ESCURRIMIENTO

 

La expresión escurrimiento superficial suele referirse al volumen de las precipitaciones que caen sobre una cuenca, menos la retención superficial y la infiltración. El escurrimiento superficial o directo es función de la intensidad de la precipitación y de la permeabilidad de la superficie del suelo, de la duración de la precipitación, del tipo de vegetación, de la extensión de la cuenca hidrográfica considerada, de la profundidad del nivel freático y de la pendiente de la superficie del suelo.

 

La aportación de una cuenca se representa comúnmente en una gráfica llamada "hidrograma", que consiste en una curva que representa las oscilaciones, respecto el tiempo, del nivel del agua de un río en una sección dada del mismo. En el caso de un río con un tiempo de descarga muy largo, los caudales que por él circulan al cabo de un tiempo, son el resultado de la acumulación del escurrimiento superficial con la aportación subterránea.

 

Ciclo del escurrimiento

El estudio del escurrimiento de los ríos como parte del ciclo hidrológico, incluye la distribución del agua y su trayectoria desde que se precipita sobre la tierra hasta que alcanza la red hidrográfica o vuelve directamente a la atmósfera a través de la evapotranspiración. La distribución del volumen total de agua caída durante una precipitación dada, depende tanto de las características y condiciones físicas -naturales o artificiales- de la cuenca, como de las características de la propia precipitación.

 

Al comienzo de una precipitación fuerte, una gran cantidad de agua es interceptada por la vegetación; el agua así almacenada sobre la superficie de la capa vegetal se encuentra muy expuesta al viento y ofrece una enorme área de evaporación, de tal forma que las precipitaciones de corta duración y poca intensidad pueden llegar a ser completamente consumidas por la intercepción de las plantas, por la pequeña cantidad de agua que se infiltra a través del suelo y por el agua que llena los charcos y pequeñas depresiones de la superficie del suelo.

 

Para que el agua llegue a infiltrarse, la superficie del suelo debe presentar una serie de condiciones adecuadas. Cuando a lo largo de una precipitación, el poder de intercepción y de almacenamiento en la superficie del suelo han sido ya agotados, y cuando la precipitación es tal que su intensidad excede la capacidad de infiltración del suelo, comienza ya el escurrimiento superficial propiamente dicho. La superficie del suelo se cubre en ese momento con una fina película de agua llamada película de retención superficial. Una vez que el agua corre sobre la superficie del suelo y alcanza los cauces de la red hidrográfica, comienza a aparecer el escurrimiento superficial en los cauces (Figura 1).

 

Figura 1. Tipos de escurrimiento o escorrentía

 

Parte del agua que se infiltra en el suelo continúa fluyendo lateralmente como un flujo hipodérmico, que tiene lugar a pequeñas profundidades debido a la presencia de horizontes relativamente impermeables situados muy cerca de la superficie del suelo, avanzando de este modo los cauces de la red sin haber sufrido una percolación profunda. Otra parte de esta agua se percola hacia la zona de saturación de las aguas subterráneas y eventualmente, alcanza la red hidrográfica para suministrar el escurrimiento base de los ríos. Existe todavía otra porción del agua infiltrada, que no llega a alcanzar el nivel de saturación de las aguas subterráneas y queda retenida encima del nivel freático, ésta es la llamada zona de saturación incompleta.

 

Figura 2. Descomposición de la aportación de una lluvia de intensidad uniforme

 

La Figura 2, representa gráficamente la contribución que ejerce al caudal de los ríos una precipitación de intensidad moderada y constante. Cuando comienza una precipitación, casi toda el agua de la lluvia es recogida por la tierra en forma de retención superficial (intercepción + almacenamiento superficie suelo + evaporación); a medida que el tiempo transcurre, el almacenamiento que tiene lugar sobre la capa vegetal y la superficie del suelo se va saturando progresivamente y el agua comienza a infiltrarse a través del suelo; finalmente, aparece el flujo superficial que corre sobre la superficie del terreno, comenzando con ello a hacer presencia el escurrimiento puramente superficial en el caudal de los ríos. Existe además una porción de lluvia que desde el primer momento cae directamente sobre los cauces de los ríos y circula por ellos sin haber corrido previamente sobre la superficie del suelo; esta porción puede a veces aparecer claramente individualizada en el hidrograma general de la crecida.

 

Ríos que ganan o ceden agua al acuífero

El río o arroyo típico de una región húmeda recibe agua del nivel freático. Este es un río efluente o que gana agua (Figura 3A). En las regiones áridas, muchos ríos llevan bastante agua en las partes altas. A medida que llegan a una elevación más baja, su cauce decrece debido a una menor precipitación, lo que provoca un descenso en el nivel freático, hasta el punto en que el río cede agua al acuífero, y se llama río influente (Figura 3B). Algunos ríos pueden ser de ambos tipos, cediendo agua en épocas de sequía y recibiéndola en tiempos de lluvia (Figura 3C).

 

Figura 3. Tipos de ríos: A) Efluente, B) Influente, C) Efluente en período de lluvia e influente en época de sequía

 

 

Aforo

Para determinar el volumen que escurre por una cuenca, se deben aforar o medir las corrientes. Los aforos se realizan en estaciones hidrométricas (en puentes de aforo y usando molinete) o se puede medir la corriente de cualquier río de manera individual. Estos aforos se hacen a través de cierto intervalo de tiempo (horas, días, etc), con cuyos datos se construyen gráficas de gasto (m3/s) contra tiempo (h), llamadas hidrogramas.

 

En México se usan básicamente tres tipos de métodos para aforar corrientes, a saber:

 

 Secciones de control. Una sección de control de una corriente se define como aquélla en la que existe una relación entre el tirante y el gasto. Consiste de una obra hidráulica o vertedor construido especialmente para aforar una corriente. Este método es el más preciso de todos para el aforo, pero es relativamente costoso y en general, sólo se puede usar cuando los gastos no son muy altos. En el caso de estrechamientos en el cauce, deberá restringirse el transporte de objetos arrastrados por la corriente ya que la sección puede obstruirse. Un inconveniente de los vertedores es que generan un remanso aguas arriba de la sección. Por ello, este método es adecuado en ríos pequeños, cauces artificiales (como canales de riego) o cuencas experimentales.

 

  Relación sección-pendiente. Este método se utiliza para estimar el gasto máximo que se presenta durante una avenida reciente en un río donde no se cuenta con ningún otro tipo de aforo. Para su aplicación se requiere solamente contar con la topografía de un tramo del cauce y las marcas del nivel máximo del agua durante el paso de la avenida (obtenidas con estadal o de escalas dibujadas en las orillas del canal).

 

  Relación sección-velocidad. Este es el método más usado en México para aforar corrientes. Consiste básicamente en medir la velocidad en varios puntos de la sección transversal y después calcular el gasto por medio de la ecuación de continuidad Q = v A (A = área hidráulica). Dentro de este método, existen varias maneras para obtener la velocidad del agua:

 

a)      Flotador. Se escoge un tramo recto del río, libre de vegetación o cualquier otro obstáculo que pueda interrumpir el flujo. Se coloca un objeto que flote sobre el agua, a la mitad del tramo. Se mide el tiempo (s) que tarda en recorrer una distancia determinada (m). La velocidad (m/s) estará dada por el cociente entre distancia y tiempo. Este método aunque barato y fácil de usar, es inexacto porque se está midiendo la velocidad en la superficie de la corriente y de acuerdo a la parábola de velocidades del agua, ésta es la más grande y no corresponde a la velocidad media del río o canal.

 

b)      Molinete. Este método es más exacto para medir la velocidad media de un río. Consiste en introducir un aparato especialmente diseñado, que se llama molinete (Figura 4), el cual tiene una hélice o rueda de aspas o copas que gira impulsada por la corriente y mediante un mecanismo eléctrico, transmite por un cable el número de revoluciones por minuto o por segundo con que gira la hélice. Esta velocidad angular se traduce después a velocidad del agua usando una fórmula de calibración que previamente se determina para cada aparato en particular.

 

Figura 4. Fotografía mostrando un molinete y cómo se introduce a un río

 

 

Para obtener la velocidad media de un río o canal utilizando el molinete, se escoge una sección transversal al flujo, la cual se divide en secciones o tramos iguales (m). Se introduce el molinete en cada tramo, a los 6/10 de la profundidad media del tramo, que de acuerdo a la parábola de velocidades, es donde se ubica la velocidad media (m/s). Se obtiene la velocidad en cada sección. Es necesario también, conocer el área de cada tramo o sección, por lo que se introduce un estadal en el punto medio de cada sección, obteniéndose la profundidad media (m). Esta se multiplica por el ancho de cada sección (m), dando el área (m2) del rectángulo o tramo. Finalmente, se obtiene el producto de la velocidad (m/s) por el área (m2) dando el gasto (m3/s) de cada sección. La velocidad media se obtiene del cociente entre la sumatoria de todos los gastos y las áreas unitarias de cada sección.

 

c)      Trazador químico o radioactivo. Este es un método indirecto para obtener la velocidad de una corriente y utiliza trazadores radioactivos (fluoricerinas) o químicos (sales de sodio, cromo o potasio). El procedimiento consiste en soltar una cantidad conocida de partículas fluorescentes, radiactivas, etc, al inicio de una sección recta del río previamente seleccionada, para medir el tiempo que tarda en llegar al final de dicha sección. Esto se puede hacer visualmente, con contadores de radioactividad, salinidad o cualquier otro aparato, dependiendo del tipo de partículas usadas. Este y otros métodos aún se encuentran en la etapa de experimentación y su uso todavía está limitado en la práctica.

 

La fórmula usada en el tramo de un río es:

 

Q = [ ( K - K' ) / K' ] q

Donde:

Q = gasto del río (m3/s)

q = gasto de la solución que se inyecta (m3/s)

K = concentración de la solución inyectada

K' = concentración de la solución observada al final del tramo del río

 

Hidrograma de escurrimiento

Es una gráfica que nos muestra la descarga, caudal o gasto de un río en función del tiempo. Durante un período de sequía la descarga estará compuesta enteramente de contribuciones subterráneas, como se observa en la Figura 5. A medida que el río o arroyo drena agua de la reserva subterránea, el nivel freático decae, dejando cada vez menos agua para alimentarlo. Si no hay una recarga del agua subterránea, el escurrimiento será cero.

 

Figura 5. Hidrograma mostrando la recesión del flujo base en estación de verano seco

 

El escurrimiento va a depender de la topografía, el clima, la geología y el tipo de suelo. El flujo base del escurrimiento decrece en un período de sequía debido a que el agua subterránea se drena hacia el río o arroyo, y así el nivel freático desciende (Figura 5).

 

La recesión del flujo base es igual a:

 

Q = Q0 e at

Donde:

Q = flujo al mismo tiempo t después de que la recesión empezó (ft3/s o m3/s)

Q0 = flujo al inicio de la recesión (ft3/s o m3/s)

a = constante de recesión para la cuenca ( d-1)

t = tiempo desde que la recesión empieza (d)

 

Partes de un hidrograma

Si se mide el gasto (volumen de escurrimiento por unidad de tiempo; m3/s) que pasa de manera contínua durante todo un año por una determinada sección transversal de un río y se grafican los valores obtenidos contra el tiempo, se obtendría una gráfica como la de la Figura 6.

 

Figura 6. Partes de un hidrograma

 

 

Aunque la forma de los hidrogramas producidos por tormentas particulares varía no solo de cuenca a cuenca, sino también de tormenta a tormenta, es posible, en general distinguir las siguientes partes en cada hidrograma (Figura 6):

 

a)      Punto de levantamiento. En este punto, el agua proveniente de la tormenta bajo análisis comienza a llegar a la salida de la cuenca y se produce inmediatamente después de iniciada la tormenta, durante la misma o incluso cuando ha transcurrido ya algún tiempo después de que cesó de llover. Su forma depende de varios factores, entre los que se pueden mencionar el tamaño de la cuenca, su sistema de drenaje, tipo de suelo, la intensidad y duración de la lluvia, etc.

b)      Gasto pico. Es el gasto máximo que se produce por la tormenta. Con frecuencia es el punto más importante de un hidrograma para fines de diseño.

c)      Punto de inflexión. En este punto es aproximadamente cuando termina el flujo sobre el terreno y de aquí en adelante, lo que queda de agua en la cuenca escurre por los canales y subterráneamente como escurrimiento base.

d)      Final del escurrimiento directo. De este punto en adelante el escurrimiento es sólo de origen subterráneo. Normalmente se acepta como el punto de mayor curvatura de la curva de recesión, aunque pocas veces se distingue de fácil manera.

e)      Tiempo de pico (Tp). Es el tiempo que transcurre desde el punto de levantamiento hasta el pico del hidrograma.

f)        Tiempo base (Tb). Es el tiempo que transcurre desde el punto de levantamiento hasta el final del escurrimiento directo. Es, entonces el tiempo que dura el escurrimiento directo.

g)      Rama ascendente. Es la parte del hidrograma que va desde el punto de levantamiento hasta el pico.

h)      Rama descendente o curva de recesión. Es la parte del hidrograma que va desde el pico hasta el final del escurrimiento directo. Tomada a partir del punto de inflexión, es una curva de vaciado de la cuenca.

 

El tiempo de un hidrograma aislado puede ser desde algunos minutos hasta varios días, y el pico puede tener valores del orden de unos cuantos litros por segundo hasta miles de metros cúbicos por segundo.

El área bajo el hidrograma,  es el volumen total escurrido; el área bajo el hidrograma y arriba de la línea de separación entre el gasto base y directo, , es el volumen de escurrimiento directo.

 

Debido a que el escurrimiento directo proviene de la precipitación, casi siempre aporta un componente del gasto total en un hidrograma mucho mayor que el que genera el escurrimiento base.

 

Análisis de hidrogramas

A pesar de que el flujo base de un arroyo o río es relativamente constante, la descarga total del escurrimiento fluctúa grandemente en el año. Esto se debe a los períodos de precipitación que contribuyen al flujo, interflujo y la precipitación directa sobre el cauce del río o arroyo. Para la mayoría de las cuencas de drenaje, la precipitación directa contribuye muy poco al cauce. El interflujo es un factor que puede ser altamente variable, dependiendo de la geología de la cuenca de drenaje. El factor principal en un hidrograma de tormenta es el flujo superficial, que se asume termina aproximadamente poco después del pico de la tormenta. Puede calcularse aproximadamente con la fórmula:

 

D = A0.2

Donde:

D = número de días entre el pico de la tormenta y el fin del flujo superficial

A = cuenca de drenaje (km2)

 

O:

D = 0.827 A0.2

 

Note que estas ecuaciones son empíricas y son dimensionalmente incorrectas. El valor exponencial de 0.2 es arbitrario. La cantidad obtenida con D va a depender de muchas características, como la pendiente, vegetación, densidad de drenaje, etc.

 

 

Ejemplo: Calcular la velocidad media de un río

 

Se tiene una sección transversal de un río, cuyo ancho es de 28 m. La sección se subdividió en 14 secciones y en cada una de ellas se midió en el campo, la velocidad del agua con un molinete. Los datos se consigan en la tabla siguiente. Calcule la velocidad media de toda la sección.

 

 

 

Coeficiente de escurrimiento

Otra manera de conocer el volumen de escurrimiento superficial que entra a una cuenca, es calcular el coeficiente de escurrimiento. Para ello, el INEGI (1993) propone una método que toma en cuenta la permeabilidad de rocas y suelos, la densidad de la cubierta vegetal y la variación espacial de la lluvia.

 

Según el método usado, la intersección de la permeabilidad de los suelos y la densidad de la cubierta vegetal, da un valor de K (Figura 7). Este valor se lleva a la gráfica para determinar el coeficiente de escurrimiento que se obtiene de la intersección del valor de K con la precipitación media anual previamente calculada para la cuenca en estudio (Figura 8).

 

Figura 7. Relación Permeabilidad-Densidad de vegetación

 

Figura 8. Gráfica para determinar el coeficiente de escurrimiento

 

 

Se pueden obtener varios coeficientes de escurrimiento para una cuenca, dependiendo si tiene áreas de montañas o valles, lo que produce un coeficiente de escurrimiento mínimo (valle) y uno máximo (sierra). Para ello aplica la fórmula:

 

C = [( As * Cs ) + ( Av * Cv ) ] / Ac

Donde:

C = coeficiente de escurrimiento promedio del área analizada (%)

As = área de sierras (km2)

Cs = coeficiente de escurrimiento de sierras (%)

Av = área de valles (km2)

Cv = coeficiente de escurrimiento de valles (%)

Para obtener el volumen escurrido total, se sustituyen los valores en la ecuación:

 

Ve = [ ( Pp ) ( Ac ) ( C ) ] / 1000

Donde:

Ve = volumen escurrido para el área (m3)

Pp = precipitación media (mm)

Ac = área de la cuenca (km2)

C = coeficiente de escurrimiento promedio del área analizada (%)

 

Estudio de caso: Cuenca del Río Mátape

 

La precipitación media para la Cuenca del Río Mátape, ubicada en la porción costera del Estado de Sonora, México, fue calculada en 250 mm anuales. Obtener el coeficiente de escurrimiento y el volumen de escurrimiento anual.

 

Procedimiento:

*       Dividir la cuenca en tres áreas, siendo la A1 y A3 los límites de la cuenca con zona montañosa y correspondiendo a la A2 la zona baja o del valle (Figura 9)

*       Considerando para la zona montañosa una permeabilidad baja y una cubierta vegetal moderada, obtener de la Figura 7 un factor de 0.29

*       En la Figura 8, buscar la intersección del factor 0.29 con la precipitación media de 250 mm, para obtener en las zonas A1 y A3 un coeficiente de escurrimiento de 9.2%

*       Para la zona de valles o A2, seguir el mismo procedimiento, considerando una permeabilidad alta y una cubierta vegetal moderada, para obtener un coeficiente de escurrimiento de 1.3%

*       Estos valores se sustituyen en la ecuación del coeficiente de escurrimiento promedio, elaborándose la tabla siguiente a partir del mapa de la Figura 9.

 

Figura 9. Zonas de escurrimiento para la Cuenca del Río Mátape

 

 

CALCULO DEL COEFICIENTE DE ESCURRIMIENTO

 

 

 

 

 

 

 

 

TIPO AREA

A (km2)

Cs

Cv

 

 

As (A1)

1,817.60

0.092

 

 

 

Av (A2)

4,347.50

 

0.013

 

 

As (A3)

2,762.40

0.092

 

 

 

TOTAL

8,927.50

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C = [(As*Cs)+(Av*Cv)]/Ac = [(4,580*0.092)+(4,347.50*0.013)]/8,927.50

 

 

 

 

 

 

C = 0.053 = 5.3%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CALCULO DEL VOLUMEN DE ESCURRIMIENTO

 

 

 

 

 

 

 

 

Ve = [(Pp)(Ac)(C)] = [(2.5 X 10-4 km)(8,927.50 km2)(0.053)]

 

 

 

 

 

 

 

Ve = 118.289 Mm3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bibliografía consultada

Aparicio Mijares F. J. 1999. Fundamentos de Hidrología de Superficie. Ed. Limusa. México. 303 p.

Davis, S. N. y DeWiest R. 1966. Hidrogeología. Ed. Ariel. España. 563 p.

Fetter, C.W. 2001. Applied Hydrogeology. Fourth Edition, Ed. Prentice Hall, EEUU, 598 p.

Flores, E.Z. 1978. Hidrología Superficial. Ed. Univ. Son. México. 183 p.

http://nh.water.usgs.gov/gauge_station/3_howusgs.htm