Eq 3 - Ensayo Balance Hidrico - 5CB

 

INSTITUTO TECNOLOGICO DE MERIDA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA CARRERA: INGENIERIA CIVIL ASIGNATURA: HIDROLOG HIDROLOGIA IA SUPERFICIAL

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Ensayo sobre balance hidrológico

Docente: BORGES CASTILLO IRENE ISABEL EQUIPO #3:

Canul Esquivel Estephani Diosselyne Metri Guevara Sindy Yaquelin Oxte Pérez pamela Liliana Oy Baas José Justino Sánchez Cauich María José Sánchez Perera José David Uicab Kantun Josué Eleazar  Mérida, Yucatán a 08 de septiembre 2020 Página 1 de 14

 

INTRODUCCION El agua es un recurso que forma parte de los ecosistemas naturales y es primordial para la conservación y supervivencia de la vida en nuestro planeta, sin ésta, muchos procesos  biológicos no serían posibles y animales, plantas y seres humanos tendríamos realmente complicado el sobrevivir. La tierra está compuesta en su mayoría por agua, y en promedio, todos los seres vivos tenemos un 70% de ella en el cuerpo, no solo la necesitamos para hidratarnos, sino que el  planeta también la necesita para regular ecosistemas terrestres y mantener un equilibrio  para la conservación animal y vegetal. Conocemos la importancia del agua y lo que pasaría si nos quedamos sin ella, sin embargo, todos los días hacemos cosas que la desperdician. desperdician. La escasez del agua ya puede notarse notarse en muchos lugares donde antes abundaba, sabemos que hay personas alrededor del mundo que no cuentan con el acceso a agua limpia para tomar y aun con todo esto, la población no para de crecer y las pocas reservas de agua se van agotando. Por todo lo anterior y para aumentar la eficacia del uso del agua, es necesario tomar  medidas en cuanto a la regulación de ésta. Aquí es donde entra el balance hidrológico; Este se basa en aplicar el principio de conservación de masas de agua, analiza la entrada y salida que hay de ésta en un territorio a lo largo del tiempo. En el cas casoo de un unaa cue cuenc ncaa hi hidro drogr gráfi áfica ca,, la lass en entr trad adas as de ag agua ua pu pued eden en da darse rse po porr la lass  precipitaciones, por las aguas subterráneas, entre otros, y las salidas de agua agu a pueden ser por  la evapotranspiración o evaporación, por ejemplo. La importancia del balance hidrológico entonces, radica en que nos permitirá determinar la oferta real del agua en determinada zona, lo que nos facilitará tener reservas de agua correctamente ejecutadas y así tener un mejor equilibrio entre lo que usamos y gastamos. En el presente ensayo entraremos más a fondo con el tema del balance hidrológico, dando a conocer sus puntos más importantes y relevantes.

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DEFINICIÓN El Balance Hídrico consiste en la aplicación del principio de la conservación de masa al conjunto de una cuenca o a una cierta parte de ella definida por unas determinadas condiciones de contorno. Durante un determinado período de tiempo en el que se realiza el  balance, la diferencia entre el total de entradas y el total de las salidas debe ser igual a la variación en el almacenamiento: ENTRADAS – SALIDAS = VARIACIÓN DEL ALMACENAMIENTO La realización de un balance requiere conocer y medir los flujos de entrada y salida de agua, así como el almacenamiento o Reserva. Los términos del balance suelen contener  errores de medida, interpretación, estimación y errores debidos a una metodología poco apropiada. Todos estos errores provocan que la ecuación del balance “no cierre” de forma exacta, produciéndose un error de cierre. Es habitual obtener un término del balance, difícil de medir o estimar por otros métodos, como el valor  que cierra el balance. Existen diferentes balances dependiendo de donde se realizan y cuya finalidad es distinta: 1. Balance de agua en el suelo edáfico o zona radicular para el cálculo de la escorrentía total o excedentes. 2. Balance de agua en un embalse para determinar  las aportaciones del río al embalse. 3. Balance de agua en un embalse para el cálculo de su efecto laminador sobre una avenida. 4. Balance en un tramo de un río entre dos estaciones de aforo con el propósito de determinar cómo se transmite una avenida y las pérdidas por infiltración a través del lecho del río. 5. La determinación de la Recarga a partir del balance en un acuífero entre dos fechas dadas en las cuales se conocen los restantes flujos de entrada y salida. Página 3 de 14

 

TIPO DE BALANCES DE AGUA Existen diferentes balances dependiendo de donde se realizan y cuya finalidad es distinta: 

Balance de agua en el suelo edáfico o zona radicular para el cálculo de la escorrentía total o excedentes.

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Balance de agua en un embalse para determinar las aportaciones del río al embalse.

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Balance de agua en un embalse para el cálculo de su efecto laminador sobre una avenida.

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Balance en un tramo de un río entre dos estaciones de aforo con el propósito de determinar cómo se transmite una avenida y las pérdidas por infiltración a través del lecho del río.

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La determinación de la Recarga a partir del balance en un acuífero entre dos fechas dadas en las cuales se conocen los restantes flujos de entrada y salida.

Hay que distinguir las dos característi caract erísticas cas esenci esenciales ales en un balance: balance: La pri prime mera ra de el elllas es su cará caráct cter  er  espacial, es decir la unidad de control sobre la que se va aplicar la ecuación de continuidad. contin uidad. La segunda característi característica ca es su ca cará ráct cter er te temp mpor oral al,, es de deci cirr la elección del período de tiempo en el cual se va a evaluar el balance. Para evaluar la variación de almacenamiento hay que identificar todas aquellas zonas en las que puede almacenarse agua como son: la superficie del terreno, la red de drenaje, el suelo edáfico, la zona no saturada y los acuíferos. Desde el punto de vista espacial, los balances pueden ser de dos tipos: globales, si se aplican al conjunto de toda la cuenca hidrográfica, incluyendo tanto las aguas superficiales como como las las agua aguass su subt bter errá ráne neas as,, o bi bien en pa parc rcia iale less si se re real aliz izan an en cu cual alqu quie iera ra de la lass componentes del Ciclo Hidrológico.

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El balance global es aquel que se realiza sobre el conjunto de toda la cuenca incluyendo tanto el agua que escurre superficialmente como el agua que queda almacenada en el terreno. Los bala balanc nces es pa parc rcia iale less  pueden realizarse en cualquier elemento físico del Ciclo Hidrológico, ya sea la fase superficial o subterránea.

BALANCES DE AGUA EN EL SUELO En es estte apar aparttad adoo se ex expo pond ndrá rá to toda da la in info form rmac aciión de la Escorr Escorrentía entía superfi superficial, cial,

Evapotranspira Evapotra nspiración ción e Infil Infiltración tración.. A continuación, se presenta un esquema del suelo edáfico con las componentes del Ciclo Hidrológico.

Para la estimación del balance del agua existe una ecuación básica, el cual se compone de los siguientes términos:  P− ¿− ES − ETR− PE= ∆ H 

Donde, P es la Precipitación, IN es la Interceptación, ES es la Escorrentía Superficial, ETR  la Evapotranspiración real, PE la Percolación a la zona vadosa y ∆H es la variación del contenido de humedad en un intervalo de tiempo.

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La ecuación del balance del agua debería incorporar el termino de Infiltración IF, así la expresión resulta:

(

)

 IF −  ETR + PE = ∆ H 

Con  IF = P −¿− ES

Su validez en las zonas áridas y semiáridas es discutible, casi siempre se aplican a zonas húmedas. Se cuantifica cada uno de los componentes del balance para cada uno de los periodos, se  parte de las condiciones iniciales de humedad conocida. En le caso c aso de considerarse el año hidrológico como unidad temporal, que engloba los periodos estacionales, el balance es  prácticamente nulo; es decir,  P− ¿− ES − ETR− PE ≈ 0

La variación de agua es nula, lo que implica el comienzo del año hidrológico siguiente se repiten las mismas condiciones iniciales de humedad en el suelo el año precedente. Por ejemplo, en España el Balance Hidrológico del año tiene los siguientes valores medios de los componentes: Precipitación media anual: 680 mm Evapotranspiración media anual: 480 mm Escorrentía superficial media anual: 160 mm Recarga media anual: 40 mm Se puede comprobar que la Precipitación es igual a la suma de la Evapotranspiración, Escorrentía superficial y la Recarga.

Humedad y Reservas de agua en el suelo

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El concepto de Reserva de agua Utilizable (RAU) se refiere a la cantidad de agua que  puede retener el suelo y que es sus susceptible ceptible a ser evapo evaporada rada o consumida por la vegetación. Las plantas necesitan, para vivir en su zona radicular exista oxigeno libre y por ello esta zona no debe de estar permanentemente saturada de agua. Para un suelo con una cantidad de campo de 0.32 (en volumen), punto de marchitez  permanente de 0.11 y con un espesor esp esor de 0.3m, el volumen se agua utilizable se calcula: Volumen de la zona radicular por unidad de superficie 1 m X  1 m X  0.3 m = 0.3

m m

3 2

Volumen utilizable o RAU: 0.3

 m

3 2

m

(

)

  x 0.32− 0.11 =0.063

 m

3

❑

m 2

=63 mm

Cálculo de la Evapotranspiración Real Se puede estimar aplicando fórmulas de Coutagne, de Becerril o Turc. En el caso de  periodos húmedos en los que q ue las Precipitaciones mas las Reservas existentes en el suelo son mayores que la Evapotranspiración potencial, la ETR coincide con ésta.

CÁLCULO DE BALANCES DE AGUA EN EL SUELO A continuación, se describe el proceso de cálculo del Balance Hidrológico en el suelo, para lo cual es necesario conocer los valores de la precipitación y la ETP. En este caso el  balance a realizar es mensual. Para la explicación del balance se va a explicar un ejemplo utilizando los datos de una estación termopluviométrica situada en una cuenca gallega, la estaci est ación ón ut util iliz izad adaa es de “Ara “Aranga nga la Rebor Reboric ica”, a”, cu cuyos yos va valo lores res medi medios os me mensu nsual ales es de Precipitación y ETP son los que se muestran en la Tabla 7.1. Página 7 de 14

 

Tabla 7.1. Precipitación Precipitación media mensual y ETP mensual (mm) para la estación de “Aranga la Reborica” en un año hidrológico genérico.

Se ha es esco cogi gido do la es esta taci ción ón te term rmop oplu luvi viom omét étri rica ca de “Ara “Arang ngaa la Rebo Rebori rica ca”” po porr se ser  r  representativa de la cuenca del río Mandeo y por ser una de las pocas de esta cuenca que  posee los datos necesarios para estimar la ETP por Thornthwaite. Para la realización del  balance hay que cono conocer cer el volumen de la reserva de agua utilizable. En este caso se van a suponer dos casos:

a) La Reserv Reservaa de Agua Uti Utilizab lizable le al comi comienzo enzo del año hidrol hidrológico ógico es com completa pleta y que el valor es de 50 mm. En este caso se supone que la Reserva es de 50 mm. En la Tabla 7.2 se muestra el balance. El valor en las casillas corresponde a los valores mensuales al final de los meses.

donde P es la precipitación media mensual, RAU es la Reserva de Agua Utilizable, VRU es la variación de la Reserva de Agua Utilizable, EXC son los excedentes (agua que formará parte de la Escorrentía Superficial y agua que percola a la zona no saturada) y DEF son los déficits. Durante el mes de octubre la precipitación es superior a la ETP (P > ETP), por lo que la difer di feren enci ciaa entr entree est estos os do doss va valo lores res serán serán ex exce ceden dente tess (E (Esco scorre rrent ntía ía Su Supe perfi rfici cial al más más Infiltración) y no hay, ni déficits ni variación de Reservas (VRU). En consecuencia, los valores de la ETR y la ETP coinciden ya que la ETP se puede conseguir entre la

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Precipitación y la Reserva de Agua Utilizable (existencia de suficiente agua en el terreno). Esta situación se repite hasta el mes de Junio, con sus distintos valores. En el mes de Julio la ETP también es superior a la Precipitación (41.5-108.89 = -67.39). Esta diferencia es cubierta en parte con el resto de agua que queda en la Reserva (25.84 mm). Aún así, no hay tanta agua para que se evapotranspi evapotranspire, re, por lo que se produce déficit (67.39 – 25.84 = 41.55 mm) y la Reserva de agua en el suelo queda nula. En consecuencia, la ETR no coincide con la ETP, solamente se puede evapotranspirar el agua que hay y no la potencialmente susceptible. La ETR será la suma de la Precipitación más la Reserva existente a principio de mes (41.5 + 25.84 = 67.34 mm). No hay excedentes y el déficit es la diferencia entre la ETP y la ETR. En el mes de Agosto también se cumple que la Precipitación es inferior a la ETP ya que 48.8 48.8 – 102. 102.88 = -5 -544 mm. mm. Pues Puesto to qu quee la lass Re Rese serv rvas as es está tánn ag agot otad adas as só sólo lo se po podr dráá evapotranspirar el agua de lluvia por lo que ETR = 48.8 mm En el mes de Septiembre las Precipitaciones vuelven a ser superiores a la ETP (P-ETP = 12.22 mm). Este exceso pasa a rellenar las Reservas del suelo. Dado que no se sobrepasa el valor de máxima reserva (50 mm) no se producen excedentes. Tampoco hay déficits y por  ello ETR = ETP. Analizando los datos globales se puede observar que los valores de ETP y ETR no son muy diferentes y que sólo en dos meses no se satisfacen las necesidades de la ETP, lo que confirma las características climáticas de la cuenca que se puede calificar de zona húmeda.

b) La Reser Reserva va al comie comienzo nzo del año hidr hidroló ológic gicoo está vacía. vacía. En los sig siguie uientes ntes cas casos os se desprecia la interceptación.

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Tabl Tablaa 7. 7.3. 3. Ba Bala lanc ncee Hi Hidro droló lógi gico co me mensu nsual al si sinn in inte terce rcept ptac ació ión. n. Rese Reserva rva in inic icia iall va vací cía. a.

Se puede comprobar que lo único que varía es, en este caso, el excedente que resultará 50 mm menor que en la Tabla 7.2, ya que de los 148.07 mm, 50 mm se quedan en el suelo en forma de Reserva. El resto (98.07 mm) constituiría el excedente (Percolación y Escorrentía Superficial).

Consideración de la Interceptación En el supuesto caso de que se considere la Interceptación, el balance cambiaría al detraer la cantidad de ésta de la precipitación. Generalmente, desde el punto de vista práctico, se suele estimar como un porcentaje (o un tanto por uno) de la precipitación, tal y como se definió en un capítulo anterior: IN = α ⋅ P donde α es un valor comprendido entre 0 y 1. En el ejemplo que está sirviendo de referencia se ha utilizado un α de 0.15, acorde con las características de la cuenca del Mandeo y que aluden a la cobertera vegetal y que son las que determinan el valor de ese coeficiente. Los resultados del balance se muestran en la Tabla 7.4. En dicho balance se ha supuesto que al inicio del año hidrológico la Reserva está llena.

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Tabla 7.4. Balance Hidrológico mensual considerando Interceptación. Reserva inicial llena.

El valor de la Interceptación afecta en el valor de los excedentes totales disminuyendo en 222.45 mm (1192.7 - 970.25), comparando las Tablas 7.2 y 7.4. Por otra parte, el déficit total aumenta y la ETR disminuye, ya que el agua interceptada no está incluida en la evapotranspirada. Se supone que el agua interceptada queda retenida en las plantas sin que se evapore.   Para elaborar la Tabla 7.4 hay que tener en cuenta que al agua precipitada hay que sust sustrae raerl rlee la inte interce rcept ptad ada; a; y, una ve vezz así, así, se de detr trae ae la ETP. ETP. El dé défi fici citt se ca calc lcul ulará ará  precisamente a partir del agua posible que se puede evapotranspirar (P-IN) y la  potencialmente factible (ETP) ( ETP) cuando P – IIN N – Reservas Res ervas < ETP. Por ejemplo, e jemplo, en el mes de Julio de la Tabla 7.4, el déficit será:  Def = P-IN-ETP-RAU = 73.62 – 14.15 = 59.47 mm en valor absoluto Con el propósito de ilustrar la sensibilidad de los resultados del balance al valor de la Reserva útil, se han rehecho los cálculos de la Tabla 7.2, teniendo en cuenta una Reserva máxima de 100 mm en lugar de 50 mm. En la Tabla 7.5 se muestran los resultados.

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Tabl Tablaa 7. 7.5. 5. Ba Bala lance nce Hi Hidro droló lógi gico co me mensu nsual al si sinn in inte terc rcep epta taci ción ón.. Reser Reserva va de 10 1000 mm, mm, inicialmente

llena

Los resultados básicamente coinciden con los de la Tabla 7.2 excepto que el déficit disminuye en 50 mm (incremento de la RAU = 100 – 50 = 50 mm) y la ETR aumenta en 50 mm ( de 578.62 a 628.62 mm). Por otra parte, los excedentes no cambian para este caso  particular, se mantiene su valor total de 1192.7 mm.

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CONCLUSIÓN Como bien sabemos el agua es vital para la supervivencia de los seres vivos (plantas, animales, la raza humana) y por más vital que sea nos hemos empeñado en contaminarla hasta más no poder, probablemente es por falta de cultura que el ser humano tiende a desperdiciar de la manera más descarada uno de los recursos que más necesita para subsistir. Y es que lo cierto es que muy difíci dif ícilme lmente nte nos que quedem demos os sin agua, casi imposible es que un día el agua se pueda acabar, sin emba em barg rgo, o, en nu nues estr troo tr trab abaj ajoo como

ingenieros

debemos

considerar que es imposible no causar daño al ambiente, pero sí con una correct correctaa utilizaci utilización ón de recursos, estudios estudios necesarios al suelo podemos aminorar el daño tanto al medio ambiente como a la estructura la cual en un momento dado podría verse afectada por el agua. El rec recurso urso híd hídric rico, o, está está sie siendo ndo alt altame amente nte afecta afectado do por la intensa intensa activi actividad dad humana humana,, agravando cada vez más su disponibilidad (cantidad y calidad). Estos factores de presión son fund fundame amenta ntalme lmente nte la sobreex sobreexplo plotac tación ión de acu acuífe íferos, ros, el vertimi vertimient entoo de sustanci sustancias as contaminantes a los cuerpos de agua, los cambios en el uso del suelo tales como la deforestación, las prácticas agrícolas inadecuadas, el incremento de urbanizaciones en zonas de producción hídrica, entre otros. Es momento de que como ingenieros propongamos medidas que impliquen la correcta utilización utili zación de este recurso, tener conocimi conocimiento ento en hidrología hidrología nos permitirá concie concientiza ntizar  r  sobre el cuidado de nuestro medio para garantizar acciones con las que lograremos conservar los cuerpos de agua y así tener un balance hidrológico adecuado.

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REFERENCIAS Arreol Arr eola a Muñoz, Muñoz, A. (s/f) (s/f) El Man Manejo ejo int integr egral al de cuenca cuencas: s: lim limita itacio ciones nes de una políca políca sectorial para la gesón territorial del agua. Instuto para el Desarrollo Sustentable en Mesoamérica, A.C. (IDESMAC) Pladey Pla deyra ra 2003. 2003. Paisaj Paisajes es hidrol hidrológi ógicos cos y balanc balance e híd hídric rico o de la cuenca cuenca Lerma Lerma Chapal Chapala, a, México.

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