Ciclo hidrológico.

F. Javier Snchez San Romn--Dpto. Geologa--Univ. Salamanca (Espaa)(2015) http://web.usal.es/javisan/hidro . Pg. 1

El Ciclo Hidrolgico Historia

La idea del Ciclo Hidrolgico, que hoy nos parece tan intuitiva, durante siglos no fue comprendida por filsofos y cientficos, creyendo que el ciclo se realizaba al revs: el agua penetraba en la corteza desde el fondo de los ocanos, se almacenaba en la profundidad, probablemente en grandes cavernas, y ascenda despus por el calor de la Tierra hasta las partes altas de las montaas, surgiendo en las zonas de nacimiento de los ros. No crean posible que el caudal de un gran ro fuera producido exclusivamente por las lluvias y les maravillaba la existencia de manantiales en lugares topogrficamente elevados y con caudales relativamente constantes. Tales, Platn, Aristteles,... hasta Kepler (1571-1630) y Descartes (Principios de la Filosofa, 1644) no se limitaban con esbozar la idea del Ciclo al revs, sino que dedicaban largos textos a pormenorizar las diversas etapas del proceso. Lo ms complicado era explicar la prdida de la sal marina, pero para ello invocaban procesos similares a la destilacin.

Tambin hubo excepciones, como el arquitecto romano Vitrubio o Leonardo da Vinci que hablaron del ciclo tal como es.

La Hidrologa moderna nace con las experiencias de Perrault, Mariotte y Halley. Fueron los primeros hidrlogos empricos que basaron sus ideas en medidas y no en la especulacin.

En 1674 Pierre Perrault publica De lorigine des fontaines. Haba medido las precipitaciones de la cuenca alta del Sena y los aforos del ro, concluyendo que el volumen de las precipitaciones era seis veces superior a las aportaciones del ro. Mariotte, contemporneo de Perrault, repiti estos experimentos en un punto distinto de la cuenca del Sena, estudiando adems la infiltracin profunda del agua, y comprobando que el caudal de ciertos manantiales variaba de acuerdo con la oscilacin de las precipitaciones.

Faltaba por cuantificar la otra mitad del Ciclo: cmo era posible que del cielo cayera tanta agua. El astrnomo Halley (1656 - 1742) se interes por el fenmeno de la evaporacin porque se empaaban las lentes de sus telescopios. Realiz medidas y clculos concluyendo que el volumen de agua evaporado un da de verano del Mediterrneo era superior al volumen de agua que recibe de todos los ros que llegan l1.

El comienzo de la Hidrologa subterrnea como ciencia es mucho ms moderno. La primera ecuacin que explica el flujo a travs de un medio poroso (Ley de Darcy) data de 1857, y la ecuacin fundamental que cuantifica el comportamiento de las aguas subterrneas ante los bombeos es de 1935 (Theis). La relacin entre las formaciones geolgicas y las aguas subterrneas no

1 Este es un balance verdaderamente impreciso, hay que considerar las entradas desde el Atlntico. Al menos dej

constancia de que el volumen de agua evaporada de los mares era suficiente para explicar las lluvias.


adquiri cierta madurez hasta principios del siglo XX (hay que destacar a Meizner2, del Servicio Geolgico norteamericano).

Concepto Se denomina Ciclo Hidrolgico al movimiento general del agua, ascendente por evaporacin y

descendente primero por las precipitaciones y despus en forma de escorrenta superficial y subterrnea.

Sobre esta definicin tan simple podemos realizar algunas observaciones:

1) No es tan simple como El agua se evapora en el ocano y precipita sobre los continentes. Vemos en la figura adjunta que en ambos medios se produce evaporacin y precipitacin, aunque es cierto que la evaporacin predomina en el ocano y la precipitacin en los continentes

2) La escorrenta subterrnea es mucho ms lenta que la superficial. La lentitud (a veces inmovilidad) de la escorrenta subterrnea confiere al ciclo algunas caractersticas fundamentales, como que los ros continen con caudal mucho tiempo despus de las ltimas precipitaciones.

3) Las aguas subterrneas no son mas que una de las fases o etapas del ciclo del agua, no tienen ningn misterioso origen magmtico o profundo. A veces se olvida esta obviedad y se explotan las aguas de una regin como si nada tuvieran que ver con las precipitaciones o la escorrenta superficial, con resultados indeseables.

Una excepcin: Existen efectivamente surgencias de aguas que proceden del interior de la Tierra y nunca han estado en la superficie ni formado parte del Ciclo Hidrolgico. Pueden denominarse aguas juveniles y se trata de casos verdaderamente excepcionales. Las aguas termales, sulfuradas, etc. de los balnearios se demuestra mediante estudios isotpicos que son aguas metericas en la mayora de los casos.

Las aguas fsiles o congnitas son aquellas que quedaron atrapadas en la formacin de un sedimento. Otras aguas subterrneas que parecen ajenas al ciclo son las que aparecen en regiones desrticas. Son aguas

que se infiltraron hace decenas de miles de aos cuando esas mismas zonas desrticas no eran tales. Tanto estas como las aguas fsiles pertenecen al Ciclo Hidrolgico, pero han estado apartadas de l durante un periodo muy prolongado.

2 Meinzer, O.E. (1923).- The occurrence of ground water in the United States with a discussion of principles U. S.

Geological Survey Water Supply Paper 489, 321 pp.

Cuantificacin del ciclo hidrolgico a escala mundial (volmenes en km3/ao,

cifras de Price, 2003)


Fases del Ciclo Como se trata de un ciclo podramos considerar todas sus fases comenzando desde cualquier

punto, pero lo ms intuitivo puede ser comenzar en la Precipitacin y considerar qu caminos puede seguir el agua que cae sobre los continentes en las precipitaciones:

a) Evaporacin. Una parte se evapora desde la superficie del suelo (charcos) o si ha

quedado retenida sobre las hojas de los rboles. A este ltimo fenmeno se le denomina interceptacin, y en lluvias de corta duracin sobre zonas de bosque puede devolver a la atmsfera una gran parte del agua precipitada sin haber tocado el suelo.3

b) Infiltracin. El agua infiltrada puede, a su vez, seguir estos caminos: b1) Evaporacin. Se evapora desde el suelo hmedo, sin relacin con la posible vegetacin. b2) Transpiracin. Las races de las plantas absorben el agua infiltrada en el suelo, una

pequea parte es retenida para su crecimiento y la mayor parte es transpirada. La suma de b1) y b2) se estudia conjuntamente: es la evapotranspiracin

b3) Escorrenta subsuperficial o hipodrmica, (interflow), que tras un corto recorrido lateral antes de llegar a la superficie fretica acaba saliendo a la superficie

b4) Si no es evaporada ni atrapada por las races, la gravedad continuar llevndola hacia abajo, hasta la superficie fretica; all an puede ser atrapada por las races de las plantas freatofitas (chopos, lamos,...), de races muy profundas, y que a diferencia de otras plantas, buscan el agua del medio saturado.

b5) Finalmente, el agua restante da lugar a la escorrenta subterrnea. c) Escorrenta superficial . El agua de las precipitaciones que no es evaporada ni infiltrada,

escurre superficialmente. An le pueden suceder varias cosas:

3 En zonas de bosque se ha medido que la interceptacin habitualmente vara del 20 al 30%. En cuencas en las que ha

aumentado la superficie de bosque, se aprecia claramente una disminucin en la escorrenta (Martnez, J., 2006 en http://www.unizar.es/fnca/duero/docu/c11.pdf)

!

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c1) Parte es evaporada: desde la superficie de ros, lagos y embalses tambin se evapora una pequea parte4

c2) Otra parte puede quedar retenida como nieve o hielo o en lagos o embalses. (Escorrenta superficial diferida)

c3) Finalmente una parte importante es la escorrenta superficial rpida que sigue su camino hacia el mar.

En resumen, hemos visto que el agua precipitada puede: - sufrir Evaporacin y Evapotranspiracin (a, b1, b2, b4, c1) - escurrir superficialmente - constituir escorrenta subterrnea

Otros conceptos fundamentales son: Escorrenta Directa, la que llega a los cauces superficiales en un periodo de tiempo corto tras la

precipitacin, y que normalmente engloba la escorrenta superficial (c3) y la subsuperficial (b3). Son imposibles de distinguir: una gran parte de lo que parece escorrenta superficial (por el aumento de los caudales que sigue a las precipitaciones) ha estado infiltrada subsuperficialmente

Escorrenta Bsica, la que alimenta los cauces superficiales en los estiajes, durante los periodos sin precipitaciones, concepto que engloba la Escorrenta Subterrnea (b5) y la superficial diferida (c2)

Salidas del agua subterrnea. Ya hemos visto cmo continan su camino el agua evaporada y la escurrida superficialmente.

Para continuar con la visin del ciclo, nos queda slo resear cmo lo hace el agua subterrnea, la escorrenta subterrnea.

El agua que ha llegado a la zona saturada circular por el acufero siguiendo los gradientes hidrulicos regionales. Hasta que sale al exterior o es extrada su recorrido puede ser de unos metros o de bastantes kilmetros, durante un periodo de unos meses o de miles de aos. Esta salida al exterior puede ser por los siguientes caminos: - Ser extrada artificialmente, mediante pozos o sondeos. En zonas de topografa plana y

superficie fretica profunda, la extraccin por captaciones constituye casi la nica salida del agua subterrnea.

- Salir al exterior como manantial. Los contextos hidrogeolgicos que dan lugar a un manantial son variados, en figura adjunta se esquematiza slo uno de ellos.

- Evapotranspiracin, por plantas freatofitas o si la superficie fretica est prxima a la superficie. En laderas que cortan la superficie fretica se genera una abundante vegetacin.

4 Proporcionalmente pequea, si consideramos el total de una gran cuenca, pero puede ser muy importante en lugares

ridos que se abastecen con un embalse


- Alimentar un cauce subrepticiamente. Es normal que un ro aumente paulatinamente su caudal aguas abajo aunque no reciba afluentes superficiales.

- En zonas costeras: Afluye subterrneamente al mar. Esta prdida es necesaria para mantener estable la interfase agua dulce agua salada.

De todas ellas, exceptuando las

reas costeras, la ms importante es la salida hacia los cauces. En una regin con alternancia entre capas permeables y otras poco permeables (en la figura: confining beds) el flujo sera as:

Tomado de http://water.usgs.gov/pubs/circ/circ1139/

Relaciones entre aguas superficiales y subterrneas Esta afluencia de agua subterrnea a los ros no se produce siempre, en ocasiones el flujo es del

ro al acufero. Se denominan ros efluentes e influentes respectivamente (o ganadores y perdedores.

Cuando hace tiempo que no se producen precipitaciones sobre su cuenca, un ro puede continuar

llevando agua por las siguientes causas: - Nieve o hielo que se estn fundiendo - Almacenamiento superficial: lagos, embalses - Almacenamiento subterrneo: Acuferos

Tomado de http://water.usgs.gov/pubs/circ/circ1186


Para simplificar, pensemos en una cuenca sin las dos primeras causas, representada en la figura adjunta. Antes de producirse las precipitaciones, el caudal se iba agotando paulatinamente hasta que, al comenzar las precipitaciones, el caudal comienza a aumentar. En el instante t1 todo el caudal es debido a escorrenta bsica (en este caso, escorrenta subterrnea). En el instante t2, parte del caudal (lneas continuas) ser debido a la escorrenta bsica, y otra parte (rea de trazos) ser debida a la escorrenta directa.

Vemos, por tanto, que el conjunto de acuferos de una cuenca se comportan realmente como un

embalse subterrneo, ya que guardan el agua cuando hay exceso y la sueltan lentamente cuando no hay precipitaciones.

Balance Hdrico en una Cuenca Cuenca Hidrogrfica es la definida por la topografa, fcilmente delimitable sobre un mapa

topogrfico. Cuenca hidrogeolgica5 es un concepto que engloba tambin a las aguas subterrneas. Una cuenca hidrogrfica constituir tambin una cuenca hidrogeolgica cuando no existan trasvases apreciables de aguas subterrneas de una cuenca a otra, es decir, que podamos considerar que las divisorias topogrficas que dividen a la escorrenta superficial constituyen tambin divisorias de la escorrenta subterrnea entre cuencas adyacentes.

No es necesaria la presencia de fallas o estratos inclinados que provoquen el paso del agua subterrnea de una cuenca a la adyacente. En la figura (pg. siguiente) observamos que eso puede producirse con un subsuelo homogneo.

En cuencas pequeas habr que considerar con cuidado si la cuenca superficial lo es tambin de las aguas subterrneas. Para cuencas grandes (de ms de 1000 o 2000 km2) esto no se tiene en cuenta, y se considera la cuenca hidrogrfica tambin como cuenca de la escorrenta subterrnea.

5 Tambin podemos decir "cuenca hidrolgica" si queda claro en el contexto que nos estamos refiriendo a todas las

aguas (superficiales y subterrneas). "Cuenca hidrogrfica" o "cuenca topogrfica" se refiere a la escorrenta superficial.


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El periodo mnimo para establecer el balance hdrico es el ao hidrolgico (1 Sept-31 Ago 6); el

balance en un caso general sera: Entradas = Salidas + almacenamiento

Precip (+ Agua de otras cuencas) = ET + Esc. Sup + Esc Subt (+ Agua a otras cuencas) + almac. Si podemos considerar una cuenca cerrada:

Precip = ET + Esc. Sup. + Esc Subt. + almac. El trmino almacenamiento se refiere a que el volumen almacenado (acuferos, nieve,

embalses) en el momento inicial del periodo considerado puede ser diferente al volumen almacenado en el momento final. Esto siempre ser as si el periodo considerado es un ao hidrolgico. Pero si consideramos un periodo de muchos aos (en general se requieren ms de 20 aos) la ecuacin del balance se simplifica as:

Precip = ET + Escorrenta Sup. + Escorrenta Subt. Precip = ET + Escorrenta Total

Es decir, que para un periodo de varios aos, el volumen total de precipitaciones no evapotranspiradas ha de ser igual a la aportacin (volumen aportado) del ro en la desembocadura durante ese mismo periodo. Ntese que para un periodo largo estamos englobando la escorrenta superficial y la subterrnea, ya que sta es la que aliment al cauce en los periodos de estiaje y por tanto tambin es medida en la desembocadura del ro.

Ejemplo.- En una cuenca de 2400 km2 se han registrado los siguientes valores para un periodo de 30 aos: Precipitacin media anual = 780 mm, Aportacin media anual = 553 Hm3. Establecer el balance hdrico, evaluar la evapotranspiracin. Solucin: El valor de la aportacin incluye la escorrenta superficial y la escorrenta subterrnea (ver la figura 8c:, el caudal del ro se compone de ambas). Si repartimos uniformemente el volumen recogido de 553 Hm3 sobre la superficie de 3400 km2, se generara una lmina de agua cuya altura sera:

Altura lmina (mm) mmmm

m 230 23,010400210553 2 6

3 6

base

volumen

6 A veces se considera del 1 Octubre al 30 de Septiembre, aunque es ms lgico desde Septiembre, puesto que en este

mes comienzan las precipitaciones. Lgicamente esto vara en otras zonas del mundo.

%&'

(()*)


Por tanto, de la precipitacin de 780 mm se habran evapotranspirado: 780-230=550 mm Este clculo es correcto solamente porque los datos se refieren a la media de muchos aos y porque la superficie de la cuenca nos permite suponer que las transferencias con otras cuencas son despreciables (se considera as por encima de 1000 km2).

Para conocer el funcionamiento de una cuenca como unidad hidrogeolgica es necesario cuantificar su balance hdrico. Como trmino medio, para todas las cuencas espaolas, el resumen del balance hdrico presenta aproximadamente estos valores7: Precip = ET + Escorrenta Sup. + Escorrenta Subt. 686 mm. = 466 mm. + 163 mm. + 57 mm. 100 % = 68% + 24% + 8%

Tambin puede estudiarse el balance hdrico de un acufero concreto o de un sistema acufero (=conjunto de acuferos que se consideran conjuntamente). La ecuacin general (Entradas = Salidas + almacenamiento) es la misma que para la cuenca como unidad, pero en un acufero hay que considerar entradas y salidas desde y hacia otros acuferos, infiltracin o recarga artificial, bombeo, salida hacia los cauces o el mar, etc.

Recursos, reservas y sobreexplotacin Si explotamos el agua que se

puede renovar (considerando un periodo de unos aos) se dice que explotamos los recursos. Si utilizamos ms agua de la que puede renovarse, se dice que estamos explotando las reservas, y estamos produciendo sobreexplotacin. Los niveles del agua en los pozos cada ao se encuentran ms bajos.

Mantener inalterado el balance hdrico de una regin mantiene los ecosistemas en su estado natural, pero no nos permite evaluar la mxima explotacin de los recursos hdricos sin llegar a sobreexplotacin.

La evaluacin de los recursos hdricos de una zona en base al balance hdrico natural (previo a la explotacin) ha sido denominado el mito del balance hdrico (Water Budget Myth, Alley et al., 1999, pg. 15).

Una cierta sobreexplotacin inicial puede provocar un equilibrio distinto, pero que da lugar a un mejor aprovechamiento de los recursos hdricos, disminuyendo la ET, incrementando la infiltracin, y provocando la alimentacin de los acuferos a partir de los cauces superficiales.

Vemoslo con un ejemplo esquemtico (figuras en la pgina siguiente): En la primera figura se muestra un balance hdrico hipottico (en porcentajes, precipitaciones = 100) sin

explotacin . En la segunda figura, el comienzo de la explotacin de las aguas subterrneas ha aminorado la

evapotranspiracin, pero han disminuido la vegetacin y el caudal del ro. Finalmente en la tercera figura, con una mayor explotacin de los recursos subterrneos, el ro ha pasado

de efluente a influente, con un aumento de los efectos citados en la fase anterior:

7 Estrela, T. et al. (1999).- La evaluacin de los recursos hdricos en el Libro blanco del agua en Espaa. Ingeniera

del agua, 6.2: 125-138

+

,

+

,

-

.

/#0


12*3425

6 +,276

Precipitaciones (100) = ETR (84) + Escorr Sup (10) + Escorr Subt (6) Precipitaciones (100) = ETR (84) + Escorr Total (16)

Balance en condiciones naturales:

De los 100 que se reciben por precipitaciones, 84 se pierden como ET, 16 salen de la cuenca (Escorrenta total).

12*3425

+)27

8'2

Precipitaciones (100) = ETR (78)+ Escorr Sup (10) + Escorr Subt (3) + Bombeos (9) Precipitaciones (100) = ETR (78) + Escorr Total (13) + Bombeos (9)

Comienzan los bombeos:La superficie fretica

desciende. Esto provoca: a) La infiltracin aumenta

(de 10 a 12), ya que la humedad del suelo ha disminuido.

b) La ET disminuye: los rboles de largas races ya no toman agua bajo la superficie fretica, y la franja de la ribera ya no recibe alimentacin desde abajo.

b) La escorrenta subterrnea que alimenta el ro disminuye (de 6 a 3) ya que la pendiente de la superficie fretica es menor,

12*3425

6-

8'25

296

Precipitaciones (100) = ETR (78)+ Escorr Sup (10) + Escorr Subt (-6)+ Bombeos (18)Precipitaciones (100) = ETR (78) + Escorr Total (4) + Bombeos (18)

Bombeos ms intensos, el ro se hace influente:

Suponemos que la ET no ha disminuido, pero el ro ahora no se alimenta con parte de la escorrenta subterrnea, sino que l mismo pierde alimentando los acuferos

(El 18 asignado a los bombeos se

reincorporar posteriormente al ciclo: si son para uso agrcola acabar, en su mayor parte, como ET. Si el uso es urbano, pasar a la escorrenta superficial)


En el sencillo esquema de la

pgina anterior, hemos visto (3 figura) que mediante una sobreexplotacin inicial se ha conseguido explotar el 18% de las precipitaciones. Si se logra estabilizar ese nivel de explotacin, la evolucin de los niveles en un piezmetro sera como se indica en la figura.

Se habra conseguido una explotacin sostenible, aunque el precio que se ha debido pagar por ello ha sido la desaparicin de vegetacin y zonas hmedas y la disminucin del caudal del ro. Si ese precio es aceptable o no para los beneficios obtenidos, es una decisin en la que intervienen factores no cientficos.

Si se bombeara un volumen an mayor, lo nico que se conseguira es que la superficie fretica estuviera cada ao ms abajo y que el bombeo fuera ms costoso, y, al final, inviable.

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