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 Hidrología El ciclo Hidrológico Es una representación de la circulación del agua en la atmósfera, el suelo y el subsuelo en sus diferentes fases. El principal motor del ciclo hidrológico es el sol y la gravedad. En el mar se evapora el agua y se incorpora a...

 Hidrología El ciclo Hidrológico Es una representación de la circulación del agua en la atmósfera, el suelo y el subsuelo en sus diferentes fases. El principal motor del ciclo hidrológico es el sol y la gravedad. En el mar se evapora el agua y se incorpora a la atmósfera, es un fluido de baja viscosidad. Efecto Coriolis Latitudes altas: cuanto más lejos esta del ecuador, 90ª 1 Latitudes bajas: pegadas al ecuador En latitudes bajas para que haya nieve tiene que estar a altitudes muy altas. Escorrentía superficial: cantidad de agua que va a transcurrir en la litosfera gracias a la gravedad. Escorrentía subterránea: pasa por los poros del suelo y transcurre por dentro del suelo, luego puede salir a la superficie. Evapotranspiración: este proceso lo hacen las plantas. Origen del Agua en la tierra Proviene de las etapas de reestructuración de la tierra, donde se diferenciaron las distintas capas que hoy están presentes. La hidrosfera y la atmósfera son las capas con mayor contenido en agua, aunque en la litosfera también se encuentra en cantidades notables. Buena parte del agua del planeta parte de la litosfera, y sale a la atmósfera por los volcanes. Los volcanes están aportando cantidades ingentes de vapor de agua y dióxido de carbono. En las zonas de subducción el agua pasa también de la hidrosfera a la litosfera. Aunque el volumen de agua en el ciclo hidrológico permanece constante, la distribución está cambiando constantemente. Balance del agua en el planeta Tierra Cada una de las partes del ciclo hidrológico se denominan sistemas o reservorios. (mirar la foto del powerpoint) 2 Tiempo de residencia Tr=S(vol)/Q (tasa flujo) Q = caudal Es el tiempo que tarda una molécula de agua en atravesar un sistema o reservorio desde su entrada hasta su salida. El agua como recurso El agua es un recurso que no está siempre disponible puesto que vivimos en una pequeña porción del ciclo hidrológico. Entrada (I) = Salidas(O) ± Variaciones en el almacenamiento (ΔS) I = O ± ΔS Si tu sacas de más la ecuación estará restando y por lo tanto hay un desequilibrio, si pasa de forma prolongada va a haber un problema serio. Escorrentía subterránea* + Precipitación (P) = Evaporación(Ev) + Evapotranspiración (ET) + Escorrentía superficial (r)+ Escort. Subterránea (Rg) ± Variaciones en el almacenamiento (ΔS) En muchas cuencas podríamos añadir también escorrentía subterránea * En España para un año hidrológico con balance =, el promedio es: 670 (100%) = 480 (72%) + 130 (19%)+ 60 (9%) Para largos periodos de tiempo (20 años). El promedio de P-E, será el agua que podremos aprovechar. Si extraemos esa cantidad estamos explotando los recursos. Si entramos más de esa cantidad estamos usando las reservas, es decir, estamos sobreexplotando. El agua como riesgo El agua puede constituir un riesgo para la población y para las infraestructuras. Tiene un papel fundamental para proteger a la población y a las infraestructuras. Ha de elaborar cartografías de zonas inundables que ayuden a los políticos a ordenar el territorio. Ha diseñar infraestructuras que no obstruyan el agua durante las grandes avenidas. Tema 2: La cuenca como soporte físico de los procesos hidrológicos 3 Una cuenca hidrográfica es un lugar de la superficie terrestre en el cual todo el agua que caiga sobre esa zona va a ir a parar al mismo punto de salida. La línea roja la conocemos como divisoria, es la línea que separa una cuenca de las cuencas adyacentes. Si nosotros tenemos un lago la cuenca hidrográfica será alrededor de este a mucha distancia y la salida será el propio lago. Tenemos los que se llaman cuencas exorreicas y cuencas endorreicas. Las primeras son de un río y las endorreicas el drenaje va a parar lago (buscar explicación mejor) Siempre una cuenca va a tener cuencas adyacentes. Las características físicas de la cuenca controlan el tipo y el tiempo de respuesta de ésta frente a las precipitaciones. Esto es importante para la prevención de riesgos y calcular la cantidad de agua. En los mapas topográficos tenemos curvas de nivel. Las líneas azules suelen representar ríos. Cuando están muy juntas las curvas tienen mucha pendiente. En un valle las curvas de nivel hacen un punto de inflexión y se abren aguas abajo. En las crestas pasa al revés, las curvas se abren al revés por eso no hay ríos, la divisoria de las cuencas suele ir por las crestas. Una gota cuando cae va a favor de la pendiente y donde haya mayor pendiente. El Área de drenaje El área de drenaje es la superficie de la cuenca en proyección horizontal, es decir medida en un plano. Generalmente se mide en km2. Esto es una medida en un plano, nos da igual que tenga mucha pendiente menos pendiente nos es indiferente. Es un parámetro simple de medir pero de gran interés puesto que nos va a controlar el volumen de agua máximo que una precipitación nos puede aportar. Forma de la cuenca La forma de la cuenca va a controlar el hidrograma resultante, Para dos cuencas del mismo área, el tiempo de concentración (el tiempo en el que toda la cuenca contribuye con aportaciones de agua) será mayor para una cuenca estrecha y alargada, que para una cuenca subcircular. Los parámetros más comunes para estimar la forma de la cuenca son: el índice de Gravelius y el factor de forma. 4  La t son los tiempos de llegada del agua La Q se mide en m3/h Es más peligrosa cuanto menos tiempo tarda, porque alcanza el mismo volumen en menor tiempo. La más peligrosa será la de la izquierda porque tiene una curva más alta que las otras. Índice de Gravelius o Coeficiente de compacidad Es la relación entre el perímetro de la cuenca y el perímetro de una circunferencia con el mismo área. Qué es lo mismo que el perímetro de la cuenca (P) entre la raíz del área de la cuenca (A) por 0,282. Las cuencas con un Kc próximo a 1 serán subcirculares mientras las que tengan Kc mayores serán irregulares. 3.1. Factor de forma de Horton El estudio de muchas cuencas en todo el mundo permitió conocer que conforme aumenta el área de la cuenca, éstas se vuelven más alargadas, dando una respuesta hidrológica distinta. El factor de forma se calcula con la siguiente fórmula, dónde A es el área de la cuenca y L, la longitud del cauce principal. Cuanto mayor es el factor de forma mayor es el riesgo de crecidas Kf 4. El relieve de la cuenca El relieve va a condicionar la rapidez de la respuesta hidrológica. En cuencas con el mismo área y forma la respuesta será más brusca en aquellas de mayor pendiente. El relieve va definirse según distintos parámetros: Altura media de la cuenca Altura mediana Pendiente media Curva hipsométrica Pendiente del cauce principal 4.1 Altura media de la cuenca 5 La altitud media de una cuenca es un parámetro a tener en cuenta a la hora de describir o compara cuencas ya que dependiendo de su altura media las precipitaciones pueden ser notablemente distintas, así como la evaporación, la evapotranspiración y la vegetación. La altitud media se define como: (No lo va a pedir en el examen) Hi es la altura media del intervalo seleccionado Si su área La elección del número de intervalo (i) de cotas se hace siguiendo la siguiente regla: (Dónde Hmax es la altura máxima de la cuenca y Hmin la mínima.) Es importante conocer las alturas medias porque los procesos que van a suceder son muy diferentes según la diferente altura media. 4.2 Altura mediana (H₅₀) Es la altura en la cual el 50% de la cuenca queda por debajo de la misma. (se obtendrá de la curva hipsométrica) 4.3 Altura más frecuente Para conocerla hay que realizar un diagrama de barras en el que se representen las alturas y el porcentaje del área de la cuenca que corresponde a cada altura. 4.4 Pendiente media La media ponderada de las pendientes de todas las superficies elementales en las que la línea de máxima pendiente es constante. Sumatorio de Li es la suma de la longitud de todas las curvas de nivel de la cuenca, E es la equidistancia de curvas y A el área total de la cuenca 4.5 Curva hipsométrica (puede pedir que lo dibujemos en el examen) La curva hipsométrica es una buena forma de representar el relieve de una cuenca. Es la representación gráfica de la relación acumulada entre la elevación y el área en dichos intervalos de elevación. 6  Atención al dibujo Si estoy en el punto más bajo de la cuenca me queda el 100% de la cuenca y si voy al punto más alto me queda el 0%. Forma de construir la curva hipsométrica: 1. Se eligen los intervalos adecuados según el tamaño de la cuenca y sus diferencias de cota. 2. Se calcula el área de cada intervalo (entre dos curvas de nivel). 3. Se calcula el área acumulada, es decir, la suma de las áreas de todos los intervalos situados por encima de la cota a la que nos refiramos. Ver columna 3 de la siguiente tabla. 4. Se calcula el porcentaje acumulado de las áreas que están por encima del límite inferior de cada intervalo. Cotas de Área en km2 Área acumulada Porcentaje de Porcentaje intervalo (área entre las (Km2) Área (%) acumulado de curvas de nivel) Área (%) 950-900 3,2 3,2 12% 12% 900-850 6,3 9,5 23,4% 35% 850-800 12,8 22,3 48,5% 84% 800-750 4,6 26,9 17,1% 100% Total 26,9 - 100% - La relación hipsométrica, según Straler, es el cociente entre el área que está por encima de la curva y el área que está por debajo. Así: Esta relación nos indica la madurez de la cuenca en sentido geológico, las relaciones mayores que 1 representan cuencas muy maduras, las relaciones menores de 1 aparecen en cuencas poco maduras. 4.6 Pendiente del cauce principal La pendiente del cauce principal la podemos expresar como: Pendiente media (Sm): que es la relación entre la diferencia de cota del cauce (Hmax-Hmin) y la longitud del cauce. 7  Pendiente media ponderada (Smp): que es la pendiente de la hipotenusa de un triángulo con vértice en la salida y con un área igual a la que existe bajo el perfil del río. 5. Características del drenaje de la cuenca La red de drenaje está formada por el cauce principal de la cuenca y los tributarios, de tal modo que en una cuenca se pueden distinguir subcuencas. Existen varios parámetros que describen la red de drenaje de la cuenca. ○ Orden de la red de drenaje ○ Densidad del drenaje ○ Frecuencia de cauces ○ Sinuosidad del cauce principal 5.1 Orden de la red de drenaje Concepto que representa la ramificación del drenaje. Existen varias metodologías para conocer la jerarquía del drenaje pero nos quedaremos con un método simple: Los cauces de primer orden son los que no tienen tributarios Los cauces de 2º orden se forman por la unión de 2 cauces de primer orden, y así sucesivamente. Cuando un cauce se uno con otro de mayor orden, prevalece aguas abajo el de mayor orden. El orden de una cuenca es el mismo que el del cauce principal en el punto de obra. 8 5.2 Densidad del drenaje Es la relación entre la longitud total de cauces y el área total de la cuenca: Li son las longitudes de todos los cauces A es el área de la cuenca 5.3 Frecuencia de cauces Es la relación entre el número de cauces de un determinado orden y el área de la cuenca de ese determinado orden Ni es el número de cauces de un determinado orden Ak es el área de la cuenca de ese determinado orden 5.4 Sinuosidad del cauce principal Es la relación entre la longitud del cauce principal y la longitud del valle del cauce principal medida en línea recta, o curva. Lc = longitud del cauce Lt = longitud del valle Una sinuosidad menor de 1,25 se considera una sinuosidad baja. 6. La geología La geología de la cuenca es otro de los factores que se han de describir ya que el drenaje no es igual en distintos tipos de rocas. Además la porosidad y permeabilidad de las rocas condicionará la parte de la precipitación que se convertirá en escorrentía. Es más peligroso si el suelo es arcilloso ya que esta es impermeable y no absorbe el agua, es mejor un suelo arenoso. 7. Los usos del suelo Es importante para los estudios hidrológicos estimar el porcentaje de los determinados usos del suelo, es decir, estimar el porcentaje de bosques, de tierras de cultivo o superficie urbana ya que van a influir en la capacidad de infiltración de agua en la cuenca. Arar las tierras en dirección de mayor pendiente favorece a la desertificación. 8. La orientación de la cuenca En la descripción de una cuenca hidrográfica hay que indicar su orientación ya que en muchos lugares del hemisferio norte las cuencas con orientación norte tienen mayores precipitaciones. 9  Tema 3: La precipitación 1. Introducción ¿Qué es la precipitación? La precipitación es la caída de agua sólida o líquida sobre la superficie terrestre. Esto incluye la lluvia propiamente dicha, la nieve, y el granizo. ¿Por qué se produce? La lluvia se produce cuando una determinada masa de aire a una determinada temperatura no puede contener todo su vapor de agua, se satura y precipita. ¿Y la nieve? Cuando las temperaturas son inferiores a 0º C los cristales de hielo empiezan a crecer a partir de microgotas, nucleadas en torno a polvo atmosférico. Los cristales de nieve pueden agruparse formando copos. ¿Y el granizo? Se genera en tormentas en las que las gotas de agua se congelan cuando son arrastradas por corrientes ascendentes. Este proceso de ascenso y descenso se puede producir varias veces, lo que explica que la mayoría de las bolas de granizo tengan una estructura concéntrica vista en corte y que puedan adquirir grandes tamaños (En Bangladesh cayó una bola de granizo en 1986 que pesaba 1 Kg.). 1.1.-Procesos que físicos que causan la precipitación 1.1.1.- Condensación Es el proceso por el cual el agua en fase vapor pasa a agua en estado líquido, formando micro gotas 1.1.2.- Coalescencia Es el proceso por el cual las microgotas se juntan formando gotas más grandes. Una vez que las gotas tienen un tamaño límite caen por gravedad. 1.2.- Tipos de precipitación 1.2.1- Lluvia por convección: Las masas de aire que se calientan en superficie, ascienden debido a la menor densidad del aire caliente y al ascender se enfrían produciéndose la condensación y la consiguiente precipitación. El aire frío de las capas altas desciende ocupando el lugar dejado por el aire caliente. Este ciclo se produce continuamente durante las tormentas. El viento que se produce al comienzo y durante muchas tormentas se debe a la circulación que se produce cuando el aire frió ocupa el lugar que dejó el aire caliente. 10 1.2.2- Lluvia por efecto orográfico: Es la lluvia que se produce cuando una masa de aire choca con una montaña y tiene que ascender lo que hace que el aire se condense y pueda llover. Este proceso se observa muy bien el las islas de mayor altura en del Archipiélago canario, donde la cara norte suele estar cubierta de nubes cuando soplan los alisios. En muchas ocasiones se produce condensación pero no llega a llover. 1.2.3- Lluvias ciclónicas: Son lluvias asociadas a frentes de bajas presiones. Son las que suelen dejar más lluvia en la Península Ibérica. Son las producidas por las llegadas de borrascas. También se producen precipitaciones asociadas al choque de distintas masas de aire con distintas características de humedad y temperatura, ya que una se “monta” sobre la otra y tiene que ascender. 2. La Humedad atmosférica ¿Qué es? La humedad atmosférica es el contenido de vapor de agua presente en la atmósfera. Este vapor procede de la evaporación de las masas de agua libre, principalmente de los océanos y en menor medida, de los ríos, embalses y lagos. La cantidad de agua que tiene una masa de aire se conoce también como la tensión de vapor. Contenido de vapor de agua y temperatura A una determinada temperatura la tensión de vapor máxima, marca el punto de saturación, que es el punto máximo de vapor que puede contener una masa de aire. A partir de ese punto el aire se condesa formando microgotas (nubes o niebla). Cuando el aire se enfría el punto de saturación disminuye. 11 2.1-La Humedad absoluta La humedad atmosférica se puede indicar como humedad absoluta o como humedad relativa. Humedad absoluta: es la masa de vapor de agua contenida en un volumen de aire, así que se mide en g/m3. No se tiene en cuenta la temperatura. ¿Cómo se mide? Se mide con un higrómetro, que es un aparato que usa materiales higroscópicos que se alargan cuanto mayor es la humedad como es el caso de capilares trenzados, pelos, tiras de intestinos, etc. ○ Higroscópicos: cambian de volumen según la humedad 2.2- Humedad relativa Humedad relativa: es el porcentaje de humedad absoluta que hay a una temperatura dada con respecto a la humedad máxima que el aire puede contener a esa temperatura. Si el aire está saturado y alcanza el 100 % comenzará a llover. Así, con la misma humedad absoluta, tendremos mayor humedad relativa a menor temperatura. ¿Cómo se mide la Humedad Relativa? Se mide con un psicrómetro Un psicrómetro que consta de un termómetro de bulbo húmedo y un termómetro de bulbo seco. La humedad puede medirse a partir de la diferencia de temperatura entre ambos aparatos. El húmedo medirá una temperatura inferior producida por la evaporación de agua. 3. Medida de las precipitaciones Pluviómetro Las precipitaciones se miden con un pluviómetro que es un recipiente (de tamaño estandarizado de 200 cm2 de boca). Se recoge y se mide el agua que contiene generalmente después de la lluvia. La precipitación se mide en mm, que es lo mismo que l/m2, asumiendo una lluvia homogénea. El problema de los pluviómetros es que aunque nos permiten conocer lo que ha llovido, no sabemos cuando llovió, pues se suele recoger una vez al día. Pluviógrafo 12  Los pluviógrafos nos permiten conocer la distribución temporal de la lluvia. Consiste en un recipiente y un flotador que está unido a una pluma que marca el ascenso del nivel del flotador. La pluma marca en un tambor giratorio que nos deja un grafico de cual a sido la distribución temporal de la lluvia. Los pluviógrafos nos permiten conocer la intensidad de la lluvia, es decir, la velocidad instantánea y se suele medir en mm/h. 4. Homogenización de series pluviométricas Cuando faltan datos de series históricas de precipitaciones (p.ej. faltan varios meses de un determinado año en el registro de precipitaciones de Ávila) Los podemos completar a partir de los datos históricos de estaciones próximas. (1 y 2 son estaciones próximas)4 5. Distribución espacial de las precipitaciones El caudal que saldrá por nuestro punto de obra dependerá directamente de la cantidad de lluvia caída. De las distintas lluvias caídas en los distintos pluviógrafos tendremos que seleccionar un valor. Para obtener un valor representativo usaremos los siguientes métodos: 5.1. Media Aritmética 5.2. Polígonos de Thiessen 5.3. Método de las isoyetas 5.1.- Media aritmética El método de la media aritmética es el más simple de todos, aunque pierde eficacia cuando los pluviómetros no están distribuidos homogéneamente a lo largo de toda la cuenca. Se obtiene dividiendo la suma de las precipitaciones recogidas entre el número de pluviómetros. 13 5.2.- Polígonos de Thiessen Se usa en los casos en los que la distribución de los pluviómetros no es homogénea se usa este método ya que a cada pluviómetro le asigna un polígono diferente dando así una ponderación por área a cada pluviómetro. Este método no tiene en cuenta la orografía de la cuenca. Los polígonos se construyen uniendo sobre el mapa, los pluviómetros próximos con una línea recta y posteriormente se dibuja la mediatriz de estas líneas que uniéndose entre sí, forman los lados de polígonos que encierran en su interior un pluviómetro. 5.3.- Isoyetas (isohietas) Las isoyetas son líneas que unen puntos de igual precipitación. Puede tener en cuenta la orografía Aporta bastante subjetividad, sobre todo cuando en la cuenca existen pocos pluviógrafos. 14  Tema 4: Pérdidas de la precipitación 1. Introducción Este tema aborda de forma conjunta unos procesos que son distintos entre sí pero que influyen en la generación de escorrentía, y tienen una gran importancia a la hora de diseñar determinados tipos de obra como embalses. Estos procesos son: Evaporación Evapotranspiración Intercepción Infiltración 2. La evaporación Es el proceso físico que hace que el agua líquida pase a vapor. Generalmente en la naturaleza, este paso se produce desde las masas de agua libre a la atmósfera. Para que se produzca evaporación son necesarios los siguientes factores. 1.- Energía suficiente: esta energía es energía térmica que procede de la radiación solar 2.- La Presión de vapor del agua ha de ser inferior que la presión de vapor de saturación. En la naturaleza, si la masa de aire tiene un elevado contenido en vapor de agua, la evaporación de una masa de agua va a ser menor. 3.- Existencia de viento, que produzca intercambio gaseoso y no se produzca saturación de la masa de aire. En superficie este intercambio se produce también por el ascenso del aire caliente cargado con vapor de agua. 2.1.- Medida de la evaporación. (se mide en mm) Existen fórmulas para calcular la evaporación, como la de Dalton (1928), pero en la mayoría de los casos no se pueden aplicar puesto que utilizan funciones que están relacionadas con los elementos meteorológicos como el viento, la radiación, etc. Generalmente se usan métodos experimentales como: Tanques de evaporación: Evaporímetros de balanza: Superficies de papel húmedo: (evaporímetro de Piché) 2.1.1.-Tanques de evaporación: Tienen como principio común la medida del agua perdida por evaporación de un depósito de dimensiones regulares. Los distintos modelos se diferencian entre sí en tamaño, forma y ubicación en el terreno. Están concebidos para medir la evaporación en embalses o grandes lagos y en general se sitúan próximos a ellos. Generalmente con ellos se obtienen medidas superiores a la evaporación real por lo que precisan de correctores que dependen del modelo. 2.1.2.- Evaporímetros de balanza Es un pequeño depósito de 250 cm2 de sección y 35 mm de profundidad, lleno de agua e instalado sobre una balanza de tipo pesa-cartas, en la que se hacen lecturas sucesivas para medir la pérdida de peso. La pequeña dimensión del depósito hace que sus paredes influyan demasiado en la evaporación. Como ventaja principal tiene el hecho de que se puede usar como evaporigrafo, que permite llevar un registro continuo de la variación de la evaporación, si se le adaptan los adecuados elementos registradores. 15  2.1.3.- Superficies de papel húmedo (Evap. Piché) Es el modelo más usado. Se basa en la idea de humedecer permanentemente un papel expuesto al aire. El depósito humedecedor es un tubo graduado, que se coloca invertido con la boca libre hacia abajo. Esta se tapa con un papel secante sujeto por medio de una arandela metálica. La evaporación produce el secado del papel y una succión de agua del depósito. Se mide el descenso de agua en el tubo. 3.- La evapotranspiración La evapotranspiración es la difusión de agua a la atmósfera, a través de una superficie vegetal. Se considera evapotranspiración a la evaporación directa sobre la superficie de las plantas + su transpiración. Vamos a distinguir entre dos conceptos muy utilizados: Evapotranspiración potencial (ETP) Evapotranspiración real (ETR) 3.1.- Evapotranspiración potencial (ETP), Es la evapotranspiración máxima que habría si las condiciones del suelo fuesen óptimas y la vegetación estuviese a pleno rendimiento, es decir si el aire es capaz de evaporar 5 mm, del agua del suelo y tenemos 5 mm o más. 3.1.- Evapotranspiración real (ETR) Es la evapotranspiración que realmente se produce. Si la planta es capaz de evapotranspirar 5 mm y sólo hay 3 mm en el suelo, sólo se evaporar 3 mm, que es lo que hay. 3.2.- Como medir la Evapotranspiración real (ETR) Métodos directos, “Lisímetro” Consiste en un cubo impermeable abierto por arriba, enterrado en el suelo y relleno del suelo original. Este cubo tiene una abertura en su parte inferior que permite recoger el agua que se infiltra en el suelo, Conociendo la precipitación, el agua que se infiltra, y el agua almacenada en el suelo usamos la siguiente ecuación. ETR=P(precip) – I(inflitrac.) - ∆S(varicion almac.) Lo más difícil, es calcular el almacenamiento del suelo. Lo que se suele hacer, es medir la humedad del suelo y transformarla en lámina de agua (mm). Existen otros métodos empíricos que permiten conocer la evapotranspiración. 3.3.- Como medir la Evapotranspiración potencial (ETP) Existen varios métodos empíricos para calcular la ETP. En este curso se explicarán el método de Thornwhite y el método de Turc. 3.3.1.- Método de Thornwhite Este método se desarrolló correlacionando datos de evapotranspiración potencial media con datos de ETR, con datos de temperatura mensual e insolación diaria en EEUU. Nos sirve para calcular la ETP mensual. La fórmula de Thornthwaite se basa en la temperatura y en la latitud determinando que esta última constituye un buen índice de la energía en un lugar específico. Estima la evapotranspiración potencial a partir de la temperatura media mensual con la que calcula un índice de calor mensual, a partir de la siguiente expresión: 16 17 18 4.- La intercepción Es el proceso por el cual la precipitación queda atrapada o es alcanzada por la vegetación antes de tocar el suelo. La precipitación interceptada puede seguir dos caminos. 1) seguir su camino hacia el suelo. 2) evaporarse en las hojas. El porcentaje de lluvia que se evapora sin llegar al suelo, se conoce como coeficiente de intercepción. El tipo de precipitación, la intensidad, y la evaporación van a condicionar evidentemente, la intercepción. También condicionan la intercepción, el tipo de vegetación, dependiendo de su morfología, fisiología y estructura. La intercepción It = P – T – S P= Precipitación T= Transcolación (la lluvia que se cuela entre las hojas. S= escorrentía cortical (lo que escurre por el tronco) Para medir la intercepción se recurre a la estimación. En los estudios científicos en cuencas experimentales, la intercepción de los árboles dominantes se realiza comparando la precipitación recogida fuera de la superficie arbórea y bajo la superficie arbórea. La Fórmula de Horton permite estimar la intercepción. It = Sv + Rv · E · tr Sv, es la capacidad de retención de la cubierta vegetal, se mide en (mm) Rv, es la relación entre superficie arbolada y la superficie total de la cuenca, se expresa en %. E, es la evaporación de superficie, se expresa en (mm). tr es la duración del episodio lluvioso, se expresa en horas (h). 5.- La infiltración La infiltración es el paso del agua de superficie al suelo. Los principales factores que afectan a la infiltración son: 1.- Factores del suelo: textura; estructura; presencia de materia orgánica (favorece la infiltración), la mineralogía de arcillas. 2.- Intensidad de la lluvia, ya que a menor intensidad, mayor infiltración. 3.- La humedad previa del suelo, ya que en suelos totalmente saturados no hay infiltración. 4.- La posición del nivel freático, ya que cuanto más alto esté el nivel freático menor será la infiltración. 5.- La topografía, que hace que cuanto mayor sea la pendiente menor sea la infiltración. 6.- La cubierta vegetal, que siempre favorece la infiltración, hace que aumente la rugosidad del suelo y condiciona el suelo por medio de las raíces. 7.- Los usos del suelo, por ejemplo en un campo de cultivo hay mayor infiltración que en una ciudad. O la forma en la que se ara el terreno. 19 5.1.- Capacidad de infiltración (fp) Es la velocidad máxima con la que el agua se infiltra o penetra en el suelo. Se mide en (mm/h), al igual que la intensidad. La capacidad de infiltración durante una lluvia, disminuye con el tiempo. Está dominada por procesos de gravedad y por la fuerza de absorción del suelo. 5.2.- Zonas de humedad en el suelo Dentro del suelo podemos encontrar tres zonas que desde superficie son: Zona de saturación, en la que dominan los procesos de gravedad. Zona de transición donde el agua debido a los procesos de absorción del suelo se distribuye. Zona o frente de humedad, que es la zona límite en la que el agua muestra circulación vertical. En experimentos de lluvia simulada, podemos hacer cortes al terreno y observar la forma del bulbo de infiltración. Cuanto mayor sea la fuerza de absorción del suelo, más alargada será la forma del bulbo 5.3.- Tiempo de encharcamiento El tiempo de encharcamiento, es el tiempo que pasa desde el inicio de la lluvia hasta que el agua comienza a encharcarse en el terreno. Cuando comienza una tormenta y las condiciones del suelos son secas, la intensidad de lluvia (i) es menor que la capacidad de infiltración (fp), i< fp si la tormenta continúa ambos valores se igualan i= fp produciendose saturación en la parte superior del suelo, comenzando el encharcamiento. A este tiempo se lo conoce como tiempo de encharcamiento. A partir de este momento cuando i> fp comienza la escorrentía 5.4.- Medición de la infiltración La infiltración se puede medir por medio de métodos directos e indirectos. Dentro de los métodos directos tenemos: infiltrómetros lisímetros y simuladores de lluvia. Los infiltrómetros son unos aparatos que constan de un cilindro hincado en la tierra, y que tiene la parte superior e inferior abiertas. Se llena de agua la parte superior del cilindro que está por encima de la superficie y se miden los descensos del nivel. Con un lisímetro también podemos medir la infiltración. Los simuladores de lluvia, son una serie de aspersores que simulan unas condiciones de lluvia controlada, en una parcela cerrada que permita su estudio. Así podemos calcular la infiltración por medio de balances: I = P- Es – It – Ev – ET. 20 P, es la precipitación, Es, es la escorrentía, It es la intercepción; Ev, es la evaporación directa y ET la evapotranspiración. 5.5.- Medición indirecta de la infiltración Los modelos indirectos se crean a partir de la curva de infiltración de diversas cuencas. Entre estos modelos podemos distinguir los siguientes: Modelo de Horton Este modelo se desarrolló para condiciones en las que la intensidad de lluvia es mayor que la capacidad de infiltración. f= fc+(f0 - fc) · e-kt f es la capacidad e infiltración; f0 es la capacidad de infiltación inicial; fc es la capacidad de infiltación final; k es una constante propia de cada cuenca, y t, es la duración de la lluvia. Modelo de Kostiakov f= f0 · t -α α, es un coeficiente que depende del agente. Otra metodología para conocer la infiltración es la separación de componentes de un hidrograma. 21  Tema 5: El agua en el suelo 1. Introducción El agua es un componente más del suelo que generalmente está en estado líquido (en latitudes altas puede estar helada constituyendo el permafrost). Tiene gran importancia para la cubierta vegetal y para la recarga de los acuíferos. Parte del agua infiltrada en el suelo se queda almacenada temporalmente mientras que otra parte sale del suelo por: A) drenaje en profundidad. B) B) evaporación. C) C) evapotranspiración. El suelo es un espacio poroso con poros intercomunicados, que permiten la acumulación y/o circulación del agua. La acumulación de agua en el suelo depende de las características físicas del suelo, del contenido de agua previo y del estado energético del agua. 2. Tipos de agua en el suelo El agua en el suelo se puede encontrar de diversos modos, en función de la cantidad, disponibilidad, de su estado energético y de su movilidad. 2.1.Agua estructural o de cristalización Es aquella que forma parte de la estructura cristalina de los minerales y la que está atrapada entre láminas de arcilla, y no participa de la dinámica del suelo. 2.2.- Agua absorbida o pelicular (higroscópica) Agua que forma una película microscópica alrededor de las partículas sólidas del suelo. Su espesor suele estar en torno a 1 μm. Está retenida por enlaces de Van der Waals que le impiden participar en la dinámica hídrica del suelo. 2.3.- Agua capilar no utilizable Se encuentra en los poros más pequeños del suelo (∅= 2 μm), esta agua está retenida con tanta energía que no puede ser usada por las plantas y su movimiento es muy lento. 2.4.- Agua capilar utilizable Se encuentra en poros con tamaños superiores a 2 μm (∅= 2 μm). Está retenida en el poro con suficiente fuerza como para no perderse por gravedad, y puede ser utilizada por las plantas. 22  2.5.- Agua gravitacional Es el agua que rellena los poros capilares y macroporos y está sometida a movimientos gravitacionales. Generalmente se pierde por percolación y pasa al nivel freático. 3.- Presión matricial (ψ) La presión matricial es la fuerza de unión entre las partículas sólidas del suelo y el agua. Esta fuerza de unión se expresa como fuerza de unión por unidad de superficie, es decir, como una presión. A esta presión se le asigna un signo negativo pues es la presión necesaria para extraer el agua de los poros. Se suele medir en atmósferas (Atm) o en kilopascales (Kpa) La presión matricial se suele expresar de forma logarítmica, lo que se conoce como pF pF = log |ψ| (ψ, expresado en milibares) - 1 Kpa= 10 milibares - 1 atm = 1013,25 milibares El pF es un estado energético del agua en el suelo que mide la retención del agua por el suelo. 4.- Contenido en humedad del suelo (θ) Es el peso de la húmedad del suelo (Peso muestra hum. – Peso muestra Sec.) con respecto al peso de la muestra seca. Se suele expresar en %. Según el contenido en humedad, el suelo puede encontrarse en 2 estados extremos. - Capacidad de campo - Punto de marchitamiento Capacidad de campo: Es el contenido en humedad del suelo cuando ha escurrido el agua gravitacional, es decir, cuando no existe drenaje interno. Normalmente suele alcanzarse 2-3 días después de una lluvia. Punto de marchitamiento: Es el contenido en humedad del suelo a partir del cual las plantas no son capaces de tomar la humedad y se marchitan, no volviendo a recuperar su turgencia. Agua disponible: Es el contenido de humedad del suelo entre capacidad de campo y punto de marchitamiento. 23 5.- Movimiento del agua en el suelo El agua en el suelo siempre está en movimiento, aunque sea lento. La variable que controla el movimiento del agua en el suelo es la conductividad hidráulica (K), que representa la facilidad con la que un medio poroso permite el paso del agua en una sección transversal del medio poroso. La conductividad no es exclusiva del medio también va a depender de las características del fluido. La conductividad saturada es la capacidad máxima de movilidad del agua en un suelo. La conductividad no saturada, es decir, cuando no todos los poros del suelo están llenos de agua, es menor que la que la saturada puesto que no todos los poros contribuyen al movimiento. 6.- Tipos de flujo En función de la presión matricial del suelo (ψ), podemos encontrar 3 tipos de flujo. - Flujo descendente: que se produce cuando en superficie ψ = 0 y a medida que descendemos ψ 35000 mg/l (35000 mg/l es la concentración del agua de mar). 61 62 Parámetros físico-químicos de las aguas subterráneas A parte de la composición química de las aguas se suelen medir varios parámetros físico-químicos que permiten caracterizar las aguas subterráneas y tener una cierta idea acerca de su origen. Los principales parámetros son: Parámetros medidos en el campo (también se miden en el laboratorio con posterioridad) Temperatura Conductividad eléctrica pH Parámetros medidos en el laboratorio Residuo seco Dureza Además existen otros parámetros como la turbidez, la densidad, el olor, color, o el sabor que también pueden aportar información interesante. Temperatura Se mide “in situ” con un termómetro. La temperatura de las aguas subterráneas suele ser bastante constante y en los primeros metros suele corresponderse a la media de las temperaturas del aire. El calor procede de la superficie y del calor interno de la tierra. Así conforme se profundiza las aguas subterráneas tienen una mayor temperatura. Aumenta unos 3ºC cada 100 m (depende del gradiente geotérmico). En zonas en las que hay aguas termales estas suelen corresponderse con zonas de falla que permiten que el agua profunda ascienda rápido, o con zonas volcánicas. 63 Conductividad eléctrica (CE) Se mide “in situ” con un conductivímetro. La CE es la facilidad que tiene el agua para transmitir la electricidad. Así podemos estimar la salinidad del agua. Cuanto mayor CE mayor salinidad. La CE varía también con la temperatura, así muchos conductivímetros corrigen la CE para referirla a una temperatura de 25ºC. La CE se suele expresar en µS/cm o mS/cm (microsiemens o milisiemens) aunque se usa menos también se denominan micromhos. Son valores inversos a la resistividad Ωm. La CE de las aguas subterráneas suele estar entre 100-2000 µS/cm. La de las salmueras puede llegar a 200.000 µS/cm El agua de mar 45000 µS/cm. Se puede estimar la cantidad de sólidos disueltos (TDS) multiplicando a la CE por 0,75. (Ojo es sólo una estimación). 64 Representación de datos hidroquímicos Los datos hidroquímicos que podrían quedar recogidos en una tabla se visualizan mejor si aparecen representados en forma de gráficos o mapas. Los gráficos más empleados en hidroquímica son: Gráfico de Piper; de Stiff; Schoeller-Berkalof; gráficos bilineares, barras o círculos. Además de los gráficos, se suelen representar en mapas variaciones de contenido en un determinado elemento. Los datos químicos suelen ir acompañados del nombre, fecha y tipo de muestra de agua. Diagramas de Stiff Son unos diagramas de forma poliédrica en los que se representa la concentración de los cationes y aniones mayores expresados en meq/l o en % de meq/l. En el lado izquierdo se + 2+ + + − − representan los cationes (𝐶𝑎 ; 𝑀𝑔 +; 𝑁𝑎 y 𝐾 y en el lado derecho los aniones (𝐻𝐶𝑂3 ; 𝑆𝑂4; 𝐶𝑙 ). El orden de representación varía de unos a otros, así que hay que acompañarlos de una leyenda. Estos diagramas son muy útiles para representar composiciones de agua en un mapa. 65 66 67 Tema 16. Origen y evolución geoquímica de las aguas subterráneas Origen de la composición de las aguas subterráneas La precipitación aporta una pequeña impronta química y los solutos proceden del polvo atmosférico, del spray marino, cenizas volcánicas, y de la contaminación. Las sales disueltas en la lluvia están en concentraciones bajas de 0.2-0.4 ppm. El spray marino aporta + − fundamentalmente 𝑁𝑎 y 𝐶𝑙 , mientras que los aportes de polvo atmosférico pueden ser muy variables, aunque en el sur de Europa, el Sahara y el Sahel son las principales fuentes. El suelo proporciona al agua subterránea una huella geoquímica importante y suele bajar su pH debido a los ácidos húmicos y a la combinación de 𝐻2𝑂 y 𝐶𝑂2, (producto de la respiración y descomposición de las plantas). En suelos kársticos esta combinación disuelve calizas y en rocas silíceas favorece la hidrólisis. En consecuencia el agua adquiere los elementos producto de la meteorización. 68 Procesos que transforman las aguas subterráneas Reacciones de disolución-precipitación Cuando las aguas circulan por rocas solubles van adquiriendo sales de forma más o menos lenta dependiendo de la solubilidad de las rocas lo que hace que aumenten su concentración. La evaporación de las aguas o el retorno de regadíos puede incrementar la concentración. Cuando la concentración de determinadas sustancias aumenta puede alcanzarse el índice de saturación con respecto a un mineral (SI) y éste precipita. Esto puede verse favorecido por cambios de temperatura, pH o por liberación de 𝐶𝑂2. 1. Reacciones redox e hidrólisis Se conocen como reacciones redox a las reacciones de reducción-oxidación en las que se intercambian electrones entre átomos o moléculas. En aguas con ambientes reductores los 2− 2− sulfatos (𝑆𝑂4 ) se convierten en sulfuros (𝑆 ) o (𝑆𝐻2) sulfhídrico que tiene olor a huevos podridos. Esto se observa en aguas de lagos y en algunos manantiales. El hierro en su fase 2+ 3+ reducida (𝐹𝑒 )es más móvil que en su fase oxidada (𝐹𝑒 ). Las reacciones de hidrólisis se producen entre silicatos y la molécula de agua produciendo modificaciones en los minerales y liberando elementos químicos a las aguas. 2. Mezcla de aguas y efecto ión común La mezcla de aguas con composiciones diferentes puede suponer una suma de las sustancias disueltas que tiene cada una. En algunos casos en los que ambas aguas (subsaturadas con respecto a un determinado mineral) tienen un ión común puede producirse la saturación y precipitación del mineral que se encontraba subsaturado. 3. Adsorción y cambio de base Las arcillas tienen cationes adsorbidos en su superficie y pueden intercambiar cationes con el 2+ 2+ + agua (generalmente 𝐶𝑎 + ; 𝑀𝑔 ; 𝑁𝑎 ). Esto hace que las relaciones iónicas se modifiquen. Por ejemplo, si disolvemos 1 mol de Halita (NaCl) la relación Na/Cl sería 1. El cambio de base puede hacer que esta relación cambie en las aguas. El índice de cambio de base es el desequilibrio entre cloruros y alcalinos. 69 Evolución geoquímica del agua subterránea. Secuencia de Chebotarev Las aguas subterráneas evolucionan desde las zonas de recarga a las zonas de descarga debido al conjunto de reacciones que las afectan en los acuíferos. Se suele observar una secuencia en la composición química que está acompañada de un aumento en la salinidad cuanto mayor es el tiempo de residencia (Secuencia de Chevotarev, 1955). 70