Hispanopedia WikiEl caudal , o escorrentía de canal , es el flujo de agua en arroyos y otros canales , y es un elemento fundamental del ciclo del agua . Es uno de los componentes de la escorrentía , el movimiento del agua desde la tierra hacia los cuerpos de agua , siendo el otro componente la escorrentía superficial . El agua que fluye en los canales proviene de la escorrentía superficial de las laderas adyacentes, del flujo de agua subterránea y del agua descargada por tuberías. El caudal de agua que fluye en un canal se mide con medidores de caudal o se puede estimar mediante la ecuación de Manning . El registro del flujo a lo largo del tiempo se denomina hidrograma . Las inundaciones ocurren cuando el volumen de agua excede la capacidad del canal.
Función en el ciclo del agua
Los arroyos desempeñan un papel fundamental en el ciclo hidrológico, esencial para toda la vida en la Tierra. Diversas especies biológicas, desde organismos unicelulares hasta vertebrados, dependen de los sistemas de agua corriente para su hábitat y recursos alimenticios. Los ríos constituyen importantes paisajes acuáticos para todo tipo de plantas y animales. Incluso contribuyen a mantener los acuíferos subterráneos llenos de agua al descargarla hacia abajo a través de sus cauces. Además, los océanos se mantienen llenos de agua gracias a la continua renovación que proporcionan los ríos y la escorrentía. [ 1 ] El flujo de los arroyos es el principal mecanismo por el cual el agua se mueve desde la tierra hacia los océanos o hacia las cuencas de drenaje interior .
Fuentes
El caudal de los arroyos proviene de cuatro fuentes: la precipitación en el cauce, el flujo superficial, el flujo subsuperficial y las aguas subterráneas.
- La precipitación en los cauces es la humedad que cae directamente sobre la superficie del agua y, en la mayoría de los arroyos, aporta muy poco al caudal.
- El agua subterránea llega al lecho del arroyo donde el cauce se encuentra con el nivel freático, proporcionando un suministro constante de agua, denominado caudal base , tanto en épocas secas como lluviosas. Debido a la gran cantidad de agua subterránea disponible para los arroyos y a la lenta respuesta de esta a las precipitaciones, el caudal base varía solo gradualmente con el tiempo y rara vez es la causa principal de las inundaciones. Sin embargo, sí contribuye a las inundaciones al crear una plataforma sobre la que se superpone la escorrentía de otras fuentes.
- El flujo subsuperficial es el agua que se infiltra en el suelo y luego se desplaza lateralmente hacia el cauce del arroyo en la zona por encima del nivel freático . Gran parte de esta agua se transmite dentro del suelo, y una parte se mueve entre los horizontes. Junto con el flujo base, es la fuente de descarga más importante para los arroyos en zonas boscosas. El flujo superficial en áreas densamente boscosas contribuye de forma insignificante al caudal del arroyo.
- En regiones secas, áreas cultivadas y urbanizadas, la escorrentía superficial suele ser una fuente importante de caudal. La escorrentía superficial es un flujo de agua de lluvia que comienza como una fina capa de agua que se mueve muy lentamente (normalmente a menos de 0,25 pies por segundo) sobre el suelo. Bajo lluvias intensas y en ausencia de barreras como terrenos irregulares, vegetación y suelo absorbente, puede acumularse, alcanzando rápidamente los cauces de los arroyos en minutos y provocando aumentos repentinos en el caudal. Los tiempos de respuesta más rápidos entre la lluvia y el caudal se producen en áreas urbanizadas donde los desagües pluviales, las cunetas y los alcantarillados pluviales recogen la escorrentía superficial y la dirigen directamente a los arroyos. Las velocidades de escorrentía en las tuberías de alcantarillado pluvial pueden alcanzar de 10 a 15 pies por segundo. [ 2 ]
Mecanismos que provocan cambios en el caudal de los arroyos
Los ríos siempre están en movimiento, lo cual es bueno para el medio ambiente, ya que el agua estancada no se mantiene fresca y atractiva por mucho tiempo. Hay muchos factores, tanto naturales como provocados por el hombre, que hacen que los ríos cambien continuamente: [ 3 ]
Mecanismos naturales
- Escorrentía procedente de la lluvia y el deshielo
- Evaporación del suelo y de las masas de agua superficiales.
- Transpiración de la vegetación
- Descarga de agua subterránea de los acuíferos
- Recarga de aguas subterráneas a partir de cuerpos de agua superficiales
- Sedimentación de lagos y humedales
- Formación o desaparición de glaciares , campos de nieve y permafrost.
Mecanismos inducidos por el ser humano
- Extracciones de agua superficial y trasvases entre cuencas
- Regulación del caudal de los ríos para la generación de energía hidroeléctrica y la navegación.
- Construcción, remoción y sedimentación de embalses y estanques de retención de aguas pluviales.
- Canalización de arroyos y construcción de diques
- Drenaje o restauración de humedales
- cambios en el uso del suelo, como la urbanización , que alteran las tasas de erosión, infiltración, flujo superficial o evapotranspiración.
- vertidos de aguas residuales
- Riego
Cambio climático
- Aumento/disminución de las precipitaciones
- cambio de temperatura del aire
- variabilidad alterada del caudal
- Reducción de la capa de nieve
- Aumento de las sequías y las inundaciones
Los aumentos o disminuciones en las precipitaciones contribuyen significativamente a los cambios en el caudal de los ríos.
Investigadores del DRI examinaron más de 500 cuencas hidrográficas en todo Estados Unidos y descubrieron que el aumento de las temperaturas invernales está provocando fluctuaciones más extremas en el caudal de los arroyos. [ 4 ]
Los datos muestran que las cuencas hidrográficas con mucha nieve están recibiendo más precipitaciones en forma de lluvia que antes. Como resultado, los arroyos ahora reciben más agua en rápidas crecidas provocadas por las tormentas, en lugar del flujo lento de la nieve derretida. Estas fluctuaciones también podrían atribuirse a un derretimiento más rápido de la capa de nieve debido a las temperaturas más altas. [ 5 ]
Desde la perspectiva del agua subterránea , las mayores tasas de evaporación y evapotranspiración reducen la humedad del suelo y la recarga de agua subterránea, disminuyendo el caudal base (la parte sostenida del caudal de los arroyos proveniente del agua subterránea).
Medición
El caudal se mide como la cantidad de agua que pasa por un punto específico en un tiempo determinado. En Estados Unidos, las unidades utilizadas son pies cúbicos por segundo , mientras que en la mayoría de los demás países se utilizan metros cúbicos por segundo . Existen diversas maneras de medir el caudal de un arroyo o canal. Un medidor de caudal proporciona un flujo continuo a lo largo del tiempo en un punto determinado para la gestión de recursos hídricos y ambientales, u otros fines. Los valores de caudal son mejores indicadores que la altura del nivel del agua para conocer las condiciones a lo largo de todo el río. El personal del Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS) realiza mediciones de caudal aproximadamente cada seis semanas . Para ello, se adentran en el arroyo o lo hacen desde una embarcación, puente o teleférico. En cada estación de aforo, se determina una relación entre la altura del nivel del agua y el caudal mediante mediciones simultáneas de ambas en el rango natural de caudales (desde caudales muy bajos hasta crecidas). Esta relación proporciona los datos de caudal de esa estación. [ 7 ] Para fines que no requieren una medición continua del caudal, se pueden utilizar medidores de corriente o perfiladores de velocidad Doppler acústicos . Para arroyos pequeños , de unos pocos metros de ancho o menos , se pueden instalar presas .
Aproximación
Un método informal que proporciona una aproximación del flujo de la corriente, denominado método de la naranja o método del flotador, es:
- Mida un tramo del arroyo y marque los puntos de inicio y fin. Para obtener la medición más precisa, se busca el tramo más largo sin cambios en las condiciones del arroyo.
- Coloca una naranja en el punto de partida y mide con un cronómetro el tiempo que tarda en llegar al punto final. Repite este procedimiento al menos tres veces y calcula el promedio de los tiempos medidos.
- Exprese la velocidad en metros por segundo. Si las mediciones se realizaron en el punto medio del flujo (velocidad máxima), la velocidad media del flujo es aproximadamente 0,8 de la velocidad medida para condiciones de fondo rocoso (escarpado) y 0,9 de la velocidad medida para condiciones de fondo liso (lodo, arena, lecho rocoso liso). [ 8 ] [ 9 ]
Escucha
En Estados Unidos, los medidores de caudal se financian principalmente con fondos estatales y locales. En el año fiscal 2008, el USGS aportó el 35 % de la financiación para el funcionamiento y mantenimiento diarios de los medidores. [ 10 ] Además, el USGS utiliza hidrogramas para estudiar el caudal de los ríos. Un hidrograma es un gráfico que muestra, generalmente, el nivel del río (altura del agua sobre una altitud determinada) y el caudal (cantidad de agua, normalmente en pies cúbicos por segundo). También se pueden representar otras propiedades, como la precipitación y los parámetros de calidad del agua . [ 11 ]
Pronóstico
Para la mayoría de los arroyos, especialmente aquellos con una cuenca pequeña, no se dispone de registros de caudal. En ese caso, es posible estimar el caudal mediante el método racional o alguna versión modificada del mismo. Sin embargo, si se dispone de registros cronológicos de caudal para un arroyo, se puede realizar una previsión a corto plazo del caudal para una tormenta determinada utilizando un hidrograma.
En los últimos años, la inteligencia artificial ha permitido realizar pronósticos de caudal de forma más eficiente. Las técnicas de IA, en particular los modelos LSTM , ofrecen una mayor precisión de pronóstico que los modelos convencionales.
Las redes de memoria a corto y largo plazo (LSTM) comenzaron a ganar atención en la predicción de caudales fluviales, debido a su alta capacidad para manejar datos de series temporales secuenciales. Los estudios demuestran la superioridad de las LSTM frente a los modelos tradicionales basados en la física, como el modelo calibrado CaMa Flood para datos de caudal y clima o el modelo de predicción de escorrentía SMA-SAC. Además, las LSTM se han introducido en el ámbito de la predicción de caudales fluviales. Se evaluó la eficacia de las redes LSTM para predicciones diarias y predicciones de caudal medio a 10 días en las cuencas de los ríos Alto Yangtze y Hun, respectivamente. En general, las LSTM arrojaron mejores capacidades de predicción en comparación con los modelos hidrológicos tradicionales. [ 12 ]
La combinación de modelos numéricos y de aprendizaje automático también puede generar mejores resultados de pronóstico, debido a su capacidad de aprendizaje no lineal. [ 13 ]
Además, las redes LSTM pueden procesar datos muy variados en comparación con otros modelos.
método del hidrograma unitario
Este método consiste en construir una gráfica donde se representa el caudal generado por una tormenta de un tamaño determinado a lo largo del tiempo, generalmente horas o días. Se denomina método del hidrograma unitario porque solo considera la escorrentía producida por una tormenta específica en un período de tiempo determinado: el tiempo que tarda un río en crecer, alcanzar su nivel máximo y descender en respuesta a la tormenta.
Una vez establecida la relación entre la precipitación y la escorrentía, los datos de precipitación posteriores pueden utilizarse para pronosticar el caudal de tormentas específicas, denominadas tormentas estándar. Una tormenta estándar es una tormenta de alta intensidad con una magnitud y frecuencia conocidas. Un método de análisis del hidrograma unitario consiste en expresar el incremento del caudal, hora a hora o día a día, como un porcentaje de la escorrentía total. Estos datos del hidrograma unitario de la tormenta representan la escorrentía añadida al caudal base previo a la tormenta.
Pronosticar los caudales en una gran cuenca hidrográfica mediante el método del hidrograma unitario sería difícil, ya que las condiciones geográficas pueden variar significativamente de una zona a otra. Esto se observa especialmente en la distribución de las precipitaciones, puesto que una sola tormenta rara vez cubre la cuenca de manera uniforme. En consecuencia, la cuenca no responde como una unidad ante una tormenta determinada, lo que dificulta la elaboración de un hidrograma fiable.
Método de magnitud y frecuencia
Para grandes cuencas, donde el hidrograma unitario puede no ser útil ni fiable, se utiliza el método de magnitud y frecuencia para calcular la probabilidad de que se repitan grandes caudales a partir de los registros de caudales de años anteriores. En Estados Unidos, la División Hidrológica del USGS mantiene estos registros para los grandes ríos. Para una cuenca con una superficie de 5000 millas cuadradas o más, el sistema fluvial suele medirse en cinco a diez puntos.
Los datos de cada estación de aforo corresponden a la parte de la cuenca aguas arriba de dicha ubicación. Conociendo varias décadas de caudales máximos anuales de un río, se pueden realizar proyecciones limitadas para estimar el tamaño de algún caudal importante que no se haya experimentado durante el período de registro. La técnica consiste en proyectar la curva (línea gráfica) que se forma al representar los caudales máximos anuales frente a sus respectivos intervalos de recurrencia. Sin embargo, en la mayoría de los casos, la curva se curva bruscamente, lo que dificulta trazar una proyección precisa. Este problema se puede solucionar representando los datos de caudal y/o intervalo de recurrencia en papel gráfico logarítmico. Una vez que la gráfica se ha enderezado, se puede trazar una línea a través de los puntos. A continuación, se puede realizar una proyección extendiendo la línea más allá de los puntos y leyendo el caudal correspondiente al intervalo de recurrencia en cuestión.
Relación con el medio ambiente
La escorrentía de agua en los cauces es responsable del transporte de sedimentos , nutrientes y contaminación aguas abajo. Sin el caudal de los ríos, el agua de una cuenca hidrográfica determinada no podría llegar de forma natural a su destino final en un lago u océano. Esto alteraría el ecosistema. El caudal de los ríos es una vía importante para el transporte de agua desde la tierra hacia lagos y océanos. Las otras vías principales son la escorrentía superficial (el flujo de agua desde la tierra hacia los cursos de agua cercanos que se produce durante las precipitaciones y como resultado del riego), el flujo de agua subterránea hacia las aguas superficiales y el flujo de agua proveniente de tuberías y canales construidos. [ 14 ]
Relación con la sociedad
El caudal de un río conlleva tanto beneficios como riesgos para la sociedad. La escorrentía aguas abajo permite almacenar agua en represas para la generación de energía hidroeléctrica. El flujo del agua facilita el transporte aguas abajo. Un curso de agua determinado tiene un caudal máximo que puede soportar, el cual se puede calcular. Si el caudal supera este máximo, como ocurre cuando hay un exceso de agua en el río, el canal no puede contenerla y se producen inundaciones.
La inundación del río Misisipi de 1993 , la mayor jamás registrada en el río, fue consecuencia de intensas y prolongadas lluvias durante la primavera y el verano. Las primeras lluvias saturaron el suelo en más de 300 000 millas cuadradas de la cuenca alta, reduciendo considerablemente la infiltración y dejando los suelos con poca o ninguna capacidad de almacenamiento. A medida que continuaban las lluvias, las depresiones superficiales, los humedales, los estanques, las zanjas y los campos de cultivo se llenaron de agua de escorrentía y de lluvia. Sin capacidad para retener agua, el agua de lluvia adicional se desvió de la tierra hacia los cauces tributarios y de allí al río Misisipi . Durante más de un mes, la carga total de agua de cientos de afluentes superó la capacidad del cauce del Misisipi, provocando su desbordamiento hacia las llanuras aluviales adyacentes. Donde las aguas de la inundación se vieron constreñidas artificialmente por un canal artificial bordeado por diques construidos e impedidas de desbordarse hacia una gran sección de la llanura aluvial, los niveles de inundación aumentaron aún más. [ 15 ]
Véase también
Referencias
- ↑ "Caudal de los arroyos: el ciclo del agua, de la Escuela de Ciencias del Agua del USGS" . water.usgs.gov . Consultado el 6 de mayo de 2016 .
- ↑ Marsh, William M. (6 de julio de 2010). Planificación del paisaje: Aplicaciones ambientales (5.ª ed.). Wiley. ISBN 978-0-470-57081-4.
- ↑ "Caudal de los arroyos: el ciclo del agua, de la Escuela de Ciencias del Agua del USGS" . water.usgs.gov . Consultado el 7 de mayo de 2016 .
- ↑ DeFranco, Elyse (25 de abril de 2023). "El cambio climático ya está afectando los caudales de los ríos en los EE. UU." DRI . Consultado el 2 de junio de 2025 .
- ↑ DeFranco, Elyse (25 de abril de 2023). "El cambio climático ya está afectando los caudales de los ríos en los EE. UU." DRI . Consultado el 2 de junio de 2025 .
- ↑ "RÍO MISSISSIPPI EN VICKSBURG, MS" .
- ↑ "¿Cómo interpreto los valores de altura de aforo y caudal? — Sistema de ayuda de datos hídricos del USGS para la nación" . help.waterdata.usgs.gov . Consultado el 6 de mayo de 2016 .
- ↑ RG Wetzel, GE Likens: Análisis limnológicos , págs. 62–63.
- ↑ Servicio Forestal de EE. UU. "10. Medición de la descarga."
- ↑ Comisión de la Cuenca del Río Delaware. West Trenton, NJ. "¿Quién paga el mantenimiento de las estaciones de aforo?" 30 de abril de 2009.
- ↑ "USGS WaterWatch -- Condiciones del caudal" . waterwatch.usgs.gov . Consultado el 7 de mayo de 2016 .
- ↑ Ahmed, Ashraf A.; Sayed, Sakina; Abdoulhalik, Antoifi; Moutari, Salissou; Oyedele, Lukumon (2024-02-15). "Aplicaciones del aprendizaje automático a la gestión de los recursos hídricos: una revisión del estado actual y las oportunidades futuras" . Journal of Cleaner Production . 441 140715. doi : 10.1016/j.jclepro.2024.140715 . ISSN 0959-6526 .
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- ↑ "Caudal de los arroyos - Ciencias ambientales: En contexto | Encyclopedia.com" . www.encyclopedia.com . Consultado el 6 de mayo de 2016 .
- ↑ "La gran inundación de EE. UU. de 1993" . www.nwrfc.noaa.gov . Consultado el 6 de mayo de 2016 .
- USGS, Atlanta, GA. "El ciclo del agua: caudal de los ríos". 2 de agosto de 2010.
- Hidrología
