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Hidrología

Lluvia sobre una cuenca escocesa . Comprender el ciclo del agua dentro, a través y fuera de 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, distribución y gestión del agua en la Tierra y otros planetas, incluido el ciclo del agua . recursos hídricos y sostenibilidad de las cuencas hidrográficas . Un practicante de la hidrología se llama hidrólogo . Los hidrólogos son científicos que estudian ciencias ambientales o terrestres , ingeniería civil o ambiental y geografía física . [1] Utilizando diversos métodos analíticos y técnicas científicas, recopilan y analizan datos para ayudar a resolver problemas relacionados con el agua, como la preservación del medio ambiente , 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 hidrometeorología , hidrología de superficie , hidrogeología , gestión de cuencas de drenaje y 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 informar la ingeniería, las políticas y la planificación ambientales .

Sucursales

Aplicaciones

Historia

El acueducto romano de Cesarea Marítima , que llevaba agua desde las montañas más húmedas del Carmelo al asentamiento.

La hidrología ha sido objeto de investigación e ingeniería durante milenios. Los antiguos egipcios fueron uno de los primeros en emplear la hidrología en su ingeniería y agricultura, inventando una forma de gestión del agua conocida como riego por cuenca. [2] Las ciudades mesopotámicas estaban protegidas de las inundaciones con altos muros de tierra. Los acueductos fueron construidos por griegos y romanos , mientras que la historia demuestra 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 conocida por la invención del Valve Pit que permitió la construcción de grandes embalses, anicuts y canales que aún funcionan.

Marco Vitruvio , en el siglo I a. C., 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. [3] Con la adopción de un enfoque más científico, Leonardo da Vinci y Bernard Palissy alcanzaron de forma independiente una representación precisa del ciclo hidrológico. No fue hasta el siglo XVII que se comenzaron a cuantificar las variables hidrológicas.

Entre los pioneros de la ciencia moderna de la hidrología se encuentran Pierre Perrault , Edmé 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 mediciones de velocidad y 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 la salida de los ríos que desembocan en el mar. [4]

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 vio un desarrollo en la hidrología de las aguas subterráneas, incluida la ley de Darcy , la fórmula de pozos 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 comenzaron sus propios programas de investigación hidrológica. De particular importancia fueron el hidrograma unitario de Leroy Sherman , la teoría de la infiltración de Robert E. Horton y la prueba/ecuación del acuífero de CV Theis que describe la hidráulica del pozo.

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 llegada de las computadoras y especialmente los sistemas de información geográfica (SIG). (Ver también SIG e hidrología )

Temas

El tema central de la hidrología es que el agua circula por la Tierra a través de 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 desemboca en lagos, ríos o acuíferos. El agua de los lagos, ríos y acuíferos se evapora a la atmósfera o finalmente regresa al océano, completando un ciclo. El agua cambia de estado varias veces a lo largo de este ciclo.

Las áreas de investigación dentro de la hidrología se refieren al movimiento de agua entre sus distintos estados, o dentro de un estado determinado, o simplemente a cuantificar las cantidades en estos estados en una región determinada. Partes de la hidrología se ocupan del desarrollo de métodos para medir directamente estos flujos o cantidades de agua, mientras que otras se ocupan de modelar estos procesos, ya sea para el conocimiento científico o para hacer una predicción en aplicaciones prácticas.

Agua subterránea

Construyendo un mapa de contornos de aguas subterráneas

El agua subterránea es agua debajo de la superficie de la Tierra, a menudo bombeada para obtener agua potable. [1] La hidrología de las aguas subterráneas ( hidrogeología ) considera la cuantificación del flujo de aguas subterráneas y el transporte de solutos. [5] Los problemas al 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 de acuífero ). Las mediciones aquí se pueden realizar utilizando un piezómetro . Los acuíferos también se describen en términos de conductividad hidráulica, almacenatividad y transmisividad. Existen varios métodos geofísicos [6] para caracterizar los acuíferos. También existen problemas a la hora de caracterizar la zona vadosa (zona insaturada). [7]

Infiltración

La infiltración es el proceso por el cual el agua ingresa al suelo. 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 ( cabeza hidráulica ). El suelo seco puede permitir una rápida infiltración por acción capilar ; esta fuerza disminuye a medida que el suelo se moja. La compactación reduce la porosidad y el tamaño de los poros. La cobertura de la superficie aumenta la capacidad al retardar el escurrimiento, reducir la compactación y otros procesos. Las temperaturas más altas reducen la viscosidad , aumentando la infiltración. [8] : 250–275 

La humedad del suelo

La humedad del suelo se puede medir de varias formas; mediante sonda capacitancia , reflectómetro en el dominio del tiempo o tensiómetro . Otros métodos incluyen el muestreo de solutos y los métodos geofísicos. [9]

Flujo de agua superficial

Un hidrograma de inundación que muestra el escenario 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 flujo tanto en canales fluviales reconocibles como en otros lugares. Los métodos para medir el flujo una vez que el agua ha llegado a un río incluyen el medidor de corriente (ver: descarga ) y técnicas de trazado. 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 el agua subterránea y el agua superficial en arroyos y acuíferos pueden ser complejas y la dirección del flujo neto de agua (hacia el agua superficial o hacia el acuífero) puede variar espacialmente a lo largo del canal de un arroyo y a lo largo del tiempo en cualquier ubicación particular, dependiendo de la relación entre las etapas de la corriente y los acuíferos. y 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 [10] y, por lo tanto, es importante tener un conocimiento adecuado tanto de la precipitación como de la evaporación. La precipitación se puede medir de varias maneras: disdrómetro para las características de la precipitación en una escala de tiempo fina; radar para propiedades de nubes, estimación de intensidad de lluvia, detección de granizo y nieve; pluviómetro para mediciones rutinarias precisas de lluvia y nevadas; satélite para la identificación de áreas lluviosas, estimación de la tasa de lluvia, cobertura y uso del suelo y humedad del suelo, por ejemplo.

La evaporación es una parte importante del ciclo del agua. Se ve afectado en parte por la humedad, que puede medirse con un psicrómetro de honda . También se ve afectado por la presencia de nieve, granizo y hielo y puede relacionarse con el rocío, la niebla y la niebla. La hidrología considera la evaporación de diversas formas: desde las superficies del agua; como la transpiración de las superficies de las plantas en ecosistemas naturales y agronómicos. La medición directa de la evaporación se puede obtener utilizando el recipiente 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 balances de energía.

Sensores remotos

Estimaciones de cambios en el almacenamiento de agua alrededor de los ríos Tigris y Éufrates , medidos 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 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 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 sensores remotos con diversas resoluciones y precisiones espacio-temporales. [11] Las fuentes de teledetección incluyen sensores terrestres, sensores aéreos y sensores satelitales que pueden capturar datos de microondas , térmicos e infrarrojos cercanos 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 a material tanto disuelto como sedimentado. Además, la calidad del agua se ve afectada por la interacción del oxígeno disuelto con la materia orgánica y 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 de 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 (flujo de agua, calidad del agua). [12] Una de las principales preocupaciones actuales en la investigación hidrológica es la "Predicción en cuencas no aforadas" (PUB), es decir, en cuencas donde existen muy pocos o ningún dato. [13]

Hidrología estadística

El objetivo de la hidrología estadística es proporcionar métodos estadísticos apropiados para analizar y modelar diversas partes del ciclo hidrológico. [14] Al analizar las propiedades estadísticas de los registros hidrológicos, como las precipitaciones o el caudal de los ríos, los hidrólogos pueden estimar fenómenos hidrológicos futuros. Al evaluar la frecuencia con la que ocurrirán eventos relativamente raros, se realizan análisis en términos del período de retorno de dichos eventos. Otras cantidades de interés incluyen el caudal medio de un río, en un año o por temporada.

Estas estimaciones son importantes para ingenieros y economistas para que se pueda realizar un análisis de riesgo adecuado para influir en las decisiones de inversión en infraestructura futura y determinar las características de confiabilidad del rendimiento de los sistemas de suministro de agua. La información estadística se utiliza para formular reglas de operación 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 procesos hidrológicos, dentro del campo general de la modelización científica . Se pueden distinguir dos tipos principales de modelos hidrológicos: [15]

Las investigaciones recientes en modelización 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 de la gestión de los recursos hídricos.

Transporte

El movimiento del agua es un medio importante por el cual otros materiales, como tierra, grava, cantos rodados o contaminantes, se transportan de un lugar a otro. El ingreso 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.

Panoramas generales de la cuenca y de toda la cuenca

Revistas de investigación

Ver también

Otros campos relacionados con el agua

Referencias

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Otras lecturas

enlaces externos

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