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1.1 EL CICLO HIDROLÓGICO 1.1.1. Introducción El agua, compuesto en el que se centra la hidrología, aparece en la Tierra bajo los tres estados posibles de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Más importante, sin embargo, es su carácter dinámico: no sólo se producen constantemente cambios de estado en todas direcciones (fusión, evaporación, condensación, congelación...), sino que el agua se encuentra en constante movimiento (glaciares, ríos, corrientes marinas, circulación atmosférica, flujo subterráneo..). La energía solar y la gravitatoria, principalmente, actúan de fuerza motriz generando movimientos masivos del agua en toda la superficie terrestre. Este carácter dinámico da lugar a una constante recirculación del agua presente en la hidrosfera, de forma que es imposible separar cualquier parte del ciclo “vital” del agua sin caracterizar adecuadamente el conjunto que rige la dinámica de esta compleja maquinaria. Ya en 1942, Meizer consideró el ciclo hidrológico como el concepto central de la hidrogeología. Así pues, la hidrosfera, en sentido amplio está constituida por agua en los tres estados (sólido, líquido y gaseoso) y está presente en la capa atmosférica (vapor de agua, nubes) y en la corteza terrestre (como ríos, lagos, acuíferos o glaciares). El mayor almacén de agua en la Tierra se encuentra en los océanos con un 97.25% del total (Figura 1.1.1).

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Figura 1.1.1 Volumen y porcentajes de los almacenes de agua en la Tierra (datos de

PhysicalGeography.net http://www.physicalgeography.net/fundamentals/8b.html y de Custodio, E., Llamas, M.R., 1983).

El concepto del ciclo del agua parte del hecho que la cantidad o masa total de agua en la hidrosfera es esencialmente constante en el tiempo, y esta consideración lleva implícita la del movimiento de masas de aguas de un lugar a otro y/o de un estado a otro. Este movimiento o cambios de estado viene impulsado por dos motores:

- Por la energía térmica, generada principalmente por la radiación solar y que es el desencadenante de los cambios de estado del líquido (líquido a gaseoso, sólido a gaseoso o líquido) y de la circulación atmosférica.

- Por gravedad, que supone el desplazamiento desde las cotas altas a las

cotas bajas de las masas de agua.

HUMEDAD SUELO

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Figura 1.1.2. Esquema del ciclo hidrológico. La Figura 1.1.2 es una descripción del Ciclo Hidrológico y parece contradecir la necesidad de acudir a la idea de ciclo, al presentar compartimientos estancos analizables individualmente (o ciclos – o fases del ciclo general – más rápidos). Sin embargo, no es así, como a continuación se indica: ¿Qué relación existe entre aguas superficiales y aguas subterráneas?

- Se observa que parte del agua que llega a la superficie (por ejemplo por lluvia) puede infiltrarse por gravedad e ir descendiendo verticalmente a través del agregado granular (o fisuras) que componen un terreno o formación geológica. Este descenso del agua continúa hasta llegar a la zona saturada, que es aquella zona donde por acumulación (por debajo ya aparecen materiales impermeables u otras formaciones) el agua llena la totalidad de los poros o huecos de la roca. Esta zona saturada de agua es la que denominamos el acuífero propiamente dicho. Es decir, el agua que llega a la superficie en parte se infiltra y recarga el acuífero.

Transpiración Es interceptada por

vegetación, edificios, etc...

No llega a la superficie terrestre

Llega a la superficie terrestre

PRECIPITACIÓN: Vapor de agua condensada, que cae por gravedad

(lluvia, nieve, granizo, niebla, etc.)

Se evapora en el descenso

Escorrentía superficial o directa: por gravedad,

abriéndose camino hacia los puntos más bajos (mares).

(Red hidrográfica).

Infiltración: - Agua retenida en el suelo, o en la zona no saturada. - Agua de recarga: el agua llega a la zona saturada del terreno y

se pone en movimiento (escorrentía subterránea).

Encharcamiento: retención

superficial, charcos, etc...

Mar

Evaporación

Evaporación

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- Parte del agua que precipita, en cambio, fluye por la superficie del terreno, generando una red superficial de drenaje (como ríos o lagos), aunque no toda el agua que circula por estos ríos procede de la lluvia. Por ejemplo en el caso de un río en contacto con un acuífero, el río se comporta como efluente cuando drena el acuífero subyacente. En este caso, el acuífero puede llegar a alimentar el río (se verá más en detalle, en el Tema 2). Y al contrario, un río influente puede llegar a alimentar un acuífero adyacente, por infiltración de una parte del agua que circula por el río hacia un nivel saturado situado por debajo del nivel del río.

- Un manantial, fuente o surgencia, de forma parecida, es un afloramiento

de agua subterránea, una zona en la cual el nivel piezométrico (límite de la zona saturada) del acuífero corta la superficie terrestre, dando lugar a la descarga de un caudal más o menos importante del agua del acuífero hacia cotas inferiores. Es pues un punto en el que el agua subterránea del acuífero sale a la superficie y pasa a formar parte de las masas de agua superficiales. Con el tiempo esta surgencia puede convertirse en un humedal permanente, con un caudal apreciable en superficie, y puede originar finalmente un curso de agua superficial importante. Así, se podría imaginar que los manantiales actúan como rebosaderos naturales de los acuíferos (Figura 1.1.3).

Figura 1.1.3. Formación de un rebosadero o manantial (la trama rayada indica un material

impermeable).

¿Cómo actúan los fenómenos de evaporación y/o transpiración?

- El agua contenida en la franja capilar del suelo, en los 20-25 primeros centímetros de la superficie del suelo, está sometida a radiaciones solares. Éstas aportan la energía térmica que constituye el motor de la evapotranspiración (paso de líquido a gas) desde el suelo, ya sea por evaporación directa de la humedad contenida en el suelo, o por absorción

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de dicha humedad por las raíces de las plantas y posterior transpiración de éstas hacia la atmósfera.

Las plantas representan pues un papel muy importante en la evapotranspiración, ya que al absorber agua del suelo tramitan con ésta a fin de restituir parte de ella a la atmósfera. En efecto, el sistema respiratorio de las plantas está dotado de estomas que durante el día están abiertas, y se genera pequeñas gotas que, sometidas a la radiación solar, se evaporan o transpiran a la atmósfera. Se trataría del sistema de refrigeración o de sudoración vegetal, siendo los estomas los equivalentes a los poros de nuestra piel. Asimismo, esta circulación ascendente del agua en la planta es básica para su ciclo vital, ya que el agua arrastra en forma disuelta los nutrientes que necesita para su desarrollo.

- En el caso de precipitación sólida en las cumbres, la nieve se sublima,

pasando directamente a vapor de agua, tanto por efecto de la insolación como del viento. Este fenómeno puede detectarse como vaho o neblina que distorsiona la visión del horizonte.

- La evaporación de aguas continentales superficiales también es

importante, afectando a lagos, embalses y cursos de agua circulante como los ríos, debido nuevamente a la combinación de la insolación y el viento.

En general, la evapotranspiración depende de la capacidad que tenga el aire de absorber vapor de agua, que a su vez dependerá de la temperatura y humedad en superficie, y de la velocidad y dirección del viento así como del número de horas de insolación. ¿Qué sucede con el agua de escorrentía superficial, es decir, de aquella que no se ha infiltrado ni se ha evaporado?. Lógicamente, pasa a formar parte de los cursos de agua que circulan en superficie (ríos), y que por gravedad va descendiendo hacia cotas cada vez más bajas, reuniéndose con otros cauces hasta la desembocadura en un lago o en el mar. Así, del agua trasportada por la atmósfera que se precipita en zonas continentales, finalmente se llega a que:

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- Parte del agua de los ríos y torrentes acaba en el mar. - Los manantiales submarinos y los acuíferos costeros vierten el agua

subterránea al mar. - En algunos casos (zonas desérticas, zonas endorreicas), la evaporación

puede ser tan intensa que no alcancen el mar.

En el mar, que es el punto final de estas aguas, vuelven a estar sometidas de nuevo a la evaporación, con lo que el ciclo se reinicia de nuevo. En resumen, el ciclo hidrológico es un proceso continuo. No obstante, el movimiento del agua dentro del ciclo hidrológico se caracteriza por su irregularidad tanto en el espacio como en el tiempo: así por ejemplo, en algunas zonas desérticas, pueden pasar años sin llover, y lógicamente apenas haber escorrentía directa, mientras que en otros casos, aún en zonas también desérticas, pueden darse precipitaciones muy importantes. La caracterización de este ciclo es pues de suma importancia ya que constituye la entrada o principio de la circulación de agua en los acuíferos, y por tanto condiciona los fenómenos que se producen en su seno y que son el objeto de la ciencia llamada hidrología subterránea. 1.1.2. Definición de los componentes de Ciclo Hidrológico El Ciclo Hidrogeológico describe el movimiento continuo del agua, pasando por todas sus fases, y como se denomina ciclo, no puede interpretarse ni un principio ni un final. Lo más intuitivo, es considerar como primera fase, el agua que precipita sobre el terreno: el vapor de agua contenido en la atmósfera se condensa alrededor de las partículas, y por el peso cae y se desplaza de la atmósfera a la superficie terrestre. Durante este trayecto el agua precipitada puede seguir diferentes caminos (Figura 1.1.4):

- Puede ser retenida por las plantas o edificios (intercepción y detención superficial), de manera que una parte se evaporará y volverá a la atmósfera, pero otra podrá llegar a la superficie.

- Puede caer sobre la superficie terrestre. En este caso, una parte del

agua continuará circulando en superficie (escorrentía superficial), dando origen a torrentes, ríos, lagos entre otros.

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- Pero otra parte del agua caída sobre la superficie terrestre empezará a rellenar los poros del subsuelo, dando origen a la infiltración a una velocidad que dependerá de la porosidad del terreno (disposición y tamaño de los huecos entre los granos que componen el terreno), de su grado de humedad entre otros. De esta agua infiltrada, una parte circulará por la zona más superficial (escorrentía subsuperficial o hipodérmica) pudiendo aflorar en superficie durante su circulación y dando lugar a manantiales. La parte restante del agua infiltrada, seguirá descendiendo por gravedad y llegará a la zona saturada del subsuelo, pasando a formar parte de las aguas subterráneas del acuífero (escorrentía subterránea).

Figura 1.1.4. Componentes del Ciclo Hidrológico.

Habiendo tomado como inicio el agua caída por precipitación, es lógico pensar que el destino final de todas estas agua es el mar, de manera que por su evaporación volverán a originarse nubes de precipitación y el ciclo volvería a empezar.

Recarga

Evaporación

Evaporación

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Precipitación Se consideran precipitaciones todas aquellas aguas que caen en la superficie terrestre en todas las formas posibles: líquida (lluvia, llovizna), sólida amorfa (granizo), sólida cristalizada (nieve), intermedias (nieve granulada, aguanieve), por condensación (rocío, niebla), por sublimación (escarcha), entre otras.

Como ya se ha comentado, la precipitación puede considerarse como el origen de todas las corrientes de agua superficiales y subterráneas, de manera que será fundamental su medición y conocimiento para la realización de cualquier estudio de carácter hidrológico. Para la realización de los cálculos hidrológicos, es necesario que el hidrólogo considere la precipitación caída en la cuenca hidrográfica (Figura 1.1.5). Ésta se define como una área o superficie del territorio en la que el agua de lluvia que se drena por escorrentía superficial, sale por un mismo y único punto de la red fluvial situada a la cota más baja (punto de salida de la cuenca).

Figura 1.1.5. Cuenca hidrográfica con la representación de las curvas de nivel y los puntos más importantes.

La medida de la precipitación expresa la altura que alcanzaría el volumen de agua recogida sobre una hipotética superficie plana y horizontal. Así, la unidad utilizada para medir la precipitación es el milímetro (mm), que equivale a 1 L/m2 o a 10 m3/ha (1L/m2=1Lx10000 m2/ha).

Cuenca hidrográfica total

Cursos de agua secundarios y principal

Punto de salida de la cuenca

Curvas de nivel equidistantes

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Escorrentía superficial Se define como la parte del agua de lluvia precipitada que llega a la superficie terrestre y que no se infiltra en el subsuelo y que circula por la superficie en forma de torrentes, ríos, arroyos, por los cauces que constituyen la red de drenaje superficial. Las unidades más utilizadas para la escorrentía superficial son el m3/s (unidades de caudal); y también se utiliza el L/s·km2 (unidades de caudal específico), que da una idea de la escorrentía específica (o referida a la superficie de la cuenca) y sirve para establecer comparaciones entre cuencas. A veces se utiliza el hm3 como medida del volumen aportado por un río o cuenca. El concepto de aportaciones en un punto dado, equivale al volumen total de agua que ha circulado por un punto dado en un tiempo dado, es decir, caudal por tiempo, medido en hm3/a, hm3/mes, entre otros. El agua en el suelo El suelo es el resultado de cambios físicos y químicos, así como de la actividad orgánica (vegetal, biológica) sobre el substrato rocoso más profundo. La Figura 1.1.6 representa esquemáticamente un corte vertical del suelo:

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Figura 1.1.6. Corte teórico vertical del suelo (modificado de Custodio, E., Llamas, M.R., 1983).

En función del contenido en agua del suelo, pueden diferenciarse 2 zonas principales; zona saturada y zona no saturada o de aireación o vadosa, y dentro de ésta la zona donde actúa la evapotranspiración, la zona intermedia y la zona de ascenso capilar. Zona saturada: los poros, intersticios y fisuras están totalmente saturados de agua, es decir, el porcentaje de agua que contiene, coincide con el volumen de huecos y por lo tanto con la porosidad total del material. La superficie superior que limita esta zona es la superficie piezométrica de las aguas subterráneas, en donde la presión en todos los puntos es la misma, e igual a la presión atmosférica. Es la superficie libre de las aguas subterráneas o también llamada superficie hidrostática o freática. Zona no saturada o de aireación o vadosa: es la zona localizada por encima de la zona de circulación de las aguas subterráneas del acuífero. El grado de saturación de los poros no es del 100% como en el caso anterior, y esto facilita poder diferenciar zonas dentro de este espacio:

Zona de ascenso capilar, donde el grado de saturación de los poros disminuye gradualmente de abajo a arriba hasta un valor límite. El contenido de agua de esta zona no está condicionada por el flujo

ZONA SATURADA

Zona de ascenso capilar

Zona intermedia ZONA DE AIREACIÓN

O ZONA VADOSA

O ZONA NO SATURADA

Zona de evapotranspiración (suelo agrícola o edáfico)

Nivel freático

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descendente del agua que se infiltra, sino por fenómenos de ascenso capilar desde la superficie donde el agua ocupa la totalidad de los poros, o zona saturada. El espesor de esta zona, por tanto, disminuye al aumentar la granulometría del suelo (al igual que el ascenso capilar disminuye con el diámetro del tubo) y esta zona sigue las fluctuaciones de la superficie piezométrica (Heras, 1972).

Zona intermedia: en esta zona los huecos del subsuelo están ocupados por agua líquida, aire y vapor de agua.

Zona de evapotranspiración: es la zona más superficial. Tiene un gran interés agronómico dado que, es la zona donde se encuentran e influye la actividad de las raíces de las plantas y donde se producen los fenómenos de evapotranspiración. El espesor de esta zona varía en función del clima y del tipo de cubierta vegetal. Como media, puede considerarse un espesor de 0,5 a 2 metros, aunque como se ha dicho depende enormemente del tipo de vegetación. Corresponde al concepto agronómico de suelo vegetal o capa edáfica.

Si se produce una precipitación importante, los poros de la zona no saturada pueden quedar temporalmente saturados de agua. Por efectos de la gravedad, este agua irá descendiendo hacia la zona saturada que actuará de recarga del acuífero y se incorporará a la escorrentía subterránea, pero una parte podrá quedar retenida ocupando algunos poros de la zona no saturada, y otra parte podrá circular por la zona más superficial del subsuelo (escorrentía subsuperficial o hipodérmica). Téngase en cuenta que estos fenómenos de infiltración de la lluvia que cae sobre un terreno son de una enorme complejidad, y dependen no solo de la intensidad de lluvia, la topografía, el tipo de terreno y la cobertura vegetal sino también del perfil vertical del grado de humedad del propio terreno. Así, no responde de igual forma un suelo completamente seco que este mismo suelo completamente empapado de agua. Igualmente, la infiltración es muy diferente para una precipitación de 100 mm según se haya producido en una lluvia regular que ha durado dos días o en una tormenta de una hora de duración.

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Escorrentía subterránea Es la que circula por la zona saturada, en el acuífero. Es la parte del agua que se infiltra y que llega a la zona saturada, incorporándose a las aguas subterráneas y recargando al acuífero. La escorrentía subterránea, es por tanto, el objeto específico de estudio de este curso. Dentro del ciclo hidrológico, el agua subterránea no es una masa estática, sino que tiene movilidad. Su recarga natural se origina en la infiltración de las aguas provinentes de la precipitación, del cauce de los ríos, torrentes, lagos.... y sus salidas naturales vienen determinadas por el mar, los manantiales y por el drenaje de aguas hacia los ríos. Evapotranspiración La evaporación es el paso del estado líquido al estado gaseoso del agua. La transpiración es básicamente el mismo fenómeno pero que ocurre a través del sistema circulatorio de las plantas, y que a su vez toman agua de la zona del suelo edáfico. En las superficies cubiertas por la vegetación, se reúnen ambos conceptos de manera que la separación cuantitativa es prácticamente imposible y se denomina evapotranspiración. Tal y como indica su nombre, la evapotranspiración es un fenómeno físico que suma el de evaporación (fundamentalmente del agua de la superficie terrestre que puede encontrarse en cursos de agua superficiales, lagos...) y el de transpiración (de carácter eminentemente vegetal). La unidad utilizada para la evapotranspiración es el milímetro de altura de agua, al igual que la lluvia, y que equivale a 1 L/m2 o a 10 m3/ha. Salida al mar Parte del agua que proviene tanto de las aguas subterráneas de los acuíferos como de los cursos de agua superficiales, se vierte al mar. En el caso de los ríos, este volumen de agua es importante por su aportación de sedimentos para la formación de los deltas y también por la aportación de nutrientes indispensables para la alimentación de la fauna marina.

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La salida al mar del flujo subterráneo, tiene un papel clave para impedir la entrada de agua salinizada al acuífero, que afectaría la calidad del recurso hídrico.

Intercepción y retención superficial La precipitación no siempre llega directamente hasta la superficie terrestre, ya que una parte poco importante puede ser interceptada por la presencia de la vegetación. En el caso de la vegetación, la estimación de esta agua interceptada se evalúa como una fracción del agua precipitada sobre la cuenca, a partir de los datos obtenidos en cuencas experimentales.

1.1.3. Acción del hombre El hombre introduce cambios en el ciclo hidrológico para su provecho. Por eso es necesario hablar de dos grupos de fases o componentes del ciclo:

- Los componentes primarios del ciclo hidrológico engloban las fases en que el hombre no actúa directamente sobre la circulación del agua: precipitación, evapotranspiración, la intercepción y detención superficial del agua, infiltración1 y el agua en la zona no saturada. Aunque el hombre puede influir en ellas, provocando lluvias artificiales, reducción de la evaporación, recarga artificial, sistemas especiales de riego, etc.

- Los otros componentes del ciclo hidrológico corresponden a las fases en

las que el hombre actúa directamente sobre la circulación del agua: la escorrentía directa y la escorrentía subterránea forman el volumen total de agua explotable por el hombre. Por ejemplo: mediante la construcción de embalses, la derivación de los ríos, la utilización de las aguas superficiales, la explotación de los acuíferos mediante la construcción de pozos, etc.

1 Infiltración: cantidad de agua que penetra en el suelo, humedece la cubierta vegetal y alimenta las zonas permeables del subsuelo.

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1.1.4 Definición del balance de agua en el suelo o hidrometeorológico y de la recarga El objetivo de esta primera parte del tema, es la de introducir los conceptos necesarios para poder realizar el balance de agua en el subsuelo o balance hidrometeorológico, que su interés radica en el cálculo de la recarga de agua al acuífero. De manera que en los siguientes apartados se abordarán los siguientes aspectos:

- Datos climáticos y climatología Conceptos hidrometeorológicos básicos.

- El agua en el subsuelo. Parámetros Propiedades del subsuelo. - Cálculo de la ETP y ETR Definición y métodos. - Infiltración (I) y escorrentía. - Cálculo de balances hidrometeorológicos Conocida la I, la ETP y la

retención de agua en el subsuelo se calcula la recarga del acuífero. El cálculo del balance de agua en el suelo también es importante porque: 1.- la capacidad de infiltración depende del contenido de agua en el suelo al principio del periodo de lluvia. Su conocimiento es básico en los modelos de cálculo de escorrentía a partir de la infiltración y para el cálculo de avenidas. 2.- En los modelos de circulación atmosférica una de las entradas es la evaporación. La interacción suelo-atmósfera es muy importante en estos modelos pero su estimación es débil. Es importante para el estudio del clima global y su cambio. La recarga de un acuífero se define como la cantidad de agua que entra en la zona saturada del terreno (Figura 1.1.7). Se expresa como volumen por unidad de superficie y de tiempo (m3/m2/d, m/d, mm/d). Varía enormemente en el espacio y tiempo, de manera que será difícil medir y/o de extrapolar.

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Figura 1.1.7. Esquema del ciclo hidrológico señalando la recarga y descarga de agua del

acuífero (https://water.usgs.gov/edu/watercyclespanish.html ) (https://www.usgs.gov/special-topic/water-science-school/science/aquifers-and-groundwater?qt-science_center_objects=0#qt-

science_center_objects ) El balance hidrometeorológico o balance de agua en el suelo es un cálculo que permite estimar de una forma aproximada la recarga a partir de los datos de temperatura, precipitación y parámetros del suelo.