Hidrología

La hidrología (del griego ὕδωρ, hýdōr que significa "agua" y λόγος, lógos que significa "estudio") es el estudio científico del movimiento, la distribución y la gestión del agua en la Tierra y otros planetas, incluido el ciclo del agua, los recursos hídricos y el medio ambiente. sostenibilidad de la cuenca. Un practicante de hidrología se llama hidrólogo. Los hidrólogos son científicos que estudian ciencias ambientales o de la tierra, ingeniería civil o ambiental y geografía física. Usando varios 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.

La hidrología se subdivide en hidrología de aguas superficiales, hidrología de aguas subterráneas (hidrogeología) e hidrología marina. Los dominios de la hidrología incluyen la hidrometeorología, la hidrología superficial, la hidrogeología, la gestión de cuencas de drenaje y la calidad del agua, donde el agua juega un papel central.

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

La investigación hidrológica puede informar la ingeniería, la política y la planificación ambientales.

Sucursales

• La hidrología química es el estudio de las características químicas del agua.
• La ecohidrología es el estudio de las interacciones entre los organismos y el ciclo hidrológico.
• La hidrogeología es el estudio de la presencia y el movimiento de las aguas subterráneas.
• La hidrogeoquímica es el estudio de cómo el agua terrestre disuelve los minerales meteorizados y este efecto en la química del agua.
• La hidroinformática es la adaptación de la tecnología de la información a las aplicaciones de hidrología y recursos hídricos.
• La hidrometeorología es el estudio de la transferencia de agua y energía entre las superficies terrestres y de masas de agua y la atmósfera inferior.
• La hidrología isotópica es el estudio de las firmas isotópicas del agua.
• La hidrología superficial es el estudio de los procesos hidrológicos que operan en o cerca de la superficie de la Tierra.
• La gestión de cuencas de drenaje cubre el almacenamiento de agua, en forma de embalses, y la protección contra inundaciones.
• La calidad del agua incluye la química del agua en ríos y lagos, tanto de contaminantes como de solutos naturales.

Aplicaciones

• Cálculo de precipitaciones.
• Cálculo de la escorrentía superficial y la precipitación.
• Determinación del balance hídrico de una región.
• Determinación del balance hídrico agrícola.
• Diseño de proyectos de restauración ribereña.
• Mitigación y predicción del riesgo de inundaciones, deslizamientos y sequías.
• Pronóstico de inundaciones en tiempo real y alerta de inundaciones.
• Diseño de esquemas de riego y gestión de la productividad agrícola.
• Parte del módulo de amenazas en el modelado de catástrofes.
• Suministro de agua potable.
• Diseño de presas para abastecimiento de agua o generación de energía hidroeléctrica.
• Diseño de puentes.
• Diseño de alcantarillado y drenaje urbano.
• Analizar los impactos de la humedad antecedente en los sistemas de alcantarillado sanitario.
• Predecir cambios geomorfológicos, como erosión o sedimentación.
• Evaluar los impactos del cambio ambiental natural y antropogénico en los recursos hídricos.
• Evaluar el riesgo de transporte de contaminantes y establecer lineamientos de política ambiental.
• Estimación del potencial de recursos hídricos de las cuencas fluviales.

Historia

La hidrología ha sido objeto de investigación e ingeniería durante milenios. Por ejemplo, alrededor del año 4000 a. C. se construyó una represa en el Nilo para mejorar la productividad agrícola de las tierras previamente estériles. 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 muestra que los chinos construyeron obras de riego y control de inundaciones. Los antiguos cingaleses utilizaron la hidrología para construir complejas obras de riego en Sri Lanka, también conocidas por la invención del Valve Pit que permitió la construcción de grandes embalses, anicuts y canales que aún funcionan.

Marcus Vitruvius, en el siglo I aC, describió una teoría filosófica del ciclo hidrológico, en la que la precipitación que caía en las montañas se infiltraba en la superficie de la Tierra y conducía a arroyos y manantiales en las tierras bajas. 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 empezaron a cuantificar las variables hidrológicas.

Los pioneros de la ciencia moderna de la hidrología incluyen a Pierre Perrault, Edme Mariotte y Edmund Halley. Al medir la lluvia, la escorrentía y el área de drenaje, Perrault demostró que la lluvia era suficiente para explicar el flujo del Sena. Mariotte combinó mediciones de la velocidad y la sección transversal del río para obtener un valor de descarga, nuevamente en el Sena. Halley demostró que la evaporación del mar Mediterráneo era suficiente para explicar la salida de los ríos que desembocan en el mar.

Los avances en el 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 el desarrollo de 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 el 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 de los pozos.

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

Temas

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

Las áreas de investigación dentro de la hidrología se refieren al movimiento del agua entre sus diversos estados, o dentro de un estado determinado, o simplemente 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 para el conocimiento científico o para hacer una predicción en aplicaciones prácticas.

Agua subterránea

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

Infiltración

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

La humedad del suelo

La humedad del suelo se puede medir de varias maneras; por sonda de capacitancia, reflectómetro en el dominio del tiempo o tensiómetro. Otros métodos incluyen muestreo de solutos y métodos geofísicos.

Flujo de agua superficial

La hidrología considera la cuantificación del flujo de agua superficial y el transporte de solutos, aunque el tratamiento de los flujos en los grandes ríos a veces se considera como un tema distinto de la hidráulica o la hidrodinámica. El flujo de agua superficial puede incluir flujo tanto en canales de río 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 flujo (ver: descarga) y las técnicas de rastreo. Otros temas incluyen el transporte de productos químicos como parte de las aguas superficiales, 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 agua subterránea y 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 con el tiempo en cualquier lugar en particular, dependiendo de la relación entre la etapa del arroyo y niveles de agua subterránea.

Precipitación y evaporación

En algunas consideraciones, se piensa que la hidrología comienza en el límite entre la tierra y la atmósfera, por lo que es importante tener un conocimiento adecuado tanto de la precipitación como de la evaporación. La precipitación se puede medir de varias maneras: disdrómetro para las características de la precipitación en una escala de tiempo fina; radar para las propiedades de las nubes, estimación de la tasa 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/uso de la tierra 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 se puede medir con un psicrómetro de honda. También se ve afectado por la presencia de nieve, granizo y hielo y puede relacionarse con el rocío, la neblina y la niebla. La hidrología considera la evaporación de varias formas: desde la superficie del agua; como transpiración de superficies vegetales en ecosistemas naturales y agronómicos. La medición directa de la evaporación se puede obtener utilizando la bandeja de evaporación de Simon.

Los estudios detallados de la evaporación involucran consideraciones de la capa límite, así como presupuestos de cantidad de movimiento, flujo de calor y energía.

Sensores remotos

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

Calidad del agua

En hidrología, los estudios de la calidad del agua se refieren a compuestos orgánicos e inorgánicos, y tanto a material disuelto como sedimentado. Además, la calidad del agua se ve afectada por la interacción del oxígeno disuelto con la materia orgánica y las 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 y pueden incluir análisis microbiológicos.

Integración de la medición y el modelado

• Análisis de presupuesto
• Estimación de parámetros
• Escalado en el tiempo y el espacio
• asimilación de datos
• Control de calidad de los datos: véase, por ejemplo, análisis de doble masa

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). Una de las principales preocupaciones actuales en la investigación hidrológica es la "Predicción en cuencas no aforadas" (PUB), es decir, en cuencas donde no existen o existen muy pocos datos.

Hidrología estadística

Al analizar las propiedades estadísticas de los registros hidrológicos, como la lluvia o el caudal de los ríos, los hidrólogos pueden estimar fenómenos hidrológicos futuros. Al realizar evaluaciones de la frecuencia con la que ocurrirán eventos relativamente raros, los análisis se realizan en términos del período de retorno de tales eventos. Otras magnitudes 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 para 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

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

• Modelos basados ​​en datos. Estos modelos son sistemas de caja negra, que utilizan conceptos matemáticos y estadísticos para vincular una determinada entrada (por ejemplo, lluvia) con la salida del modelo (por ejemplo, escorrentía). Las técnicas comúnmente utilizadas son la regresión, las funciones de transferencia y la identificación del sistema. Los más simples de estos modelos pueden ser modelos lineales, pero es común implementar componentes no lineales para representar algunos aspectos generales de la respuesta de una cuenca sin profundizar en los procesos físicos reales involucrados. Un ejemplo de tal aspecto es el conocido comportamiento de que una cuenca responderá mucho más rápida y fuertemente cuando ya está húmeda que cuando está seca.
• Modelos basados ​​en descripciones de procesos. Estos modelos intentan representar los procesos físicos observados en el mundo real. Por lo general, estos modelos contienen representaciones de la escorrentía superficial, el flujo subterráneo, la evapotranspiración y el flujo del canal, pero pueden ser mucho más complicados. Dentro de esta categoría, los modelos se pueden dividir en conceptuales y deterministas. Los modelos conceptuales vinculan representaciones simplificadas de los procesos hidrológicos en un área, mientras que los modelos deterministas buscan resolver la mayor parte posible de la física de un sistema. Estos modelos se pueden subdividir en modelos de evento único y modelos de simulación continua.

Investigaciones recientes en modelado hidrológico intentan tener un enfoque más global para la comprensión del comportamiento de los sistemas hidrológicos para hacer mejores predicciones y enfrentar los principales desafíos en la gestión de los recursos hídricos.

Transporte

El movimiento del agua es un medio importante por el cual otros materiales, como suelo, grava, cantos rodados o contaminantes, se transportan de un lugar a otro. La entrada inicial a las aguas receptoras puede provenir de una descarga de fuente puntual o una fuente de línea o fuente 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

• Programa Hidrológico Internacional (PHI)

Organismos internacionales de investigación

• Instituto Internacional de Gestión del Agua (IWMI)
• Instituto UN-IHE Delft para la Educación sobre el Agua

Organismos nacionales de investigación

• Centro de Ecología e Hidrología – Reino Unido
• Centro de Ciencias del Agua, Universidad de Cranfield, Reino Unido
• eawag – investigación acuática, ETH Zürich, Suiza
• Instituto de Hidrología, Universidad Albert-Ludwigs de Freiburg, Alemania
• Servicio Geológico de los Estados Unidos - Recursos hídricos de los Estados Unidos
• Servicio Meteorológico Nacional de NOAA - Oficina de Desarrollo Hidrológico, EE. UU.
• Centro de Ingeniería Hidrológica del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU., EE. UU.
• Centro de Investigación Hidrológica, EE. UU.
• NOAA Economía y Ciencias Sociales, Estados Unidos
• Centro de Investigación de Riesgos y Desastres Naturales de la Universidad de Oklahoma, EE. UU.
• Centro Nacional de Investigación de Hidrología, Canadá
• Instituto Nacional de Hidrología, India

Sociedades nacionales e internacionales

• Instituto Americano de Hidrología (AIH)
• Sociedad Geológica de América (GSA) - División de Hidrogeología
• Unión Geofísica Americana (AGU) - Sección de Hidrología
• Asociación Nacional de Aguas Subterráneas (NGWA)
• Asociación Estadounidense de Recursos Hídricos
• Consorcio de Universidades para el Avance de la Ciencia Hidrológica, Inc. (CUAHSI)
• Asociación Internacional de Ciencias Hidrológicas (IAHS)
• Grupo de Trabajo de Estadística en Hidrología (subgrupo de IAHS)
• Sociedad Hidrológica Alemana (DHG: Deutsche Hydrologische Gesellschaft)
• Sociedad Hidrológica Italiana (SII-IHS) – http://www.sii-ihs.it
• Asociación Nórdica de Hidrología
• Sociedad Hidrológica Británica
• Sociedad Geográfica Rusa (Centro de Moscú) - Comisión de Hidrología
• Asociación Internacional de Hidrología Ambiental
• Asociación Internacional de Hidrogeólogos
• Sociedad de Hidrólogos y Meteorólogos – Nepal

Resúmenes de toda la cuenca y la cuenca de captación

• Iniciativa de Aguas Conectadas, Universidad de Nueva Gales del Sur: investigación y sensibilización sobre los problemas de las aguas subterráneas y los recursos hídricos en Australia
• Iniciativa de la Cuenca Murray Darling, Departamento de Medio Ambiente y Patrimonio, Australia