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Capítulo 3
RETENCIÓN SUPERFICIAL
DEFINICIÓN
La Retención Superficial es un término que engloba a dos componentes del ciclo
hidrológico que son la Interceptación y la Detención Superficial. Se define como el
agua procedente de la lluvia que queda retenida o bien en la vegetación o bien en el
suelo constituyendo lagunas.
En el presente capítulo se van a estudiar cada una de ellas por separado. En primer lugar
se analizará la Interceptación y, posteriormente, la Detención Superficial.
INTERCEPTACIÓN
Definición
Se define la Interceptación como la parte de lluvia retenida por la vegetación. La
cantidad de lluvia interceptada dependerá del tipo de vegetación, es decir del tamaño de
la hoja, densidad de la vegetación, de la velocidad del viento, intensidad y duración del
aguacero, etc. No obstante, la capacidad máxima que puede almacenar una hoja oscila
entre 1 y 2 l/m2.
La Interceptación coincide con la precipitación si los aguaceros son pequeños (P < 5
l/m2) y constituye aproximadamente el 10 % de ésta si son mucho mayores de esta
cantidad. De forma más simplificada, la Interceptación puede obtenerse como un
porcentaje de la lluvia con la siguiente expresión:
In = α P
(3.1)
donde α es un coeficiente cuyo valor depende del tipo de cobertura vegetal y que suele
valer entre 0.1 y 0.2 para zonas húmedas con amplia cobertura vegetal y 0 para zonas
semiáridas. En zonas amplias de bosque la Interceptación puede llegar al orden del 10
%, e incluso del 20 % de la precipitación.
La Interceptación es la componente del ciclo hidrológico más difícil de medir teniendo
en cuenta que, en períodos largos, el agua interceptada se evapora o discurre por el
dosel vegetal llegando a infiltrarse incrementado la reserva del agua del suelo.
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HIDROLOGÍA I: CICLO HIDROLÓGICO
Cálculo de la Interceptación
El papel hidrológico de la vegetación obliga a reconsiderar viejos aforismos para los
que una repoblación forestal implica un incremento de la precipitación de una región.
Se puede observar que hay regiones húmedas en las que se convierte un menor volumen
de lluvia en agua superficial debido precisamente al papel interceptor que juega la
cobertera vegetal. El agua interceptada es agua susceptible de evaporarse al incorporarse
de nuevo a la atmósfera en fase vapor. Únicamente el agua que resbale por el tronco del
árbol o por la planta llegará al suelo infiltrándose o escurriéndose superficialmente.
Para calcular la Interceptación se puede realizar un sencillo balance de masa en el que
se establece que la precipitación total que recibe el dosel Pd se reparte entre el volumen
evaporado desde el dosel, Ed, lo que pasa a través del mismo, Ps, lo que escurre por el
tronco, Pt, y un residuo que es la Interceptación, In:
I n = Pd − Pt − Ps − E d
(3.2)
La Interceptación es una variable del ciclo hidrológico que crece con una fuerte
pendiente en los primeros instantes de un aguacero pero, posteriormente se estabiliza
con un crecimiento menor hasta que se establece un régimen estacionario entre lo que la
vegetación es capaz de retener y el agua que escurre por la planta hasta el suelo y la
cantidad de agua que se evapora (Figura 3.1).
VIN
Tiempo
dVIN/dt
Tiempo
Figura 3.1. Evolución temporal de la Interceptación durante un aguacero.
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Capítulo 3. RETENCIÓN SUPERFICIAL
Modelo de Horton
Para evaluar la Interceptación se han seguido diferentes modelos. Uno de ellos,
propuesto por Horton, estima el volumen interceptado a partir de la precipitación total
siguiendo una ley lineal con coeficientes ajustados empíricamente:
I n = S d + γ Pd
(3.3)
siendo Sd y γ parámetros que dependen del tipo de vegetación. En la Tabla 3.1 se
muestran valores de dichos parámetros.
Tabla 3.1. Parámetros del modelo de Horton. h es la altura de la planta en m.
Tipo de cubierta
Huertos
Bosque de fresno
Bosque de hayas
Bosque de robles
Bosque de arces
Sauces
Pinares
Cubierta herbácea
Trébol y praderas
Alfalfa, veza y pastos
Cereales
Sd (mm)
1.02
0.51
1.02
1.27
1.02
0.51
1.27
1.67 h
0.42 h
1.67 h
0.42 h
γ
0.18
0.18
0.18
0.18
0.18
0.4
0.2
0.49 h
0.26 h
0.33 h
0.16 h
Modelo de Linsley
En este modelo se supone que la Interceptación alcanza su valor final de modo
exponencial al aumentar la cantidad de precipitación:
I n = (S d + k ⋅ I e ⋅ t l ) ⋅ [1 − exp(− a ⋅ Pd )]
(3.4)
donde Ie es la intensidad de evaporación, constante, tl es la duración de la lluvia y k y a
son dos coeficientes.
Modelo de Singh
Singh ha sugerido la siguiente expresión:

P
I n = S d 1 − exp d
 Sd


 + k ⋅ I e ⋅ t l

(3.5)
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HIDROLOGÍA I: CICLO HIDROLÓGICO
Tanto esta ecuación como la propuesta por Linsley se reducen a la de Horton cuando la
lluvia es abundante.
Modelo de Rutter
Rutter et al. Plantean un modelo basado en una ecuación de balance de masa, tal como
se expone en la Figura 3.2. En este esquema la precipitación total Pd se divide en tres
partes, la primera de ellas corresponde al agua que cae directamente sobre el entramado
de hojas y ramas en donde es retenida, (1-fd-ft) Pd, la segunda corresponde a la que cae
sobre el tronco por donde escurre hasta el suelo, ft Pd, y la última la que atraviesa
directamente el dosel o copa, fd Pd, donde ft y fd son las fracciones correspondientes a la
lluvia interceptada por el tronco y la no interceptada ni por el dosel ni por el tronco,
respectivamente. La estructura conceptual de este modelo se refleja en la Figura 3.3.
Pd
Evaporación
(1-ft-fd) Pd
fd Pd
ft Pd
Figura 3.2. Modelo de Rutter et al.
En la Figura 3.3 I es la intensidad de lluvia, In es el volumen de agua retenida en la
planta por interceptación, S es la capacidad de almacenamiento total de la planta, Ie0 es
la intensidad de evaporación potencial (intensidad máxima), Ie es la intensidad de
evaporación del agua almacenada y Ig es la intensidad de goteo desde la cubierta.
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Capítulo 3. RETENCIÓN SUPERFICIAL
Tanto en el dosel como en el tronco el agua se evapora con una intensidad Ie, que será a
la potencial Ie0 multiplicada por un coeficiente de proporcionalidad de exceso de agua
sobre la capacidad de almacenamiento. Existe también una pérdida por caída o goteo, Ig,
hacia el suelo, cuya velocidad depende del exceso de almacenamiento del dosel, que se
anula cuando el volumen de agua en el dosel es inferior a la capacidad de
almacenamiento del mismo.
El balance de masa establece la siguiente expresión:
dI n
= (1 − f d ) ⋅ I − I e − I g
dt
(3.6)
La intensidad de lluvia que llega al suelo, Is, es
Is = f d ⋅ I + Ig
(3.7)
La intensidad de goteo se ha formulado de diferentes formas en función del valor
máximo del almacenamiento en la copa o dosel, Inmx, y su valor umbral o mínimo, Inmn,
y una serie de parámetros de ajuste, tal y como se muestra en la Tabla 3.2. En la Tabla
3.3 se resumen algunas estimaciones de la capacidad de almacenamiento para distintas
especies.
I
Ie = In Ie0 / S
Lluvia no
interceptada
Ie = Ie0
Lluvia
interceptada
In > S
fd I
(1- fd) I
In < S
In = (1-ft-fd) I
Ig = ft I
Is
Figura 3.3. Estructura conceptual del modelo de interceptación de Rutter et al..
La ecuación de balance de masa junto con cualquier expresión dada para la intensidad
de goteo constituye una ecuación diferencial ordinaria cuya solución es:
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HIDROLOGÍA I: CICLO HIDROLÓGICO
I nmx [1 − exp(− t k )] para t ≤ t r
In = 
I nr − (I e 0 I nmx + 1 k ) ⋅ (t − t r ) para t ≥ t r
(3.8)
donde Inr es la Interceptación que hay en el tiempo de duración del aguacero tr.
Tabla 3.2. Expresiones de la intensidad de goteo.
Autores
Rutter et al., 1971
Expresiones
I g = exp(α + β I n )
I g = I g 0 [exp(αI n I nmx − 1)] ⋅ [exp(α )]
Massman, 1980
−1
I g = exp[α(I n − I nmn )] − 1
Pitman, 1989
Tabla 3.3. Capacidad de almacenamiento de la cubierta en algunas especies.
Bosque de coníferas
Bosque caducifolio
Ericáceas
Herbáceas
Vegetación
Pinus sylvestris
Picea abies
Pseudotsuga meziensii
Pinus nigra
Carpinis betulus (verano)
Carpinis betulus (invierno)
Quercus robur (verano)
Quercus robur (invierno)
Calluna vulgaris
Zea mays
Lolium perenne (10 cm altura)
Lolium perenne (48 cm altura)
Molinia cerulea
Pteridium aquilinum
S
1.6
1.5
2.1
1.6
1.
0.6
1.
0.4
2.
0.4-0.7
1.6
2.8
0.7
0.9
DETENCIÓN SUPERFICIAL
Definición
Se define la Detención Superficial como el agua que llega a la superficie y se
“almacena” en las pequeñas depresiones del terreno. Si rebosa se puede generar
escorrentía superficial. La Detención Superficial máxima oscila entre 10 y 50 mm (1050 l/m2). Para que se produzca debe llover lo suficiente y de forma distribuida. La
Detención Superficial contribuye a que los fenómenos de escorrentía estén más
dispersados, retrasándolos y suavizándolos.
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Capítulo 3. RETENCIÓN SUPERFICIAL
En la Figura 3.4 se muestra un modelo de Detención Superficial. En dicha figura se
define la lluvia eficaz como la parte de agua que llega al suelo y no se infiltra, es decir
es susceptible de constituir Escorrentía Superficial.
Cálculo de la Detención Superficial
Tal y como se acaba de definir en el apartado anterior, la lluvia eficaz es la parte de la
lluvia que genera escorrentía superficial. La expresión de dicha lluvia eficaz es:
Pe = (P − I n ) − I f
(3.9)
donde Pe es la lluvia eficaz, P es la lluvia total, In es la Interceptación e If es la
Infiltración. La anterior expresión se puede deducir a partir de la Figura 3.4.
In
P - In
Evaporación
Evaporación
If
If
If
Escorrentía
superficial
If
Figura 3.4. Modelo de Detención Superficial.
Es evidente que si todo el agua que precipita sobre el suelo es interceptada por la
vegetación la detención superficial es nula. Por otra parte, si, aún alcanzando el suelo, la
capacidad de infiltración del suelo es lo suficientemente alta como para que no exista
estancamiento en la superficie y el agua se infiltre a niveles inferiores, tampoco existirá
Detención Superficial. En consecuencia, sólo existirá Detención Superficial si la lluvia
eficaz Pe es mayor que cero.
La Detención Superficial es máxima si todas las depresiones se encuentran llenas. Si se
define Cds la capacidad máxima de agua que se puede almacenar en dichas depresiones,
la Detención Superficial se puede expresar en función de la lluvia eficaz como:
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HIDROLOGÍA I: CICLO HIDROLÓGICO
Vds = C ds (1 − exp(− k ⋅ Pe ))
(3.10)
donde Vds es la Detención Superficial para una lluvia eficaz Pe. k es un parámetro de
ajuste de dicha expresión. Si se deriva la expresión anterior con respecto a la lluvia
eficaz se obtiene:
dVds
= C ds k exp(− k ⋅ Pe )
dPe
(3.11)
Cuando Pe tiende a cero dicha derivada tiende a 1, y
dVds
dPe
= C ds k = 1
(3.12)
1
C ds
(3.13)
Pe → 0
de donde
k=
En consecuencia,

 P 
Vds = C ds 1 − exp − e  
 C ds  

(3.14)
Detención superficial (Vds)
En general Vds es muy difícil de medir, pero su valor tiende a Cds cuando el valor de la
lluvia eficaz crece indefinidamente (Figura 3.5).
Lluvia eficaz (Pe)
Figura 3.5. Detención Superficial en función de la lluvia eficaz.
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