HIDROLOGIA FUNDAMENTOS BASICOS Hidrología La hidrología es la ciencia natural que estudia al agua, su ocurrencia, circulación y distribución en la superficie terrestre, sus propiedades químicas y físicas y su relación con el medio ambiente, incluyendo a los seres vivos. Hidrología Importancia de la hidrología Desde el punto de vista de la ingeniería, la hidrología incluye los métodos para determinar el caudal como elemento de diseño de las obras que tienen relación con el uso y protección del agua, tales como represas, canales, abastecimiento, drenaje, calidad del agua, manejo de cuencas, etc. El análisis hidrológico es fundamental para el planeamiento, diseño y operación de los sistemas hidráulicos por lo que el ingeniero debe buscar respuesta a las siguientes preguntas: - Cual es el caudal máximo probable en el lugar propuesto para la construcción de una presa? - Como varia la producción de agua en una cuenca de estación a estación? - Cual será la capacidad del embalse apropiado? Historia de la Hidrología La hidrología se ha desarrollado como ciencia en respuesta a la necesidad de comprender el complejo sistema hídrico de la Tierra y ayudar a solucionar los problemas de agua. Historia de la Hidrología: Civilización Griega Historia de la Hidrología: Civilización Asiática Historia de la Hidrología: Evolución Historia de La Hidrología Antigüedad 1400 d.c Griegos y Romanos (Homero, Tales, Platón, Aristotoles; Seneca y Plinio) especularon sobre la concepción del ciclo hidrológico. Sin embargo, alrededor de 100 a.c. quien se acercó más al concepto fue un Ingeniero Romano Marcus Vitruvius que relacionó los conceptos de lluvia y nieve con agua subterránea. 1400 a 1600 d.c. Etapa del renacimiento. Leonardo de Vinci y Bernard Palissy ampliaron la concepción del ciclo hidrológico (aún por mera observación y análisis) relacionando lluvia-infiltración-manantiales. La ingeniería de ríos avanza. Historia de la Hidrología: Evolución Historia de La Hidrología 1600 a 1700 d.c. El ciclo hidrológico y sus procesos, inicia un proceso de cuantificación. Pierre Perrault mide caudales en el R. Sena en Paris. Inician estudios sobre los pozos artesianos. 1700 a 1800 d.c. Coincide con el desarrollo de la experimentación en Hidráulica (piezómetro, teorema de Bernoulli, fórmula de Chezy, tubos de pitot). Se desarrolla la hidrología cuantitativa Historia de la Hidrología: Evolución Historia de La Hidrología 1800 a 1930 d.c. Grandes aportaciones: aforos de aguas superficiales, instrumentación para aforos, vertedores, Manning, Francis, desarrollos en el campo de la evaporación, se relaciona precipitación con altitud. Inicia el empirismo. Se desarrolla el método racional. 1930 a 1950 d.c La hidrología es más analítica que empírica. Sherman desarrolla el concepto de hidrograma unitario. Horton inicia estudios de infiltración. Theis trabaja en Hidráulica de pozos. Nace la hidrometeorología. Einstein trabaja sobre sobre arrastre de sedimentos. Se establecen muchos laboratorios hidráulicos e hidrológicos Historia de la Hidrología: Evolución Historia de La Hidrología 1950 a 1990 Computadoras, análisis matemático, instrumentos sofisticados, técnicas de investigación de sofisticados, técnicas de investigación de operaciones, hidrología estocástica. Conceptos Básicos en el Estudio de la Hidrología Hidráulica: Es la ciencia que estudia la transmisión de la fuerza y movimiento a través de un medio líquido. Abarca cualquier estudio de fluido en movimiento. Hidrostática: Estudia la mecánica de fluidos en reposo. Hidrodinámica: Estudia la mecánica de fluidos en movimiento. Hidrosfera: Parte de la tierra ocupada por los océanos, mares, ríos, lagos y demás masas y corrientes de agua. Fenómeno de El Niño: Es el calentamiento anómalo de la temperatura del agua en el Pacifico Oriental, que repercute en el clima mundial. Fenómeno de La Niña: Es el enfriamiento cíclico de la temperatura del agua en el Pacifico Oriental. Propiedades del Agua Propiedades Físicas - Es un líquido incoloro, inodoro e insípido. - Se transforma fácilmente en los tres estados de la materia (solido, líquido y gaseoso) - A 100°C se produce su punto de ebullición en condiciones normales de presión (760 mm de Hg) - Se solidifica a 0°C. - A 4°C adquiere su mayor densidad, si su temperatura baja de este valor su densidad se eleva, pues la solubilidad decrece inversamente con la densidad; es la razón por la cual el hielo flota pues ocupa más volumen. Propiedades del Agua Propiedades Físicas - Es un compuesta con elevada capacidad calorífica, esto es, requiere mucho calor para elevar su temperatura. - Es el disolvente universal por excelencia. - En estado químicamente puro es mala conductora del calor y la electricidad. - Su densidad y fluidez permiten que su energía potencial, al ser almacenada en presas, se aproveche en energía para producir energía eléctrica. Propiedades del Agua Propiedades Químicas - Su fórmula química es H₂O: un átomo de oxígeno ligado a dos de hidrógeno. - La molécula del agua tiene carga eléctrica positiva en un lado y negativa en el otro, propiedad que ocasiona que sus moléculas se unan entre sí. - Tienen un carácter dipolar: las moléculas de agua se orientan en torno a las partículas polares o iónicas, formando una envoltura de solvatación. Esto se traduce en una modificación de las propiedades de estas partículas. - Contiene minerales y nutrientes de gran valor. - El agua pura tiene un pH neutro de 7: esto significa que no es ácida ni básica. - Reacciona con los óxidos ácidos, los óxidos básicos y el metal. - Cuando se une el agua y las sales, se forman los hidratos. Estados del Agua en el Ambiente Distribución de la Aguas en el Planeta Localización Porcentaje de agua total Tipo de agua Mares y océanos Casquetes y glaciares polares 96,5 % 1,74 % Salada Dulce Agua subterránea salada 0,94 % Salada Agua subterránea dulce 0,76 % Dulce Glaciares continentales y permafrost* 0,022 % Dulce Lagos de agua dulce 0,007 % Dulce Lagos de agua salada 0,006 % Salada Humedad del suelo Atmósfera Embalses Ríos Agua biológica 0,001 % 0,001 % 0,0008 % 0,0002 % 0,0001 % Dulce Dulce Dulce Dulce Dulce Aplicaciones de la Hidrología - Diseño y operación de embalses Abastecimiento de agua para poblaciones Irrigación Generación de Energía Eléctrica Obras de drenaje Control de inundaciones Erosión y control de sedimentos Estudio de la calidad del recurso hídrico Protección de los ecosistemas División de la Hidrología Hidrología Superficial División de la Hidrología Hidrología Subterránea Subdivisiones de la Hidrología - Hidrometeorología: Se concentra en el agua en la capa fronteriza inferior de la atmosfera. - Hidrometría: Se encarga de las mediciones de aguas superficiales (precipitación, flujo de corrientes). - Hidrografía: Descripción y confección de mapas de los grandes cuerpos de agua. - Hidrología del Suelo: Estudio de las aguas que se encuentran en la zona saturada del suelo, debajo de la superficie de este y en la zona no saturada. Ciencias Auxiliares de la Hidrología - Geología Química Física Edafología Meteorología Fisiología vegetal Hidráulica Oceanografía Estudios hidrológicos Los estudios hidrológicos son fundamentales para: - El diseño de obras hidráulicas, para efectuar estos estudios se utilizan frecuentemente modelos matemáticos que representan el comportamiento de toda la cuenca sustentada por la obra en estudio. - La operación optimizada del uso de los recursos hídricos en un sistema complejo de obras hidráulicas, sobre todo si son de usos múltiples. En este caso se utilizan generalmente modelos matemáticos conceptuales, y se procesan en tiempo real. - El correcto conocimiento del comportamiento hidrológico de como un río, arroyo, o de un lago es fundamental para poder establecer las áreas vulnerables a los eventos hidro meteorológicos extremos. - Prever un correcto diseño de infraestructura vial, como caminos, carreteras, ferrocarriles. Estudios Hidrológicos en Proyectos de Ingeniería 1. Localización En los proyectos de ingeniería se define inicialmente la zona de estudio que es el área de influencia del proyecto. En esta zona se delimitan tanto las áreas que van a ser beneficiadas por el proyecto como las hoyas vertientes de las corrientes naturales que las cruzan y de las que se seleccionan para ser utilizadas como captaciones. Posteriormente, se realiza la monografía de la zona, la cual incluye aspectos geográficos, históricos, sociales, de uso de la tierra y de características de los suelos. Estudios Hidrológicos en Proyectos de Ingeniería 2. Recolección de información La información que se recolecta para desarrollar un estudio hidrológico comprende los siguientes aspectos: Cartografía, Hidrometeorología y Estudios anteriores. Dentro de la información cartográfica se incluyen los mapas con curvas de nivel a escalas entre 1:1 y 1:5.000, las fotografías aéreas y las imágenes de radar y de satélite. Esta información se procesa para determinar las características morfométricas, de capacidad de almacenamiento, y de suelos y uso de la tierra de las hoyas vertientes y de las zonas de importancia dentro del proyecto. Estudios Hidrológicos en Proyectos de Ingeniería 3. Trabajos de campo Luego de analizar la información recolectada el ingeniero está en capacidad de programar los trabajos de campo que permitan la complementación de la información existente. Entre estos trabajos se cuentan la ejecución de Levantamientos Topográficos y Batimétricos, la recolección y análisis de Muestras de los Sedimentos que transportan las corrientes, la instalación y operación de estaciones Climatológicas y Pluviometricas y la realización de Aforos. Estudios Hidrológicos en Proyectos de Ingeniería 3. Trabajos de campo Luego de analizar la información recolectada el ingeniero está en capacidad de programar los trabajos de campo que permitan la complementación de la información existente. Entre estos trabajos se cuentan la ejecución de Levantamientos Topográficos y Batimétricos, la recolección y análisis de Muestras de los Sedimentos que transportan las corrientes, la instalación y operación de estaciones Climatológicas y Pluviometricas y la realización de Aforos. 4. Análisis de la información hidrológica Terminada la etapa de recolección se procede al análisis del clima, la precipitación, los caudales y los sedimentos. Componentes del Tiempo Atmosférico Temperatura: componente del clima que indica el grado de calentamiento del aire atmosférico. Componentes del Tiempo Atmosférico Humedad del Aire: La humedad indica la cantidad de vapor de agua presente en el aire. Depende, en parte, de la temperatura, ya que el aire caliente contiene más humedad que el frío. - La humedad relativa se expresa en forma de tanto por ciento (%) de agua en el aire. - La humedad absoluta se refiere a la cantidad de vapor de agua presente en una unidad de volumen de aire y se expresa en gramos por centímetro cúbico (gr/cm3). Componentes del Tiempo Atmosférico Precipitaciones: Es el retorno del agua atmosférica a la superficie en forma líquida o sólida. Para su registro se emplea el pluviómetro. Componentes del Tiempo Atmosférico Presión atmosférica: Es la fuerza o peso del que ejerce el aire sobre la superficie terrestre. A nivel mar la presión atmosférica es de 1.013 milibares. La presión atmosférica tiende a variar por diversos factores, por ejemplo: con la altitud la relación es inversamente proporcional, igualmente ocurre con la temperatura. El instrumento que mide la presión atmosférica es el barómetro, considerado la base de todos los pronósticos meteorológicos. Componentes del Tiempo Atmosférico Vientos: Es entendido como las masas de aire en movimiento horizontal; los movimientos verticales, o casi verticales, se llaman corrientes. Los vientos se producen por diferencias de presión atmosférica, atribuidas, sobre todo, a diferencias de temperatura. Las variaciones en la distribución de presión y temperatura se deben, en gran medida, a la distribución desigual del calentamiento solar, junto a las diferentes propiedades térmicas de las superficies terrestres y oceánicas. Componentes del Tiempo Atmosférico Nubosidad: Es la cantidad de vapor de agua condensada en la atmósfera. Las nubes desempeñan una función muy importante, ya que modifican la distribución del calor solar sobre la superficie terrestre y en la atmósfera. Componentes del Tiempo Atmosférico La radiación solar: es la energía emitida por el Sol, que se propaga en todas las direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas. Esa energía es el motor que determina la dinámica de los procesos atmosféricos y el clima. La energía procedente del Sol es radiación electromagnética proporcionada por las reacciones del hidrogeno en el núcleo del Sol por fusión nuclear y emitida por la superficie solar. Trabajo para entregar Realizar el análisis del informe que se encuentra en el siguiente enlace: http://www.bnm.me.gov.ar/giga1/documentos/EL002315.pdf Respondiendo las siguientes preguntas: • Por qué se ha hecho este trabajo? • Qué se sabe, que se cree del problema? • Por qué es importante analizar el problema? • Cuál es la hipótesis del trabajo? • Cuáles son los objetivos? • Por qué se hizo el estudio? • En qué aporta al conocimiento? • Cuál es la relación del título con el texto del informe • Cuáles son los aspectos más relevantes del informe • El tema es pertinente?
