El flujo fluvial , o escorrentía de canales , es el flujo de agua en arroyos y otros canales , y es un elemento importante del ciclo del agua . Es un componente de la escorrentía , el movimiento del agua desde la tierra hacia los cuerpos de agua , siendo el otro componente la escorrentía superficial . El agua que fluye por los canales proviene de la escorrentía superficial de las laderas adyacentes, del flujo de agua subterránea que sale del suelo y del agua descargada de las tuberías. La descarga de agua que fluye en un canal se mide utilizando medidores de caudal o puede estimarse mediante la ecuación de Manning . El registro del flujo a lo largo del tiempo se llama hidrograma . Las inundaciones ocurren cuando el volumen de agua excede la capacidad del canal.
Los arroyos desempeñan un papel fundamental en el ciclo hidrológico que es esencial para toda la vida en la Tierra. Una diversidad de especies biológicas, desde organismos unicelulares hasta vertebrados, dependen de sistemas de agua corriente para su hábitat y recursos alimentarios. Los ríos son importantes paisajes acuáticos para todo tipo de plantas y animales. Los ríos incluso ayudan a mantener los acuíferos subterráneos llenos de agua descargando agua hacia abajo a través de sus lechos. Además de eso, los océanos permanecen llenos de agua porque los ríos y las escorrentías los refrescan continuamente. [1] El caudal es el principal mecanismo por el cual el agua se desplaza desde la tierra hacia los océanos o hacia cuencas de drenaje interiores .
La descarga de los arroyos se deriva de cuatro fuentes: precipitación en canales, flujo superficial, flujo intermedio y agua subterránea.
Los ríos siempre están en movimiento, lo cual es bueno para el medio ambiente, ya que el agua estancada no permanece fresca y atractiva por mucho tiempo. Hay muchos factores, tanto naturales como inducidos por el hombre, que hacen que los ríos cambien continuamente: [3]
Mecanismos naturales
Mecanismos inducidos por humanos
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El caudal se mide como la cantidad de agua que pasa por un punto específico a lo largo del tiempo. Las unidades utilizadas en Estados Unidos son pies cúbicos por segundo , mientras que en la mayoría de los demás países se utilizan metros cúbicos por segundo . Hay una variedad de formas de medir el caudal de un arroyo o canal. Un medidor de corriente proporciona un flujo continuo a lo largo del tiempo en un lugar para la gestión ambiental y de recursos hídricos u otros fines. Los valores del caudal son mejores indicadores que la altura manométrica de las condiciones a lo largo de todo el río. El personal del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) realiza mediciones del caudal de agua aproximadamente cada seis semanas . Se adentran en el arroyo para realizar la medición o lo hacen desde un barco, puente o teleférico sobre el arroyo. Para cada estación de medición, se determina una relación entre la altura del medidor y el caudal mediante mediciones simultáneas de la altura del medidor y el caudal sobre el rango natural de caudales (desde caudales muy bajos hasta inundaciones). Esta relación proporciona los datos de caudal de esa estación. [5] Para fines que no requieren una medición continua del flujo de corriente a lo largo del tiempo, se pueden utilizar molinetes o perfiladores acústicos de velocidad Doppler . Para arroyos pequeños (de unos pocos metros de ancho o menos) se pueden instalar presas .
Un método informal que proporciona una aproximación del caudal de la corriente denominado Método Naranja o Método Flotante es:
En los Estados Unidos, los medidores de caudal se financian principalmente con fondos de los gobiernos estatales y locales. En el año fiscal 2008, el USGS proporcionó el 35% de los fondos para la operación y el mantenimiento diarios de los medidores. [8] Además, el USGS utiliza hidrogramas para estudiar el caudal de los ríos. Un hidrograma es un gráfico que muestra, con mayor frecuencia, el nivel del río (altura del agua por encima de una altitud arbitraria) y el caudal (cantidad de agua, generalmente en pies cúbicos por segundo). También se pueden trazar otras propiedades, como la lluvia y los parámetros de calidad del agua . [9]
Para la mayoría de los arroyos, especialmente aquellos con una cuenca pequeña, no hay registros de descarga disponibles. En ese caso, es posible realizar estimaciones de caudal utilizando el método racional o alguna versión modificada del mismo. Sin embargo, si se dispone de registros cronológicos de descarga de un arroyo, se puede hacer un pronóstico de descarga a corto plazo para una tormenta determinada utilizando un hidrograma.
Método del hidrograma unitario. Este método implica construir un gráfico en el que la descarga generada por una tormenta de un tamaño determinado se traza a lo largo del tiempo, generalmente horas o días. Se llama método del hidrograma unitario porque aborda únicamente la escorrentía producida por una tormenta particular en un período de tiempo específico: el tiempo que tarda un río en crecer, alcanzar su punto máximo y descender en respuesta a una tormenta.
Una vez que se establece una relación lluvia-escorrentía, los datos de lluvia posteriores se pueden utilizar para pronosticar el caudal de tormentas seleccionadas, llamadas tormentas estándar. Una tormenta de lluvia estándar es una tormenta de alta intensidad de alguna magnitud y frecuencia conocidas. Un método de análisis de hidrograma unitario implica expresar el aumento hora a hora o día a día del caudal como porcentaje de la escorrentía total. Trazados en un gráfico, estos datos provienen del hidrograma unitario de esa tormenta, que representa la escorrentía agregada al flujo base previo a la tormenta.
Sería difícil pronosticar los caudales en una gran cuenca de drenaje utilizando el método del hidrograma unitario porque en una gran cuenca las condiciones geográficas pueden variar significativamente de una parte de la cuenca a otra. Esto es especialmente cierto con la distribución de las precipitaciones porque una tormenta individual rara vez cubre la cuenca de manera uniforme. Como resultado, la cuenca no responde como una unidad a una tormenta determinada, lo que dificulta la construcción de un hidrograma confiable.
Método de magnitud y frecuencia. Para cuencas grandes, donde el hidrograma unitario puede no ser útil y confiable, el método de magnitud y frecuencia se utiliza para calcular la probabilidad de recurrencia de grandes caudales basándose en registros de caudales de años anteriores. En Estados Unidos, estos registros los mantiene la División Hidrológica del USGS para grandes arroyos. Para una cuenca con un área de 5.000 millas cuadradas o más, el sistema fluvial normalmente se mide en cinco a diez lugares.
Los datos de cada estación de aforo se aplican a la parte de la cuenca aguas arriba de esa ubicación. Teniendo en cuenta varias décadas de caudales anuales máximos de un río, se pueden hacer proyecciones limitadas para estimar el tamaño de algún caudal importante que no se haya experimentado durante el período de registro. La técnica implica proyectar la curva (línea gráfica) que se forma cuando las descargas anuales máximas se trazan en comparación con sus respectivos intervalos de recurrencia. Sin embargo, en la mayoría de los casos la curva se curva fuertemente, lo que dificulta trazar una proyección con precisión. Este problema se puede superar trazando los datos del intervalo de descarga y/o recurrencia en papel cuadriculado logarítmico. Una vez enderezada la trama, se puede trazar una línea que pase por los puntos. Luego se puede hacer una proyección extendiendo la línea más allá de los puntos y luego leyendo la descarga apropiada para el intervalo de recurrencia en cuestión.
La escorrentía de agua en los canales es responsable del transporte de sedimentos , nutrientes y contaminación aguas abajo. Sin el caudal, el agua de una cuenca determinada no podría progresar naturalmente hasta su destino final en un lago u océano. Esto alteraría el ecosistema. El flujo de corriente es una ruta importante para el agua desde la tierra hasta los lagos y océanos. Las otras rutas principales son la escorrentía superficial (el flujo de agua desde la tierra hacia cursos de agua cercanos que se produce durante la precipitación y como resultado del riego), el flujo de agua subterránea hacia aguas superficiales y el flujo de agua desde tuberías y canales construidos. [10]
Los flujos de agua confieren a la sociedad tanto beneficios como peligros. La escorrentía aguas abajo es un medio para recolectar agua para almacenarla en presas para la generación de energía o la extracción de agua. El flujo de agua ayuda al transporte aguas abajo. Un curso de agua determinado tiene un caudal máximo que puede ser acomodado por el canal que se puede calcular. Si el caudal excede este caudal máximo, como sucede cuando hay una cantidad excesiva de agua en el curso de agua, el canal no puede manejar toda el agua y se producen inundaciones.
La inundación del río Mississippi en 1993 , la mayor jamás registrada en el río, fue una respuesta a las intensas y prolongadas lluvias de primavera y verano. Las lluvias tempranas saturaron el suelo en más de 300.000 millas cuadradas de la cuenca superior, reduciendo en gran medida la infiltración y dejando suelos con poca o ninguna capacidad de almacenamiento. A medida que continuaron las lluvias, las depresiones superficiales, los humedales, los estanques, las acequias y los campos agrícolas se llenaron de flujo terrestre y agua de lluvia. Sin capacidad restante para retener agua, las lluvias adicionales fueron forzadas desde la tierra hacia canales tributarios y de allí al río Mississippi . Durante más de un mes, la carga total de agua de cientos de afluentes excedió la capacidad del canal del Mississippi, lo que provocó que se desbordara sobre las llanuras aluviales adyacentes. Cuando las aguas de la inundación fueron restringidas artificialmente por un canal diseñado bordeado por diques construidos y que no pudieron derramarse sobre una gran sección de la llanura aluvial, los niveles de inundación aumentaron aún más. [11]