Captulo 2 EL CICLO HIDROLGICO

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El ciclo hidrolgico es un proceso continuo en el que el agua de los ocanos es transportada a la atmsfera, despus a la tierra, para regresar luego al ocano. Hay muchos subciclos. La evaporacin del agua tierra adentro, su subsecuente precipitacin sobre la tierra y el retorno de esta agua al ocano son un ejemplo. La energa necesaria para este proceso es suministrada por el sol. El ciclo hidrolgico puede representarse esquemticamente segn la figura 2.1. El agua en la naturaleza sigue un movimiento cclico permanente de un sitio a otro, pasando por diversos estados: slido, lquido y gaseoso. El agua en estado lquido se encuentra en la atmsfera, lagos, mares, ros, lluvia y en el suelo y subsuelo. El agua en el suelo se distribuye de la manera siguiente: la zona ms cercana a la superficie constituye la zona denominada no-saturada, en la cual el agua se encuentra en los vacos o poros mezclada con aire, y est sometida principalmente a fuerzas de capilaridad; a partir de una cierta profundidad, el agua llena completamente los vacos del suelo siendo sta la llamada zona saturada, donde el queda sometida principalmente a fuerzas gravitacionales y a resistencias viscosas. Finalmente, el agua en estado slido se encuentra bajo las formas de nieve, hielo o granizo, y el agua en estado gaseoso la constituye el vapor de agua presente en la atmsfera. 2.1 DESCRIPCIN DEL MOVIMIENTO DEL AGUA El agua que se encuentra en la atmsfera en la forma de vapor se condensa en nubes, las cuales originan las precipitaciones (P) en forma de nieve, lluvia o granizo. Una parte de dichas precipitaciones se evapora antes de llegar a la

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FIGURA 2.1 El ciclo hidrolgico

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superficie y la otra cae al suelo por la accin de la gravedad. De esta ltima, una parte es interceptada por la vegetacin o por otras superficies y luego se evapora igualmente, la otra entra en contacto directo con el suelo o con las extensiones de agua libre (lagos y mares principalmente). Aquella que cae al suelo puede alimentar la red hidrogrfica directamente (escorrenta superficial), almacenarse en algunas partes de la superficie (almacenamiento superficial) o penetrar en el suelo y subsuelo (infiltracin) para de esta manera alimentar las reservas de las capas acuferas. La energa calorfica proveniente del sol evapora parte del agua que est en las superficies libres (lagos, mares, etc.), en la red hidrogrfica y en la superficie del suelo. De igual manera una parte del agua que est en la zona no-saturada del suelo se evapora directamente o se absorbe por las plantas, las cuales a su vez la devuelven a la atmsfera en forma de vapor, mediante el mecanismo de transpiracin. Estos fenmenos son generalmente designados con el trmino de evapotranspiracin. En cuanto al agua que se ha infiltrado en las zonas ms profundas de la corteza terrestre y que alimenta las capas acuferas, puede pasar a alimentar el flujo de los ros, o retornar directamente a los mares a causa de la percolacin, para reiniciar de nuevo el ciclo. De la anterior descripcin se desprende lo siguiente: Las fuentes principales de energa que mueven el ciclo del agua a travs de

sus diferentes fases son la energa calorfica proveniente del sol y la energa gravitacional.

Las fases del ciclo son las siguientes: Precipitacin (P) Evapotranspiracin (ET) Escorrenta superficial (ESD) Infiltracin (I) En el desarrollo de estos procesos el agua se encuentra, como ya se anot, en diferentes estados y en distintos almacenamientos. As una partcula de agua que d el ciclo completo y que se encuentra en el ocano pasa, en razn de la

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evaporacin, a la atmsfera, despus de un cierto tiempo se condensa y cae a la superficie bajo la forma de lluvia y luego, como escorrenta superficial o subterrnea, puede volver al mar. Sin embargo no necesariamente en una cuenca, ante una lluvia, se presentan simultneamente todas las fases del ciclo: por ejemplo, en un terreno muy pendiente e impermeable , la escorrenta superficial puede ser la nica fase que se presente durante el evento de lluvia, y la evapotranspiracin e infiltracin pueden ser insignificantes frente a sta. Aunque el examen del ciclo hidrolgico puede dar la impresin de ser un mecanismo continuo por medio del cual el agua se mueve permanentemente a una tasa constante, esta impresin debe ser descartada. El movimiento del agua durante las diferentes fases del ciclo es errtico tanto en el tiempo como en el espacio. Este comportamiento es el que exige la aplicacin de la estadstica y del anlisis estocstico a las series de tiempo resultantes del ciclo hidrolgico. Para estudiar cada parte o subciclo es importante tener claro el concepto de sistema. Segn Dodge(1973), un sistema es cualquier estructura, esquema, mecanismo o procedimiento real o abstracto que interrelaciona, en un tiempo de referencia dado, una entrada, causa o estmulo de materia, energa o informacin, y una salida, efecto o respuesta de informacin, energa o materia. El nfasis en la funcin del sistema es que ste relaciona en algn tiempo de referencia dado, las entradas y salidas. La entrada podra consistir de un grupo de entradas o en un vector. Para aplicar este procedimiento clsico es necesario conocer las leyes fsicas, hacer suposiciones razonables acerca de ellas, conocer la estructura del sistema y especificar las entradas y salidas. La figura 2.2 muestra un esquema de un sistema.

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SISTEMA

SALIDAS ENTRADAS

FIGURA 2.2 Representacin de un sistema Un sistema es lineal si admite la superposicin, y no lineal si no la admite. Tambien los sistemas pueden clasificarse dependiendo de la naturaleza de las relaciones entre entradas y salidas, as: a) Determinstico: la misma entrada produce siempre la misma salida. La

entrada a un sistema determinstico puede ser determinstica o estocstica.

b) Probabilstico: Las relaciones entre las entradas y salidas son

gobernadas por las leyes de probabilidades. En hidrologa, como en muchas otras reas, las leyes fsicas que rigen un determinado proceso son difciles de determinar o muy complejas de aplicar, o la geometra del sistema es muy complicada o la falta de homogeneidad es muy grande. Los hidrlogos generalmente tratan con un sistema abierto, tal como el mostrado por la figura 2.1. La cuantificacin del agua presente en este sistema puede hacerse con una simple ecuacin de balance de masas as:

QIdtds =

Donde la variable I representa las entradas y Q las salidas.

QIdtdS =

Esta ecuacin se aplica para un tiempo cualquiera; se considera que para tiempos relativamente grandes la variacin de almacenamiento (dQ) es

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prcticamente nula y que por consiguiente las entradas son iguales a las salidas. Ahora bien, si el objeto de estudio no es ya el ciclo global del agua sino una zona ms reducida como, por ejemplo, una cuenca hidrogrfica, cabe (aqu) tambin la aplicacin del concepto de sistema y se puede considerar dicha cuenca como un subsistema que hace parte del sistema ms complejo constituido por el ciclo global del agua. Es decir, que a nivel de la cuenca, dada una entrada (precipitaciones por ejemplo), el sistema produce una salida (caudal en un punto dado). Esquemticamente:

Entradas Precipitacin

SISTEMA

Salidas Caudal en la estacin

As, las precipitaciones (P) que caen sobre una cuenca durante un tiempo dado se reparten de la manera siguiente: la infiltracin (I), la evapotranspiracin real (ET) y la escorrenta superficial (Qs). Considerando un perodo suficiente largo, puede afirmarse que el balance global promedio es:

Qs+ET+I = P (2.1) La infiltracin total (I) puede tenerse como formada por dos fracciones: una que sirve para renovar el almacenamiento de agua en la zona de aireacin (Ia) y otra denominada infiltracin eficaz (Ie), que alimenta las aguas subterrneas; de esta ltima, una parte alimenta el caudal de los cursos de agua como caudal de base. Es necesario considerar otros elementos adicionales, como son los aportes a la cuenca provenientes de otras cuencas, ya sea en aguas de superficie o en aguas subterrneas, (dichos aportes y trasvases estn ligados principalmente a las estructuras hidrogeolgicas) lo mismo que los trasvases hacia otras cuencas. A este respecto conviene aclarar que no siempre los lmites

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geogrficos de la cuenca hidrogrfica son los lmites de los acuferos, ver figura 2.2. De esta manera el balance quedara:

q+Qex+Qw+Qs+ET+I = P (2.2) en donde:

Qw : Escorrenta subterrnea Qex : Aguas extradas o explotadas (bien sean aguas subterrneas o

superficiales) q : Prdidas y entradas hacia o desde otras cuencas vecinas.

Generalmente ms de una variable en la ecuacin 2.2 es desconocida, lo que

hace imposible su solucin algebraica. Sin embargo se pueden hacer estimativos razonables sobre los valores de las variables, lo que permite la aplicacin de esta ecuacin para resolver problemas comunes en hidrologa, tales como evaluar la recarga de un acufero, determinar si se presentan aportes de otras cuencas, cuantificar el balance hdrico sobre un rea determinada para conocer como se interrelacionan entre s las diferentes fases del ciclo hidrolgico. 2.2 INTERACCION HOMBRE _CICLO HIDROLOGICO. El hombre puede, influir en la calidad del agua y afectar tres aspectos fundamentales: fsicos, qumicos y biolgicos. Esto puede alterar el comportamiento de las fases del ciclo hidrolgico en un rea determinada. Una breve enumeracin de los cambios producidos por cualquiera de estos aspectos es la siguiente:

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Fsicos:

Cuando se dan cambios en la cantidad de agua disponible para la transpiracin, se tendran tambien cambios en la temperatura del suelo. Una de las causas de estos cambios es la tala de rboles y la deforestacin que sufren algunas zonas del planeta. La tala y quema de rboles junto con la combustin industrial, han causado un aumento de la temperatura mundial de 0.7 8C lo que ha implicado elevacin del nivel del mar en las costas, desplazamiento hacia los polos de las zonas cultivables y un clima ms severo con sequas e inundaciones ms pronunciadas. (UNESCO, 1995). Desde 1850 se ha producido un aumento medio en la temperatura global de cerca de 1 C. Algunos cientficos han predicho que el aumento de la concentracin en la atmsfera de CO2 y otros gases invernadero provocar que las temperaturas continen subiendo. Las estimaciones van de 2 a 6 C para mediados del siglo XXI. No obstante, otros cientficos que investigan los efectos y tendencias del clima rechazan las teoras del calentamiento global, atribuyendo la ltima subida de la temperatura a fluctuaciones normales. (Enciclopedia Encarta Microsoft,1998)

El papel que los rboles y la vegetacin en general desempean en el comportamiento hidrolgico de una zona puede resumirse as: las plantas en general evapotranspiran parte del agua que se infiltra en el suelo. Es as como ms de la mitad del agua lluvia sobre la selva amaznica se debe a la evapotranspiracin de arboles y plantas que all existen.(UNESCO, 1991). La tala de bosques causa tambin un aumento de la escorrenta superficial directa, y produce erosin , lo que a su vez provoca problemas de sedimentacin en corrientes de agua, lagos y embalses. En estos ltimos el problema Es grave: en algunos pases como la India, han tenido en 21 embalses, aportes de sedimentos 200% mayores que los inicialmente calculados al disear la obra.(UNESCO, 1995). El aumento de los sedimentos tambin puede disminuir la cantidad de oxgeno presente en el agua, necesario para la vida de peces y fauna acutica. En Colombia esto se ha visto en la desembocadura de los ros San Jorge y Sin, que debido a la tala incontrolada en sus cabeceras han aumentado enormemente el caudal slido que transportan, afectando no

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solo las colonias de peces sino tambin los arrecifes coralinos de zonas como Isla Fuerte e Islas del Rosario. El problema de sedimentos afecta la navegacin en los ros. En Colombia, el ro Magdalena que era navegable por buques de gran calado hace 50 aos desde Puerto Berro, es hoy prcticamente descartado para la navegacin en casi la totalidad de su recorrido. Qumicos: Las corrientes de agua con el desarrollo industrial y la superpoblacin de algunos sitios se han contaminado tanto de residuos qumicos como orgnicos. A este fenmeno no se ha escapado el agua lluvia, y la contaminacin tambin la ha afectado, produciendo la llamada lluvia cida. Asociada tambin al uso de combustibles fsiles, la lluvia cida se debe a la emisin de dixido de azufre y xidos de nitrgeno por las centrales trmicas y a los escapes de los vehculos. Estos productos interactan con la luz del sol, la humedad y los oxidantes produciendo cidos sulfrico y ntrico, que son transportados por la circulacin atmosfrica y caen a tierra, arrastrados por la lluvia y la nieve

La lluvia cida es un importante problema mundial. La acidez de algunas precipitaciones en el norte de Estados Unidos y Europa es equivalente a la del vinagre. La lluvia cida corroe los metales, desgasta los edificios y monumentos de piedra, daa y mata la vegetacin y acidifica lagos, corrientes de agua y suelos, sobre todo en ciertas zonas del noreste de Estados Unidos y el norte de Europa. En estas regiones, la acidificacin lacustre ha hecho morir a poblaciones de peces. Hoy tambin es un problema en el sureste de Estados Unidos y en la zona central del norte de frica. (Enciclopedia Encarta, Microsoft, 1998)

La contaminacin orgnica de las corrientes produce enfermedades como la fiebre tifoidea, el clera, la hepatitis A, la amibiasis y la poliomielitis, entre otras. Otro efecto de la contaminacin es la alteracin del habitat natural de las corrientes y cuerpos de agua. Por ejemplo, los ros Bogot y Medelln en su

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recorrido urbano han perdido toda seal de flora y fauna naturales. La contaminaccin est ligada ntimamente a las condiciones biolgicas de corrientes y cuerpos de agua, tal como se ha anotado anteriormente. 2.3 BALANCE HIDRICO GLOBAL Es importante anotar que el agua no se encuentra distribuda uniformemente en todas las regiones del planeta: existen zonas con grandes valores de precipitacin anual, como las zonas tropicales de Amrica Central y Amrica del sur, Africa y el sur Asitico, y otras zonas ridas y semiridas en Africa y Mxico, entre otras. La cantidad de agua existente en el planeta es constante y su distribucin se muestra en la tabla 2.1 Se puede observar que el 95% del agua esta en los mares y el 80% en glaciares y nieve Es de anotar tambin que los recursos de agua subterrnea constituyen casi el 99% del total de agua dulce del planeta.

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Tabla 2.1 Distribucin del agua en la tierra.

Tipo de agua Sobre total de agua en la tierra

Sobre el total de agua dulce

Sobre total de agua dulce disponible

Km3x 106 % del total

En % sobre 41 x 106 km3

En % sobre 11 x 106 km3

Agua total 1351 100

Agua salada 1310 95

Agua dulce 41 5 100

Dulce no utilizable

30 4 80

Dulce utilizable 11 1 20 100

Agua subterrnea 0.99 19.7 98.5

Agua en lagos 0.0055 0.2 1

Agua en suelos 0.002 0.04 0.2

Agua en ros 0.001 0.02 0.1

Agua en tmosfera 0.001 0.02 0.01

Agua biolgica 0.0005 0.001 0.005

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FIGURA 2.1 El ciclo hidrolgicoFIGURA 2.2 Representacin de un sistema

Tipo de agua