Modulo Hidrologia.pdf

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS AGRICOLAS PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE

30172 - HIDROLOGÍA GLORIA CECILIA RUALES ZAMBRANO (Director Nacional)

SAN JUAN DE PASTO Octubre de 2009

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INDICE DE CONTENIDO

PRESENTACIÓN INTRODUCCIÓN UNIDAD 1. CONCEPTOS BÁSICOS DE HIDROLOGÍA. 1. CONCEPTO DE HIDROLOGÍA. 1.1 DEFINICIÓN E HISTORIA DE LA HIDROLOGÍA. 1.2 ELEMENTOS BÁSICOS DE HIDROLOGÍA 1.3 CICLO HIDROLÓGICO. 1.4 BALANCE HIDRICO 1.5 EJEMPLO DE BALANCE HIDRICO 2. CONCEPTO DE CUENCA HIDROGRÁFICA. 2.1 DEFINICIÓN Y GENERALIDADES. 2.2 FACTORES QUE AFECTAN LA HIDROLOGÍA. 2.3 LA CUENCA 2.4 LA CUENCA Y LOS SISTEMAS ESTRATÉGICOS 2.5 SERVICIOS AMBIENTALES 3. CARACTERÍSITICAS DE LAS CUENCAS Y LOS CAUCES. 3.1 CARACTERÍSTICAS DE LA RED DE DRENAJE. 3.2 PATRONES DE DRENAJE 3.3 CLASIFICACIÓN DE HORTON 3.4 CARACTERÍSTICAS DEL ÁREA DE CAPTACIÓN (VERTIENTES). 3.5 CLASIFICACIÓN DE LAS CUENCAS HIDROGRÁFICAS UNIDAD 2. PRECIPITACIÓN. 4. LA PRECIPITACIÓN. 4.1 CONCEPTO DE PRECIPITACIÓN 4.2 COMPOSICIÓN DE LA ATMOSFERA 4.3 LA TROPOSFERA 4.4 LA HUMEDAD RELATIVA 4.5 CARACTERISTICAS DE LA PRECIPITACIÓN

5. VARIABLES DE UN AGUACERO. 5.1 GENERALIDADES. 5.2 VARIABLES 5.3 MEDICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN. 5.4 CONSTRUCCIÓN DE HIETOGRAMA

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5.5 CONSTRUCCIÓN DE CURVA DE MASAS 6. PROCESAMIENTO DE DATOS. 6.1 GENERALIDADES. 6.2 METODO DE PROMEDIO ARITMETICO 6.3 METODO DE POLIGONOS DE THIESSEN Y DE LAS ISOYETAS 6.4 ANÁLISIS DE DATOS. 6.5 CURVAS DE INTENSIDAD, DURACIÓN Y FRECUENCIA UNIDAD 3. EVAPORACIÓN, TRANSPIRACIÓN, INFILTRACIÓN Y ESCORRENTÍA. 7. EVAPORACIÓN Y TRANSPIRACIÓN. 7.1 GENERALIDADES SOBRE EVAPORACIÓN. 7.2 MEDICIÓN DE LA EVAPORACIÓN. 7.3 ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN. 7.4 GENERALIDADES SOBRE TRANSPIRACIÓN. 7.5 MEDICIÓN DE LA TRANSPIRACIÓN Y DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN. 8. INFILTRACIÓN. 8.1 GENERALIDADES. 8.2 MODELOS DE INFILTRACIÓN. 8.3 MEDICIÓN DE LA INFILTRACIÓN. 8.4 AGUA EN LA ZONA SATURADA Y NO SATURADA 8.5 MEDICIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO. 9. ESCORRENTÍA. 9.1 GENERALIDADES. 9.2 MEDICIÓN DE CAUDALES. 9.3 RELACION LLUVIA ESCURRIEMIENTO. 9.4 HIDROGRAMAS 9.5 HIDROLOGÍA FORESTAL.

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LISTADO DE TABLAS

Tabla 1. Distribución del agua superficial. Tabla 2. Datos balance hídrico. Tabla 3. Balance hídrico mes a mes. Tabla 4. Balance hídrico acumulado. Tabla 5. Vertientes de Colombia. Tabla 6. Relación entre las variables de un aguacero. Tabla 7. Registro de un pluviógrafo. Tabla 8. Cálculo de la precipitación y el tiempo acumulados. Tabla 9. Intensidad de cada intervalo. Tabla 10. Precipitación por promedio aritmético. Tabla 11. Precipitación por polígonos de Thiessen. Tabla 12. Precipitación por isoyetas. Tabla 13. Intervalos de frecuencia para la intensidad. Tabla 14. Intervalos de frecuencia para la intensidad. Tabla 15. Ecuaciones para calcular la probabilidad de excedencia. Tabla 16. Datos para el cálculo de Frecuencias. Tabla 17. Cálculo de Frecuencias. Tabla 18. Cálculo parámetros distribución de Gumbel. Tabla 19. Datos para el cálculo de parámetros por el método analítico. Tabla 20. Datos precipitación anual. Tabla 21. Datos para el cálculo de los parámetros a y b. Tabla 22. Valores de magnitud e intensidad para un periodo de tiempo de minutos. Tabla 23. Valores de intensidad máxima para varios periodos de tiempo Tabla 24. Valores de intensidad y probabilidad para varios periodos de tiempo. Tabla 25. Valores de intensidad máxima para varios periodos de retorno. Tabla 26. Densidad del agua en función de la temperatura. Tabla 27. Porcentaje de horas mensuales. Tabla 28. Calculo de ETo con el método de Blaney-Criddle. Tabla 29. Valores de kc. Tabla 30. Cálculo de ETR. Tabla 31. Valores de c para el método de Thornwaite. Tabla 32. Calculo de ETo con el método de Thornwaite.

5 8 9 10 13 32 36 36 36 39 41 43 45 46 46 47 48 50 52 56 57 30 61 62 63 64 74 81 81 83 84 85 86

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Tabla 33. Valores de albedo para varias superficies. Tabla 34. Máximo de horas de luz por día. Tabla 35. Calculo de ETo con el método de Penman-Monteith. Tabla 36. Datos de una prueba de infiltración. Tabla 37. Cálculo de los potenciales del suelo. Tabla 38. Medida del potencial del suelo utilizando tensiómetros. Tabla 39. Datos aforo de una corriente. Tabla 40. Estimación del caudal de una corriente. Tabla 41. Coeficientes de escorrentía. Tabla 41. Principio de afinidad del hidrograma unitario. Tabla 42. Principio de aditividad del hidrograma unitario. Tabla 43. Calculo del hidrograma unitario con base en datos de precipitación. Tabla 44. Hidrograma unitario [1 mm/2h]. Tabla 45. Hidrograma unitario [1 mm/2h]. Tabla 46. Hidrograma unitario [1 mm/5h].

87 89 89 95 105 107 114 115 120 121 122 123 125 127 128

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LISTADO DE GRÁFICOS Y FIGURAS Figura 1. El ciclo hidrológico. Figura 2. Balance hídrico. Figura 3. Balance hídrico. Figura 4. La cuenca hidrográfica. Figura 5. Divisoria geográfica e hidrográfica. Figura 6. Drenaje tipo dendrítico. Figura 7. Drenaje tipo subdendrítico. Figura 8. Drenaje tipo paralelo. Figura 9. Drenaje tipo suparalelo. Figura 10. Drenaje tipo radial. Figura 11. Número de Horton para los cauces. Figura 12. Características principales de una cuenca. Figura 13. Capas de la atmósfera. Figura 14. Corrientes atmosféricas. Figura 15. Pluviómetro. Figura 16a. Vista general del Pluviógrafo. Figura 16b. Vista del recipiente de almacenamiento del Pluviógrafo. Figura 16c. Vista del cilindro con papel y de la plumilla del Pluviógrafo. Figura 17. Balance de masas. Figura 18. Hietograma. Figura 19. Pluviómetros ubicados en una cuenca. Figura 20. Polígonos de Thiessen. Figura 21. Método de las isoyetas. Figura 22. Método gráfico para la determinación de los parámetros de la Ecuación de Gumbel. Figura 23. Curva de masa para determinar la magnitud en cada periodo de tiempo. Figura 24. Curva IDF, para el ejemplo. Figura 25. Tanque evaporímetro Tipo A. Figura 26a. Tornillo micrométrico. Figura 26b. Tornillo micrométrico instalado en el tanque evaporímetro. Figura 27. Mapa de radiación para Colombia. Figura 28. Variación de la infiltración con el tiempo. Figura 29. Instalación correcta y funcionamiento de los cilindros en campo. Figura 30. Curva de velocidad de infiltración Vs Tiempo.

6 7 10 11 14 18 18 19 20 20 21 22 26 27 33 34 35 35 37 37 39 40 42 51 60 65 70 71 72 88 93 94 96

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Figura 31. Profundidad del nivel freático. Figura 32. Permeámetro de cabeza constante. Figura 33. Agua en la zona no saturada. Figura 34. Tensiómetro. Figura 35. Bloque de yeso. Figura 36. Encharcamiento producido por una lluvia fuerte. Figura 37. Escorrentía superficial. Figura 38. Escorrentía subsuperficial. Figura 39. Escorrentía subterránea. Figura 40. Hidrograma anual. Figura 41. Hidrograma para un evento. Figura 42. Componentes del hidrograma para un evento. Figura 43. Principio de afinidad del hidrograma unitario. Figura 44. Principio de aditividad del hidrograma unitario. Figura 45. Hidrogramas unitarios. Figura 46. Hidrograma final. Figura 47. Hidrograma en S. Figura 48. Hidrograma en S [1 mm/2h]. Figura 49. Hidrograma unitario [1 mm/5h]. Figura 50. Bosque plantado objeto de estudio. Figura 51a. Medición del escurrimiento por el tallo. Figura 51b. Medición del escurrimiento por el tallo, detalle del canal. Figura 52a. Pluviómetro totalizador bajo el dosel. Figura 52b. Rejilla que impide la entrada de residuos al pluviómetro. Figura 53. Lisímetros para medir agua infiltrada. Figura 54. Pluviómetro totalizador cerca de lisímetros. Figura 55. Escorrentía superficial en una pradera aledaña a un bosque. Figura 56. Vertedero rectangular. Figura 57. Vertedero triangular.

98 99 102 107 108 109 111 112 113 117 118 119 121 122 123 124 125 126 128 129 130 131 131 132 133 134 135 135 136

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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El contenido didáctico del curso academico: Hidrología fue diseñado inicialmente en el año 2006 por el Ing. Diego Mauricio Hernández Fernández, docente de la UNAD, ubicado en el CEAD de Medellín. Es Ingeniero Agrícola de la Universidad Nacional, Magister en Ciencias Agrarias. Actualmente se desempeña como Coordinador académico y de investigación de la Zona Occidente Desde el año 2008 la Especialista Gloria Cecilia Ruales Zambrano se desempeña actualmente como director del curso a nivel nacional y apoyó el proceso de revisión de estilo del contenido didáctico e hizo aportes disciplinares, didácticos y pedagógicos en el proceso de acreditación del material didáctico desarrollado en el mes de Julio de 2009. La versión del contenido didáctico que actualmente se presenta tiene como características: 1) Incorpora la nueva estructura a los contenidos relacionados con la Unidad 1, la unidad 2 y la Unidad 3.

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INTRODUCCIÓN El Módulo de Hidrología está desarrollado teniendo en cuenta la importancia que para el Ingeniero Agroforestal, tiene el manejo del agua. Es importante no solo determinar su cantidad sino más importante aún su disponibilidad, elemento que se vuelve un tema de manejo delicado en los actuales momentos en que el cambio climático que estamos viviendo supone una incertidumbre para las actividades forestales y agrícolas. El Ingeniero Agroforestal y en general todos los profesionales de las ciencias Agrícolas, Pecuarias y Ambientales, encontrarán en este módulo un ejemplar de consulta sobre temas puntuales de hidrología, toma, análisis e interpretación de datos. Los temas se presentan en la forma más simple posible, eliminando en la mayoría de las ocasiones, discusiones matemáticas y modelos complejos, que no aportan al entendimiento del objeto del presente escrito. La Hidrología como ciencia, se relaciona en forma muy estrecha con las demás ciencias que intervienen o tienen asiento en el sector agropecuario, tales como la Edafología y Fertilidad de suelo, Riegos y Drenajes, Producción Agrícola y Pecuaria, con las cuales comparte y complementa conceptos, por lo que el lector a los largo del curso encontrará referencias a temas de estas ciencias, invitándolo en algunas ocasiones a revisar otros temas de estas ciencias. El adecuado desempeño del Ingeniero Agroforestal, se va a lograr si este tiene un enfoque sistémico. Enfoque donde tendrán que confluir diversas dimensiones ambientales, tales como vegetación y animales (o dicho de otra forma, Flora y Fauna), Clima, Suelo y Ser Humano. Al combinar estas variables en torno al a producción agroforestal, se podrá asegurar una adecuada gestión de las explotaciones.

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JUSTIFICACIÓN

Clásicamente, la hidrología es definida como la disciplina que se ocupa de las propiedades, ocurrencia, distribución y movimiento del agua sobre y bajo de la superficie de la Tierra. Se solapa con otras ciencias y disciplinas como las Ciencias de la Atmósfera, la Oceanografía, Glaciología, Hidráulica, guardando estrechas relaciones con la química, física, matemática, geología y ecología. La problemática de los recursos del agua, además se conecta en forma directa con los esquemas de desarrollo y planificación general de la sociedad, adquiriendo también relevante importancia en la protección del medio ambiente y los esquemas de desarrollo sostenible, particularmente en los casos de eventos extremos (sequías, inundaciones y tormentas severas). La hidrología interviene directa o indirectamente en casi todas las actividades socioeconómicas: agua potable, agua para la generación de energía, agua para riego, para la industria, la salud, la navegación, la recreación, la erosión de suelos y la sedimentación, abarcando todos los aspectos del agua. También abarca todos los aspectos del agua superficial y subterránea de calidad y cantidad y sus aprovechamientos. Tal es la relevancia, que el Programa Hidrológico Internacional de la UNESCO y el Programa de Hidrología Operativa de la Organización Meteorológica Mundial, así como otros programas y proyectos (IAHS - International Association of Hydrological Sciences, NATO special programme on the Sciences of Global Environmental Change, Comprehensive Freshwater Assessement de la CDE, etc), se han constituido en actividades más importantes, visto la necesidad imperiosa de contribuir a la mejora de la gestión del agua dulce dentro del marco de la sustentabilidad ambiental y atendiendo a las interrelaciones entre los sistemas naturales y los sistemas socioeconómicos. En 1997 se produjo una declaración de los Presidentes de los Programas Científicos de la UNESCO donde reconocen que: " uno de los problemas más graves del siglo XXI será la disponibilidad y calidad del agua dulce....".

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PROPÓSITOS Aportar a los estudiantes los fundamentos teóricos y prácticos necesarios para la comprensión del manejo del agua y equipos utilizados para esta labor. Contribuir a la formación de profesionales integrales que garanticen la sostenibilidad de las explotaciones agrícolas, forestales, pecuarias o agroforestales. Orientar al estudiante en la apropiación de elementos conceptuales para impulsar la comprensión del ciclo hidrológico y distribución del agua en la superficie terrestre y las técnicas que debe elaborar o utilizar de acuerdo a las teorías que le corresponden. METAS Al final del curso el estudiante se apropiará del conocimiento adquirido para lograr ejecutar en cualquier campo, cálculos de precipitación, balances hidrológicos, y construcción de curvas de IDF, teniendo como base la información de la región y la selección del equipo o técnica a utilizar.

COMPETENCIAS El estudiante identificará, describirá y caracteriza los diferentes equipos y herramientas utilizadas en hidrología. Tendrá la habilidad para gestionar y administrar de forma sostenible el recurso hídrico, a nivel local, regional y nacional.

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UNIDAD 1 Nombre de la Unidad Introducción

Intencionalidades Formativas

Denominación de capítulo 1 Denominación de Lección 1 Denominación de Lección 2 Denominación de Lección 3 Denominación de Lección 4 Denominación de Lección 5 Denominación de capítulo 2 Denominación de Lección 6 Denominación de Lección 7 Denominación de Lección 8 Denominación de Lección 9 Denominación de Lección 10 Denominación de capítulo 3 Denominación de Lección 11 Denominación de Lección12 Denominación de Lección 13 Denominación de Lección 14

CONCEPTOS BÁSICOS DE HIDROLOGÍA. La primera unidad, trata los conceptos generales de la hidrología, mostrando una definición de la hidrología y de su historia. Se destaca la importancia del ciclo hidrológico y su relación con la cuenca hidrográfica, como unidad fundamental de análisis. En este sentido se hace una breve descripción de los aspectos fundamentales de una cuenca hidrográfica. • Adquirir conceptos básicos de hidrología. • Definir que es una cuenca hidrográfica. • Comprender las formas en que se presenta el agua en la corteza terrestre. CONCEPTO DE HIDROLOGÍA. DEFINICIÓN E HISTORIA DE LA HIDROLOGÍA ELEMENTOS BÁSICOS DE LA HIDROLOGÍA CICLO HIDROLÓGICO BALANCE HIDRICO EJEMPLO DE BALANCE HIDRICO CONCEPTO DE CUENCA HIDROGRÁFICA DEFINICIÓN Y GENERALIDADES. FACTORES QUE AFECTAN LA HIDROLOGÍA LA CUENCA LA CUENCA Y LOS SISTEMAS ESTRATÉGICOS SERVICIOS AMBIENTALES CARACTERÍSITICAS DE LAS CUENCAS Y LOS CAUCES CARACTERÍSTICAS DE LA RED DE DRENAJE PATRONES DE DRENAJE CLASIFICACIÓN DE HORTON CARACTERÍSTICAS DEL ÁREA DE CAPTACIÓN (VERTIENTES)

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Denominación de Lección 15

CLASIFICACIÓN DE LAS CUENCAS HIDROGRÁFICAS

UNIDAD 2

Nombre de la Unidad Introducción

Intencionalidades Formativas

Denominación de capítulo 4 Denominación de Lección 16 Denominación de Lección 17 Denominación de Lección 18 Denominación de Lección 19 Denominación de Lección 20 Denominación de capítulo 5 Denominación de Lección 21 Denominación de Lección 22 Denominación de Lección 23 Denominación de Lección 24 Denominación de Lección 25 Denominación de capítulo 6 Denominación de Lección 26 Denominación de Lección 27 Denominación de Lección 28 Denominación de Lección 29 Denominación de Lección 30

PRECIPITACIÓN. La segunda unidad habla de la precipitación como fuente principal del agua continental. Se hace una discusión acerca de la formación de las lluvias y de la forma de medirlas, es decir de obtener datos de precipitaciones. Se introduce al aprehendiente al análisis estadístico de datos de precipitación, por esto se retoman conceptos vistos en el curso de Probabilidad y estadística. • Aplicar los conocimientos en la predicción de eventos hidrológicos. • Obtener herramientas básicas para la gestión de las aguas continentales. LA PRECIPITACIÓN CONCEPTO DE PRECIPITACIÓN COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA LA TROPOSFERA LA HUMEDAD RELATIVA CARACTERISTICAS DE LA PRECIPITACIÓN VARIABLES DE UN AGUACERO. GENERALIDADES. VARIABLES MEDICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN CONSTRUCCIÓN DE HIETOGRAMA COSNTRUCCIÓN DE LA CURVA DE MASAS PROCESAMIENTO DE DATOS. GENERALIDADES. METODO DEL PROMEDIO ARITMETICO METODO DE LOS POLIGONOS DE THIESSEN Y DE LAS ISOYETAS ANÁLISIS DE DATOS CURVAS DE INTENSIDAD, DURACIÓN Y

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FRECUENCIAS (IDF) UNIDAD 3 Nombre de la Unidad Introducción

Intencionalidades Formativas Denominación de capítulo 7 Denominación de Lección 31 Denominación de Lección 32 Denominación de Lección 33 Denominación de Lección 34 Denominación de Lección 35 Denominación de capítulo 8 Denominación de Lección 36 Denominación de Lección 37 Denominación de Lección 38 Denominación de Lección 39 Denominación de Lección 40 Denominación de capítulo 9 Denominación de Lección 41 Denominación de Lección 42 Denominación de Lección 43 Denominación de Lección 44

EVAPORACIÓN, TRANSPIRACIÓN, INFILTRACIÓN Y ESCORRENTÍA. La tercera unidad retoma los conceptos de evapotranspiración, escorrentía e infiltración, como los procesos complementarios al de precipitación, los cuales describen el flujo de agua a través del sistema suelo y su interacción con la producción agroforestal. Esta unidad está relacionada con el manejo y conservación del suelo dado que el agua es el principal agente erosivo que un Ingeniero Agroforestal debe aprender a manejar para asegurar la sostenibilidad de las explotaciones. Adquirir habilidades en el manejo y gestión de las aguas superficiales tomando como referencia a la cuenca hidrográfica. EVAPORACIÓN Y TRANSPIRACIÓN GENERALIDADES SOBRE EVAPORACIÓN. MEDICIÓN DE LA EVAPORACIÓN. ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN GENERALIDADES SOBRE TRANSPIRACIÓN MEDICIÓN DE LA TRANSPIRACIÓN Y LA EVAPOTRANSPIRACIÓN INFILTRACIÓN. GENERALIDADES. MODELOS DE INFILTRACIÓN. MEDICIÓN DE LA INFILTRACIÓN AGUA EN LA ZONA SATURADA Y NO SATURADA MEDICIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD HIDRAÚLICA ESCORRENTÍA. GENERALIDADES. MEDICIÓN DE CAUDALES. RELACIONES LLUVIA ESCURRIEMIENTO. HIDROGRAMAS

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Denominación de Lección 45

HIDROLOGÍA FORESTAL.

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UNIDAD 1. CONCEPTOS BÁSICOS DE HIDROLOGÍA. Introducción Colombia a lo largo de sus últimos 50 años ha vivido una degradación paulatina de los recursos naturales, motivada por los factores sociales adversos que ha vivido el país. Fenómenos como la deforestación y pérdida de la biodiversidad se han sucedido en la mayoría de nuestros ecosistemas, alterando la dinámica natural de los mismos y por ende la oferta de bienes ambientales. La Hidrología se plantea como la ciencia que permite estudiar el agua sobre la superficie terrestre, teniendo en cuenta sus interacciones. Para los profesionales del sector agropecuario, este conocimiento se está volviendo cada día más necesario debido a los cambios que está sufriendo el clima global debido al calentamiento. Es imprescindible pronosticar y predecir la oferta de recursos hídricos para el presente y futuro, para así poder tomar las previsiones necesarias mediante la planeación de las explotaciones asesoradas. La primera unidad, trata los conceptos generales de la hidrología, mostrando una definición de la hidrología y de su historia. Se destaca la importancia del ciclo hidrológico y su relación con la cuenca hidrográfica, como unidad fundamental de análisis. En este sentido se hace una breve descripción de los aspectos fundamentales de una cuenca hidrográfica.

OBJETIVOS • Adquirir conceptos básicos de hidrología. • Definir que es una cuenca hidrográfica. • Comprender las formas en que se presenta el agua en la corteza terrestre.

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REFLEXIÓN 1. ¿Cree que existen Ciencias afines a la Hidrología? Relacione algunas de ellas y comente el porqué de su complementariedad? 2. ¿Cuáles considera Usted que podrían ser las herramientas o equipos básicos para realizar actividades hidrológicas? 3. Explique que entiende por ciclo hidrológico y cuenca hidrográfica. 4. Analice y discuta con sus compañeros ¿cuáles pueden ser las competencias que le aporta el estudio de Hidrología a su vida profesional?

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CAPITULO 1: CONCEPTO DE HIDROLOGÍA. Lección 1: DEFINICIÓN E HISTORIA DE LA HIDROLOGÍA. La hidrología proviene de las raíces hidro y logía que pueden expresarse como el estudio del agua o de las aguas. Sin embargo una de las definiciones más completas ha sido la suministrada por el ingeniero Chino Ven Te Chow fundador y editor en jefe de Handbook of Applied Hidrology (1964), quien dijo que la hidrología es la ciencia que estudia el agua en cuanto a su origen, distribución y circulación sobre la superficie terrestre, teniendo en cuenta sus propiedades, físicas, químicas y su relación con el medio ambiente. La hidrología como ciencia es relativamente antigua. Civilizaciones tan antiguas como la Griega, con su pensadores trataron de explicar el por que de la lluvia, por que los ríos fluían. Fue el filosofo griego Anaxágoras quien dio una explicación al proceso, donde intuyo que las lluvias provenían de la evaporación del agua de mar por parte del sol. Posteriormente Teofrasto y el romano Marco Vitruvio basados en las ideas de Anaxágoras, definieron lo que hoy conocemos como ciclo hidrológico. Las civilizaciones asiáticas, generaron una aproximación más de medición, para lo cual llevaron registros sistemáticos de precipitaciones, caída de nieve y viento, llegando a una teoría sobre el ciclo hidrológico tal como la conocemos hoy, alrededor del 900 – 400 A.C., sin embargo por su poca comunicación con occidente, sus teorías no impactaron significativamente el conocimiento del resto del mundo. Durante la edad media y el renacimiento el concepto de hidrología no avanzó en gran medida, hasta que Leonardo da Vinci realizó mediciones sistemáticas de velocidades en diferentes cauces, con lo que llegó a la conclusión que el agua es más rápida en la superficie que en el fondo. En la era moderna varios científicos aportaron sus teorías para la consolidación de lo que hoy conocemos como hidrología. Entre ellos tenemos: Dalton en 1802 describió un principio para la evaporación; Hagen y Poiseuille en 1839, describieron una teoría para el flujo laminar; Darcy en 1856 presento su ecuación para el flujo en medios porosos; Manning (1891) presentó su ecuación para el flujo en canales abiertos; Hazen en 1914 introdujo el análisis de frecuencia para los máximos de una creciente; Horton en 1933 desarrollo una aproximación a la infiltración y en 1945 presentó su descripción de las cuencas de drenaje (índices de Horton) y finalmente en 1941 Gumbel propuso la ley de valor extremo para estudios hidrológicos. Todas estas teorías independientes ayudaron a consolidar la naciente ciencia de la hidrología hasta que a mediados del siglo XX (70s) alcanzó un reconocimiento definitivo como disciplina.

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Lección 2: ELEMENTOS BÁSICOS DE HIDROLOGÍA La distribución del agua en la naturaleza, ya sea en las capas superiores de las atmósfera, en la superficie de la tierra o en los horizontes subterráneos del suelo es estudiada por la ciencia de la Hidrología, lo mismo que los métodos o sistemas disponibles para valorar en forma cualitativa o cuantitativa la magnitud de los fenómenos físicos asociados con el movimiento y distribución de estas aguas. La Hidrología en su conjunto depende del clima que es la resultante de la influencia que ejercen los factores humedad, temperatura, luz solar, viento, presión atmosférica y cuya manifestación diaria constituye el tiempo. En cualquier lugar las variables atmosféricas o factores del clima varían, de acuerdo, con la región geográfica, la topografía, la proximidad a las cordilleras, los mares, los suelos, la vegetación, el hombre y el tiempo. De lo anterior surgen los macro y los microclimas. El primero incluye variables atmosféricas en la masa del aire libre, encima de la superficie de la tierra y se miden a unos cuantos metros sobre el nivel del mar registradas en las estaciones meteorológicas y que se refieren a temperatura, precipitación, humedad relativa, vientos, presión atmosférica, luz solar y evaporación. En cuanto al microclima se refiere al clima del espacio cercano al suelo donde crecen los cultivos, y depende de la actividad fotosintética, la transpiración, el sombreado mutuo de las plantas, cubierta del suelo, humedad, aireación y otros factores que lo diferencian del microclima, haciéndolo mas importante para el agricultor y el ganadero. En conclusión la Hidrología está influenciada por es parte del medio ambiente que denominamos clima, tiene una naturaleza muy compleja y depende de variables atmosféricas, entre las cuales las mayores son la humedad, la temperatura y la luz solar. Lección 3. CICLO HIDROLÓGICO. El ciclo hidrológico, representa el concepto fundamental en hidrología, ya que explica como es el comportamiento del agua a lo largo de la superficie terrestre. En la Tierra el agua, se mueve en el espacio llamado hidrósfera, que es la zona definida por la capa inferior de la atmósfera y la capa superior de la litósfera (Corteza terrestre). El ciclo hidrológico es un ciclo cerrado, es decir se repite indefinidamente, en el cual el agua contenida en los océanos y en la superficie terrestre es evaporada por la acción del sol y la respiración de las plantas y convertida en vapor de agua.

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Este vapor viaja por la atmósfera (en forma de nubes) hasta que se eleva lo suficiente para condensarse. En este punto retorna a la superficie terrestre en forma de lluvia o nieve. El agua que cae en la superficie terrestre puede tomar varios caminos: Puede ser interceptada por la vegetación (Hojas y tallos, plantas epifitas), convertirse en flujo superficial sobre el suelo (escorrentía) hasta llegar a un cuerpo de agua (Río, quebrada, lago o laguna) o puede infiltrarse hasta llegar a los acuíferos (agua subterránea). Es importante anotar que parte de esta agua, sobre todo la retenida en la vegetación y la de escorrentía se puede evaporar directamente por acción del sol, con lo que no regresa al mar. En la Figura 1, se presenta un esquema del ciclo hidrológico. El agua en la superficie terrestre presenta aproximadamente la siguiente distribución.

Lección 4: BALANCE HIDRICO En términos hidrológicos es importante cuantificar o hacer un balance de agua que pasa por un sistema dado. El balance tiene en cuenta las entradas, las salidas y la variación en el almacenamiento del sistema. Las entradas están definidas por: Precipitación (P) en forma de Lluvia y/o nieve, agua de escorrentía (Qgin), agua superficial (Qin) y aguas subterráneas entrantes (Gin). Las salidas están definidas por: Evaporación (Es), transpiración (Ts), agua de escorrentía (Qgout), agua superficial (Qout), infiltración (I) y aguas subterráneas salientes (Gout). Ver Figura 2.

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La variación en el almacenamiento está definida como la diferencia entre lo que entra y lo que sale y está definido por la ecuación (1), definido para un volumen de control, que se define como la porción de corteza terrestre a la cual se le va a determinar la variación en el almacenamiento.

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Sumando y reagrupando términos tenemos:

El balance hídrico, como se observa en la ecuación anterior retoma toda el agua que atraviesa las barreras del volumen de control, o sea que tiene en cuenta tanto el agua superficial como la subterránea. Sin embargo, en términos prácticos lo que se hace normalmente es determinar el balance del agua superficial, es decir

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obtener valores de precipitación, evaporación, transpiración, escorrentía y de aguas superficiales para una zona dada. Lección 5. EJEMPLO DE BALANCE HIDRICO Ejemplo 1. En la siguiente Tabla se presentan los datos de precipitación y de evapotranspiración para una zona que cuenta con un suelo que tiene una capacidad de almacenamiento máxima de 120 mm:

En la Tabla anterior se observa que se tienen datos de la entrada principal de agua al sistema (Precipitación) y de dos de las salidas principales (Evapotranspiración), con base en estos datos podemos calcular si se presenta déficit hídrico (no hay salidas adicionales a la evapotranspiración, o sea que la evapotranspiración es mayor que la precipitación), o exceso (una vez se copa la capacidad de almacenamiento del suelo, se presenta escorrentía y/o infiltración, o sea que la precipitación es mayor que la evapotranspiración). Calculamos el balance mes a mes: Como se planteaba al inicio del ejemplo, el suelo tiene una capacidad de almacenamiento de 120 mm, por lo que se debe calcular el almacenamiento acumulado1 para conocer realmente el comportamiento del agua en el suelo a lo largo del año. Para esto tenemos en cuenta que los déficit no se acumulan, es

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decir cuando el suelo llega a un contenido de agua de cero milímetros (0 mm), no puede seguir disminuyendo. El almacenamiento se acumula hasta que llega a 120 mm, a partir de este momento toda agua adicional que llegue al suelo se va a convertir en un exceso y se va manifestar como infiltración o escorrentía superficial. En la Tabla 3 se presenta el balance definitivo.

En la Figura 3 se presenta gráficamente el calculo del balance hídrico, es importante anotar que las zonas definidas por la curva de avapotranspiración en la parte superior y la de precipitación en la parte inferior (Zonas 1, 2 y 3), son periodos con déficit hídrico, en los cuales las plantas sobrevivirán gracias al almacenamiento de agua en el suelo.

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CAPITULO 2: CONCEPTO DE CUENCA HIDROGRÁFICA.

Lección 6: DEFINICIÓN Y GENERALIDADES. Se define cuenca hidrográfica como aquella región natural en la cual todas las aguas son recogidas y evacuadas por un colector común, de tal forma que toda el agua que cae en ella es drenada por el mismo punto tal como se ilustra en la Figura 4.

Una cuenca puede poseer una corriente principal a la cual llegan otros cauce más pequeñas, como las quebradas, en este caso se puede hablar de subcuencas. Si la extensión de la subcuenca es de solo unas pocas hectáreas (menos de 10 km2) se le denomina microcuenca. La unión de varias cuencas principales se denomina hoya o cuenca principal y la agrupación de cuencas principales forma una vertiente.

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Una cuenca hidrográfica está dividida de las aledañas por una divisoria de aguas, que no es más que la línea que une las partes más elevadas de la cuenca y que contiene al o los cauces que forman la cuenca. En este sentido se habla de un divisoria de aguas topográfica, o sea que el relieve es el que define para donde escurren las aguas que caen sobre la superficie (cuenca). También puede hablarse de una divisoria freática, es decir para donde escurren las aguas subterráneas. Normalmente la divisoria geográfica y la divisoria freática coinciden, es decir tanto el agua freática como la superficial escurren a la misma cuenca. Sin embargo, puede darse el caso que la divisoria freática no coincida con la topográfica, en este caso, las aguas subterráneas pueden fluir hacia una cuenca diferente a lo que la hacen las superficiales (Figura 5). En la práctica, es bastante complejo determinar hacia donde corren las aguas subterráneas, a no ser que se construya una red freatimétrica, es decir, perforar un conjunto de pozos siguiendo una cuadrícula, para con base en la altura del agua subterránea de cada pozo, construir un mapa de alturas del agua freática o subterránea y así determinar hacia donde corre. Es por esto que en la mayoría de los trabajos se supone que la divisoria geográfica y la topográfica coinciden perfectamente. Colombia presenta características hidrológicas muy particulares entre las que podemos mencionar una precipitación promedia anual es de 3000 mm, lo que se puede representar como un volumen total anual de 3425 km3. De este volumen se estima que el 61% se convierte en escorrentía, lo que genera un volumen anual de 2113 km3, esto puede generar un caudal promedio de 58 l/s. Colombia en términos generales está conformada por cinco vertientes hidrográficas principales, cuyas características más generales se muestran en la Tabla 5. Lección 7. FACTORES QUE AFECTAN LA HIDROLOGÍA. Entre los factores que afectan la hidrología de la cuenca se tiene el suelo, la vegetación, el relieve y la topografía y las características ecológicas. El suelo como ya se comentó es el responsable de la acumulación de agua en el sistema hidrológico. El agua se almacena básicamente en los microporos, los cuales son espacios de menos de 2 mm de diámetro ubicados al interior de los peds (unidades estructurales de los suelos). La capacidad de almacenamiento depende en gran medida de la textura del suelo, es decir de la proporción relativa de arena, limo y arcilla que lo componen. A pesar de la gran variabilidad que presentan los suelos y en especial los tropicales como los de Colombia, se puede en términos generales afirmar que los suelos arcillosos tiene una mayor proporción de microporos que los arenosos y por tanto pueden almacenar más agua.

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Hay otro tipo de poros llamados macroporos, los cuales se definen como aquellos poros con diámetro mayor de 2 mm. Estos poros son formados por la estructura del suelo, es decir básicamente son generados por la separación entre unidades estructurales. Sin embargo, también pueden ser formados por la acción de macroorganismos como lombrices, hormigas y raíces de árboles. El conjunto de macroporos y microporos define la porosidad total del suelo. Si bien los microporos son los encargados de almacenar agua, los macroporos son los encargados de permitir su paso a través del perfil del suelo, es decir generan la infiltración del agua. La infiltración está condicionada por el valor de la infiltración básica, la cual se expresa como el máximo valor que pueden transportar los macroporos en condiciones saturadas, es decir cuando macro y microporos estén llenos de agua.

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El funcionamiento de los macroporos es importante en términos de hidrología porque una vez el aporte de agua al suelo (Lluvia, riegos u otros), exceden el valor de infiltración básica, se genera un exceso que al no poder ser manejado por los macroporos (mediante la infiltración), se queda en la superficie y comienza a escurrir por la pendiente, generándose lo que se conoce como escorrentía superficial. El relieve y la topografía se consideran como factores que afectan la hidrología ya que su interacción define el tipo de suelo que se forma en una región determinada y por tanto el comportamiento interno del mismo (almacenamiento y transporte), al momento de interactuar con el agua, además que la inclinación de los perfiles favorece el incremento de la escorrentía, al no darle tiempo suficiente al agua para que infiltre en el suelo. La vegetación afecta la hidrología dado que genera la transpiración que es la mayor pérdida de agua que sufre el suelo. La vegetación afecta también la hidrología en forma indirecta al cambiar las condiciones naturales del suelo,

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primero por el aporte constante de materia orgánica, la cual tiene propiedades cementantes, es decir favorece la formación de estructuras más estables y por tanto el incremento de macroporos y microporos. Segundo sus raíces al penetrar en el suelo y luego morir, generan galerías que se comportan como macroporos al momento de permitir el paso de agua a través del perfil. Lección 8. LA CUENCA Se concibe la cuenca hidrográfica como un sistema, es decir, como una unidad espacial en la cual interactúan un conjunto de componentes físicos, bióticos, sociales, económicos, y el hombre como actor principal, donde se investigan los procesos e interacciones que se dan, las cuales permiten tener conocimiento para modelar, controlar el sistema y satisfacer las demandas de la comunidad, las cuales deben adelantarse bajo la concepción de la teoría general de sistema, ya que dicha teoría integra cada una de las partes hasta alcanzar una totalidad, construyendo, discutiendo, analizando y explicando las relaciones generales del mundo empírico y ofrece un ambiente adecuado para la interrelación y comunicación fecunda entre especialistas y especialidades. Los componentes de la cuenca son todos los elementos o factores del entorno natural, los cuales no se pueden excluir, por cuanto en el balance de la naturaleza actúan todos en forma integral, siendo la cuenca un sistema abierto, interactuando con su medio e importando energía, transformando de alguna forma esa energía y finalmente exportando la energía convertida. Los desastres naturales como las acciones antrópicas que ocurren constantemente en nuestro ambiente, provocan alteraciones de los ecosistemas uno de ellos son los ocasionados a las cuencas hidrográficas, cualquier alteración en las partes altas produce un efecto en las partes bajas mostrando así, que la cuenca debe verse de una manera holística como un sistema integrado y cualquier alteración puede ocasionar efectos en sus relaciones interiores como exteriores.

Claramente establecida la interrelación entre el manejo de las cabeceras de las cuencas hidrográficas y los efectos en las cuencas bajas, las consecuencias de la mala gestión de la tierra, las malas prácticas agrícolas, el pastoreo excesivo, la deforestación, la inapropiada ubicación de las urbanizaciones y la inadecuada reducción de la contaminación en la cabecera de la cuenca, se manifiestan en la parte baja en situaciones extremas como la disponibilidad y calidad del suministro de agua, mayor vulnerabilidad de la población, diferentes objetivos económicos, vulnerabilidad a los desastres naturales, reducción de la capacidad de generación de agua pura a cursos de agua sedimentados y al daño de otros ecosistemas

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existentes en la cuenca. Los desastres naturales como las acciones antrópicas demuestran así mismo el nexo entre la pobreza, la degradación ambiental y la vulnerabilidad a los desastres naturales, que tiene como resultado aún mayor pobreza. Las decisiones sobre los recursos que deben invertirse en el manejo de las cabeceras de las cuencas hidrográficas han de tener en cuenta los servicios ambientales cruciales que se prestan a los beneficiarios en las cuencas bajas.

El manejo correcto de las cuencas hidrográficas, que combina, según convenga, la protección de parques, reforestación, prácticas agrícolas y silvicultura sostenibles son vitales para la protección de las comunidades, la subsistencia, las tierras agrícolas. Desde este punto, es necesario ver una cuenca hidrográfica como unidad de planificación que guíe las decisiones políticas hacia estudios e investigaciones integrados de los diferentes profesionales que entran a hacer parte de un estudio. Las cuencas hidrográficas, por ser la unidad física en la cuál tienen lugar todos los procesos naturales, son así mismo la unidad natural y lógica para el desarrollo agrícola, ambiental y socioeconómico. Con el crecimiento demográfico y el aumento de las necesidades de urbanización, industrialización y producción de alimentos, los efectos de la actividad antropogénica ya no se limitan sólo a zonas pequeñas ni a una comunidad en particular; deben examinarse en un contexto más amplio en el que ocurren. Por lo que se hace necesario, el conocimiento de todos los elementos que la componen y sus interrelaciones como también los estudios se deben realizar de una manera integral. La cuenca como unidad, tiene características geográficas, físicas y biológicas similares, que la hacen funcionar como un ecosistema, por ello se considera que las Cuencas Hidrográficas son la mejor unidad geográfica para la planeación del desarrollo regional.

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Lección 9. LA CUENCA Y ECOSISTEMAS ESTRATÉGICOS “Los ecosistemas estratégicos deben entenderse como partes diferenciables del territorio donde se concentran funciones naturales de las cuales depende, de manera especial y significativa, bienes y servicios ecológicos vitales para el mantenimiento de la sociedad y de la naturaleza”. La Cuenca Hidrográfica constituye el componente vital de recursos naturales (agua, clima, suelos, fauna, flora, paisaje, espacio, accesibilidad) para los asentamientos poblacionales allí presentes y, visto desde el enfoque de sistemas, permite evaluar la manera en que el funcionamiento, Arquitectura y la productividad de los ecosistemas proporcionan estos recursos siendo afectados por la forma en que los seres humanos como entes sociales modifican su comportamiento.

El ecosistema según Gastón, es una unidad ecológica básica, resultado de la integración e interdependencia ordenada de los elementos vivos y no vivos de la naturaleza, (vegetación, fauna, tierra, agua, hombre) que buscan un equilibrio natural y se convierten en la máxima expresión de unidad comprensiva de naturaleza cuando se expresa como una representación “isomórfica” en donde se puede ordenar espacialmente los recursos a través de arquitecturas o arreglos “morfológicos” y funcionamientos tipológicamente estructurados como zonas de vida, como unidades taxonómico espaciales.

Además ser un modelo explicativo de la naturaleza, el ecosistema está concebido como un bien ambiental y pensado socialmente como un satisfactor de necesidades básicas en bienes y servicios.

“Los ecosistemas también se definen como unidades estructurales y funcionales de la naturaleza, conformadas por conjuntos de organismos que interactúan entre sí y con el entorno físico o hábitat, a través de intercambios de materia, energía e información. Los principales tipos de ecosistemas terrestres colombianos son diferentes clases de selvas, bosques, sabanas, xerófitas y páramos tropicales”.

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Márquez, explica la interacción sociedad-ecosistema de la siguiente manera: Satisfacción de necesidades básicas: provisión de agua, aire, suelos para la producción de alimentos y energía. Producción económica: provisión oportuna de agua, energía, materias primas. Prevención de riesgos: mitigación de deslizamientos, inundaciones, terremotos, huracanes. Relaciones políticas, sociales, culturales, históricas: alrededor de cuencas internacionales, territorios tradicionales, patrimonios (biodiversidad). Mantenimiento de equilibrios ecológicos básicos: regulación clima e hidrología, conservación de biodiversidad. Función como sumidero o vertedero de desechos: atmósfera planetaria, ríos que reciben aguas negras, botaderos de basura etc. Provisión de recursos naturales: principalmente pesca, maderas finas, extractos medicinales entre otros.

Lección 10. SERVICIOS AMBIENTALES En las últimas décadas se ha hecho cada vez más evidente que la humanidad y el medio ambiente están íntimamente relacionados. El bienestar de la población depende de la oferta natural presente en nuestro territorio, en la disponibilidad de recurso hídrico que es indispensable en todas las actividades productivas y en la función que cumplen las áreas naturales y de la capacidad de los ecosistemas de proveer bienes y servicios ambientales tales como la disponibilidad y regulación hídrica, regulación climática, paisaje, recreación, ecoturismo, polinización de cultivos, maderas y fibras naturales, además de los recursos naturales no renovables entre otro que son indispensables para la supervivencia del hombre y del planeta.

Los ecosistemas son importantes para la sociedad pues le prestan una serie de servicios directos además de cumplir sus funciones puramente ecológicas como los flujos de energía, los ciclos de la materia y las transferencias de información. Los bienes y servicios ambientales que ofrecen los ecosistemas según Marquez son:

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- Satisfacción de necesidades básicas. Como el aprovisionamiento de agua y aire (ayuda a regular las actividades naturales); los suelos que proveen alimentos - Productividad. La calidad de suelos y climas permiten que la productividad se de en óptimas condiciones. Por ejemplo los ciclos climáticos son indispensables, ya que armonizan los procesos productivos que al ser alterados se puede convertir en una amenaza para el bienestar social. - Equilibrio natural. Los ecosistemas garantizan la regulación de los ciclos hidrológicos y climáticos, para poder programar los cultivos. - Asimilación de desechos. Algunos ecosistemas cumplen la función de vertedero como la atmósfera que recibe descargas de gases. - Relaciones sociales. Los ecosistemas son el ámbito donde se desempeña la vida de la sociedad y también son vistos como elementos culturales y simbólicos (apego a la patria). - Prevención de riesgos. La vegetación cumple una tarea fundamental en el soporte y estabilización de taludes y evita que el agua llegue en exceso al suelo o se acumule, regulando el impacto de inundaciones, vendavales, huracanes e incluso terremotos. - Recursos naturales. Los ecosistemas aportan recursos naturales como la madera y la pesca. Estos servicios ambientales, de gran importancia para la sociedad se ven mermados a consecuencia de la deforestación de las áreas de captación y de los bosques de ribera, la contaminación física y química de los cauces fluviales, y aguas subterráneas, la introducción de especies exóticas para reforestación y piscicultura, la reducción de los caudales ecológicos en cursos fluviales, la sobreexplotación de acuíferos subterráneos, y otros procesos de degradación ambiental.

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CAPITULO 3: CARACTERÍSITICAS DE LAS CUENCAS Y LOS CAUCES. Lección 11. CARACTERÍSTICAS DE LA RED DE DRENAJE. En términos generales toda cuenca hidrográfica puede suponerse dividida en tres partes geográficas: Cuenca de recepción, garganta o canal de desagüe y lecho o cono de deyección. La cuenca de recepción se define como la parte alta de la cuenca, donde se recibe la mayor proporción de agua, tanto de la lluvia como de la interceptación de la neblina, estas son las zonas donde se encuentran la mayoría de afloramientos de aguas subterráneas que dan lugar a las aguas superficiales en forma de quebradas y ríos. Esta zona igualmente es la más susceptible a procesos erosivos, tanto de origen natural (causada por el arrastre de sedimentos debido a las precipitaciones), como la antrópica, que es la causada por el hombre debido al mal manejo de los suelos, al incorporar prácticas no conservacionistas del suelo en sus actividades agropecuarias. La garganta o canal de desagüe, hace referencia al curso de agua propiamente dicho, el cual corre en un valle, con vertientes a lado y lado. En este tramo el cauce sufre los efectos de la corriente de agua, que a medida que transita pro el valle va erosionando unos sectores y depositando sedimentos en otros, todo esto definido por la dinámica propia de la corriente en particular. Es importante anotar que cada curso de agua tiene una dinámica diferente dependiendo de la pendiente del cauce, del tipo de suelo sobre el que transcurre, del caudal de agua transportado y del arrastre o no de sedimentos. El lecho o cono de deyección se puede explicar como la parte final de la cuenca hidrográfica, caracterizada por la baja pendiente del cauce. En este caso la corriente transcurre lentamente, lo que favorece la depositación de los sedimentos más pesados que han sido arrastrados desde la cuenca de recepción y del canal de desagüe. La forma particular que toma la corriente dependerá de la pendiente y del tipo de suelo en el que transcurre, pudiéndose presentar un cauce único o en su defecto un delta, en el cual la corriente se divide en diferentes brazos que nacen del mismo punto y que tienen forma triangular. En la mayoría de las cuencas pequeñas y medianas, se distingue claramente las dos primeras partes, es decir la cuenca de recepción, normalmente llamada nacimiento, y la garganta o canal de desagüe que define el curso de la corriente propiamente dicha. El cono de deyección casi siempre se presenta solamente en las cuencas principales o en las de los grandes ríos. Independientemente de si una cuenca cuenta o no con las tres partes geográficas antes explicadas, siempre está compuesta por dos elementos que la definen como tal: Talweg y vertientes.

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El talweg se define como el canal natural por el cual circula el agua. Esto es, se puede definir como el cauce de la corriente de agua. Debido a esto, casi siempre el cauce representa la unión de los puntos más bajos del terreno, razón por la cual el agua busca este camino para ser evacuada. Las vertientes son las superficies receptoras de aguas, cuya área transcurre desde el talweg hasta la línea divisoria de aguas. Por ser las zonas que captan el agua que va a fluir hacia el cauce, son muy susceptibles a procesos erosivos si no cuentan con la suficiente protección. Lección 12. PATRONES DE DRENAJE Dependiendo de la forma que presente el o los talweg que posee la cuenca, se puede hablar de patrones de drenaje, entendido esto como la forma que tiene el o los cauces encargados de drenar o extraer el agua de los terrenos circundantes (vertientes). Con base en la forma tenemos: Drenaje dendrítico: En este caso los talweg se van agrupando sucesivamente dando la apariencia de un árbol ramificado. Este patrón de drenaje se origina con predilección en suelos homogéneos de textura fina (arcillosos u orgánicos) o en suelos que presentan un estrato rocoso superficial. Estos suelos poseen una permeabilidad baja al poseer pocos macroporos, esto quiere decir que el agua atraviesa lentamente el perfil del suelo. Ver Figura 6. Drenaje subdendrítico. Este tipo de drenaje es muy similar al anterior, con la particularidad que los diferentes talwegs o cauces tienen una conformación casi paralela. Ver Figura 7. Drenaje paralelo. En este caso los cauces tienen una conformación paralela, desaguando en lugares diferentes. Se forman predominantemente en suelos de textura gruesa (arenosos) y con pendiente uniforme. Ver Figura 8. Drenaje subparalelo. Es muy similar al anterior pero los cauces desaguan en un colector común. Ver Figura 9. Drenaje radial. En este caso, los cauces parten de un lugar común y se van separando en forma radial de este. Normalmente se presenta en formaciones cónicas tipo cerro o volcán. Ver Figura 10.

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Las formas de drenaje presentadas son las más comunes, sin embargo, existen otras formas tales como drenaje enrejado, anular, rectangular, los cuales son más complicados de definir claramente, ya que sus formas pueden darse por la unión de otras más simples, como las presentadas anteriormente. Lección 13. CLASIFICACIÓN DE HORTON Para obviar la clasificación de los cauces por forma, dada las complejidades que presenta para escoger una concreta, se definieron índices numéricos para su clasificación. El más utilizado es el de Horton, el cual define las magnitudes de los cauces de acuerdo a su índice numérico tal como sigue: Cauces de primer orden son aquellos que no reciben agua de otro tributario, sino directamente del escurrimiento de la vertiente, por esto son los cauces más pequeños y algunos de ellos solo fluyen en la época de lluvias. En este sentido podrían tomarse como los afloramientos o nacimientos. Los cauces de segundo orden corresponden a la unión de dos de primer orden. Los de tercer orden a la unión de dos de segundo orden y así sucesivamente. En el caso que un cauce de orden menor desemboque directamente en uno de orden mayor, el orden del cauce resultante será el mismo que tenía el mayor, por ejemplo si un cauce de orden 3 desemboca en uno de orden 4, el orden resultante será 4. Ver Figura 11.

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Lección 14. CARACTERÍSTICAS DEL ÁREA DE CAPTACIÓN (VERTIENTES). La primera de las características que puede determinarse al área de captación y a la vez la más común es el área. En este sentido es importante aclarar que cuando e habla de área de una cuenca se está tomando la proyección vertical de la cuenca, es decir se mide el área de la proyección y no el área superficial de la vertiente. La proyección vertical de las diferentes elevaciones de la cuenca es lo que define los planos con curvas de nivel, es decir aquella línea que tiene la misma elevación en todos sus puntos. La medición del área es importante ya que entre mayor sea esta, mayor va a ser el agua captada y por tanto mayor el caudal transportado por el cauce en épocas de lluvias. El área de una cuenca se determina por medio de un planímetro sobre un plano a escala. También se puede medir el perímetro de la cuenca que es la longitud de la línea que envuelve la cuenca, o dicho en otras palabras, la longitud de la línea divisoria de aguas (divisoria geográfica). La longitud axial (Lc) de la cuenca se define como la distancia entre la desembocadura y el punto más alejado de la cuenca. El ancho promedio de la cuenca (Em) se obtiene al dividir el área de la misma entre la longitud axial. Las anteriores características se presentan en la Figura 12.

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En cuanto a la forma de la cuenca, se puede determinar indirectamente a través de varios índices tales como el índice de compacidad y el factor de forma entre otros, los cuales comparan la forma de la cuenca con la de figuras geométricas tales como círculos y rectángulos. El factor de forma (F), fue definido por Horton, como un índice adimensional, el cual se expresa de la siguiente forma.

Este índice compara la forma de la cuenca con la de figuras geométricas. Esto es el factor de forma de un círculo es 0.79, el de un cuadrado con un cauce que salga por el punto medio de uno de sus lados es de 1.0 y si sale por una de sus diagonales 0.71. Se recomienda al lector encontrar estos valores utilizando la ecuación (5). El índice de compacidad (Kc), compara el perímetro de la cuenca con el perímetro de un círculo que tenga igual área, de acuerdo con la siguiente expresión.

Reemplazando en (5) la expresión para el perímetro de un círculo nos queda:

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Los valores de Kc se pueden interpretar como sigue: 1.00 < Kc < 1.25, la cuenca es de forma redonda a oval redonda; 1.25 < Kc < 1.50, la cuenca es de forma oval redonda a oval oblonga y si 1.50 < Kc < 1.75, la cuenca es de forma oval oblonga a rectangular oblonga (Henao, 1998 : 60). Lección 15. CLASIFICACIÓN DE LAS CUENCAS HIDROGRÁFICAS El primer intento de clasificación de cuencas se debe a Gravellius (1914) quién consideró que el río más grande es de orden uno (1) y los afluentes que llegan a él son de orden dos (2) y así sucesivamente. Luego Horton en 1945 invirtió el sistema de ordenamiento, asignando el primer orden a las corrientes de los cauces de menor tamaño que tengan alguna cantidad de escorrentía. Luego aparecieron los modelos de Panov (1948), Strahler (1952) y le siguió Scheidegguer 1965) y Shreve (1966).

Existe también, el método de Horton-Strahler en el cual incluye el componente Area, en el cual jerarquizan las cuencas por un control gravitatorio y excluyen aquellas cuencas menores de determinado rango. Igualmente se puede clasificar las cuencas de acuerdo a su comportamiento hídrico: torrencial, perenne, estacional o esporádico, dependiendo de los factores físicos de control intrínseco o externos.

Con la expedición de la ley 99 de 1993 (Creación del Ministerio del Medio Ambiente y Organización del Sistema Nacional Ambiental, SINA), las cuencas hidrográficas adquieren un tratamiento de importancia dentro del Estado. La dispersión institucional se racionaliza al concedérsele al Ministerio del Medio Ambiente, entre una de sus funciones, la expedición y actualización del estatuto de zonificación del uso adecuado del territorio para su apropiado ordenamiento. Las regulaciones nacionales, sobre uso del suelo en lo concerniente a los aspectos ambientales, pautas para el ordenamiento y manejo de cuencas hidrográficas y demás áreas de manejo especial. (Art. 5o, Numeral 12).

Igualmente, en el Marco de la Ley 388 de 1997 sobre el Ordenamiento Territorial, se dan pautas sobre cuencas hidrográficas que abastecen acueductos

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municipales y veredales; y más recientemente con la expedición del Decreto 1729 de 2002, establece responsabilidades sobre ordenación y manejo de las cuencas hidrográficas y asigna funciones inherentes al control sobre las mismas. Por tanto, una de las más valiosas herramientas de la práctica hidrológica, consiste después de la zonificación, clasificación e inventario de cuencas, es la codificación de las mismas; que permita estudiar y determinar en forma cuantitativa todos los procesos físicos que contribuyen a la formación y variación espacio temporal del recurso hídrico en una zona determinada; la asignación de un código a la cuenca, facilita identificar y diferenciar unas cuencas de otras. Igualmente, el código permite acceder dentro de una base de datos los diferentes atributos y características morfológicas y fisiográficas e interrelacionar con otras variables su distribución espacial del agua. De tal manera que para codificar una cuenca del territorio nacional o para identificar una cuenca se procede de la siguiente forma: El código se compone de siete dígitos, estos dígitos se forman a partir de una llave primaria (raíz) que contiene cuatro dígitos (abcc) y otra llave foránea que tiene tres dígitos (ddd).

LLAVE PRIMARIA: esta parte de la llave se compone de cuatro dígitos que permite identificar aquellas cuencas de primer y segundo orden mediante un código raíz (Fijo e inmodificable). Esta llave primaria será suministrada por el IDEAM a las CAR. Lo anterior, con la finalidad de coordinar, promover y orientar las acciones de codificación de las cuencas en donde exista dos o más autoridades ambientales (CAR) que compartan la misma cuenca, con lo cual permitirá mantener y actualizar una base de datos. La llave primaria consta de lo siguiente:

Llave Primaria

Número de dígitos

Campos

(a): Zona hidrográfica

1

(0-9)

(b): Cuenca

1

(0-9)

(c): Subcuenca

2

(0-99)

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LLAVE FORANEA: Esta otra parte de la llave, se compone de tres dígitos que permiten numerar en forma secuencial las cuencas que llegan a las Subcuencas, esta labor será ejecutada por parte de las Corporaciones Autónomas RegionalesCAR quienes una vez hayan obtenido la llave primaria (raíz) de la cuenca, procederán a numerar en orden ascendente las cuencas que alimentan a las Subcuencas, una vez cumplida esta labor queda conformado el código para cada cuenca. Las CAR¨s reportaran al IDEAM el código completo con los atributos de la cuenca. Lo anterior con el objeto de definir y organizar una base de datos con la información suministrada por parte de las corporaciones y con la información obtenida por parte del IDEAM. La llave foránea consta:

Llave Foránea: (ddd):

Número de Dígitos 3

Campos (000-999)

La llave foránea es un número secuencial (consecutivo) que permite numerar cada cuenca en forma ascendente. Es decir con este número se puede numerar cuencas de tercer orden en adelante. De tal forma que la estructura del código implementado tiene básicamente siete dígitos, donde representan: El primer número, identifica la Zona Hidrográfica. El segundo número, identifica la subcuenca. El tercer número y cuarto número, la cuenca. Y del quinto al séptimo número, las cuencas que le llegan a la Subcuenca de tercer orden en adelante identificadas por las CARs.

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ACTIVIDADES Con el propósito de identificar cuánto se progresó en el rendimiento académico, responda las siguientes preguntas de forma individual. 1. Utilizando un mapa conceptual explique las partes de una microcuenca y los diferentes tipos de drenaje. 2. Explique en que consiste el ciclo hidrológico y el proceso de formación de las precipitaciones. 3. Explique en que consiste el balance hídrico y cuál es su importancia en las actividades agrícolas.

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BIBLIOGRAFÍA. Aparicio, F. 2004. Fundamentos de hidrología de superficie. Editorial Limusa. México, 303 p. Ayllón, t. 1996. Elementos de meteorología y climatología. Editorial Trillas. México. Chow, V.; Maidment, D.; Mays, L.1994. Hidrología aplicada. Editorial McGraw-Hill. Bogotá, 584 p. Davis, S.; DeWiest, R. 1967. Hydrogeology. John Wiley & Sons. De Aranda, Gaspar. 1992. Hidrología forestal y protección de suelos. Editorial ICONA. Fetter, C. 1994. Applied hidrology. University of Wisconsin. Earlier editions. Oshkosh. Fiering, M. 1967. Streamflow synthesis. Harvard University Press. Cambridge. Gastó, Juan. 1977. Ecología : El hombre y la transformación de la naturaleza: Saltillo, México: Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro, 102 p. González, P. 1922. Hidrología general agrícola. Editorial Calpe, Madrid. INDERENA – ISA. 1982. Primer Congreso Nacional de Cuencas Hidrográficas. Medellín. León, J. 2001. Estudio y control de la erosión hídrica. Editorial Universidad Nacional. Medellín, 225 p. Márquez, Germán. 1997. Ecosistemas estratégicos para la sociedad: Bases conceptuales y metodológicas Medellín: Universidad Nacional de Colombia. Montenegro, H.; Malagón, C. 1990. Propiedades físicas de los suelos. Instituto Geográfico Agustín Codazzi. Bogotá, 813 p. Moore, W.; Morgan, C. 1969. Effects of watershed changes on streamflow. University of Texas Press. Austin and London. Parlange, M.; Hopmans, J. Press.

1999. Vadose zone hydrology. Oxford University

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Pérez, J. 1997. Manual de potabilización del agua. Editorial Universidad Nacional. Medellín, 509 p. Simmers, I.; Hendricks, J. Kruseman, G. 1997. Recharge of phreatic aquifers in semiarid areas. A. A. Balkema Publishers. Rotterdam.

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UNIDAD 2. PRECIPITACIÓN INTRODUCCIÓN

La industria, las grandes urbes y en general la actividad humana han generado cambios radicales en los ecosistemas, tales como: la perdida de la cubierta vegetal que ocasiona erosión, producción de gases contaminantes y residuos sólidos, entre muchos otros. Parte de esas afectaciones tienen relación con la crisis del agua. Para un manejo más eficiente del recurso hídrico es necesario desarrollar una cultura social que comprenda el problema. Estudiar desde temprana edad el agua, favorece la creación de segmentos sociales comprometidos con el uso de un recurso difícil de distribuir a toda la población. El agua tiene un ciclo natural que ha sido desequilibrado por la actividad del hombre. Para contrarrestar este impacto, es necesario estudiarlo y aplicar métodos con el objetivo de recuperar el equilibrio. Si no se toman acciones, según datos de diferentes organizaciones internacionales, en las próximas décadas el problema será irremediable. La segunda unidad habla de la precipitación como fuente principal del agua continental. Se hace una discusión acerca de la formación de las lluvias y de la forma de medirlas, es decir de obtener datos de precipitaciones. Se introduce al aprehendiente al análisis estadístico de datos de precipitación, por esto se retoman conceptos vistos en el curso de Probabilidad y estadística.

OBJETIVOS •

Aplicar los conocimientos en la predicción de eventos hidrológicos.

•

Realizar cálculos de precipitación mediante diferentes métodos

•

Obtener herramientas básicas para la gestión de las aguas continentales.

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REFLEXIÓN 1. Explique la importancia de la precipitación en el manejo de cuencas hidrográficas. 2. Explique la importancia de la temática a estudiar en su futuro desempeño como ingeniero agroforestal. 3. Que actividades de conservación y manejo del recurso hídrico puede desarrollar en su región.

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CAPITULO 4: LA PRECIPITACIÓN.

Lección 16. CONCEPTO DE PRECIPITACIÓN En términos generales se puede llamar precipitación al agua proveniente de la atmósfera, que puede venir en cualquier fase (líquida como lluvia, sólida como nieve o granizo o en forma de vapor de agua como neblina) y que llega a la corteza terrestre y más concretamente a lo que llamamos suelo. Sin embargo, no toda el agua llega al suelo, ya que una parte puede quedar retenida o almacenada en la vegetación, de donde se evapora directamente, otra parte puede caer sobre cuerpos de agua de agua superficiales y por tanto no ser absorbida por el suelo. Más adelante profundizaremos en los conceptos de retención y almacenamiento, tanto en los vegetales como en el suelo y como esto afecta al balance hídrico de una región. Lección 17. COMPOSICIÓN DE LA ATMOSFERA Para entender como se producen las precipitaciones, es necesario estudiar antes como está compuesta la atmósfera terrestre. Esta está compuesta por diversas capas que se describen a continuación. Troposfera. Es la capa más baja con un espesor medio de 16 km en el ecuador y 10 km en los polos, es en esta zona donde se desarrollan la mayoría de los eventos climatológicos, por tanto es donde se desarrollan la mayor parte de las nubes. Esta capa se caracteriza por un descenso constante en la temperatura a medida que se incrementa la temperatura. Por mediciones efectuadas se ha determinado que este descenso es de aproximadamente 5.5 ºC por cada 1000 m de elevación. Estratosfera. Es la capa que está situada por encima de la troposfera, se caracteriza por poseer una temperatura casi constante. Esta capa va desde la troposfera hasta casi los 50 km de latitud. Es muy importante para la vida en la tierra por que allí se encuentra ubicada la capa de ozono, encargada de filtrar los rayos ultravioletas que son nocivos para la vida, se podría afirmar que son letales para la mayoría de los organismos. Las capas por encima de la estratosfera se llaman, mesosfera e ionosfera, las cuales no son muy relevantes desde el punto de vista del clima y más concretamente de la hidrología. La troposfera, está compuesta en su gran mayoría por aire seco y vapor de agua. El aire seco se compone de nitrógeno, en un 78% aproximadamente; oxígeno, con

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aproximadamente 21% y trazas de otros elementos tales como argón, dióxido de carbono, neón, helio, criptón, xenón ozono, radio, metano y monóxido de carbono, entre otros. El vapor de agua, proviene de la evaporación de las fuentes de agua superficiales, de la superficie del suelo y del agua retenida y almacenada por la vegetación. El contenido de vapor de agua en la atmósfera varía dependiendo de la humedad relativa, que va de 0 a 100%, pero puede afirmarse que representa aproximadamente un 4% del volumen total de aire en la troposfera.

Lección 18. LA TROPOSFERA En la troposfera se desarrollan los vientos, los cuales pueden ser considerados como corrientes de aire generadas por una diferencia de presiones entre dos puntos. Supongamos que la tierra fuera una esfera perfecta, y que no girara alrededor del sol (translación) y que no girara sobre su propio eje (rotación), de lo que se puede desprender que el ecuador (zona tropical) recibe una mayor cantidad de energía por unidad de área, dado que los rayos golpean perpendicularmente a la superficie, que las demás regiones, donde estos golpean

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en forma oblicua. Esto generaría que el aire de las zonas tropicales se calentara mucho más que el de las zonas no tropicales, por lo que su densidad sería menor. Este fenómeno produciría una elevación del aire menos denso, cuyo espacio debe ser ocupado por aire proveniente de otras regiones (no polares), el cual tiene una densidad mayor, es decir está más frío. La dinámica antes descrita genera un movimiento del aire de los polos al ecuador donde es calentado y vuelve por la parte alta de la troposfera los polos, estableciendo una corriente de viento, proceso que se conoce con el nombre de circulación de Hadley. Si involucramos la rotación de la tierra y retomando las conclusiones del supuesto anterior, vemos que el aire a medida que fluye no lo hace directamente hacia los polos, dado que el aire caliente se produce en las zonas que han sido calentadas por el sol, lo que genera corrientes ascendentes pero con un recorrido no tan largo como en el caso anterior. Esto produce un movimiento casi circular de los vientos en la troposfera, del cual se han identificado tres en cada hemisferio (Chow, 1994).

La primera llamada celda tropical, esta ubicada entre el ecuador y una latitud aproximada de 30º, este movimiento es casi circular, partiendo del aire que es

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calentado en la zona tropical hasta que llega al ecuador y alcanza su mayor temperatura, esto hace que suba en la troposfera donde se enfría paulatinamente a medida que desciende, tocando suelo en los puntos situados aproximadamente a 30º de latitud, tanto norte como sur, esto quiere decir que es un movimiento circunscrito casi a la zona tropical. La segunda corriente llamada celda polar, esta definida por los 60º de latitud y los polos, en este caso el calentamiento de los vientos en torno a los 60º de latitud tanto norte como sur, es mucho mayor que el de los polos, motivo por el cual este asciende hasta llegar a los polos donde se enfría y toca nuevamente tierra, descendiendo sobre la superficie donde es calentado, Para ascender nuevamente y repetir el ciclo. La tercera corriente que queda justo en medio de las dos anteriores, llamada celda central. Tiene un sentido de rotación inverso a las dos anteriores, es decir, rota desde los 60º de latitud donde se eleva, enfriándose paulatinamente y descendiendo cerca de los 30º. De lo anterior se deduce que el movimiento de esta segunda capa está más asociado al movimiento de las dos anteriores Como ya mencionamos, en la Troposfera se llevan a cabo la mayoría de los fenómenos meteorológicos, incluyendo la circulación de las masas de aire y con ellas el vapor de agua que contienen. Como la presión en la atmósfera terrestre es relativamente baja, se puede afirmar que los gases contenidos en ella se comportan como un gas ideal, esto es cumplen con la ley de los gases ideales. En este sentido se puede introducir el concepto de presión de vapor, el cual se define como la presión que ejerce un gas, en este caso en la atmósfera, la cual puede expresarse de la siguiente forma.

Donde e, es la presión de vapor del vapor de agua; rv, es la densidad del vapor de agua; Rv, es la constante de los gases para vapor de agua y T, es la temperatura absoluta. De lo anterior podemos redefinir la quedad relativa como el cociente entre la presión de vapor de agua (e) y su presión de saturación (es), que se puede expresar como la presión de vapor de agua en un espacio totalmente saturado.

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Lección 19. HUMEDAD RELATIVA La humedad relativa define el contenido de vapor de agua que hay en la atmósfera en un momento determinado, este vapor de agua se mueve junto con el aire, primero por el movimiento global a escala mundial, proceso que se explico anteriormente cuando se hablo del movimiento de los vientos y segundo, en forma local, debido a los accidentes orográficos, es decir el viento al moverse sobre la superficie del terreno y chocar contra la ladera de una montaña asciende siguiendo su superficie y cuando llega a la cima continua ascendiendo por el impulso que trae. A medida que el aire asciende se va enfriando, lo que genera una condensación del vapor de agua que lleva en el. Sin embargo para que se produzca condensación es necesario que el vapor de agua esté en contacto con una superficie sobre la cual se pueda desarrollar este fenómeno (es lo mismo que sucede en una mañana fría donde el cristal de la ventana que está abaja temperatura, produce la condensación del vapor de agua presente en la habitación más cálida, formando un rocío en su superficie) Los núcleos de condensación más comunes están conformados por productos de combustión, óxidos de nitrógeno, polvo y partículas de sal. Las partículas de sal, provenientes de la evaporación de la espuma marina, son las mejores como núcleos de condensación dado que al tener propiedades iónicas atraen las partículas de agua por acción electrostática. Las partículas de condensación presentan diámetros que oscilan entre 0.1 y 10 mm (1 mm, equivale a la millonésima parte de un metro). De estos diámetros, todos los que están por debajo de 3 mm, se conocen con el nombre de aerosoles, los cuales tienen la propiedad de poder permanecer suspendidos indefinidamente en la corriente de aire, salvo en el caso que caigan por precipitación. Las gotas van aumentando paulatinamente de tamaño hasta que se hacen visibles, formando neblina, en cuyo caso la mayoría de “gotas” tienen un diámetro de alrededor de 10 mm. Este es el tamaño máximo que la condensación puede generar, por esto la mayoría de las gotas están alrededor de los 10 mm de diámetro, sin embargo, variaciones en este tamaño son solo atribuibles al tamaño del núcleo de condensación, es decir, las gotas más grandes son las que se formaron sobre un núcleo de condensación más grande. Cuando se alcanzan los tamaños antes descrito, las gotas ya están sometidas a la fuerza de la gravedad y podrían eventualmente comenzar a caer, sin embargo no lo hacen por los vientos ascendentes que ocurren al interior de la nube que los mantienen suspendidos. Se ha determinado que velocidades tan bajas como 0.5 cm./seg., son suficientes para mantenerlos suspendidos.

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Las gotas al interior de esta corriente ascendente, pueden chocar unas con otras incrementando paulatinamente su tamaño hasta que alcanzan un diámetro de 0.1 mm, valor al cual comienzan a caer. Sin embargo, al salir de la nube, la fricción con el viento va evaporando superficialmente la gota, con lo que su tamaño disminuye y vuelve a ser elevada por los vientos ascendentes. El tamaño promedio que debe tener una gota para no ser evaporada en su caída es de aproximadamente 0.45 mm. Se ha determinado en forma experimental que el diámetro promedio de las gotas que abandonan la base de la nube está comprendido entre 0.1 y 3 mm. Si en la nube se presentan temperaturas muy bajas, las gotas se congelan y se agregan unas a otras por impacto, cayendo posteriormente en forma de granizo. Lección 20. CARACTERISTICAS DE LA PRECIPITAICÓN El agua que cae de la atmósfera a la superficie terrestre se conoce como precipitación. Puede ser liquidad en forma de lluvia y rocío o sólida en forma de niebla, nieve, granizo, escarcha, y se produce por cambios ambientales de humedad y temperatura.

El rocío se forma durante las noches frescas, cuando el vapor de agua se condensa en las hojas y otras superficies.

La niebla se presenta comúnmente en las zonas más elevadas donde las temperaturas del aire de la noche caen hasta el punto de rocío y se forman nubes. La nieve y el hielo proporcionan una parte apreciable de las precipitación solamente en las montañas elevadas; donde ellas alimentan corrientes, sirven como fuente de suministro de agua para riego en las regiones del trópico. El granizo se presenta esporádicamente en las tierras bajas de las zonas tropicales. La precipitación que llega a la tierra, regresa a la atmósfera, como vapor de agua, a través de la evaporación del suelo y de los volúmenes de agua, como también por la transpiración de la vegetación.

Los factores que determinan en mayor o menor grado la precipitación en un área determinada son: • •

La proximidad a los océanos, a los lagos y a los grande ríos La presencia de cordilleras que interceptan el paso de los vientos húmedos

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•

La localización geográfica del área considerada, en la ruta de las tormentas ciclónicas.

La lluvia es uno de los elementos del clima de mayor importancia para la agricultura y la ganadería, porque los cultivos tienen necesidad de absorber, a través de las raíces y en el curso de su desarrollo vegetativo, una importante cantidad de agua que las precipitaciones depositan sobre la superficie del suelo que ésta puede retener y que provienen de las nubes en forma de lluvia, llovizna, chubasco, nieva y niebla.

La precipitación es un fenómeno muy variable en el espacio y en el tiempo, por lo tanto, los valores mensuales, al comparar diferentes años, pueden variar en forma notable, debido a que la lluvia es un fenómeno esporádico.

En los estudios hidrológicos la información que se requiere de la precipitación en una localidad dada puede ser:

• • •

Precipitación anual total Distribución de la precipitación por estaciones, meses o semanas Intensidad, duración y frecuencia de las precipitaciones máximas

La precipitación total permite clasificar las regiones en zonas húmedas, subhúmedas y desérticas y ofrece una idea general en cuanto a la necesidad de riego y el valor promedio de la escorrentía en una zona determinada.

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CAPITULO 5. VARIABLES DE UN AGUACERO. Lección 21. GENERALIDADES. La lluvia se puede presentar a nivel local por tres fenómenos claramente definidos (Bedient y otros, 2002 : 23): El  primer fenómeno es el convectivo, en el cual una masa de aire se calienta por contacto con el suelo calentado gracias a la energía de los rayos solares. Al calentarse disminuye su densidad, por lo que asciende verticalmente para enfriarse a medida que sube, favoreciendo la condensación. El  segundo fenómeno es de los frentes, en el cual una masa de aire caliente que se mueve siguiendo la superficie terrestre, choca frontalmente con una masa de aire más frío, lo que la obliga a elevarse, dado que tiene menor densidad, favoreciendo su condensación al enfriarse a medida que sube y se mezcla con el aire más frío. El  tercer fenómeno es el orográfico, en el cual una masa de aire cálido que sigue la superficie del terreno, llega a una montaña que hace que se eleve, favoreciendo la lluvia en esa vertiente, y en la posterior por tanto se van a presentar condiciones más secas. Lección 22. VARIABLES Ya se dijo que la lluvia es considerada como la principal fuente de agua que llega al suelo. Para el análisis de las precipitaciones es necesario definir antes algunas variables importantes para su estudio. La primera variable es la magnitud, la cual se define como el espesor de lámina de agua producida por la lluvia, suponiendo que esta permanece en el sitio donde cayó, es decir no se infiltra ni se escurre. Esta variable se mide en milímetros de agua caída. Esta variable se puede expresar como el volumen que cae por unidad de área, tal como sigue:

Donde L, es la magnitud de la lluvia, es decir la lamina [mm]; V, es el volumen de agua caído [m3] y A, es el área en la que cae la lluvia [m2]

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La segunda variable de importancia es el área, la cual se define como el área en la cual cae la precipitación. Esta variable indirectamente define la magnitud, ya que si la misma cantidad de agua que cae en un área determinada cae en un área menor, la magnitud será mayor ya que la lámina será por tanto mayor, ver ecuación 10. La tercer variable de importancia es la duración del evento, es decir, en que tiempo cae el agua total que va a aportar la lluvia. Esta variable influye directamente en la que sigue ya que define que tan rápido o que tan lento cae el agua. Empíricamente se maneja que los aguaceros que caen en un periodo de tiempo muy corto son muy fuertes, mientras que los que caen en un periodo de tiempo muy largo son mas suaves. La cuarta variable que puede medirse es la intensidad de la lluvia, la cual representa la cantidad de agua que cae en un determinado tiempo. En otras palabras podría definirse como la velocidad de aporte. En este sentido si se tiene la misma lámina, entre menor sea el tiempo que dura en caer al suelo, mayor será su intensidad. En la siguiente Tabla se presenta la relación entre las variables anteriores.

En la última columna de la tabla anterior, se presenta el valor de velocidad, en este caso se trata de la velocidad Terminal, o sea la velocidad con que las gotas de lluvia golpean el suelo. Esta variable de un aguacero es importante en términos de conservación de suelos ya que define la energía con que la gota golpea el suelo y por tanto la capacidad erosiva que tiene. Finalmente, la quinta variable de importancia en un aguacero es su frecuencia o intervalo de recurrencia, también llamada periodo de retorno. Este variable indica el número de años que trascurren en promedio para que una lluvia de una magnitud dada sea igualada o excedida. En este sentido el periodo de retorno indica que entre menos intensidad tenga un evento de precipitación, menor será su periodo de retorno. Es decir, las lluvias ligeras (frecuencia baja) se presentan en forma continua (periodo de retorno corto), mientras que las lluvias muy fuertes caen en muchos casos separadas por varios años (periodo de retorno largo).

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Lección 23. MEDICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN. En Colombia, los aparatos más comunes para medir la precipitación son los pluviómetros y los pluviógrafos. Los pluviómetros, son los instrumentos meteorológicos más sencillos, pero a la vez unos de los más importantes. Constan de un recipiente cilíndrico con un área definida, que tiene como función captar la lluvia que cae en su área superficial. Este cilindro está seguido de un embudo que tiene como función transportar el agua recogida por el cilindro y depositarla en un recipiente de almacenamiento. Este recipiente de almacenamiento normalmente es una probeta graduada para medir fácilmente la altura de la lámina de agua que contiene. Recordar que un milímetro de lluvia corresponde a un litro por cada metro cuadrado. En las estaciones meteorológicas del país son comunes los pluviómetros del tipo 200 – 100. Esto quiere decir que el área de captación, es decir la del cilindro superior, es de 200 cm2, mientras que el área del dispositivo de almacenamiento es de 100 cm2. De lo anterior puede desprenderse que los pluviómetros son instrumentos totalizadores, es decir permiten determinar la lluvia (lámina) caída en un intervalo de tiempo, que generalmente es de un día, pero no permiten determinar como fue el comportamiento de el o los eventos de lluvia en forma separada, es decir, no se puede individualizar cada evento. En Colombia la medida de los pluviómetros se toma por convención a las 7 de la mañana.

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El pluviógrafo, es similar al pluviómetro, pero se diferencia de este en que el recipiente de almacenamiento está provisto de un flotador que por medio de un juego de varillas, permite hacer un trazo sobre un papel gracias a una plumilla. El papel está enrollado sobre un tambor, que gracias a un mecanismo de relojería gira a medida que pasa el tiempo, por lo que el gráfico trazado lleva aparejada la lámina caída y el tiempo en que cayó. Al llenarse el recipiente de almacenamiento, el agua almacenada es evacuada por medio de un sifón, por lo que en el papel se marca una línea vertical de arriba a abajo, para volver a comenzar el trazado.

Lección 24. COSNTRUCCIÓN DE HIETOGRAMA Con los datos de un pluviograma, que es como se llama a la hoja de papel donde quedó representado el comportamiento en particular, se pueden construir dos gráficos. El primero de ellos es el hietograma, que no es otra cosa que un diagrama de barras donde se presenta el comportamiento de la intensidad de la lluvia con respecto al tiempo. El segundo gráfico es la curva de masas, que se construye acumulando consecutivamente la lámina caída por intervalos de tiempo.

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Ejemplo 2. Con los datos suministrados en la Tabla 7, construir los gráficos de masas y el hietograma correspondiente.

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Lección 25. CONSTRUCCIÓN CURVA DE MASAS Lo primero que hacemos es construir el gráfico de curva de masas, para lo cual es necesario obtener tanto la lámina acumulada como el tiempo acumulado, este tiempo acumulado se calcula obteniendo el tiempo transcurrido y sumándolo en forma consecutiva, datos que se presentan en la Tabla 8.

En la Figura 16, se presenta el gráfico de masas correspondiente. Para construir el hietograma, se divide la precipitación de cada intervalo contra el tiempo del intervalo, es decir, se obtiene la intensidad por intervalo. Ver Tabla 9.

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En la Figura 17 se presenta el hietograma correspondiente.

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CAPITULO 6. PROCESAMIENTO DE DATOS. Lección 26. GENERALIDADES. El primer proceso que se le puede hacer a una serie de datos de lluvia es la determinación de la precipitación promedio de una región. Este valor de precipitación normalmente se define como el promedio de precipitación para un año de duración de los eventos. Este parámetro es importante por que es un factor tenido en cuenta en la mayoría de las explotaciones agrícolas y forestales, ya por si mismo ayuda a determinar la zona de vida de una región. Para la evaluación de la lluvia promedio en una región se tiene básicamente 3 métodos: Método del promedio aritmético, Método de los polígonos de Thiessen y el Método de las isoyetas. A continuación se presentan cada una de ellas. Lección 27. MÉTODO DEL PROMEDIO ARITMÉTICO. En este método la lluvia media para la región se determina como el promedio de las medidas de los pluviómetros que están ubicados dentro de ella. Este método se utiliza cuando los pluviómetros se distribuyen uniformemente en la cuenca y las variaciones en las medidas son muy bajas, es decir cuando la dispersión (desviación estándar) con respecto a la media no supera el 10%. Se calcula de la siguiente forma.

Donde P, es la precipitación promedia en la cuenca o región [mm]; Pi, es la precipitación en cada uno de los n pluviómetros y n, es el número de pluviómetros ubicados en la cuenca. En el caso mostrado en la Figura 18, el promedio aritmético se calcularía sobre los pluviómetros 2, 3, 4 y 5, el pluviómetro 1 por estar fuera de la cuenca no se tiene en cuenta. Si las precipitaciones fueran las mostradas en la Tabla 10, calcular el valor medio de la precipitación sobre la cuenca utilizando el método del promedio aritmético.

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De la tabla anterior observamos que el promedio de la precipitación para la cuenca es de 1329 mm, y que su desviación estándar es de 84.3 mm. El método se puede aplicar si los datos no tienen una dispersión de más de 10% del promedio, lo que para este caso es 132.9 mm, con lo que la desviación estándar es menor que este valor y se puede aplicar el método sin ningún inconveniente. Lección 28. MÉTODO DE LOS POLÍGONOS DE THIESSEN Y DE LAS ISOYETAS Este método para determinar la lluvia media en una zona, se aplica cuando se sabe que las medidas de precipitación en los diferentes pluviómetros sufren

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variaciones, teniendo además el condicionante que la cuenca es de topografía suave o en lo posible plana. El procedimiento para el cálculo es el siguiente: 1. Se unen los pluviómetros adyacentes con líneas rectas. 2. Se trazan mediatrices a las líneas que unen los pluviómetros. Recordar que una mediatriz es una línea recta perpendicular a un segmento de recta y que parte de su punto medio. Como las figuras formadas son triángulos, las mediatrices se encuentran en un punto dentro del mismo, ver Figura 19. 3. Se prolongan las mediatrices hasta el límite de la cuenca. 4. Se calcula el área formada por las mediatrices para cada pluviómetro. Comenzaremos con el trazado de las mediatrices (líneas en color rojo) para la cuenca mostrada en la Figura 19, prolongándolas hasta los límites de la misma.

Se observa que cada pluviómetro queda con un área de influencia dentro de la cuenca. El siguiente paso es medir el área asociada a cada pluviómetro y determinar el ponderador de área para encontrar la precipitación media. Ver Tabla 11. Retomando los mismos valores de precipitación, tenemos:

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El ponderador de área se calcula como el cociente entre el área de asociada a cada pluviómetro y el área total, por esto su suma da 1. La precipitación ponderada, se obtiene al multiplicar la precipitación medida en cada pluviómetro y al factor ponderador de área. Para el ejemplo, se obtuvo un valor de precipitación ponderada de 1351.747 mm, valor que está cercano al obtenido por el método del promedio aritmético. Método de las isoyetas. El método de los polígonos de Thiessen se aplica con mayor precisión a zonas con topografía suave o plana. En este sentido no tiene en cuenta las variaciones producidas por la orografía local, es decir los sistemas montañosos y valles que lo conforman, ya vimos que hay lluvias definidas por accidentes orográficos. Cuando se cuentan con regiones montañosas, se aplica el método de las isoyetas, es importante decir que una isoyeta es una línea curva que une los puntos que tienen igual valor de precipitación, en este sentido es análoga a las curvas de nivel. El procedimiento para el cálculo es el siguiente: 1. Por facilidad se puede partir de los triángulos construidos en el método de los polígonos de Thiessen. Se debe tener en cuenta el valor de precipitación de cada uno de los pluviómetros. 2. Se asume que la precipitación varía en forma lineal entre uno y otro pluviómetro, es decir sobre la línea que los une se puede trazar a intervalos regulares la curva que hace falta. 3. Se grafican las isoyetas. 4. Se calcula el área formada por dos isoyetas consecutivas ver Figura 20.

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En la figura anterior se muestran los valores de precipitación (entre paréntesis) de cada pluviómetro y las respectivas isoyetas. Lo que se hace a continuación es muy similar al caso anterior, se calcula el área entre dos isoyetas consecutivas y el ponderado de área. Para obtener la precipitación media de la cuenca, se multiplica el factor ponderador por la isoyeta promedia, que es la isoyeta promedia de las dos consecutivas a las cuales se les determinó el área ver Tabla 12.

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Lección 29. ANÁLISIS DE DATOS. Teniendo en cuenta que la mayoría de procesos estadísticos se comportan de forma totalmente aleatoria, es decir, un evento dado no está influenciado por los demás, se puede hacer uso de la estadística como herramienta de análisis de los mismos. Sin embargo, en este capítulo no se hará una presentación exhaustiva de fundamentos estadísticos, por lo que se sugiere al lector, recordar estos conceptos vistos en el curso de Probabilidad y estadística. A modo de resumen, podemos hablar que estadística es la disciplina encargada de la aplicación de métodos para recolectar, organizar, resumir, analizar y sacar información y conclusiones a partir de datos. Se define población como el conjunto que contiene la totalidad de los datos que se van a analizar. De esta población se pueden tomar partes para su estudio y análisis, dado que por su tamaño puede ser imposible majar todos los datos, a estas partes que se toman de la población se las denomina muestras. En este sentido se acostumbra tomar muestras aleatorias, esto quiere decir que es el azar el que decide que elemento compone cada muestra. Se aplica el muestreo aleatorio, ya que en términos generales las características obtenidas de la muestra, se acercan mucho a las de la población. Se define probabilidad de un evento A, como la posibilidad que este ocurra cuando se hace un estudio de una muestra. Cuando se analiza una población a través de una muestra, se hace énfasis en una o unas características específicas a las cuales les prestamos nuestra atención. A estas características objeto de estudio se las denomina variables aleatorias. De lo anterior puede entenderse que entre mayor sea la cantidad de datos que se tienen para analizar (muestra), mayor será la exactitud de las estimaciones que se hagan de ella y más cerca estarán de la población. ANÁLISIS DE FRECUENCIAS Y DETERMINACIÓN DEL PERIODO DE RETORNO. Debemos introducir acá el concepto de periodo de retorno, el cual se define como el número de años que deben transcurrir para que un evento de una magnitud dada sea igualado o superado. Como se trata de igualar o exceder un evento, el periodo de retorno está vinculado a la probabilidad de excedencia, es decir la probabilidad que tiene un evento dado de exceder un valor determinado, de la siguiente forma.

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Donde T, es el periodo de retorno [años]; P(X ≥x) , es la probabilidad de excedencia. De acuerdo a la teoría de probabilidad tenemos que:

Con lo que la Ecuación 27 queda:

Los valores de una serie de datos cuando tienen que ver con mediciones hidrológicas, se denominan series hidrológicas. Para su estudio estadístico, las series hidrológicas se pueden ajustar a una distribución de probabilidad. Una distribución de probabilidad se puede expresar como la probabilidad de ocurrencia de una variable aleatoria. Las distribuciones de probabilidad más comúnmente usadas son la Normal, la Lognormal, la Exponencial, la Gamma y la de Pearson. Para una discusión más profunda acerca de estas, le solicitamos al lector remitirse al módulo de probabilidad y estadística. SERIES HIDROLÓGICAS Las series hidrológicas estudiadas pueden ser de tres tipos: Series  completas. Es una serie compuesta por toda la información disponible. Estas generalmente tienen datos de mediciones diarias durante al menos 15 años. Series  parciales. Estas series se componen por aquellos datos que exceden un valor determinado, definido por el investigador. Estas series permiten analizar eventos especiales, por ejemplo, analizar el comportamiento de las lluvias con una intensidad mayor a 50 mm/h. Series  extremas. Este tipo de series está compuesta por los valores máximos o mínimos de la serie, durante el periodo de muestreo, siendo este tomado normalmente igual a 1 año. Para la evaluación de las series hidrológicas se utilizan básicamente dos formas: Directamente.  Este análisis implica el contar con todos los datos para ser analizados en conjunto. Si se posee una gran cantidad de datos, estos se agrupan

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en intervalos de clase. Si se poseen pocos datos, estos se analizan ordenándolos generalmente de mayor a menor (en esta forma se determina probabilidad de excedencia). La Probabilidad de excedencia se puede calcular cuando se tienen series de datos usando la Frecuencia relativa, la cual representa el número de éxitos dentro de la población. Cuando se cuenta con un gran número de datos y estos agrupados en intervalos de clase, la Frecuencia de excedencia se calcula como la diferencia entre la Frecuencia de excedencia y la frecuencia relativa. En este caso la primer Frecuencia de excedencia toma el valor de 1.00 y los demás valores se calculan mediante la diferencia comentada. Ejemplo 3. Calcular la Frecuencia relativa, la frecuencia de excedencia y el periodo de retorno en años para los datos de lluvias del mes de Junio, agrupados en los siguientes intervalos de clase.

La frecuencia relativa se calcula dividiendo el valor de la frecuencia entre el número total de datos. El periodo de retorno se calcula de acuerdo con la Ecuación 12. Lo que debe tenerse en cuenta, es que como los datos son del mes de Junio, para calcular el periodo de retorno en años se divide el valor por 30 días, dado que el año tiene 30 días. Los datos se presentan en la Tabla 14. Cuando no se cuenta con la serie completa, la probabilidad se puede calcular usando la Frecuencia de excedencia, esta se calcula por medios matemáticos de acuerdo a una distribución que asigna la probabilidad de acuerdo al número de datos y al orden en que se encuentra, estos valores de frecuencia se asignan sobre todo cuando los datos van a ser graficados.

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y por tanto importa su ubicación dentro de la serie de datos. En este caso podemos decir en términos generales que el valor de N, corresponde al número total de datos en la serie. El valor de r, representa el orden que ocupa el valor dentro de la serie, es decir, su posición relativa dentro de la misma. Ver Tabla 15 (Chow, 1994). Ejemplo 4. Calcular la Frecuencia de excedencia y el periodo de retorno en años para los datos de lluvias del mes de Junio, Que se presentan en la

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siguiente Tabla. Utilizar la ecuación de Weibull para calcular la Frecuencia.

Lo primero que hacemos es ordenar los datos de mayor a menor, esto nos permite calcular la frecuencia de excedencia. Luego usamos la Ecuación de Weibull, para el cálculo de la frecuencia de excedencia y obtenemos el periodo de retorno de acuerdo a la Ecuación 12. Ver Tabla 17. Indirectamente.  Este análisis implica el ajustar los datos a una distribución de probabilidad. En Colombia para el análisis de series hidrológicas se utiliza la distribución de Gumbel, también llamada distribución de valores extremos. Se llama distribución de valores extremos, porque generalmente se analizan los valores máximos o mínimos de la serie, por ejemplo cuando se analizan datos de precipitación o caudales de una fuente hídrica, puede ser interesante tomar los valores máximos de varios años, o por el contrario los mínimos, este análisis es muy común en aplicaciones de Ingeniería donde se deben tener en cuenta las condiciones extremas a la hora de realizar diseños. La distribución de valores extremos presenta tres variaciones, siendo la de tipo I, la más utilizada. Esta fue definida por Gumbel en 1941 y define la probabilidad que presenta un dato en particular de no exceder un valor determinado. Esta distribución presenta la siguiente forma:

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Donde a, es el parámetro de escalamiento y m, el parámetro de localización. Ambos parámetros de la distribución deben ser estimados usando métodos analíticos o bien métodos gráficos.

Método  gráfico. Para la determinación de los parámetros por el método gráfico, se sigue la siguiente metodología: 1. Obtener la muestra. 2. Ordenar los datos de menor a mayor, para obtener probabilidades de no excedencia. 3. Asignar probabilidad a cada uno de los valores. Para esto, se utiliza la Ecuación de Gringorten, que es la que más se adapta para la distribución de Gumbel. 4. Estimar el valor de la variable estandarizada de Gumbel. 5. Graficar lo datos de la variable estandarizada de Gumbel en el eje X y los de la muestra en el eje Y. 6. Obtener del gráfico los valores de los parámetros. Para estimar el valor de la variable estandarizada de Gumbel se procede de la siguiente manera:

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Podemos definir que:

Para definir la función de distribución de probabilidad derivamos la Ecuación anterior, lo que nos da:

Aplicando logaritmo natural a ambos lados tenemos:

De acuerdo a la Ecuación 14 tenemos que:

Despejando F(X), tenemos que:

Reemplazando este valor en la Ecuación 16 tenemos:

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Ejemplo 5. Obtener los parámetros de la distribución de Gumbel por el método gráfico, usando los datos del Ejemplo 4 y la Ecuación 17.

Los valores de P(X<x), se calcularon utilizando la Ecuación de Gringorten y los valores de “y” la Ecuación 17. Graficamos estos valores tomando los valores de “y” para el eje X y los valores de precipitación para el eje Y. Como solo se colocan los puntos, después se debe ajustar una recta a la nube de puntos para que sea más fácil determinar los valores de los parámetros. El programa Microsoft Excel permite ajustar una línea de tendencia a la nube de puntos, tal como se muestra a continuación.

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La Ecuación de la recta ajustada a la nube de puntos es de la siguiente forma:

Con base en el gráfico observamos que el valor de , es aproximadamente 71. Para calcular el valor de la pendiente ( ) tomamos dos puntos y usamos la siguiente ecuación:

Tomando los en el Eje X los valores de 1.000 y 0.000, observamos que los respectivos valores de Y, definidos por la línea de tendencia son: 125 y 71, respectivamente, aplicando la Ecuación (18), tenemos:

Luego la ecuación de la recta ajustada es:

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Por ejemplo para encontrar la precipitación para una lluvia con un periodo de retorno de 5 años, calculamos primero el valor de x usando la Ecuación 17:

Reemplazando este valor en la Ecuación de la recta tenemos:

Método  analítico. Para esto se aplica el método de los momentos que permite ajustar los datos a una distribución de Gumbel. Del proceso obtenemos los valores de y , en este apartado no se presentará el procedimiento para obtener estos valores, pero se recomienda al lector recordar estos conceptos en el Módulo de Probabilidad y estadística. Los valores de y son (Aparicio, 2004):

Donde X , representa el valor promedio de los datos y S, la desviación estándar. Recordar que el valor promedio de una serie de datos se calcula mediante la siguiente expresión:

El valor de la desviación estándar se calcula mediante la expresión:

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Ejemplo 6. Obtener los parámetros de la distribución de Gumbel por el método analítico, usando los datos del Ejemplo 4.

Los parámetros son:

Luego la Ecuación de la recta ajustada es:

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Para calcular la precipitación de una lluvia con un periodo de retorno dado se procede de forma análoga a lo descrito en el método gráfico. Por ejemplo para encontrar la precipitación para una lluvia con un periodo de retorno de 5 años tenemos:

Reemplazando este valor en la Ecuación de la recta tenemos:

Se observa que independientemente del método escogido el valor de la precipitación es muy similar. Este procedimiento se aplica de igual forma si lo que se está evaluando son los caudales de una fuente o la precipitación en un intervalo de tiempo. Análisis de frecuencias con fines de riego. En diversos cursos el lector ha visto la importancia del agua para las plantas, en especial en el curso de Riegos y drenajes, se profundiza en las formas de entregar el agua a las plantas en forma suficiente y oportuna, teniendo en cuenta la relación de estas con el suelo y la atmósfera. Sin embargo, en términos de producción agrícola y forestal no es suficiente solo saber la técnica del riego y el drenaje, es importante también para el profesional del sector agropecuario, el aprender a predecir cuanta será el aporte de agua atmosférica en un año determinado para una región específica, dado que si el año es seco, no habrá agua para aplicar a las plantas, por más que se dominen las técnicas antes mencionadas.

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Cuando se tiene una serie hidrológica con datos de precipitación anual y esta es relativamente pequeña, es decir, contiene menos de 30 años de mediciones, es muy riesgoso trabajar con el promedio multianual como indicador de la precipitación media de la zona. Para esto se define el índice de humedad, el cual maneja la frecuencia o probabilidad de excedencia de las lluvias para un año en particular de acuerdo a la siguiente forma: Un año seco, será aquel cuya probabilidad de excedencia sea del 80%, es decir en una serie multianual de precipitaciones anuales, el 80% de los valores estarán por encima de este. Por el contrario, un año húmedo será aquel con una probabilidad de excedencia del 20%, es decir aquel cuyo valor de precipitación anual, está por encima del 80% del resto, o dicho de otra forma, aquel en el cual el 20% de los demás valores son mayores. Con la serie de datos se define la ecuación de la recta que relaciona los valores de precipitación y la frecuencia o probabilidad de excedencia. Es decir se hace una regresión lineal entre estos valores. Lo que se busca en definir una ecuación de la forma:

Donde P, es el valor de la precipitación y F, el de la Frecuencia. Los valores a y b, son los parámetros de la ecuación los cuales se pueden calcular de la siguiente forma:

Ejemplo 7. Encontrar los valores de Precipitación para un año seco y uno húmedo, usando la siguiente serie de datos de precipitación anual.

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Lo primero que se hace, es ordenar los datos de mayor a menor para obtener la Frecuencia de excedencia, la cual se asigna usando la ecuación de Weibull, tal como se muestra en la siguiente Tabla, donde se presentan los demás cálculos necesarios para obtener los valores de los parámetros a y b.

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El valor de b está dado por:

El valor de a es:

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Luego la ecuación de la recta es:

La precipitación para un año seco (F=80%) será:

La precipitación para un año húmedo (F=20%) será:

De lo anterior encontramos que cuando se realiza el balance hídrico con el promedio (2479.4 mm), vamos a sobrestimar la oferta hídrica si el año en particular es seco (2028.92 mm) y a subestimarla si es húmedo (2929.88 mm). Lección 30. CURVAS INTENSIDAD, DURACIÓN Y FRECUENCIA (IDF). Las curvas IDF, son una técnica que permite obtener información de las lluvias esperadas en una región, teniendo en cuenta tres de sus variables más importantes: su intensidad, duración y frecuencia o tiempo de retorno. Esta técnica aunque antigua en su concepto, es muy vigente y de amplio uso en ingeniería, sobre todo para el diseño de obras hidráulicas y de gestión de recursos hídricos. Las curvas IDF, se presentan generalmente como un grupo de curvas, cada una de las cuales representa un período de retorno dado. En el eje X se tiene la duración del evento (lluvia) y en el eje Y, la Intensidad del mismo. Se debe hacer claridad que para poder utilizar esta técnica, se debe contar con una estación meteorológica cercana, la cual debe contar con mediciones hidrológicas de un periodo largo, ojala 30 años, necesariamente obtenidas con pluviógrafo, dado que lo que se analiza es el pluviograma.

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En términos generales para la construcción de una curva IDF, deben seguirse los siguientes pasos. 1. Determinar el periodo de registro con que se cuenta ([años]), entre mas largo mejor. 2. Para cada año seleccionar las 5 mayores lluvias (magnitud [mm]). 3. Para cada año, del pluviograma de las 5 lluvias seleccionadas, determinar la intensidad [mm/min], para los siguientes periodos de tiempo: 5, 10, 20, 30, 60, 120 y 360 minutos. 4. Para cada año y tiempo de observación, escoger la mayor intensidad de las mediciones de las 5 lluvias. 5. Convertir las intensidades encontradas en el paso anterior de [mm/min] a [mm/hora]. 6. Construir una Tabla donde se coloque en la primera columna los años de medición, seguido de columnas donde se colocan los valores de Intensidad, conservando una columna para cada uno de los periodos de tiempo seleccionados. 7. Calcular la probabilidad de estas intensidades usando la distribución de valores extremos o de Gumbel. 8. Para cada uno de los periodos de tiempo seleccionados y la probabilidad obtenida, obtener la ecuación de la recta que representa a esta nube de puntos. 9. Con las ecuaciones de las rectas, para cada duración, obtener los valores de intensidad máxima para 2, 5, 10, 20, 50 , 100 y 200 años. 10. Con estos datos, construir la curva IDF. Ejemplo 8. Calcular la gráfica IDF, para la serie de datos que hemos venido manejando en los ejemplos anteriores. Para esto aplicaremos la metodología recomendada. 1. Determinar el periodo de registro con que se cuenta ([años]), entre mas largo mejor. En este caso contamos con 25 años de mediciones, por lo que la longitud de la serie es aceptable. 2. Para cada año seleccionar las 5 mayores lluvias (magnitud [mm]). En este caso se debe seleccionar de entre todos los pluviogramas las cinco lluvias que presenten una mayor magnitud. 3. Para cada año, del pluviograma de las 5 lluvias seleccionadas, determinar la intensidad [mm/min], para los siguientes periodos de tiempo: 5, 10, 20, 30, 60, 120 y 360 minutos. En este caso por facilidad de lectura, lo mejor es construir la curva de masa de cada lluvia, aunque la práctica permite tomar en forma muy simple estos valores directamente del pluviograma. Vamos a analizar un evento para mostrar la forma

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de hacerlo, a partir de la curva de masa respectiva.

Se observa que la Gráfica anterior presenta una cuadrícula densa, separada cada 5 minutos en el eje X y cada 5 mm en el eje Y. A partir de este gráfico lo que debe hacerse es determinar la magnitud para cada uno de los periodos de tiempo determinados, por ejemplo para el de 5 minutos, se evalúa a partir de cero, donde la magnitud es cero, después en cinco, luego en 10 y así sucesivamente. En la siguiente Tabla se muestran por ejemplo los datos de magnitud para un periodo de tiempo de 30 minutos, basados en la Figura 22.

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4. Para cada año y tiempo de observación, escoger la mayor intensidad de las mediciones de las 5 lluvias. De acuerdo con la Tabla 22, la mayor intensidad para esta lluvia es de 0.67mm/h. 5. Convertir las intensidades encontradas en el paso anterior de [mm/min] a [mm/hora]. Para convertir mm/min a mm/h, basta multiplicar la primera por 60. 6. Construir una Tabla donde se coloque en la primera columna los años de medición, seguido de columnas donde se colocan los valores de Intensidad, conservando una columna para cada uno de los periodos de tiempo seleccionados. En la Tabla 23, se presentan los datos completos de una serie de datos de 25 años de longitud, con las cuales vamos a construir la curva IDF correspondiente.

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7. Calcular la probabilidad de estas intensidades usando la distribución de valores extremos o de Gumbel. Para asignar la probabilidad utilizamos la ecuación de Gringorten, con lo cual la Tabla 23 queda:

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8. Para cada uno de los periodos de tiempo seleccionados y la probabilidad obtenida, obtener la ecuación de la recta que representa a esta nube de puntos. Para obtener la ecuación de la recta para cada periodo de tiempo, usaremos el método analítico, mediante la Ecuación 19 y los datos de la tabla 23.

Las Ecuaciones de cada una de las rectas son:

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9. Con las ecuaciones de las rectas, para cada duración, obtener los valores de intensidad máxima para 2, 5, 10, 20, 50, 100 y 200 años. Para calcular los valores de intensidad máxima obtenemos primero el valor de la variable independiente en función del periodo de retorno. Por ejemplo para un periodo de 2 años tenemos:

Este valor se reemplaza en la Ecuación para cada uno de los periodos de tiempo. En la Tabla 35 se presentan los valores correspondientes.

10. Con estos datos, construir la curva IDF. Basados en la Tabla 25, graficamos cada una de las duraciones en el Eje X, contra los valores de intensidad máxima en el Y, lo que nos da:

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Con esta curva se obtienen fácilmente la intensidad máxima esperada para una duración y un periodo de retorno en particular. Por ejemplo se quiere saber cual es la intensidad máxima para una duración de 5 minutos y un periodo de retorno de 50 años. De acuerdo a la gráfica este valor corresponde a una lluvia con una intensidad máxima de 33.5 mm/h.

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ACTIVIDADES Con el propósito de identificar cuánto se progresó en el rendimiento académico, responda las siguientes preguntas de forma individual. 1. Analice la importancia del cálculo de la precipitación en una cuenca hidrográfica. 2. Describa los pasos a seguir para el cálculo de precipitación mediante el método de polígonos de thiessen. 3. Para el análisis de las precipitaciones es necesario definir antes algunas

variables importantes para su estudio, describa cuáles son. 4. Explique en que consisten las series hidrológicas.

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BIBLIOGRAFÍA. Aparicio, F. 2004. Fundamentos de hidrología de superficie. Editorial Limusa. México, 303 p. Ayllón, t. 1996. Elementos de meteorología y climatología. Editorial Trillas. México. Chow, V.; Maidment, D.; Mays, L.1994. Hidrología aplicada. Editorial McGraw-Hill. Bogotá, 584 p. Davis, S.; DeWiest, R. 1967. Hydrogeology. John Wiley & Sons. De Aranda, Gaspar. 1992. Hidrología forestal y protección de suelos. Editorial ICONA. Fetter, C. 1994. Applied hidrology. University of Wisconsin. Earlier editions. Oshkosh. Fiering, M. 1967. Streamflow synthesis. Harvard University Press. Cambridge. Gastó, Juan. 1977. Ecología : El hombre y la transformación de la naturaleza: Saltillo, México: Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro, 102 p. González, P. 1922. Hidrología general agrícola. Editorial Calpe, Madrid. INDERENA – ISA. 1982. Primer Congreso Nacional de Cuencas Hidrográficas. Medellín. León, J. 2001. Estudio y control de la erosión hídrica. Editorial Universidad Nacional. Medellín, 225 p. Márquez, Germán. 1997. Ecosistemas estratégicos para la sociedad: Bases conceptuales y metodológicas Medellín: Universidad Nacional de Colombia. Montenegro, H.; Malagón, C. 1990. Propiedades físicas de los suelos. Instituto Geográfico Agustín Codazzi. Bogotá, 813 p. Moore, W.; Morgan, C. 1969. Effects of watershed changes on streamflow. University of Texas Press. Austin and London. Parlange, M.; Hopmans, J. Press.

1999. Vadose zone hydrology. Oxford University

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Pérez, J. 1997. Manual de potabilización del agua. Editorial Universidad Nacional. Medellín, 509 p. Simmers, I.; Hendricks, J. Kruseman, G. 1997. Recharge of phreatic aquifers in semiarid areas. A. A. Balkema Publishers. Rotterdam.

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UNIDAD 3. EVAPORACIÓN, TRANSPIRACIÓN, INFILTRACIÓN Y ESCORRENTIA

INTRODUCCIÓN El ciclo hidrológico conlleva el movimiento constante del agua y cada una de las etapas definidas participa de forma dinámica. La percolación juega un papel fundamental pues coopera con el desplazamiento natural del agua para que ésta llegue al subsuelo y abastezca los acuíferos. La escorrentía superficial, se encarga de llevar a los acuíferos libres (acumulaciones de agua que tienen contacto con el aire), el líquido. El desplazamiento paulatino del agua permite que ésta llegue con cierta regularidad al mar donde, gracias a la acción del Sol, se pueda iniciar la evaporación. Las definiciones anteriores permiten comprender la complejidad del ciclo hidrológico. Sin embargo, la relación equilibrada del uso del agua también debe contemplar a los actores sociales (ya sean gobernantes, la población en general o la ciencia). De la interacción de todos depende el correcto aprovechamiento de los recursos hídricos. Aunque en la naturaleza existe el ciclo hidrológico por si sólo, el agua siempre ha desempeñado una función importante para el hombre, al incorporarla en sus actividades ha impactando constantemente los ecosistemas. La tercera unidad retoma los conceptos de evapotranspiración, escorrentía e infiltración, como los procesos complementarios al de precipitación, los cuales describen el flujo de agua a través del sistema suelo y su interacción con la producción agroforestal. Esta unidad está relacionada con el manejo y conservación del suelo dado que el agua es el principal agente erosivo que un Ingeniero Agroforestal debe aprender a manejar para asegurar la sostenibilidad de las explotaciones.

OBJETIVOS Adquirir habilidades en el manejo y gestión de las aguas superficiales tomando como referencia a la cuenca hidrográfica. Reconocer la relación directa existente entre el sistema suelo y el recurso hídrico.

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Aplicar los conocimientos adquiridos en la unidad, para el manejo y conservación del suelo y agua en la producción agrícola y agroforestal.

REFLEXIÓN 1. Que entiende por evaporación y transpiración? 2. Defina con sus propias palabras los términos escorrentía e infiltración. 3. Que factores pueden influenciar el proceso de escorrentía e infiltración del agua? 4. Como cree usted que se podría medir la evapotranspiración?

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CAPITULO 7. EVAPORACIÓN Y TRANSPIRACIÓN. Lección 31. GENERALIDADES SOBRE EVAPORACIÓN. Se puede definir evaporación como el proceso por el cual un líquido se convierte en vapor. En este caso el líquido es agua, la cual puede encontrarse en el suelo, retenida en la superficie o en la vegetación. En este sentido se puede definir el calor latente (L) como el calor necesario que debe aplicarse a un cuerpo para que sufra un cambio de fase. Para el caso de la vaporización se denota como (Lv) y se expresa como sigue.

En el caso del agua, el cambio de fase se producirá cuando esta alcance una temperatura por encima de 97 ºC, a partir de la cual se producirá la ebullición. Se debe hacer claridad en este momento en la diferencia entre evaporación y ebullición. Los dos conceptos implican el paso de un líquido a gas. En el caso de la evaporación, este proceso se desarrolla en forma pausada y se produce solo en la superficie del líquido. En la ebullición en cambio, el vapor se forma dentro de la masa de líquido, escapando rápidamente a la superficie del mismo, por lo que el cambio de fase se produce en forma tumultuosa. Los líquidos al igual que todos los cuerpos están compuestos por moléculas. En los líquidos en particular, estás moléculas están atraídas unas a otras con menor fuerza que en los sólidos, por eso su energía cinética es mayor, es decir vibran o se mueven más rápidamente. Al agregar energía al líquido (que puede ser de varias formas como el calor o la presión), sus moléculas se moverán cada vez más rápido hasta que las que se encuentran en la superficie pueden “saltar” a la atmósfera que rodea el líquido, al saltar se formará una capa muy delgada sobre el líquido, en la cual las moléculas ejercerán una presión sobre la superficie del líquido llamada presión de vapor. La energía cinética de las moléculas depende de la velocidad media o promedia de las moléculas, velocidad que a su vez depende de la temperatura del líquido, siendo las dos directamente proporcionales, es decir cuando aumenta la una aumenta la otra. En el caso de la evaporación, existirán moléculas que obviamente poseerán una velocidad mayor que la promedio, caso en el que si pasan cerca de

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la superficie del líquido, podrían saltar fuera del mismo gracias a esta. Al escaparse las moléculas más veloces, la velocidad promedio de las restantes disminuye, por lo que también lo hace su temperatura. Es por esto que la evaporación se define esencialmente como un proceso de enfriamiento, en este sentido, para evaporar 1 gr. de agua se necesitan aproximadamente 600 calorías. El salto de moléculas se da hasta que se produce un equilibrio entre las moléculas que saltan y las que son nuevamente recuperadas por la superficie del líquido, momento en el cual se habla de presión de vapor de saturación, el cual obviamente depende de la temperatura del líquido (o sea de que tan rápido se mueven sus moléculas). Esta presión de vapor de saturación se presenta en una pequeña capa sobre la superficie del líquido la cual es llamada capa límite. La capa límite se forma sobre todo líquido expuesto a la atmósfera, controlando la evaporación del mismo al generar un equilibrio entre las moléculas que se escapan del líquido y las que son nuevamente retenidas por el. De esto se deduce que para que un líquido se evapore no es necesario llevarlo hasta ebullición, sino solo aportar la energía necesaria para que las moléculas de la superficie den el salto a la atmósfera. El equilibrio en la evaporación se mantiene mientras la capa límite permanezca estable, es decir en cuanto la capa límite desaparezca o disminuya su espesor, nuevas moléculas saltarán del líquido para establecer un nuevo equilibrio. Lo anterior pone de manifiesto que la evaporación depende no solo de la energía cedida al líquido (normalmente por el sol) sino de otros factores que generalmente destruyen la capa límite, tales como el viento; la temperatura del aire, que aporta energía a las moléculas escapadas lo que puede hacerlas salir de la capa límite y finalmente la humedad del aire o humedad relativa, que influye el proceso de evaporación de una forma muy simple, dado que entre mayor sea el número de moléculas de agua en el aire, menor será la posibilidad de que nuevas moléculas salten desde la superficie del líquido. Para estudiar la evaporación, esta se ha agrupado en dos grandes categorías: Evaporación desde superficie libre y evaporación desde el suelo. Las dos categorías se ven igualmente afectadas por los factores antes mencionados, que definen básicamente la velocidad de evaporación. Evaporación desde superficie libre, hace relación a la evaporación que se produce en cuerpos de agua (ríos, lagos, mares, etc., siendo esta la que se produce en forma más fácil. En este caso el sol es que aporta la energía térmica necesaria para elevar la temperatura de la superficie de la masa de agua, incrementando la velocidad de sus partículas, permitiéndoles saltar a la fase gaseosa. Dentro de la evaporación desde superficie libre también se incluye la evaporación desde la superficie de las hojas y tallos de las plantas, del agua interceptada, es decir aquella parte de la precipitación que no llega al suelo, sino que se queda retenida en las plantas.

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La evaporación desde superficie libre se ve afectada por el tamaño de la fuente de agua, dado que entre mayor sea esta, el viento se va a saturar más rápidamente en su recorrido sobre el agua, impidiendo la remoción total de la capa límite. El segundo aspecto a tener en cuenta es la profundidad del agua, esto quiere decir que cuerpos de agua superficiales e calientan más rápidamente al sol que los más profundos, comenzando a evaporarse mucho antes. Evaporación desde el suelo, se entiende como aquella evaporación que se produce directamente de la superficie del suelo. Esta evaporación, normalmente es mucho menos que la que se presenta a superficie libre, debido a que en el suelo el aporte de agua no es continuo, tal como se da en las superficies de los cuerpos de agua. En estos casos el agua se evapora directamente desde los capilares del suelo y más concretamente desde los microporos, que es donde se encuentra almacenada. El proceso de evaporación, desde luego va secando la capa superficial del suelo, por lo que el agua sube por capilaridad, reaprovisionando los capilares, proceso que se mantiene hasta que haya aporte de agua Sin embargo, la evaporación desde los suelos se ve afectada por la vegetación y en general por la cobertura que tiene este. Se puede decir que los suelos cubiertos presentan menos evaporación dado que no alcanzan temperaturas altas que favorezcan el proceso. La vegetación al cubrir el suelo, favorece más el proceso de transpiración, el cual se explicará en el siguiente capítulo. Lección 32. MEDICIÓN DE LA EVAPORACIÓN. Todos los datos hidrológicos se miden como una lámina o altura. En este sentido, se miden como la altura que alcanzaría el agua sobre una superficie plana y horizontal, teniendo como condición que no se presentaran pérdidas (evaporación, infiltración, escorrentía, etc). Con base en lo anterior puede decirse que 1 mm, sería equivalente a la lámina que se formaría si se agregara 1 litro de agua a 1 m2 y esta no se evaporara. Debido a que la evaporación desde superficie libre es la más importante desde el punto de vista hidrológico ya que es la que mayor cantidad de agua evapora, los métodos de medición más comunes se basan en su funcionamiento, sin embargo se han desarrollado instrumentos para medir la evaporación del suelo, tanto en forma indirecta como directa. Para medir la evaporación desde superficie libre, se cuenta con tanques de evaporación o evaporímetros, los cuales están ubicados en las estaciones meteorológicas ubicadas a lo largo del país. El evaporímetro más utilizado en las estaciones meteorológicas es el de Tipo A, que consta de un cilindro exterior de 120.7 cm de diámetro y 25.5 cm de altura, ver Figura 24. Aunque los tanques estándar utilizados por el Servicio Meteorológico de Estados Unidos son construidos en acero galvanizado sin pintar, en el país se

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pintan de color blanco tanto interior como exteriormente. Interiormente a 5 cm del borde superior se pinta una franja amarilla de 5 cm de espesor, el agua siempre debe evaporarse dentro de esta franja, por esto la franja es la marca para comenzar la medición, es decir, el agua debe llevarse hasta que coincida con la parte superior de la franja, agregando agua si se ha evaporado o sacándola si ha llovido.

Interiormente el cilindro presenta un cilindro estabilizador, utilizado para aquietar la superficie del agua y facilitar la lectura de la lámina infiltrada. La medición de la cantidad de agua evaporada se hace a través de un tornillo micrométrico, que lleva adaptado un gancho en la punta, este tornillo siempre se ubica dentro del cilindro estabilizador. La medición se hace sumergiendo el gancho en la columna de agua y subiéndolo hasta que la punta rompa la superficie del agua, esto se conoce cuando en la superficie la punta del tornillo genera una burbuja, tomando posteriormente la medida en la escala graduada del tornillo y determinándose la lámina evaporada como la diferencia entre dos medidas consecutivas, ver Figura 25.

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Lección 33: ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN. Estos métodos se denominan teórico-empíricos, dado que son formulados basándose en mediciones periódicas del fenómeno y de la mayoría de los factores que lo afectan. Los dos métodos principales balance energético y aerodinámico se basan en la influencia tanto del viento como de la energía del sol sobre el proceso de evaporación.

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Balance energético. Este método toma como sistema de control al tanque evaporímetro, realizando un balance entre la energía aportada por el sol y el agua evaporada gracias a esos aportes. En este sentido se define como un flujo de agua desde la superficie del agua a la atmósfera. Aplicando la ecuación de continuidad para el volumen de control y después de integrar se tiene continuación (Chow, 1994):

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Donde E, es la evaporación o tasa de evaporación [m/seg]; Rn, es la energía térmica suministrada por el sol [W/m2]; Lv, es el calor latente de vaporización, en este caso del agua [J/kg];  w , es la densidad del agua [kg/m3]. Tanto la densidad del agua como su calor latente de vaporización dependen de la temperatura a la cual se encuentre esta. En la Tabla 26 se presentan valores para la densidad del agua en función de la temperatura. La siguiente expresión ayuda a calcular el calor latente de vaporización en función de la temperatura del agua continuación (Chow, 1994).

Donde Lv, es el calor latente de vaporización, en este caso del agua [kJ/kg] y T es la temperatura del agua [ºC]. Ejemplo 9. Calcular la evaporación dada en tanque Tipo A, en una zona con un valor de radiación solar de 300 W/m2, con una temperatura del aire de 20 ºC. Con base en la Tabla 3, w = 0.99823 gr/cm3, o lo que es lo mismo w = 998.23 kg/m3 De acuerdo a la ecuación 10, el calor latente de vaporización es:

La evaporación dada en el evaporímetro y por tanto la que se presenta en la zona es:

Estas unidades de evaporación no son fácilmente manejables por lo que hacemos una conversión quedando: E = 10.59 mm/día, siendo este un valor alto para la evaporación. Los valores promedios de evaporación oscilan entre 6 – 8 mm/día.

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Método aerodinámico. Este método se fundamente en la influencia que ejerce el viento sobre la evaporación al producir el arrastre o movimiento de la capa límite. Para este método también se utiliza el tanque evaporímetro, solo que además se mide la velocidad del viento en la superficie del agua y a una altura dada por encima, generalmente en la práctica se toma un valor de 2 m para esta variable.

La ecuación que describe la evaporación desde superficie libre por acción del viento fue desarrollada a finales de la década de los 30 del siglo XX por Thornthwaite-Holzman (1939), que se presenta a continuación (Chow, 1994).

Donde E, es la evaporación o tasa de evaporación [m/seg]; w, es la densidad del agua [kg/m3]; a, es la densidad del aire [kg/m3]; k, constante de von Karman, que normalmente es igual a 0.4; ea, es la tensión de vapor del aire [Pa] , la que puede calcularse de forma más simple como el productos de eas por la humedad relativa; eas, es la tensión de vapor de saturación [Pa]; v2, es la velocidad del viento a una altura dada [m/seg]; h2, es la altura a la cual se mide v2 [m] y h1, es la rugosidad del agua [m]. Ejemplo 10. Para las condiciones del Municipio de Venecia, Antioquia, calcular la evaporación por el método aerodinámico, sabiendo que Hr = 74%, una temperatura media de 20 ºC, una presión de 101 kPa, velocidad del viento de 2.5 m/seg a 3 m de altura y una rugosidad de 0.00025 m.

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La evaporación está dada por:

Para estas condiciones y convirtiendo unidades nos da una evaporación de 1.76 mm/día. Método combinado. Estos dos métodos por si solos dan una buena aproximación al valor real de la evaporación en una zona determinada. Sin embargo, en la práctica las dos formas de evaporación se presentan simultáneamente, por lo que puede ser complejo en ciertos casos escoger cual de las dos formas utilizar. Para obviar esto, se desarrollo un modelo que explica la evaporación incorporando tanto el método energético como el aerodinámico, el cual se muestra a continuación de forma simplificada (Chow, 1994).

Donde E, es la evaporación o tasa de evaporación [m/seg]; eas, es la tensión de vapor de saturación [Pa]; Lv, es el calor latente de vaporización, en este caso del agua [J/kg]; T, es la temperatura del aire [ºC]; Cp, es el calor específico a presión

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constante [J/kg*ºC]; Er, es la evaporación calculada por el método de balance energético [mm/día]; Ea, es la evaporación calculada por el método aerodinámico [mm/día]. Ejemplo 11. Con base en los resultados de los ejemplos 9 y 10, calcular la evaporación por el método combinado. De acuerdo a 12 tenemos:

Como se observa este valor de evaporación se aproxima más a lo que podría encontrarse en condiciones reales. Lección 34. GENERALIDADES SOBRE TRANSPIRACIÓN. Se puede expresar transpiración como el agua como el agua que sale de las hojas a la atmósfera circundante, en forma de vapor de agua. Esta agua interna de los vegetales que se pierde por estomas, cutícula o lenticelas. Se estima que de toda el agua que circula por la planta hacia la atmósfera, solo el 1% es convertida en biomasa (Salisbury y Ross, 1992). La transpiración se produce cuando el agua llega a la hoja y a sus espacios porosos, donde en contacto con el aire puede evaporarse y salir como vapor de agua a través de los estomas. Esto implica que el agua no solo se evapora en la superficie de la hoja sino también en su interior. El aporte continuo de agua desde la raíz a la hoja, genera lo que se llama corriente de transpiración, la cual beneficia al a planta ya que en ella pueden viajar varios minerales importantes para sus proceso metabólico. El objetivo de la transpiración, es decir el determinar el porque la planta transpira, es algo que inquietado a los biólogos y científicos del área agrícola, los cuales después de muchos años de experimentar han propuesto una teoría muy interesante según la cual, la transpiración es el proceso por el cual la planta intercambia energía con su medio. Este intercambio se realiza a través de energía térmica y en esencia esta evaporación parece que contribuye a mantener una baja temperatura de la hoja, durante el día, en el cual se encuentra expuesta a la radiación solar.

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Nuevamente el sol es el encargado de suministrar la energía para el proceso, al calentar la superficie de la hoja, esta temperatura incrementa la oscilación de las moléculas de agua que llegan a sus espacios porosos y puede permitir que algunas salten a la atmósfera como vapor de agua. En el capítulo anterior habíamos hablado que este salto disminuye la velocidad promedio de las partículas que quedan y por tanto su vibración. Como esta vibración es directamente proporcional a la temperatura, la hoja experimenta un enfriamiento. Sin embargo, durante el día la hoja está expuesta a la acción de los rayos solares que aportan energía, por lo que este enfriamiento no es muy alto, sin embargo por mediciones realizadas se ha podido comprobar que la superficie de las hojas tienen una temperatura unos grados por debajo que la temperatura del aire que la rodea. Como vemos la transpiración está afectada por la radiación solar que determina la temperatura de la hoja. También se ve afectada por los vientos presentes, dado que estos contribuyen a remover la capa límite que se forma sobre la superficie de la hoja, incrementando la tasa de transpiración. El contenido de humedad del aire, puede evitar que las partículas de vapor de agua salten fácilmente, si esta es muy elevada, este contenido de vapor de agua presente en la atmósfera se denomina Humedad relativa, esta se expresa como el porcentaje de agua que hay en un volumen de aire atmosférico (0 – 100%). Finalmente el agua presente en el suelo y más concretamente su disponibilidad para la planta, condiciona la transpiración, ya que si esta no está disponible la corriente de transpiración disminuye hasta valores muy bajos, casi hasta detenerse. Los valores de transpiración no son constantes presentando variaciones. La más obvia es la variación diaria, generada por la puesta del sol, lo que elimina el aporte energético externo y por tanto la posibilidad que las moléculas incrementen su energía cinética. Se presenta también una variación anual debido a los cambios climatológicos y la alternancia de condiciones de invierno (alta Humedad relativa) y verano (alta radiación solar). En condiciones tropicales como la nuestra esta variación se presenta en la forma antes descrita, sin embargo en las regiones no tropicales, que están sometidas a estaciones los procesos de transpiración pueden verse detenidos durante el invierno, donde muchas plantas entran en un letargo fisiológico y las que no lo hacen disminuyen su actividad metabólica. Lección 35. MEDICIÓN DE LA TRANSPIRACIÓN Y EVAPOTRANSPIRACIÓN Los métodos para medir la transpiración son en su gran mayoría de uso en laboratorio. No se presenta un método fácil aplicación en campo, motivado esto por la dificultad de separar la transpiración de la evaporación en un terreno real.

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Métodos gravimétricos (lisímetros). Este método consiste en sembrar un grupo de plantas en un contenedor que idealmente debe contener el mismo suelo de las plantas en campo. La evaporación se determina midiendo el peso del contenedor, del cual una parte es el peso del propio suelo, el cual se determina al iniciar el experimento. Se considera que el resto del peso corresponde al agua contenida en este, aunque en realidad este también contiene el peso de las plantas, se considera que es muy pequeño y que por tanto casi toda la variación en el peso del suelo puede ser atribuida a la evaporación y transpiración. La evaporación se determina por uno de los métodos presentados en el capítulo anterior, con lo que el resto de la variación depende de la transpiración. Este método tiene el inconveniente que es muy difícil replicar exactamente las condiciones de campo. También, los lisímetros grandes son difíciles de transportar, sin embargo, es uno de los métodos más comunes para determinar los valores de transpiración. Otros métodos. Se cuenta con otros métodos de laboratorio para determinar la transpiración, tales como la celda de aislamiento, en la cual una hoja es encerrada herméticamente en un cámara, al la cual se le determina el valor de la humedad inicial y después de un intervalo de tiempo, la diferencia entre las humedades del intervalo representa la humedad, o sea el agua transpirada por la hoja en ese periodo. Después estos datos pueden ser extrapolados para la totalidad de la planta (Salisbury y Ross, 1992). Otro método aplicado para medir la transpiración es el método de flujo en los tallos, este método se fundamenta en la transferencia de calor en un líquido. Para esto se aplica calor a una sección del tallo y se mide la temperatura en un punto situado por encima. Además se va midiendo el tiempo en que la savia caliente llega al segundo punto. Tiempo que puede ser utilizado junto con el diámetro y el área de los capilares para estimar el flujo de agua en el tallo. En un párrafo anterior se mencionó que aproximadamente solo el 1% del agua tomada por la planta se convierte en biomasa, el resto se transpira. Por esto puede estimarse con buena aproximación el valor de flujo por el tallo e igualarlo al valor de la tasa de transpiración. Como se ve los métodos para medir la transpiración son experimentales y por tanto varían a medida que se hacen nuevos descubrimientos tanto en la técnica como en la fisiología vegetal. (Salisbury y Ross, 1992). Los valores de transpiración al igual que los demás datos hidrológicos se miden como una lámina o altura. Recordar que 1 mm, es equivalente a la lámina que se forma si se agrega 1 litro de agua a 1 m2, suponiendo que esta no se evapora ni se infiltra. Como se puede observar la tasa de transpiración o sea el agua consumida por las plantas y en términos más específicos por un cultivo, no en constante a lo largo del año. Esto explica que un cultivo necesita mayor aporte de agua en días largos, con alta luminosidad, altas temperaturas y vientos moderados. Al contrario

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requiere poco aporte hídrico en días cortos, nublados, fríos y con vientos muy suaves. MEDICIÓN DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN. Se define evapotranspiración como el agua que pierde el suelo por la acción conjunta de la evaporación y la transpiración. Como se trata de la medición conjunta de evaporación y transpiración, este parámetro esta igualmente afectado por los mismos factores que las afectan. En este sentido podemos hablar del contenido del agua del suelo como el primer factor que afecta la evapotranspiración ya que sin un adecuado suministro de agua esta puede descender casi hasta detenerse. El segundo es la temperatura que provee la energía necesaria para lograr el cambio de fase. El viento es importante al remover la capa límite alrededor de las hojas y la superficie del suelo y por tanto incrementar el valor de evapotranspiración. Se puede hablar de dos tipos de evapotranspiración: la real y la potencial. La evapotranspiración potencial (Eto), se define como la cantidad máxima de agua perdida por una zona con vegetación abundante que sombrea la mayor parte del suelo y que tiene un aporte de agua ilimitado. La evapotranspiración real (ETR), se define como la pérdida de agua del conjunto suelo – planta en las condiciones de campo. Esta considera que los cultivos se desarrollan en condiciones que distan mucho de ser óptimas, es decir, no tienen un aporte ilimitado de agua y no sombrean totalmente el suelo para disminuir la evaporación. Al valor de la evapotranspiración real también se lo conoce como uso consuntivo, que no es más que el agua total que consume un cultivo en particular y que utiliza para convertir en biomasa y para transpirar. Para medir la evapotranspiración se utiliza generalmente el lisímetro, en el cual ya no se separa el valor de la transpiración del de evaporación sino que se da consolidado. Este método se maneja exactamente que lo expresado para transpiración. La mayoría de los métodos para determinar la evapotranspiración son de tipo teórico-empíricos, es decir, se formula el modelo luego de evaluar por mucho tiempo las condiciones de campo. Estos tienen en cuenta las pérdidas por transpiración y evaporación reinantes en la zona, con lo cual algunos hacen énfasis en el método energético y otros en el termodinámico. Los más utilizados son: Método de Blaney-Criddle. Este es el método más simple para evaluar la evapotranspiración de una zona en particular, ya que su modelo solo depende de la temperatura promedio de la zona y del porcentaje de horas diurnas anuales, de acuerdo a la siguiente ecuación:

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Donde ETo, representa la evapotranspiración potencial [mm/día]; T, es el promedio de temperatura diaria para el periodo definido [ºC] y p, representa el porcentaje de horas diarias de luz o insolación en la zona [%]. Para la determinación de esta ecuación se recomienda que el período de medición no sea menor a un mes, para asegurar representatividad en los datos, ya que estos sufren grandes variaciones a lo largo del año, sobre todo el valor de p. En la Tabla 27, se presentan los valores más comunes de p. Ejemplo 12. Calcular ETo, para una zona ubicada en latitud Norte a 6º, con una temperatura promedio de 20 ºC. Lo primero que hacemos es hallar el valor de p, como no se encuentra en la Tabla 27 el valor de p para 6º latitud Norte, interpolamos entre los valores de 0º y 10º que si aparecen. En la Tabla 28, se presentan los resultados de los cálculos del valor de ETo para un año. De los resultados del ejercicio se observa que el valor de ETo no es constante a lo largo del año y que varía según lo hacen las condiciones climatológicas de la zona.

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Cuando se trata de cultivos comerciales, se busca el valor del uso consuntivo, o sea la cantidad de agua que el cultivo necesita para convertir en biomasa y transpirar. La siguiente ecuación expresa el valor del uso consuntivo.

Donde UC, es el uso consuntivo, cuyo valor es igual a la evapotranspiración real [mm/día] y kc es el factor de uso consuntivo (adimensional) y tiene que ver con el desarrollo del cultivo. En la Tabla 29 se presentan valores de kc para varios cultivos. Al calcular las necesidades hídricas de un cultivo se calcula primero ETo, tal como se hizo en el ejemplo 5, luego de lo cual estos valores se afectan por el valor de kc dependiendo del cultivo. El valor de kc se contrasta contra un cultivo de referencia, que en la mayoría de los casos es un pasto (gramínea), sembrado lo más densamente posible y con una altura de corte de entre 8 y 15 cm. Los cultivos que presentan un valor de kc con intervalo, quiere decir que este valor sufre variaciones significativas a medida que el cultivo se desarrolla y por las variaciones climáticas que sufre. En la Tabla 30, se presenta el cálculo de ETo para un cultivo de fríjol. Se escoge kc = 0.65. Los valores de ETR, se utilizan para realizar el balance hídrico del cultivo mes a mes y así determinar las necesidades de riego en cada momento, para obtener un desarrollo óptimo del mismo. Es importante anotar que un cultivo no necesita el mismo aporte de agua a lo largo de su desarrollo, por esto es importante monitorear el balance hídrico para asegurar las mejores condiciones posibles. El proceso se desarrolla tal y como se mostró en el Ejemplo 1. Método de Thornwaite. Este método desarrollado en 1944, también se definió en función de las temperaturas medias mensuales. Es un método simple que se

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adapta a diversas condiciones de latitud, sin embargo, se definió considerando días con 12 horas de luz y meses de 30 días. Está dado por la siguiente expresión (Monsalve, 1995):

Donde ETo, es la evapotranspiración potencial [cm/mes]; a e I, son índices que se calculan de acuerdo a la zona; c, es un factor de corrección de acuerdo a la latitud (ver Tabla 31).

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I se define como el índice de calor y está dado por la sumatoria de las temperaturas medias mensuales tal como sigue:

El superíndice a, de la ecuación 15, se define como una ecuación cúbica de la forma:

Como en la práctica los días no tienen 12 horas de luz y todos no tienen 30 días de duración, la ecuación 15 se afecta por el siguiente índice:

Donde N, es el número real de horas de luz diarias; D, es el número de días de cada mes. Con lo anterior, la ecuación 15 queda:

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Ejemplo 13. Calcular ETo, con los datos del Ejemplo 12 utilizando el método de Thornwaite. Como no encontramos el valor de c, para 6º latitud Norte, realizamos una interpolación para obtenerlo, de acuerdo a los datos de la Tabla 31. Ver Tabla 32. Luego calculamos los valores de a e I como sigue:

Como se observa en la Tabla 32, el método de Thornwaite, al estar desarrollado para las condiciones de Inglaterra, genera inconvenientes a la hora de calcular ETo para condiciones tropicales como la colombiana. Se observa la gran diferencia entre los métodos de Blaney-Criddle y de Thornwaite, para el cálculo de ETo. Método de Penman. Este método se recomienda para regiones donde se cuenta con una serie histórica de datos meteorológicos, esto es precipitación, brillo solar, velocidad del viento, temperaturas máxima y mínima, etc. El modelo desarrollado por Penman (1948) y modificado posteriormente para calibrar la ecuación a condiciones tropicales (Ecuación de Penman-Monteith), es en si mismo un método combinado. Esto quiere decir que involucra los efectos energéticos y aerodinámicos en la evaporación de una zona dada y está dada por la siguiente expresión:

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Donde Eto, es la evapotranspiración potencial [mm/día]; Rn, es la radiación neta que incide sobre la tierra, dada en su equivalente de evaporación [mm/día]; W, Índice relacionado con la temperatura; F, es la función relacionada con el viento; ea, es la tensión de vapor del aire [Pa] , la que puede calcularse de forma más simple como el productos de eas por la humedad relativa; eas, es la tensión de vapor de saturación [Pa]. La ecuación modificada de Penman, o sea la de Penman-Monteith, al ser un método combinado presenta una estructura similar a la ya descrita para la estimación de la evaporación por el método combinado. A continuación se presenta dicha ecuación.

Donde Eto, es la evapotranspiración potencial [mm/día]; ea, es la tensión de vapor del aire [KPa] , la que puede calcularse de forma más simple como el productos de eas por la humedad relativa; eas, es la tensión de vapor de saturación [KPa]; v2, es la velocidad del viento a 2 metros de altura [m/seg]; T, es la temperatura del aire a 2 m de altura [ºC]; Lv, es el calor latente de vaporización, en este caso del agua [KJ/kg]; Cp, es el calor específico a presión constante [KJ/kg*ºC]; Pa, es la presión atmosférica [KPa]; Rn, es la radiación neta en la superficie terrestre [MJ/m2*día] y G, es el flujo de calor en el suelo [MJ/m2*día].

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La radiación neta proveniente del sol, es un valor que se entrega para cada zona por parte de las estaciones metereológicas. El Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), construyo un mapa de radiación para Colombia, el cual se muestra En la Figura 26. El flujo de calor en el suelo puede ser determinado por la siguiente ecuación (Monsalve, 1995).

Donde G, es el flujo de calor en el suelo [MJ/m2*día]; Rn, es la radiación neta que llega al suelo [MJ/m2*día]; r, es el valor del albedo, el cual se define como el cociente entre la energía reflejada y la incidente, ver Tabla 33; n, es el número de horas de luz por día y D es el máximo número posible de horas de luz por día, ver Tabla 34.

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Ejemplo 14. Calcular ETo utilizando el método de Penman-Monteith, para el Municipio de Venecia, Antioquia (6º de Latitud Norte), sabiendo que Hr = 74%, una temperatura media de 20 ºC, una presión de 101 kPa, velocidad del viento de 2.3 m/seg a 2 m de altura y una rugosidad de 0.00025 m, con un valor de radiación

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solar de 300 W/m2. De lo anterior tenemos que: Rn = 300 W/m2, sabiendo que 1W = 1J/seg (1 día = 12 horas sol) Rn = 12.96 MJ/ m2*día Para 20 ºC, eas = 2337 Pa ea = eas*Hr, ea = 2337*0.74 = 1729 Pa Como no tenemos valores de D para 6º de Latitud Norte, interpolamos entre los valores de 5º y º10º. Asumimos que en la zona predominan los pastos, así que tomamos un valor de albedo de r = 0.085. En la Tabla 35 se presenta un resumen del cálculo de ETo.

De la Tabla anterior observamos que los valores de ETo son relativamente bajos, esto quiere decir que para condiciones tropicales, este método puede tener inconveniente, lo que ha sido la crítica principal al modelo.

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CAPITULO 8. INFILTRACIÓN Lección 36. GENERALIDADES. Se puede definir infiltración como el paso del agua desde la superficie del suelo al interior de este. Este es un proceso complejo en el cual intervienen varios factores, pero en forma simplificada se puede expresar que el agua el mueve verticalmente dentro de la matriz del suelo, siguiendo una trayectoria irregular, definida por la presencia de macroporos, esto es, aquellos poros que presentan un diámetro por encima de 0.5 mm, en la práctica estos llegan hasta diámetros de alrededor de 10 mm. Aunque los poros han sido estudiados ampliamente y su comportamiento depende de muchos factores, en este trabajo se conservara la clasificación más simple, es decir en macroporos y microporos, si el lector desea una discusión más profunda respecto al espacio poroso del suelo, puede remitirse al Módulo de Edafología. Los poros son formados en el suelo principalmente debido a la agregación de sus constituyentes (arena, limo, arcilla y materia orgánica) en elementos estables al agua que son difíciles de separar, a esta agregación se le denomina estructura. Se ha encontrado que los poros más grandes se encuentran en los puntos de contacto entre agregados, siendo estos los que permiten en mayor medida el paso del agua a través del perfil del suelo. Los poros se pueden generar además por la acción de los microorganismos del suelo, los cuales generan como productos metabólicos de desecho, sustancia húmicas, que favorecen la agregación del suelo. Otro factor importante, es la actividad de las raíces de las plantas, las cuales al crecer forman canales, los cuales quedan una vez ellas mueren y se descomponen. Esto nos indica que el suelo no es algo estable, sino algo dinámico que se modifica constantemente. El agua al llegar al suelo, penetra al suelo por los macroporos, sin embargo, también lo hace paulatinamente a los microporos o poros pequeños, los cuales son los encargados de almacenar el agua en el suelo, agua que después estará disponible para las plantas. Cuando el agua llega al suelo, genera 4 zonas claramente delimitadas: Zona  saturada. Esta es la zona más superficial, en la cual los poros están totalmente llenos de agua (tanto los grandes como los pequeños) gracias al aporte desde la superficie, esta zona aumenta su espesor a media que transcurre el tiempo, siempre y cuando no cese el porte externo de agua.

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Zona  de transmisión. Es aquella zona donde los macroporos están llenos de agua, es decir transportan el agua sobrante de los estratos superiores a los profundos. En esta zona, los microporos ya están llenos de agua. Zona  de humedecimiento. Esta es la zona donde los microporos están siendo llenados, gracias al agua transportada por los macroporos. El llenado de microporos en estratos profundos está ampliamente condicionada por la estructura, la textura (sobre todo por el contenido de arcilla) y por la presencia de diversos horizonte en el perfil. El lector recordará que la interfase entre dos horizontes en el perfil de un suelo, puede ser punto de acumulación de sales, lo que formara un horizonte endurecido, que retardará el paso del agua. Frente  de humedecimiento. Este corresponde al límite de avance del agua en el suelo. En la práctica se reconoce fácilmente por la diferencia de color entre el suelo seco y el húmedo. El agua penetrará en el suelo en función de varios factores tales como el contenido de partículas en suspensión. Entre mayor sea el contenido de partículas que arrastra el agua, más se va a retardar el proceso de infiltración, debido al taponamiento de los poros del suelo, en este caso es muy importante la vegetación que cubre al suelo, dado que lo protege del impacto de las gotas de lluvia y por tanto del desprendimiento de partículas que puedan ser arrastradas. La temperatura del agua juega un papel igualmente importante debido a la variación de la viscosidad con la misma. Recordar que la viscosidad del agua disminuye a medida que se incrementa la temperatura y a menor viscosidad el agua penetra más fácilmente la superficie del suelo. La infiltración inicialmente es muy elevada, debido a que los poros están vacíos, a medida que transcurre el tiempo y estos se van llenado, el valor de la infiltración decrece hasta un punto donde se vuelve constante, al valor de esta constante se la conoce con el nombre de infiltración básica. La infiltración básica es importante como concepto, dado que este es el valor que define el comienzo de la escorrentía. Es decir, si tenemos un suelo que ya tiene sus microporos saturados, por ejemplo en época de invierno, los macroporos serán los encargados de transportar el agua a través del perfil, siendo esta velocidad de infiltración básica, la máxima lámina que pueden transportar por unidad de tiempo. Si tenemos una lluvia con una intensidad mayor que el valor de intensidad máxima, los macroporos transportarán a través del perfil, el máximo que les sea posible. El sobrante, se escurrirá sobre la superficie del terreno, si este es inclinado o formará encharcamiento si este es relativamente plano.

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Lección 37. MODELOS DE INFILTRACIÓN. Varios autores han tratado de explicar en forma teórica el fenómeno de la infiltración. Entre ellos el primero de ellos que describió un modelo de amplio uso fue Horton quien en 1940, presento un modelo matemático al respecto:

Donde I, es la velocidad de infiltración [mm/h]; Ib, es el valor de la infiltración básica [mm/h]; Io, es la infiltración inicial; t, es el tiempo durante el cual se aplica agua al suelo y a, es una constante que depende del suelo y la vegetación.

Kostiakov, en 1932 propuso una ecuación empírica que ha sido ampliamente aplicada en la práctica del riego, debido a su simplicidad.

Donde I, es la lámina infiltrada [cm]; a, es el valor de la infiltración para el primer minuto [cm/min]; b, representa la tasa de infiltración (decrecimiento); t, es el tiempo durante el cual se aplica agua al suelo. Se han propuesto otros métodos para determinar en forma indirecta la infiltración, mediante la determinación de la escorrentía. Como posteriormente se presentará este concepto se dejan los métodos de cálculo de escorrentía para presentarlos más adelante. Lección 38. MEDICIÓN DE LA INFILTRACIÓN. Para la medición de la infiltración en campo el método más utilizado, debido a su simplicidad, es el de los cilindros concéntricos. El cual consiste en dos cilindros de acero con un diámetro de 32 y 50 cm, los cuales se clavan en el suelo a una profundidad de al menos 10 cm. Estos cilindros presentan un espesor de 3 mm. El extremo superior de los anillos se les hace una pestaña de aproximadamente 13 mm de longitud, para facilitar los golpes al introducirlos en el suelo. El extremo inferior se hace afilado para facilitar la penetración.

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El terreno donde se realiza esta prueba debe estar nivelado, con su superficie libre de arvenses que obstaculicen el normal desarrollo de la prueba. Al colocar los cilindros, se debe buscar que estos no dañen demasiado la estructura del suelo, lo que se consigue asegurándose que estos están verticales al momento de clavarlos Ver Figura 28.

Los cilindros deben quedar concéntricos. Para iniciar la prueba se llena con agua el espacio definido por los dos cilindros, para lo cual se deja infiltrar el agua 10 minutos. Pasado este tiempo se llena hasta una altura conocida el cilindro interno y se toman medidas de la lámina infiltrada a intervalos de tiempo regulares. Con estas parejas de datos se construye la gráfica Velocidad de infiltración Vs Tiempo, para obtener el valor de la infiltración básica. Es recomendable si el terreno es grande, ejecutar esta operación en varias partes para obtener un promedio de las mediciones y así minimizar las variaciones en la infiltración debidas a la variabilidad del suelo Ejemplo 15. Construir la curva de velocidad de infiltración Vs Tiempo con los datos tomados mediante los cilindros concéntricos. En la siguiente Tabla se presentan los intervalos de tiempo que tradicionalmente se manejan en las pruebas de infiltración.

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Lección 39. AGUA EN LA ZONA SATURADA Y NO SATURADA Se denomina zona saturada a aquella porción del suelo donde todos los espacios vacíos están ocupados por agua. El flujo en la zona saturada se lleva a cabo en un medio eminentemente poroso. Es importante desde el punto de vista de ingeniería ya que es el responsable de la recarga de acuíferos subterráneos y en zonas de ladera de los afloramientos de agua, comúnmente llamados nacimientos. Es importante definir el concepto de nivel freático, el cual puede explicarse en forma simple como el plano que representa la superficie de las aguas subterráneas. Es decir el nivel freático separa la zona saturada de la no saturada.

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Aunque esta transición no es tan delgada, sino que en realidad se presenta una capa relativamente delgada dentro de la cual el agua asciende desde el nivel freático al suelo no saturado encima de este gracias al fenómeno de capilaridad. El flujo en suelos saturados fue estudiado en detalle por el ingeniero francés Henry Darcy, quien luego de ser contratado por la ciudad de Dijon para que diseñara un sistema de filtros de arena para purificar el agua de la ciudad, presentó en 1856 una ecuación que describe el movimiento del agua en medios porosos, tales como el suelo saturado.

Donde V, es la velocidad del flujo en el medio poroso [cm/h]; H1 y H2, representa la carga hidráulica neta entre los puntos 1 y 2, o dicho de otra forma la energía potencial del agua [cm]; L, representa la distancia entre los puntos 1 y 2 medida a lo largo de la trayectoria de flujo [cm] y k, es el valor de la conductividad hidráulica [cm/h]. Es necesario hacer claridad entre los conceptos de permeabilidad y conductividad hidráulica, los cuales en algunas ocasiones han sido utilizados como sinónimos, aunque en realidad no lo sean. Permeabilidad.  Se refiere a la propiedad que tiene todo medio poroso y en este caso el suelo, de dejar pasar fluidos y en particular agua, a través de el. Este valor se ha utilizado normalmente como un referente cualitativo. Conductividad  hidráulica. Se define como la velocidad de infiltración que se presenta en un medio poroso saturado, la cual se expresa en forma cuantitativa. La conductividad hidráulica es una de las características del suelo más difíciles de evaluar en campo, debido a las variaciones que sufre este, tanto horizontal como verticalmente. Este valor es de amplio uso en la técnica del riego y drenaje, dado que condiciona el diseño de canales de riego y drenaje y la estimación de pérdidas de agua por infiltración. En términos de cultivos (tanto agrícolas como forestales), es importante determinar la profundidad y dirección de flujo del nivel freático. Para obtener esta información, se construye una red freatimétrica, la cual consiste en una red de pozos, excavados hasta encontrar el nivel freático. Se aconseja construir un pozo por cada 5 ha. Las mediciones de los pozos nos permiten construir dos tipos de gráficas: Isóbatas.  Esta gráfica es análoga al trazado de un mapa de curvas de nivel, solo que acá representa la profundidad del nivel freático. Con esto se determina claramente que puntos pueden sufrir problemas por exceso de agua e implementar en consecuencias las obras de drenaje correspondientes.

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Isohypsas.  Esta gráfica presenta las energía potencial que presentan las capas de agua subsuperficial. En este caso las líneas unen los puntos que presentan igual energía potencial, es decir igual altura con respecto al nivel del mar. Esta variación en la energía potencial, determina la dirección del flujo subsuperficial y por tanto la orientación del sistema de drenaje. Para una discusión más profunda acerca del drenaje de suelos se invita al lector a revisar el módulo de Riegos y drenajes. Aunque parecen que los dos conceptos son muy similares, cada uno tiene su particularidad. Observemos la siguiente Figura:

Vemos que los pozos 1 y 2, están construidos en un suelo que presenta la misma energía potencial en los dos lugares, es decir ambos pozos presentan la misma energía potencial. De esto inferimos que los pozos estarán sobre la misma isohypsa. Sin embargo, la profundidad de nivel freático en los dos pozos es diferente, siendo mayor la del pozo 2 que la del 1, entonces ambos pozos estarán sobre isóbatas diferentes. MEDICIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA En laboratorio, se utiliza el permeámetro, el cual consiste en un cilindro dentro del cual se introduce una muestra de suelo inalterada, luego de lo cual se hace pasar agua a través de el, tomando medidas del volumen de agua que pasa por intervalo de tiempo. El tipo más empleado es el permeámetro de cabeza constante, en el cual la altura del agua (carga hidráulica), sobre la superficie del suelo, permanece constante, tal como se muestra en la siguiente gráfica.

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Este tipo de permeámetros cumple la ley de Darcy

Donde V, es la velocidad de escurrimiento [cm/h]; H, representa la carga hidráulica neta entre los puntos 1 y 2 [cm]; L, representa la distancia entre los puntos 1 y 2 medida a lo largo de la trayectoria de flujo [cm] y k, es el valor de la conductividad hidráulica [cm/h]. Para realizar la prueba, se toma el cilindro del permeámetro y se deja hidratando por 24 horas, esto para garantizar flujo en condiciones saturadas. Luego se toman datos del volumen escurrido por unidad de tiempo. El valor de la conductividad hidráulica se obtiene de la fórmula de Darcy.

Como las mediciones de volumen escurrido contra tiempo se pueden expresar como un caudal, y teniendo en cuenta la ecuación del caudal tenemos que:

Reemplazando en la ecuación de Darcy tenemos:

Sabiendo que además el caudal se representa como el cociente entre el volumen y el tiempo tenemos:

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Donde k, es el valor de la conductividad hidráulica [cm/h]; v, es el volumen escurrido [cm3]; A, es el área del cilindro [cm2]; t, es el intervalo de tiempo medido [seg]; H, representa la carga hidráulica neta entre los puntos 1 y 2 [cm]; L, representa la distancia entre los puntos 1 y 2 medida a lo largo de la trayectoria de flujo [cm].

AGUA EN LA ZONA NO SATURADA. Cuando hablamos de flujo en la zona no saturada, nos referimos a la porción de suelo comprendida entre la superficie del terreno y la superficie del nivel freático. Esta porción de suelo es importante, dado que el flujo o movimiento del agua en esta zona es muy lento, dado que se realiza a través de los microporos, salvo obviamente en el caso de lluvias, donde los macroporos van a estar transportando agua sobrante. El agua contenida en los microporos es muy importante desde el punto de vista de la producción agrícola y forestal, dado que en esta zona es donde se concentran la mayor proporción de raíces y de donde la planta absorbe la mayor cantidad de agua. El almacenamiento de agua va a estar condicionado por muchos factores, entre los cuales tenemos, a la textura, que se puede definir como la proporción relativa de los componentes principales del suelo, que son arena, limo y arcilla. Dependiendo de la proporción relativa de estos elementos, se va a generar una porosidad que podríamos llamar característica. En los suelos arenosos, predominan los macroporos, por lo que el almacenamiento de agua es muy pobre. En los suelos arcillosos por el contrario, predominan los microporos, por lo que el almacenamiento de agua es abundante. Sin embargo, lo ideal sería contar con un suelo con una buena distribución de macroporos y de microporos. El lector recordará de su curso de edafología que la porosidad se expresa en función de las densidades real y aparente, tal como sigue.

Donde e, es el valor de la porosidad del suelo; da, es el valor de la densidad aparente del mismo [gr/cm3] y dr es el valor de la densidad real.

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El agua en la zona saturada se ha tratado de agrupar en categoría para su estudio desde tiempos remotos. Sin embargo, la primera clasificación ampliamente utilizada fue la que se definió en función de su aprovechamiento por parte de las plantas. En este caso, el agua del suelo se agrupó en tres categorías: Agua  higroscópica. Es toda aquella agua absorbida directamente de la humedad de aire y retenida por las partículas del suelo. Se caracteriza porque las raíces de las plantas no tienen la fuerza necesaria para tomarla. Esta agua está retenida por la matriz del suelo con tensiones que oscilan entre 31 y 10000 bares. Agua  capilar. Se define como toda aquella agua retenida y almacenada en los microporos del suelo. Esta agua es la sobrante de las capas superiores que va descendiendo muy lentamente por acción de la fuerza de la gravedad, pero que es retenida por acción capilar. Se estima que esta agua está retenida por tensiones entre 0.33 y 31 bares por la matriz del suelo. Agua  gravitacional. Esta es e agua que ocupa los macroporos, la cual por efecto de la gravedad se percola (infiltra profundamente, hasta llegar en muchos casos al nivel freático) en el perfil del suelo. La fuerza de tensión que ejercen las partículas del suelo sobre esta agua, es muy baja, presentando valores que oscilan entre 0 y 0.33 bares. La interfase entre estos grupos, genera una constantes de amplio uso en la teoría de riegos y drenaje. La primera constante se llama capacidad de campo, la cual está comprendida en la interfase entre agua gravitacional y agua capilar. Está definido como el agua que retiene el suelo después que este ha sido saturado y se ha dejado fluir toda el agua gravitacional, lo que en la mayoría de los casos ocurre 1 o 2 días después de haberse saturado. La segunda constante se denomina punto de marchites permanente. Se define como el contenido de humedad de un suelo por debajo del cual las plantas no pueden extraer agua sin deteriorarse. Estas dos constantes, generan la tercera, que se define como agua útil, la cual es el agua aprovechable por las plantas para realizar sus funciones metabólicas. Se expresa como la diferencia del contenido de humedad del suelo a capacidad de campo y a punto de marchites permanente.

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Aunque esta clasificación da una explicación al agua en la zona no saturada, es importante conocer el estado energético (termodinámico) de la misma y no solamente su estado estático y cuantitativo, dado que esta diferencia de energía entre dos puntos, es lo que genera el movimiento del agua en el perfil. Debido a esto surge el concepto de potencial de agua en el suelo, el cual reemplazo a la clasificación en términos del uso por las plantas. Se define potencial del agua en el suelo como el trabajo necesario para llevar una unidad de agua desde una posición estándar (en equilibrio), hasta un punto determinado. El potencial total del suelo se denota por la letra griega Psi (Y) y está compuesto por cuatro potenciales diferentes. El potencial de agua en el suelo, se puede medir de diversas formas tales como por unidad de energía [J/kg, erg/g], por unidad de presión [milibares, centibares, atmósferas] o por unidad de peso, el cual es el más utilizado en campo y expresa los potenciales como el peso de una columna de agua, para lo cual se determina solo la lámina de la misma, es decir los potenciales se expresan en unidades de longitud [cm]. En el perfil del suelo se tienen dos niveles de referencia con respecto a los cuales dar la medida de la lámina. El primer nivel de referencia es la superficie del terreno y el segundo la superficie del nivel freático. En la práctica cada potencial se puede referenciar a uno de estos niveles, lo cual se verá más adelante. Potencial gravitacional (Yg). Este potencial está dado por la atracción gravitacional que ejerce el centro de la tierra sobre los cuerpos y se manifiesta físicamente como el peso. Esta atracción produce un movimiento vertical desde la superficie a las zonas más profundas del suelo. El potencial gravitacional de un punto del suelo está determinado por su elevación con respecto a un nivel de referencia. Si el punto en particular está por debajo del nivel de referencia el potencial gravitacional será negativo y si está encima positivo.

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Potencial de presión (Yp). El potencial de presión en un punto determinado se define como el peso de la columna de agua por encima del mismo. Esto quiere decir que el potencial de presión solo existirá en puntos por debajo de la superficie del nivel freático. El potencial de presión se referencia siempre al nivel freático. Los puntos por debajo de este tendrán potencial de presión positivo y los ubicados en la superficie del nivel freático o encima de este tendrán potencial depresión 0. Potencial mátrico (Ym). El potencial mátrico del suelo, se define como el trabajo que debe realizarse para trasportar una cantidad de agua desde la superficie del nivel freático hasta un punto localizado por encima de este. Esto quiere decir que puntos por encima del nivel freático tienen potencial mátrico negativo y los que están en su superficie o por debajo tienen potencial mátrico igual a 0. El potencial mátrico se referencia siempre al nivel freático. El potencial mátrico es el resultado de la acción de las fuerzas de adsorción y capilaridad, es decir la fuerza con la fase sólida del suelo retiene y atrae el agua. Potencial osmótico (Yo). El potencial osmótico, se expresa como el movimiento del agua en el perfil del suelo causado por la diferencia en la concentración de sales. Este trabajo es importante desde el punto de vista de la fisiología vegetal, dado que condiciona el trabajo que debe ejercer la planta para tomar el agua del suelo. En la práctica la diferencia de concentración de sales entre dos puntos del suelo es tan baja que puede despreciarse, es decir se toma al potencial osmótico como igual a 0. El potencial toral en un punto del suelo está dado por la siguiente ecuación: (YT) = (Yp) + (Ym) + (Yg) + (Yo), pero en la práctica se tiene: (YT) = (Yp) + (Ym) + (Yg) Es importante hacer ver que si el potencial en todos los puntos del suelo es el mismo, el agua estará en equilibrio y por tanto no se moverá a loa largo del perfil. Por el contrario si es diferente, el agua se moverá de mayor potencial a menor potencial. Ejemplo 16. Se tiene un suelo con u nivel freático situado a 80 cm, no se produce flujo en ningún sentido, calcular los potenciales del suelo a 0, 30, 60, 80, 110 y 150. Tomar como referencia la superficie del terreno. Observamos que como el nivel de referencia es la superficie del terreno, todos los puntos van a estar por debajo del mismo. Esto quiere decir que los potenciales se calculan como sigue:

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El potencial gravitacional como se comentó, presenta valores negativos cuando los puntos están por debajo del nivel de referencia. El módulo del potencial corresponderá a la distancia medida entre el punto y el nivel de referencia, o sea la superficie del terreno. El potencial mátrico, presenta valores negativos en los puntos situados por encima del nivel freático. Su módulo corresponderá a la distancia medida entre el punto y el nivel freático. El potencial de presión, se referencia siempre al nivel freático, presentando valores positivos en los puntos por debajo del nivel freático. El módulo, corresponderá a la distancia medida entre el nivel freático y el punto. Finalmente, el potencial total, corresponderá a la suma de los potenciales para cada punto. La Tabla 37 presenta un resumen de los cálculos. De esta Tabla, observamos que el potencial total es igual para todos los puntos del suelo, esto quiere decir que no hay movimiento de agua dentro del perfil del suelo. Lección 40. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO. Para la medición de la humedad del suelo se tienen métodos de laboratorio y métodos de campo. Los métodos de laboratorio se caracterizan por que determinan directamente la humedad del suelo. Método  gravimétrico. Este método determina el contenido de humedad del suelo como el peso del agua dentro de la matriz del suelo. Se evalúa como la diferencia de peso entre una muestra de suelo húmeda y seca. Este método implica la recolección de la muestra del suelo, pesándola de ser posible en ese momento para determinar su peso húmedo. Luego se lleva al laboratorio donde se seca en un horno a 105 ºC durante 24 horas, momento en que es pesada nuevamente. La humedad de la muestra y por ende del suelo se determina como:

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Donde g  , corresponde a la humedad del suelo [%]; msh, corresponde a la masa de suelo húmedo [gr] y mss, corresponde a la masa de suelo húmedo [gr]. Método  volumétrico. Este método se relaciona con el anterior. Expresa el contenido de humedad del suelo en función del volumen que esta ocupa dentro de la matriz del suelo. Para su cálculo se determina el peso del agua evaporada durante el secado y luego su volumen.

Donde v, corresponde a la humedad del suelo [%]; msh, corresponde a la masa de suelo húmedo [gr]; mss, corresponde a la masa de suelo húmedo [gr]; mw, corresponde a la masa de agua en la muestra [gr]; dw, corresponde a la densidad del agua [1 gr/cm3]; Vw, corresponde al volumen de agua en la muestra [cm3] y Vs, corresponde al volumen de la muestra [cm3]. Los métodos de campo la determinan indirectamente fundamentándose en el concepto de potencial del suelo (más concretamente del potencial mátrico). Tensiómetro.  El tensiómetro es un aparato que responde a los cambios de humedad del suelo, por esto se utiliza para determinar indirectamente el contenido de humedad del suelo. El tensiómetro se compone de una copa cerámica, unida a un tubo hermético lleno de agua libre de aire. El tubo está unido generalmente a un vacuómetro, el cual se encarga de entregar la medida de la presión negativa al interior del tubo Ver Figura 33. El principio de funcionamiento se basa en la conductividad hidráulica en medios porosos. En este caso el medio poroso es una copa cerámica, la cual se pone en contacto con el suelo a una profundidad determinada, estableciendo un equilibrio hidráulico con el suelo luego de un tiempo determinado. Como el agua en el suelo se agota por efecto de la evapotranspiración, el agua al interior del tensiómetro pasa a través de la copa porosa y establece un equilibrio con el suelo adyacente a la misma. El volumen de agua que sale del tubo, genera un vacío al interior del mismo, que se mide gracias al vacuómetro. Esto quiere decir que cuando se desea establecer el potencial mátrico del perfil del suelo, se debe introducir un tensiómetro para cada punto que se desee medir, es decir a

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una profundidad diferente para muestrear todo el perfil. Cuando se mide directamente el potencial mátrico, el potencial total, se calcula de la misma forma vista anteriormente. Ejemplo 17. El agua se está evapotranspirando de un suelo que tiene un nivel freático a 40 cm de profundidad. El potencial mátrico fue medido directamente gracias a la colocación de tensiómetros a lo largo del perfil. Calcular los potenciales de presión, gravitacional y total para los puntos dados. Los potenciales de agua en el suelo se calculan de igual forma que lo mostrado en el Ejemplo 13. En la siguiente Tabla observamos que el potencial total es diferente en los puntos por encima del nivel freático, esto quiere decir que hay movimiento, en este caso vertical. El agua se mueve en el suelo de mayor potencial (-40 cm) a menor potencial (-100 cm), es decir desde la superficie del nivel freático hasta la superficie del suelo. Este movimiento se da por capilaridad y es debido a la matriz del suelo (Potencial mátrico). Observar que bajo la superficie del nivel freático no cambia el potencial, por tanto no hay movimiento vertical. Vimos en el Capítulo anterior como se determina el movimiento lateral o flujo del nivel freático.

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Bloques  cerámicos, bloques de yeso o bloques de resistencia eléctrica. Esta forma para medir la humedad del suelo, se fundamente en la propiedad que tiene el agua de conducir la corriente eléctrica. Bouyoucos y Mick en 1940, introdujeron dos electrodos en un bloque de yeso, encontrando que la conductividad eléctrica variaba con el contenido de humedad. El contenido de humedad se determina calculando la resistencia eléctrica entre los dos electrodos por medio de un puente de Wheatstone modificado. El funcionamiento de estos es similar al de los tensiómetros, se introduce el bloque de yeso en el suelo, donde este entra en equilibrio hidráulico con el suelo, procediéndose luego a determinar la humedad del mismo.

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CAPITULO 9. ESCORRENTIA Lección 41. GENERALIDADES. Hemos visto la forma en que el agua se mueve a lo largo de una cuenca hidrográfica, esta cae por efecto de la precipitación, una parte es retenida por la vegetación, otra parte se infiltra y otra parte se escurre. Con base en esto podemos definir escorrentía como el flujo de agua que no es infiltrada en el suelo ni retenida por este. En términos edafológicos, podemos decir que la escorrentía corresponde aquella fracción de la lámina aportada por una lluvia, que excede el valor de la infiltración básica. Recordamos del capítulo de infiltración, que la infiltración básica es el menor valor de infiltración, el cual se alcanza cuando los microporos están saturados, es decir el suelo se encuentra a capacidad de campo. En este escenario, el agua se mueve por el perfil del suelo solamente vía macroporos. El primer síntoma que el suelo ha alcanzado el valor de infiltración básica es que las depresiones del mismo comienzan a llenarse de agua. Luego de suceder esto el agua comienza a escurrirse sobre la superficie del suelo. En la siguiente Figura observamos el encharcamiento producido en un andisol durante una lluvia muy fuerte.

En términos edafológicos, se puede expresar que cuando el suelo alcanza su capacidad de campo, es decir, cuando sus microporos están llenos de agua y el exceso de esta se moviliza por los macroporos (se ha alcanzado el valor de infiltración básica), la cual puede expresarse como sigue:

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Donde e, corresponde a la porosidad total del suelo, expresada en porcentaje; m, corresponde al valor de los macroporos en el suelo [%] y Cc, es el valor de capacidad de campo [%]. La escorrentía presenta tres vías claramente diferenciadas: Escorrentía  superficial. Se le denomina escurrimiento directo. Es la escorrentía que más rápidamente llega a la salida de la cuenca. Ya se dijo que esta depone de la infiltración básica, sin embargo, en campo se ha observado que suelos cubiertos con vegetación arbórea no presentan valores tan altos de escorrentía, mientras que los suelos cubiertos por pasturas y cultivos, presentan valores de escorrentía relativamente altos (Ver Figura anterior). La escorrentía superficial agrupa dos formas de escorrentía. La primera es aquella que se produce directamente sobre la superficie del suelo debido a sus propiedades físicas y volumétricas. La segunda es la que se produce cuando el agua escurrida llega a un cauce temporal (aquel que desaparece entre dos lluvias consecutivas). A este tipo de flujo se lo denomina flujo en canales. El flujo en canales, se denomina flujo lateral, dado que el agua al llegar a este canal comienza a fluir en forma casi perpendicular al flujo que traía anteriormente. Este flujo es un símil del que se produce en el talweg. El análisis de flujo en canales implica el uso de modelos y ecuaciones de hidráulica tales como la de Manning las cuales se apartan del contenido del curso. Si el estudiante desea profundizar en este aspecto, puede apoyarse en un texto de hidráulica de canales. Cuando la pendiente del terreno es muy baja o el suelo es poroso, como aquellos que tienen textura arenosa, a medida que el agua circula por la pendiente se va infiltrando en el terreno, en este caso se dice que se presenta una escorrentía superficial con pérdidas.

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Escorrentía  subsuperficial. Se dice que se presenta escurrimiento subsuperficial cuando el agua que se infiltra en la superficie del suelo, se escurre lateralmente en forma casi paralela a la superficie del suelo. En este caso hablamos de un flujo en condiciones no saturadas, por lo que se cumple la Ley de Darcy para flujo en condiciones no saturadas, que tiene la siguiente forma:

Donde V, es la velocidad del flujo en el medio poroso [cm/h]; H1 y H2, representa la carga hidráulica neta entre los puntos 1 y 2, o dicho de otra forma la energía potencial del agua [cm]; L, representa la distancia entre los puntos 1 y 2 medida a lo largo de la trayectoria de flujo [cm] y kc, es el valor de la conductividad hidráulica no saturada o conductividad capilar, la cual depende de la humedad volumétrica del suelo [cm/h]; r, es la densidad del agua [gr/cm3]; h, es la viscosidad del agua [N.seg/m2], estas dos propiedades dependen directamente de la temperatura; g, es la fuerza de la gravedad [m/seg2] y  v , es el valor de la humedad volumétrica, expresado en decimal. El movimiento de la escorrentía subsuperficial, además de los aspectos edafológicos, se ve influenciado por los topográficos. Es decir, si el terreno es plano, el flujo será netamente vertical a lo largo del perfil del suelo, es decir flujo en zona no saturada, hasta llegar en algunos casos al nivel freático (flujo en zona saturada). Si el terreno es inclinado, el flujo tenderá a seguir una trayectoria oblicua, siguiendo casi la superficie del suelo, hasta llegar a un cauce. Por esto se le denomina flujo de retorno rápido, dado que llega relativamente rápido a los cauces, obviamente esta velocidad estará influenciada por la conductividad hidráulica del suelo, contando en términos generales que los suelos de textura pesada (arcillosos) presentan una velocidad de escorrentía subsuperficial mucho menor que los suelos de textura liviana (arenosos). En época de lluvias, este flujo es uno de los responsables de la aparición de corrientes intermitentes (es decir que solo aparecen en invierno).

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Escorrentía  subterránea. Se dice que hay escorrentía subterránea cuando el flujo de agua ocurre en forma casi vertical hasta llegar al nivel freático, por este motivo se la denomina flujo base. Este movimiento se cumple en condiciones de flujo no saturado, en la zona no saturada y en condiciones de saturadas al llegar al nivel freático. Por lo tanto se cumple la Ley de Darcy en todo momento. Esta escorrentía es muy importante debido a que es la responsable de la recarga de acuíferos, es decir de mantener la profundidad del nivel freático a un nivel constante. De lo expuesto anteriormente podemos deducir que para que el flujo llegue hasta el nivel freático, se necesita que el perfil de suelo ubicado sobre este, llegue a unas condiciones de saturación de microporos, es decir que el suelo se encuentre a capacidad de campo, para que paulatinamente los macroporos evacuen el exceso a estratos más profundos. En este sentido, la escorrentía subterránea está muy asociada a los procesos de infiltración y de percolación profunda.

Retomando el concepto de potencial, podemos decir que inicialmente, la escorrentía subsuperficial y la subterránea están controladas por el potencial mátrico, quien rige la velocidad de movimiento de agua. A medida que un estrato cada vez más profundo se humedece, el potencial mátrico decrece y el proceso comienza a ser gobernado por el potencial gravitacional. En este momento el

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movimiento del agua en el estrato alcanza su menor velocidad, valor que corresponde a la conductividad hidráulica del suelo (k) Lección 42. MEDICIÓN DE CAUDALES La escorrentía, en términos hidrológicos, es la responsable de la variación de los caudales de las fuentes hídricas. Por esto es importante tomar lecturas de los caudales a intervalos regulares de tiempo, para poder relacionarlos con las precipitaciones caídas en la cuenca. Para medir el caudal de una fuente se tienen métodos directos o indirectas. Métodos directos. En estos métodos el caudal se determina por medición directa en la fuente el caudal total de la misma. Molinete  o correntómetro. En términos simples, un molinete consiste en una hélice que gira impulsada por la velocidad de la corriente. Esta hélice viene calibrada de tal forma que su velocidad angular indica mediante una Tabla, la velocidad de la corriente de agua. Para la medición de la velocidad de la cuenca, se divide el cauce en secciones en lo posible de igual ancho (en teoría por una sección en particular no debería pasar más del 10% del caudal total, pero a veces esto en la práctica no es posible). La velocidad se mide con el molinete a una profundidad de 0.2h, 0.6h y 0.8h, donde h, representa la profundidad total de la sección. Se estima que para fuentes poco profundas, esto es, con menos de 60 cm, la velocidad se puede medir solamente a 0.6h, en la cual se encuentra la velocidad promedia de la corriente. Con estas mediciones, se calcula la velocidad promedia de la corriente en cada sección, obteniendo el caudal como el producto entre la velocidad y el área.

Ejemplo 18. El aforo de una fuente de agua arrojó los datos consignados en la Tabla, las secciones se tomaron de 30 cm de ancho cada una.

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Lo que hacemos es calcular el caudal de cada sección, como el producto de la velocidad de la corriente por el área de la sección. El área de la sección, se asemeja a un rectángulo y por tanto su área será base por altura. El caudal total se obtiene sumando los caudales parciales obtenidos para cada sección. En la siguiente Tabla se presentan los cálculos correspondientes.

Aforos  químicos. En este tipo de aforos, se vierte un químico o un colorante que puede ser medido con un instrumento, mediante la determinación de la concentración de la sustancia en un punto determinado. Este tipo de aforos son relativamente prácticos, aunque suponen que el caudal del río no varía entre el punto de incorporación de la sustancia y el punto de medida, por lo que debe garantizarse que esta distancia no sea muy larga para evitar el aporte de tributarios. El primer tipo de aforo químico, implica el aporte constante de una pequeña cantidad del químico con una concentración determinada, midiendo aguas abajo la concentración de la sustancia luego de la dilución. Por la ecuación de continuidad, sabemos que el total de sustancia aplicada a la corriente permanece constante, solo varía su concentración, lo cual esta dado en función del caudal total. El caudal se determina de la siguiente forma:

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Donde Q, es el caudal de la fuente; q, es el caudal de la sustancia agregada a la fuente; Co, es la concentración inicial y C1 la concentración final. El segundo tipo de aforo químico, consiste en el aporte único de una cantidad de la sustancia indicadora, midiendo luego a intervalos regulares de tiempo, la variación de la concentración aguas abajo. Esto requiere de fuentes turbulentas que permitan la dispersión de la sustancia en todo el caudal. El caudal total se determina de la siguiente forma:

Métodos indirectos. El caudal se determina en forma indirecta a través de la medición de la altura del agua en un punto donde se conozca la velocidad. El primer método consiste en la utilización de un limnígrafo, que no es más que un flotador que unido a una plumilla permite llevar un registro de la variación de la altura de la fuente en un intervalo de tiempo. Este gráfico es similar al que genera un pluviógrafo. Este método es uno de las más antiguas formas de determinar el caudal de un río, ya en tiempos de los egipcios se utilizaba este método para predecir las crecidas del Nilo. El segundo método consiste en hacer pasar la corriente a través de un vertedero, el cual mediante la altura del agua sobre la estructura permite la determinación del caudal. Este proceso es exactamente igual a los vertederos utilizados en riegos y drenajes para evaluar el caudal de riego. Lección 43. RELACION LLUVIA ESCURRIEMIENTO. En el capítulo anterior se presentó una descripción de la forma en que el agua se mueve tanto en la superficie como al interior del suelo. Para esto se desglosó la escorrentía en sus componentes básicos, sin embargo, en la práctica estas formas de escorrentía se relacionan en forma tan estrecha que puede ser difícil separar una de la otra. Para el análisis hidrológico no es tan importante analizar cada tipo de escorrentía por separado, sino evaluar la forma en que una cuenca en particular responde a una precipitación. En este sentido, se busca determinar la rapidez con que la escorrentía llega al punto de desagüe de la cuenca, dado que esto determina la variación del caudal y por tanto la probabilidad de sufrir crecidas catastróficas.

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Lección 44. HIDROGRAMAS Para el análisis del la variación de los caudales debido a la escorrentía se utiliza le hidrograma. El hidrograma se define como la gráfica que relaciona la variación del caudal de una fuente a medida que transcurre el tiempo. Se tienen dos tipos principales de hidrogramas. El hidrograma anual, registra las variaciones de caudal de una fuente, para un periodo de tiempo de un año, como muestra la siguiente Figura.

Cuando se tiene un hidrograma como el de la figura 39, se puede calcular el volumen de agua que transcurre por el cauce, midiendo el área bajo la curva del hidrograma. El segundo tipo de hidrograma, se llama hidrograma para un evento, el cual muestra el comportamiento del caudal para una precipitación o tormenta en particular. Este hidrograma tiene la forma que se muestra en la Figura 40. En esta Figura observamos varios puntos representativos. El punto A, se denomina punto de levantamiento y corresponde al momento en el que la escorrentía comienza a llegar al punto de salida de la cuenca. El punto B, se llama caudal pico y es el máximo caudal que genera la escorrentía, es importante con fines de diseño, dado que condiciona el tamaño de las obras hidráulicas de control. El punto C, denominado punto de inflexión, representa el momento en el cual termina la escorrentía superficial, es el comienzo de la curva de vaciado, es decir el tiempo que demora en salir de la cuenca el agua aportada por la lluvia. El punto D, representa el final de la escorrentía directa. El tiempo base indica el tiempo total que se produce escorrentía. El tiempo de crecida indica el tiempo transcurrido

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desde el inicio de la escorrentía hasta el momento en que se alcanza el caudal pico.

Es importante definir que porción de la escorrentía es flujo directo (escorrentía superficial) y cual es flujo base (escorrentía subsuperficial). Para hacer esto se prolonga la curva de vaciado, a partir del punto A, hasta encontrar la prolongación vertical del caudal máximo, uniendo luego este punto con D, tal como se muestra en la siguiente Figura. Introduciremos acá el concepto de tiempo de concentración (tc), el cual redefine como el tiempo que transcurre, para que el agua que cae en el punto más alejado de la cuenca fluya hasta la salida. Existen varios modelos matemáticos para calcularlo, pero presentaremos acá el de California (culverts practice), definido en 1942.

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Donde tc, corresponde al tiempo de concentración [min]; l, corresponde a la longitud máxima de recorrido de la cuenca [m] y H, la diferencia de elevación entre el punto más alto de la cuenca y el desagüe o salida [m]. Existen varios métodos para determinar el caudal que genera la escorrentía debida a una lluvia en particular, presentaremos los más aplicados en la actualidad. Método  racional. Es probablemente el modelo más antiguo de predicción de caudales debido a escorrentía, numerosos autores lo ubican a finales del siglo XIX. A pesar de su sencillez, este método es todavía ampliamente utilizado para el diseño de estructuras hidráulicas. Sin embargo, para cuencas hidrográficas, se recomienda su utilización para áreas menores a 100 ha.

Q, es el caudal debido a escorrentía [m3/seg]; C, es el coeficiente de cobertura; A, es el área de la cuenca [ha] e I, es la intensidad máxima de la precipitación para una duración equivalente al tiempo de concentración de la cuenca [mm/h]. Este valor se obtiene del diagrama IDF. El valor del coeficiente de escorrentía, es uno de los más difíciles de determinar, sin embargo se pueden dar los siguientes valores indicativos:

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Como la mayoría de las cuencas hidrográficas poseen áreas ocupadas por los tres elementos anteriores, se calcula un coeficiente de escorrentía que tenga en cuenta lo anterior:

Donde los subíndices B, C y P, corresponden a Bosques, Cultivos y Pastos. Hidrograma  unitario. Este método fue definido por Sherman en 1932 y define el hidrograma unitario de una cuenca como el hidrograma que produciría la escorrentía directa, al contar con una precipitación unitaria, con una duración determinada. Por ejemplo una lluvia de 1 mm en 1 hora, o una lluvia de 1 mm en 2 horas. El hidrograma unitario, presenta dos propiedades fundamentales, el principio de aditividad y el principio de afinidad. El principio de afinidad, implica que si se cuenta con el hidrograma unitario para una cuenca, se podrá construir el hidrograma para cualquier precipitación, simplemente multiplicando las ordenadas por el valor de precipitación que se quiere obtener. Por ejemplo si se tiene el hidrograma unitario de la cuenca, es decir el producido por una precipitación de 1mm durante una hora y se quiere obtener el hidrograma producido por una precipitación de 3 mm en una hora, solo basta con multiplicar “por tres” las ordenadas del hidrograma unitario.

El principio de aditividad, indica que si se cuenta con el hidrograma unitario y se quiere obtener el hidrograma de una lluvia unitaria pero con una duración diferente, bastará con graficar el número de hidrogramas unitarios de la nueva duración a determinar y sumar las ordenadas de los puntos. Es decir, por ejemplo se quiere obtener el hidrograma para una precipitación de 1 mm en 4 horas, para

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esto se grafican cuatro hidrogramas separados por 1 hora (hidrograma unitario).

Para realizar el gráfico anterior, por ejemplo en Excel, se colocan los valores del hidrograma unitario, separados por una fila, es decir, los valores se colocan en escala. Finalmente se suman las filas para obtener los datos del hidrograma buscado. Ver Tabla siguiente.

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En la vida real, sin embargo, las lluvias no vienen dadas por un hidrograma total, sino que la intensidad varia por intervalos. Supóngase por ejemplo que se cuenta con una lluvia con los siguientes datos:

Lo que se hace es calcular el hidrograma unitario, para cada una de las láminas dadas en la Tabla anterior. Observar que la duración de cada precipitación es de una hora, por lo que se sigue el mismo procedimiento mostrado anteriormente. Los hidrogramas calculados, se muestran en la siguiente Gráfica. Se tomo como hidrograma unitario el mismo de los ejemplos anteriores.

Ahora lo que se hace, es colocar los hidrogramas en orden, separados por un intervalo de una hora y determinar la suma de las filas para calcular el hidrograma final.

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Hidrograma  en S o curva S. El hidrograma en S, representa el hidrograma que se obtendría si en la cuenca lloviera indefinidamente la lámina unitaria con la que se calculo el hidrograma unitario, es decir, si lloviera 1 mm en forma indefinida. Para la construcción del hidrograma en S, se aplica el principio de aditividad, con lo que se pueden generar hidrogramas para diversos intervalos de tiempo. La bondad del hidrograma en S, es que permite construir hidrogramas para otras duraciones, es decir, supongamos que tenemos un hidrograma para una duración de 2 horas y queremos obtener un hidrograma para 5 horas. Como se ve las dos duraciones no son múltiplos, por lo que no pueden utilizarse los principios de afinidad y aditividad. En este caso lo que se hace es lo siguiente. 1. Obtener el hidrograma en S. 2. Se desplaza el hidrograma en s de acuerdo al número de horas que se quiere obtener el nuevo hidrograma. 3. Se restan los valores de los dos hidrogramas. 4. Se multiplica la resta anterior por el cociente del número de horas original sobre el tiempo deseado.

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Ejemplo 19. Calcular el hidrograma para 1 mm/5h, con base en el hidrograma 1 mm/2h, que se presenta a continuación.

Con base en las recomendaciones tenemos: 1. Obtener el hidrograma en S. Se obtiene el hidrograma en S, según el procedimiento mostrado anteriormente.

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2. Se desplaza el hidrograma en s de acuerdo al número de horas que se quiere obtener el nuevo hidrograma. En este caso se desplaza el hidrograma 5 horas, de acuerdo a lo mostrado en la siguiente tabla. De acuerdo al gráfico anterior, se construye el hidrograma para cada hora. Ver Tabla 43. 3. Se restan los valores de los dos hidrogramas. Se restan las columnas correspondientes a los dos hidrogramas. 4. Se multiplica la resta anterior por el cociente del número de horas original sobre el tiempo deseado. El factor de corrección para este caso es:

Los cálculos anteriores se muestran en la Tabla 44.

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Lección 45. HIDROLOGÍA FORESTAL. En general, se ha dicho que las plantaciones forestales o mejor aún los bosques, bien sean naturales o plantados, alteran la hidrología de la cuenca. El proceso más importante, es la drástica disminución de la escorrentía superficial, favoreciendo la infiltración. Sin embargo, es poco lo que realmente se conoce sobre la interacción hidrológica de un bosque con su entorno, cuando este se encuentra en condiciones tropicales, o dicho en otras palabras, aún se sabe relativamente poco de la hidrología de los bosques tropicales. Colombia, no es la excepción, si bien se han venido adelantando estudios para precisar los efectos de los bosques en la disponibilidad del agua.

Estos estudios han sido motivados por resultados aparentemente contradictorios generados por reforestaciones, las cuales luego de ser establecidas, disminuyeron

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la oferta hídrica, sobre todo en época de verano. Si bien, este resultado puede deberse a la alteración sufrida por el ciclo hidrológico debido a la deforestación, es necesario demostrarlo experimentalmente, para tener la certeza que la reforestación no tiene efectos nocivos sobre la disponibilidad hídrica en una zona en particular.

La gráfica anterior permite observar un bosque plantado típico, en este caso de ciprés, el cual presenta una sucesión interesante. Se puede afirmar que la principal fuente de agua en un bosque tropical es la lluvia. En nuestro medio es poco frecuente contar con aportes por deshielos, por ejemplo. Una parte de la lluvia es interceptada por el follaje del bosque (dosel), desde donde se escurre por el tallo o cae directamente al suelo (lluvia interna), para determinar el agua que se escurre por el tallo, se le coloca un canalete que conduce esta agua hasta un recipiente donde se totaliza cada cierto tiempo. La forma más fácil de medir la lluvia interna es instalar un pluviómetro dentro del bosque y cerca de un árbol al cual se le este determinando el escurrimiento, para poder realizar las correlaciones correspondientes. Estos pluviómetros, están equipados con una malla fina que evita que los residuos de hojas y ramas, penetren al interior del cilindro y obstaculicen la entrada del agua. Los pluviómetros más comúnmente utilizados son los totalizadores, los cuales son de construcción muy simple y cuentan con un recipiente de capacidad relativamente alta para permitir la toma de lecturas durante intervalos de tiempo largos, por ejemplo una vez a la semana o cada quince días.

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El agua al llegar al suelo se infiltra relativamente rápido, ayudado esto por la gran cantidad de materia orgánica que normalmente se acumula en estos bosques. Sabemos que la materia orgánica tiene una alta capacidad para retener agua, por lo que la escorrentía directa no es tan abundante como la que se presentaría si el suelo estuviese desnudo.

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El agua retenida por el dosel se evapora directamente, siendo esta una de las pérdidas del sistema, de la misma forma los individuos transpiran agua, este efecto combinado se puede denominar evapotranspiración, a pesar que desde el suelo del bosque la evaporación puede despreciarse debido a la cobertura que hace el dosel del mismo. Del agua que cae al suelo, bien sea por escurrimiento por los troncos o como lluvia interna, una parte se infiltra y otra parte se escurre para alimentar las corrientes superficiales. El agua que se infiltra se determina directamente construyendo un lisímetro, el cual generalmente consiste en una bandeja colocada en un horizonte, la cual se conecta a un recipiente para almacenar el agua recogida. El agua infiltrada se calcula como el volumen total recogido, dividido por el área de la bandeja, lo que da como resultado la lámina que se está infiltrando.

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Es conveniente colocar varias bandejas por horizonte, para tener mayor certeza en las mediciones. Un aspecto muy importante de los estudios hidrológicos forestales, consiste en la evaluación del flujo de nutrientes a través del sistema, esto es, se busca determinar que nutrientes pueden ser lavados de los troncos de los árboles por el escurrimiento y ser incorporados al suelo por el agua de infiltración y escorrentía.

En la Figura anterior se observan los conductos de desagüe de los lisímetros y los recipientes de almacenamiento. El la elipse roja se puede observar parcialmente una de las bandejas introducidas en el horizonte A. Como se observa, en este caso se introdujo dos bandejas para cada horizonte. En la elipse azul, se observan los terminales de un bloque de yeso introducido en el horizonte B, con el fin de determinar la humedad del suelo y por tanto el almacenamiento de agua infiltrada que ocurre en el mismo. En la siguiente Figura se observa que al lado de la calicata donde se instalaron los lisímetros y los bloques de yeso, se colocó un pluviómetro, con el fin de determinar puntualmente los valores de lluvia interna y correlacionarlos con la infiltración y almacenamiento de agua en los diferentes horizontes del perfil del suelo. Parte del agua que se escurre, lo hace superficialmente, aunque debido a la acumulación de materia orgánica y al crecimiento de plantas de porte rastrero, incluyendo los líquenes y musgos, esta es poco perceptible. Incluso en un bosque que cuente con una capa abundante de musgos, como los que se observan en las figuras, la escorrentía superficial puede llegar a valores mínimos debido al almacenamiento que se produce en estas masas. La escorrentía principal que se

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produce en un bosque es la subsuperficial que se encarga de recargar las corrientes superficiales.

La escorrentía se mide gracias a la construcción de vertederos en la corriente. Dependiendo del caudal, se define que tipo se instala. Si el caudal es relativamente alto se construye un vertedero rectangular, pero si el caudal es poco puede ser más preciso un vertedero triangular.

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ACTIVIDADES Con el propósito de identificar cuánto se progresó en el rendimiento académico, responda las siguientes preguntas de forma individual. 1. Explique que es un Hidrograma y como se construye.

2. Mencione los métodos utilizados para el cálculo de la evapotranspiración. 3. Explique la importancia de realizar aforos. Explique uno de los métodos estudiados. 4. Explique por que es importante la hidrología forestal?

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BIBLIOGRAFÍA. Aparicio, F. 2004. Fundamentos de hidrología de superficie. Editorial Limusa. México, 303 p. Ayllón, t. 1996. Elementos de meteorología y climatología. Editorial Trillas. México. Chow, V.; Maidment, D.; Mays, L.1994. Hidrología aplicada. Editorial McGraw-Hill. Bogotá, 584 p. Davis, S.; DeWiest, R. 1967. Hydrogeology. John Wiley & Sons. De Aranda, Gaspar. 1992. Hidrología forestal y protección de suelos. Editorial ICONA. Fetter, C. 1994. Applied hidrology. University of Wisconsin. Earlier editions. Oshkosh. Fiering, M. 1967. Streamflow synthesis. Harvard University Press. Cambridge. Gastó, Juan. 1977. Ecología : El hombre y la transformación de la naturaleza: Saltillo, México: Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro, 102 p. González, P. 1922. Hidrología general agrícola. Editorial Calpe, Madrid. INDERENA – ISA. 1982. Primer Congreso Nacional de Cuencas Hidrográficas. Medellín. León, J. 2001. Estudio y control de la erosión hídrica. Editorial Universidad Nacional. Medellín, 225 p. Márquez, Germán. 1997. Ecosistemas estratégicos para la sociedad: Bases conceptuales y metodológicas Medellín: Universidad Nacional de Colombia. Montenegro, H.; Malagón, C. 1990. Propiedades físicas de los suelos. Instituto Geográfico Agustín Codazzi. Bogotá, 813 p. Moore, W.; Morgan, C. 1969. Effects of watershed changes on streamflow. University of Texas Press. Austin and London. Parlange, M.; Hopmans, J. Press.

1999. Vadose zone hydrology. Oxford University

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Pérez, J. 1997. Manual de potabilización del agua. Editorial Universidad Nacional. Medellín, 509 p. Simmers, I.; Hendricks, J. Kruseman, G. 1997. Recharge of phreatic aquifers in semiarid areas. A. A. Balkema Publishers. Rotterdam. Stephens, D. 1996. Vadose zone hydrology. Lewis Publishers. Streeter, V.; Wylie, E. 1988. Mecánica de los fluidos. Editorial McGraw-Hill. México, 596 p.