Fundamentos de Sistemas y Modelos Hidrológicos: Balance Hídrico y Cuencas

Sistemas y Modelos Hidrológicos

El Sistema Hidrológico

Los fenómenos hidrológicos son extremadamente complejos, por lo que nunca serán conocidos completamente. Sin embargo, a falta de una concepción perfecta, pueden ser representados de forma simplificada mediante el concepto de sistema, que es considerado como un conjunto de partes que interactúan como un todo. El ciclo hidrológico puede considerarse como un sistema con componentes que serían: precipitación, evaporación, escorrentía y los otros componentes del ciclo. Estos componentes pueden ser agrupados a su vez en subsistemas y, para analizar todo el sistema, los subsistemas pueden ser tratados por separado y los resultados combinados de acuerdo a las interacciones.

Modelos Hidrológicos

El objetivo del análisis de sistemas hidrológicos es estudiar la operación del sistema y predecir su salida. Un modelo del sistema hidrológico es una aproximación del sistema real; sus entradas y salidas son variables hidrológicas mensurables, y su estructura, un conjunto de ecuaciones o funciones de transferencia que transforman las variables de entrada en variables de salida. Una de las primeras clasificaciones agrupa a los modelos hidrológicos en dos categorías: Modelos Físicos y Modelos Matemáticos. Los primeros representan el sistema sobre una escala reducida, tal como los modelos hidráulicos; los segundos representan el sistema en forma matemática, mediante una serie de funciones que relacionan las variables de salida con las variables de entrada. La mayoría de los procesos hidrológicos son aleatorios y su magnitud varía con el tiempo y con el espacio, por lo que el desarrollo de un modelo con esas características es una tarea muy difícil y requiere de una simplificación, despreciando algunas fuentes de variación.

Balance Hídrico

Este sistema está constituido de una superficie plana inclinada, completamente impermeable, confinada en sus cuatro lados con una salida en el punto A. Si una entrada de lluvia es aplicada al sistema, una salida, designada como flujo superficial, se desarrollará en A. El balance de agua en este sistema puede ser representado por la siguiente ecuación hidrológica: I - O = dS / dt (1.1) donde I es la entrada por unidad de tiempo, O la salida por unidad de tiempo y dS/dt la variación del almacenamiento dentro del sistema por unidad de tiempo. Existe la necesidad de que una altura mínima sea acumulada en la superficie para que haya escorrentía superficial pero, a medida en que la intensidad de lluvia aumenta, la altura de agua retenida sobre la superficie aumenta. Una vez cesada la lluvia, el agua retenida sobre la superficie continuará fluyendo hasta dejar el sistema como caudal remanente. En este ejemplo, toda la precipitación será eventualmente transformada en caudal, siempre que sean despreciadas las pérdidas por evaporación durante la entrada. En la realidad, el balance hídrico en una cuenca hidrográfica no es tan simple como el modelo presentado; diversas pérdidas ocurren durante el proceso. Así como la evaporación que tiene lugar desde el momento en que se inicia la precipitación; luego que llega al suelo, el agua precipitada comienza a ser almacenada; como la superficie del suelo no es plana como en el modelo, ya que existen depresiones en el terreno, el agua allí acumulada eventualmente será evaporada o se infiltrará en el suelo; no obstante, alcanza los cursos de agua o se transforma en escorrentía, el agua continúa sufriendo el proceso de evaporación, y que deben, por lo tanto, ser consideradas. Considerando todos estos procesos, de una forma general, el balance hídrico en una cuenca hidrográfica puede ser visualizado en la Figura 1.7 y representado por las siguientes ecuaciones matemáticas:

Balance Hídrico en la superficie

P - R + R_g - E_s - T_s - I = S_s (1.2)

Balance Hídrico debajo de la superficie

I + G₁ - G₂ - R_g - E_g - T_g = S_g (1.3)

Balance Hídrico en la cuenca hidrográfica (suma de las ecuaciones 1.2 y 1.3)

P - R - (E_s + E_g ) - (T_s + T_g ) - (G₂ - G₁) = (S_s + S_g ) (1.4)

La Cuenca Hidrográfica

Generalidades

Entre las regiones hidrológicas de importancia práctica para los hidrólogos se destaca la cuenca hidrográfica o cuenca de drenaje, por la simplicidad que ofrecen en la aplicación del balance hídrico. Según Viessman, Harbaugh, Knapp (1977), la cuenca hidrográfica es toda el área drenada por un curso de agua o por un sistema de cursos de agua, cuyas aguas concurren a un punto de salida; en otras palabras, se puede decir que cuenca de drenaje es el área que contribuye a la escorrentía y que proporciona todo o parte del flujo del cauce principal y sus tributarios.

Las características físicas y funcionales de una cuenca hidrográfica pueden ser definidas como los diversos factores que determinan la naturaleza de la descarga de un curso de agua. El conocimiento de esas características es muy importante por las siguientes razones: a) para establecer comparaciones entre cuencas hidrográficas, b) para interpretar de forma clara los fenómenos pasados, c) para efectuar previsiones de descarga de un río. Estos factores, que determinan la naturaleza de descarga de los ríos, pueden ser agrupados en factores que dependen de las características físicas y de uso de la cuenca hidrográfica o factores fisiográficos y factores que dependen del clima, factores climáticos.

Características Físicas de la Cuenca

Límite de la Cuenca

Toda cuenca está limitada por una línea formada por los puntos de mayor nivel topográfico, llamada divisoria, que divide las precipitaciones que caen en cuencas vecinas y que encamina la escorrentía superficial resultante para uno u otro sistema fluvial. La divisoria sigue una línea rígida alrededor de la cuenca, atravesando el curso de agua solamente en el punto de salida y uniendo los puntos de cota máxima entre cuencas, lo que no impide que en el interior de una cuenca existan picos aislados con cotas superiores a algunos puntos de la divisoria.

El flujo de agua en una cuenca está compuesto del agua que alcanza los cauces luego de haber escurrido superficialmente, así como del agua que llega a los cauces después de haber recorrido caminos subsuperficiales y subterráneos. La superficie de una cuenca está delimitada por dos tipos de divisorias de agua: un divisor topográfico o superficial y un divisor freático o subterráneo. El divisor topográfico está condicionado por la topografía y define el área del cual proviene el agua superficial de la cuenca. La divisoria de aguas subterráneas es, en general, determinada por la estructura geológica del terreno, siendo muchas veces influenciada por la topografía. La divisoria freática establece, por lo tanto, los límites de los depósitos de agua subterránea de donde proviene el flujo base de la cuenca y difícilmente coinciden con el divisor topográfico. Debido a la dificultad de determinarse con exactitud la divisoria freática, dado que no es fijo, mudando de posición con las fluctuaciones de la napa, se acostumbra considerar que el área de la cuenca de drenaje es aquella determinada por el divisor topográfico. De este modo, el agua de precipitación que alcanza la superficie de una cuenca de drenaje, infiltrándose y escurriendo subterráneamente, cuando atraviesa el divisor topográfico de la cuenca constituye una fuga de agua de la cuenca donde ocurrió la precipitación.

Área de la Cuenca

El área de la cuenca o área de drenaje es el área plana (proyección horizontal) comprendida dentro del límite o divisoria de aguas. El área de la cuenca es el elemento básico para el cálculo de las otras características físicas y es determinado, normalmente, con planímetro y expresado en km² o hectáreas. Es importante mencionar que cuencas hidrográficas con el mismo área pueden tener comportamientos hidrológicos completamente distintos en función de los otros factores que intervienen.

Forma de la Cuenca

La forma superficial de una cuenca hidrográfica es importante debido a que influye en el valor del tiempo de concentración, definido como el tiempo necesario para que toda la cuenca contribuya al flujo en la sección en estudio, a partir del inicio de la lluvia o, en otras palabras, tiempo que tarda el agua, desde los límites de la cuenca, para llegar a la salida de la misma. En general, las cuencas hidrográficas de grandes ríos presentan la forma de una pera, pero las cuencas pequeñas varían mucho de forma, dependiendo de su estructura geológica.

Existen varios índices utilizados para determinar la forma de las cuencas, buscando relacionarlas con formas geométricas conocidas; así, el coeficiente de compacidad la relaciona con un círculo y el factor de forma con un rectángulo.