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En hidrología , el caudal es el flujo volumétrico (volumen por unidad de tiempo, en unidades de m³ / h o ft³ / h) de un arroyo . Es igual al producto de la velocidad media del flujo (con dimensiones de longitud por unidad de tiempo, en m/h o ft/h) y el área de la sección transversal (en m² o ft² ) . [ 1 ] Incluye cualquier sólido en suspensión (por ejemplo, sedimento), sustancias químicas disueltas como CaCO₃3 (aq), o material biológico (por ejemplo,diatomeas) además del agua misma. Los términos pueden variar entre disciplinas. Por ejemplo, un hidrólogo fluvial que estudia sistemas fluviales naturales puede definir la descarga comocaudal, [ 2 ] mientras que un ingeniero que opera un sistema de embalse puede equipararla conla salida, en contraste conla entrada.

Formulación

Un caudal es una medida de la cantidad de flujo de cualquier fluido por unidad de tiempo. La cantidad puede ser volumen o masa. Así, el caudal de agua de un grifo se puede medir con una jarra medidora y un cronómetro. En este caso, el caudal podría ser de 1 litro cada 15 segundos, equivalente a 67 ml/segundo o 4 litros/minuto. Esta es una medida promedio. Para medir el caudal de un río, necesitamos un método diferente, y el más común es el método de "área-velocidad". El área es la sección transversal del río y se debe medir la velocidad promedio en esa sección durante una unidad de tiempo, generalmente un minuto. La medición del área transversal y la velocidad promedio, aunque conceptualmente sencillas, a menudo no son fáciles de determinar.

Las unidades que se utilizan habitualmente para expresar el caudal en arroyos o ríos incluyen m³ / s (metros cúbicos por segundo), ft³ / s (pies cúbicos por segundo o cfs) y/o acres-pie por día. [ 3 ]

Una metodología comúnmente aplicada para medir y estimar el caudal de un río se basa en una forma simplificada de la ecuación de continuidad . La ecuación implica que para cualquier fluido incompresible, como el agua líquida, el caudal ( Q ) es igual al producto del área de la sección transversal del arroyo ( A ) y su velocidad media (tú¯{\displaystyle {\bar {u}}}), y se escribe como:

Q=Atú¯{\displaystyle Q=A\,{\bar {u}}}

dónde

  • Q{\displaystyle Q}es la descarga ([L 3 T −1 ]; m 3 /s o ft 3 /s)
  • A{\displaystyle A}es el área de la sección transversal de la porción del canal ocupada por el flujo ([L 2 ]; m 2 o ft 2 )
  • tú¯{\displaystyle {\bar {u}}}es la velocidad media del flujo ([LT −1 ]; m/s o ft/s)

Por ejemplo, el caudal medio del río Rin en Europa es de 2200 metros cúbicos por segundo (78 000 pies cúbicos /s) o 190 000 000 metros cúbicos (150 000 acres⋅pie) por día.   

Debido a las dificultades de medición, a menudo se utiliza un medidor de caudal en un punto fijo del arroyo o río.

Relaciones empíricas

Las relaciones derivadas empíricamente entre el ancho del canal (anchura) b , la profundidad h y la velocidad 'u' son: [ 4 ]

b∝Q0,5{\displaystyle b\propto Q^{0.5}}
h∝Q0,4{\displaystyle h\propto Q^{0.4}}
tú∝Q0.1{\displaystyle u\propto Q^{0.1}}

ParámetroQ{\displaystyle Q}Se refiere a un "caudal dominante" o "caudal formador de cauces", que suele ser la crecida de 1 a 2 años, aunque existe una gran variabilidad alrededor de esta media. Este es el evento que provoca una erosión y sedimentación significativas y determina la morfología del cauce.

Hidrograma

Un hidrograma de un arroyo. Los aumentos en el caudal se producen tras las lluvias o el deshielo . La disminución gradual del caudal después de los picos refleja la disminución del suministro de agua subterránea .

Un hidrograma es un gráfico que muestra la tasa de flujo (descarga) en función del tiempo en un punto específico de un río, canal o conducto que transporta flujo. La tasa de flujo se expresa típicamente en metros cúbicos por segundo (m³/s) o pies cúbicos por segundo (cfs). Los hidrogramas suelen relacionar los cambios en la precipitación con los cambios en la descarga a lo largo del tiempo. [ 5 ] El término también puede referirse a un gráfico que muestra el volumen de agua que llega a una salida particular o a una ubicación en una red de alcantarillado. Los gráficos se utilizan comúnmente en el diseño de alcantarillado , más específicamente, en el diseño de sistemas de alcantarillado de aguas superficiales y alcantarillas combinadas .

Descarga de la cuenca

Torrente Pescone, uno de los afluentes del lago Orta ( Italia ).

La cuenca de un río aguas arriba de un punto determinado se define por la superficie de toda la tierra que drena hacia el río desde ese punto. El caudal del río en ese punto depende de las precipitaciones en la cuenca o área de drenaje y de la entrada o salida de agua subterránea hacia o desde el área, modificaciones del cauce como presas y derivaciones para riego, así como de la evaporación y evapotranspiración de la superficie terrestre y vegetal del área. En hidrología de tormentas, un aspecto importante es el hidrograma de caudal del río, que registra cómo varía el caudal a lo largo del tiempo después de un evento de precipitación. El río alcanza un caudal máximo después de cada evento de precipitación y luego desciende lentamente . Dado que el caudal máximo también corresponde al nivel máximo de agua alcanzado durante el evento, es de interés en los estudios de inundaciones. El análisis de la relación entre la intensidad y la duración de la precipitación y la respuesta del caudal del río se ve facilitado por el concepto de hidrograma unitario , que representa la respuesta del caudal del río a lo largo del tiempo ante la aplicación de una cantidad y duración hipotéticas de lluvia (por ejemplo, media pulgada en una hora). La cantidad de precipitación se correlaciona con el volumen de agua (que depende del área de la cuenca) que posteriormente fluye fuera del río. Mediante el método del hidrograma unitario, se pueden modelar matemáticamente las precipitaciones históricas reales para confirmar las características de las inundaciones históricas, y se pueden crear "tormentas de diseño" hipotéticas para compararlas con las respuestas observadas del arroyo.

La relación entre el caudal de un arroyo en una sección transversal determinada y su nivel se describe mediante una curva de calibración . Se miden las velocidades promedio y el área de la sección transversal del arroyo para un nivel dado. La velocidad y el área proporcionan el caudal para ese nivel. Tras realizar mediciones para varios niveles diferentes, se puede elaborar una tabla o curva de calibración. Una vez clasificada, el caudal del arroyo se puede determinar midiendo el nivel y calculando el caudal correspondiente a partir de la curva de calibración. Si se instala un dispositivo de registro continuo de nivel en una sección transversal clasificada, el caudal del arroyo se puede determinar de forma continua.

Los caudales mayores (descargas más elevadas) pueden transportar más sedimentos y partículas de mayor tamaño aguas abajo que los caudales menores debido a su mayor fuerza. Los caudales mayores también pueden erosionar las riberas y dañar la infraestructura pública.

Efectos de la cuenca hidrográfica sobre el caudal y la morfología

GH Dury y MJ Bradshaw son dos geógrafos que idearon modelos que muestran la relación entre el caudal y otras variables en un río. El modelo de Bradshaw describió cómo el tamaño de los guijarros y otras variables cambian desde la fuente hasta la desembocadura; mientras que Dury consideró las relaciones entre el caudal y variables como la pendiente del arroyo y la fricción. Estos modelos se derivan de las ideas presentadas por Leopold, Wolman y Miller en Procesos fluviales en geomorfología [ 6 ] y sobre el uso del suelo que afecta el caudal del río y el aporte de sedimentos de fondo [ 7 ] .

Afluencia

Descripción visual del ciclo hidrológico

La entrada de agua es la suma de los procesos dentro del ciclo hidrológico que aumentan los niveles de agua de los cuerpos de agua. [ 8 ] La mayor parte de la precipitación ocurre directamente sobre cuerpos de agua como los océanos, o en tierra como escorrentía superficial . [ 9 ] Una porción de la escorrentía entra en arroyos y ríos, y otra porción se filtra en el suelo como filtración de agua subterránea . [ 10 ] El resto se filtra en el suelo como infiltración, parte de la cual se infiltra profundamente en el suelo para recargar los acuíferos. [ 11 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Buchanan, TJ y Somers, WP, 1969, Mediciones de descarga en estaciones de aforo: Técnicas del Servicio Geológico de los Estados Unidos para investigaciones de recursos hídricos, Libro 3, Capítulo A8, pág. 1.
  2. ^ Paoletti, Michele; Pellegrini, Marco; Belli, Alberto; Pierleoni, Paola; Sini, Francesca; Pezzotta, Nicola; Palma, Lorenzo (10 de febrero de 2023). "Monitoreo de descargas en canales abiertos: una herramienta de gestión de la curva de calificación operativa" . Sensores . 23 (4): 2035. doi : 10.3390/s23042035 . ISSN 1424-8220 . PMC 9964178 . PMID 36850632 .   
  3. ↑ Dunne, T. y Leopold, LB , 1978, El agua en la planificación ambiental: San Francisco, California, WH Freeman, págs. 257–258.
  4. ↑ Luna B. Leopold; M. Gordon Wolman; John P. Miller. (1995). Procesos fluviales en geomorfología . Nueva York: Dover Publications. pág. 256. ISBN  0-486-68588-8.
  5. ↑ Sherman, LeRoy K. (1932). "La relación de los hidrogramas de escorrentía con el tamaño y las características de las cuencas hidrográficas" . Transactions, American Geophysical Union . 13 (1): 332– 339. Bibcode : 1932TrAGU..13..332S . doi : 10.1029/TR013i001p00332 . ISSN 0002-8606 . 
  6. ↑ LB Leopold, MG Wolman JP y Miller, Procesos fluviales en geomorfología , WH Freeman, San Francisco, 1964.
  7. ↑ GM Kondolf, H. Piégay y N. Landon, "Respuesta del canal al aumento y disminución del suministro de carga de fondo debido al cambio de uso de la tierra: contrastes entre dos cuencas", Geomorphology , 45/1–2, pp. 35–51.
  8. ↑ "El ciclo hidrológico | Entradas de agua dulce" . freshwaterinflow.org . Consultado el 9 de diciembre de 2020 .
  9. ↑ DOC, NOAA. "Descripción del ciclo hidrológico" . www.nwrfc.noaa.gov . Consultado el 9 de diciembre de 2020 .
  10. ↑ "El agua subterránea fluye bajo tierra" . usgs.gov . 9 de octubre de 2018. Consultado el 9 de diciembre de 2020 .
  11. ↑ "Precipitación y el ciclo del agua" . usgs.gov . Consultado el 9 de diciembre de 2020 .
  • "Capítulo 14: Relaciones entre nivel y caudal" (PDF) . Manual Nacional de Ingeniería del USDA NRCS . Parte 630: Hidrología. USDA . Abril de 2012. Archivado del original (PDF) el 19 de abril de 2021. Consultado el 11 de septiembre de 2017 .
  • Manual Nacional de Ingeniería del USDA NRCS . Parte 630: Hidrología. USDA . Mayo de 2012. Archivado del original el 14 de enero de 2022. Consultado el 11 de septiembre de 2017 .