Historia de la Hidrología:

El agua es esencial para la vida y su distribución y disponibilidad están asociadas

con el desarrollo de las sociedades humanas. Por esta razón, los estudios sobre

hidrología son, en cierto sentido, tan antiguos como las civilizaciones.

Biswas (1970) llega a situar el origen de la hidrología varios milenios antes de

Cristo. En la cuenca mediterránea, cuna de nuestra civilización, el interés por la gestión

de los recursos del agua es ancestral. Así, uno de los planes de irrigación más antiguos

que se conocen es el de la villa de Nippur en la Mesopotamia del siglo XIII a. C.

(Kazmann, 1971). En la Grecia clásica, Platón ya pone de manifiesto el papel del

bosque en la escorrentía (Poncet, 1968). No obstante la idea de que la lluvia podía ser el

origen de las aguas que circulan por los ríos tardó mucho en aparecer. Ciertamente la

dificultad de esta comprensión es más grande en un medio mediterráneo, puesto

que no se da una correlación simple entre precipitación y escorrentía. Tan difícil

resulta en estas condiciones relacionar los caudales de finales de junio con las lluvias de

invierno, como la ausencia de escorrentía permanente después de las lluvias de otoño.

En la antigüedad clásica e interés por el conocimiento de la localización y

magnitud de los recursos hídricos es bien notoria, así como la búsqueda de una

explicación a la ocurrencia de fuentes, ríos y al posible movimiento del agua en el

suelo. Así, para Platón el origen de ríos y fuentes es el océano homérico o

Tartarus, un gran pasaje subterráneo con ramificaciones que penetraban toda la tierra

hasta que salía al exterior por ríos y fuentes. Aristóteles creía que el agua de la

superficie era debida a la condensación del agua que contiene la tierra, es decir, a

que existen unos vapores subterráneos ascendentes. Sin embargo Aristóteles

explicó los mecanismos de la precipitación y Vitrubio, trescientos años más tarde,

comprendió el origen pluvial de las fuentes, al entender que el agua subterránea se

originaba en su mayor parte por la infiltración de la lluvia y la fusión de la nieve.

Otro aspecto a mencionar son los esfuerzos para tomar mediciones de caudales,

uno de los pilares donde se asienta la Hidrología. El primer instrumento que se conoce es

el utilizado para medir los niveles del Nilo, y consiste en columnas talladas

llamadas nilómetros en las que se registraron niveles de hasta 74,25 metros.

También se cuantificaron incrementos del lecho de 2,68 metros en 2800 años, lo que

significa una acumulación de sedimentos de 0,09 metros cada 100 años. El primer

nilómetro árabe se construyó en el año 715 en la isla de Roda y se tienen registros de los

niveles máximos y mínimos desde el año 641.

Leonardo Da Vinci (1452-1519) llevó a cabo multitud de observaciones de campo, las

cuales, si bien, fueron más cualitativas que cuantitativas, tiene ya visos de modernidad.

Intuyó, aunque algo confusamente, el ciclo hidrológico, y llegó a una comprensión

mucho mejor que cualquiera de sus predecesores o contemporáneos de los principios del

flujo del agua en los canales fluviales. Da Vinci tuvo dos conceptos del ciclo

hidrológico, uno correcto, el de la evaporación de mares y lagos formando nubes y su

posterior condensación, y otro incorrecto, que el agua fluye también desde el interior de la

tierra hasta las montañas y allí aparece a través de fisuras. Sin embargo adquirió un

conocimiento del flujo en canales abiertos mejor que ninguno de sus predecesores,

conocimiento basado en la observación y la medición.

Tenía un concepto claro del principio de continuidad, es decir, de que hay un mismo

volumen de agua en canales de diferente dimensión y que lo que varía es la

velocidad. Hizo observaciones sobre la distribución de la velocidad mediante un flotador

situado en el agua, un distanciómetro en tierra y cantando las escalas musicales para

medir el tiempo. También utilizó un nivel para medir la pendiente del río, tintes para

estudiar el movimiento turbulento del agua, y puntos de aforo fijos para facilitar las

observaciones de caudal. Estudió sistemáticamente las configuraciones del lecho y los

efectos de fricción. Observó experimentalmente la sedimentación detrás de obstáculos

y construyó canales de madera para detectar mejor los fenómenos hidrológicos.

Formuló teorías sobre la irrigación, el drenaje y el control de avenidas. Planeaba escribir

un libro sobre el agua que probablemente hubiese cambiado la historia de la Hidrología.

Pero fue el francés Bernard Palissy (1510-1590) quién intuyó, acertadamente, que

el origen único de fuentes y ríos era la infiltración y retorno en superficie del agua

de precipitación. Palissy era alfarero pero era un gran observador de la naturaleza

y se interesó por los problemas relacionados con el agua. Afirmó categóricamente

que los ríos no podían tener otro origen que el de la precipitación, rechazando la teoría de

los cambios en el nivel del mar y los túneles subterráneos por los que el agua ascendía

hasta las montañas. Comprendió el principio de los pozos artesianos de la llanura del Po,

es decir, su alimentación fluvial subterránea, y recomendó la forestación para prevenir la

erosión. Desgraciadamente sus trabajos. Lo mismo que los de Leonardo, no influyeron en

sus contemporáneos, todavía dominados por las ideas clásicas y religiosas

En la misma época la contribución de Jacques Bessonse centró en la comprensión del

ciclo hidrológico, afirmando que el agua de precipitación es suficiente para

mantener ríos y fuentes. Observó que el caudal decrece cuando baja la precipitación, y

afirmó que evaporación y precipitación son iguales en cantidad. Por otro lado, el

arquitecto Giovani Fontana de Medi llevó a cabo investigaciones sobre las crecidas del

Tiber en Roma, con mediciones sistemáticas y análisis del flujo de crecida. Propuso una

mejora de los canales de drenaje para evitar inundaciones.

No fue hasta cerca del final del siglo XVII cuando se formularon teorías plausibles

acerca del ciclo hidrológico basadas en pruebas empíricas. Los mayores avances se

deben al trabajo de tres hombres que llevaron a cabo investigaciones hidrológicas con

método científico, por lo que pueden muy bien ser considerados como los fundadores de

la Hidrología. Se trata de los franceses Perrault (1613-1688) y Mariotte (1620-1684), y el

inglés Halley (1656-1742).

Perrault, con sus estudios sobre la precipitación y caudal del Sena en París, demostró

que, contrariamente a lo que se había venido creyendo, la precipitación era más

que suficiente para alimentar el flujo fluvial y el de las fuentes, puesto que estimó

la pluviometría en la cuenca de París en 520 mm/año, mientras que el caudal del

Sena aguas abajo de París era de unos 100 mm/año. Es interesante destacar que el

estudio de Perrault, para probar su hipótesis de que sólo la lluvia era suficiente para

alimentar ríos y fuentes a lo largo del año, se realiza dentro del marco de una cuenca de

drenaje, en la que estima las entradas de agua procedente de las precipitaciones y mide

las salidas por el cauce, con lo que lleva a cabo el primer balance de agua. Sin embargo

considera las entradas por infiltración y por agua subterránea como fenómenos locales y

ocasionales.

La publicación póstuma en 1686 del “Traité du mouvement des eaux et des autres corps

fluides”, de Mariotte, traducido al inglés en 1718, influyó decisivamente al desarrollo de la

Hidráulica y la Hidrología. El libro trata de las varias propiedades de los cuerpos

fluidos, del origen de las fuentes, del equilibrio de los fluidos por su gravedad, del agua

corriente y su medición, de la altura y amplitud de las corrientes perpendiculares y

oblicuas, de la conducción de aguas y de la resistencia de las tuberías. De

especial interés en Hidrología es la parte dedicada al origen de las fuentes y a la

determinación de la velocidad y el caudal. Aporta pruebas experimentales (midió la

precipitación anual en Dijon durante tres años) de que el agua de lluvia es más que

suficiente para alimentar les fuentes, y de que el incremento o descenso del caudal

está relacionado con la precipitación. Explica en detalle como el agua procedente de la

lluvia se infiltra hasta llegar a un nivel subterráneo impermeable por el que circula

hasta que encuentra un punto de salida. Con relación a la determinación de la

velocidad del agua, utilizó flotadores como Leonardo, pero sugirió que estos fuesen

de cera para que se sumergieran, sin llegar a caer en el fondo, a fin de reducir

el efecto del viento en superficie. El tiempo de recorrido lo midió con un péndulo

de medio segundo. Usó flotadores interconectados para demostrar que la velocidad

variaba con la altura desde el fondo y estimó como velocidad media la que se registra a

dos tercios de la superficie.

Otro investigador importante en este periodo fue el astrónomo inglés Edmond Halley

(1656-1742), que experimentó con la evaporación para demostrar que producía

suficiente agua para generar la lluvia que alimenta el flujo de los ríos. Para determinar la

cantidad de agua que se evapora de los océanos tomó un recipiente de

dimensiones conocidas y lo llenó con agua, calentándola hasta alcanzar la temperatura

del mar en la época de verano. Al cabo de una hora midió de nuevo el agua y encontró

que se había perdido una cierta cantidad. Estimó después las dimensiones del

Mediterráneo y calculó en toneladas el agua que debía evaporarse en verano,

entendiendo que la evaluación era conservadora puesto que no había tenido en cuenta el

efecto del viento. Después estimó la cantidad de agua que llegaba al Mediterráneo a

través de sus grandes ríos, asumiendo que cada uno de ellos tenía un caudal diez veces

mayor que el del Támesis. Puesto que esta cantidad era superior a un tercio del total dela

pérdida por evaporación, probó que hay suficiente agua en el Mediterráneo para

alimentar a todos sus ríos. Determinó la evaporación para todos los meses del año

observando el nivel de agua de un recipiente o evaporímetro todos los días a la misma

hora. También trató el tema de los lagos y mares cerrados, llegando a la conclusión de

que su nivel crece por la aportación de los ríos hasta llegar al límite en que pierde por

evaporación lo que gana en agua fluvial.

Durante el siglo XVIII florecieron los experimentos que llevaron a descubrir tanto

instrumentos de medición (piezómetro de Benoulli, fórmula de Chézy) y modelos

(modelos a escala de Smeaton). Los escoceses Hutton (1726-1797), Playfair (1748-

1819) y Lyell (1797-1875) no sólo sientan los principios de la geología moderna sino que,

al entender la adecuación que existe entre losvalles fluviales y los caudales de los ríos,

contribuyen también a poner las bases de la ciencia hidrológica.

Dado que en Hidrología la estimación de la velocidad del agua es el punto clave de todo

estudio, el perfeccionamiento en los métodos de medición representa siempre un

hito decisivo. Por ello fue de gran importancia el tubo de Pitot (1695-1771). Este científico

francés utilizó dos tubos paralelos, uno recto y el otro doblado a 90º en un corto tramo

final, montados en un marco de madera. El instrumento se sumergía en el agua a

la profundidad deseada con el tubo doblado cara a la corriente. En aguas quietas

los niveles de agua de ambos tubos son iguales mientras que en aguas corrientes las

alturas difieren. Aunque su comprensión de las leyes físicas no era correcta el instrumento

fue muy útil.

El francés Antoine Chézy (1718-1798) tuvo a su cargo el proyecto de traer más agua a

París procedente del río Ivette, y se enfrentó al problema de determinar la sección y el

caudal adecuados. Para ello desarrolló una fórmula de cálculo, y para probarla condujo

dos experimentos en el canal de Compralat y en el Sena, en sectores rectos. La

velocidad se tomó con un flotador. La fórmula es las iguiente: v = √a/p, donde a es el área

de la sección, h es la pendiente y p el perímetro mojado. Sin embargo, el análisis y

fórmula de Chézy no se incluyeron en el informe, por lo que tardó mucho tiempo en ser

conocida. Du Buat (1738-1809) era de Normandía, y desarrollo varios principios de

hidráulica mediante un gran número de experimentos, hechos por orden del gobierno. Sus

trabajos fueron traducidos al alemán y al inglés. Razona, como Chézy, que la

resistencia es proporcional al cuadrado de la velocidad, v2/m, donde m es la constante de

proporcionalidad, que debía ser igual a la fuerza gravitacional en dirección del

flujo: v2/m = gS, o sea v2= mgS, donde ges la constante gravitacional y S la pendiente.

Pero finalmente propuso una ecuación muy complicada e incómoda de aplicar. Si bien la

importancia de las ecuaciones de Chézy y de Du Buates enorme, les faltaba el análisis de

condiciones diferentes a las de sus experimentos para ser realmente universales.

Después del innegable progreso que significó la etapa anterior, el conocimiento

hidrológico experimentó un notable crecimiento y con el siglo XIX llegaron los

comienzos de las mediciones sistemáticas del flujo fluvial, como en el caso del

Rin cerca de Basilea en 1809, del Tíber en Roma en 1825, del Garona en 1837, del Ohio

en 1838 y del Ebro en Tortosa en 1853. A nivel teórico se produjo, en 1889, la derivación,

por parte de Manning, de una fórmula universal para calcular la velocidad del agua

cuando no se dispone de mediciones, fórmula que sigue siendo utilizada hoy en día y que

es como sigue: (v = (R2/3. S1/2) / n), siendo v la velocidad, R el radio hidráulico, S la

pendiente y n el coeficiente de rugosidad, coeficiente que fue estimado empíricamente por

Manning.

En 1856 el francés Darcy, con su trabajo “Les fontaines publiques de la ville de Dijon”,

puso los fundamentos de la teoría del movimiento del agua subterránea, al

establecer experimentalmente la ley que rige el flujo de agua a través de arenas,

más tarde completada con la teoría sobre el flujo del agua en los pozos, y que significó

un notable avance en Hidrología subterránea. En esta misma época se publicaron

los primeros libros de texto sobre Hidrología, como el “Manual of Hidrology” de

Beardmore en 1852. Puede, entonces, muy bien decirse que este siglo fue la gran era de

la Hidrología experimental y, por tanto, el fundamento inmediato de la Hidrología científica

actual.

La primera mitad del siglo XX se caracteriza por ser un periodo de racionalización. En

1932 Sherman propuso que los hidrogramas se confeccionaran con relación a un

módulo, a fin de que fuesen todos comparables entresí a pesar de proceder de ríos con

caudales muy dispares. Esto represento un avance fundamental en la modelización de las

relaciones precipitación/escorrentía (Anderson y Burt, 1990). También se idearon muchas

fórmulas empíricas para la solución de varios problemas hidrológicos, pero en las que la

selección de coeficientes y parámetros dependía exclusivamente del juicio y experiencia

del investigador

Horton (1875-1945), ingeniero hidráulico, es considerado como el padre de la

hidrología en Estados Unidos. Abordó el problema de determinar la escorrentía

superficial y la erosión en las vertientes, basándose en la teoría de que la generación de

escorrentía dependía de que la intensidad la lluvia fuese superior a la capacidad

de infiltración de agua en el suelo (Horton, 1932). Otro hito importante en el desarrollo de

la Hidrología fue el establecimiento, con fines ecológicos del Laboratorio de Hidrología de

Coweeta, en Carolina del Norte, y de sus cuencas experimentales (Douglas y Hoover,

1988). Los datos recogidos en estas estaciones permitieron a Hewlett (1961) darse

cuenta de que, en climas húmedos con vertientes cubiertas por vegetación, la generación

de escorrentía no era de tipo hortoniano, sino que se producía con relación a la

circulación subsuperficial y a suelos saturados. Finalmente, Horton (1945) inicia la

morfometría, o sea, la descripción cuantitativa de las redes fluviales y establece

las relaciones entre sus parámetros principales, al considerar que las características

físicas de las cuencas eran importantes para la estimación de las características de

la escorrentía.

Desde el ámbito de la física de fluidos se llevan a cabo estudios sobre el

comportamiento del agua en el suelo, los cuales son luego aplicados a la

Hidrología (Sposito, 1987). El primer trabajo se debe a Buckingham (1905) y trata del

equilibrio y comportamiento del flujo del agua en el suelo, paralo cual define la tensión

capilar, y nota que en el suelo saturado debe ser cero. Más tarde Richards (1931) llevó a

cabo mediciones precisas de la conductividad hidráulica mediante el diseño y utilización

de tensiómetros. Con ello verificó experimentalmente la ley de flujos en medios porosos

de Buckingham y derivó la ecuación que es aun comúnmente aceptada para su cálculo.

Los avances conseguidos en la segunda mitad de nuestro siglo, que puede considerarse

como la edad de oro de la Hidrología, han sido y son muy grandes, tanto en el ámbito

teórico como en el práctico, especialmente gracias a trabajos llevados a cabo después de

la Segunda Guerra Mundial con relación a la predicción y control de avenidas,

irrigación, calidad de agua, etc. Las bases de estos avances se hallan en parte

en el desarrollo de instrumentos extraordinariamente sofisticados, tanto para la

medición como para el cálculo, con los cuales ha sido posible, por un lado, la

obtención de muchos datos hidrológicos en condiciones variables en el tiempo y en el

espacio, y por el otro, el tratamiento múltiple de estos datos y la resolución de ecuaciones

matemáticas complicadas.

Ramas de la Hidrología.

Hidrología química: estudio de las características químicas del agua.

Hidrología Física: estudia los fenómenos físicos asociados desde una orientación

determinada.

Ecohidrología: estudio de las interacciones entre los organismos vivos y el ciclo

hidrológico.

Hidrogeología: estudio de la presencia y movimiento del agua en acuíferos.

Hidroinformática: adaptación de la tecnología de la información a la hidrología y

sus aplicaciones a los recursos de agua.

Hidrometeorología: estudio de la transferencia de agua y energía entre las

superficies de tierra y agua y la atmósfera inferior.

Hidrología de isótopos: estudio de las firmas isotópicas del agua.

Hidrología superficial: estudio de los procesos hidrológicos que tienen lugar en la

superficie de la Tierra o cerca de ella.

Hidrología Estoestatica: estudia los fenómenos hidrológicos, como fenómenos

probabilísticos (eliminada las causas), basados en datos, experimentos y análisis

estadístico.

Ciencias en apoyo a la Hidrología.

La hidrología está muy relacionada con otras ciencias básicas tales como física, química,

biología, la geología, mecánica de fluidos, matemática, y estadística. Sin estas otras

ciencias la hidrología no tuviera ningún respaldo ni relevancia.

Ciclo biogeoquímico del agua.

Se denomina ciclo biogeoquímico al movimiento de cantidades masivas de carbono,

nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, calcio, sodio, azufre, fósforo, potasio, y otros elementos

entre los seres vivos y el ambiente (atmósfera, biomasa y sistemas acuáticos) mediante

una serie de procesos de producción y descomposición. En la biosfera la materia es

limitada de manera que su reciclaje es un punto clave en el mantenimiento de la vida en la

Tierra; de otro modo, los nutrientes se agotarían y la vida desaparecería.

Un elemento químico o molécula necesario para la vida de un organismo, se llama

nutriente o nutrimento. Los organismos vivos necesitan de 30 a 40 elementos químicos,

donde el número y tipos de estos elementos varía en cada especie. Los elementos

requeridos por los organismos en grandes cantidades se denominan:

1. Macronutrientes: Carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, fósforo, azufre, calcio,

magnesio y potasio. Estos elementos y sus compuestos constituyen el 97% de la

masa del cuerpo humano, y más de 95% de la masa de todos los organismos

2. Micronutrientes. Son los 30 ó más elementos requeridos en cantidades pequeñas

(hasta trazas): hierro, cobre, zinc, cloro, yodo.

La mayor parte de las sustancias químicas de la tierra no están en formas útiles

para los organismos. Pero, los elementos y sus compuestos necesarios como nutrientes,

son reciclados continuamente en formas complejas a través de las partes vivas y no vivas

de la biosfera, y convertidos en formas útiles por una combinación de procesos biológicos,

geológicos y químicos.

El ciclo de los nutrientes desde el biotopo (en la atmósfera, la hidrosfera y la

corteza de la tierra) hasta la biota, y viceversa, tiene lugar en los ciclos biogeoquímicos

(de bio: vida, geo: en la tierra), ciclos, activados directa o indirectamente por la energía

solar, incluyen los del carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre y del agua

(hidrológico). Así, una sustancia química puede ser parte de un organismo en un

momento y parte del ambiente del organismo en otro momento.

Balance Energético de la tierra

La atmósfera es clave en el mantenimiento del equilibrio entre la recepción de la radiación solar y la emisión

de radiación infrarroja. La atmósfera devuelve al espacio la misma energía que recibe del Sol. Esta acción de

equilibrio se llama balance energético de la Tierra y permite mantener la temperatura en un estrecho margen

que posibilita la vida. 

En un periodo de tiempo suficientemente largo el sistema climático debe estar en equilibrio, la radiación solar

entrante en la atmósfera está compensada por la radiación saliente. Pues si la radiación entrante fuese mayor

que la radiación saliente se produciría un calentamiento y lo contrario produciría un enfriamiento. Por tanto, en

equilibrio, la cantidad de radiación solar entrante en la atmósfera debe ser igual a la radiación solar reflejada

saliente más la radiación infrarroja térmica saliente. Toda alteración de este balance de radiación, ya sea por

causas naturales u originado por el hombre (antropógeno), es un forzamiento radiactivo y supone un cambio

de clima y del tiempo asociado. 

Los flujos de energía entrante y saliente se juntan en el sistema climático ocasionando muchos fenómenos

tanto en la atmósfera, como en el océano o en la tierra. Así la radiación entrante solar se puede dispersar en

la atmósfera o ser reflejada por las nubes y los aerosoles. La superficie terrestre puede reflejar o absorber la

energía solar que le llega. La energía solar de onda corta se transforma en la Tierra en calor. Esa energía no

se disipa, se encuentra como calor sensible o calor latente, se puede almacenar durante algún tiempo,

transportarse en varias formas, dando lugar a una gran variedad de tiempo y a fenómenos turbulentos en la

atmósfera o en el océano. Finalmente vuelve a ser emitida a la atmósfera como energía radiante de onda

larga. Un proceso importante del balance de calor es el efecto albedo, por el que algunos objetos reflejan más

energía solar que otros. Los objetos de colores claros, como las nubes o las superficies nevadas, reflejan más

energía, mientras que los objetos oscuros, como los océanos y los bosques, absorben más energía solar que

la que reflejan. Otro ejemplo de estos procesos es la energía solar que actúa en los océanos, la mayor parte

se consume en la evaporación del agua de mar, luego esta energía es liberada en la atmósfera cuando el

vapor de agua se condensa en lluvia.

La Tierra, como todo cuerpo caliente, superior al cero absoluto, emite radiación térmica, pero al ser

su temperatura mucho menor que la solar, emite radiación infrarroja por ser un cuerpo negro. La radiación

emitida depende de la temperatura del cuerpo. En el estudio del NCAR han concluido una oscilación anual

media entre 15.9°C en Julio y 12.2°C en Enero compensando los dos hemisferios, que se encuentran en

estaciones distintas y la parte terrestre que es de día con la que es de noche. Esta oscilación de temperatura

supone una radiación media anual emitida por la Tierra de 396 W/m2. 

La energía infrarroja emitida por la Tierra es atrapada en su mayor parte en la atmósfera y reenviada

de nuevo a la Tierra. Este fenómeno se llama Efecto Invernadero y garantiza las temperaturas templadas del

planeta. Según el estudio anterior de la NCAR, el Efecto Invernadero de la atmósfera hace retornar

nuevamente a la Tierra 333 W/m2. 

Globalmente la superficie de la Tierra absorbe energía solar por valor de 161 w/m2 y del Efecto

Invernadero de la Atmósfera recibe 333 w/m2, lo que suma 494 w/m2, como la superficie de la Tierra emite (o

dicho de otra manera pierde) un total de 493 w/m2 (que se desglosan en 17 w/m2 de calor sensible, 80 w/m2

de calor latente de la evaporación del agua y 396 w/m2 de energía infrarroja), supone una absorción neta de

calor de 0,9 w/m2, que en el tiempo actual está provocando el calentamiento de la Tierra.