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IntroducciónIntroducciónciclo hidrológicociclo hidrológico
Hidrología aplicada
Sebastián Santayana V.Sebastián Santayana V.
Pre-maestría en Ciencias AmbientalesPre-maestría en Ciencias Ambientales
2010
HA. Introducción. S. Santayana V. 2
Ciclo hidrológicoCiclo hidrológico
Fenómeno global de circulación del agua entre superficie terrestre y atmósfera, impulsado por energía solar, asociada a gravedad y a rotación de Tierra.
HA. Introducción. S. Santayana V. 3
Ciclo del aguaCiclo del agua
Agua, desarrolla un ciclo en naturaleza, denominado ciclo del aguaciclo del agua, que consiste en:
Circulación del agua del océano, a través de atmósfera, hacia continente; su retorno al océano en varias formas después de su detención ocasional: por escurrimiento superficial o subterráneo.
HA. Introducción. S. Santayana V. 4
Evapotranspiración
Evaporación
Formación de nubes Lluvia
Escorrentía
Infiltración al agua
subterránea
Usada por las
plantas
Bombeo de agua subterránea a través de un pozo
Ciclo del agua
HA. Introducción. S. Santayana V. 5
o Circulación del agua en cualquiera de sus estados físicos (líquido, sólido o gaseoso).
o Conjunto de procesos que ocurren en forma continua, no tiene principio ni fin.
o Sol es fuente de energía.
o Ciclo funciona a escala universal.
Ciclo hidrológicoCiclo hidrológico
Ecuación del ciclo hidrológico:
Precipitación = escurrimiento +
infiltración + evaporación + transpiración +
almacenaje
HA. Introducción. S. Santayana V. 6
Ciclo del aguaCiclo del agua
o Generalmente es descrito en términos de sus componentes: precipitación, infiltración, evaporación, transpiración, escorrentía y flujo
subterráneo.
HA. Introducción. S. Santayana V. 7
PrecipitacióPrecipitaciónn
InfiltraciónInfiltración
Flujo superficialFlujo superficial
Flujo subterráneoFlujo subterráneo
Divisoria Divisoria de aguasde aguas
IntercepciónIntercepción
Ciclo hidrológico en cuencaCiclo hidrológico en cuenca
EvapotranspiraciónEvapotranspiración
InterflujoInterflujo
Nivel freáticoNivel freático
Divisoria de aguasDivisoria de aguas
RíoRío
Agua subterráneaAgua subterráneaAgua subterráneaAgua subterránea
Nivel freáticoNivel freático
InterflujoInterflujo
Ciclo Ciclo hidrológicohidrológico
Superficieoceánica
Precipitación
Escurrimientoy almacenamiento
Infiltración Evapotranspiración
EvaporaciónPrecipitación
Precipitación
HA. Introducción. S. Santayana V. 9
Ciclo del agua y ecosistemasCiclo del agua y ecosistemas
HA. Introducción. S. Santayana V. 10
Hombre intenta adaptar o modificar ciclo hidrológico para hacerlo más útil a sus necesidades. Ejemplos: Lluvia artificial, desalinización del agua de mar o construcción de embalses para controlar flujo de ríos.
¿Ciclo del agua puede ser modificado ¿Ciclo del agua puede ser modificado por hombre?por hombre?
HA. Introducción. S. Santayana V. 11
Agua subterránea
Extracción
ErosiónContaminaciónTransportada
por aire
Almacenamiento en
represasOcéano
Lluvia
Evaporación
IrrigaciónIrrigación
Salinización
Intrusión Salina
Enfermedades infectocontagiosasDeslizamientos de tierra
Inundaciones
Contaminación del agua
Presiones impuestas al agua por Presiones impuestas al agua por hombrehombre
HA. Introducción. S. Santayana V. 12
Hombre y ciclo hidrológicoHombre y ciclo hidrológico
Océano
Evaporación Evapo-transpiración
Escorrentía
Agua potabl
e
Descarga aguas tratadas
Intrusión marinaAcuifero
InfiltraciónRecarga
Evaporación
Extracción
Precipitación
Humedad suelo
Humedad suelo
HA. Introducción. S. Santayana V. 13
Hombre y ciclo hidrológicoHombre y ciclo hidrológico
HA. Introducción. S. Santayana V. 14
Ciclo hidrológico “urbano”Ciclo hidrológico “urbano”
HA. Introducción. S. Santayana V. 15
Usos del agua y ciclo Usos del agua y ciclo hidrológicohidrológico
HA. Introducción. S. Santayana V. 16
Ciclo del agua y riegoCiclo del agua y riego
Escorrentía
Humedad del suelo
Lluvia
Drenaje
Riego
Evapotranspiración
Planta toma agua
HA. Introducción. S. Santayana V. 17
Ciclo Ciclo hidrológihidrológi
co y co y cultivoscultivos
transpiración
evaporación
infiltración
PercolaciónprofundaAscenso
capilar
Absorción por raíces
Drenaje
Tabla de agua
HA. Introducción. S. Santayana V. 18
Ciclo del agua: Ciclo del agua: fases aéreasfases aéreas
Transpiración: movimiento por
plantas Condensación: formación de
nubes
Evaporación: elevación de
vapor
Precipitación: caída de
lluvia
HA. Introducción. S. Santayana V. 19
PrecipitaciónPrecipitación
Principal abastecimiento de agua para mayoría de ecosistemas terrestres.Toda forma de humedad que, originándose en nubes, alcanza superficie del suelo: lluvia, granizo, nieve, neblina, rocío.Precipitación se mide en lámina de agua que alcanzaría a formarse sobre una superficie impermeable.Equipos de medida son pluviómetro y pluviógrafo.
HA. Introducción. S. Santayana V. 20
IntercepciónIntercepción
Parte de precipitación que cae encima de plantas y que se evapora sin llegar al suelo.Primero, gotas de lluvia pueden ser interceptadas por follaje de plantas.El resto, se distribuye como escorrentía o es evaporada hacia atmósfera.
Intercepción
Precipitación
Escurrimiento fustal
Precipitacióndirecta
HA. Introducción. S. Santayana V. 21
EscorrentíaEscorrentía
Agua que cae como lluvia o nieve se puede evaporar, escurrir o infiltrar, dependiendo de: Tasa de precipitación Contenido hídrico del suelo Pendiente y vegetación
Escorrentía: flujo de agua sobre superficie del terreno con pendiente y cuando precipitación excede infiltración.
HA. Introducción. S. Santayana V. 22
Evaporación y transpiraciónEvaporación y transpiración
HA. Introducción. S. Santayana V. 23
TranspiraciónTranspiración
Proceso por el que plantas pierden agua por estomas;
Proceso pasivo, controlado por humedad atmosférica y contenido hídrico del suelo.
También transporta nutrientes desde suelo a raíces y los conduce a células de planta.
HA. Introducción. S. Santayana V. 24
Ciclo del agua: Ciclo del agua: fases fases subterráneassubterráneas
Ascenso capilar
Lavado
Percolación
Agua subterránea
Del agua caída por precipitación, parte se infiltra y recorre sus distintas capas, verticalmente hacia abajo (percolación), dando origen al agua subterránea, que a través del flujo subterráneo, vuelve a ríos, lagos y océanos.Movimiento del agua a través del suelo, disuelve sales solubles y las arrastra consigo, produciendo lavado.Si movimiento vertical es hacia arriba, se denomina ascenso capilar.
Infiltración
HA. Introducción. S. Santayana V. 25
Infiltración/percolaciónInfiltración/percolación
Absorción y entrada del agua hacia interior del suelo
Humedad del suelo
Agua subterránea
Percolación
Infiltración
HA. Introducción. S. Santayana V. 26
PercolaciónPercolación
Una vez que agua penetra al suelo, se mueve hacia abajo a través del perfil del suelo.
En percolación, agua puede moverse como un frente saturado – por efecto de gravedad.
O, puede moverse como un flujo no saturado debido a fuerzas de capilaridad.
HA. Introducción. S. Santayana V. 27
Aguas subterráneas en ciclo Aguas subterráneas en ciclo hidrológicohidrológico
Agua subterránea es una fase del ciclo hidrológico y se encuentra en movimiento (flujo subterráneo).
HA. Introducción. S. Santayana V. 28
Aguas subterráneasAguas subterráneas
Agua almacenada en suelo y capas rocosas (acuíferos).
Depende de porosidad y permeabilidad del acuífero.
Nivel freático
Agua subterránea
HA. Introducción. S. Santayana V. 29
Flujo del aguasobre superficie
Lago
InfiltraciónInfiltración
Agua subterráneaAgua subterránea
EvaporaciónTranspiración
Precipitación
Relación entre agua subterránea y Relación entre agua subterránea y superficialsuperficial
HA. Introducción. S. Santayana V. 30
Componentes del agua Componentes del agua
subterráneasubterránea
HA. Introducción. S. Santayana V. 31
Flujo subterráneoFlujo subterráneo
HA. Introducción. S. Santayana V. 32
En naturaleza existe cantidad enorme de agua: 1386 millones de km3.
Sin embargo, 97,5% de esa cantidad es agua salada y sólo 2,5% es agua dulce.
Mayor proporción del agua dulce (77,6%) está en forma de hielo y nieves perpetuas; otro 21,8% del agua dulce se encuentra como agua subterránea.
Sólo 0,26% del total de agua dulce en Tierra se concentra en lagos, embalses y sistemas fluviales, que son fuentes de agua más accesibles para necesidades económicas y muy importantes para ecosistemas hídricos.
Cuánta agua hay en la Cuánta agua hay en la Tierra?Tierra?
HA. Introducción. S. Santayana V. 33
Cuánta agua hay en la Cuánta agua hay en la Tierra?Tierra?
En naturaleza existe 1386x106 km3 de agua: pero 97% es agua salada, no utilizable directamente
HA. Introducción. S. Santayana V. 34
Agua dulceAgua dulce2.5%2.5%34.65 millones km34.65 millones km33
Agua saladaAgua salada97.5%97.5%
1’351.35 millones km1’351.35 millones km33
Agua en la TierraAgua en la Tierra
Hidrosfera cuenta con un Hidrosfera cuenta con un total aproximado de 1386 total aproximado de 1386 millones de kmmillones de km33 de agua de agua
Hidrosfera cuenta con un Hidrosfera cuenta con un total aproximado de 1386 total aproximado de 1386 millones de kmmillones de km33 de agua de agua
HA. Introducción. S. Santayana V. 35
68.9 %glaciares y
nieves eternas23.87
millones km3
68.9 %glaciares y
nieves eternas23.87
millones km3
0.9%humedad del suelo
0.31 millones
km3
29.9%agua
subterránea10.36
millones km3
0.3%agua de lagos y ríos 0.10 millones km3
Única porción renovable
Disponibilidad del agua dulceDisponibilidad del agua dulce
2.5%agua dulce
34.65millones km3
2.5%agua dulce
34.65millones km3
HA. Introducción. S. Santayana V. 36
Sistemas hidrológicosSistemas hidrológicos
o Se trata de sistemas dinámicos donde se desarrollan procesos que se retroalimentan entre sí.
o "Un sistema es una estructura, mecanismo, esquema o procedimiento, real o abstracto, que relaciona en tiempo y/o espacio una causa, entrada o estímulo de materia, energía o información con un efecto, salida o respuesta de materia, energía o información."
HA. Introducción. S. Santayana V. 37
Sistema hidrológico globalSistema hidrológico global
Atmósfera
Precip
Precipitación
PrecipPrecip
Evap Evap
Evaporación
Traspirac
Precip-intercEsc. superficial
Esc. superf.
Interflujo
Flujo subterráneo
Intrusión marina
Flujo subterráneo
Ascenso capilarPercolación
Difusión vaporInfiltrac Interflujo
Océano
Ríos y otros
cuerpos de
agua
Vegetación
Superficie terrestre Suelo
Acuífero
HA. Introducción. S. Santayana V. 38
Océanos
Atmósfera
1350·1015 m3
13·1012 m3
Evap
ora
ción
36
1·1
012 m
3/a
ño
Pre
cipit
aci
ón
32
4·1
012 m
3/a
ño
Tierras33.6·1015 m3
37
·10
12 m
3/a
ño
Ag
uas
su
perf
icia
les y
su
bte
rrán
eas
Evaporación y
transpiración
62·1012 m3/año
99·1012 m3/año
Precipitación
361·1012 m3/año
62·1012 m3/año
423·1012 m3/año
324·1012 m3/año 99·1012 m3/año
423·1012 m3/año
Balance atmósfera
Basado enhttp://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/mtr/hyd/bdgt.rxml
Sistema hidrológico globalSistema hidrológico global
HA. Introducción. S. Santayana V. 39
Estratos impermeable
s
Percolación profunda
Flujo superficial
Océano
Escorrentía
Flujo superficial
Movimiento aguas
subterráneas
Nivel freático
Infiltración
Intrusiones salinas
Precipitación en tierra
100
Evaporación desde tierra
68
Evaporación
Vegetación
Suelo
Embalse
31Evaporació
n desde océano
428
396
Precipitación sobre
océano
32
Basado en Britannica 2004
Flujos en unidades de 1012 m3/año
Intercepción y
transpiración
11
Flujo de agua en ciclo Flujo de agua en ciclo hidrológicohidrológico
HA. Introducción. S. Santayana V. 40
Flujo de agua en CHFlujo de agua en CH
HA. Introducción. S. Santayana V. 41
Flujo de agua en CHFlujo de agua en CH
HA. Introducción. S. Santayana V. 42
Balance anual del ciclo Balance anual del ciclo hidrológicohidrológico
HA. Introducción. S. Santayana V. 43
Balance hidrológico en Balance hidrológico en cuencacuenca
HA. Introducción. S. Santayana V. 44
Balance hidrológico en Balance hidrológico en cuencacuenca
P - Q - G - ET - P - Q - G - ET - S = 0S = 0Donde:
P = Precipitación;Q = Caudal superficial;G = Caudal subterráneo;ET = Evapo- transpiración;S = Cambio en humedecimiento.
HA. Introducción. S. Santayana V. 45
Balance hídrico en cuencasBalance hídrico en cuencas
HA. Introducción. S. Santayana V.
QD
IM
QV
EP
I
Qa
Qa+P=QV+QD+I+IM+E+S
S
Balance hidrológico embalseBalance hidrológico embalse
HA. Introducción. S. Santayana V. 47
Balance hidrológico regiónBalance hidrológico región
Para un cierto intervalo de tiempo, ecuación de balance hidrológico para una región involucra todos los componentes del ciclo hidrológico.
HA. Introducción. S. Santayana V.
P
ET
R1Q1
QZ1
Q2
QZ2
RZ
ZDZ
R2
P+Q1+R1+QZ1=R2+ET+Q2+QZ2±H±Z
QZ1+RZ=QZ2+DZ ± H ± Z
Balance hidrológico regiónBalance hidrológico región
HA. Introducción. S. Santayana V. 49
Balance hidrológicoBalance hidrológico
P + QP + Qsasa + Q + Qzaza = E + ET + I + Q = E + ET + I + Qsese + Q + Qzeze + + SSLL
+ + SSSS + + SSzz + + SSNN Donde:
P = Precipitación media Qsa = Caudales superficiales afluentes a cuenca
X = Y + dS/dtX = Y + dS/dt
"X" representa insumos o entradas al sistema por unidad de tiempo, "Y" las salidas por unidad de tiempo y dS/dt es la tasa de variación con el tiempo del almacenamiento de masa o volumen en el sistema.
HA. Introducción. S. Santayana V. 50
Balance hidrológicoBalance hidrológico
Qza = Caudales subterráneos afluentes
E = Evaporación media desde superficies de agua libre ET = Evapotranspiración media I = Retención de la precipitación por intercepción de la vegetación Qse = Caudales superficiales efluentes de cuenca
Qze = Caudales subterráneos efluentes
SL = Variación en período, de volúmenes de agua almacenada superficialmente (lagos, embalses, lagunas, depresiones superficiales del terreno, etc) SS = Variación del volumen de agua almacenada en suelos no saturados (en forma de humedad del suelo)Sz = Variación del almacenamiento subterráneo en acuíferos
SN = Variación del agua almacenada en nieves y glaciares
HA. Introducción. S. Santayana V.
SISTEMA SUELO-AGUA-PLANTASISTEMA SUELO-AGUA-PLANTA
PP
In
In
IH
Pf
Z
EI1 EI2
ES1 ES2
Napa subterránea
ET
Zona radicular
Zona de percolación
Balance hidrológicoBalance hidrológico
ET
HA. Introducción. S. Santayana V.
P + EI1 + ES1 = ET + EI2 + ES2 + In + H + Z
ENTRADAS
SALIDAS
VARIACIONES ALMACENAMIENTO
Balance hidrológicoBalance hidrológico
HA. Introducción. S. Santayana V. 53
Balance hidrológicoBalance hidrológico
Balance en superficie
HA. Introducción. S. Santayana V. 54
Preguntas motivadorasPreguntas motivadoras
• Nueva cultura del aguaNueva cultura del agua
• Día mundial del aguaDía mundial del agua
• Valor del agua: económico, social y Valor del agua: económico, social y ambientalambiental
• Hidrología y cambio climáticoHidrología y cambio climático
• Decenio del aguaDecenio del agua
• Crisis del aguaCrisis del agua
• Agua: calidad y cantidadAgua: calidad y cantidad
• Principios de DublínPrincipios de Dublín
ssantayana@lamolina.edu.pe; ssantayana@gmail.com