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Guía de Estudio para las Cá...
TEMA 1.a:
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1.a.4.

LA HIDROLOGÍA.........................................................................
Unidad 1

1-1

El agua es la sustancia mas
abundante en la tierra, el principal constituyente de todos los seres
vivos y u...
Unidad 1

1-2

pronóstico, obtención y utilización, atendiendo a los aspectos hidrológicos y ecológicos involucrados, como...
Unidad 1

1-3

Resulta importante en este último aspecto la realización de balances hídricos y el pronóstico de los
proces...
Unidad 1

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X

Disponibilidad ecológica ........ queda determinada por la calidad del agua y por el balance entre los e...
Unidad 1

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ante la problemática de contar con los datos básicos que le permitan dimensionar adecuadamente tanto las
ob...
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En realidad, la precisión de las soluciones hidrológicas no se halla tan alejada, como aparenta, de otros t...
Unidad 1

1-7

Estudio de la capacidades, más convenientes, que deben tener los embalses y las obras de
conducción, adecua...
Unidad 1

1-8

en forma continua. El concepto de ciclo hidrológico lleva implícita el movimiento o transferencia de las ma...
Unidad 1

1-9

Se puede suponer que el ciclo se inicia cuando una parte del vapor de agua de la atmósfera (proveniente a s...
Unidad 1

1-10

Concretando lo anterior, debe tenerse muy presente que aunque el concepto de ciclo hidrológico es simple, ...
Unidad 1

1-11

Cuando el hombre comenzó a distinguir los diversos elementos que constituían su entorno natural y sus
cara...
Unidad 1

1-12

en forma permanente por enfriamiento del aire atmosférico que penetra en los
poros y grietas de la capa su...
Unidad 1

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Dupuit-Thiem (1863, 1906), mientras que en 1889 se presentaba el principio del balance de las aguas
salina...
Unidad 1

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para análisis de frecuencias de datos hidrológicos, con lo que, conjuntamente con otros autores,
revitaliz...
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Guía de Estudio para las Cá...
TEMA 2.a: CLIMATOLOGÍA ......................................................................................................
2.f.3.iii. Variaciones Irregulares...........................................................................................
Unidad 2

2-1

Clima es una palabra griega (klima) que, etimológicamente, significa “inclinación”, aludiendo indudablement...
Unidad 2

2-2

Entre los factores que condicionan el clima de un lugar determinado, cabe citar:
a)

La latitud, que es el ...
Unidad 2

2-3

eventualmente otros elementos climáticos) son similares (no equivalentes) en cantidad, variación y
distribu...
Unidad 2

2-4

(Selva) y la Categoría 2 con dos subcategorías (Sabana y Bosque Lluvioso).
Cada una de ellas admite a su ve...
Unidad 2

2-5

Este investigador ha definido dos índices generales, el de precipitación efectiva PE y el de temperatura
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Unidad 2

2-6

Se utiliza como índice de humedad del suelo referida a un año, y está dado por:
P
50 * T

U

/4/
donde:

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En la producción y definición de las características de los microclimas, ejercen una influencia preponderan...
Unidad 2

2-8

elementos meteorológicos, los que a su vez definen su clima. Entre estos elementos se hallan: la radiación
...
Unidad 2

2-9

movimientos del aire,
, los que no sólo favorecen el traslado de las nubes, sino también la evaporación
del...
Unidad 2

2-10

b) Las grandes corrientes aéreas son casi horizontales, fuera de las perturbaciones locales, la componente...
Unidad 2

2-11

Convencionalmente se fija el límite de la atmósfera en 2 000 km.

La parte principal de la atmósfera la co...
Unidad 2

2-12

Esta atmósfera tipo ha sido definida con los siguientes parámetros:
X Temperatura ..................... 15...
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Libro hidrología

  1. 1. Un iv er sida d Naci ona l de C u yo F a c u lt a d d e In gen ier ía I ng en ie r ía C iv il Guía de Estudio para las Cátedras: Ing. Esp. Rubén VILLODAS
  2. 2. TEMA 1.a: 1.a.1. 1.a.2. 1.a.3. 1.a.4. LA HIDROLOGÍA.................................................................................................................................................. 1-1 DEFINICION ......................................................................................................................................................... 1-1 IMPORTANICA Y AMBITO DE APLICACIÓN ................................................................................................... 1-2 OFERTA Y DISPONIBILIDAD HÍDRICA............................................................................................................ 1-3 POTENCIAL HÍDRICO ......................................................................................................................................... 1-4 TEMA 1.b: LA INGENIERÍA HIDROLÓGICA......................................................................................................................... 1-4 TEMA 1.c: 1.c.1. 1.c.2. 1.c.3. EL CICLO HIDROLÓGICO ................................................................................................................................... 1-7 ESTADOS, LOCALIZACIÓN Y MOVIMIENTOS DEL AGUA............................................................................ 1-7 LA ACCIÓN ANTRÓPICA ..................................................................................................................................1-10 CANTIDADES DE AGUA EN EL MUNDO.......................................................................................................1-10 TEMA 1.d: DESARROLLO HISTÓRICO DE LA HIDROLOGÍA .........................................................................................1-10 Figura 1. El Ciclo Hidrológico.................................................................................................................................................... 1-8 Figura 2. Representación Esquemática del Ciclo Hidrológico.............................................................................................. 1-8
  3. 3. Unidad 1 1-1 El agua es la sustancia mas abundante en la tierra, el principal constituyente de todos los seres vivos y una fuerza importante que constantemente esta cambiando la superficie terrestre. Es también un factor clave en la climatización de nuestro planeta para la existencia humana y en la influencia en el progreso de la civilización. La hidrología, que cubre todas las fases del agua en la tierra (ciclo hidrológico), es una materia de gran importancia para el ser humano y su ambiente. Aplicaciones prácticas de la hidrología se encuentran en labores tales como: X diseño y operación de obras y/o estructuras hidráulicas (azudes, diques, presas, embalses, desagües, etc.) X diseño de obras viales (alcantarillas, puentes, etc.) X abastecimiento de agua potable, tratamiento y evacuación de aguas residuales X irrigación y drenaje de suelos X generación hidroeléctrica X estudios de disponibilidad hídrica y de sequías (escurrimientos nivales, pluviales, etc.) X manejo integral de crecientes (aluvionales, urbanas, fluviales, etc.) X navegación X erosión y control de sedimentos X estudios de impacto ambiental (control y disminución de la contaminación hídrica, salinidad, metales pesados, uso consuntivo, minería, etc.) X uso recreacional del agua X protección de la vida terrestre y acuática X sistemas de alerta temprana de inundaciones y catástrofes La hidrología puede definirse como la disciplina que trata de las propiedades, existencia, distribución y movimiento del agua sobre y debajo de la superficie de la tierra, sus conocimientos se aplican al uso y control de los recursos hídricos en los continentes del planeta Las aguas oceánicas son del dominio de la oceanografía y de las ciencias marinas. Oscar Edward Meinzer (1876-1948), a quien se conoce como el padre de la geohidrología moderna, definió a la hidrología como la ciencia interesada en la existencia del agua en la tierra, sus reacciones físicas y químicas con el resto de ésta y su relación con la vida sobre la misma. Englobando los conceptos anteriores, el Federal Council of Science and Technology for Scientific Hydrology de los Estados Unidos, expresó: El agua es un recurso natural renovable, siendo el elemento natural mas utilizado. El estudio aplicado de los recursos hídricos se centra en la determinación de las disponibilidades futuras de agua (oferta de agua) que se tendrán, en una región determinada y en un período dado de tiempo (ámbitos espacial y temporal), para un aprovechamiento de beneficio social, desde los puntos de vista de su Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II
  4. 4. Unidad 1 1-2 pronóstico, obtención y utilización, atendiendo a los aspectos hidrológicos y ecológicos involucrados, como así también a los condicionantes de tipo técnico/ingenieril, legales y económicos que limiten su uso. El agua desarrolla funciones básicas en casi todos los ámbitos de la vida, ya sea como alimento, parte constituyente de los organismos, elemento esencial en la fotosíntesis de los vegetales, medio de transporte, vehículo de energía, regulador de la energía en el balance térmico de la tierra y elemento modelador del paisaje. A los fines de prever una disponibilidad estable de agua a la población, industria y actividades agropecuarias, que resulte suficiente para satisfacer sus necesidades, por una parte, y brinde protección frente a los excesos, por otra, las disciplinas que se refieren al estudio del agua deben poder contestar, entre otras, las siguientes preguntas: 1) ¿Cuánta agua será requerida? La pregunta fundamental de la Planificación respecto a la evolución de las demandas futuras de agua para la población, industria, agricultura, ganadería, transporte, generación de energía, esparcimiento y otros usos, en los próximos años y en las próximas décadas, es de difícil respuesta, en virtud de que a los aspectos específicamente físicos que gobiernan la presencia y la circulación del agua en la superficie terrestre, es necesario añadir consideraciones de tipo social y ecológico, que deben ser tenidas en cuenta. 2) ¿De cuánta agua se dispondrá? Dado que la oferta de agua presenta una marcada variación en el tiempo (sucesión de períodos húmedos y secos, por una parte, y de escurrimientos altos y bajos con extremos también muy variables, por otra) y en el espacio (zonas húmedas y zonas áridas), resultan necesarios profundos y variados análisis de tipo hidrológico, para cuantificar esta variabilidad de la oferta en una región determinada, tanto en lo concerniente a las aguas superficiales como a las subterráneas. En tales análisis deben determinarse no sólo los valores medios, sino también los extremos. Mientras que las magnitudes de los caudales de crecida constituyen la base para el diseño de obras de atenuación y protección, los valores medios y los parciales acumulados en largos períodos de tiempo, se constituyen en los parámetros fundamentales para conocer las disponibilidades de agua y estudiar su regulación. Teniendo en cuenta que los escurrimientos futuros de agua no pueden conocerse con seguridad, el empleo de la Teoría de Probabilidades juega un rol muy importante en la hidrología. 3) ¿En qué estado se presentará el agua? El estado natural de los recursos hídricos constituye otro aspecto de fundamental consideración en los estudios que hacen a su aprovechamiento. Este estado natural se ve influenciado en gran medida por las descargas en los cauces de desechos y residuos producto de la actividad humana, que incorporan a las aguas tanto sustancias orgánicas como inorgánicas, como así también por la carga térmica, producto del vuelco de aguas de distinta temperatura. El estado futuro previsible en que se encontrará el agua debe ser evaluado tomando en consideración las urbanizaciones (siempre crecientes), la proyección de la industrialización de la áreas de influencia y los aportes de residuos químicos provenientes de las labores agrícolas. 4) ¿Cómo pueden usarse de la mejor manera los recursos hídricos 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 tiempo como en su estado de contaminación y además, por lo general, insuficiente, y paralelamente garantizar su uso para los diversos fines a que se la destina, resulta necesario contar con numerosas instalaciones y obras de ingeniería que hagan posible tal uso, complementando con las medidas operativas que permitan un manejo eficiente de tales instalaciones. Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II
  5. 5. Unidad 1 1-3 Resulta importante en este último aspecto la realización de balances hídricos y el pronóstico de los procesos hidrológicos. 5) ¿Qué medida deben adoptarse para la protección de los recursos hídricos? Los recursos hídricos, tanto superficiales como subterráneos, deben ser permanente y estrictamente vigilados a los efectos de protegerlos de su degradación, lo que requiere un amplio espectro de medidas de orden jurídico, económico, técnico y pedagógico. 6) ¿Quién puede utilizar el agua? El derecho al uso del agua debe ser cuidadosamente definido y respetado, sobre todo en aquellos ámbitos en que el recurso es escaso o en épocas de reducción de los aportes, quedando este aspecto a cargo de las Legislaciones de Aguas vigentes en cada región. La hidrología presta una notable y decisiva contribución en la respuesta a las preguntas formuladas, en especial en lo atinente al estudio de los recursos útiles disponibles, al análisis de los procesos hidrológicos involucrados y a las mediciones pertinentes, con sus correspondientes registros y evaluación de datos. Los recursos hídricos de una región determinada están constituidos por las disponibilidades y los potenciales naturales de sus aguas superficiales y subterráneas. Como se considera el agua dulce que, en el área considerada y en un intervalo de tiempo definido, aparece en forma de agua superficial y subterránea como componente del ciclo hidrológico de la atmósfera terrestre. Desde un punto de vista científico cabe distinguir, en relación con la cantidad de agua que brinda la naturaleza en un lugar dado, entre: X Oferta potencial de agua.... definida por la deferencia entre los valores medios (correspondientes a largos períodos de tiempo) de la precipitación y la evaporación X Oferta efectiva de agua ...... que corresponde a la diferencia entre la oferta potencial y los volúmenes de agua que escurren rápidamente durante la crecidas (o eventualmente exceden las capacidades y condiciones de almacenamiento de las cuencas subterráneas). X Oferta regulada de agua..... referida al agua disponible tras la materialización de obras y/o la adopción de medidas que propendan a lograr la regulación de los volúmenes naturalmente aportados. La posibilidad de utilización del agua existente, para una finalidad determinada, resulta de consideraciones ponderadas de tipo hidrológico, ecológico, técnico y económico. Así deben cuantificarse: X Disponibilidad hidrológica..... que se determina mediante análisis estocásticos de espacio-tiempo aplicados al ciclo hidrológico (incluyendo las pérdidas derivadas de la utilización del agua), considerando la ecuación del balance hídrico para el ámbito dado, en un lapso definido de tiempo. En forma simplificada se la puede consignar como un volumen total o caudal medio del que puede disponerse, con un determinado rango de seguridad y en un intervalo de tiempo dado (por ejemplo, caudal promedio en m3/s, que con una probabilidad del 80%, pueden aportar los recursos hídricos de la región en 30 días). Cabe observar que esta cantidad varía según la ubicación de dicho período en el año calendario y según el grado de probabilidad establecido. Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II
  6. 6. Unidad 1 1-4 X Disponibilidad ecológica ........ queda determinada por la calidad del agua y por el balance entre los efectos que para el ecosistema conlleva la extracción de agua que se efectúa y los beneficios que se derivan de su utilización. X Disponibilidad técnica ........... resulta de los trabajos y obras de ingeniería requeridos para la captación, conducción y acondicionamiento de las aguas, en ocasiones limitados o condicionados en cuanto a su posibilidad de construcción por razones topográficas, geotécnicas, de materiales de construcción disponibles, etc. Estas situaciones pueden variar a medida que la ingeniería va desarrollando nuevas tecnologías para superarlas. X Disponibilidad económica ..... queda caracterizada por la relación existente entre las inversiones totales que deben efectuarse para la materialización de un aprovechamiento y los beneficios que del mismo se esperan obtener. Del total de agua que constituye la oferta, la cantidad utilizable no es una fracción cuyo valor sea invariable, sino que puede irse modificando a medida que lo hacen los aspectos hidrológicos, ecológicos, económicos y técnicos involucrados. Así un emprendimiento que en determinado momento no resulta factible o conveniente puede serlo varios años después, o viceversa, si en su momento no se tomó la decisión de ejecutarlo. Los , por su parte, se refieren a las características propias inherentes a la presencia del recurso, que la naturaleza ofrece como servicios sin costo (la mayoría beneficiosos, si bien en ocasiones perjudiciales), y para cuya explotación se hace necesario, por lo general, la realización de las obra hidráulicas y de infraestructura necesarias. A los potenciales naturales presente en los recursos hídricos corresponden: X Potencial de autodepuración........ que se produce por medio de reacciones físico-quimicas y biológicas X Potencial de sostén biológico ....... por el cual las masas de agua sirven de sustento a diversas formas de vida animal y vegetal X Potencial ecológico......................... de las masas de agua como parte integrante de los ecosistemas X Potencial de transporte ................ consecuencia de las propiedades físicas del agua relativas a la flotación de los cuerpos X Potencial energético ...................... que permite la transformación de energía potencial en cinética y, en función de caudales y desniveles, la generación de energía eléctrica X Potencial recreativo ....................... para el ser humano X Potencial de las crecidas............... generalmente de consecuencias perjudiciales para las áreas inundables Dentro de la amplitud de los conceptos analizados en el apartado anterior, la se refiere a todos aquellos aspectos que atañen al diseño, dimensionado y operación de proyectos y obras de ingeniería destinados al uso y control del agua. Los límites entre la hidrología y otras ciencias de la tierra, tales como la meteorología, climatología oceanografía, geología, etc., son confusos, y no tiene objeto práctico el intentar definirlos rígidamente. De la misma forma, la distinción entre la ingeniería hidrológica y otras ramas de la hidrología aplicada es igualmente vaga, habiendo aportado muchos de estos últimos conceptos básicos que ahora se hallan definitivamente incorporados a aquella. La hidrología es utilizada en ingeniería principalmente en relación con el diseño y funcionamiento de estructuras y obras hidráulicas. Su objeto es el de dar respuesta adecuada al ingeniero cuando se encuentra Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II
  7. 7. Unidad 1 1-5 ante la problemática de contar con los datos básicos que le permitan dimensionar adecuadamente tanto las obras en su conjunto como sus diversos componentes. Las siguientes preguntas, son preguntas típicas que se espera deben ser respondidas por, o con ayuda de, un hidrólogo: ¿Qué caudales máximos pueden esperarse en el vertedero de una presa, en un colector de evacuación de crecidas o en la alcantarilla de una carretera? ¿Qué capacidad se requiere dar a un embalse para asegurar un suministro adecuado de agua para irrigación y otros usos, teniendo en cuenta las características propias del régimen hídrico del cauce, incluyendo sus períodos de sequías? ¿Qué efecto producen los embalses, las defensas de márgenes y otras obras de atenuación sobre las crecidas que se originan en os ríos 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 serán determinantes la notoria heterogeneidad que presenta la distribución de los recursos hídricos sobre la superficie terrestre, por una parte, y la variabilidad de los aportes en el tiempo que se observa en un mismo lugar, por otra. En virtud de ello, la hidrología debe versar sobre distintos tópicos, los que en su forma más amplia pueden abarcar: la recolección de datos los métodos de análisis de los mismos Disponer de datos básicos adecuados es esencial en todas las ciencias y la hidrología no constituye una excepción. De hecho, las características complejas de los procesos naturales que tienen relación con los fenómenos hídricos hacen difícil el tratamiento de muchos de los procesos hidrológicos mediante un razonamiento deductivo riguroso. No siempre es posible partir de una ley básica y determinar, con base en la misma, el resultado hidrológico que se requiere. En su lugar, es necesario partir de un conjunto de hechos observados, analizarlos, y con este análisis establecer las normas sistemáticas que gobiernan tales hechos. Así, el hidrólogo se encuentra en una difícil posición cuando no cuenta con los datos históricos adecuados para el área particular del problema. Resulta fundamental, al respecto, conocer la forma en que estos datos son recolectados y publicados, las limitaciones de precisión que ellos puedan tener y los métodos propios para su interpretación y ajuste. Los problemas típicos de hidrología implican cálculos de valores extremos que no se hallan presentes en una muestra de datos de corta duración, características hidrológicas en lugares en donde no se ha llevado a cabo recolección de información (lugares que son mucho más numerosos que aquellos de donde se dispones de datos), o cálculos de la acción humana sobre las características hidrológicas de un área. Generalmente cada problema hidrológico es único, en cuanto trata con un conjunto diferente de condiciones físicas dentro de una cuenca hidrográfica específica. Por lo tanto, las condiciones cuantitativas de un análisis no son siempre transferibles a otros problemas. Sin embargo, la solución general de la mayoría de los problemas puede desarrollarse a partir de la aplicación de unos pocos conceptos básicos relativamente tipificados. Los conocimientos de un ingeniero civil deben incluir estos conceptos y la forma en como deben aplicarse para resolver las fases especificas de un problema hidrológico determinado. Merece destacarse sobre el particular que la hidrología constituye una rama que difiere notoriamente de otras materias de la ingeniería. De acuerdo a lo expuesto, los fenómenos naturales con los cuales debe tratar la hidrología, no se prestan a los análisis rigurosos de la mecánica. Por esta razón, existe una mayor variedad de métodos, una mayor amplitud para la aplicación de criterios personales y una aparente falta de precisión en la determinación de los parámetros requeridos. Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II
  8. 8. Unidad 1 1-6 En realidad, la precisión de las soluciones hidrológicas no se halla tan alejada, como aparenta, de otros tipos de cálculo de la ingeniería, en los que la incertidumbre se oculta generalmente con el uso de coeficientes de seguridad, con procedimientos rígidamente estandarizados y con suposiciones más o menos aproximativas referentes a las propiedades de los materiales, introducidas, las mas de las veces, solo en pos de lograr soluciones que puedan ser desarrolladas con procedimientos matemáticos de resolución relativamente sencilla y generalizada. Resulta fundamental tener en cuenta al respecto que toas las obras hidráulicas deben ser dimensionadas en base a una planificación futura, no existiendo en consecuencia para el proyectista seguridad en cuanto a las condiciones a que quedarán sujetas las obras. El calculista de estructuras determina las cargas impuestas a las mismas, pero no cuenta con la seguridad de que tales cargas no serán excedidas, por ejemplo, o puede conocerse con certeza qué sobrecargas reales por viento o sismo podrán ejercerse sobre la estructura durante todo el tiempo que la misma se halle en servicio. Para tomar en consideración estas incertidumbres, efectuando consideraciones razonables, generalmente contenidas en los Códigos respectivos vigentes en las zonas en cuestión, utilizando coeficientes de seguridad adecuados. El ingeniero hidráulico, por el contrario, está mucho menos seguro de los escurrimientos que afectarán a su obra. Las incertidumbres hidrológicas no son de manera alguna las únicas que presenta el diseño hidráulico, porque las demandas futuras de agua, los beneficios y los costos, son también todos inciertos en determinado grado. Si embargo, un error serio en las estimaciones de los parámetros hidrológicos previstos o esperados, puede tener efectos devastadores sobre la economía del proyecto en su totalidad, o lo que es aún peor por sus consecuencias, sobre la estabilidad misma de las obras que lo componen. Dado que la secuencia exacta de los escurrimientos fluviales para los años futuros no puede predecirse, la ingeniería hidrológica debe plantear, y dar alguna respuesta, acerca de las variaciones probables de dichos escurrimientos y sus valores extremos, de modo tal que el diseño y del dimensionado de las obras, y sus partes componentes, pueda efectuarse basándose en un riesgo calculado. El análisis de los métodos para estimar la probabilidad de los eventos hidrológicos, y la utilización de estas probabilidades en los cálculos hidráulicos, constituye la finalidad primordial de la ingeniería hidrológica. A los fines de una mejor compresión de su importancia dentro de la ingeniería de las obras hidráulicas, un listado tentativo de los datos y estudios más usuales que, para el correcto diseño de aquellas, debe aportar la ingeniería hidrológica en particular y la hidrología en general, puede incluir, referido a las aguas superficiales, algunos de las siguientes: Estudio de los aportes naturales del cauce hídrico considerado, tanto en lo que hace a valores medios y extremos, como a su distribución temporal. Volumen total de agua aportada por una fuente (río, arroyo, etc.) en un período determinado de tiempo, a los efectos de compararlas con las demandas que presenta el aprovechamiento analizado. Caudal pico de la crecida máxima probable, para diversos tiempos de recurrencia, que puede producirse en el cauce principal considerado, atendiendo según corresponda, a sus posibles orígenes (nival, pluvial, etc.) Para toda la duración de la avenida, la distribución de los caudales en función del tiempo y el volumen total de agua aportada por la misma. Intervalo de repetición de las crecidas. Avance de las crecidas por los cauces principales. Características e intervalo de repetición de las sequías. Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II
  9. 9. Unidad 1 1-7 Estudio de la capacidades, más convenientes, que deben tener los embalses y las obras de conducción, adecuados tanto a las disponibilidades del recurso como a los insumos previstos, dentro de rangos económicamente factibles. Estudio de las características de los fenómenos de erosión, sedimentación e infiltración. Calidad de las aguas en general, y su salinidad, en particular. Delimitación de línea de ribera y localización de zonas inundables. Estudio del riesgo hídrico de márgenes y ordenamiento territorial asociado. Rotura de presas. Apoyo al estudio de los aspectos ecológicos y económicos involucrados. Medición y seguimiento de procesos de fusión nival y de glaciares. En muchos casos los estudios inherentes a un proyecto deben incluir los del agua subterránea, que en obras aisladas pueden limitarse a determinar el efecto de aquella en los métodos constructivos y disposiciones de proyecto a adoptar, mientras que en estudios integrales, corresponde que sean llevados a cabo con amplitud, dada la interrelación y complementación que debe existir entre las aguas superficiales y profundas, para la atención más racional y económica de las demandas de agua con fines de riego o de abastecimientos diversos (agua potable, industriales, etc.). En estos casos los estudios deberán abarcar, total o parcialmente: Estudio integral de las cuencas subterráneas. Calidad de las aguas. Estimación del volumen de agua subterránea disponible en condiciones normales de explotación. Características del escurrimiento subterráneo. Cantidad, ubicación y características de los acuíferos explotables, efectuando, de corresponder, la zonificación necesaria. Alimentación y recarga de acuíferos. Relaciones entre las aguas superficiales y subterráneas. Relevamiento de las perforaciones existentes en el área bajo estudio. Para cada perforación, de ser posible, deben recopilarse los siguientes datos: identificación, nombre del propietario, año de construcción, diámetro (o diámetros), tipo de bomba instalada, tipo de motor, potencia instalada, caudal obtenido y croquis de ubicación, que permita luego volcar en un mapa regional la totalidad de las perforaciones detectadas. Las Figura 1y Figura 2 presentan una simplificación de los procesos del sistema hidrológico general. En la tierra, el agua existe en un espacio llamado Hidrosfera, que se extiende aproximadamente comprendiendo la franja de los 15.000 metros inferiores de la atmósfera y los 1.000 metros superiores de la litosfera o corteza terrestre. En tal ámbito, aquella se encuentra en los tres estados físicos: sólido, líquido y gaseoso. El segundo estado es el que presenta mayor interés para la hidrología, ya que en esa forma está en la lluvia, en los ríos y lagos, en las aguas subterráneas de la zona saturada y buena parte de la zona no saturada, etc. De hecho, tanto en el lenguaje corriente como en el científico, la palabra agua, si no se indica otra cosa, se refiere al agua en estado líquido. En el estado sólido se presenta el agua en la naturaleza en forma de nieve, hielo y granizo. Por último, el vapor de agua es bastante abundante en las capas bajas de la atmósfera y en las capas más superficiales de la corteza terrestre. El agua circula en la hidrosfera a través de un laberinto de caminos, que conforman el , el que constituye el foco central de la hidrología. Este ciclo no tiene principio ni fin, y sus diversos procesos ocurren Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II
  10. 10. Unidad 1 1-8 en forma continua. El concepto de ciclo hidrológico lleva implícita 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. El movimiento permanente del ciclo se debe fundamentalmente a dos causas: la primera, el sol, que proporciona la energía 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. Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II
  11. 11. Unidad 1 1-9 Se puede suponer que el ciclo se inicia cuando una parte del vapor de agua de la atmósfera (proveniente a su vez de la evaporación desde los océanos y la superficie terrestre), se condensa y da origen a que inciden nuevamente sobre tales superficies. No toda la precipitación alcanza la superficie del terreno, ya que una parte se vuelve a evaporar durante su caída y otra es retenida ( ) por la vegetación o por las superficies de edificios, carreteras, etc., y devuelta a la atmósfera 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 ), y en buena parte retorna pronto a la atmósfera en forma de vapor. terreno ( Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequeños surcos, que luego se reúnen en arroyos y más tarde desembocan en los ríos ( ), agua que luego se dirigirá a lagos o al mar, de donde será evaporada o bien se infiltrará en el terreno. Por último existe una tercera fracción de la precipitación que penetra bajo la superficie del terreno ) a través de los agujeros o canalículos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio ( poroso. Una buena parte del agua infiltrada no desciende hasta la zona saturada del subsuelo o de , sino que es retenida en la zona no saturada o del suelo, de donde retorna a la atmósfera por o por la de las plantas. En la práctica no es fácil separar ambos fenómenos, por lo que se los suele considerar en forma conjunta, con el término de . El movimiento del agua a través del terreno se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la acción gravitatoria. En el movimiento del agua en la zona no saturada, otras fuerzas (especialmente la tensión superficial) pueden jugar un papel muy importante. En tales condiciones el agua puede discurrir a través del suelo en dirección sensiblemente horizontal o paralela a la superficie como y descargar en los ríos agregándose a la escorrentía superficial. Otra parte del agua infiltrada puede profundamente para recargar el agua subterránea, la que a su vez puede volver a la atmósfera por evapotranspiración, cuando el ancho de la zona no saturada ( ) es relativamente pequeña y aquella quede suficientemente próxima a la superficie del terreno. Otras veces, el agua subterránea pasa a engrosar el caudal de los ríos, alimentando directamente su cauce o a través de manantiales: en las zonas costeras estos manantiales, a veces, son submarinos. Si la precipitación cae en forma de nieve, quedará acumulada en estado sólido sobre el terreno, hasta que reciba suficiente calor para su fusión, por lo que, a los efectos hidrológicos, la precipitación en forma de nieve equivaldría a otra de lluvia que hubiese caído al tiempo de la fusión, descontando la cantidad de nieve que se evapora directamente. Excepto en áreas de escurrimiento endorreicas o interiores de las zonas áridas o semiáridas, resulta que la mayor parte de las aguas de la escorrentía directa y de la subterránea terminan en el mar, pudiendo considerarse por ello, que los océanos constituyen el punto final del ciclo hidrológico, pues de ellos vuelve a evaporarse el agua, para iniciar de nuevo todo el proceso. El ciclo hidrológico es un proceso continuo en el que, en su concepción más general, una partícula de agua evaporada del océano vuelve al mismo después de pasar por las etapas de precipitación y escorrentía superficial o subterránea. Sin embargo, a lo largo del ciclo puede haber múltiples cortocircuitos o ciclos menores; por ejemplo, una gota de lluvia caída sobre el continente podría recorrer indefinidamente el ciclo: lluvia-infiltración-evaporación-lluvia-infiltración, etc.; o, en forma análoga, una partícula de lluvia sobre el mar: lluvia-evaporación-lluvia-evaporación, etc. También hay que tener muy en cuenta que el movimiento del agua en el ciclo hidrológico se caracteriza por su irregularidad, tanto en el espacio como en el tiempo. Por ejemplo, en las regiones desérticas, la lluvia puede ocurrir en unos pocos días y no todos los años, sino sólo cada cierto número de ellos; en este caso, algunos elementos del ciclo hidrológico, como la infiltración y la evaporación, suelen ser casi tan irregulares como la lluvia, y la escorrentía superficial o subterránea son a veces, prácticamente inexistentes. Análogamente, tampoco se registra una correspondencia entre las regiones donde se produce la evaporación del agua y aquellas sobre las que luego incide la precipitación, como consecuencia del transporte del vapor de agua por las masas móviles de aire. Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II
  12. 12. Unidad 1 1-10 Concretando lo anterior, debe tenerse muy presente que aunque el concepto de ciclo hidrológico es simple, el fenómeno es sumamente complejo e intrincado. Aquél no es sólo grande, sino que está compuesto de muchos ciclos interrelacionados de extensión continental, regional y local. Aunque el volumen total de agua en el ciclo hidrológico global permanece sensiblemente constante, la distribución de esta agua está cambiando en forma continua en continentes, regiones y cuencas locales de drenaje. La hidrología de una región está determinada en forma fundamental por sus patrones de clima, tales como relieve, condiciones de la superficie y vegetación. También, a medida que la civilización progresa, las actividades humanas invaden gradualmente el medio ambiente natural del agua, alterando el equilibrio dinámico del ciclo hidrológico e iniciando nuevos procesos y eventos. Por ejemplo, hay teorías que afirman que debido a la quema de combustibles fósiles, la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera se está incrementando, lo que puede llevar al calentamiento de la tierra y tener efectos de largo alcance sobre la hidrología global. A nivel local, la acción del hombre va introduciendo cambios progresivamente importantes en el ciclo hidrológico de algunas regiones. Por ejemplo, los drenajes extensivos han hecho descender el nivel de la zona saturada y, paralelamente, se ha reducido la evapotranspiración y ha aumentado la aportación de la escorrentía subterránea a los ríos; la construcción de presas y canales de derivación modifica los regímenes naturales de escurrimiento de los ríos; la deforestación o la repoblación forestal pueden también modificar el régimen de crecidas de los ríos, pero no parece haber datos que permitan asegurar una modificación sustancial en su aportación media anual. El cálculo de la cantidad total de agua en la tierra y en las diversas fases del ciclo hidrológico ha sido tema de investigación científica desde la segunda mitad del siglo XIX. Sin embargo, la información cuantitativa es escasa, particularmente en los océanos, debido a lo cual las cantidades de agua presentes en varios componentes del ciclo hidrológico global no pueden asegurarse con precisión. 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 océanos, el 1.7% en los hielos polares, otro 1.7% como agua subterráneas y solamente el 0.1% restante compone los sistemas de agua superficial y atmosférica. Esta última, que constituye la fuerza motriz de la hidrología del agua superficial, tiene sólo 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 párrafo anterior, el 97.5% corresponde a aguas saladas y el 2.5% restante (unos 35.000.000 km3) a aguas dulces, de los cuales sólo el 0.006% está en los ríos (2.120 km3), mientras que el agua biológica, 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 atmosférico es tan pequeño, inmensas cantidades de agua pasan anualmente a través de ellos. La precipitación media anual que incide fuera de la océanos (o sea sobre superficie terrestre) se estima en 119.00 km3/año, equivalente a 800 mm/año, de los cuales el 61% (72.000 km3/año ó 484 mm/año) se consumen por evaporación, mientras que el 39% restante conforma la escorrentía hacia los océanos, principalmente como agua superficial. La ciencia de la hidrología, y su evolución, se halla íntimamente relacionada con el concepto de ciclo hidrológico. En una forma muy general, el desarrollo histórico de la hidrología puede ser estudiado a través de una serie de períodos. Dado que en varios casos tales períodos se solapan, los años que los limitan no deben ser tomados en forma estricta. 1) El período de la especulación (antigüedad – 1400) Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II
  13. 13. Unidad 1 1-11 Cuando el hombre comenzó a distinguir los diversos elementos que constituían su entorno natural y sus características, descubrió ya en remotas épocas, no sólo la vital importancia del agua y su utilización sino también las graves consecuencias de sus faltas y de sus excesos. Se ha descubierto así que ya 5.000 años atrás existieron culturas que desarrollaron importantes obras hidráulicas, a lo largo de los grandes ríos del Asia Menor y del Nilo Inferior. Estas construcciones tenían por objeto irrigación y drenaje, protección frente a crecidas y abastecimiento de agua, y de su concepción se desprende que quienes las diseñaron deben haber conocido ya sencillos principios hidrológicos. Sin embargo, las primeras mediciones hidrológicas no fueron llevadas a cabo con fines de aplicación. El dispositivo que hace 4.000 años medía los niveles del río Nilo sólo era accesible a los sacerdotes, los que, de acuerdo a los valores observados, fijaban el monto de los impuestos. En registros escritos que datan del año 400 a.C., relativos a temas de política y administración, se cita que las mediciones de precipitación eran tomadas como base para la fijación del impuesto a las tierras. Las civilizaciones asiáticas antiguas desarrollaron una línea de pensamiento independiente. Los chinos registraron observaciones de lluvias, nevisca, nieve y viento en el oráculo de huesos de Anyang hacia el año 1.200 a.C. Probablemente usaron pluviómetros alrededor del año 1.000 a.C. y establecieron una medición sistemática de lluvias alrededor del año 200 a.C. En la India, las primeras mediciones cuantitativas de lluvia datan de la segunda parte del siglo IV a.C. El concepto de ciclo hidrológico dinámico pudo haber surgido en China hacia el año 900 a.C., en la India hacia el año 400 a.C. y en Persia alrededor del siglo X, pero estas ideas tuvieron muy poco impacto sobre el pensamiento occidental. Basados en los conocimientos empíricos de las antiguas culturas del Asia Menor y de los egipcios, los filósofos griegos desarrollaron diversas hipótesis del ciclo hidrológico, que se hallaban sensiblemente influenciadas por dos fenómenos característicos de la región por ellos conocida: el caso del río Nilo y las zonas karsticas de Grecia, con sus oquedades y aguas subterráneas. Los egipcios no podían imaginar, dada la escasez de precipitaciones en su propio territorio, que en algún lugar éstas pudiesen ser suficientes para alimentar los grandes caudales del Nilo. Surgieron así tres hipótesis relativas al camino por medio del cual el agua reornaba al mar a través de ríos y arroyos: a) La hipótesis del ascenso del agua en el interior de la tierra firme. De acuerdo a esta teoría de Mileto (-639 a -545) y Platón (-428 a -347), el agua (“origen de todas las cosas”) se infiltraba desde el mar hacia la tierra, donde percolaba hacia el interior y ascendía, aflorando en las nacientes de ríos y arroyos, depurándose en aquél trayecto de las sales que contenía. b) La hipótesis meteorológica (Ciclo atmosférico). Esta teoría reconoce y describe correctamente diversos elementos del ciclo hidrológico. Según Anaximandro de Mileto (-610 a -547), “la lluvia proviene de la humedad, que el sol le quitó a la tierra”. Xenófanes estableció alrededor de 500 a.C., que la evaporación del agua del mar constituía la fuente principal de la humedad atmosférica y que los ríos eran alimentados por las lluvias. Anaxágoras de Clazomene (-500 a -428) ideó una versión primitiva del ciclo hidrológico. Creía que el sol evaporaba el agua del mar hacia la atmósfera, desde donde caía como lluvia, y formaba las reservas subterráneas, las cuales alimentaban los caudales de los ríos. Un avance en relación con esta teoría fue hecho por otro filósofo griego, Teofrasto (-372 a 287), quien describió en forma correcta el ciclo hidrológico en la atmósfera. Dio una explicación lógica de la formación de la precipitación por medio de la condensación y del congelamiento. c) La hipótesis de la transformación del aire en agua en el interior de la corteza terrestre. Fue formulada como una tercera hipótesis por Aristóteles (-384 a 322) en su obra Meteorologica, según la cual en la tierra se va formando agua Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II
  14. 14. Unidad 1 1-12 en forma permanente por enfriamiento del aire atmosférico que penetra en los poros y grietas de la capa superficial. Después de estudiar los trabajos de Teofrasto, el arquitecto e ingeniero romano Marco Vitruvio, quien vivió en la época de Cristo, concibió la teoría que se acepta hoy en día, extendió la explicación de Teofrasto al afirmar que el agua subterránea se deriva principalmente de la lluvia y la nieve infiltradas a través de la superficie del suelo. Esta puede considerarse como la precursora de la versión moderna del ciclo hidrológico. A pesar de ello, la hipótesis de Aristóteles fue considerada durante varios siglos como la mas veraz, y las correctas apreciaciones de Marco Vitruvio pasaron desapercibidas. 2) El período de observación (1400 a 1600) Cuando después de la Edad Media renacieron las ciencias, se produjo un cambio gradual desde los conceptos puramente filosóficos de hidrología hacia la ciencia observacional. Leonardo da Vinci (1452 a 1519) efectuó los primeros estudios sistemáticos de la distribución de velocidad en los ríos, utilizando una vara lastrada que se mantenía a flote por medio de una vejiga animal lastrada. Las 8.000 páginas de notas de Leonardo que se conservan contienen más referencias relacionadas con la hidráulica que con cualquier otra materia. El científico francés Bernard Palisay (1509 a 1589) demostró, aplicando los conceptos de la gravedad y de la condensación, que los ríos y manantiales se originan de la lluvia, refutando las antiguas teorías que sostenían que las corrientes eran alimentadas directamente por percolación de aguas de mar o por transformación de aire en el subsuelo. 3) El período de la medición (1600 a 1700) Puede considerarse que la ciencia de la hidrología, en su versión moderna, comenzó en el siglo XVII con las mediciones de los fenómenos involucrados. Así por ejemplo, el naturalista francés Pierre Perrault (1608 a 1680) estableció para una subcuenca del río Sena el balance hídrico de un año medio, según el cual: precipitación = escorrentía + “pérdidas”, llegando a la conclusión que las precipitaciones eran suficientes para alimentar los ríos. El físico Edmé Mariotte (1620 a 1684) verificó los cálculos de Perrault mediante mediciones de precipitaciones y caudales en el mismo río. El problema aún indefinido de las “pérdidas” fue resuelto por el astrónomo Edmond Halley (1656 a 1742), quien estimó experimentalmente valores para la evaporación desde superficies de agua, las que aplicó para calcular el balance hídrico del Mar Mediterráneo, lo que lo permitió demostrar que el agua evaporada era más que suficiente para asegurar los caudales de los ríos mediante precipitaciones. 4) El período de la experimentación (1700 a 1800) Durante el siglo XVIII los estudios de hidráulica experimental y su aplicación a los fenómenos hidrológicos, se tradujeron en un florecimiento de la hidrología, dando como resultado nuevos descubrimientos y una mejor comprensión de los principios hidráulicos. Notables ejemplos en tal sentido los constituyen el piezómetro de Bernoullí, el tubo de Pitot, el molinete de Woltman, los modelos en escala de Smeaton, el tubo de Borda, el principio de D’Alembert, el teorema de Bernoullí y la fórmula de Chézy; desarrollándose en general mejores instrumentos, entre ellos el pluviógrafo de cubeta basculante. Todos estos avances aceleraron grandemente el comienzo de los estudios hidrológicos realizados sobre una base cuantitativa. 5) El período de la modernización (1800 a 1900) El siglo XIX fue en muchos aspectos la gran era de la hidrología experimental que había comenzado con el precedente período de la experimentación, y se fue modernizando en forma tal que en esta época se cimentaron la mayoría de los principios de la hidrología moderna, Si bien el signo de la modernización puede observarse en numerosas contribuciones a la hidrología moderna, la mayoría de ellas lo fueron en el campo del agua subterránea y de la medición de las aguas superficiales. En el primero de los ámbitos mencionados, los conocimientos de la geología fueron aplicados por primera vez a problemas hidrológicos por William Smith, en Inglaterra. Se efectuó además la formulación de numerosas expresiones, tales como la ecuación de Hagen-Poiseuille para el flujo capilar (1839); la ley de Darcy relativa al flujo en medios porosos (1856); la fórmula de bombeo de pozos de Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II
  15. 15. Unidad 1 1-13 Dupuit-Thiem (1863, 1906), mientras que en 1889 se presentaba el principio del balance de las aguas salinas. En el campo de las aguas superficiales, la hidrometría experimentaba un notorio avance, incluyendo la formulación de numerosas expresiones para determinar el flujo en canales, el desarrollo de diversos dispositivos de medición y el comienzo del aforo sistemático en cauces importantes. El método racional para calcular las crecidas máximas fue propuesto por Thomas Mulvaney en 1850, Ganguillet y Kutter determinaron el coeficiente de Chézy en 1869 y Manning propuso su ecuación para el flujo en canales abiertos (1891). En noviembre de 1867 se organiza la primera medición internacional de los caudales de un río, en el Rhin. En otros aspectos, en 1802, John Dalton (1766 a 1844) fue el primero en reconocer la relación entre la evaporación y la tensión del vapor; y Rippl presentó su diagrama para determinar los requerimientos de almacenamiento (1883). Asimismo se introducen por primera vez importantes estudios hidrológicos en el proyecto de grandes obras hidráulicas. 6) El período del empirismo (1900 a 1930) Sin embargo, la hidrología cuantitativa todavía no estaba consolidada a principios del siglo XX. Al no conocerse suficientemente las bases físicas de la mayoría de las determinaciones hidrológicas cuantitativas ni haberse desarrollado aún suficientemente los programas de investigación, los hidrólogos e ingeniero debía recurrir a bases empíricas para poder resolver sus problemas prácticos. Así, durante la última parte del siglo XIX como todavía aproximadamente en los primeros 30 años del XX, el empirismo en hidrología se tornó más evidente, siendo propuestas por ejemplo, cientos de fórmulas de ese tipo para la solución de diversos problemas, resultando la selección de los valores de los coeficientes y parámetros intervinientes en las mismas (por lo general de un amplio rango de variabilidad) una cuestión de criterio personal. En la mayoría de los casos se llegaba, con estos métodos, a la obtención de resultados totalmente diferentes, según la fórmula y los coeficientes que se aplicaran, aunque hubiesen sido propuestas para idéntico fin. Como consecuencia de lo expuesto se observó al poco tiempo que las aproximaciones empíricas a la solución de problemas hidrológicos prácticos resultaba altamente insatisfactoria, se puso mayor énfasis en la investigación hidrológica y en el análisis racional de la información observada. Así, como primeros pasos, Green y Ampt (1911) desarrollaron un modelo físico para la infiltración y Hazen (1914) introdujo el análisis de frecuencia para el cálculo de crecidas máximas y los requerimientos de almacenamiento de agua. Paralelamente se fueron creando diversas agencias estatales en diversos países dedicadas parcial o específicamente a la hidrología, y a nivel internacional se comenzó, como un aspecto fundamental para el desarrollo de la hidrología y el conocimiento e inventario pleno de los recursos hídricos, con un trabajo integrado. El mismo tiene sus orígenes con la creación en 1922 de la International Association of Scientific Hydrology (IASH) y sus comisiones de aguas superficiales, aguas subterráneas, erosión continental, nieve y hielo, calidad del agua y sistemas de recursos hídricos. De cuestiones hidrológicas se ocupan asimismo (si bien fueron creadas con posterioridad), la Asociación Internacional para la Investigación Hidrológica (IAHR), la Asociación Internacional de Hidrogeólogos (IAH) y la Comisión Internacional de Irrigación y Drenaje (ICID). 7) El período de la racionalización (1930 a 1950) Durante este período aparecieron muchos grandes hidrólogos que emplearon análisis racionales en lugar del empirismo, para la resolución de los problemas hidrológicos. Así en 1931, Richards determinó la ecuación que gobierna el flujo no saturado, en 1932 Sherman efectúa un avance fundamental en hidrología con la introducción del uso del método del hidrograma unitario para transformar la precipitación efectiva en escorrentía directa; en 1933 Horton desarrolló la mejor aproximación lograda hasta la fecha para determinar los excedentes de precipitación en base a la teoría de infiltración y luego, en 1945 define una serie de relaciones que permiten una descripción de la forma de una cuencas de drenaje. Por otra parte, en 1941 Gumbel propuso el uso de una ley de distribución de valores extremos Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II
  16. 16. Unidad 1 1-14 para análisis de frecuencias de datos hidrológicos, con lo que, conjuntamente con otros autores, revitalizó el uso de las estadística en hidrología, que tiempo atrás había sido propuesto por Hazen. En 1944, Bernard jerarquiza el rol de la Meteorología, marcando así el comienzo de la ciencia de la hidrometeorología. Finalmente, en 1950 Einstein desarrolla la función que introduce el análisis teórico del transporte y sedimentación del material de arrastre de los ríos y Hurst (1951) demostró que las observaciones hidrológicas pueden exhibir secuencias para valores bajos o altos, que persisten a lo largo de muchos años. 8) El período de la teorización (1950 a la fecha) Desde alrededor de 1950, las aproximaciones teóricas han sido extensamente empleadas en la resolución de los problemas hidrológicos, como consecuencia de que muchos de los principios racionales propuestos pueden ser ahora formulados y resueltos mediante el análisis matemático. El vertiginoso avance da la computación ha sido aplicado también al planteo de delicados fenómenos de hidrología y a la resolución de las complicadas ecuaciones matemáticas resultantes de la aplicación de las modernas teorías hidrológicas. Independientemente de ello, el desprendimiento de la moderna mecánica de los fluidos de la hidráulica tradicional, ha ayudado también en gran medida a promover el desarrollo de la hidrología teórica. Ejemplos de estudios de hidrología teórica los constituyen los análisis lineales y no lineales de sistemas hidrológicos, la aplicación de conceptos estadísticos en la hidrodinámica de las aguas subterráneas, la aplicación de las teorías de transferencia de calor y de masas en los análisis de evaporación, estudios relativos a la energía y dinámica de la humedad del suelo, la generación secuencial de datos hidrológicos y el uso de la investigación operativa en el diseño de sistemas de aprovechamiento de los recursos hídricos. En la actualidad, el trabajo conjunto ente los distintos países en el campo de la hidrología es dirigido fundamentalmente por la UNESCO y la Organización Meteorológica Mundial (WMO). El Decenio Hidrológico Internacional (IHD), de 1965 a 1974 y su continuación a largo alcance en el Programa Hidrológico Internacional (IHP), brindó y brinda un valioso aporte para la formulación de trabajos integrados en el ámbito de la investigación hidrológica y la formación y capacitación de personal, con la meta de llevar a todos los países a la situación de conocer más cabalmente sus recursos hídricos, protegerlos y usarlos mas racionalmente. Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I / Hidrología II
  17. 17. Un iv er sida d Naci ona l de C u yo F a c u lt a d d e In gen ier ía I ng en ie r ía C iv il Guía de Estudio para las Cátedras: Ing. Esp. Rubén VILLODAS
  18. 18. TEMA 2.a: CLIMATOLOGÍA ................................................................................................................................................... 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. CLASIFICACIÓN................................................................................................................................................... 2-2 2.a.4.i. Macroclimatología ......................................................................................................................................... 2-3 2.a.4.ii. Microclimatología .......................................................................................................................................... 2-6 TEMA 2.b: METEOROLOGÍA ................................................................................................................................................. 2-7 2.b.1. DEFINICIÓN ......................................................................................................................................................... 2-8 2.b.1.i. El Tiempo Atmosférico ................................................................................................................................. 2-8 2.b.1.ii. El Ciclo Hidrológico y los Elementos del Tiempo ...................................................................................... 2-8 2.b.2. LA ATMÓSFERA .................................................................................................................................................. 2-9 2.b.2.i. Zonificación .................................................................................................................................................... 2-9 2.b.2.ii. Composición.................................................................................................................................................2-11 2.b.2.iii. Atmósfera Standard ...................................................................................................................................2-11 TEMA 2.c: LA RADIACIÓN SOLAR.....................................................................................................................................2-12 2.c.1. GENERALIDADES..............................................................................................................................................2-12 2.c.1.i. La Constante Solar......................................................................................................................................2-12 2.c.1.ii. Reflexión y Absorción..................................................................................................................................2-12 2.c.1.iii. Emisión .........................................................................................................................................................2-13 2.c.1.iv. Dispersión.....................................................................................................................................................2-14 2.c.2. LA RADIACIÓN NETA EN LA SUPERFICIE TERRESTRE.............................................................................2-14 2.c.3. UNIDADES .........................................................................................................................................................2-14 2.c.4. MEDICIÓN ..........................................................................................................................................................2-15 TEMA 2.d: CALOR.................................................................................................................................................................2-15 TEMA 2.e: TEMPERATURA.................................................................................................................................................2-16 2.e.1. DISTRIBUCIÓN GEOGRÁFICA.........................................................................................................................2-16 2.e.2. VARIACIONES PERIÓDICAS............................................................................................................................2-16 2.e.3. MEDICIÓN ..........................................................................................................................................................2-17 2.e.3.i. Termómetros ...............................................................................................................................................2-17 2.e.3.ii. Termógrafos .................................................................................................................................................2-17 2.e.4. PRESENTACIÓN DE DATOS TÉRMICOS.......................................................................................................2-17 2.e.4.i. Temperaturas Medias y Normales............................................................................................................2-18 2.e.4.ii. Grado-día ......................................................................................................................................................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 Térmico .............................................................................................................................................2-19 2.e.4.vi. Amplitud Diurna..........................................................................................................................................2-19 TEMA 2.f: LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA...........................................................................................................................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 Periódicas ................................................................................................................................2-20 2.f.3.ii. Variaciones Locales .....................................................................................................................................2-21
  19. 19. 2.f.3.iii. Variaciones Irregulares............................................................................................................................... 2-21 2.f.4. MEDICIÓN ......................................................................................................................................................... 2-21 2.f.4.i. Barómetros.................................................................................................................................................. 2-21 2.f.4.ii. Barógrafos ................................................................................................................................................... 2-23 2.f.5. MAPAS ISOBÁRICOS ...................................................................................................................................... 2-23 TEMA 2.g: 2.g.1. 2.g.2. 2.g.3. EJERCICIOS RESUELTOS ............................................................................................................................... 2-23 ÍNDICES CLIMATICOS..................................................................................................................................... 2-23 CICLO DIARIO DE TEMPERATURAS............................................................................................................. 2-24 CICLO ANUAL DE TEMPERATURAS............................................................................................................. 2-24 Figura 3. Balance de Radiación en la Superficie de un Cuerpo........................................................................................ 2-13 Figura 4. Ley de Variación: Presión Atmosférica vs Altura............................................................................................... 2-21 Figura 5. Barómetro de Mercurio y Barógrafo Aneroide .................................................................................................. 2-22 Figura 6. Termograma Diario................................................................................................................................................ 2-25 Figura 7. Termograma Anual ................................................................................................................................................ 2-25 Cuadro 1: Clasificación Macroclimática de Martone..............................................................................................................2-4 Cuadro 2: Clasificación Macroclimática de Thornthwaite .....................................................................................................2-5 Cuadro 3: Clasificación de Aridez de Knoche...........................................................................................................................2-5 Cuadro 4: Clasificación Macroclimática de Gasparín .............................................................................................................2-6 Cuadro 5: Clasificación Macroclimática de Blair.....................................................................................................................2-6 Cuadro 6: Est. Met. Aeropuerto Mendoza – Serie Horaria - Enero 2008 ...................................................................... 2-26
  20. 20. Unidad 2 2-1 Clima es una palabra griega (klima) que, etimológicamente, significa “inclinación”, aludiendo indudablemente a la inclinación del eje de la Tierra sobre el plano de la elíptica que sigue el planeta alrededor del sol. Históricamente es curioso señalar, como paralelamente al descubrimiento de esta inclinación del eje de la Tierra, aparecieron las primeras clasificaciones climatológicas. La más antigua de las que se tiene referencia fue establecida por Ptolomeo, quien diferenciaba 24 zonas climáticas en al Tierra. El criterio para separar unas de otros se fundaba en el sucesivo incremento de la duración del día. Ya en tiempos modernos, se publican diversas clasificaciones, establecidas por los geógrafos, de manera que puede decirse que la Climatología ha entrado en el capo de la Ciencia de la mano de la Geografía, tanto es así que los primeros estudios climatológicos se diferenciaban muy poco de los geográficos. Las primeras definiciones de “clima” se refirieron casi todas al estado medio de la atmósfera. Hann define el clima como Para Monn el clima es un . En las definiciones más recientes, es dable observar como los criterios puramente geográficos se van dejando de lado, entrando a pesar más los criterios biológicos. Así Thornthwaite presentó esta definición: . En cierto modo, al decir factores climáticos, implícitamente se incluye lo definido en la definición. Poncelet define el clima como . En las sucesivas definiciones, se han ido teniendo en cuenta cada vez más los factores biológicos, dándosele paralelamente mayor importancia a un concepto climatológico de gran interés: la evapotranspiración, la cual no es únicamente atribuible a las condiciones físicas de un lugar, sino que en ella intervine fundamentalmente la acción de los seres vivos. Finalmente la definición que hoy en día se debe admitir de Clima y que figura en las publicaciones oficiales de la Organización Meteorológica Mundial (OMM), es la siguiente: Al estudiar el clima se suelen considerar en él dos aspectos fundamentales o bien dos tipos de parámetros: factores y elementos: X Factores son aquellos aspectos físicos y geofísicos que condiciones el clima. X Elementos son cada uno de sus componentes, que no son otra cosa que las variables meteorológicas que lo determinan. Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I/Hidrología II
  21. 21. Unidad 2 2-2 Entre los factores que condicionan el clima de un lugar determinado, cabe citar: a) La latitud, que es el factor más importante, que condiciona la radiación solar. b) La altitud, pues disminuye con ella la temperatura, a la vez que se altera la radiación. c) La continentalidad, es decir la mayor o menor distancia de un lugar a los mares. d) La orografía, puesto que los cordones montañosos constituyen verdaderos muros de contención al flujo normal del aire. e) La orientación, de importancia en configuraciones de relieve complicado, relacionado con el punto anterior y la inclinación del terreno. f) La naturaleza propia del terreno. g) La vegetación, debiendo destacarse que existe una interacción mutua entre clima y vegetación, pues se condicionan recíprocamente. h) Regímenes de vientos en altura. Los elementos del clima están dados prácticamente por las variables meteorológicas del lugar considerado, en especial la radiación, la temperatura, la precipitación, la presión y los vientos, los valores medios y extremos que éstas toman y sus regímenes de variación. Para el estudio de la climatología deben utilizarse exhaustivamente los datos existentes, dado que al ser una ciencia descriptiva, trabaja con los valores surgidos de sus propias observaciones. La definición de clima de la OMM transcripta en el apartado 2.a.1, hacía referencia a “un período suficientemente largo”. En términos muy generales se ha establecido que un lapso de 30 a 35 años es suficiente para definir las variables climatológicas de un determinado lugar, dado que en el mismo se desarrollaría un ciclo meteorológico completo. Sin embargo, la extensión de la serie de datos debe ser variable, pues un período determinado puede ser suficiente para medir una variable e insuficiente para otra. Así por ejemplo, la variabilidad de la presión es francamente pequeña en la mayor parte de la Tierra (salvo Islandia y Siberia), bastando por consiguiente con unos pocos años de registros para elaborar una estadística de presión. No ocurre lo propio con la precipitación, que presenta una variabilidad sumamente grande, pudiendo variar de un año a otro del 300% al 400%, y no en el orden del 5% como ocurre con la presión. Esta situación se traduce en un significativo conflicto para el análisis estadístico, justamente en el fenómeno cuya evaluación es la que más interesa en la Ingeniería Hidrológica. Para la caracterización de la temperatura en un determinado lugar, dados los valores usuales y su variación, la serie de registros necesarios resulta menor que para el caso de las precipitaciones. Otro problema que presenta el análisis de las precipitaciones, es que su límite inferior puede ser cero y no tiene significado otro valor menor, no así las series de temperaturas, que siempre se hallan abiertas en ambos extremos. Tal circunstancia dificulta el estudio estadístico, el cálculo de las asimetrías, etc. El objetivo fundamental de la clasificación de los climas estriba en su comparación, con el fin de poder usar los datos hidrológicos en regiones distintas. En climas homogéneos, la temperatura y la precipitación (y Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I/Hidrología II
  22. 22. Unidad 2 2-3 eventualmente otros elementos climáticos) son similares (no equivalentes) en cantidad, variación y distribución. Así por ejemplo, el estudio comparativo de las cuencas, para las cuales son conocidos los valores medios anuales de pluviometría y erosión, ha permitido comprobar que en aquellas cuencas en que se presentaba una desigual repartición de las lluvias en el año, con una concentración de precipitaciones en un lapso relativamente corto del mismo, se producía una degradación específica elevada. Por el contrario, las cuencas con degradaciones específicas débiles predominan en climas cuya distribución anual de lluvias es más uniforme. Puesto que el clima es una compleja combinación de elementos, la que a su vez depende de una no menos compleja combinación de factores, resulta muy difícil intentar una clasificación satisfactoria y de aceptación unánime, de los variadísimos tipos climáticos que se presentan en la superficie terrestre. Sin embargo, si puede establecerse una primera clasificación o, para una mejor comprensión, una doble acepción conceptual, basada en el ámbito espacial del que se estudia el clima, y que responde a: “microclima” y “microclima”. Ambos términos definen por sí mismos el objetivo a alcanzar y su campo de utilización. Las primeras clasificaciones fueron establecidas con criterio puramente geográfico y posteriormente, fueron perfeccionándose al considerar los parámetros climatológicos en toda su amplitud. Dado que las clasificaciones generales abarcan la totalidad de los climas presente en la superficie terrestre, brindan su descripción y definen sus características, en el presente apartado se hará referencia detallada únicamente a los tipos climáticos que corresponden a la zona andina central de la República Argentina. Los restantes sólo serán mencionados, sin definir sus características. Martone, en función básicamente de la temperatura, la humedad y la situación continental, estableció seis tipos de climas: 1: Climas calurosos sin período seco o Climas Ecuatoriales 2: Climas calurosos con período seco o Climas Tropicales 3: Climas templados sin estación fría o Subtropicales 4: Climas templados con estación fría 5: Climas Desérticos. Son determinados en general por el relieve del suelo (condiciones orográficas especiales), como ser llanos rodeados de cordilleras que sirven de barrera a los vientos húmedos y a las lluvias. Se distinguen dos tipos: a b 6: Climas Desérticos Calurosos, con un total anual de lluvia inferior a los 250 mm, con distribución irregular, variación térmica anual muy fuerte en la situación continental y más débil en el tipo oceánico. Climas Desérticos Fríos, cuya diferencia con el anterior estriba en que aparte de contar con estación fría, dado que suelen registrarse en verano temperaturas elevadas, tienen una mayor amplitud anual. Climas Fríos con verano templado y climas fríos sin estación templada Una de las clasificaciones climatológicas más difundidas, es la establecida por Köppen, que basada en la temperatura y lluvias, establece 5 zonas, que a su vez dan lugar a 11 categorías, cada una con diversas variedades. Tal clasificación comprende: Zona A Tropical Lluviosa Universidad Nacional de Cuyo donde siempre la temperatura media de un mes es mayor de 18°C y la precipitación media anual es mayor de 750 mm. Comprende la Categoría 1 Facultad de Ingeniería Hidrología I/Hidrología II
  23. 23. Unidad 2 2-4 (Selva) y la Categoría 2 con dos subcategorías (Sabana y Bosque Lluvioso). Cada una de ellas admite a su vez varias subdivisiones. Zona B Seco con las siguientes categorías: Categoría 3 Estepa (BS), con tres subdivisiones: (i) BSs lluvias en invierno P<2T (ii) BSx (iii) BSw Categoría 4 lluvias irregulares P<2*(T+7) lluvias en verano P<2*(T+14) Desierto (BW), con tres subdivisiones: (i) BWs lluvias en invierno P<T (ii) BWx lluvias irregulares P<(T+7) (iii) BWw lluvias en verano P<(T+14) Zona C Templado Lluvioso con las siguientes Categorías: la 5 (de invierno seco, no riguroso), la 6 (de verano seco caluroso) y la 7 (de ambiente húmedo) Zona D Boreal que comprende la Categoría 8 (de invierno húmedo) y la 9 (de invierno seco frío). Zona E Nevado con la Categoría 10 (Tundra) y la 11 (Nieves Perpetuas y seco de alta montaña) Siendo:“T” la temperatura media del año, en °C, y “P” la precipitación media anual, en cm Diversos autores han propuesto una serie de índices para clasificar climatológicamente una región determinada, en forma genérica y en función de diversos parámetros meteorológicos. Tales índices son los más usados en la práctica de los estudios hidrológicos referidos a áreas específicas, especialmente para fines de implantaciones agrícolas. Se expresa por: IM /1/ P T 10 donde: T es la temperatura media del año, en C 1, y P es la precipitación anual, en mm . Según los valores de IM se tiene la siguiente clasificación: IM 0 5 5 a 10 Estepa desértica con posibilidad de cultivos bajo riego 10 a 20 Zonas de transición con escorrentías temporales 20 a 30 Escorrentía continua con posibilidad de cultivos sin riego 30 a 40 Escorrentía fuerte y continua que permite la existencia de bosques > 1 a 40 Exceso de escorrentía Entre barras Desierto se indican las magnitudes de los parámetros de cálculo en las fórmulas Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I/Hidrología II
  24. 24. Unidad 2 2-5 Este investigador ha definido dos índices generales, el de precipitación efectiva PE y el de temperatura efectiva TE , que responden a las siguientes expresiones: 12 /2/ PE i 1 2.82 * Pi 1.8 * Ti 22 10 9 ; TE 5.4 * T donde: T temperatura media del año, en C Pi precipitación mensual correspondiente al mes “i”, en mm Ti temperatura media mensual correspondiente al mes “i”, en C El significado, de acuerdo al valor de cada índice es: PE > 125 superhúmedo floresta acusad 65 a 125 húmedo floresta media 30 a 65 semihúmedo sabana 15 a 30 semiárido estepa 0 a 15 árido desierto TE > 125 macrotermal floresta tropical 65 a 125 mesotermal floresta media 30 a 65 microtermal floresta microtermal 15 a 30 taiga (frío) floresta de coníferas 0 a 15 tundra (frío) tundra (musgo) Se expresa por: /3/ IK n*P 100 * T 10 donde: T y P tienen la misma definición del índice anterior y n es el número de días de lluvia en el año. Para este índice y a escala anual, puede considerarse la siguiente clasificación: IK 0 25 Extrema 25 a 50 Severa 50 a 75 Normal 75 a 100 Moderada > Universidad Nacional de Cuyo a 100 Pequeña Facultad de Ingeniería Hidrología I/Hidrología II
  25. 25. Unidad 2 2-6 Se utiliza como índice de humedad del suelo referida a un año, y está dado por: P 50 * T U /4/ donde: T temperatura media del año, en C P precipitación anual, en mm U < 0.5 Muy seco 0.5 a 1.0 Seco 1.0 a 1.5 Húmedo > 1.5 Muy húmedo Está dado por: /5/ IB P donde: P precipitación anual, en mm IB 0 a 250 Árido 250 a 500 Semiárido 500 a 1000 Subhúmedo 1000 a 2000 Húmedo > 2000 Muy húmedo El microclima es el conjunto de condiciones climáticas que actúan efectivamente sobre los organismos en su hábitat natural y que difieren, a veces de modo considerable, del clima regional entendido en sentido geográfico. Un microclima afecta normalmente a un área limitada, pudiendo variar sus condiciones propias en distancias muy pequeñas. Las clasificaciones genéricas de climas, así como los índices que se calculan para una región, pueden no ajustarse a la realidad cuando se los aplica a áreas reducidas. Ello se debe a que los diversos factores que condicionan el clima, tales como relieve, orientación, altitud, naturaleza del suelo, vegetación, etc., ofrecen distintos matices, lo que origina, dentro de cada tipo general de clima, una infinidad de variedades localizadas. Es decir, las múltiples circunstancias locales condicionan el clima de un lugar, particularizándolo en diversos microclimas. Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I/Hidrología II
  26. 26. Unidad 2 2-7 En la producción y definición de las características de los microclimas, ejercen una influencia preponderante, las condiciones que presentan los accidentes de la superficie terrestre, en virtud de ello los microclimas se van debilitando hasta casi desaparecer en regiones muy elevadas sobre el nivel del mar, en donde sólo reina el clima zonal del lugar. La riqueza en microclimas aumenta con la abundancia de accidentes presentes en la superficie terrestre y, en consecuencia, el número de ellos puede ser apreciable en áreas serranas y montañosas, máxime se en ellas abundan, asimismo, elementos hidrográficos (ríos, lagos, etc.). Por el contrario, casi n existen microclimas en una región llana y, con mucha mayor razón, en un área marítima de alta mar. El aspecto de mayor incidencia a nivel de obras hidráulicas, lo constituyen los microclimas que pueden generarse como consecuencia de la construcción de presas y la consiguiente conformación de los embalses a que las mismas dan lugar, debiéndose por ello evaluar, en la fase de proyecto, las tendencias microclimáticas probables a que tenderá su zona de influencia, valorando los aspectos positivos y negativos de las mismas. La microclimatología, como disciplina científica, es bastante moderna. La inició, en 1911, el botánico Gregorio Kraus, cuando publicó sus detalladas observaciones meteorológicas y florísticas practicadas sobre un área muy limitada, y relacionó los hechos botánicos con dichas observaciones meteorológicas. Años más tarde, en 1927, R. Geiger ordenó los conocimientos recogidos sobre el tema en diversos países, publicando el primero de sus excelentes tratados sobre microclimatología. Los métodos de trabajo de la climatología clásica y los de la microclimatología, difieren en ciertos aspectos, que se pasan a puntualizar: a) Mientras que la climatología trata de establecer los valores absolutos de los diversos elementos del clima (lluvia, temperatura, humedad relativa, etc.), con la mayor exactitud posible mediante el análisis de largos períodos de registro a fin de obtener valores medios normales, el énfasis de la microclimatología no se pone tanto en establecer valores de este tipo sino en detectar las diferencias que existen entre microclimas vecinos, lo que se logra con suficiente seguridad por medio de series de observaciones muchísimo más cortas. En los tratados de Geiger son citadas muchas buenas investigaciones que duraron apenas alguna semanas, y aún a veces unos pocos días, en el verano y en el invierno. b) La climatología se basa en los registros meteorológicos, para los que los instrumentos de medición se instalan en forma fija, y que son leídos por el observador a horas determinadas del día. La microclimatología, por el contrario, usa instrumental instalado en forma transitoria y cuya lectura no se realiza en horas rigurosamente fijadas, empleándose además por lo general abundante instrumental, pues interesa delimitar el área que abarca el microclima, o en ocasiones, estudiar distintos microclimas en forma simultánea. A veces, para lograr el objetivo precedentemente mencionado, se usa instrumental portátil con que se recorre el área a estudiar. Este último precediendo es muy utilizado para estudiar los microclimas generados por las ciudades. Al efecto, se siguen itinerarios preestablecidos, de forma del que a intervalos regulares de tiempo (del orden de las horas), se vaya pasando por determinados puntos fijos, que sirven de control o testigo, para verificar como han evolucionado los fenómenos meteorológicos dentro del área estudiada. En ciudades muy extendidas puede detectarse la existencia de numerosos microclimas distintos. c) Mientras que la climatología, por lo general, no requiere instrumentos de gran sensibilidad, la microclimatología, usa frecuentemente instrumentos muy sensibles, pues trata de hallar diferencias, muchas veces pequeñas, entre microclimas vecinos. Las características hidrológicas de una región están determinadas por su estructura geomorfológica y geográfica y, en forma dominante, por los valores y variación con que en la misma se presentan los diversos Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I/Hidrología II
  27. 27. Unidad 2 2-8 elementos meteorológicos, los que a su vez definen su clima. Entre estos elementos se hallan: la radiación solar, la temperatura (relacionada directamente con la anterior), la humedad, los vientos y, en menor medida, la presión atmosférica. A todos estos debe agregarse la cantidad, distribución y tipo de las precipitaciones (las que por su importancia en los estudios hidrológicos serán tratadas en un capítulo independiente), como así también la existencia de hielo y nieve. Es obvio que para la comprensión y correcta aplicación de estas influencias en el planteo y resolución de los problemas de la Ingeniería Hidrológica, se deben poseer los conocimientos básicos relativos a los procesos meteorológicos que participan en aquellos y que determinan el clima de la región. En su acepción más general, puede definirse la Meteorología como la . Desde un punto de vista genérico, puede dividirse a esta disciplina en dos grandes ramas: una cuyo objetivo básico es el estudio de la física de la atmósfera, y la segunda, denominada Meteorología Práctica, que es la que presenta mayor interés a los fines de su aplicación en Hidrología y en Ingeniería Hidrológica. En meteorología se denomina “tiempo” al estado de la atmósfera en un lugar y en un momento determinados. Se lo describe en función de los llamados “elementos del tiempo” (radiación solar, temperatura, humedad, presión atmosférica y vientos), a los que se deben añadir las nubes presentes (en cantidad y tipo) y el nombre de los fenómenos especiales (meteoros) que tengan lugar en el instante de la observación (precipitaciones, tormentas, etc.). Los elementos del tiempo no deben ser considerados como entidades separadas, dado que se hallan estrechamente relacionados entre sí. Es importante recalcar los conceptos de “tiempo” y de “clima”. Como se vió, el clima queda definido por el conjunto de los valores que presentan los elementos del tiempo en una región a lo largo de un período de tiempo suficientemente largo, los que caracterizan el estado medio de la atmósfera en tal lugar. De la confrontación de ambos conceptos surge que el término tiempo se vincula siempre a un estado atmosférico transitorio (a veces de permanencia sumamente pequeña), que puede ser normal o no, para la región o lugar considerado, quedando definido por las observaciones realizadas en un instante determinado, mientras que para definir su clima deben emplearse datos promedio, que generalmente corresponden varias décadas de observaciones regulares y continuas. La es la fuente principal de energía de nuestro planeta y quien determina las características de todos los elementos del tiempo y del clima. En primer término la radiación solar suministra calor a la superficie terrestre; luego esta superficie se encarga de calentar el aire, determinando en él una cierta . Así pro ejemplo, se forman las en las zonas ecuatoriales y tropicales, y en la polares. Las masas de aire y el calor solar se combinan para favorecer la de agua en los mares, ríos, . áreas con cubierta vegetal y suelo húmedos. El vapor de agua así originado constituye la Cuando el vapor de agua sufre procesos de condensación (por efecto de un ascenso o de un enfriamiento), se (o en nieblas). Algunas nubes generan (lluvias, lloviznas, nieve, transforma en chaparrones, etc.), las cuales vuelven a aportar agua a los mares, ríos y suelos, así como a incrementar la humedad del aire. Por otra parte, las distintas masas de aire (frías y calientes), poseen diferentes peso y densidad, según su temperatura. En consecuencia, generan determinadas zonas de alta y baja , originando Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I/Hidrología II
  28. 28. Unidad 2 2-9 movimientos del aire, , los que no sólo favorecen el traslado de las nubes, sino también la evaporación del agua, el transporte de la humedad y el movimiento de las masas de aire. En resumen, el calor proveniente del sol es el único “combustible” que mueve a todo el engranaje atmosférico del tiempo y del clima terrestre. La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea completamente al globo terráqueo, unida a él por la acción de la gravedad. Se extiende verticalmente hacia el interior de la corteza terrestre y hacia el espacio exterior. Los límites son imprecisos; con un gran margen de amplitud, unos 60 km en el primer caso y de 500 a 600 km en el segundo. El tránsito de la atmósfera al espacio interplanetario se verifica de una manera muy gradual. La importancia de esta envoltura gaseosa queda puesta de manifiesto por el hecho que, sin la misma, la vida no sería posible en la Tierra, ni se producirían los fenómenos meteorológicos. Desde el punto de vista de la Hidrología, la atmósfera constituye simultáneamente: a) Un enorme que contiene, según las condiciones meteorológicas, zonas donde este vapor se convierte en microgotas de agua líquida o ínfimas partículas de hielo, que forman nieblas y nubes. Según las fluctuaciones del estado mecánico y termodinámico del medio ambiente, los elementos de esa fase condensada del agua se evaporan de nuevo o se aglomeran originando precipitaciones. b) Un vasto del agua atmosférica por encima de las tierras y los océanos, por medio de una red compleja y fluctuante de corrientes aéreas regulares o fortuitas. que absorbe selectivamente una pequeña parte de la radiación solar directa y c) Un gran una más amplia fracción de la redacción calórica indirecta, emitida por la tierra al ser calentada por el sol. Si no existiera la atmósfera, aquella alcanzaría durante el día temperaturas mayores a 95°C, mientras que durante la noche descendería aproximadamente a –180°C. El espesor de la atmósfera es teóricamente indefinido, pero desde el punto de vista de la Meteorología Práctica presentan interés prioritario los fenómenos que ocurren en la capa inferior, de unos 15 km de espesor. A la presión normal de 760 mmHg2, la masa de la atmósfera (alrededor de 10 toneladas por m2 de superficie), es del orden de 5x1015 toneladas, o sea casi la millonésima parte de la masa total del planeta. De ese total: los primeros 5 km encierran la mitad de la masa de la atmósfera los 10 primeros kilómetros contienen las ¾ partes los 20 primeros km, los 9/10. Las dimensiones horizontales de la atmósfera meteorológica son pues, en extremo grandes con relación a las verticales. En este espacio “muy plano” se produce que: a) Las variaciones de las magnitudes físicas son rápidas en dirección vertical y muy lentas en horizontal. Para la temperatura y la presión, los gradientes que siguen esas dos direcciones, están corrientemente en la relación de 1:1.000 y a veces, de hasta 1:10.000. 2 mmHg = milímetros de mercurio Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I/Hidrología II
  29. 29. Unidad 2 2-10 b) Las grandes corrientes aéreas son casi horizontales, fuera de las perturbaciones locales, la componente vertical media de los vientos, en altura, es del orden de 1/100 de la componente horizontal. Teniendo en cuenta las propiedades térmicas de la atmósfera, se pueden distinguir en la misma, cinco estratos principales superpuestos: 1) Troposfera.....Recibe esta denominación (literalmente “capa cambiante”), la zona atmosférica más próxima a la superficie terrestre, dentro de la cual se producen los principales fenómenos meteorológicos (nubes, frentes de tormenta, precipitaciones, vientos, etc.). Casi todo el vapor de agua y el polvo de la atmósfera se localizan en esta capa. En la troposfera la temperatura desciende conforme aumenta la altitud, llegando en el límite superior (denominado tropopausa), a un valor medio de –60°C. Dicho límite varía con la latitud del lugar y la época del año, ubicándose en términos generales a los 13 km en zonas templadas, 16 km en la franja ecuatorial y 8 km en las regiones polares. 2) Estratosfera..Esta capa se ubica sobre la anterior, extendiéndose hasta una altura del orden de los 40 km. En ella la temperatura se mantiene aproximadamente constante en el valor antes indicado, produciéndose en la misma, fuertes vientos horizontales y pequeñas corrientes verticales. En el límite superior de esta capa (la estratopausa), se produce un máximo localizado de temperatura, la que vuelve a alcanzar valores positivos, dando lugar a la denominada capa caliente, cuyo origen posiblemente se encuentra en la energía que de manera constante se desprende por la producción de destrucción de ozono. El incremento de la presencia de esta gas, cuya concentración máxima se produce entre los 20 y 30 km, tiene especial interés por dos razones: la primera, por actuar como pantalla de las letales radiaciones ultravioleta del sol y en segundo lugar, al absorber una parte apreciable de la radiación emitido por la tierra, contribuyendo al equilibrio térmico de la atmósfera interior. 3) Mesosfera .....Se extiende hasta la mesopausa (80 a 90 km de altitud), caracterizándose por una continua disminución de la temperatura, que llega hasta valores de –90°C. 4) Termosfera ...o Ionosfera. En esta zona la temperatura de las partículas vuelve a aumentar al altitud, llegando durante el día a alcanzar valores del orden de los 500°C, si bien la densidad de la materia gaseosa es ya tan débil que el concepto de temperatura es puramente matemático. En la Ionosfera se producen una serie de fenómenos físicos-químicos, aún poco conocidos, constituidos básicamente por la absorción de las radiaciones de onda corta del sol y la ionización de varios tipos de moléculas y átomos de gas atmosférico. Las ondas de radio son reflejadas por esta capa. El límite superior de la ionosfera (termopausa) puede ubicarse aproximadamente entre los 800 y 1.100 km. 5) Exosfera.........A partir del límite anteriormente indicado, da comienzo la exosfera, zona exterior, ilimitada de la atmósfera. Está constituida por átomos sueltos y aislados (con una concentración de menos de átomo por cm3), que va disminuyendo progresivamente hasta que se convierte en espacio interplanetario. Posiblemente la temperatura de estas partículas de aire, sea durante el día de unos 2.500°C, mientras que por la noche alcanzarían valores cercanos al cero absoluto. No se puede fijar una altura determinada a la atmósfera. Su densidad disminuye gradualmente desde la superficie y algunos fenómenos observados a por lo menos 800 km de altura (casos especiales de auroras boreales) muestran aún la existencia de atmósfera a esa distancia de la superficie terrestre. Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I/Hidrología II
  30. 30. Unidad 2 2-11 Convencionalmente se fija el límite de la atmósfera en 2 000 km. La parte principal de la atmósfera la constituye el aire, mezcla mecánica (no química) de diferentes gases, cuyos porcentajes expresados en volumen son aproximadamente los siguientes: ̇ Nitrógeno ...................................... 78.080 % ̇ Oxígeno ......................................... 20.950 % ̇ Argón............................................. 0.930 % ̇ Anhídrido Carbónico ................... 0.035 % ̇ Otros gases................................... 0.005 % El nitrógeno participa en el reciclado mediante las actividades humanas y por la acción de los microorganismos sobre los desperdicios animales. El oxígeno y el anhídrido carbónico son reciclados (en sentidos opuestos) por medio de la respiración de los animales y a acción de la fotosíntesis de las plantas; este último es también un producto de la combustión de los combustibles fósiles. El argón y los “otros gases” (neón, hidrógeno, helio, criptón, xenón, metano y otros) son inertes y carentes de importancia. En este grupo se incluye también al ozono (O3), producto de la escisión de la molécula de oxígeno (O2) en átomos individuales por la acción de la radiación solar, y que se unen a moléculas intactas. Las proporciones medias señaladas son prácticamente constantes hasta una altura de 18 a 20 km, variando luego, con predominio del hidrógeno por encima de los 100 km. Además de los componentes citados, existen otros, de los cuales el más importante es el vapor de agua, cuya proporción varía entre 0.05% y 2.5%, en peso, siendo su cantidad función del tiempo y del espacio, principalmente de la temperatura. A pesar de hallarse en la atmósfera en tan pequeña proporción, el vapor de agua es un elemento regulador de la temperatura (tiende a hacerla igual en los diferentes sitios) y su participación en el ciclo hidrológico es imprescindible, sin él sería imposible la vida en la Tierra. La composición de la atmósfera se completa con el denominado polvo o limo atmosférico, constituido por una diversidad de partículas sólidas que se mantienen en suspensión dentro de la misma. Su origen es orgánico en el caso de microorganismos, esporas de las plantas, hongos y bacterias, e inorgánicos para los humos, cenizas volcánicas, material muy fino de la superficie terrestre en suspensión y residuos de combustibles. A pesar de su gran cantidad, su proporción dentro de la masa de aire es, sin embargo, mínima, y el número y naturaleza de las partículas sólidas varía sensiblemente según se trate de lugares densamente poblados, campos, bosques, sitios elevados o situados en el mar, etc. La alta atmósfera está casi libre de este limo atmosférico. En numerosos problemas prácticos se emplea la , conocida internacionalmente por la sigla ISA, calculada sobre bases de aproximación suficientes y para condiciones medias normales, y que ha sido adoptada por el Comité Internacional de Navegación Aérea. Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I/Hidrología II
  31. 31. Unidad 2 2-12 Esta atmósfera tipo ha sido definida con los siguientes parámetros: X Temperatura ..................... 15°C X Presión ............................... 1 013.2 hectopascales X Cota .................................... a nivel del mar (0 msnm3) X Gradiente Térmico............ –6.5°C por cada 1 000 metros de altura, hasta los 11 km de altitud, por encima de la cual la temperatura se considera constante, con un valor de –56.5°C. Prácticamente toda la energía que produce y mantiene los movimientos y variaciones de la atmósfera llega del sol, en forma de radiación. En el sol, la energía radiante se genera a través de procesos en los que el hidrógeno, el elemento más simple se transforma en helio, por medio de reacciones nucleares de fisión. Lanzada a la velocidad de la luz, casi toda la radiación emitida se disipa en el espacio. Cada planeta recibe sólo una ínfima parte. Sobre la Tierra incide aproximadamente una media billonésima parte de la energía radiada por el sol. La longitud de onda de las radiaciones se mide en micrones (10-6 cm) o en ångström (1 Å = 10-10 m). Las ondas correspondientes a la radiación solar, en un 90%, representan un espectro de longitudes de onda comprendido dentro del rango de 0.2 a 2 micrones, o sea longitudes de ondas cortas. La luz solar visible se halla aproximadamente entre los 0.40 y los 0.75 micrones; por debajo se encuentra la radiación ultravioleta (de carácter químico) y por encima la infrarroja (de carácter térmico). La cantidad de energía que desde el sol llega al límite superior de la atmósfera terrestre, medida sobre una superficie orientada perpendicularmente a los rayos solares, cuando la Tierra se encuentra a su distancia media anual del Sol, se denomina Constante Solar y su valor medio más aceptado es de:4 /6/ 1.94 cal cm * min 2 1.94 Ly min Este valor es proporcional al cuadrado de la distancia del Sol a la Tierra, en el límite de la atmósfera y varía muy poco en el curso del año, pues la órbita de nuestro planeta es próxima a una circunferencia. Independientemente de ello, experimenta pequeñas variaciones periódicas del 1 al 2% y que se supone están relacionadas con los ciclos de actividad y de manchas solares. Cuando la radiación llega a una superficie, se “refleja” o se “absorbe”. La fracción reflejada se conoce con el (0 1). nombre de Por ejemplo: X una masa de agua profunda absorbe la mayor parte de la radiación que recibe ...... 0.06 X la nieve fresca refleja la mayor parte de la radiación recibida...................................... 0.90 En consecuencia: 3 msnm: metros sobre el nivel del mar 4 “Ly” es la magnitud de la Constante Solar, el “Langley” Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Hidrología I/Hidrología II

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