Generalidades de la Hidrología y recursos hídricos: un enfoque práctico para comprender los principios básicos de la hidrología y su aplicación en la ingeniería
Introducción
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| Modelo conceptual del ciclo hidrológico. Fuente: IDEAM |
El recurso hídrico se encuentra distribuido en la superficie
terrestre a manera de lago y ríos, glaciares y nieve, océanos, en la atmósfera
y finalmente en el subsuelo a forma de humedad del suelo y/o acuíferos. En
proporción, la siguiente figura expone la distribución del recurso hídrico en
la tierra.
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| Disponibilidad y distribución del agua en el planeta. Fuente: Adaptación de "World water distribution" (1996), Universidad de Nebraska. 2010. |
La hidrología tiene como finalidad estudiar, describir, analizar y representar todos los procesos que interactúan dentro de las etapas del ciclo hidrológico mediante relaciones de las variables y procesos presentes. En este sentido, la hidrología busca conocer cómo interactúan las condiciones y el entorno en donde se da un fenómeno que al final termina formando, manteniendo o condicionando el estado de un sistema hídrico.
Por ejemplo, en los estudios de dinámica de lagos, en los que es necesario analizar los volúmenes de agua que llegan a este sistema mediante el escurrimiento de aguas de lluvia y/o como aporte por los acuíferos, es necesario el estudio previo del comportamiento de las lluvias y como se condicionan estas para llegar al lago; entonces, se debe analizar la interacción de la precipitación con la cobertura de la superficie del suelo, con otras variables meteorológicas, con el tipo de suelo y los procesos de infiltración y saturación, y finalmente se determina que fracción del agua que precipita realmente está llegando al lago, el porcentaje que es retenido por el suelo, en el follaje de las plantas, en otras estructuras y el que regresa a la atmósfera.
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| El agua y su entorno. |
Al final del análisis pueden tenerse volúmenes de agua como entrada al lago y conocer qué variaciones tiene este sistema (por ejemplo, en niveles) frente al fenómeno de lluvia presentado.
Evolución de la Hidrología en el tiempo
Los inicios de la hidrología se vinculan, por una parte, a las primeras obras de ingeniería que servían para abastecer de agua a las civilizaciones asiáticas y del Medio Oriente y, por otra, a los intentos de eminentes eruditos por comprender el medio físico que rodea al hombre (Aparicio M, F., 2000, p.16).
Los filósofos griegos, entre ellos Platón (427-347 a.c.) iniciaron el estudio de las escorrentías, pero incurrieron en un error de decir que las aguas que corren son mayores que las que se precipitan en forma de lluvia.
El romano Marco Vitruvio aportó una versión sobre el ciclo hidrológico, indicando que la precipitación que cae en las montañas se infiltra en la superficie de la tierra y provoca corrientes en las tierras bajas.
El enfoque científico de la hidrología comenzó a despegar con Leonardo da Vinci (1452-1519) cuando realizó experimentos sobre la distribución de la velocidad en las corrientes.
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| Fuente: (Pfister et al., 2009). |
En 1550, Bernard Palissy ingeniero hidráulico francés llegó a la conclusión que el agua de los ríos proviene de la precipitación y afirmó que los manantiales se originaron de la lluvia, pero no lo cuantificó.
En 1674, el naturista francés Pierre Perrault midió el área de lluvias, escorrentía y drenaje del río Sena. Concluyó que la escorrentía de la cuenca asciende a 1/6 del agua precipitada. (Chow, 1964)
Q = (1/6)P; donde Q es el caudal y P es la precipitación.
En 1686, Edme Moriotte contribuyó con experimentos de infiltración y desarrolló mejores mediciones de flujo de corriente, combinando la velocidad y las medidas de la sección transversal del río para obtener las descargas – método del flotador. (Biswas, 1970)
En 1700, el astrónomo Inglés Edmond Halley publicó los resultados de las mediciones de evaporación del mar mediterráneo proporcionando algunas de las primeras estimaciones cuantitativas del almacenamiento del agua en múltiples fases del ciclo hidrológico. (Dingman, 2008)
El inicio de la hidrología cuantitativa se da entre el periodo 1700 - 1800, cerca de los años 1730 Daniel Bernoulli publicó la ecuación para flujo de tuberías sin fricción. En 1776, Antoine Chézy describió el flujo turbulento de los ríos usando tubo de Pitot y la fórmula de Chezy. En este periodo se publicó el libro “Treatasi on Rivers and Torrents” incluye datos cuantitativos sobre escurrimiento pluvial y corrigió algunos conceptos hidrológicos erróneos.
La hidrología como la conocemos actualmente (La hidrología como una ciencia) tubo sus inicios o se acogió en el periodo de 1800 a 1900, donde Tomas Mulvany en 1850 abordó el flujo de las cuencas urbanas mediante la introducción del tiempo de concentración lo que llevó al método racional para el diseño de caudal máximo.
En 1856, Henry Darcy desarrolló la ecuación fundamental para el flujo de agua subterránea. En 1883, Wenzel Rippl introdujo la curva masa para el diseño de reservorios. En este periodo Estados unidos fundó las siguientes agencias hidrológicas: U.S. Army Corp of Engineers (1802), the Geological Survey (1879), the Weather Bureau (1891) y the Mississipi River Commision (1893).
Posterior a 1900 los avances en hidrologia destacaban mas por los detalles en la forma de como interpretaban los fenómenos, se analizaban y se cuantificaban estos. En 1911, William Green y Gustav Ampt proporcionaron una descripción de la infiltración y saturación del suelo. Weston Fuller en 1914 introdujo el análisis estadístico de la frecuencia.
En 1931, Lorenzo Richards incluyó la ecuación del flujo no saturado. En 1932, Leroy Sherman introdujo el hidrograma unitario. En 1933, Horton introdujo la teoría de la infiltración. En 1935, Charles Theis presentó la ecuación para la reducción de la superficie piezométrica causada por el bombeo de una pozo. Distribución de valores extremos de lluvia de Gumbel (1941). Inicio de la Hidrometeorología por Bernard (1944). En 1948, Howard Penman desarrolló una ecuación para estimar la evaporación potencial. Estudios teóricos sobre sedimentación de Einstein (1950).
Finalmente, a partir de 1950 hasta la actualidad la hidrología se ha fortalecido debido a la implementación de instrumentos de medicion precisa y a la sistematización de la informacion para su procesamiento mediante herramientas computacionales. De igual forma, las metodologías de análisis, procesamiento y de tratamiento de datos han mejorado las capacidades y alances de los análisis hidrológicos, ademas se han incluido análisis lineales, no lineales a sistemas hidrológicos, conceptos estadísticos y transitorios en la hidrodinámica de aguas subterráneas, estudios energéticos, magnéticos y nucleares de la humedad del suelo, generación secuencial de datos hidrológicos, aplicación de las teorías de flujo de calor a la evapotranspiración, conceptos de estacionalidad y no estacionalidad en el análisis de datos, entre otras temáticas modernas.
La hidrología esta tomando un camino que lo lleva hacia la disminución de la incertidumbre en los resultado de sus análisis mediante la implementación de metodologías de análisis de datos mas robustas y la incorporación cada vez mas de las herramientas computacionales para la generación de modelos hidrológicos. De las temáticas que se proyectan y de las mas prometedoras para el análisis de datos y que en este blog queremos resaltar es la del manejo y procesamiento de informacion mediante learning machine.
Ramas de la Hidrología
Según el espacio físico donde el agua está confinada
Según este criterio, esta clasificación es la
siguiente:
●
Hidrometeorología: Estudia los fenómenos meteorológicos
en relación directa con la hidrología.
●
Potamologia: Estudia los sistemas lóticos.
●
Limnología: Estudia los sistemas lénticos.
●
Oceanografía: Estudia los océanos.
● Pedohidrologia: Estudio del agua en la primera capa del suelo.
● Hidrogeología: Estudio de las aguas subterráneas.
Según las etapas cronológicas de la investigación científica
●
Hidrometría: Estudio de la medida del agua y sus
características físicas.
● Hidrografía: Descripción geográfica regional o monográfica de los fenómenos hídricos.
● Hidrología científica: Búsqueda de las causas y consecuencias de los fenómenos hídricos y sus relaciones funcionales.
Según los temas de investigación
● Hidrología integral: estudio de los problemas de circulación
y movimiento del agua en la Tierra.
●
Criología: Estudio de los fenómenos hidrológicos
relativos a la nieve y al hielo.
●
Glaciología: Estudio de la formación, del movimiento y
características de los glaciares.
●
Crenología: Estudio de los manantiales.
●
Hidroquímica: Estudio de las propiedades químicas del
agua.
● Hidrofísica: Estudio de las propiedades físicas del agua.
● Biohidrología: Ciencia del agua como medio biológico.
La hidrología y su relación con otras ciencias
La hidrología se complementa o relaciona con otras ciencias
afines, las cuales comprenden y analizan fenómenos o procesos e inclusive
elementos (de manera más detallada) que intervienen o se involucran en el ciclo
hídrico, como lo es la geología que estudia la tierra y los materiales
que la componen. La relación entre estas ciencias (hidrología y geología)
permite crear un escenario claro del elemento suelo en el que interactúan
variables como el tipo de suelo y el escurrimiento, las pérdidas por
infiltración y retención con la capacidad de recarga de acuíferos, entre otras variables. Así mismo, existen otras
ciencias que se relacionan ampliamente con la hidrología:
●
Meteorología: Ciencia que estudia el medio atmosférico
y los fenómenos que se producen en este.
●
Climatología: Esta se diferencia de la meteorología
gracias a que estudia el comportamiento y registros a largo plazo, estudiando
además las predicciones sobre fenómenos conforme a modelos probabilísticos.
●
Oceanografía: Estudia más a detalle el océano
●
Geología: Ciencia que estudia la tierra y los elementos
que la conforman.
●
Biología: Ciencia que estudia la estructura de los
seres vivos y de sus procesos vitales.
● Química: Ciencia que estudia la composición y las propiedades de los elementos.
● Entre otras ciencias.
Introducción sobre enfoques.
La hidrología tiene diversos enfoques según la rama
específica que se desee estudiar, en este sentido refiriéndonos a las ramas de
la hidrología según el espacio físico o sistema en el que se desenvuelven los
procesos, el enfoque está dado en primera instancia por la rama y en segunda
por la finalidad del fenómeno o análisis que se desea realizar. Por ejemplo, si el objeto de un análisis hidrológico consiste en la definición de
la oferta media anual de un sistema lentico en el que se deben definir las
zonas de inundación a su vez, automáticamente se deduce que el enfoque debe
estar dirigido a evaluaciones de lagos y no del uso de metodologías de
evaluación de sistemas lóticos como ríos.
Particularmente en la ingeniería, la hidrología puede enfocarse
según el estudio o diseño hidrológico que van relacionados con el control y uso
del agua, algunos de las aplicaciones de la hidrología en la ingeniería son:
●
Diseño de obras hidráulicas.
●
Dimensionamiento de embalses y sus estructuras.
●
Estudios de impacto ambiental.
●
Diseño de desagües pluviales urbanos.
●
Diseño de estructuras de drenaje vial.
●
Estudio de áreas inundables y riesgos asociados.
●
Estudios de crecientes y/o avenidas torrenciales.
●
Estudios de disponibilidad hídrica y de sequías.
●
Pronósticos de escurrimiento en cuencas nivales y
pluviales.
●
Pronósticos hidrológicos en tiempo real y sistemas de
alerta temprana.
●
Estudios de transporte de sedimentos.
● Estudio de la dinámicas hídricas.
● Calidad de agua.
Los enfoques también pueden estar relacionados con la metodología de solución que se pretenda llevar a cabo para resolver un problema o representar un fenómeno. Por ejemplo, para el análisis de eventos muy lluviosos e intensos donde se generan grandes volúmenes de agua por medio de metodologías que relacionan la lluvia y el escurrimiento de esta en la superficie, es necesario previamente tener una serie de registros de lluvia que te permitan mediante un análisis estadístico, determinar la cantidad de agua que puede precipitar sobre el área estudiada y la probabilidad que esto ocurra. Este tipo de análisis no son necesarios cuando en vez de datos de lluvia se tiene exactamente la cantidad de flujo que ha drenado el cuerpo de agua a lo largo de los años a manera de serie de tiempo.
La relación entre la Hidrología e hidráulica
La hidrología y la hidráulica tienen una relación directa y puede decirse que una es un insumo o condiciona al otro. En este caso la hidrología se enfoca principalmente en estudiar de manera global el recurso hídrico, desde la cuantificación a forma de oferta de agua, hasta la estimación del caudal máximo drenados por un río en periodos de intensa lluvia. Por otro lado, la hidráulica se enfoca en el estudio más a detalle de los fenómenos relacionados con la dinámica del fluido (del agua que fluye), al diseño y operación de obras civiles y a todos los análisis relacionados con variables como la velocidad, el tirante, la erosiones, ETC.
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| Relación entre la hidrología y la hidráulica. |
La cuenca hidrográfica y sus generalidades
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| La cuenca hidrográfica |
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| Cauces efímero: Que presentan agua únicamente en periodos de lluvia. |
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| Cauces perennes: Son aquellos donde en todo momento del año presentan escurrimiento, debido en su mayoría a la gran capacidad de retención de sus acuíferos. |
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| Cauces intermitentes: Son aquellos que parte del año (sobre todo en periodos de invierno) mantienen un flujo base en el cuerpo de agua, sin embargo cuando llega la época de verano o sequia, su flujo base puede llegar hasta 0 debido a la poca retención de sus acuíferos. |
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| Cuenca de tipo Exorreica. Fuente: Valoración de efectos e impactos de intervenciones de gestión, manejo y protección de áreas de recarga hídrica y de fuentes de agua en microcuencas: Experiencia de mancomunidades de municipios. https://www.researchgate.net/figure/Figura-2-Esquema-de-una-cuenca-hidrografica_fig1_284172994 [accessed 21 May, 2020]. |
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| Cuenca de tipo Endorreica. |
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| Relación cualitativa entre la forma de la cuenca drenante y la respuesta hidrológica. Fuente: Mapas de peligrosidad por avenidas e inundaciones Guía metodológica para su elaboración (INSTITUTO MINERO Y GEOLÓGICO DE ESPAÑA, 2008). Adaptado de Strahler (1964). |
- Área: Es la extensión geográfica que drena hacia un punto determinado donde se delimita al cuenca hidrográfica, es probablemente la característica mas importante.
- Perímetro: Longitud del contorno que define el polígono que encierra el área de la cuenca.
- Cota media: Altura media de los puntos de la cuenca respecto al nivel del mar.
- Cota máxima: Altura máxima de la cuenca.
- Cota mínima: Altura mínima de la cuenca o en el punto de salida.
- Longitud axial: distancia máxima desde el punto de salida hasta el punto más lejano.
- Forma de la cuenca: Define por medio de índices o coeficientes la forma de la cuenca y por ende una descripción (análisis cualitativa) de como esta puede responder a distintas eventos o fenómenos. Dentro de los métodos mas usados para establecer la forma de la cuenca están:
- Índice de compacidad o de Gravelius.
- Factor de forma.
- Índice de alargamiento.
- Índice asimétrico.
- Ancho medio de la cuenca.
- Radio de la circularidad.
- Relaciona de elongación .
- Pendiente media de la cuenca: re presenta la variación de la inclinación en una cuenca, puede expresarse en %, m/m o grados.
- Variabilidad altitudinal de la cuenca: Se refiere a la variación en altitud de una cuenca hidrográfica que a su vez repercute sobre el clima que se presenta en ella y por ende en su respuesta hidrológica. Existen relaciones entre variables que permiten describir el estado, comportamiento y en generar las propiedades altimétricas y su relaciona con la respuesta hidrológica de la cuenca, dichas relaciones se exponen a continuación:
- Curva hipsométrica.
- Coeficiente de masividad.
- Coeficiente orográfico.
- Rectángulo equivalente.
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| Cauce principal y tributarios de una cuenca. |
- Según su forma: Suárez (2001) clasifica de manera general los cauces según tres tipos de forma, semirrectos, trenzados y meándricas.
- Según el tipo de red de drenaje a la que pertenezcan: Esta clasificación tiene que ver con la forma o el patrón de como se distribuyen los afluentes y el cauce principal en la superficie de la cuenca, esta clasificación esta condicionada principalmente por su relieve.
- Cota minima del cauce.
- Cota maxima del cauce.
- Cota media del cauce.
- Longitud del cauce principal: corresponde a la longitud del cauce que entrega en el punto de delimitación de la cuenca o desembocadura hasta el punto más alejado de la cuenca siguiendo el recorrido aguas arriba.
- Longitud de la recta del cauce: corresponde a la longitud desde el punto final o de salida del cauce en una recta aguas arriba hasta su inicio.
- Perfil longitudinal y pendiente media del cauce principal.
- Longitud total de drenaje.
- Orden de las corrientes.
- Relación de bifurcación.
- Relación de longitud.
- Densidad de drenaje.
- Constante de estabilidad de un rio.
- Índice de torrencialidad
Tipos de Obras hidráulicas
Las obras hidráulicas o infraestructuras hidráulicas son principalmente todas las construcciones civiles que interactúan, condicionan o están condicionadas principalmente por el recurso hídrico. Los siguientes son los principales tipos de obras hidráulicas.
- Obras de captación:
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| Capítulo 6: Conceptos Básicos de Centrales Hidroeléctricas - Scientific Figure on ResearchGate. Available. Fuente: https://www.researchgate.net/figure/Figura-625-Vista-de-las-obras-de-captacion-del-proyecto-San-Gaban-III-Peru-Fuente_fig5_326560960 [accessed 22 May, 2020]. |
- Obras de transporte:
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| Tuberías de conducción. Fuente: Tuberías de conducción de agua del trasvase Tajo-Segura, a su paso por Orihuela, Diario el Pais, https://elpais.com/diario/2012/02/03/sociedad/1328223602_740215.html. |
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| Canales de conducción. Fuente: Tareas de mantenimiento y reparación del canal de riego, http://agenciasanluis.com/notas/2013/08/13/tareas-de-mantenimiento-y-reparacion-del-canal-de-riego/ |
- Obras de control:
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| Estructura de control o alivio de una presa. Fuente: Vertedero del embalse Porce II, con salto de esquí en la descarga, EPM. |
- Obras de distribución:
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| Obras de distribución de un acueducto Fuente: Radio Uniminuto https://www.uniminutoradio.com.co/empresas-de-acueducto-a-devolver-plata-por-cobros-indebidos/ |
- Obras de tratamiento:
- Plantas de tratamiento de agua potable (PTAP)
- Plantas de tratamiento de aguas residuales ( PTAR)
- Obras de recolección: Hace referencia a lagos artificiales o sistemas construidos para almacenar agua por conducción o drenado directo.
- Obras de protección y mejoras de cauces:
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| Obras de Protección de Meandros. Fuente: http://mikosas.com/waving-portfolio/rios-y-riveras/ |
- Obras de transformación de energía hidráulica:
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| Transformación de energía hidráulica Fuente: https://sites.google.com/site/energiahidraulica3a/conclusiones |
Caudales hidrológicos.
El caudal a manera práctica, es la cantidad de agua que
fluye o pasa en un determinado tiempo. En este sentido, el caudal esta
expresado en unidad de volumen sobre tiempo (m3/s,cu ft/s) y puede ser
interpretado según la finalidad del estudio o el intervalo de medición del mismo. Podemos
hablar de caudales cuando nos referimos a:
●
El volumen de agua que escurre por un cuerpo de agua
(El caudal que drena el río).
●
El volumen de agua que se extrae de un pozo o acuífero.
● La cantidad de agua que necesito para desarrollar una actividad en determinado periodo para el sector productivo.
● La cantidad de agua necesaria para satisfacer una comunidad o necesidad en general.
El caudal de agua que transporta un río es una de las
principales y más importantes variables resultantes de la interacción final
entre procesos que conforman el ciclo hidrológico. Para los ríos, el caudal es
el principal condicionante de la dinámica hidrobiológica, geomorfológica y en
general de los fenómenos asociados a estos sistemas hídricos. Estos, a su vez,
se encuentran directamente relacionados con el estado de los acuíferos, la
cobertura de la superficie, si existen obras de control aguas arriba y del
estado meteorológicos y climatológicos, el caudal nos permite obtener informacion también sobre:
●
El periodo climático e hidrológicos de la región.
●
Si se han presentado lluvias días antes o si está
lloviendo en alguna región de su área aferente.
●
Estado de los acuíferos de la unidad hidrológica.
●
Presencia de obras de control y regulación aguas
arriba.
●
Ruptura de presas, presencia de avalanchas o efectos
torrenciales.
●
Ubicación espacial sobre la unidad hidrográfica.
● Cantidad de sedimentos transportados.
● Rangos y magnitudes del evento observado.
En general, el caudal en su medición y observación nos
permite obtener un panorama sobre el estado de una unidad hidrográfica e hidrológica. El siguiente esquema expone las formas de representar los caudales en hidrología, su importancia y una descripción sobre los valores mínimos, medios y máximos.
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| Formas de representar los valores de caudal en hidrología |
El caudal o los valores de caudal manejados u obtenidos en hidrologia e hidraulica pueden representarse tanto de manera numérica como de manera gráfica, la forma numérica puede estar dada por el resultado de un valor de caudal dado por la solución de una expresión matemática, por la medición puntual del valor en un punto (aforo) y/o por un dato especifico de diseño. Por otro lado, los datos gráficos de caudal se presentan cuando se conoce una distribución del flujo de agua con respecto al tiempo, por ejemplo, la cantidad de agua que drena el río en el total del tiempo de duración de la creciente, esta representación gráfica se hace mediante la implementación de un hidrograma, este hidrograma es una gráfica que permite obtener la variación de una variable hidrológica en función del tiempo.
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| Representación de caudales en hidrología |
El caudal que pasa por determinado cuerpo de agua puede relacionarse directamente con el periodo climático de la cuenca o de algunos sectores de la misma, en este sentido, si observamos bajos volúmenes de flujo o niveles de agua en el sistema evaluado (generalmente sistemas perennes o intermitentes) podemos asociar el año a un periodo seco o a un régimen climático seco o de verano.
Periodos climáticos y regímenes climáticos
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| Clasificación de periodos climáticos según el IP (IDEAM). Fuente: Modificado IP IDEAM. |
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| Resultados gráficos de la evaluación mediante IP de una serie de datos históricos de precipitación |
Los periodos climáticos, como se menciona arriba permiten
identificar el estado de un año de medición mientras que los regímenes
climáticos son básicamente la forma en que clasificamos el cómo se distribuyen
los periodos secos y húmedos dentro de un año. Es decir, es la forma en cómo se
distribuyen las épocas secas y las épocas húmedas a lo largo de un año. estos
regímenes se dividen principalmente en dos categorías: La primera denominada
monomodal se caracteriza por la división de un año en dos periodos seguidos, un
periodo de verano y uno continuo de invierno. La segunda denominada bimodal
consiste en un año con transiciones entre dos periodos húmedos y dos secos;
típicamente los regímenes bimodales inician con un periodo de sequía
posteriormente un periodo de transición donde se presentan algunas lluvias,
luego un pequeño periodo seco y finalmente el periodo más extenso e intenso en
lluvias.
Existe una metodología muy práctica para la estimación de
los regímenes climáticos basada en el análisis de promedios multianuales mensuales a una
serie de registros de precipitación, a esta metodología se le conoce como
Coeficiente Pluviométrico. Este coeficiente indica los meses en los cuales la
precipitación media del mes se encuentra por debajo o por encima del valor que
hipotéticamente debería haber precipitado. Este ejercicio permite al evaluador obtener de una manera precisa
los periodos en los cuales se presenta normalmente sequía en una zona y los
periodos en los cuales existe una temporada húmeda.
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| Coeficiente pluviométrico - Régimen climático |
Máximos, Promedio, Mínimos (caudales ambientales o
ecológicos) e hidrogramas.
Según el enfoque que se le dé al análisis hidrológico, será
necesario la obtención de la respuesta hidrológica de una unidad hidrográfica,
por lo que habrá que encaminar los análisis y las hipótesis hacia modelos que
repliquen el fenómeno de interés. Basados en lo antes dicho, para enfoques
hacia obras civiles de control, por ejemplo, es necesario el análisis de
caudales máximos para distintos periodos de retorno o probabilidades de
ocurrencia. Para el análisis de la capacidad o índices de retención como
metodología para el análisis y ordenamiento del recurso hídrico es necesario el
análisis de los caudales medios multianuales. Para el análisis de puntos de
captación, derivaciones, solicitud de concesiones de agua, caudales ecológicos
en general asociados a condiciones críticas, es necesario conocer los caudales
mínimos.
Caudales Máximos
Los caudales máximos representan el volumen de agua generado
por un evento de condiciones atípicas o extremas con X probabilidad de
ocurrencia a lo que también se le conoce como periodo de retorno. Estos eventos
generalmente se presentan debido a la presencia de lluvias intensas y
superficies saturadas con bajos niveles de infiltración. Estos fenómenos son
complejos de estudiar y dependiendo de las características de la unidad
hidrográfica o cuenca.
Generalmente, los caudales máximos producidos durante
eventos climáticos extremos son los condicionantes de inundaciones de tipo
fluviales (aumento paulatino de los niveles de agua en el sistema hídrico).
estos eventos comienzan a ser considerados como inundaciones fluviales cuando
el nivel del agua sobrepasa el hombro del canal o el cauce permanente según el
decreto 2245 (Colombia). Se le llama cauce permanente a la geoforma sobre la
cual fluye o se acumulan el agua y sedimentos en condiciones de flujo de
caudales o niveles sin que se llegue a producir desbordamiento de sus márgenes
naturales. En cauces cuya sección sea intervenida, el cauce permanente está
regido por la misma sección hidráulica.
Estos caudales máximos pueden no solo ser generados por eventos naturales sino también por la inadecuada gestión del manejo del recurso hídrico y/o la construcción de obras civiles. La Guía Metodológica Para la Elaboración de mapas de peligrosidad por avenidas e inundaciones, categoriza los tipos de inundación según su procedencia y la procedencia determina en la medida que aplique, la formación del caudal máximo o el flujo máximo de agua que se descarga por un Río.
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| Tipos de inundación Fuente: Mapas de peligrosidad por avenidas e inundaciones, Guía metodológica para su elaboración. Instituto geológico y minero de España. |
Las avenidas torrenciales son un tipo de movimiento en masa
que se desplazan generalmente por los cauces de las quebradas, llegando a
transportar volúmenes importantes de sedimentos y escombros. En general, los
tipos de fenómenos formadores de inundaciones condicionan nuestro caudal
máximo, por lo que podemos obtener un valor de esta variable que fue generado
no necesariamente por el escurrimiento del agua sobre la superficie de la
cuenca.
Caudales
Medios
El caudal medio de un sistema hídrico está sometido a múltiples interpretaciones según el enfoque del análisis que se desea realizar. Algunas de sus interpretaciones son las siguientes:
- El promedio de los caudales generados por una cuenca a lo largo de un registro de datos.
- El volumen total recibido dividido por el tiempo de duración del evento.
- Eh inclusive en el análisis de abastecimiento de agua potable.
En todo caso, el caudal medio corresponde a un valor representativo que condiciona el volumen de agua con una probabilidad de ocurrencia igual al 50%, el valor promedio de un volumen drenado sobre el tiempo de duración del evento o el valor promedio de una serie de registros de caudales.
Un ejemplo práctico donde es necesaria determinar el caudal
medio de un río, es para la estimación del índice de retención y regulación
hídrica (IRH). Este Índice tiene como finalidad representar la regulación de
agua, señalando aquellas zonas que tienen condiciones más estables de
escurrimiento y de regulación de caudales, evidenciando también con la curva de
duración de caudales medios diarios la proporción de ocurrencia de los caudales
altos y bajos. El propósito es apoyar la evaluación de la disponibilidad de
agua en una unidad hidrográfica.
El indicador IRH se evalúa mediante una clasificación o categorización que va de 0 a 1 donde entre más cercano a 1 sea el valor indica una mayor regulación, representando una mayor homogeneidad en los caudales, y entre más cercano a 0 sea el valor indica un mayor contraste entre los caudales más bajos y más altos que genera la cuenca, evidenciando rangos de tiempo con magnitudes características altas y/o bajas y de mayor variabilidad.
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| Curva de duración de caudales para la estimación del IRH. Fuente: IDEAM. |
Caudales
Mínimos
los caudales mínimos al igual que los medios y máximos,
están sujetos a interpretación según el enfoque del estudio o la necesidad de
esta variable. en el caso de las curvas de duración de caudales (CDC) que se
presentan mediante una curva acumulada de caudales en función de la
probabilidad de excedencia en un gráfico logarítmico, los caudales mínimos
deben analizarse excluyendo del registro los valores inferiores a 1. Los
mínimos son utilizados a su vez para la estimación de los caudales ecológicos
de un río (IDEAM 2015), las épocas de estiaje, diseño de estructuras de
captación y demás análisis que requieran de un valor mínimo que transita en
cualquier época del año.
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| El caudal mínimo y alguno de los usos a esta variable. |
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