Apuntes de Hidrologia e Hidrogeologia

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<p>A-PDF MERGER DEMO</p> <p>El Ciclo HidrolgicoHistoriaLa idea del Ciclo Hidrolgico, que hoy nos parece tan intuitiva, durante siglos no fue comprendida por filsofos y cientficos, creyendo que el ciclo se realizaba al revs: el agua penetraba en la corteza desde el fondo de los ocanos, se almacenaba en la profundidad, probablemente en grandes cavernas, y ascenda despus por el calor de la Tierra hasta las partes altas de las montaas, surgiendo en las zonas de nacimiento de los ros. No crean posible que el caudal de un gran ro fuera producido exclusivamente por las lluvias y les maravillaba la existencia de manantiales en lugares topogrficamente elevados y con caudales relativamente constantes. Tales, Platn, Aristteles,... hasta Kepler (1571-1630) y Descartes (Principios de la Filosofa, 1644) no se limitaban con esbozar la idea del Ciclo al revs, sino que dedicaban largos textos a pormenorizar las diversas etapas del proceso. Lo ms complicado era la prdida de la sal marina, pero para ello invocaban procesos similares a la destilacin. Tambin hubo excepciones, como el arquitecto romano Vitrubio o Leonardo da Vinci que hablaron del ciclo tal como es. La Hidrologa moderna nace con las experiencias de Perrault, Mariotte y Halley. Fueron los primeros hidrlogos empricos que basaron sus ideas en medidas y no en la especulacin. En 1674 Pierre Perrault publica De lorigine des fontaines. Haba medido las precipitaciones de la cuenca alta del Sena y los aforos del ro, concluyendo que el volumen de las precipitaciones era seis veces superior a las aportaciones del ro. Mariotte, contemporneo de Perrault, repiti estos experimentos en un punto distinto de la cuenca del Sena, estudiando adems la infiltracin profunda del agua, y comprobando que el caudal de ciertos manantiales variaba de acuerdo con la oscilacin de las precipitaciones. Faltaba por cuantificar la otra mitad del Ciclo: cmo era posible que del cielo cayera tanta agua. El astrnomo Halley se interes por el fenmeno de la evaporacin porque se empaaban las lentes de sus telescopios. Realiz medidas y clculos concluyendo que el volumen de agua evaporado un da de verano del Mediterrneo era superior al volumen de agua que recibe de todos los ros que llegan l1.</p> <p>Este es un balance verdaderamente impreciso, hay que considerar las entradas desde el Atlntico. Al menos dejo constancia de que el volumen de agua evaporada de los mares era suficiente para explicar las lluvias.F. Javier Snchez San Romn--Dpto. Geologa--Univ. Salamanca (Espaa) http://web.usal.es/javisan/hidro . Pg. 1</p> <p>1</p> <p>ConceptoSe denomina Ciclo Hidrolgico al movimiento general del agua, ascendente por evaporacin y descendente primero por las precipitaciones y despus en forma de escorrenta superficial y subterrnea. Sobre esta definicin tan simple podemos realizar algunas observaciones: 1) No es tan simple como El agua se evapora en el ocano y precipita sobre los continentes. Vemos en la figura adjunta que en ambos medios se produce evaporacin y precipitacin, aunque es cierto que la evaporacin predomina en el ocano y la precipitacin en los continentes</p> <p>Price, M. (1996) pg 15</p> <p>2) La escorrenta subterrnea es mucho ms lenta que la superficial. La lentitud (a veces inmovilidad) de la escorrenta subterrnea confiere al ciclo algunas caractersticas fundamentales, como que los ros continen con caudal mucho tiempo despus de las ltimas precipitaciones. 3) Las aguas subterrneas no son mas que una de las fases o etapas del ciclo del agua, no tienen ningn misterioso origen magmtico o profundo. A veces se olvida esta obviedad y se explotan las aguas de una regin como si nada tuvieran que ver con las precipitaciones o la escorrenta superficial, con resultados indeseables.Una excepcin: Existen efectivamente surgencias de aguas que proceden del interior de la Tierra y nunca han estado en la superficie ni formado parte del Ciclo Hidrolgico. Pueden denominarse aguas juveniles y se trata de casos verdaderamente excepcionales. Las aguas termales, sulfuradas, etc. de los balnearios se demuestra mediante estudios isotpicos que son aguas metericas en la mayora de los casos. Las aguas fsiles o congnitas son aquellas que quedaron atrapadas en la formacin de un sedimento. Otras aguas subterrneas que parecen ajenas al ciclo son las que aparecen en regiones desrticas. Son aguas que se infiltraron hace decenas de miles de aos cuando esas mismas zonas desrticas no eran tales. Tanto estas como las aguas fsiles pertenecen al Ciclo Hidrolgico, pero han estado apartadas de l durante un periodo muy prolongado.</p> <p>F. Javier Snchez San Romn--Dpto. Geologa--Univ. Salamanca (Espaa)</p> <p>http://web.usal.es/javisan/hidro</p> <p>. Pg. 2</p> <p>Fases del CicloComo se trata de un ciclo podramos considerar todas sus fases comenzando desde cualquier punto, pero lo ms intuitivo puede ser comenzar en la Precipitacin y considerar qu caminos puede seguir el agua que cae sobre los continentes en las precipitaciones:</p> <p>a) Evaporacin. Una parte se evapora desde la superficie del suelo (charcos) o si ha quedado retenida sobre las hojas de los rboles. A este ltimo fenmeno se le denomina intercepcin, y en lluvias de corta duracin sobre zonas de bosque puede devolver a la atmsfera una gran parte del agua precipitada sin haber tocado el suelo. b) Infiltracin. El agua infiltrada puede, a su vez, seguir estos caminos: b1) Evaporacin. Se evapora desde el suelo hmedo, sin relacin con la posible vegetacin. b2) Transpiracin. Las races de las plantas absorben el agua infiltradada en el suelo, una pequea parte es retenida para su crecimiento y la mayor parte es transpirada. La suma de b1) y b2) se estudia conjuntamente: es la evapotranspiracin b3) Escorrenta subsuperficial o hipodrmica, (interflow), que tras un corto recorrido lateral antes de llegar a la superficie fretica acaba saliendo a la superficie b4) Si no es evaporada ni atrapada por las races, la gravedad continuar llevndola hacia abajo, hasta la superficie fretica; all an puede ser atrapada por las races de las plantas freatofitas (chopos, lamos,...), de races muy profundas, y que a diferencia de otras plantas, buscan el agua del medio saturado. b5) Finalmente, el agua restante da lugar a la escorrenta subterrnea. c) Escorrenta superficial. El agua de las precipitaciones que no es evaporada ni infiltrada, escurre superficialmente. An le pueden suceder varias cosas: c1) Parte es evaporada: desde la superficie de ros, lagos y embalses tambin se evapora una pequea parte2</p> <p>Proporcionalmente pequea, si consideramos el total de una gran cuenca, pero puede ser muy importante en lugares ridos que se abastecen con un embalseF. Javier Snchez San Romn--Dpto. Geologa--Univ. Salamanca (Espaa) http://web.usal.es/javisan/hidro . Pg. 3</p> <p>2</p> <p>c2) Otra parte puede quedar retenida como nieve o hielo o en lagos o embalses. (Escorrenta superficial diferida) c3) Finalmente una parte importante es la escorrenta superficial rpida que sigue su camino hacia el mar. En resumen, hemos visto que el agua precipitada puede: - sufrir Evaporacin y Evapotranspiracin (a, b1, b2, b4, c1) - escurrir superficialmente - constituir escorrenta subterrnea Otros conceptos fundamentales son: Escorrenta Directa, la que llega a los cauces superficiales en un periodo de tiempo corto tras la precipitacin, y que normalmente engloba la escorrenta superficial (c3) y la subsuperficial (b3). Son imposibles de distinguir: una gran parte de lo que parece escorrenta superficial (por el aumento de los caudales que sigue a las precipitaciones) ha estado infiltrada subsuperficialmente Escorrenta Bsica, la que alimenta los cauces superficiales en los estiajes, durante los periodos sin precipitaciones, concepto que engloba la Escorrenta Subterrnea (b5) y la superficial diferida (c2)</p> <p>Salidas del agua subterrneaYa hemos visto cmo continan su camino el agua evaporada y la escurrida superficialmente. Para continuar con la visin del ciclo, nos queda slo resear cmo lo hace el agua subterrnea, la escorrenta subterrnea. El agua que ha llegado a la zona saturada circular por el acufero siguiendo los gradientes hidrulicos regionales. Hasta que sale al exterior o es extrada su recorrido puede ser de unos metros o de bastantes kilmetros, durante un periodo de unos meses o de miles de aos. Esta salida al exterior puede ser por los siguientes caminos: Ser extrado artificialmente, mediante pozos o sondeos. En zonas de topografa plana y superficie fretica profunda, la extraccin por captaciones constituye casi la nica salida del agua subterrnea. Salir al exterior como manantial. Los contextos hidrogeolgicos que dan lugar a un manantial son variados, en figura adjunta se esquematiza slo uno de ellos Evapotranspiracin, por plantas freatofitas o si la superficie fretica est prxima a la superficie. En laderas que cortan la superficie fretica se genera una abundante vegetacin Alimentar un cauce subrepticiamente. Es normal que un ro aumente paulatinamente su caudal aguas abajo aunque no reciba afluentes superficiales.</p> <p>-</p> <p>-</p> <p>F. Javier Snchez San Romn--Dpto. Geologa--Univ. Salamanca (Espaa)</p> <p>http://web.usal.es/javisan/hidro</p> <p>. Pg. 4</p> <p>-</p> <p>En zonas costeras: Afluye subterrneamente al mar. Esta prdida es necesaria para mantener estable la interfase agua dulce agua salada.</p> <p>De todas ellas, exceptuando las reas costeras, la ms importante es la salida hacia los cauces. En una regin con alternancia entre capas permeables y otras poco permeables (en la figura: confining beds) el flujo sera as: Esta afluencia de agua subterrnea a los ros no se produce siempre, en ocasiones el flujo es del ro al acufero. Se denominan ros efluentes e influentes respectivamente (o ganadores y perdedores.</p> <p>Tomado de http://water.usgs.gov/pubs/circ/circ1139/</p> <p>Tomado de http://water.usgs.gov/pubs/circ/circ1186</p> <p>Balance Hdrico en una CuencaCuenca Hidrogrfica es la definida por la topografa, fcilmente delimitable sobre un mapa topogrfico. Cuenca hidrogeolgica3 es un concepto que engloba tambin a las aguas subterrneas. Una cuenca hidrogrfica constituir tambin una cuenca hidrogeolgica cuando no existan trasvases apreciables de aguas subterrneas de una cuenca a otra, es decir, que podamos considerar que las divisorias topogrficas que dividen a la escorrenta superficial constituyen tambin divisorias de la escorrenta subterrnea entre cuencas adyacentes. Esto se cumple en general para cuencas grandes de ms de 1000 o 2000 km2. Para cuencas pequeas habra que considerar la hidrogeologa de la zona con cuidado Cuando hace tiempo que no se producen precipitaciones, un ro puede continuar llevando agua por las siguientes razones: Nieve o hielo que se estn fundiendo</p> <p>Tambin podemos decir "cuenca hidrolgica" si queda claro en el contexto que nos estamos refiriendo a todas las aguas (superficiales y subterrneas). "Cuenca hidrogrfica" o "cuenca topogrfica" se refiere a la escorrenta superficial.F. Javier Snchez San Romn--Dpto. Geologa--Univ. Salamanca (Espaa) http://web.usal.es/javisan/hidro . Pg. 5</p> <p>3</p> <p>-</p> <p>Almacenamiento superficial: lagos, embalses Almacenamiento subterrneo: Acuferos</p> <p>Para simplificar, pensemos en una cuenca sin las dos primeras causas, representada en el esquema adjunto. Antes de producirse las precipitaciones, el caudal se iba agotando paulatinamente hasta que, en el mismo instante que comienza la precipitacin, el caudal comienza a aumentar. En el instante t1 todo el caudal es debido a escorrenta bsica (en este caso, escorrenta subterrnea). En el instante t2, parte del caudal (lneas contnuas) ser debido a la escorrenta bsica, y otra parte (rea de trazos) ser debida a la escorrenta directa</p> <p>Con las mismas precipitaciones, el hidrograma resultante ser distinto segn se trate de una cuenca permeable con importantes acuferos, o de una cuenca impermeable, sin acuferos. Vemos, por tanto, que el conjunto de acuferos de una cuenca se comportan realmente como un embalse subterrneo, ya que guardan el agua cuando hay exceso y la sueltan lentamente cuando no hay precipitaciones. Por tanto, si consideramos una cuenca hidrogeolgicamente cerrada, y un periodo de varios aos, el volumen total de Precipitaciones no evapotranspiradas ha de ser igual a la aportacin (volumen aportado) del ro en la desembocadura durante ese mismo periodo. Efectivamente, para un periodo largo estamos integrando la escorrenta superficial y la subterrnea que aliment al cauce en los periodos de estiaje. Para un ao hidrolgico (1 Oct-30 Sept 4) el balance hdrico sera: Entradas = Salidas + almacenamiento Precip (+ Agua de otras cuencas) = ET + Esc. Sup + Esc Subt (+ Agua a otras cuencas) + almac. Si es una cuenca cerrada: Precip = ET + Esc. Sup + Esc Subt + almac.</p> <p>A veces se considera del 1 Septiembre al 31 de Agosto, lo que es ms lgico, puesto que en Septiembre comienzan las precipitaciones.F. Javier Snchez San Romn--Dpto. Geologa--Univ. Salamanca (Espaa) http://web.usal.es/javisan/hidro . Pg. 6</p> <p>4</p> <p>Y si, adems es para un periodo de ms de 20 aos: Precip = ET + Esc. Sup + Esc Subt Parece muy simple pero para conocer el funcionamiento de una cuenca como unidad hidrogeolgica es necesario cuantificar su balance hdrico. Como trmino medio, para todas las cuencas espaolas, la ltima ecuacin presenta aproximadamente estos valores: 670 mm. = 480 mm. + 130 mm. + 60 mm. 100 % = 72% + 19% + 9% Tambin se establece el balance hdrico de un acufero concreto o de un sistema acufero (=conjunto de acuferos que se consideran conjuntamente). La ecuacin general (Entradas = Salidas + almacenamiento) es la misma que para la cuenca como unidad, pero en un acufero hay que considerar entradas y salidas desde y hacia otros acuferos, infiltracin o recarga artificial, bombeo, salida hacia los cauces o el mar, etc.</p> <p>Recursos, reservas y sobreexplotacinSi explotamos el agua que se puede renovar (considerando un periodo de unos aos) se dice que explotamos los recursos. Si utilizamos ms agua de la que puede renovarse, se dice que estamos explotando las reservas, y estamos produciendo sobreexplotacin. Los niveles del agua en los pozos cada ao se encuentran ms bajos.Nivel del aguaSobre</p> <p>Nivel del agua</p> <p>explo</p> <p>taci</p> <p>n</p> <p>aos</p> <p>aos</p> <p>Invierno Verano</p> <p>Mantener inalterado el balance hdrico de una regin mantiene los ecosistemas en su estado natural, pero no nos permite evaluar la mxima explotacin de los recursos hdricos sin llegar a sobreexplotacin. La evaluacin de los recursos hdricos de una zona en base al balance hdrico natural (previo a la explotacin) ha sido denominado el mito del balance hdrico (Water Budget Myth, Alley et al., 1999, pg. 15). Una cierta sobreexplotacin inicial puede provocar un equilibrio distinto, pero que da lugar a un mejor aprovechamiento de los recursos hdricos, disminuyendo la ET, incrementando la infiltracin, y provocando la alimentacin de los acuferos a partir de los cauces superficiales. 5 Vemoslo con un ejemplo esquemtico:</p> <p>Lecturas imprescindibles sobre estos aspectos: Llamas, M. R.; N. Hernndez y Lus Martnez (2000).- El uso sostenib...</p>