Procesos de escorrentía: edición internacional

Descripción general de la escorrentía

Vista aérea de la inundación de una aldea remota de Sierra Leona, África.

La capacidad de estimar con exactitud la escorrentía que producirán la lluvia y el deshielo es uno de los aspectos más importantes del proceso de predicción de crecidas.

En esta sección se define el concepto de escorrentía y se presentan algunos términos importantes para analizar el proceso lluvia-escorrentía. Consideraremos la escorrentía producida tanto por la lluvia como por el deshielo, y su relación con el proceso de pronóstico hidrológico en general.

En esta sección aprenderá a:

  • definir la escorrentía producida por la lluvia;
  • identificar el movimiento general del agua, tanto en la superficie como en el subsuelo;
  • reconocer los distintos términos asociados con el agua subterránea y la escorrentía;
  • comprender la relación entre las tasas de precipitación y deshielo y la infiltración.

Definición de escorrentía

Procesos generales de escorrentía: Representación de la escorrentía de superficie y el interflujo producidos por la lluvia y el deshielo en una cuenca.

Es común definir la escorrentía (o escurrimiento) como aquella parte de la lluvia, del agua de deshielo y/o del agua de irrigación que, en lugar de infiltrarse en el suelo, fluye hacia el cauce fluvial desplazándose sobre la superficie del suelo. A veces se denomina escorrentía superficial o de superficie.

Para ciertos fines, sin embargo, la definición de escorrentía también abarca el agua que llega al cauce fluvial con relativa rapidez justo debajo de la superficie. Junto con la escorrentía superficial, este flujo, que se denomina interflujo o flujo subsuperficial, constituye el volumen de agua que en hidrología se conoce generalmente como escorrentía.

Rol en el proceso de predicción de crecidas

Diagrama de flujo del proceso de predicción de crecidas.

El motivo principal por el cual estudiamos el proceso de escorrentía es la necesidad de estimar la cantidad de agua que alcanza rápidamente el cauce fluvial. La escorrentía es el elemento más importante de la predicción de crecidas y puede consistir de agua pluvial o del agua generada por el derretimiento de la nieve y del hielo. Las condiciones en la cuenca hidrológica determinan la proporción de lluvia o nieve que se transforma en escorrentía. Si sabemos qué cantidad de agua cabe esperar en forma de escorrentía, podemos utilizar otras herramientas, como el hidrograma unitario, para calcular el caudal correspondiente que se descargará en el cauce.

Procesos del agua en el suelo

Comparación de los procesos generales del agua del suelo en entornos urbanos y rurales.

El movimiento del agua en el suelo es el resultado de tres procesos físicos: entrada, transmisión y almacenamiento. El proceso de entrada, que también se denomina infiltración, ocurre en el límite entre el agua y la superficie del suelo. La transmisión es la percolación, tanto vertical como horizontal, que puede producirse a cualquier profundidad en la capa del suelo. El almacenamiento puede ocurrir en cualquier parte del perfil del suelo y se manifiesta como un aumento en la humedad del suelo.

En términos generales, las condiciones ambientales que influyen en estos tres procesos se dividen en dos categorías principales: efectos naturales y efectos antropogénicos (es decir, producidos por la actividad humana). A diferencia de los procesos naturales, que pueden tener varios efectos, la actividad humana suele reducir la cantidad de agua que penetra en el perfil del suelo y, por consiguiente, aumenta la escorrentía en la superficie del suelo.

Términos generales relacionados con la escorrentía

Animación que ilustra el concepto de cuenca hidrográfica o de drenaje.

Utilizamos varios términos para describir los procesos de escorrentía. A continuación encontrará la definición de algunos de los que se tratan con más detalle en las secciones posteriores de esta lección.

Empleamos los términos cuenca, cuenca de drenaje y cuenca hidrológica (o hídrica o hidrográfica) para describir el área que contribuye a la escorrentía. En términos generales, la escorrentía comienza en la divisoria de las aguas que marca el perímetro de la cuenca. Toda la escorrentía dentro de una cuenca drena en un único sitio, es decir, la salida o desagüe de la cuenca.

Ilustración de los términos básicos de agua del suelo y escorrentía: infiltración, caudal o flujo base, interflujo y escorrentía superficial.

El caudal base o flujo base es el suministro de agua a largo plazo que mantiene siempre al menos un poco de agua en el cauce, incluso durante los períodos prolongados de sequía. El caudal base proviene del agua que ha percolado hasta el almacenamiento profundo.

La infiltración es el movimiento del agua hacia abajo a través de la superficie del suelo. Aunque a menudo se usa como equivalente de percolación, en realidad el término percolación se refiere al movimiento del agua dentro del suelo, mientras infiltración se refiere específicamente al proceso por el cual el agua penetra la superficie del suelo.

La escorrentía superficial es el movimiento del agua sobre la superficie del suelo hacia el cauce fluvial.

El interflujo es el movimiento relativamente rápido del agua debajo de la superficie del suelo hacia el cauce fluvial que típicamente se produce durante las 72 horas posteriores a la infiltración del agua en la superficie. Este proceso es más común en las áreas donde el suelo es profundo.

La escorrentía o escorrentía directa puede referirse solo a la escorrentía superficial, pero a veces empleamos este término para hablar de la combinación de escorrentía superficial e interflujo. Por lo tanto, suele representar el movimiento al cauce fluvial del agua que no forma parte del caudal base.

Términos relacionados con la infiltración

Representación de la relación entre una tasa de lluvia relativamente ligera, la tasa de infiltración, la capacidad de infiltración, el interflujo y la escorrentía superficial.

La tasa de infiltración es la cantidad de agua que puede penetrar el suelo en un período específico. Se expresa en términos de profundidad por unidad de tiempo; por ejemplo, 10 milímetros por hora.

La capacidad de infiltración es el límite superior de la tasa de infiltración. Incluye la infiltración en la superficie y la percolación, y se expresa en términos de profundidad por unidad de tiempo; por ejemplo, 15 milímetros por hora.

Si el índice de precipitación es menor o igual a la capacidad de infiltración, no se produce escorrentía superficial.

Representación de la relación entre una tasa de lluvia intensa, la tasa de infiltración, la capacidad de infiltración, el interflujo y la escorrentía superficial.

Si el índice de precipitación excede la capacidad de infiltración, se produce escorrentía superficial.

La escorrentía superficial equivale al índice de pluviosidad o a la velocidad de deshielo menos la capacidad de infiltración.

Por ejemplo, si el índice de pluviosidad aumenta a 25 mm por hora pero la capacidad de infiltración sigue siendo 15 mm por hora, el índice de pluviosidad es 10 mm por hora mayor que la capacidad de infiltración. Los 10 mm por hora que no se infiltran se transforman en escorrentía superficial.

Preguntas de repaso

Pregunta 1

En términos simples, la escorrentía es aquella parte de la lluvia, del agua de deshielo y del agua de irrigación que alcanza rápidamente el cauce fluvial _____.
(Escoja la mejor opción.)

La respuesta correcta es b).

Escoja una opción.

Pregunta 2

Cuando el índice de pluviosidad equivale a la capacidad de infiltración, _____.
(Escoja todas las opciones pertinentes.)

Las respuestas correctas son a) y d).

Escoja una opción.

Trayectorias de la escorrentía

Dos canales angostos creados por la escorrentía serpentean por la hojarasca de un bosque caducifolio.

En esta sección se describen las posibles trayectorias del agua hasta la salida de la cuenca. Consideraremos los pormenores de la escorrentía superficial, del interflujo y del agua existente antes del evento de precipitación. También consideraremos los efectos del clima, la geografía y la humedad antecedente.

En esta sección aprenderá a:

  • identificar los distintos tipos de escorrentía que se producen en la superficie y en el subsuelo;
  • reconocer el impacto de las propiedades de la superficie y del suelo que influyen en la escorrentía superficial;
  • comprender las propiedades del suelo que influyen en la escorrentía subsuperficial o interflujo;
  • prever los tipos de escorrentía que puede esperarse en su zona considerando el índice de pluviosidad, la velocidad de deshielo y las propiedades del suelo.

Escorrentía superficial

Representación de dos tipos de escorrentía superficial: flujo superficial del exceso de infiltración (flujo hortoniano) y flujo superficial del exceso de saturación.

Durante un episodio de lluvia o de deshielo, pueden producirse dos tipos de escorrentía superficial.

El flujo superficial del exceso de infiltración o flujo hortoniano se produce en los suelos que no están saturados. De hecho, el suelo puede estar muy seco, pero debido a las propiedades del suelo o de la cubierta del suelo, el proceso de infiltración no puede absorber el agua producida por un aguacero o un deshielo rápido.

El flujo superficial del exceso de saturación ocurre cuando el suelo está saturado y no queda espacio para que se infiltre más agua. Esto puede ocurrir incluso en suelos que normalmente, en condiciones subsaturadas, permiten la infiltración de grandes cantidades de agua.

Flujo del exceso de infiltración

Animación del flujo superficial del exceso de infiltración.

El exceso de infiltración es el resultado de un índice de pluviosidad o una velocidad de deshielo que excede la capacidad de infiltración. El agua que no puede infiltrarse se convierte en escorrentía superficial.

Por ejemplo, si el suelo tiene una capacidad de infiltración de 15 mm por hora y llueve a un ritmo de 25 mm por hora, el índice de pluviosidad excede la capacidad de infiltración a razón de 10 mm por hora. Dichos 10 mm de agua por hora se convierten en flujo superficial del exceso de infiltración, incluso si el suelo subyacente está seco.

El fenómeno de exceso de infiltración se observa con mayor frecuencia durante episodios de lluvia breves e intensos. Es también más común donde los suelos tienen un alto contenido de arcilla y la superficie ha sido alterada por la compactación del suelo, la urbanización o un incendio.

El flujo superficial del exceso de infiltración se denomina también flujo hortoniano.

Flujo del exceso de saturación

Animación del flujo superficial del exceso de saturación.

El exceso de saturación se produce cuando las capas del suelo se saturan hasta tal punto que ya no permiten la infiltración de más agua.

Esto es más común en episodios de lluvia leve a moderada de larga duración, o bien durante el último de una serie de episodios sucesivos de precipitación o de deshielo.

Por ejemplo, considere una tormenta que produce un índice de pluviosidad constante de 10 mm por hora durante cuatro horas. Al cabo de tres horas de infiltración, el suelo queda saturado. Durante la cuarta hora del episodio, al ritmo de 10 mm/h el agua ya no puede infiltrarse en el suelo saturado y se convierte en flujo superficial del exceso de saturación.

Agua estancada y canales de escorrentía en un prado en un día lluvioso (Reino Unido).

El fenómeno de flujo superficial del exceso de saturación puede ocurrir siempre que el suelo esté mojado, aunque es más común en cuencas llanas o con pendientes poco pronunciadas en climas húmedos. Esta fotografía muestra un terreno donde el suelo típicamente es capaz de absorber grandes cantidades de agua. La presencia de agua estancada durante un episodio de lluvia leve sugiere que la saturación del suelo impide la infiltración de más agua. El resultado es el flujo superficial del exceso de saturación.

Interflujo

Ilustración del concepto de flujo subsuperficial o interflujo.

El interflujo, que también se conoce como flujo subsuperficial, es el flujo relativamente rápido hacia el cauce fluvial que se produce debajo de la superficie. Aunque ocurre más rápidamente que el caudal base, suele producirse más lentamente que la escorrentía superficial. En ciertos casos, el interflujo puede ser un factor tan importante como la escorrentía superficial para el pronóstico de los aumentos rápidos en el nivel del cauce fluvial. De hecho, en las regiones con altas tasas de infiltración y terreno empinado el interflujo puede ser el proceso predominante en la reacción de los ríos tras un episodio de lluvia o el deshielo.

Este proceso es más frecuente en zonas húmedas con suelos profundos. No obstante, el interflujo puede aportar una cantidad considerable de agua en las regiones con suelos poco profundos si existe una capa impermeable (por ejemplo, de roca firme) debajo de la capa de suelo de superficie, que es más permeable.

Retroalimentación por transmisividad

Animación de como la retroalimentación por transmisividad a través de las redes de macroporos puede intensificar la escorrentía de una tormenta debajo de la superficie del suelo.

Un proceso de escorrentía que contribuye al interflujo es la retroalimentación por transmisividad. Este proceso ocurre cuando se activa una red de macroporos después de un período de rápida infiltración.

Los macroporos son espacios vacíos y conductos naturales en el suelo que se transforman en rutas preferentes para el movimiento del agua cuesta abajo. Los macroporos pueden formarse de diversas maneras, por ejemplo la descomposición de las raíces de las plantas, los túneles de los animales e insectos y las reacciones químicas entre el agua y los minerales del suelo.

Las redes de macroporos son más extensas en zonas con suelos profundos que contienen cantidades considerables de materia orgánica. Por lo tanto, es más probable que haya un interflujo sustancial por las redes de macroporos en las regiones de clima húmedo.

Contacto suelo-roca

Ilustración del flujo subsuperficial a lo largo de la superficie de contacto suelo-roca.

La existencia de una superficie de contacto suelo-roca intensifica el interflujo. Suele haber contacto suelo-roca en zonas con topografía empinada, donde la capa del suelo es considerablemente más permeable que la roca sólida subyacente. El agua de lluvia o deshielo se infiltra en poco tiempo hasta la superficie de contacto con la roca y después se desplaza rápidamente cuesta abajo a lo largo de dicha superficie.

A veces existe una estructura llamada fragipán. Las capas de fragipán son de baja permeabilidad, como la roca o la arcilla, y pueden también contribuir a concentrar el flujo subsuperficial lateral. Las zonas de fragipán, que pueden existir en niveles relativamente poco profundos, juegan un rol importante en la intensificación del interflujo e incluso de la escorrentía superficial una vez que las capas de suelo arriba de ellas queden saturadas.

Crestas de agua subterránea

Animación que ilustra como la formación de una cresta de agua subterránea puede intensificar el flujo subsuperficial.

Otro mecanismo que contribuye a la escorrentía es la formación de crestas de agua subterránea.

Este proceso se observa en cuencas de drenaje empinadas donde la capa freática está mucho más próxima a la superficie cerca del cauce fluvial que en lugares más alejados del mismo.

Cerca del cauce fluvial, el agua de lluvia o de deshielo alcanza el nivel del agua subterránea más rápidamente de lo que es el caso cuesta arriba, más lejos del arroyo. El nivel de la capa freática sube más rápidamente cerca del cauce fluvial que en las zonas más alejadas y forma una cresta de agua subterránea en proximidad del arroyo. Debido al gradiente entre la cresta de agua subterránea y el cauce fluvial, el interflujo hacia el arroyo es más rápido

Si la cresta de agua subterránea alcanza la superficie del suelo, genera un flujo superficial del exceso de saturación que contribuye a la escorrentía superficial.

Agua existente antes del evento de precipitación

Animación que ilustra como el agua existente en el suelo antes del evento de precipitación puede constituir una contribución importante al cauce cuando el agua que acaba de infiltrarse durante una tormenta la desplaza.

Cierta parte del interflujo que llega rápidamente al cauce fluvial no es necesariamente producto del episodio de lluvia actual. En estos casos, las capas del suelo ya contienen una cantidad considerable de agua, que se desplaza a medida que más agua se infiltra en el suelo. El agua que entra en el arroyo inmediatamente después de una lluvia o de un período de deshielo rápido puede pertenecer a un evento de precipitación anterior, es decir, se trata de agua que existía antes del evento de precipitación. Varios estudios han demostrado que a menudo en regiones de clima húmedo el agua existente antes del evento de precipitación es el factor que más contribuye a los aumentos rápidos del nivel de los cursos fluviales.

Preguntas de repaso

Pregunta 1

¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable después de una lluvia intensa de 30 minutos de duración?
(Escoja la mejor opción.)

La respuesta correcta es b).

Escoja una opción.

Pregunta 2

¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable después de 48 horas de llovizna constante en un bosque?
(Escoja la mejor opción.)

La respuesta correcta es a).

Escoja una opción.

Pregunta 3

¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable en un llano con vegetación densa?
(Escoja la mejor opción.)

La respuesta correcta es a).

Escoja una opción.

Pregunta 4

¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable en una zona urbana?
(Escoja la mejor opción.)

La respuesta correcta es b).

Escoja una opción.

Pregunta 5

Aunque el agua presente antes de un episodio de lluvia considerable puede contribuir a la escorrentía como “agua existente antes del evento de precipitación”, nunca constituye un componente principal de la escorrentía.
(¿Verdadero o falso?)

La respuesta correcta es b).

Escoja una opción.

Pregunta 6

El interflujo puede ser más importante que la escorrentía superficial en la generación de un aumento rápido del nivel de los arroyos en _____.
(Escoja todas las opciones pertinentes.)

Las respuestas correctas son b) y c).

Escoja una opción.

Pregunta 7

Los macroporos _____ el interflujo porque crean _____ para el flujo del agua.
(Escoja la mejor opción.)

La respuesta correcta es b).

Escoja una opción.

Pregunta 8

La formación de crestas de agua subterránea reduce el flujo al cauce porque bloquea el interflujo.
(¿Verdadero o falso?)

La respuesta correcta es b).

Escoja una opción.

Propiedades de la cuenca

Vista aérea de una zona semiárida rural en Arizona (EE.UU.), donde los árboles y arbustos pequeños acentúan las estructuras topográficas y los cursos de agua de la cuenca.
Foto aérea de la expansión urbana descontrolada de Las Vegas, Condado de Clark, Nevada (EE.UU.).

Las propiedades físicas de una cuenca de drenaje y sus cursos fluviales influyen en la cantidad de escorrentía generada y su desarrollo temporal. Dichas propiedades pueden ser el resultado de factores naturales y de factores causados por la actividad humana.

En esta sección aprenderá a:

  • reconocer las características de una cuenca y cómo influyen en los procesos de escorrentía;
  • explicar el impacto de la urbanización en las características de escorrentía.

Área de aporte

Gráfica conceptual de dos cuencas, una más grande que la otra, y la cantidad relativa de escorrentía que generan.

El tamaño del área de aporte de la lluvia en una cuenca influye directamente en el volumen total de escorrentía que drena de la cuenca.

No parecerá sorprendente que la comparación de una lluvia uniforme sobre una cuenca más grande y otra más pequeña revela que la cuenca más grande produce un mayor volumen de escorrentía. En igualdad de circunstancias, un área de drenaje el doble del tamaño puede generar dos veces el volumen de escorrentía que una cuenca de menor extensión.

Gráfica conceptual que ilustra que la zona directamente afectada por la tormenta puede ser más pequeña que la cuenca.

Como en la mayoría de los casos las tormentas solo cubren parte de una cuenca, lo más común es que el volumen de escorrentía no está determinado por el tamaño total de la cuenca, sino por el área de aporte, que es la parte de la cuenca que ha sido afectada por la tormenta.

Dimensiones de la cuenca

Efecto del tamaño y la longitud de la trayectoria del flujo en la escorrentía de una cuenca.

De forma análoga, considere dos cuencas de forma similar, una más grande que la otra. La escorrentía que se desplaza del punto más lejos aguas arriba de la cuenca más grande tiene que recorrer una mayor distancia y, por lo tanto, tarda más en alcanzar la salida de la cuenca que la escorrentía que proviene del punto más lejos aguas arriba de la cuenca más pequeña. Además, es probable que una tormenta solo afecte a una parte de la cuenca más grande en un momento dado, mientras que puede cubrir toda la cuenca más pequeña.

Forma de la cuenca

Efecto de la forma de la cuenca en la escorrentía.

La forma de la cuenca también influye en la magnitud y el desarrollo temporal del caudal máximo en la salida de la cuenca.

Considere dos cuencas de área igual, pero una de forma larga y estrecha y la otra más ancha. Considere ahora el recorrido de la escorrentía a medida que se desplaza desde el punto más lejano de la cuenca hasta la salida correspondiente. La escorrentía de la cuenca más ancha llegará más rápidamente a la salida de la cuenca.

Además, es más probable que el agua proveniente de varios lugares de esta cuenca alcance la salida al mismo tiempo, lo cual produce un caudal máximo mayor. En contraste, es menos probable que el agua proveniente de distintos lugares de la cuenca larga y estrecha llegue al mismo tiempo.

Meandros fluviales

Foto de un río muy sinuoso cuyos meandros serpentean por una ancha planicie aluvial.

Los meandros del cauce fluvial aumentan la distancia que el agua debe recorrer desde el comienzo hasta el final del curso del río.

Efecto de la sinuosidad de un río en la escorrentía de una cuenca

Considere una cuenca con cauces fluviales sinuosos. Si elimináramos todos los meandros, el agua recorrería una distancia menor. Esto también reduciría el tiempo que tarda el agua en alcanzar la salida de la cuenca y el tiempo disponible para que el agua se infiltre en el suelo a través del fondo del lecho fluvial.

Los meandros aumentan el tiempo de viaje de la escorrentía a través de la cuenca y pueden reducir el volumen de escorrentía en general.

Materiales de consulta adicionales:

Encontrará información adicional sobre la formación de estructuras tales como los meandros fluviales en la lección de geomorfología fluvial de la Facultad de Ciencias Ambientales e Ingeniería Forestal de la State University of New York (SUNY ESF): http://staticweb.fsl.orst.edu/fgmorph/fgmorph/ (en inglés).

Pendiente de la cuenca

Efecto de la pendiente de la cuenca en la escorrentía.

La pendiente de una cuenca influye en la cantidad y el desarrollo temporal de la escorrentía.

A medida que aumenta la pendiente de la topografía, entran en juego varios factores. En primer lugar, el contacto del agua con la superficie deja de ser perpendicular. En las pendientes, la fuerza de gravedad ya no atrae el agua directamente hacia el suelo, de forma que una mayor parte se convierte en escorrentía superficial.

Otro factor es el movimiento del agua sobre la superficie terrestre. A medida que aumenta la pendiente del suelo, el agua se desplaza con mayor rapidez y permanece menos tiempo en contacto con la superficie, lo cual reduce el tiempo que tiene para infiltrarse.

Canal cortado después del incendio de Cerro Grande, cerca de Los Alamos, Nuevo México (EE.UU.)

Otro factor importante es la cantidad de sedimento transportado por el agua. La erosión es el resultado de la eliminación del sedimento del suelo por parte del agua. Aunque depende del tipo de suelo y de la vegetación, por lo general la erosión aumenta a medida que aumenta la pendiente. Cuando el agua transporta mucho sedimento, los poros en la superficie del suelo que normalmente permiten la penetración del agua pueden taparse, reduciendo de este modo la capacidad de infiltración.

En términos generales, cuanto más empinados la ladera y los canales de drenaje, tanto más rápida será la respuesta del flujo y tanto mayores las descargas máximas.

Rugosidad

Arroyo que atraviesa un valle cerca de los Pirineos franceses.
Agua que vierte por una alcantarilla y fluye cuesta abajo por un cauce de cemento.

La «rugosidad» de un cauce fluvial aumenta con la presencia de piedras, vegetación y escombros. Cuando eliminamos la vegetación y cubrimos el lecho fluvial con cemento para crear un canal, reducimos su rugosidad. El factor de rugosidad afecta directamente la rapidez con que el agua se desplaza por el canal y la altura del nivel máximo. En hidrología, la ecuación de Manning se usa a menudo para calcular el factor de rugosidad.

Comparación del hidrograma de una superficie suave y el de una superficie rugosa.

Cuanto mayor la rugosidad, tanto más turbulento será el flujo. Un flujo más turbulento produce una escorrentía más lenta y flujos menos rápidos. El resultado es más tiempo para la infiltración y la creación de una onda de crecida más ancha con descargas máximas menores de lo que es el caso en situaciones de escorrentía más rápida.

Por otro lado, la reducción de la rugosidad del canal produce flujos más rápidos y caudales máximos mayores.

Materiales de consulta adicionales

Encontrará más información acerca de la ecuación de Manning en la sección cuatro de la lección Tránsito de avenidas: Propiedades de los cursos fluviales y ecuaciones de flujo.

Densidad de drenaje

Efecto de la densidad de drenaje en la escorrentía de una cuenca.

Denominamos densidad de drenaje a la suma de la longitud de todos los canales en el interior de una cuenca dividida por el área de la cuenca. La densidad de drenaje es una de las características más importantes para evaluar la escorrentía potencial.

La densidad de drenaje de una cuenca con muchos afluentes es mayor que la de una cuenca con pocos afluentes. Cuando la densidad de drenaje es mayor, la cuenca puede drenar de forma más eficiente después de una tormenta. Si el drenaje es más eficiente, el agua se desplaza más rápidamente a los arroyos y riachuelos, con el resultado de que los caudales máximos de las tormentas son mayores y se producen más rápidamente.

Normalmente, las cuencas con densidades de drenaje menores tienen suelos profundos y bien desarrollados. En este caso, es más probable que el agua penetre el suelo en lugar de convertirse en escorrentía superficial e incorporarse a la red de canales fluviales.

Urbanización

Movimiento de la escorrentía superficial en las calles de adoquines de un pueblo en Brasil.

La urbanización suele alterar las superficies naturales del suelo y de los cauces fluviales de las cuencas. Los factores tales como la permeabilidad de la superficie, el tamaño de la cuenca, la densidad de drenaje, la rugosidad, la longitud y la pendiente del canal pueden verse afectados de forma tal que la escorrentía adquiera mayor magnitud y velocidad.

Un aguacero provoca el flujo del agua por las calles.  Se nota que sale agua por un pozo de inspección al mismo tiempo que entra agua en el sistema de alcantarillado y drenaje pluvial.

En las zonas urbanas, la mayor cobertura de pavimentación, edificios y suelos compactos impide la infiltración del agua de lluvia y de deshielo en comparación con la superficie natural del suelo. Esto puede aumentar en gran medida la magnitud de la escorrentía.

Representación gráfica de la formación de subcuencas a los lados de una carretera.

Las características urbanas, como los arcenes de las calles y los muros de contención, pueden dividir una cuenca natural en subcuencas más pequeñas. Las zonas de drenaje más pequeñas responden mucho más rápidamente a las lluvias localizadas que una cuenca más grande.

Efecto del cemento urbano en el aporte de escorrentía al arroyo de una cuenca.

Las redes viarias, las cunetas y los sistemas de drenaje pluvial funcionan como una red de afluentes y aumentan la densidad de drenaje. Una mayor densidad de drenaje resulta en una escorrentía más rápida hacia los cauces fluviales.

En comparación con un lecho fluvial natural, las superficies de las calles, las alcantarillas y los sistemas de drenaje pluvial tienen superficies lisas. La menor rugosidad superficial permite un movimiento mucho más rápido de la escorrentía hacia los cauces fluviales principales de lo que sería el caso en condiciones más naturales.

Canalización de ladrillo en Yorkshire Occidental, Reino Unido.

En las zonas urbanas, es común que se elimine la vegetación de los ríos y a veces hasta se cubre el fondo de cemento, un proceso denominado «canalización» que además reduce la rugosidad y aumenta la velocidad del agua.

Efecto de enderezar y canalizar un arroyo en un entorno urbano.

A veces, las obras de canalización implican enderezar el arroyo urbano y eliminar los meandros. Esto reduce la distancia que el agua atraviesa desde el comienzo de la cuenca de drenaje. También aumenta la pendiente, ya que el cambio de elevación sigue siendo igual, pero abarca una distancia menor. Debido a la reducción de la distancia del trayecto y el aumento en la pendiente, la escorrentía produce una respuesta de crecida mucho más rápida.

En términos generales, en los entornos urbanos la escorrentía ocurre más rápidamente y una mayor parte de la escorrentía alcanza los ríos de lo que es el caso en los entornos rurales.

Preguntas de repaso

Pregunta 1

La escorrentía suele ser más eficiente (es decir, más rápida y más abundante) cuando _____.
(Escoja todas las opciones pertinentes.)

Las respuestas correctas son a) y d).

Escoja una opción.

Propiedades del suelo

Las características del suelo de una cuenca influyen fuertemente en el desarrollo de la escorrentía. Además de la textura del suelo, tenemos que considerar otras características importantes, como la cubierta de la superficie, la profundidad hasta las capas impermeables y las modificaciones del suelo provocadas por la actividad humana o por procesos naturales.

En esta sección aprenderá a:

  • predecir el movimiento del agua y de la escorrentía dadas las características del suelo;
  • identificar las propiedades del suelo importantes en su zona;
  • comprender cómo los factores naturales y humanos influyen en el movimiento del agua en el suelo.

Clasificación de la textura del suelo

Ilustración del tamaño relativo de las partículas del suelo.

La textura del suelo se clasifica de acuerdo con el tamaño de las partículas que componen el suelo. La arcilla tiene las partículas y los espacios porosos más pequeños, seguida del limo y de la arena, que tiene las partículas más grandes. La textura del suelo es un factor muy importante para evaluar el potencial de infiltración, movimiento y almacenamiento del agua del suelo.

Triángulo de clasificación de suelos que muestra las relaciones entre las distintas texturas de suelo.

El triángulo de clasificación de suelos del Departamento de Agricultura de EE.UU. (USDA), que se basa en el sistema de clasificación de suelos de la FAO, es una herramienta de referencia que permite clasificar los suelos de acuerdo con la composición de su textura. Por ejemplo, si tomamos una muestra de suelo y determinamos que tiene una composición aproximada de 40 % limo, 40 % arena y 20 % arcilla, el triángulo nos permite clasificar ese suelo como «marga».

A fondo: Procesos de formación del suelo

Representación esquemática de los horizontes del suelo en una sección transversal.

La formación de los suelos, o pedogénesis, es el producto de varios procesos naturales. Típicamente, los suelos se forman de modo tal que las capas superiores (los horizontes O y A) presentan el mayor impacto de la vegetación y la meteorización, mientras las capas inferiores (el horizonte C) se ven afectadas en una medida mucho menor por dichos agentes.

El clima es el factor más importante en la formación de los suelos, ya que influye directamente en la meteorización del material básico que los compone y es un factor determinante esencial de la actividad biológica.

Entre los demás factores naturales que participan en la formación de los suelos cabe mencionar el tipo y la distribución de la vegetación, la geología local, la actividad biológica, las reacciones minerales y la topografía de la cuenca hidrológica. Estos factores determinan la cantidad de agua de lluvia o deshielo que penetra en el suelo y cómo se desplaza o se almacena en el suelo.

Composición del suelo

Mapa mundial de distribución de suelos que muestra la fracción de arena en los dos centímetros superiores del suelo.

El suelo puede componerse de uno o varios tipos de texturas. Cuando el suelo contiene un alto porcentaje de arena, el mayor espacio poroso permite que el agua se infiltre y drene más rápidamente. Estos tipos de suelos pueden absorber cantidades relativamente grandes de lluvia o agua de deshielo.

Mapa mundial de distribución de suelos que muestra la fracción de arcilla en los dos centímetros superiores del suelo.

Los suelos con un contenido relativamente alto de arcilla tienen un espacio poroso menor y, en consecuencia, tasas de infiltración más bajas. Por lo tanto, los suelos en los que predomina la arcilla tienen una capacidad menor de absorber gran cantidad de agua.

Mapa mundial de distribución de suelos que muestra la fracción de limo en los dos centímetros superiores del suelo.

Las partículas que componen el limo son de un tamaño intermedio, entre la arena y la arcilla. Los suelos que contienen un alto porcentaje de limo tienen tasas de infiltración y drenaje más altas que la arcilla, pero no tan altas como la arena.

Animación del proceso de infiltración en suelos de textura arenosa, limosa y arenosa.

Por consiguiente, durante una lluvia intensa o un período de deshielo rápido los suelos arcillosos pueden producir más escorrentía superficial que los suelos arenosos o limosos. Por lo general, los suelos arenosos producen la menor cantidad de escorrentía superficial.

La información sobre la textura del suelo puede ayudarnos a prever las posibilidades de almacenamiento de agua y de escorrentía. Por supuesto que siempre debemos tener presentes los aspectos específicos de la situación, como el contenido de humedad del suelo y la intensidad de la lluvia o del deshielo.

Animación del proceso de infiltración en suelos de textura arenosa, limosa y arenosa cuando están saturados.

Como muestra esta animación, cualquier suelo saturado produce escorrentía superficial, independientemente de su textura.

Comparación de la porosidad de los suelos arenosos y arcillosos.  La ampliación muestra que hay un mayor espacio poroso entre las partículas grandes e irregulares del suelo arenoso.  La ampliación de un suelo arcilloso muestra espacios porosos pequeños entre muchas partículas redondeadas pequeñas de arcilla.

Aunque parece contrario a la intuición, los espacio porosos más pequeños de los suelos arcillosos contienen una cantidad total de espacio vacío mayor que la menor cantidad de espacios porosos y más grandes de los suelos arenosos. Esto significa que bajo condiciones de llovizna o deshielo lento la arcilla puede contener más agua que la arena.

Animación en la cual se compara la lluvia que cae sobre dos tipos de suelo, uno de marga arenosa y otro de marga arcillosa. Las gotas de lluvia azules caen de manera uniforme sobre ambos tipos de suelo y comienzan a penetrar su superficie. La lluvia penetra la marga arenosa hasta mayor profundidad, pero dentro de un canal vertical relativamente angosto. El patrón de penetración de la lluvia en la marga arcillosa es menos profundo y más amplio en sentido horizontal.

No obstante, el agua drena más lentamente de los suelos arcillosos que de los suelos arenosos. Esto implica que después de una serie de episodios de lluvia, los suelos arcillosos pueden permanecer saturados en el período entre las tormentas y, por lo tanto, pueden producir una mayor cantidad de escorrentía en los episodios de lluvia posteriores.

Perfil del suelo

Representación gráfica de las distintas características del perfil del suelo.

El perfil del suelo brinda información acerca de la profundidad hasta la roca madre y las discontinuidades existentes en las características del suelo como, por ejemplo, los cambios verticales en la permeabilidad y las propiedades del suelo.

La profundidad hasta la roca madre puede variar considerablemente, incluso en áreas pequeñas. En los valles fluviales con suelos fértiles, la roca madre puede encontrarse a más de 200 cm de profundidad. Por otra parte, existen lugares, como las regiones de montaña, donde la profundidad del suelo puede ser inferior a los 25 cm.

Ilustración del efecto de la profundidad de la roca madre en la escorrentía.

Por lo general se observa una mayor capacidad de absorber y almacenar el agua en las áreas donde el suelo es más profundo. Es también más probable que en estas áreas el interflujo sea mayor. En comparación, las áreas donde el suelo es poco profundo suelen saturarse más rápidamente y producir más escorrentía dadas las mismas condiciones de suelo y precipitación.

Ilustración del efecto de la existencia una capa poco permeable en el perfil del suelo para la escorrentía y el agua subterránea.

Otra característica importante del perfil del suelo es la presencia de capas impermeables o de baja permeabilidad en el perfil (que también se conocen como fragipanes). Por ejemplo, considere la situación que presenta una capa de arcilla y roca de baja permeabilidad debajo de una capa superficial de suelo arenoso. Si bien la lluvia o el agua de deshielo puede infiltrarse rápidamente en la capa arenosa superior, percolará lentamente a través de la capa impermeable del perfil. Esto puede intensificar la escorrentía y el interflujo en la zona. Ciertas áreas pueden contener capas minerales impermeables, como depósitos de carbonato de calcio.

Representación gráfica del caliche en el perfil de un suelo desértico.

Finalmente, la actividad biológica y química que tiene lugar en el suelo puede crear macroporos. Recuerde que estos conductos y espacios naturales aumentan tanto la velocidad como el volumen de agua que puede desplazarse en sentido vertical u horizontal por el perfil del suelo.

Animación de como la retroalimentación por transmisividad a través de las redes de macroporos puede intensificar la escorrentía de una tormenta debajo de la superficie del suelo.

Propiedades de la superficie

Agua que escurre de un estacionamiento.

Las propiedades de la superficie del suelo pueden ser el factor más importante que determina la escorrentía en algunos lugares. Si el agua no puede penetrar la superficie del suelo, las características del perfil del suelo subyacente carecen de importancia. Los materiales de superficie impermeables, la compactación del suelo, la deforestación y los incendios son algunos de los factores que influyen en la infiltración en el perfil del suelo.

Sección transversal que compara el efecto en la escorrentía de las superficies urbanas y los bosques naturales.

Cuando cubrimos el suelo con materiales impermeables, como el cemento y el asfalto, reducimos la cantidad de agua que puede infiltrarse en el suelo. Además, la compactación del suelo reduce las tasas de infiltración y percolación, así como la capacidad de almacenamiento de humedad del suelo. En términos generales, la actividad humana reduce la infiltración y el almacenamiento, y aumenta la escorrentía superficial.

Sección transversal que muestra el efecto de la deforestación en la escorrentía, el agua subterránea y el transporte de sedimentos.

La deforestación puede influir en la infiltración y la escorrentía. En ausencia de materia vegetal en la superficie, el agua se desplaza más rápidamente. Esto significa que el agua tiene menos tiempo para infiltrarse en el suelo. Además, es probable que la escorrentía de las zonas deforestadas contenga más sedimento. La carga de sedimentos puede ocupar espacio en el cauce fluvial que de otra forma estaría disponible para un aumento en el caudal. Como resultado, es más probable que en las zonas deforestadas se produzcan episodios de escorrentía más intensos que producen fuertes cargas de sedimentos hacia los cauces fluviales.

Los desagües en áreas quemadas presentan zonas de erosión y zonas de deposición. La deposición en esta foto ocurrió aguas abajo de la zona de erosión de la foto anterior.  Los árboles muestran los efectos de una inundación repentina, cuyos escombros los dejaron sin corteza hasta el nivel máximo alcanzado por el agua. El sedimento está constituido por arena gruesa y grava. En esta foto, que mira cuesta abajo, la mochila azul delante del árbol mide aproximadamente un metro de alto.  Foto tomada por John A. Moody.

La deforestación causada por los incendios puede acarrear consecuencias más graves para la escorrentía posterior. Además de los típicos problemas relacionados con la deforestación, los incendios pueden alterar la superficie del suelo y dejarla temporalmente hidrófoba, es decir, incapaz de absorber el agua. Esto ocurre especialmente en las pinedas, donde los aceites y las resinas de los árboles se vaporizan y se incorporan al suelo, creando una capa hidrófoba en o cerca de la superficie. A menudo, la gravedad de la escorrentía y de la carga de sedimentos se puede observar por la erosión de los troncos de los árboles y los depósitos aluviales que quedan después de la crecida.

Preguntas de repaso

Pregunta 1

En comparación con los suelos arenosos, los suelos arcillosos tienen mayores probabilidades de _____.
(Escoja todas las opciones pertinentes.)

Las respuestas correctas son b) y c).

Escoja una opción.

Pregunta 2

Es más probable que se produzca flujo superficial del exceso de infiltración durante una lluvia intensa en suelos _____.
(Escoja la mejor opción.)

La respuesta correcta es a).

Escoja una opción.

Pregunta 3

La saturación del perfil del suelo ocurre más rápidamente cuando hay _____.
(Escoja todas las opciones pertinentes.)

Las respuestas correctas son a) y c).

Escoja una opción.

Pregunta 4

Normalmente, la deforestación no resulta en _____.
(Escoja la mejor opción.)

La respuesta correcta es d).

Escoja una opción.

Conceptos de modelado

Representación de una cuenca con un modelo de datos agrupados, semidistribuidos y distribuidos.

Se han desarrollado varios modelos, desde los más simples hasta los muy complejos, para analizar y pronosticar los factores involucrados en la producción de escorrentía. El modelo específico que usted elija dependerá del tipo de información que necesite y del uso que se hará de los resultados.

La cantidad y los tipos de suposiciones empleadas en el modelo, los tipos de datos que se necesitan y el nivel de complejidad son factores importantes a la hora de elegir el modelo.

En esta sección aprenderá a:

  • comprender los conceptos básicos de modelado de escorrentía;
  • reconocer en qué situaciones es más apropiado un modelo complejo o simple;
  • describir el funcionamiento de un modelo agrupado;
  • describir el funcionamiento de un modelo semidistribuido;
  • describir el funcionamiento de un modelo distribuido, así como sus potenciales ventajas y limitaciones.
  • También veremos algunos ejemplos comunes de cada tipo de modelo.

Conceptos de modelado simple

A un nivel muy básico, un modelo simple de escorrentía de lluvia podría limitarse a calcular la cantidad de lluvia que escurre sobre una superficie sólida. Un buen ejemplo de esto es un estacionamiento con superficie de cemento o asfaltada. Como no hay ninguna zona de suelo desnudo, no hay infiltración. La cantidad de escorrentía generada por el estacionamiento equivale prácticamente a la cantidad de agua que precipita o, dicho de otra manera, la lluvia constituye la entrada y la escorrentía, la salida.

Método racional

Ilustración del enfoque del método racional

Una de las situaciones hidrológicas más fáciles de modelar es la escorrentía máxima de un área pequeña (menos de 80 hectáreas). El modelo racional utiliza la intensidad de la lluvia, el área y un factor de uso del suelo para estimar solo el caudal máximo. Observe que no hay ningún cálculo temporal asociado con el caudal máximo derivado con este método.

La ecuación del método racional es la siguiente:

Pico de escorrentía Q = C*I*A, donde:

  • C es un coeficiente de escorrentía adimensional por uso del suelo;
  • I es la intensidad media de la lluvia, que suele expresarse en mm por hora;
  • A es el área, que normalmente se da en hectáreas.
  • Este producto se debe multiplicar por un factor de conversión de 0,00278 para obtener el resultado en m3/s.

El valor del coeficiente C se obtiene consultando una tabla de los tipos de usos del suelo.

Tabla de tipo de uso del suelo para el método racional de modelado hidrológico.

El modelo racional se utiliza para calcular la escorrentía máxima en áreas pequeñas, como estacionamientos, terrenos cultivados o jardines públicos. Se utiliza principalmente en cuencas pequeñas en las cuales la cobertura de las superficies impermeables es un factor importante.

Este método no permite tener en cuenta la infiltración de forma adecuada.

Modelos complejos

Diagrama de los componentes generales de un sistema de modelado hidrológico complejo.

Mientras los modelos hidrológicos simples están limitados por suposiciones y cálculos, los modelos más complejos pueden representar mejor las distintas partes del ciclo hidrológico. Este diagrama nos permite apreciar la complejidad del espectro de factores naturales y humanos que los modelos hidrológicos pueden tomar en cuenta.

Este modelo en particular muestra las entradas de agua y su movimiento a través de un sistema hidrológico conceptualizado.

Modelos agrupados

Representación de una cuenca con el método de modelado agrupado.

El enfoque más básico para lograr un modelado complejo de la escorrentía de una cuenca es el método de «agrupación». Este tipo de modelo hidrológico considera una determinada área de drenaje como una sola unidad y emplea entradas hidrológicas y meteorológicas promediadas para toda la cuenca. La salida de un modelo agrupado suele ser un hidrograma para la salida de la cuenca.

Un ejemplo de un modelo agrupado que se utiliza en los Estados Unidos es el modelo Sacramento de humedad del suelo (SACramento-Soil Moisture Accounting, SACSMA), un modelo de representación constante agrupado en el espacio. Este modelo constante emplea como entradas los valores medios de precipitación de la cuenca, evaporación, temperatura, topografía de la cuenca y características del suelo. Entre las salidas se incluyen escorrentía directa, escorrentía superficial, caudal base, interflujo y evapotranspiración.

Por «constante» se entiende que las variables del modelo que representan la humedad del suelo se actualizan a diario. Esto permite crear una condición de humedad del suelo constante para el modelo.

El modelo SACSMA es ideal para simular las condiciones en cuencas de drenaje grandes, superiores a 1000 kilómetros cuadrados. Debido a que el modelo simula tanto la escorrentía producida por la tormenta como el caudal base, también resulta de utilidad para estimar los suministros hídricos. Este modelo puede utilizar otras entradas, como la ubicación de los accidentes importantes (por ejemplo: embalses, lagos y confluencias fluviales).

Tradicionalmente, debido a los métodos de recaudación de datos y a las limitaciones del software, el uso de los modelos agrupados ha sido casi obligatorio, y los modelos agrupados siguen siendo útiles para generar información de guía acerca de crecidas, ya que requieren menos datos de entrada y potencia computacional que los métodos más modernos. No obstante, gracias a la disponibilidad de nuevas tecnologías geoespaciales, los modelos agrupados están siendo suplantados por métodos que aprovechan la información espacial más detallada para examinar las cuencas a una escala más fina.

Modelos semidistribuidos

Representación de una cuenca con el método de modelado semidistribuido.

El modelado semidistribuido es una variante del método por agrupación que a veces se denomina pseudodistribuido. Para utilizar este enfoque, se subdivide la cuenca en las subcuencas de las cuales se compone. El caudal fluvial de cada una de estas subcuencas se calcula a partir de los niveles de escorrentía obtenidos por medio de los hidrogramas unitarios u otros métodos. A continuación, estos volúmenes de escorrentía se propagan río abajo para obtener un cálculo estimado del caudal en la salida de la cuenca más amplia.

El modelo URBS (Unified River Basin Simulator, es decir, simulador de cuencas fluviales unificadas) es un modelo semidistribuido de lluvia, escorrentía y tránsito de avenidas cuyo uso se ha difundido en buena parte de Australia, y se ha utilizado también en el valle del río Mekong y en investigaciones en todo el mundo. Los parámetros derivados y supuestos del modelo se establecen a nivel de subcuenca y los flujos se basan en caudales de entrada ponderados por el centro de masa. El modelo URBS se puede utilizar para eventos particulares mediante la entrada de la lluvia perdida en la cuenca o subcuenca antes de que se produzca la escorrentía, o bien se puede ejecutar en modo continuo y acoplar a un modelo de pérdida de escorrentía de un tercer fabricante.

El modelo HBV del Instituto Meteorológico e Hidrológico de Suecia (SMHI) es otro modelo continuo de uso difundido que se puede ejecutar como modelo agrupado o semidistribuido. Este modelo se ha utilizado en gran cantidad de estudios en todo el mundo y se puede aplicar a pronósticos de avenidas, simulaciones de crecidas de diseño y estimación de nutrientes.

Modelos distribuidos

Ejemplo de malla de datos distribuidos sobre una cuenca.

Un enfoque de modelado plenamente distribuido representa los procesos por medio de elementos de modelo discretos de alta resolución. Esto se puede realizar sobre una cuadrícula o malla, o bien mediante subcuencas, planos de flujo, redes irregulares trianguladas o unidades de respuesta hidrológica. Este enfoque permite generar predicciones detalladas en muchos puntos distintos en una cuenca. Para no complicar las cosas, utilizaremos el enfoque de celdas de malla para examinar el concepto de modelado distribuido.

En este enfoque, cada celda cuenta con parámetros que permiten llegar a estimaciones individuales del caudal. El caudal se puede calcular matemáticamente para cualquier punto en la cuadrícula. Una desventaja de los modelos distribuidos es la cantidad de datos de entrada adicionales que se requieren para cada celda. Cuando no se cuenta con estos datos, es preciso estimarlos de alguna manera, lo cual introduce un factor de incertidumbre.

Comparación de los datos de precipitación y escorrentía superficial distribuidos en la cuadrícula de una cuenca.

Esta figura muestra las cuadrículas de los datos de precipitación y escorrentía superficial de una cuenca. Como llovió muy poco en la zona superior de la cuenca, no hay respuesta de caudal en el punto A. Las zonas centrales de la cuenca registraron un poco de lluvia, provocando una leve respuesta de caudal en el punto B.

La lluvia más fuerte cayó en la zona inferior de la cuenca, la cual produce un caudal máximo considerable y rápido en el punto C.

Una simulación por agrupamiento de la situación en esta cuenca solo presentaría un promedio de los efectos para toda la cuenca y no solo subestimaría el caudal máximo en el punto C, sino que el momento de llegada del caudal máximo en el punto C se propagaría incorrectamente.

Sin embargo, el modelo distribuido es capaz de capturar la variabilidad espacial de la precipitación y producir una simulación más aceptable en el punto C, así como estimaciones del caudal en los puntos A y B.

Datos distribuidos que muestran la relación entre las celdas de la cuadrícula de una cuenca.

Esta figura muestra los vectores de flujo aguas abajo para cada celda de la cuadrícula. Los flujos se propagan de una celda a otra hasta la salida de la cuenca de acuerdo con parámetros y ecuaciones que se basan en la física.

Hay que tener presente que se trata de una estimación de la trayectoria del flujo. Podemos ver que al convertir la cuenca en una representación cuadriculada hemos dejado de lado algunas partes de la cuenca y hemos incluido zonas que en realidad quedan fuera de la misma.

El antiguo Danish Hydraulic Institute, un grupo internacional de consultoría sin fines de lucro que opera bajo el nombre DHI, ha desarrollado un conjunto de modelos capaces de simular varios procesos hidrológicos, según las necesidades. El modelo de lluvia y escorrentía MIKE 11 se puede ejecutar en diversas etapas de complejidad, según la necesidad del caso y los datos que estén disponibles. El modelo se puede ejecutar en un modo agrupado que simula solo el flujo superficial, el interflujo o el flujo base, o bien en un modo plenamente distribuido que simula la escorrentía, los caudales propagados con métodos hidrológicos e hidráulicos y otros procesos tales como el intercambio entre el río y el acuífero. También ofrece modos intermedios de lluvia-escorrentía que incluyen un paquete basado en eventos, así como un modo de balance de humedad del suelo y un modo semidistribuido. Estos y varios otros recursos de modelado hídrico de DHI son muy populares en todo el mundo, tanto para investigación como para pronósticos operativos. Encontrará más información al respecto en el sitio web de DHI: http://www.mikebydhi.com

La complejidad espacial y la popularidad de los modelos hidrológicos distribuidos está aumentando gracias al uso de tecnologías tales como el radar Doppler, el sistema de posicionamiento global (GPS, por sus siglas en inglés) y los sistemas de información geográfica (SIG) para crear conjuntos de datos cuadriculados georreferenciados.

Preguntas de repaso

Pregunta 1

Los modelos agrupados no pueden tener en cuenta los detalles de distribución de la lluvia y los accidentes topográficos de la cuenca.
(¿Verdadero o falso?)

La respuesta correcta es a).

Escoja una opción.

Pregunta 2

En comparación con los modelos agrupados, los modelos distribuidos _____.
(Escoja todas las opciones pertinentes.)

Las respuestas correctas son a) y d).

Escoja una opción.

Pregunta 3

Los modelos semidistribuidos pueden proporcionar más detalle acerca de la escorrentía potencial que los modelos agrupados porque _____.
(Escoja la mejor opción.)

La respuesta correcta es c).

Escoja una opción.

Pregunta 4

El método racional para estimar la escorrentía utiliza un coeficiente de uso del suelo denominado C que sería ____ para un centro comercial que para una zona arbolada.
(Escoja la mejor opción.)

La respuesta correcta es a).

Escoja una opción.

Resumen

Descripción general de la escorrentía

  • De acuerdo con una definición común, la escorrentía es aquella parte de la lluvia, del agua de deshielo y del agua de irrigación que en lugar de infiltrarse en el suelo se desplaza sobre la superficie del suelo, hacia el cauce fluvial.
    • Para ciertos fines, sin embargo, la definición de escorrentía también abarca el interflujo, el agua que llega al cauce fluvial con relativa rapidez justo debajo de la superficie.
  • La escorrentía es el aspecto más importante del proceso de predicción de crecidas.
  • Los tres procesos físicos del movimiento del agua del suelo son:
    1. la entrada o infiltración del agua en el suelo,
    2. la transmisión del agua dentro del suelo,
    3. el almacenamiento del agua como humedad del suelo.
  • Los siguientes son algunos términos importantes relacionados con la escorrentía:
    • cuenca: área que drena en un único sitio de la salida
    • caudal base: suministro de agua a largo plazo que mantiene el flujo en el cauce
    • infiltración: movimiento del agua hacia abajo a través de la superficie del suelo
    • percolación: movimiento del agua dentro del perfil del suelo
    • escorrentía superficial: movimiento del agua sobre la superficie del suelo hacia el cauce fluvial
    • interflujo: movimiento relativamente rápido del agua debajo de la superficie del suelo hacia el cauce fluvial
    • escorrentía: a veces se trata de escorrentía superficial, pero puede hacer referencia a la combinación de escorrentía superficial más interflujo
    • tasa de infiltración: cantidad de agua que puede penetrar el suelo en un período específico
    • capacidad de infiltración: límite superior de la tasa de infiltración
    • La escorrentía superficial equivale al índice de pluviosidad o la velocidad de deshielo menos la capacidad de infiltración.

Trayectorias de la escorrentía

  • Podemos identificar dos tipos de escorrentía superficial:
    • flujo superficial del exceso de infiltración (flujo hortoniano)
    • flujo superficial del exceso de saturación
  • El flujo superficial del exceso de infiltración se produce cuando el índice de pluviosidad excede la capacidad de infiltración y puede ocurrir incluso cuando el suelo está seco.
  • El flujo superficial del exceso de saturación se produce cuando el suelo está saturado y no queda espacio para que se infiltre más agua de lluvia o deshielo.
  • El interflujo es el flujo hacia el cauce fluvial que se produce debajo de la superficie y puede ser un componente importante de la escorrentía.
  • La retroalimentación por transmisividad ocurre cuando el interflujo activa una red de macroporos.
    • Los macroporos son espacios vacíos y conductos naturales del suelo formados por la actividad química y biológica que aumentan el interflujo.
  • El interflujo puede ser más intenso a lo largo de una superficie de contacto suelo-roca, especialmente si la roca madre está en pendiente.
    • Las capas de fragipán son áreas de roca o suelo de permeabilidad relativamente baja que pueden bloquear la percolación del agua y aumentar su movimiento en sentido horizontal.
  • Se producen crestas de agua subterránea cuando el agua de lluvia o deshielo superficial alcanza la capa freática más fácilmente en un área en particular, causando la formación de una cresta que puede aumentar el interflujo.
  • El agua existente antes del evento de precipitación es el agua que existe en el perfil del suelo cuando comienza la tormenta y es desplazada hacia el cauce fluvial por el agua que acaba de infiltrar en el suelo. Puede ser un factor muy importante que contribuye a la escorrentía como interflujo.

Propiedades de la cuenca

  • Dadas cuencas con características y coberturas de lluvia o agua de deshielo uniformes, la cuenca más grande producirá un mayor volumen de escorrentía.
  • Como es poco común que se produzca una cobertura uniforme, la escorrentía está determinada por la parte de la cuenca que recibe la precipitación, que se denomina área de aporte.
  • Si dos cuencas tienen la misma área pero formas distintas, la más larga y estrecha producirá un hidrograma con un caudal máximo menor y distribuido a lo largo de un período mayor en comparación con una cuenca más «ancha».
  • En comparación con un río sinuoso, un río que tiene un curso recto responderá más rápidamente y con un caudal máximo mayor.
  • En comparación con una cuenca relativamente llana, una cuenca muy empinada producirá una respuesta fluvial más rápida con un caudal máximo más alto.
  • En comparación con un cauce fluvial con una superficie rugosa (muchas piedras y vegetación), un cauce fluvial liso producirá una respuesta fluvial más rápida con un caudal máximo mayor.
  • La densidad fluvial es la longitud de todos los canales en una cuenca dividida por el área de la cuenca.
    • Una densidad de drenaje alta indica un cauce con numerosos tributarios y una escorrentía más rápida y más eficiente.
  • La urbanización suele aumentar tanto el volumen como la velocidad de la escorrentía.

Propiedades del suelo

  • La textura del suelo es un factor importante para prever la infiltración y el almacenamiento del agua y está determinada por el diámetro de las partículas del suelo.
  • Las partículas de arcilla tienen el diámetro más pequeño, seguidas por las del limo y de la arena; la arena tiene las partículas más grandes.
  • Los suelos arenosos permiten que el agua infiltre y el drene más rápidamente que los suelos arcillosos.
  • Los suelos arcillosos pueden contener un volumen de agua mayor que los suelos arenosos, pero debido a su menor tasa de infiltración, es más probable experimentar escorrentía durante una lluvia intensa sobre suelos arcillosos. La arcilla también permanece saturada durante más tiempo que la arena.
  • La profundidad hasta las capas impermeables como la roca madre o una capa de fragipán pueden influir en la cantidad de agua que la capa de suelo puede contener y en la rapidez con que se satura.
    • Normalmente, los suelos poco profundos se saturan más rápidamente.
  • Las características de la superficie son muy importantes para determinar el potencial de una escorrentía superficial rápida.
    • Urbanización: las superficies impermeables y compactadas aumentan la cantidad y velocidad de la escorrentía.
    • Deforestación e incendios forestales: la eliminación de la vegetación y los efectos del fuego en el suelo pueden aumentar la cantidad y velocidad de la escorrentía, así como la carga de sedimentos en la escorrentía, especialmente en las áreas empinadas, debido a la pérdida de vegetación y al aumento en la infiltración.

Conceptos de modelado

  • El método racional es un modelo simple de escorrentía que utiliza el coeficiente de escorrentía por uso del suelo C para contemplar las características de uso del suelo para cuencas pequeñas.
    • El valor de C varía de casi cero en las zonas rurales o de bosque a casi 1 en las zonas urbanas y los estacionamientos.
  • Los modelos agrupados son relativamente simples, ya que la cuenca se considera como una sola unidad.
    • Se utilizan entradas hidrológicas y meteorológicas promediadas para la cuenca.
  • Los modelos semidistribuidos subdividen la cuenca en una serie de subcuencas más pequeñas que las que consideran los modelos agrupados.
  • Los modelos distribuidos presentan los detalles de las características hidrológicas y meteorológicas representando las cuencas en una cuadrícula.
  • El enfoque de modelo distribuido:
    • es mucho mejor para representar la variabilidad de la respuesta hidrológica dentro de la cuenca;
    • es más realista para modelar las inundaciones repentinas;
    • requiere recursos computacionales más intensos que los modelos agrupados.

Colaboradores

Patrocinadores de COMET

The COMET® Program está patrocinado por el National Weather Service (NWS) de NOAA, con fondos adicionales de las siguientes organizaciones:

  • European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT)
  • Meteorological Service of Canada (MSC)
  • NOAA National Environmental Satellite, Data and Information Service (NESDIS)
  • Naval Meteorology and Oceanography Command (NMOC)

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Asesor científico principal

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Asesoramiento científico adicional

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Infografía/Diseño de interfaz

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Colaboradores de proyecto del Curso Básico de Hidrología original

Dirección del proyecto y diseño instruccional

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Asesores científicos principales

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Edición/producción de audio

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Narración

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Infografía/Diseño de interfaz

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  • Heidi Godsil — UCAR/COMET
  • Lon Goldstein — UCAR/COMET

Prueba de software/Garantía de calidad

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Administración de derechos de autor

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  • Gretchen Williams — Desarrolladora web
  • Tyler Winstead — Desarrollador web

Personal de COMET, otoño de 2010

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  • Christopher Weber, estudiante
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Diseño instruccional

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Redacción científica

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Traducción al español

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  • Brian Motta, Entrenamiento IFPS
  • Dr. Robert Rozumalski, Coordinador de SOO Science and Training Resource (SOO/STRC)
  • Ross Van Til, Meteorólogo
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Meteorólogo visitante del Servicio Meteorológico de Canadá (MSC)

  • Phil Chadwick

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