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Hidrología

Lluvia sobre una cuenca hidrográfica en Escocia . Comprender el ciclo del agua que entra, sale y atraviesa las cuencas es un elemento clave de la hidrología.

La hidrología (del griego antiguo ὕδωρ ( húdōr )  'agua' y -λογία ( -logía )  'estudio de') es el estudio científico del movimiento, la distribución y la gestión del agua en la Tierra y otros planetas, incluido el ciclo del agua , los recursos hídricos y la sostenibilidad de las cuencas hidrográficas . Un practicante de la hidrología se llama hidrólogo . Los hidrólogos son científicos que estudian ciencias de la tierra o ambientales , ingeniería civil o ambiental y geografía física . [1] Utilizando varios métodos analíticos y técnicas científicas, recopilan y analizan datos para ayudar a resolver problemas relacionados con el agua, como la preservación ambiental , los desastres naturales y la gestión del agua . [1]

La hidrología se subdivide en hidrología de aguas superficiales, hidrología de aguas subterráneas ( hidrogeología ) e hidrología marina. Los dominios de la hidrología incluyen la hidrometeorología , la hidrología de superficie , la hidrogeología , la gestión de cuencas de drenaje y la calidad del agua .

La oceanografía y la meteorología no están incluidas porque el agua es sólo uno de los muchos aspectos importantes dentro de esos campos.

La investigación hidrológica puede brindar información para la ingeniería, las políticas y la planificación ambientales .

Sucursales

Aplicaciones

Historia

El acueducto romano de Cesarea Marítima , que transportaba agua desde las más húmedas montañas del Carmelo hasta el asentamiento.

La hidrología ha sido objeto de investigación e ingeniería durante milenios. Los antiguos egipcios fueron de los primeros en emplear la hidrología en su ingeniería y agricultura, inventando una forma de gestión del agua conocida como riego por cuencas. [3] Las ciudades mesopotámicas estaban protegidas de las inundaciones con altos muros de tierra. Los acueductos fueron construidos por los griegos y los romanos , mientras que la historia muestra que los chinos construyeron obras de riego y control de inundaciones. Los antiguos cingaleses utilizaron la hidrología para construir complejas obras de riego en Sri Lanka , también conocido por la invención del pozo de válvulas que permitió la construcción de grandes embalses, anicuts y canales que todavía funcionan.

En el siglo I a. C., Marco Vitruvio describió una teoría filosófica del ciclo hidrológico, según la cual las precipitaciones que caían en las montañas se infiltraban en la superficie de la Tierra y conducían a arroyos y manantiales en las tierras bajas. [4] Con la adopción de un enfoque más científico, Leonardo da Vinci y Bernard Palissy llegaron de forma independiente a una representación precisa del ciclo hidrológico. No fue hasta el siglo XVII cuando se empezaron a cuantificar las variables hidrológicas.

Entre los pioneros de la hidrología moderna se encuentran Pierre Perrault , Edme Mariotte y Edmund Halley . Al medir las precipitaciones, la escorrentía y el área de drenaje, Perrault demostró que las precipitaciones eran suficientes para explicar el flujo del Sena. Mariotte combinó las mediciones de la velocidad y la sección transversal del río para obtener un valor de descarga, nuevamente en el Sena. Halley demostró que la evaporación del mar Mediterráneo era suficiente para explicar el desembocadura de los ríos que desembocan en el mar. [5]

Los avances del siglo XVIII incluyeron el piezómetro de Bernoulli y la ecuación de Bernoulli , de Daniel Bernoulli , y el tubo de Pitot , de Henri Pitot . El siglo XIX fue testigo del desarrollo de la hidrología de las aguas subterráneas, incluida la ley de Darcy , la fórmula del pozo de Dupuit-Thiem y la ecuación de flujo capilar de Hagen- Poiseuille .

Los análisis racionales comenzaron a reemplazar al empirismo en el siglo XX, mientras que las agencias gubernamentales iniciaron sus propios programas de investigación hidrológica. De particular importancia fueron el hidrograma unitario de Leroy Sherman , la teoría de infiltración de Robert E. Horton y la prueba/ecuación de acuíferos de CV Theis que describe la hidráulica de pozos.

Desde la década de 1950, la hidrología se ha abordado con una base más teórica que en el pasado, facilitada por los avances en la comprensión física de los procesos hidrológicos y por la aparición de las computadoras y, especialmente, de los sistemas de información geográfica (SIG). (Véase también SIG e hidrología )

Temas

El tema central de la hidrología es que el agua circula por la Tierra por diferentes vías y a diferentes velocidades. La imagen más vívida de esto es la evaporación del agua del océano, que forma nubes. Estas nubes se desplazan sobre la tierra y producen lluvia. El agua de lluvia fluye hacia lagos, ríos o acuíferos. El agua de lagos, ríos y acuíferos luego se evapora de nuevo a la atmósfera o finalmente fluye de nuevo al océano, completando un ciclo. El agua cambia su estado varias veces a lo largo de este ciclo.

Las áreas de investigación en hidrología se ocupan del movimiento del agua entre sus diversos estados, o dentro de un estado determinado, o simplemente de cuantificar las cantidades en esos estados en una región determinada. Algunas partes de la hidrología se ocupan del desarrollo de métodos para medir directamente esos flujos o cantidades de agua, mientras que otras se ocupan de la modelización de esos procesos, ya sea para obtener conocimientos científicos o para hacer predicciones en aplicaciones prácticas.

Agua subterránea

Construcción de un mapa de contornos de aguas subterráneas

El agua subterránea es el agua que se encuentra debajo de la superficie de la Tierra, a menudo bombeada para beber. [1] La hidrología de las aguas subterráneas ( hidrogeología ) considera la cuantificación del flujo de agua subterránea y el transporte de solutos. [6] Los problemas para describir la zona saturada incluyen la caracterización de los acuíferos en términos de dirección del flujo, presión del agua subterránea y, por inferencia, profundidad del agua subterránea (ver: prueba del acuífero ). Las mediciones aquí se pueden realizar utilizando un piezómetro . Los acuíferos también se describen en términos de conductividad hidráulica, capacidad de almacenamiento y transmisividad. Hay varios métodos geofísicos [7] para caracterizar los acuíferos. También hay problemas para caracterizar la zona vadosa (zona no saturada). [8]

Infiltración

La infiltración es el proceso por el cual el agua penetra en el suelo. Una parte del agua se absorbe y el resto se filtra hasta el nivel freático . La capacidad de infiltración, la velocidad máxima a la que el suelo puede absorber agua, depende de varios factores. La capa que ya está saturada proporciona una resistencia que es proporcional a su espesor, mientras que eso más la profundidad del agua sobre el suelo proporciona la fuerza motriz ( carga hidráulica ). El suelo seco puede permitir una rápida infiltración por acción capilar ; esta fuerza disminuye a medida que el suelo se humedece. La compactación reduce la porosidad y el tamaño de los poros. La cobertura superficial aumenta la capacidad al retardar la escorrentía, reduciendo la compactación y otros procesos. Las temperaturas más altas reducen la viscosidad , lo que aumenta la infiltración. [9] : 250–275 

Humedad del suelo

La humedad del suelo se puede medir de diversas maneras: mediante sonda de capacitancia , reflectómetro de dominio temporal o tensiómetro . Otros métodos incluyen el muestreo de solutos y métodos geofísicos. [10]

Flujo de agua superficial

Un hidrograma de inundación que muestra el nivel del río Shawsheen en Wilmington

La hidrología considera la cuantificación del flujo de agua superficial y el transporte de solutos, aunque el tratamiento de los flujos en grandes ríos a veces se considera un tema distinto de la hidráulica o la hidrodinámica. El flujo de agua superficial puede incluir el flujo tanto en canales fluviales reconocibles como en otros. Los métodos para medir el flujo una vez que el agua ha llegado a un río incluyen el medidor de caudal (ver: caudal ) y las técnicas de trazadores. Otros temas incluyen el transporte de sustancias químicas como parte del agua superficial, el transporte de sedimentos y la erosión.

Una de las áreas importantes de la hidrología es el intercambio entre ríos y acuíferos. Las interacciones entre aguas subterráneas y superficiales en arroyos y acuíferos pueden ser complejas y la dirección del flujo neto de agua (hacia las aguas superficiales o hacia el acuífero) puede variar espacialmente a lo largo del cauce de un arroyo y con el tiempo en cualquier ubicación particular, dependiendo de la relación entre el nivel del arroyo y los niveles de agua subterránea.

Precipitación y evaporación

Un pluviómetro estándar de la NOAA

En algunas consideraciones, se considera que la hidrología comienza en el límite entre la tierra y la atmósfera [11] , por lo que es importante tener un conocimiento adecuado tanto de la precipitación como de la evaporación. La precipitación se puede medir de varias maneras: con un disdrómetro para las características de la precipitación en una escala de tiempo fina; con un radar para las propiedades de las nubes, la estimación de la tasa de lluvia y la detección de granizo y nieve; con un pluviómetro para realizar mediciones precisas y rutinarias de la lluvia y la nevada; con un satélite para la identificación de zonas lluviosas, la estimación de la tasa de lluvia, la cobertura y el uso de la tierra y la humedad del suelo, la cubierta de nieve o el equivalente en agua de la nieve, por ejemplo. [12]

La evaporación es una parte importante del ciclo del agua. Se ve afectada en parte por la humedad, que se puede medir con un psicrómetro de honda . También se ve afectada por la presencia de nieve, granizo y hielo y puede relacionarse con el rocío, la niebla y la neblina. La hidrología considera la evaporación de varias formas: de las superficies del agua; como transpiración de las superficies de las plantas en los ecosistemas naturales y agronómicos. La medición directa de la evaporación se puede obtener utilizando el tanque de evaporación de Simon .

Los estudios detallados de la evaporación implican consideraciones de la capa límite, así como del momento, el flujo de calor y los presupuestos de energía.

Teledetección

Estimaciones de los cambios en el almacenamiento de agua alrededor de los ríos Tigris y Éufrates , medidas por los satélites GRACE de la NASA . Los satélites miden pequeños cambios en la aceleración gravitacional, que luego pueden procesarse para revelar el movimiento del agua debido a los cambios en su masa total.

La teledetección de procesos hidrológicos puede proporcionar información sobre lugares donde los sensores in situ pueden no estar disponibles o ser escasos. También permite realizar observaciones en grandes extensiones espaciales. Muchas de las variables que constituyen el balance hídrico terrestre, por ejemplo , el almacenamiento de agua superficial , la humedad del suelo , la precipitación , la evapotranspiración y la nieve y el hielo , se pueden medir mediante teledetección en diversas resoluciones y precisiones espacio-temporales. [13] Las fuentes de teledetección incluyen sensores terrestres, sensores aéreos y sensores satelitales que pueden capturar datos de microondas , térmicos y de infrarrojo cercano o utilizar lidar , por ejemplo.

Calidad del agua

En hidrología, los estudios de la calidad del agua se refieren a compuestos orgánicos e inorgánicos, y tanto al material disuelto como al sedimento. Además, la calidad del agua se ve afectada por la interacción del oxígeno disuelto con el material orgánico y por diversas transformaciones químicas que pueden tener lugar. Las mediciones de la calidad del agua pueden implicar métodos in situ, en los que los análisis se realizan in situ, a menudo de forma automática, y análisis en laboratorio, que pueden incluir análisis microbiológicos .

Integración de medición y modelado

Predicción

Las observaciones de los procesos hidrológicos se utilizan para hacer predicciones del comportamiento futuro de los sistemas hidrológicos (caudal de agua, calidad del agua). [14] Una de las principales preocupaciones actuales en la investigación hidrológica es la "Predicción en cuencas no aforadas" (PUB), es decir, en cuencas donde no existen datos o existen muy pocos. [15]

Hidrología estadística

El objetivo de la hidrología estadística es proporcionar métodos estadísticos apropiados para analizar y modelar las distintas partes del ciclo hidrológico. [16] Al analizar las propiedades estadísticas de los registros hidrológicos, como las precipitaciones o el caudal de los ríos, los hidrólogos pueden estimar los fenómenos hidrológicos futuros. Al realizar evaluaciones de la frecuencia con la que se producirán eventos relativamente raros, los análisis se realizan en términos del período de retorno de dichos eventos. Otras magnitudes de interés incluyen el caudal medio de un río, en un año o por estación.

Estas estimaciones son importantes para los ingenieros y economistas, ya que permiten realizar un análisis de riesgos adecuado que influya en las decisiones de inversión en infraestructura futura y determine las características de fiabilidad del rendimiento de los sistemas de suministro de agua. La información estadística se utiliza para formular normas de funcionamiento para grandes represas que forman parte de sistemas que incluyen demandas agrícolas, industriales y residenciales .

Modelado

Vista en planta del flujo de agua a través de una cuenca simulada por el sistema de modelado hidrológico SHETRAN

Los modelos hidrológicos son representaciones conceptuales simplificadas de una parte del ciclo hidrológico. Se utilizan principalmente para la predicción hidrológica y para la comprensión de los procesos hidrológicos, dentro del campo general de la modelización científica . Se pueden distinguir dos tipos principales de modelos hidrológicos: [17]

Las recientes investigaciones en modelación hidrológica intentan tener un enfoque más global en la comprensión del comportamiento de los sistemas hidrológicos para realizar mejores predicciones y afrontar los grandes retos en la gestión de los recursos hídricos.

Transporte

El movimiento del agua es un medio importante por el cual otros materiales, como tierra, grava, rocas o contaminantes, se transportan de un lugar a otro. La entrada inicial a las aguas receptoras puede surgir de una descarga de fuente puntual o de una fuente lineal o de área , como la escorrentía superficial . Desde la década de 1960 se han desarrollado modelos matemáticos bastante complejos , facilitados por la disponibilidad de computadoras de alta velocidad. Las clases de contaminantes más comunes analizadas son nutrientes , pesticidas , sólidos disueltos totales y sedimentos .

Organizaciones

Organizaciones intergubernamentales

Organismos internacionales de investigación

Organismos nacionales de investigación

Sociedades nacionales e internacionales

Panorama general de cuencas y áreas de captación

Revistas de investigación

Véase también

Otros campos relacionados con el agua

Referencias

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Lectura adicional

Enlaces externos

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