HIDROLOGÍA MODULO 2 PROCESOS DE ESCORRENTÍA SECCIÓN 1. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA ESCORRENTÍA.

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1 HIDROLOGÍA MODULO 2 PROCESOS DE ESCORRENTÍA SECCIÓN 1. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA ESCORRENTÍA

2 DEFINICIÓN GENERAL DE ESCORRENTÍA La escorrentía es aquella parte de la lluvia, del agua de deshielo y/o del agua de irrigación que en lugar de infiltrarse en el suelo se desplaza sobre la superficie del suelo, hacia el cauce fluvial. A veces se denomina escorrentía superficial o de superficie. Para ciertos fines, sin embargo, la definición de escorrentía también abarca el agua que llega al cauce fluvial con relativa rapidez justo debajo de la superficie. Junto con la escorrentía superficial, este flujo, que se denomina interflujo o flujo subsuperficial, forma el volumen de agua que en hidrología se conoce generalmente como escorrentía.

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4 Papel en el proceso de predicción de crecidas

5 El motivo principal por el cual estudiamos el proceso de escorrentía es la necesidad de estimar la cantidad de agua que alcanza rápidamente el cauce fluvial. La escorrentía es el componente más importante de la predicción de crecidas y puede consistir de agua pluvial o del agua producida por el derretimiento de la nieve y del hielo. Las condiciones en la cuenca hidrológica determinan la proporción de lluvia o nieve que se transforma en escorrentía. Si sabemos qué cantidad de agua nos podemos esperar en forma de escorrentía, podemos utilizar otras herramientas, como el hidrograma unitario, para calcular el caudal correspondiente que se descargará en el cauce.

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7 El movimiento del agua del suelo es el resultado de tres procesos físicos: entrada, transmisión y almacenamiento. El proceso de entrada, que se denomina más comúnmente infiltración, ocurre en el límite entre el agua y la superficie del suelo. La transmisión es la percolación, tanto vertical como horizontal, que puede producirse en toda la profundidad de la capa del suelo. El almacenamiento puede ocurrir en cualquier parte del perfil del suelo y se manifiesta como un aumento en la humedad del suelo. En términos generales, las condiciones ambientales que influyen en estos tres procesos se dividen en dos categorías principales: las de origen natural y las que se originan en la actividad humana. Las condiciones naturales pueden influir de varias formas en dichos procesos, pero la actividad humana suele reducir la cantidad de agua que penetra en el perfil del suelo y, por consiguiente, aumenta la escorrentía en la superficie del suelo.

8 Términos generales relacionados con la escorrentía

9 Empleamos los términos cuenca, cuenca de drenaje y cuenca hidrológica (o hídrica) para describir el área que contribuye a la escorrentía. En general, la escorrentía comienza en la divisoria de las aguas que marca el perímetro de la cuenca. Toda la escorrentía dentro de una cuenca drena en un único sitio en la salida de la cuenca.

10 El caudal base o flujo base es el suministro de agua a largo plazo que mantiene siempre al menos un poco de agua en el cauce, incluso durante los períodos prolongados de sequía. El caudal base proviene del agua que ha percolado hasta el almacenamiento profundo. La infiltración es el movimiento del agua hacia abajo a través de la superficie del suelo. Aunque a menudo se usa como equivalente de percolación, en realidad el término percolación se refiere al movimiento del agua dentro del suelo, mientras la infiltración se refiere específicamente al proceso por el cual el agua penetra la superficie del suelo. La escorrentía superficial es el movimiento del agua sobre la superficie del suelo hacia el cauce fluvial. El interflujo es el movimiento relativamente rápido del agua debajo de la superficie del suelo hacia el cauce fluvial que típicamente se produce durante las 72 horas después de que el agua se infiltre en la superficie. Este proceso es más común en las áreas donde el suelo es profundo. La escorrentía, que a veces se denomina escorrentía directa, puede referirse sólo la escorrentía superficial, pero a veces se utiliza para hablar de la combinación de la escorrentía superficial más el interflujo. Por lo tanto, suele representar el movimiento al cauce fluvial del agua que no forma parte del caudal base.

11 Términos relacionados con la infiltración

12 La tasa de infiltración es la cantidad de agua que puede penetrar el suelo en un período específico. Se expresa en términos de profundidad por unidad de tiempo; por ejemplo: 10 milímetros por hora. La capacidad de infiltración es el límite superior de la tasa de infiltración. Incluye la infiltración en la superficie y la percolación, y se expresa en términos de profundidad por unidad de tiempo; por ejemplo: 15 milímetros por hora. Si el índice de precipitación es menor o igual a la capacidad de infiltración, no se produce escorrentía superficial.

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14 Preguntas de repaso: 1. En términos simples, la escorrentía es aquella parte de la lluvia, agua de deshielo y agua de irrigación que alcanza rápidamente el cauce fluvial _____. (Elija la mejor opción.) a) sobre superficies impermeables b) sobre o debajo de la superficie c) a través del suelo d) como caudal base aumentado 2. Cuando el índice de pluviosidad equivale a la capacidad de infiltración, _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.) a) el agua puede infiltrarse y posiblemente contribuir al interflujo b) el suelo nunca alcanza el punto de saturación a menos que llueva más fuerte c) no puede infiltrar más agua d) cualquier aumento posterior en la intensidad de la lluvia causará escorrentía superficial

15 Respuestas correctas 1. En términos simples, la escorrentía es aquella parte de la lluvia, agua de deshielo y agua de irrigación que alcanza rápidamente el cauce fluvial _____. (Elija la mejor opción.) La respuesta correcta es la opción b) sobre o debajo de la superficie. 2. Cuando el índice de pluviosidad equivale a la capacidad de infiltración, _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.) Las respuestas correctas son: a) el agua puede infiltrarse y posiblemente contribuir al interflujo, y d) cualquier aumento posterior en la intensidad de la lluvia causará escorrentía superficial

16 HIDROLOGÍA MODULO 2 PROCESOS DE ESCORRENTÍA SECCIÓN 2. TRAYECTORIAS DE LA ESCORRENTÍA

17 Procesos de escorrentía Escorrentía superficial

18 Durante un episodio de lluvia o de deshielo, pueden producirse dos tipos de escorrentía superficial. El flujo superficial por exceso de infiltración se produce en los suelos que no están saturados. De hecho, el suelo puede estar muy seco, pero debido a las propiedades del suelo o de la cubierta del suelo el proceso de infiltración no puede absorber el agua producida por un aguacero o un deshielo rápido. El flujo superficial por exceso de saturación se produce cuando el suelo está saturado y no queda espacio para que se infiltre más agua. Esto puede ocurrir incluso en suelos que normalmente, en condiciones subsaturadas, permiten la infiltración de grandes cantidades de agua.

19 Flujo superficial por exceso de infiltración El exceso de infiltración es el resultado de un índice de pluviosidad o una velocidad de deshielo que excede la capacidad de infiltración. El agua que no puede infiltrarse se convierte en escorrentía superficial.

20 Flujo superficial por exceso de infiltración Por ejemplo, si el suelo tiene una capacidad de infiltración de 15 milímetros por hora y llueve a un ritmo de 25 milímetros por hora, el índice de pluviosidad excede la capacidad de infiltración a razón de 10 milímetros por hora. Dichos 10 milímetros de agua por hora se convierten en flujo superficial por exceso de infiltración, incluso si el suelo subyacente está seco.

21 El fenómeno de exceso de infiltración se observa con mayor frecuencia durante episodios de lluvia breves e intensos. Es también más común en zonas con suelos con alto contenido de arcilla cuya superficie ha sido alterada por la compactación del suelo, urbanización o incendios. El flujo superficial por exceso de infiltración se denomina también flujo hortoniano

22 Flujo superficial por exceso de saturación El exceso de saturación se produce cuando las capas del suelo se saturan hasta tal punto que ya no permiten la infiltración de más agua. Esto es más común en episodios de lluvia leve a moderada de larga duración, o bien durante el último de una serie de episodios sucesivos de precipitación y/o deshielo.

23 Por ejemplo, considere una tormenta que produce un índice de pluviosidad constante de 10 milímetros por hora durante cuatro horas. Al cabo de tres horas de infiltración, el suelo queda saturado. Durante la cuarta hora del episodio, al ritmo de 10 mm/h el agua ya no puede infiltrarse en el suelo saturado y se convierte en flujo superficial por exceso de saturación. Flujo superficial por exceso de saturación

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25 Interflujo

26 El interflujo, que también se conoce como flujo subsuperficial, es el flujo relativamente rápido hacia el cauce fluvial que se produce debajo de la superficie. Aunque es más rápido que el caudal base, suele ser más lento que la escorrentía superficial. En ciertos casos, el interflujo puede ser un factor tan importante como la escorrentía superficial para el pronóstico de los aumentos rápidos en el nivel del cauce fluvial. De hecho, en las regiones con altas tasas de infiltración y terreno empinado el interflujo puede ser el proceso predominante en la reacción en los ríos tras un episodio de lluvia o el deshielo. Este proceso es más frecuente en zonas húmedas con suelos profundos. No obstante, el interflujo puede aportar una cantidad considerable de agua en las regiones con suelos poco profundos si existe una capa impermeable (por ejemplo, de roca firme) debajo de la capa de suelo de superficie, que es más permeable.

27 Retroalimentación por transmisividad

28 Un proceso de escorrentía que contribuye al interflujo es la retroalimentación por transmisividad. Este proceso ocurre cuando se activa una red de macroporos después de un período de rápida infiltración. Los macroporos son espacios vacíos y conductos naturales en el suelo que se transforman en rutas preferentes para el movimiento del agua cuesta abajo. Los macroporos pueden formarse de diversas maneras, por ejemplo la descomposición de las raíces de las plantas, los túneles de los animales e insectos y las reacciones químicas entre el agua y los minerales del suelo. Las redes de macroporos son más extensas en zonas con suelos profundos que contienen cantidades considerables de materia orgánica. Por lo tanto, es más probable que haya un interflujo sustancial por las redes de macroporos en las regiones de clima húmedo.

29 Contacto suelo-roca

30 La existencia de una superficie de contacto suelo-roca intensifica el interflujo. Suele haber contacto suelo-roca en zonas con topografía empinada, donde la capa del suelo es considerablemente más permeable que la roca sólida subyacente. El agua de lluvia o deshielo se infiltra en poco tiempo hasta la superficie de contacto con la roca y después se desplaza rápidamente cuesta abajo a lo largo de dicha superficie. A veces existe una característica llamada fragipán. Las capas de fragipán son de baja permeabilidad, como la roca o la arcilla, y pueden también contribuir a concentrar el flujo subsuperficial lateral. Las zonas de fragipán, que pueden existir en niveles relativamente poco profundos, juegan un rol importante en la intensificación del interflujo e incluso de la escorrentía superficial una vez que las capas de suelo arriba de ellas queden saturadas.

31 Crestas de agua subterránea

32 Este proceso se observa en cuencas de drenaje empinadas en las cuales la capa freática está mucho más próxima a la superficie cerca del cauce fluvial que en lugares más alejados del mismo. Cerca del cauce fluvial, el agua de lluvia o deshielo alcanza el nivel del agua subterránea más rápidamente de lo que es el caso cuesta arriba, más lejos del arroyo. El nivel de la capa freática sube más rápidamente cerca del cauce fluvial que en las zonas más alejadas y crea una cresta de agua subterránea en proximidad del arroyo. El gradiente entre la cresta de agua subterránea y el cauce fluvial provoca un interflujo más rápido hacia el arroyo. En algunos casos la cresta de agua subterránea alcanza la superficie del suelo y produce un flujo superficial por exceso de saturación que contribuye a la escorrentía superficial

33 Agua existente antes del evento de precipitación

34 Cierta parte del interflujo que llega rápidamente al cauce fluvial no es necesariamente el producto del episodio de lluvia actual. En estos casos, las capas del suelo ya contienen una cantidad considerable de agua que es desplazada a medida que más agua infiltra en el suelo. El agua que entra en el arroyo inmediatamente después de una lluvia o de un período de deshielo rápido puede pertenecer a un evento de precipitación anterior, es decir que se trata de agua existente antes del evento de precipitación. Varios estudios han demostrado que a menudo en las regiones de clima húmedo el agua existente antes del evento de precipitación es el factor que contribuye en mayor medida a los aumentos rápidos en el nivel de los cursos fluviales.

35 Preguntas de repaso: 1. ¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable después de una lluvia intensa de 30 minutos de duración? (Elija la mejor opción.) a) flujo superficial por exceso de saturación b) flujo superficial por exceso de infiltración 2. ¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable después de 48 horas de llovizna constante en un bosque? (Elija la mejor opción.) a) flujo superficial por exceso de saturación b) flujo superficial por exceso de infiltración 3. ¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable en un llano con manto vegetal denso? (Elija la mejor opción.) a) flujo superficial por exceso de saturación b) flujo superficial por exceso de infiltración 4. ¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable en una zona urbana? (Elija la mejor opción.) a) flujo superficial por exceso de saturación b) flujo superficial por exceso de infiltración 5. Aunque el agua que existe antes de un episodio de lluvia considerable puede contribuir a la escorrentía como “agua existente antes del evento de precipitación”, nunca constituye un componente principal de la escorrentía. (Elija la mejor opción.) a) verdadero b) falso

36 6. El interflujo puede ser más importante que la escorrentía superficial en la generación de un aumento rápido del nivel de los arroyos en _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.) a) entornos urbanos b) terreno en pendiente con vegetación densa c) regiones en las que hay roca madre impermeable debajo de una capa de suelo permeable d) zonas quemadas 7. Los macroporos _____ el interflujo porque crean _____ para el flujo del agua. (Elija la mejor opción.) a) aumentan | superficies horizontales b) aumentan | trayectorias preferenciales c) reducen | superficies horizontales d) reducen | trayectorias preferenciales 8. La formación de crestas de agua subterránea reduce el flujo al cauce porque bloquea el interflujo. (Elija la mejor opción.) a) verdadero b) falso

37 Respuestas correctas y explicación 1. ¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable después de una lluvia intensa de 30 minutos de duración? (Elija la mejor opción.) La respuesta correcta es la opción b) flujo superficial por exceso de infiltración 2. ¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable después de 48 horas de llovizna constante en un bosque? (Elija la mejor opción.) La respuesta correcta es la opción a) flujo superficial por exceso de saturación 3. ¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable en un llano con vegetación densa? (Elija la mejor opción.) La respuesta correcta es la opción a) flujo superficial por exceso de saturación 4. ¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable en una zona urbana? (Elija la mejor opción.) La respuesta correcta es la opción b) flujo superficial por exceso de infiltración 5. Aunque el agua que existe antes de un episodio de lluvia considerable puede contribuir a la escorrentía como “agua existente antes del evento de precipitación”, nunca constituye un componente principal de la escorrentía. (Elija la mejor opción.) La respuesta correcta es la opción b) falso

38 6. El interflujo puede ser más importante que la escorrentía superficial en la generación de un aumento rápido del nivel de los arroyos en _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.) Las respuestas correctas son las opciones b) y c). El interflujo puede ser un factor más importante que la escorrentía superficial para los pronósticos de caudal, especialmente en las regiones con perfiles de suelo profundos y bien desarrollados y/o terreno en pendiente. De hecho, en las zonas con clima húmedo y topografía accidentada es común que el interflujo contribuya considerablemente a la escorrentía. 7. Los macroporos _____ el interflujo porque crean _____ para el flujo del agua. (Elija la mejor opción.) La respuesta correcta es la opción b) aumentan | trayectorias preferenciales 8. La formación de crestas de agua subterránea reduce el flujo al cauce porque bloquea el interflujo. (Elija la mejor opción.) La respuesta correcta es la opción b) falso

39 HIDROLOGÍA MODULO 2 PROCESOS DE ESCORRENTÍA SECCIÓN 3. PROPIEDADES DE LA CUENCA

40 ¿Qué es la geomorfología La geomorfología es el estudio de las formas de la superficie de la Tierra, es decir, el relieve, y los procesos que las produce. La comprensión de la geomorfología de una cuenca nos permite identificar las características de escorrentía que podemos esperar en la zona

41 Área de aporte y volumen de escorrentía El tamaño del área de aporte de la lluvia en una cuenca influye directamente en el volumen total de escorrentía que drena de la cuenca. No parecerá sorprendente que la comparación de una lluvia uniforme sobre una cuenca más grande y otra más pequeña revela que la más grande produce un mayor volumen de escorrentía. En igualdad de circunstancias, un área de drenaje el doble del tamaño puede generar dos veces el volumen de escorrentía que la cuenca de menos extensión.

42 Como en la mayoría de los casos las tormentas sólo cubren parte de una cuenca, la situación más común es que el volumen de escorrentía no estará determinado por el tamaño total de la cuenca, sino por el área de aporte, que es la parte de la cuenca que ha sido afectada por la tormenta

43 Tamaño de la cuenca y desarrollo temporal De forma análoga, considere dos cuencas de forma similar, una más grande que la otra. La escorrentía que se desplaza del punto más lejos aguas arriba de la cuenca más grande tiene que recorrer una mayor distancia y, por lo tanto, tarda más en alcanzar la salida de la cuenca que la escorrentía que proviene del punto más lejos aguas arriba de la cuenca más pequeña. Además, es probable que una tormenta sólo afecte a una parte de la cuenca más grande en un momento dado, mientras que puede cubrir toda la cuenca más pequeña.

44 Forma de la cuenca La forma de la cuenca también influye en la magnitud y el desarrollo temporal del caudal máximo en la salida de la cuenca. Considere dos cuencas de área igual, pero una de forma larga y estrecha, y la otra más ancha. Considere ahora el recorrido de la escorrentía a medida que se desplaza desde el punto más lejano de la cuenca hasta la salida correspondiente. La escorrentía de la cuenca más ancha llegará más rápidamente a la salida de la cuenca.

45 Forma de la cuenca Además, es más probable que el agua proveniente de varios lugares de esta cuenca alcance la salida al mismo tiempo, lo cual produce un caudal máximo mayor. En contraste, es menos probable que el agua proveniente de distintos lugares de la cuenca larga y estrecha llegue al mismo tiempo.

46 Meandros fluviales Los meandros del cauce fluvial aumentan la distancia que el agua debe recorrer desde el comienzo hasta el final del curso del río.

47 Considere una cuenca con cauces fluviales sinuosos. Si elimináramos todos los meandros, el agua recorrería una distancia menor. Esto también reduciría el tiempo que tarda el agua en alcanzar la salida de la cuenca y el tiempo disponible para que el agua se infiltre en el suelo a través del fondo del lecho fluvial. Los meandros aumentan el tiempo de viaje de la escorrentía a través de la cuenca y pueden reducir el volumen de escorrentía en general

48 Pendiente de la cuenca Otro factor importante es la cantidad de sedimento transportado por el agua. La erosión es el resultado de la eliminación del sedimento del suelo por parte del agua. Aunque depende del tipo de suelo y de la vegetación, por lo general la erosión aumenta a medida que aumenta la pendiente. Cuando el agua transporta mucho sedimento, los poros en la superficie del suelo que normalmente podrían permitir la penetración del agua pueden taparse, reduciendo de este modo la capacidad de infiltración. En términos generales, cuanto más empinados la ladera y los canales de drenaje, tanto más rápida será la respuesta del flujo y tanto mayores las descargas máximas.

49 Pendiente de la cuenca La pendiente de una cuenca influye en la cantidad y el desarrollo temporal de la escorrentía. A medida que aumenta la pendiente de la topografía, entran en juego varios factores. En primer lugar, el contacto del agua con la superficie y no es perpendicular. En las pendientes, la fuerza de gravedad ya no atrae el agua directamente hacia el suelo, de forma que una mayor parte se convierte en escorrentía superficial. Otro factor es el movimiento del agua sobre la superficie terrestre. A medida que aumenta la pendiente del suelo, el agua se desplaza con mayor rapidez y queda menos tiempo en contacto con la superficie, lo cual reduce el tiempo que puede infiltrarse.

50 Rugosidad

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52 Densidad de drenaje

53 Urbanización

54 En las zonas urbanas, la mayor cobertura de pavimentación, edificios y suelos compactos impide la infiltración del agua de lluvia y deshielo en comparación con la superficie natural del suelo. Esto puede aumentar en gran medida la magnitud de la escorrentía

55 Las características urbanas, como los arcenes de las calles y los muros de contención pueden dividir una cuenca natural en subcuencas más pequeñas. Las zonas de drenaje más pequeñas responden mucho más rápidamente a las lluvias localizadas que una cuenca más grande.

56 Las redes viarias, las cunetas y los sistemas de drenaje pluvial funcionan como una red de afluentes y aumentan la densidad de drenaje. Una mayor densidad de drenaje resulta en una escorrentía más rápida hacia los cauces fluviales

57 En comparación con un lecho fluvial natural, las superficies de las calles, las alcantarillas y los sistemas de drenaje pluvial tienen superficies lisas. La menor rugosidad superficial permite un movimiento mucho más rápido de la escorrentía hacia los cauces fluviales principales de lo que sería el caso bajo condiciones más naturales

58 En las zonas urbanas, es común que se elimine la vegetación de los ríos y a veces hasta se cubre el fondo de cemento, un proceso denominado “canalización”. Esto también reduce la rugosidad aumenta la velocidad del agua.

59 A veces, las obras de canalización implican enderezar el arroyo urbano y eliminar los meandros. Esto reduce la distancia que el agua atraviesa desde el comienzo de la cuenca de drenaje. También aumenta la pendiente, ya que el cambio de elevación sigue siendo igual, pero abarca una distancia menor. La reducción de la distancia del trayecto y el aumento en la pendiente producen una respuesta de crecida mucho más rápida de la escorrentía.

60 En términos generales, los entornos urbanos producen una escorrentía más rápida, y una mayor parte de la escorrentía alcanza los ríos de lo que es el caso en los entornos rurales.

61 Pregunta de repaso 1. La escorrentía suele ser más eficiente (es decir, es más rápida y más abundante) cuando _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.) a) aumenta la pendiente de la cuenca b) se reduce las densidad de drenaje de la cuenca c) aumenta rugosidad del canal d) se eliminan los meandros del río e) la cuenca tiene una forma estrecha y alargada en lugar de ser redonda Respuestas correctas y explicación 1. La escorrentía suele ser más eficiente (es decir, es más rápida y más abundante) cuando _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.) Las respuestas correctas son las opciones a) y d). Fin de la sección tres: Propiedades de la cuenca

62 HIDROLOGÍA MODULO 2 PROCESOS DE ESCORRENTÍA SECCIÓN 4. PROPIEDADES DEL SUELO

63 Las características del suelo de una cuenca influyen fuertemente en cómo se desarrolla la escorrentía. Además de la textura del suelo, tenemos que considerar otras características importantes, como la cubierta de la superficie, la profundidad hasta las capas impermeables y las modificaciones del suelo provocadas por la actividad humana o por procesos naturales.

64 Procesos de formación del suelo

65 La formación de los suelos, o pedogénesis, es el producto de varios procesos naturales. Típicamente, los suelos se desarrollan de modo tal que las capas superiores (los horizontes O y A) presentan el mayor impacto de la vegetación y la meteorización, mientras las capas inferiores (el horizonte C) se ven afectadas en una medida mucho menor por dichos agentes. El clima es el factor más importante en la formación de los suelos, ya que influye de forma directa en la meteorización del material básico que los compone y es un factor determinante esencial de la actividad biológica. Entre los demás factores naturales que participan en la formación de los suelos cabe mencionar el tipo y la distribución de la vegetación, la geología local, la actividad biológica, las reacciones minerales y la topografía de la cuenca hidrológica. Estos factores determinan la cantidad de agua de lluvia o deshielo que penetra en el suelo y cómo se desplaza o se almacena en el suelo

66 Clasificación de la textura del suelo La textura del suelo se clasifica de acuerdo con el tamaño de las partículas que lo componen. La arcilla tiene las partículas y los espacios porosos más pequeños, seguida del limo y de la arena, que tiene las partículas más grandes. La textura del suelo es un factor muy importante para evaluar el potencial de infiltración, movimiento y almacenamiento del agua del suelo

67 El triángulo de clasificación de los suelos del Departamento de Agricultura de EE.UU. (USDA) es una herramienta de referencia que nos permite clasificar los suelos de acuerdo con la composición de su textura. (2) Por ejemplo, si tomamos una muestra de suelo y determinamos que tiene una composición aproximada de 40 % limo, 40 % arena y 20 % arcilla, el triángulo nos permite clasificar el suelo como “marga”

68 Composición del suelo Los suelos con un contenido relativamente altos de arcilla tienen un espacio poroso menor y, en consecuencia, tasas de infiltración más bajas. Por lo tanto, los suelos en los que predomina la arcilla tienen una capacidad menor de absorber gran cantidad de agua

69 Las partículas que componen el limo son de un tamaño intermedio, entre la arena y la arcilla. Los suelos que contienen un alto porcentaje de limo tienen tasas de infiltración y drenaje más altos que la arcilla, pero no tan altos como la arena

70 Por consiguiente, durante una lluvia intensa o un período de deshielo rápido los suelos arcillosos pueden producir más escorrentía superficial que los suelos arenosos o limosos. Por lo general, los suelos arenosos producen la menor cantidad de escorrentía superficial. La información sobre la textura del suelo puede ayudarnos a prever las posibilidades de almacenamiento de agua y de escorrentía. Por supuesto que siempre debemos tener presentes los aspectos específicos de la situación, como el contenido de humedad del suelo y la intensidad de la lluvia o del deshielo

71 Aunque parece contrario a la intuición, los espacios porosos más pequeños de los suelos arcillosos contienen una cantidad total de espacio vacío mayor que la menor cantidad de espacios porosos y más grandes de los suelos arenosos. Esto significa que es posible que bajo condiciones de llovizna o de deshielo lento la arcilla pueda contener más agua que la arena

72 No obstante, el agua drena más lentamente de los suelos arcillosos que de los suelos arenosos. Esto implica que después de una serie de episodios de lluvia, los suelos arcillosos pueden permanecer saturados en el período entre las tormentas y, por lo tanto, pueden producir una mayor cantidad de escorrentía en los episodios de lluvia posteriores.

73 Perfil del suelo El perfil del suelo brinda información acerca de la profundidad hasta la roca madre y las discontinuidades existentes en las características del suelo como, por ejemplo, los cambios verticales en la permeabilidad y las propiedades del suelo.

74 Por lo general, las áreas donde el suelo es más profundo tienen una mayor capacidad de absorber y almacenar el agua. Es también más probable que en estas áreas el interflujo sea mayor. En comparación, las áreas donde el suelo es poco profundo suelen saturarse más rápidamente y producir más escorrentía dadas las mismas condiciones de suelo y precipitación

75 Otra característica importante del perfil del suelo es la presencia de capas impermeables o de baja permeabilidad en el perfil (que también se conocen como fragipanes). Por ejemplo, considere una capa de arcilla y roca de baja permeabilidad debajo de una capa superficial de suelo arenoso. En esta zona, la lluvia o el agua de deshielo puede infiltrar rápidamente la capa arenosa superior, pero percola lentamente a través de la capa impermeable del perfil. Esto puede intensificar la escorrentía y el interflujo en la zona.

76 En algunas áreas, las reacciones minerales producen capas relativamente impermeables de depósitos de carbonato de calcio que se denominan caliche

77 Finalmente, la actividad biológica y química que tiene lugar en el suelo puede crear macroporos. Recuerde que estos conductos y espacios naturales aumentan tanto la velocidad como el volumen de agua que puede desplazarse en sentido vertical u horizontal por el perfil del suelo.

78 Propiedades de la superficie Las propiedades de la superficie del suelo pueden ser el factor más importante que determina la escorrentía en algunas áreas. Si el agua no puede penetrar la superficie del suelo, las características del perfil del suelo subyacente carecen de importancia. Los materiales de superficie impermeables, la compactación del suelo, la deforestación y los incendios son algunos de los factores que influyen en la infiltración en el perfil del suelo

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81 La deforestación puede influir en la infiltración y la escorrentía. En ausencia de materia vegetal en la superficie, el agua se desplaza más rápidamente. Esto significa que el agua tiene menos tiempo para infiltrarse en el suelo. Además, es probable que la escorrentía de las zonas deforestadas contenga más sedimento. La carga de sedimentos puede ocupar espacio en el cauce fluvial que de otra forma estaría disponible para un aumento en el caudal. Como resultado, es más probable que en las zonas deforestadas se produzcan episodios de escorrentía más intensos que producen fuertes cargas de sedimentos hacia los cauces fluviales

82 La deforestación causada por los incendios puede acarrear consecuencias más graves para la escorrentía posterior. Además de los típicos problemas relacionados con la deforestación, los incendios pueden alterar la superficie del suelo y dejarla temporalmente hidrófoba, es decir, incapaz de absorber el agua. Esto ocurre especialmente en las pinedas, porque los aceites y las resinas de los árboles se vaporizan y se incorporan al suelo, creando una capa hidrófoba en o cerca de la superficie. A menudo, la gravedad de la escorrentía y de la carga de sedimentos se puede observar por la erosión de los troncos de los árboles y los depósitos aluviales que quedan después de la crecida.

83 Preguntas de repaso: 1. En comparación con los suelos arenosos, los suelos arcillosos tienen mayores probabilidades de _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.) a) producir más escorrentía durante períodos extendidos de llovizna b) producir más escorrentía durante tormentas intensas c) permanecer húmedos durante más tiempo después de un episodio de lluvia e) contener un volumen de agua menor cuando están saturados 2. Es más probable que se produzca flujo superficial por exceso de infiltración durante una lluvia intensa en suelos _____. (Elija la mejor opción.) a) arcillosos b) limosos c) arenosos e) margosos 3. La saturación del perfil del suelo ocurre más rápidamente cuando hay. (Escoja todas las respuestas pertinentes.) a) roca madre poco profunda b) urbanización c) un fragipán a poca profundidad d) roca madre muy profunda 4. Normalmente, la deforestación no resulta en _____. (Elija la mejor opción.) a) más escorrentía superficial b) mayor peligro de inundaciones c) mayor transporte de sedimentos d) más infiltración

84 Respuestas correctas y explicación 1. En comparación con los suelos arenosos, los suelos arcillosos tienen mayores probabilidades de _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.) Las respuestas correctas son b) producir más escorrentía durante tormentas intensas y c) permanecer húmedos durante más tiempo después de un episodio de lluvia. 2. Es más probable que se produzca flujo superficial por exceso de infiltración durante una lluvia intensa en suelos _____. (Elija la mejor opción.) La respuesta correcta es la opción a) arcillosos. 3. La saturación del perfil del suelo ocurre más rápidamente cuando hay (Escoja todas las respuestas pertinentes.) Las respuestas correctas son a) roca madre poco profunda y c) un fragipán a poca profundidad. 4. Normalmente, la deforestación no resulta en _____. (Elija la mejor opción.) La respuesta correcta es la opción d) más infiltración

85 HIDROLOGÍA MODULO 2 PROCESOS DE ESCORRENTÍA SECCIÓN 5. CONCEPTOS BÁSICOS DE MODELADO DE ESCORRENTÍA

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87 Métodos simples de modelado de la escorrentía

88 Modelo racional

89 El valor del coeficiente C se obtiene consultando una tabla de los tipos de usos del suelo. El modelo racional se utiliza para calcular la escorrentía máxima en áreas pequeñas, como estacionamientos, terrenos cultivados o jardines públicos. Se utiliza principalmente en cuencas pequeñas en las cuales la cobertura de las superficies impermeables es un factor importante. Este método no proporciona una buena manera de tener en cuenta la infiltración.

90 Modelos hidrológicos complejos

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92 Modelos agrupados

93 Modelos semidistribuidos

94 Modelos distribuidos Un enfoque verdaderamente distribuido representa los procesos sobre una cuadrícula y permite efectuar predicciones detalladas para cada celda de la cuadrícula. En este tipo de enfoque, cada celda cuenta con parámetros que permiten llegar a estimaciones individuales del caudal. El caudal se puede calcular matemáticamente para cualquier punto en la cuadrícula. Una desventaja de los modelos distribuidos es la cantidad de datos de entrada adicionales que se requieren para cada celda. Cuando no se cuenta con estos datos, es preciso estimarlos de alguna manera, lo cual introduce un factor de incertidumbre

95 Esta figura muestra las cuadrículas de los datos de precipitación y escorrentía superficial de una cuenca. Como llovió muy poco en la zona superior de la cuenca, no hay respuesta de caudal en el punto A. Las zonas centrales de la cuenca registraron un poco de lluvia, provocando una leve respuesta de caudal en el punto B. La lluvia más fuerte cayó en la zona inferior de la cuenca, la cual produce un caudal máximo considerable y rápido en el punto C.

96 Una simulación por agrupamiento de la situación en esta cuenca sólo presentaría un promedio de los efectos para toda la cuenca y no sólo subestimaría el caudal máximo en el punto C, sino que el momento de llegada del caudal máximo en el punto C se propagaría incorrectamente. Sin embargo, el modelo distribuido es capaz de capturar la variabilidad espacial de la precipitación y producir una simulación más aceptable en el punto C, así como estimaciones del caudal en los puntos A y B

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98 La anterior figura muestra los vectores de flujo aguas abajo para cada celda de la cuadrícula. Los flujos se propagan de una celda a otra hasta la salida de la cuenca de acuerdo con parámetros y ecuaciones que se basan en la física. Hay que tener presente que se trata de una estimación de la trayectoria del flujo. Podemos ver que al convertir la cuenca en una representación cuadriculada hemos dejado de lado algunas partes de la cuenca y hemos incluido zonas que en realidad quedan fuera de la misma

99 Problemas relacionados con los modelos distribuidos Los métodos distribuidos permiten modelar cuencas progresivamente más pequeñas. También permiten calcular la escorrentía en el interior de una cuenca de forma más realista. Los pronósticos de inundaciones repentinas, por ejemplo, han mejorado con la implementación de los modelos distribuidos. Sin embargo, los modelos distribuidos requieren datos más complejos y de resolución más alta, y esto introduce un mayor grado de incertidumbre

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101 Preguntas de repaso 1. Los modelos agrupados no pueden tener en cuenta los detalles de distribución de la lluvia y los accidentes topográficos de la cuenca. (Elija la mejor opción.) a. verdadero b. falso 2. En comparación con los modelos agrupados, los modelos distribuidos _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.) a) tienen requisitos de cómputo más intensivos b) son menos apropiados para situaciones de crecidas repentinas c) consideran la cuenca como una unidad d) tienen en cuenta detalles tales como la lluvia y las características de la cuenca 3. Los modelos semidistribuidos pueden proporcionar más detalle acerca de la escorrentía potencial que los modelos agrupados porque _____. (Elija la mejor opción.) a) utilizan la resolución máxima de los datos de lluvia cuadriculados b) promedian la lluvia para toda la cuenca c) estiman la escorrentía para las subcuencas dentro de la cuenca d) separan la cuenca en celdas de cuadrícula para estimar la escorrentía 4. El método racional para estimar la escorrentía utiliza un coeficiente de uso del suelo denominado C que sería ____ para un centro comercial que para una zona arbolada. (Elija la mejor opción.) a) mucho más alto b) un poco más alto c) mucho más bajo d) un poco más bajo

102 Respuestas correctas y explicación 1. Los modelos agrupados no pueden tener en cuenta los detalles de distribución de la lluvia y los accidentes topográficos de la cuenca. (Elija la mejor opción.) La respuesta correcta es la opción a) verdadero. 2. En comparación con los modelos agrupados, los modelos distribuidos _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.) Las respuestas correctas son las opciones a) tienen requisitos de cómputo más intensivos y d) tienen en cuenta detalles tales como la lluvia y las características de la cuenca. 3. Los modelos semidistribuidos pueden proporcionar más detalle acerca de la escorrentía potencial que los modelos agrupados porque _____. (Elija la mejor opción.) La respuesta correcta es la opción c) estiman la escorrentía para las subcuencas dentro de la cuenca. 4. El método racional para estimar la escorrentía utiliza un coeficiente de uso del suelo denominado C que sería ____ para un centro comercial que para una zona arbolada. (Elija la mejor opción.)

103 HIDROLOGÍA MODULO 2 PROCESOS DE ESCORRENTÍA SECCIÓN 6. MODELO SACRAMENTO

104 Modelo Sacramento de humedad del suelo

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106 Componentes del modelo SACSMA

107 Para representar la humedad del suelo, el modelo SACSMA divide cada cuenca en dos zonas de suelo verticales separadas por un límite superficial. La zona superior corresponde al almacenamiento a corto plazo, mientras que la zona inferior es para la mayor parte de la humedad del suelo y almacenamiento de agua freática a largo plazo. La lluvia que cae en las superficies impermeables se transforma en escorrentía directa. La precipitación puede penetrar la matriz del suelo de acuerdo con la manera en que se modela en el componente permeable del modelo. La humedad del suelo en cada zona puede existir como agua capilar, que queda atrapada en la matriz del suelo por fuerzas capilares, o agua gravitacional, que puede drenar libremente de la matriz del suelo.

108 El agua capilar es un elemento importante en el modelo SACSMA. Cuando se satisfacen los requisitos de agua capilar, la zona superior está saturada. Cualquier cantidad de agua adicional se transforma en agua gravitacional. El agua gravitacional se puede eliminar del sistema por evapotranspiración, percolación, interflujo o escorrentía superficial. El agua capilar sólo se puede eliminar por evapotranspiración. El caudal base representa el resto del agua del suelo en el modelo. Cada componente del modelo contribuye al hidrograma completo. Los componentes cuya respuesta es más rápida, como la escorrentía directa, se pueden concebir como las capas que están encima de los componentes de respuesta más lenta, como la escorrentía superficial, el interflujo y el caudal base. La combinación de todos los componentes determina la forma de un hidrograma calculado. Este enfoque brinda flexibilidad a la hora de calibrar o ajustar el hidrograma calculado para que coincida con los datos observados. Cada componente se puede examinar por separado y ajustar para que coincida con el hidrograma observado

109 El índice de precipitación antecedente (Antecedent Precipitation Index, o API) es otro modelo útil para generar pronósticos de crecidas para tormentas individuales. El modelo API es un método estadístico que permite estimar la cantidad de escorrentía superficial que una tormenta en particular producirá en una cuenca. El índice se basa en las características físicas de la cuenca, la época del año, la duración de la tormenta y la cantidad de precipitación. Aunque ya hace muchos años que los centros de pronósticos fluviales (River Forecast Center, o RFC) del NWS de NOAA emplean procedimientos basados en el modelo API, en la primavera de 2006 sólo uno de dichos centros utilizaba el modelo API a nivel operativo.

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111 Ejemplo de modelo API Dado un índice de precipitación antecedente de 19 mm: En el gráfico, desplácese en sentido horizontal hasta la línea correspondiente a la semana del año, que en este caso es la semana 10. Desplácese hasta la línea correspondiente a la duración de la tormenta, que en este caso es de 24 horas. Desplácese hasta la precipitación pronosticada para la tormenta, es decir 50 mm. Suba hasta el valor de escorrentía estimada. De acuerdo con este gráfico y el conjunto de condiciones indicadas, se calcula que la tormenta producirá 40 mm de escorrentía

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113 Aplicaciones del modelo API

114 El modelo lluvia-escorrentía basado en el índice de precipitación antecedente ofrece un método simple de estimar la escorrentía de una tormenta. Por lo general, cuando se aplica de forma adecuada este modelo puede generar buenos pronósticos de las crecidas provocadas por tormentas específicas. No obstante, debido a que el modelo API se basa exclusivamente en eventos, no es adecuado para estimar los suministros hídricos. En otras palabras, sólo se puede derivar una estimación del caudal cuando se produce una tormenta. Para estimar los suministros hídricos debemos examinar el caudal constante por medio de un enfoque de balance continuo, como el que emplea el modelo Sacramento

115 Modelo API continuo

116 El modelo API continuo emplea una serie de ecuaciones que se aplican a cuatro cuadrantes, un método similar al del índice de precipitación antecedente basado en eventos. Sin embargo, a diferencia de dicho índice se requieren cálculos adicionales para derivar el caudal base. Cada cuadrante representa un componente del modelo hidrológico: humedad del suelo humedad de superficie escorrentía superficial incremental almacenamiento subterráneo En este modelo, la humedad del suelo se define en términos del agua almacenada en el suelo. La humedad de superficie es la cantidad de precipitación interceptada por la vegetación, el almacenamiento en las depresiones de la superficie y por cualquier otro método de almacenamiento de la humedad en la superficie.

117 El primer cuadrante determina la relación estacional entre el valor de índice API inicial y las condiciones de humedad del suelo actuales en la cuenca. El valor del primer cuadrante se utiliza para pasar al segundo cuadrante, que considera los valores de las condiciones de humedad superficial. A continuación se utiliza el valor del segundo cuadrante para pasar al tercero, donde se determina la escorrentía superficial incremental con base en las condiciones de humedad de la superficie y del suelo en general. Finalmente, el último paso consiste en usar el valor del tercer cuadrante pasa pasar al cuarto cuadrante. Este paso halla la cantidad de agua agregada al almacenamiento subterráneo.

118 Llegado a este punto, se utilizan ecuaciones adicionales para calcular la escorrentía del caudal base de acuerdo con las condiciones establecidas a partir de los cuatro cuadrantes. La escorrentía de caudal base se basa en el almacenamiento subterráneo existente y en la cantidad de agua que se ha incorporado al almacenamiento de agua subterránea recientemente. Este modelo ofrece varias opciones, como la capacidad de tener en cuenta el efecto del suelo congelado en la escorrentía, y de compensar por la escorrentía en áreas impermeables y por la pérdida de vegetación fluvial antes de estimar el caudal

119 Preguntas de repaso 1. El modelo de escorrentía SACSMA _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.) a) es un modelo distribuido con cuadrícula de alta resolución b) es un modelo agrupado en el espacio c) se puede usar para el suministro hídrico d) es ideal para el modelado de crecidas repentinas 2. El modelo SACSMA considera tres niveles dentro de una cuenca: el límite superficial, la zona superior y la zona inferior. ¿Cuáles son los procesos modelados en la zona superior? (Escoja todas las respuestas pertinentes.) a) escorrentía directa de las superficies impermeables b) escorrentía superficial c) caudal base d) interflujo 3. La ventaja de un modelo API continuo en comparación con un modelo API basado en eventos es que se puede usar para pronosticar los suministros hídricos. (Elija la mejor opción.) a) verdadero b) falso

120 Respuestas correctas y explicación 1. El modelo de escorrentía SACSMA _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.) Las respuestas correctas son las opciones b) es un modelo agrupado en el espacio y c) se puede usar para el suministro hídrico. 2. El modelo SACSMA considera tres niveles dentro de una cuenca: el límite superficial, la zona superior y la zona inferior. ¿Cuáles son los procesos modelados en la zona superior? (Escoja todas las respuestas pertinentes.) Las respuestas correctas son b) escorrentía superficial y d) interflujo. 3. La ventaja de un modelo API continuo en comparación con un modelo API basado en eventos es que se puede usar para pronosticar los suministros hídricos. (Elija la mejor opción.) La respuesta correcta es la opción a) verdadero.