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Monograf?a sobre el A?o Internacional del Agua Dulce. Generalidades

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Ciclo Hidrológico

El agua no permanece estacionaria sobre la Tierra sino que se establece una circulación del agua entre los océanos, la atmósfera y la litosfera-biosfera de forma permanente. Es lo que se conoce como ciclo hidrológico

El ciclo hidrológico se podría definir como el “proceso que describe la ubicación y el movimiento del agua en nuestro planeta". Es un proceso continuo en el que una partícula de agua evaporada del océano vuelve al océano después de pasar por las etapas de precipitación, escorrentía superficial y/o escorrentía subterránea.

El concepto de ciclo se basa en el permanente movimiento o transferencia de las masas de agua, tanto de un punto del planeta a otro, como entre sus diferentes estados (líquido, gaseoso y sólido). Este flujo de agua se produce por dos causas principales: la energía Solar y la gravedad.

Fases del ciclo hidrológico

  • Evaporación
    El ciclo se inicia sobre todo en las grandes superficies líquidas (lagos, mares y océanos) donde la radiación solar favorece que continuamente se forme vapor de agua. El vapor de agua, menos denso que el aire, asciende a capas más altas de la atmósfera, donde se enfría y se condensa formando nubes.
  • Precipitación
    Cuando por condensación las partículas de agua que forman las nubes alcanzan un tamaño superior a 0,1 mm comienza a formarse gotas, gotas que caen por gravedad dando lugar a las precipitaciones (en forma de lluvia, granizo o nieve).
  • Retención
    Pero no todo el agua que precipita llega a alcanzar la superficie del terreno. Una parte del agua de precipitación vuelve a evaporarse en su caída y otra parte es retenida (“agua de intercepción”) por la vegetación, edificios, carreteras, etc., y luego se evapora. Del agua que alcanza la superficie del terreno, una parte queda retenida en charcas, lagos y embalses (“almacenamiento superficial”) volviendo una gran parte de nuevo a la atmósfera en forma de vapor.
  • Escorrentía superficial
    Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequeños cursos de agua, que luego se reúnen en arroyos y más tarde desembocan en los ríos (“escorrentía superficial”). Este agua que circula superficialmente irá a parar a lagos o al mar, donde una parte se evaporará y otra se infiltrará en el terreno.
  • Infiltración
    Pero también una parte de la precipitación llega a penetrar la superficie del terreno (“infiltración”) a través de los poros y fisuras del suelo o las rocas, rellenando de agua el medio poroso. 
  • Evapotranspiración
    En casi todas las formaciones geológicas existe una parte superficial cuyos poros no están saturados en agua, que se denomina “zona no saturada”, y una parte inferior saturada en agua, y denominada “zona saturada”. Una buena parte del agua infiltrada nunca llega a la zona saturada sino que es interceptada en la zona no saturada. En la zona no saturada una parte de este agua se evapora y vuelve a la atmósfera en forma de vapor, y otra parte, mucho más importante cuantitativamente, se consume en la “transpiración” de las plantas. Los fenómenos de evaporación y transpiración en la zona no saturada son difíciles de separar, y es por ello por lo que se utiliza el término “ evapotranspiración” para englobar ambos términos. 
  • Escorrentía subterránea
    El agua que desciende, por gravedad-percolación y alcanza la zona saturada constituye la “recarga de agua subterránea.   El agua subterránea puede volver a la atmósfera por evapotranspiración cuando el nivel saturado queda próximo a la superficie del terreno. Otras veces, se produce la descarga de las aguas subterráneas, la cual pasará a engrosar el caudal de los ríos, rezumando directamente en el cauce o a través de manantiales, o descarga directamente en el mar, u otras grandes superficies de agua, cerrándose así el ciclo hidrológico

El ciclo hidrológico es un proceso continuo pero irregular en el espacio y en el tiempo. Una gota de lluvia puede recorrer todo el ciclo o una parte de él. Cualquier acción del hombre en una parte del ciclo, alterará el ciclo entero para una determinada región. El hombre actúa introduciendo cambios importantes en el ciclo hidrológico de algunas regiones de manera progresiva al desecar zonas pantanosas, modificar el régimen de los ríos, construir embalses, etc.

El ciclo hidrológico no sólo transfiere vapor de agua desde la superficie de la Tierra a la atmósfera sino que colabora a mantener la superficie de la Tierra más fría y la atmósfera más caliente. Además juega un papel de vital importancia: permite dulcificar las temperaturas y precipitaciones de diferentes zonas del planeta, intercambiando calor y humedad entre puntos en ocasiones muy alejados.

Las tasas de renovación del agua, o tiempo de residencia medio, en cada una de las fases del ciclo hidrológico no son iguales. Por ejemplo, el agua de los océanos se renueva lentamente, una vez cada 3.000 años, en cambio el vapor atmosférico lo hace rápidamente, cada 10 días aproximadamente.

Distribución del agua en el planeta

El 97 % del agua en el planeta es salada y se encuentra en los mares y en los océanos. Solamente el 3% del agua es dulce. El 79% de este 3% está congelada formando los casquetes polares y glaciares.

Distribución en fases del agua dulce

Distribución en fases del agua dulce

Distribución del agua del planeta

Distribución del agua del planeta

Balance Hídrico

El balance hídrico tiene por objeto cuantificar los recursos y volúmenes de agua del ciclo hidrológico de acuerdo con el axioma de Lavoisier: “nada se crea ni se destruye, sólo se transforma”. Este axioma en dinámica de fluidos se conoce como la ecuación de la continuidad.

El balance hídrico también permite establecer relaciones entre las distintas variables hidrológicas.

La ecuación de la continuidad se basa en que la diferencia que se produce entre las entradas y las salidas de agua se traduce en el agua que queda almacenada: entradas - salidas = variación en el almacenamiento

Generalmente se considera que, para tiempos suficientemente largos, se llegan a establecer condiciones de equilibrio entre las entradas y salidas y en consecuencia la variación en el almacenamiento es nula. Según esta hipótesis la ecuación quedaría:

P = E + ETR

E = ES + ED

siendo:

  • P: precipitación
  • E: escorrentía total
  • ETR: evapotranspiración real (evaporación + consumo vegetal)
  • ES: escorrentía subterránea o descarga de los acuíferos a ríos, lagos o mar (equivalente a la infiltración)
  • ED: escorrentía directa o superficial (inmediatamente posterior a las precipitaciones)

El balance hídrico anual para la Península Ibérica arroja unos valores de precipitación (P) de 334 km3/año y de evapotranspiración (ETR) de aproximadamente de 221 km3/año. Asimismo se estima una escorrentía subterránea (ES) de 21 km3/año, una aportación subterránea (AS) de 16 km3/año, una descarga subterránea al mar (DSM) de 5 km3/año y una aportación de los ríos al mar (AR) de 108 km3/año (91 km3 a la vertiente atlántica y a la mediterránea).

El establecimiento de un balance hídrico a escala peninsular es complicado a pesar de ser bien conocida la distribución de la precipitación (excepto en zonas de alta montaña) porque:

  • Las aportaciones de los ríos no están tratadas con el necesario detalle.
  • El análisis de la componente fluvial de origen subterráneo es totalmente insuficiente y es sólo orientativo.
  • No se conocen datos de infiltración media. La infiltración se estima a partir de coeficientes. Este aspecto es de suma importancia en la elaboración de modelos de simulación, pues en el caso de acuíferos representa una fracción significativa del total de recursos que se incorporan al sistema.
  • Aunque en 1972 el IGME empezó a controlar las descargas y el régimen de los acuíferos los estudios aún adolecen, en su mayoría, de la brevedad de las series.
  • No existe un control sobre las explotaciones de aguas subterráneas y parece difícil que lo haya en el futuro. Las cifras de uso de agua subterránea proceden de estimaciones a partir del inventario de puntos acuíferos y de encuestas sobre superficies regadas, cultivos y dotaciones. Las cantidades derivadas para riego a partir de cursos fluviales se conocen algo mejor.
  • La descarga subterránea al mar se estima a partir de las fórmulas de hidráulica subterránea.

Elementos del balance hídrico

Para realizar un balance hídrico se requieren conocer datos de:

  • Precipitación (P): Se mide en las estaciones meteorológicas mediante pluviómetros.
  • Evapotranspiración (ET): Se determina mediante cálculos basados en la temperatura y humedad de la atmósfera y del suelo.
  • Escorrentía superficial o directa (ED): Se determina por aforos de cursos fluviales.
  • Escorrentía subterránea o de infiltración (ES): Se calcula por diferencia una vez conocidos los demás términos del balance hídrico, o por cálculos y experiencias basados en la porosidad y permeabilidad de diferentes rocas.

Establecimiento del balance hídrico

El establecimiento del balance hídrico en una cuenca o en una región determinada permite obtener información sobre:

  • El volumen anual de escorrentía o excedentes.
  • El periodo en el que se produce el excedente y por tanto la infiltración o recarga del acuífero.
  • Periodo en el que se produce un déficit de agua o sequía y el cálculo de la demanda de agua para riego en ese periodo.

Cálculo de la ETR

El balance hídrico permite el siguiente planteamiento:

P = ETR + EX + DR

con la condición de que ETP ETR y siendo:

  • P: precipitación
  • ETR: evapotranspiración real en mm(evaporación + consumo vegetal)
  • EX: excedentes de agua (escorrentía + infiltración) (en mm)
  • DR: variación de la reserva de agua utilizable por las plantas (en mm)
  • ETP: evapotranspiración potencial (en mm)

La ETR se calcula mediante el balance hídrico o mediante fórmulas empíricas (de Coutagne, de Turc, o de Makkink) o directamente mediante evapotranspirómetros. El cálculo de la ETP se realiza mediante la aplicación de fórmulas empíricas (de Penman, de Thornthwaite, de Blaney-Criddle, de Turc, de Makkink, entre otros).

Para establecer el balance hídrico se necesitan los datos de:

  • Las precipitaciones medias anuales (con una serie de 5-10 años) del máximo de estaciones meteorológicas disponibles.
  • El tipo de suelo
  • La capacidad de campo (Cc): grado de humedad de una muestra que ha perdido toda su agua gravitacional.
  • El punto de marchitez (Pm): grado de humedad de una muestra tal que la fuerza o succión que ejercen las raíces sobre el agua ya no les permite sacar más agua. Esto quiere decir que la fuerza de succión de las raíces no supera a la fuerza con la que dicho suelo retiene el agua.  
  • La profundidad de las raíces.
  • La densidad aparente del suelo

Estos datos se pueden obtener experimentalmente o mediante tablas conociendo el tipo de suelo.

El cálculo del balance hídrico comienza en octubre, cuando comienza el año hidrológico en España. El primer mes se puede considerar que el suelo está a capacidad de campo (reserva completa) o que está seco. Mes a mes se va obteniendo la ETR que será igual a la ETP cuando ésta sea menor que las precipitaciones o cuando exista agua en la reserva de agua para llegar a la ETP. Cuando la ETP es mayor que las precipitaciones, la ETR sólo puede llegar a ser igual a la ETP si existe agua suficiente en la reserva del suelo para ello, o como máximo llegará al valor de la precipitación.

La diferencia entre P y ETP supone una variación en la reserva del suelo que si es positiva se sumará a la reserva del mes anterior hasta que esta esté completa y si es negativa se restará a la reserva del mes anterior.

Si la reserva de agua se completa, lo que sobra formará parte de los excedentes. Si falta agua en la reserva para alcanzar la ETP lo que falta constituye el déficit.

Una vez acabado el cálculo mensual se realiza la suma total anual de la P, ETP, ETR, excedentes y déficits y se debe cumplir:

P = ETR + EXCEDENTES

ETP = ETR + DÉFICITS

El valor de la ETR anual se compara con el obtenido mediante algunas de las fórmulas empíricas antes citadas y se decide que valor de la reserva de agua útil es el más correcto.

Una vez realizado el balance se representa gráficamente para establecer el periodo de recarga o de infiltración hacía los acuíferos, el periodo de sequía o de déficit y el periodo de utilización de la reserva de agua del suelo.