Hidrología

La hidrología es el estudio del movimiento, distribución y calidad del agua en todas las zonas de la Tierra, y se dedica tanto al ciclo hidrológico como a los recursos de agua. Los hidrólogos trabajan en ciencias ambientales o geológicas, geografía física, e ingeniería civil y ambiental.

Los dominios de la hidrología incluyen la hidrometeorología, la hidrología superficial, la hidrogeología, la administración del drenaje y la calidad del agua. La oceanografía y la meteorología no están incluidas porque en ellas el agua es sólo uno de muchos aspectos importantes.

La investigación hidrológica es útil en cuanto que nos permite entender mejor el mundo en el que vivimos, y también proporciona conocimientos para la ingeniería ambiental, política y planificación.

Historia de la hidrología

La hidrología ha sido objeto de investigación e ingeniería desde hace milenios. Por ejemplo, sobre el año 4000 a.C. el Nilo fue represado para mejorar la productividad agrícola de las tierras, que antes eran estériles. Las ciudades de Mesopotamia fueron protegidas de los desbordamientos con altas paredes de tierra. Los acueductos fueron construidos por los antiguos griegos y romanos, mientras que en China se construyeron obras para controlar las inundaciones y la irrigación. Los cingaleses usaron la hidrología para construir las complejas obras de irrigación de Sri Lanka, e inventaron válvulas que permitieron la construcción de grandes embalses, presas y canales que todavía funcionan.

Marcus Vitruvius, en el siglo I d.C., describió una teoría filosófica del ciclo hidrológico, en la cual se decía que la precipitación que cae en las montañas se infiltra en la superficie de la tierra y provoca corrientes y brotes en las tierras bajas.

Con la adopción de un acercamiento más científico, Leonardo da Vinci y Bernard Palissy alcanzaron de forma independiente una representación exacta del ciclo hidrológico. Hasta el siglo XVII no empezaron a cuantificarse las variables hidrológicas.

Los pioneros de la ciencia moderna de la hidrología fueron Pierre Perrault, Edme Mariotte y Edmund Halley. Midiendo la precipitación, la escorrentía y el área de drenaje, Perrault demostró que la precipitación era suficiente para explicar el flujo del Sena. Marriotte combinó la velocidad y las medidas de corte transversal del río para obtener la descarga, de nuevo en el Sena. Halley demostró que la evaporación del Mar Mediterráneo era suficiente para explicar la efusión de los ríos que fluyen al mar.

Los avances durante el siglo XVIII incluyeron el piezómetro de Bernoulli y la ecuación de Bernoulli (obtenidos por Daniel Bernoulli), así como el tubo de Pitot. En el siglo XIX se desarrolló la hidrología de agua subterránea, con la ley de Darcy, la fórmula de Dupuit-Thiem y la ecuación del flujo capilar de Hagen-Poiseuille.

Los análisis racionales comenzaron a sustituir al empirismo en el siglo XX, mientras que las agencias gubernamentales comenzaban sus propios programas de investigación hidrológicos. De particular importancia fue la unidad hidrográfica de Leroy Sherman, la teoría de la infiltración de Robert E. Horton y la prueba/ecuación de los acuíferos de C.V. Theis.

Desde los años 1950, el estudio de la hidrología ha tenido una base más teórica que en el pasado, gracias a los avances en el entendimiento físico de los procesos hidrológicos y por el uso de ordenadores y sistemas de información, sobre todo geográficos.

Ramas de la hidrología

* Hidrología química: estudio de las características químicas del agua.
* Ecohidrología: estudio de las interacciones entre los organismos vivos y el ciclo hidrológico.
* Hidrogeología: estudio de la presencia y movimiento del agua en acuíferos.
* Hidroinformática: adaptación de la tecnología de la información a la hidrología y sus aplicaciones a los recursos de agua.
* Hidrometeorología: estudio de la transferencia de agua y energía entre las superficies de tierra y agua y la atmósfera inferior.
* Hidrología de isótopos: estudio de las firmas isotópicas del agua.
* Hidrología superficial: estudio de los procesos hidrológicos que tienen lugar en la superficie de la Tierra o cerca de ella.

Campos relacionados

* Química acuática
* Ingeniería civil
* Climatología
* Ingeniería ambiental
* Geomorfología
* Hidrografía
* Ingeniería hidráulica
* Limnología
* Oceanografía
* Geografía física

Medidas hidrológicas

El movimiento del agua por la Tierra puede ser medido de varias formas. Esta información es importante tanto para la evaluación de los recursos de agua como para el entendimiento de los procesos implicados en el ciclo hidrológico. Lo siguiente es una lista de dispositivos usados por los hidrólogos y lo que miden:

* Disdrómetro - características de precipitación.
* Olla de evaporación de Symon - evaporación.
* Infiltrómetro - infiltración.
* Piezómetro - presión de agua subterránea y, por inferencia, profundidad del agua subterránea.
* Radar - propiedades de las nubes, estimación de la tasa de lluvia, y detección de nieve y granizo.
* Pluviómetro - lluvia y nevada.
* Satélite - identificación de áreas lluviosas, estimación de la tasa de lluvia, uso y cobertura de la tierra, humedad del suelo.
* Higrómetro - humedad.
* Corrientómetro - flujo de corriente.
* Tensiómetro - humedad de suelo.
* Reflectómetro de dominio temporal - humedad de suelo.
* Sonda de capacitancia - humedad del suelo.

Predicción hidrológica

Las observaciones de los procesos hidrológicos se usan para hacer predicciones sobre el futuro comportamiento de los sistemas hidrológicos (flujo de agua y calidad del agua). Uno de los principales intereses actuales en la investigación hidrológica es la Predicción en Cuencas No calibradas (BAR), es decir, en cuencas donde existen muy pocos datos o ninguno.

Hidrología estadística

Analizando las propiedades estadísticas de los archivos hidrológicos, como la precipitación o el flujo de un río, los hidrólogos pueden estimar los futuros fenómenos hidrológicos. Esto, sin embargo, asume que las características de los procesos permanecen sin alterar.

Estas estimaciones son importantes para ingenieros y economistas, de modo que pueda hacerse un análisis de riesgo apropiado para influir en las decisiones sobre inversión en la futura infraestructura y determinar las características de fiabilidad de la producción de sistemas de abastecimiento de agua. La información estadística se utiliza para formular reglas de operaciones para presas grandes que forman parte de sistemas que incluyen demandas agrícolas, industriales y residenciales.

Modelos hidrológicos

Los modelos hidrológicos son representaciones conceptuales simplificadas de una parte del ciclo hidrológico. Se usan principalmente para la predicción hidrológica y para entender los procesos hidrológicos. Hay dos tipos principales de modelos hidrológicos:

* Modelos basados en datos. Estos modelos son sistemas de caja negra, que usan conceptos matemáticos y estadísticos para asociar una determinada entrada (por ejemplo, precipitación) con un modelo de salida (por ejemplo, escorrentía). Las técnicas que suelen usarse son la regresión, funciones de transferencia, redes neurales e identificación de sistema. Estos modelos son conocidos como modelos de hidrología estocásticos.

* Modelos basados en descripciones del proceso. Estos modelos tratan de representar los procesos físicos observados en el mundo real. Contienen representaciones de escorrentía superficial, flujo subsuperficial, evapotranspiración y flujo de canal, pero pueden ser mucho más complicados. Estos modelos son conocidos como modelos hidrológicos deterministas. Pueden subdividirse en modelos de un solo evento y modelos de simulación continua.

La investigación reciente sobre modelos hidrológicos trata de tener un acercamiento más global para entender el comportamiento de los sistemas hidrológicos, de manera que se puedan obtener mejores predicciones y afrontar los principales desafíos en la administración de los recursos de agua.

Transporte hidrológico

El movimiento del agua es un medio significativo por el cual otros materiales, como el suelo o los contaminantes, son transportados de un lugar a otro. Desde los años 60, se han desarrollado modelos matemáticos bastante complejos, facilitados por la disponibilidad de ordenadores de alta velocidad. Las clases de contaminantes más comunes que se analizan son nutrientes, pesticidas, y sólidos y sedimentos disueltos.

Aplicaciones de la hidrología

* Determinación del equilibrio de agua de una región.
* Diseño de proyectos de restauración ribereños.
* Mitigación y predicción de inundaciones, desprendimiento de tierras y riesgo de sequía.
* Pronóstico de inundaciones en tiempo real y advertencias.
* Diseño de esquemas de irrigación y administración de la productividad agrícola.
* Parte del módulo de riesgo en modelado de catástrofes.
* Suministro de agua potable.
* Diseño de presas para abastecimiento de agua o generación de energía hidroeléctrica.
* Diseño de puentes.
* Diseño de alcantarillas y sistemas de drenaje urbano.
* Análisis del impacto de la humedad antecedente en sistemas de alcantarillado sanitarios.
* Predicción de cambios geomorfológicos, como erosión o sedimentación.
* Evaluación de los impactos de cambio ambiental natural y antropogénico en los recursos del agua.
* Evaluación del riesgo de transporte de contaminantes y establecimiento de pautas de política ambiental.

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