................................................2-19 TEMA 2.f:LA PRESIN ATMOSFRICA...........................................................................................................................2-19 2.f.1.CONCEPTO.........................................................................................................................................................2-19 2.f.2.UNIDADES.........................................................................................................................................................2-19 2.f.3.VARIACIONES....................................................................................................................................................2-20 2.f.3.i.Variaciones Peridicas ................................................................................................................................2-20 2.f.3.ii.Variaciones Locales .....................................................................................................................................2-21 2.f.3.iii.Variaciones Irregulares............................................................................................................................... 2-21 2.f.4.MEDICIN......................................................................................................................................................... 2-21 2.f.4.i.Barmetros.................................................................................................................................................. 2-21 2.f.4.ii.Bargrafos ................................................................................................................................................... 2-23 2.f.5.MAPAS ISOBRICOS ...................................................................................................................................... 2-23 TEMA 2.g:EJERCICIOS RESUELTOS............................................................................................................................... 2-23 2.g.1.NDICES CLIMATICOS..................................................................................................................................... 2-23 2.g.2.CICLO DIARIO DE TEMPERATURAS............................................................................................................. 2-24 2.g.3.CICLO ANUAL DE TEMPERATURAS............................................................................................................. 2-24 Figura 3.Balance de Radiacin en la Superficie de un Cuerpo........................................................................................ 2-13 Figura 4.Ley de Variacin: Presin Atmosfrica vs Altura............................................................................................... 2-21 Figura 5.Barmetro de Mercurio y Bargrafo Aneroide .................................................................................................. 2-22 Figura 6.Termograma Diario................................................................................................................................................ 2-25 Figura 7.Termograma Anual ................................................................................................................................................ 2-25 Cuadro 1:Clasificacin Macroclimtica de Martone..............................................................................................................2-4 Cuadro 2:Clasificacin Macroclimtica de Thornthwaite.....................................................................................................2-5 Cuadro 3:Clasificacin de Aridez de Knoche...........................................................................................................................2-5 Cuadro 4:Clasificacin Macroclimtica de Gasparn .............................................................................................................2-6 Cuadro 5:Clasificacin Macroclimtica de Blair.....................................................................................................................2-6 Cuadro 6:Est. Met. Aeropuerto Mendoza Serie Horaria - Enero 2008...................................................................... 2-26 Unidad 22-1 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I/Hidrologa II Clima es una palabra griega (klima) que, etimolgicamente, significa inclinacin, aludiendo indudablemente alainclinacindelejedelaTierrasobreelplanodelaelpticaquesigueelplanetaalrededordelsol. Histricamenteescuriososealar,comoparalelamentealdescubrimientodeestainclinacindelejedela Tierra, aparecieron las primeras clasificaciones climatolgicas. LamsantiguadelasquesetienereferenciafueestablecidaporPtolomeo,quiendiferenciaba24zonas climticasenalTierra.Elcriterioparasepararunasdeotrossefundabaenelsucesivoincrementodela duracin del da. Ya en tiempos modernos, se publican diversas clasificaciones, establecidas por los gegrafos, de manera que puede decirse que la Climatologa ha entrado en el capo de la Ciencia de la mano de la Geografa, tanto es as que los primeros estudios climatolgicos se diferenciaban muy poco de los geogrficos. Las primeras definiciones de clima se refirieron casi todas al estado medio de la atmsfera. Hann define el clima como ParaMonnelclimaesun . En las definiciones ms recientes, es dable observar como los criterios puramente geogrficos se van dejando de lado, entrando a pesar ms los criterios biolgicos. As Thornthwaite present esta definicin: .Enciertomodo,aldecirfactoresclimticos,implcitamenteseincluyelodefinidoenla definicin. Ponceletdefineelclimacomo . En las sucesivas definiciones, se han ido teniendo en cuenta cada vez ms los factores biolgicos, dndosele paralelamente mayor importancia a un concepto climatolgico de gran inters: la evapotranspiracin, la cual noesnicamenteatribuiblealascondicionesfsicasdeunlugar,sinoqueenellaintervine fundamentalmente la accin de los seres vivos. Finalmente la definicin que hoy en da se debe admitir de Clima y que figura en las publicaciones oficiales de la Organizacin Meteorolgica Mundial (OMM), es la siguiente: Al estudiar el clima se suelen considerar en l dos aspectos fundamentales o bien dos tipos de parmetros: factores y elementos: XFactores son aquellos aspectos fsicos y geofsicos que condiciones el clima. XElementossoncadaunodesuscomponentes,quenosonotracosaquelas variables meteorolgicas que lo determinan. Unidad 22-2 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I/Hidrologa II Entre los factores que condicionan el clima de un lugar determinado, cabe citar: a)La latitud, que es el factor ms importante, que condiciona la radiacin solar. b)La altitud, pues disminuye con ella la temperatura, a la vez que se altera la radiacin. c)La continentalidad, es decir la mayor o menor distancia de un lugar a los mares. d)La orografa, puesto que los cordones montaosos constituyen verdaderos muros de contencin al flujo normal del aire. e)La orientacin, de importancia en configuraciones de relieve complicado, relacionado con el punto anterior y la inclinacin del terreno. f)La naturaleza propia del terreno. g)Lavegetacin,debiendodestacarsequeexisteunainteraccinmutuaentreclimayvegetacin, pues se condicionan recprocamente. h)Regmenes de vientos en altura. Loselementosdelclimaestndadosprcticamenteporlasvariablesmeteorolgicasdellugarconsiderado, enespeciallaradiacin,latemperatura,laprecipitacin,lapresinylosvientos,losvaloresmediosy extremos que stas toman y sus regmenes de variacin. Para el estudio de la climatologa deben utilizarse exhaustivamente los datos existentes, dado que al ser una ciencia descriptiva, trabaja con los valores surgidos de sus propias observaciones. LadefinicindeclimadelaOMMtranscriptaenelapartado2.a.1,hacareferenciaaunperodo suficientemente largo. Entrminosmuygeneralessehaestablecidoqueunlapsode30a35aosessuficienteparadefinirlas variablesclimatolgicasdeundeterminadolugar,dadoqueenelmismosedesarrollaraunciclo meteorolgico completo. Sinembargo,laextensindelaseriededatosdebeservariable,puesunperododeterminadopuedeser suficienteparamedirunavariablee insuficiente paraotra.Asporejemplo,lavariabilidaddelapresines francamente pequea en la mayor parte de la Tierra (salvo Islandia y Siberia), bastando por consiguiente con unos pocos aos de registros para elaborar una estadstica de presin. No ocurre lo propio con la precipitacin, que presenta una variabilidad sumamente grande, pudiendo variar de un ao a otro del 300% al 400%, y no en el orden del 5% como ocurre con la presin. Esta situacin se traduce en un significativo conflicto para el anlisis estadstico, justamente en el fenmeno cuya evaluacin es la que ms interesa en la Ingeniera Hidrolgica. Para la caracterizacin de la temperatura en un determinado lugar, dados los valores usuales y su variacin, la serie de registros necesarios resulta menor que para el caso de las precipitaciones. Otroproblemaquepresentaelanlisisdelasprecipitaciones,esquesulmiteinferiorpuedeserceroyno tienesignificadootrovalormenor,noaslasseriesdetemperaturas,quesiempresehallanabiertasen ambos extremos. Tal circunstancia dificulta el estudio estadstico, el clculo de las asimetras, etc. El objetivo fundamental de la clasificacin de los climas estriba en su comparacin, con el fin de poder usar losdatoshidrolgicosenregionesdistintas.Enclimashomogneos,latemperaturaylaprecipitacin(y Unidad 22-3 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I/Hidrologa IIeventualmenteotroselementosclimticos)sonsimilares(noequivalentes)encantidad,variaciny distribucin. Asporejemplo,elestudiocomparativodelascuencas,paralascualessonconocidoslosvaloresmedios anualesdepluviometrayerosin,hapermitidocomprobarqueenaquellascuencasenquesepresentaba unadesigualreparticindelaslluviasenelao,conunaconcentracindeprecipitacionesenunlapso relativamente corto del mismo, se produca una degradacin especfica elevada. Por el contrario, las cuencas condegradacionesespecficasdbilespredominanenclimascuyadistribucinanualdelluviasesms uniforme. Puesto que el clima es una compleja combinacin de elementos, la que a su vez depende de una no menos compleja combinacin de factores, resulta muy difcil intentar una clasificacin satisfactoria y de aceptacin unnime, de los variadsimos tipos climticos que se presentan en la superficie terrestre. Sinembargo,sipuedeestablecerseunaprimeraclasificacino,paraunamejorcomprensin,unadoble acepcin conceptual, basada en el mbito espacial del que se estudia el clima, y que responde a: microclima y microclima. Ambos trminos definen por s mismos el objetivo a alcanzar y su campo de utilizacin. Las primeras clasificaciones fueron establecidas con criterio puramente geogrfico y posteriormente, fueron perfeccionndose al considerar los parmetros climatolgicos en toda su amplitud. Dado que las clasificaciones generales abarcan la totalidad de los climas presente en la superficie terrestre, brindansudescripcinydefinensuscaractersticas,enelpresenteapartadoseharreferenciadetallada nicamente a los tipos climticos que corresponden a la zona andina central de la Repblica Argentina. Los restantes slo sern mencionados, sin definir sus caractersticas. Martone,enfuncinbsicamentedelatemperatura,lahumedadylasituacincontinental,estableciseis tipos de climas: 1:Climas calurosos sin perodo seco o Climas Ecuatoriales 2:Climas calurosos con perodo seco o Climas Tropicales 3:Climas templados sin estacin fra o Subtropicales 4:Climas templados con estacin fra 5:ClimasDesrticos.Sondeterminadosengeneralporelrelievedelsuelo(condiciones orogrficas especiales), como ser llanos rodeados de cordilleras que sirven de barrera a los vientos hmedos y a las lluvias. Se distinguen dos tipos: aClimasDesrticosCalurosos,conuntotalanualdelluviainferioralos250mm, condistribucinirregular,variacintrmicaanualmuyfuerteenlasituacin continental y ms dbil en el tipo ocenico. bClimasDesrticosFros,cuyadiferenciaconelanteriorestribaenqueapartede contarconestacinfra,dadoquesuelenregistrarseenveranotemperaturas elevadas, tienen una mayor amplitud anual. 6:Climas Fros con verano templado y climas fros sin estacin templada Unadelasclasificacionesclimatolgicasmsdifundidas,eslaestablecidaporKppen,quebasadaenla temperaturaylluvias,establece5zonas,queasuvezdanlugara11categoras,cadaunacondiversas variedades. Tal clasificacin comprende: Zona ATropical Lluviosadondesiemprelatemperaturamediadeunmesesmayorde18Cyla precipitacinmediaanualesmayorde750mm.ComprendelaCategora1 Unidad 22-4 Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I/Hidrologa II(Selva)ylaCategora2condossubcategoras(SabanayBosqueLluvioso). Cada una de ellas admite a su vez varias subdivisiones. Zona BSecocon las siguientes categoras: Categora 3Estepa (BS), con tres subdivisiones: (i)BSslluvias en invierno P