9.1: Materia Frontal

El ciclo del agua

¿Cuántas veces al día das por sentada el agua? ¿Asume que el grifo fluirá cuando encienda su llave? Que la ducha se encienda, el inodoro se descargará, ¿y tendrás agua para cocinar tus comidas? No solo es necesaria el agua para muchas de las funciones de la vida, también es un agente geológico considerable. El agua puede esculpir el paisaje dramáticamente con el tiempo, tanto tallando cañones como depositando gruesas capas de sedimento. Algunos de estos procesos son lentos y resultan en paisajes desgastados con el tiempo; otros, como las inundaciones, pueden ser dramáticamente rápidos y peligrosos.

Figura 9.1: El agua de la Tierra está siempre en movimiento, y el ciclo natural del agua (ciclo hidrológico), describe el movimiento continuo del agua sobre, por encima y por debajo de la superficie de la Tierra. El agua siempre está cambiando de estado entre líquido, vapor y hielo, con estos procesos sucediendo en un abrir y cerrar de ojos y a lo largo de millones de años.

¿Qué pasa con el agua durante una tormenta? Imagina que estás afuera en un estacionamiento con áreas cubiertas de hierba cerca. ¿A dónde va el agua del estacionamiento? Gran parte de ella fluirá a través de la superficie y eventualmente se unirá a un arroyo. ¿Qué pasa con la lluvia en la zona cubierta de hierba? Gran parte de ella se infiltrará, o se sumergirá en el suelo. El agua se recicla continuamente a través de la atmósfera, hacia la tierra y de regreso a los océanos. Este movimiento del agua a través del Sistema Terrestre se conoce como el ciclo hidrológico (agua) (Figura 9.1). En la superficie de la Tierra, este ciclo, impulsado por el sol, opera fácilmente ya que el agua puede cambiar de forma rápida de líquido a gas (o vapor de agua). La mayor parte del agua se encuentra en los océanos, pero el agua dulce se puede encontrar en lagos, ríos y atrapada en glaciares y capas de hielo. También se encuentran recursos hídricos adicionales en el suelo, y se discutirán en otro capítulo (Figura 9.2).

Figura 9.2: La mayor parte del agua de la Tierra se encuentra en los océanos y, por lo tanto, es agua salada. Las fuentes de agua dulce de la Tierra están principalmente encerradas dentro de los glaciares y casquetes de hielo y como Los ríos y lagos constituyen solo una pequeña fracción de los recursos de agua dulce de la Tierra.

Quienes estudian el agua, los recursos hídricos o los accidentes geográficos hechos por el agua, pueden tener muchos títulos, entre ellos hidrólogo, hidrogeólogo, geomorfólogo o geoquímico, por nombrar algunos. Como muchos otros geocientíficos, trabajar con otras disciplinas es común, con una fuerte influencia tanto de las matemáticas como de la tecnología. Muchos son empleados por universidades donde enseñan y/o realizan investigaciones, y agencias estatales y federales, incluyendo estudios geológicos, como el Servicio Geológico de California o el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS). Existen trayectorias profesionales adicionales disponibles en el sector privado, incluyendo la minería y la extracción de recursos naturales o en la mitigación y evaluación de peligros. Muchas de estas opciones de carrera requieren un título universitario y un trabajo de posgrado. Si te interesa, habla con tu instructor de geología para que te asesoren. Recomendamos completar tantos cursos de matemáticas y ciencias como sea posible. También, visite Parques Nacionales, Parques estatales de CA, museos, espectáculos de gemas y minerales, o únase a un club local de rock y minerales. Por lo general, los museos de historia natural tendrán maravillosas exhibiciones de rocas, incluidas las de su región local. Aquí en California, hay una serie de grandes colecciones, incluyendo el Museo de Historia Natural de San Diego, el Museo de Historia Natural del Condado de Los Ángeles, el Museo de Historia Natural de Santa Bárbara y Museo de Historia Natural Kimball. Muchos colegios y universidades también tienen sus propias colecciones/museos.

Cuencas de Drenaje y Patrones

La cuenca de drenaje de un arroyo incluye toda la tierra que es drenada por un arroyo y todos sus afluentes. Infórmate sobre la cuenca o cuenca de drenaje en la que vives visitando How's My Waterway de la Agencia de Protección Ambiental.

Las áreas más altas que separan las cuencas de drenaje se denominan divisiones de drenaje. Para América del Norte, la División Continental en las Montañas Rocosas separa el agua que drena hacia el oeste hasta el Océano Pacífico del agua que drena hacia el este hasta el Golfo de México o el Océano Atlántico (Figura 9.3).

Figura 9.3: El agua que cae al oeste de la división continental fluirá finalmente hacia el Océano Pacífico, mientras que el agua que cae al este fluirá hacia el Océano Atlántico o Golfo de México.

A medida que el agua fluye sobre la roca, es influenciada por ella. El agua sigue el camino de menor resistencia; esto significa que resistirá y erosionará primero la roca más blanda, en lugar de la roca más resistente. Esto puede resultar en patrones característicos de drenaje (Figura 9.4). Algunos de los patrones de drenaje más comunes incluyen:

• Dendrítico: este patrón de drenaje indica un lecho rocoso uniformemente resistente que a menudo incluye rocas sedimentarias en capas horizontales. Como toda la roca es uniforme, el agua no es atraída por ninguna área, y se extiende en un patrón de ramificación, como las ramas de un árbol.

• Enrejado: este patrón de drenaje indica roca rocosa resistente y no resistente alternada que ha sido deformada (plegada) en crestas y valles paralelos. El agua erosiona valles en la roca más suave, y aparece como una rosa trepando sobre un enrejado en un jardín.

• Radial: este patrón de drenaje se forma a medida que los arroyos fluyen alejándose de un punto alto central, como un volcán, que se asemeja a los radios en una rueda.

• Rectangular: este patrón de drenaje se forma en áreas en las que la roca ha sido fracturada por uniones o fallas que crearon zonas debilitadas en el. Las corrientes erosionan la roca debilitada y menos resistente y crean una red de canales que hacen curvas en ángulo recto a medida que siguen el patrón de fractura que se cruza. Este patrón a menudo se verá como rectángulos o cuadrados.

• Desquiciado: este patrón de drenaje no sigue las reglas. Consiste en un patrón aleatorio de canales de flujo caracterizado por irregularidad. Indica que el drenaje se desarrolló recientemente y aún no ha tenido tiempo de formar uno de los otros patrones de drenaje.

Figura 9.4: Patrones de drenaje.

¿Cómo mueven los arroyos los sedimentos?

El agua corriente en una corriente erosionará y moverá el material dentro del canal de la corriente. El material transportado incluye 1) la carga disuelta, las sustancias disueltas tomadas en solución durante la meteorización química, 2) la carga suspendida, diminutas partículas de limo y arcilla que se mantienen en suspensión por el flujo del agua, y 3) la carga del lecho, la arena visible y los sedimentos del tamaño de la grava que normalmente viajan a lo largo del lecho del arroyo. Aquí, los granos se mueven ya sea por salto (saltación), balanceo o deslizamiento (tracción) (Figura 9.5). La medida del sedimento total que puede transportar una corriente se denomina capacidad de corriente.

Figura 9.5: Los arroyos transportan sedimentos, incluyendo piezas más grandes que son arrastradas, enrolladas o rebotadas a lo largo de la base, piezas más pequeñas que permanecen suspendidas dentro de la columna de agua e iones que se disuelven dentro del agua.

La competencia del arroyo refleja la capacidad de un arroyo para transportar un tamaño particular de partícula (por ejemplo, roca, guijarro, etc.). Una mayor velocidad del flujo de agua aumenta la competencia de la corriente, mientras que una menor velocidad del flujo disminuye la competencia de la corriente (Figura 9.6).

Si bien las cargas disueltas, suspendidas y de lecho pueden viajar largas distancias, eventualmente se asentarán y se depositarán. Estos sedimentos depositados por la corriente, llamados aluvión, se depositan típicamente durante eventos de inundación. Esto se debe a que para transportar de manera más efectiva los sedimentos, una corriente necesita energía. Esta energía es principalmente una función de la cantidad de agua y su velocidad. Una corriente de rápido movimiento es más capaz de transportar sedimentos mucho más y más grandes. A medida que una corriente pierde energía, disminuirá la velocidad, razón por la cual se produce la deposición.

Figura 9.6: Gráfico de la curva de Hjulström, que describe el transporte, deposición y erosión en el agua corriente.

En condiciones normales, el agua permanecerá en un canal de arroyo. Cuando la cantidad de agua en un arroyo excede sus orillas, el agua que se derrama fuera del canal disminuirá rápidamente en velocidad. Una disminución en la velocidad resulta en la deposición del material arenoso más grande que el río lleva a lo largo de los márgenes del canal. Estas crestas de aluvión arenoso son diques naturales (Figura 9.7). A medida que ocurren numerosos eventos de inundación, estas crestas se construyen bajo deposición repetida. Estos diques son parte de una forma de relieve más grande conocida como llanura aluvial. Una llanura aluvial es el terreno relativamente plano adyacente al arroyo que está sujeto a inundaciones en tiempos de alta descarga.

Figura 9.7: Después de muchas inundaciones, se han acumulado diques naturales a lo largo de los bancos de arroyos.

¿Cómo se erosionan las transmisiones?

Los ríos pueden erosionarse lateralmente (lateralmente), verticalmente (bajando) o de regreso a la zona alta (erosión hacia la cabeza), todo lo cual hace que el río se vuelva más ancho, profundo y más largo (Figura 9.8). La erosión hacia la cabeza ocurre cuando el río se erosiona en dirección aguas arriba, alargando el valle del río. La reducción, o erosión vertical, ocurre a medida que el río se erosiona hacia abajo, profundizando el cauce del río. La erosión lateral ocurre a lo largo de los bordes (riberas) del río, ensanchando el valle del río.

Figura 9.8: Erosión de arroyos.

El gradiente del arroyo se refiere a la pendiente (subida sobre corrida) del canal del arroyo. Es la caída vertical del arroyo a lo largo de una distancia horizontal. El gradiente se puede calcular usando la siguiente ecuación: Gradiente = (cambio de elevación)/distancia. Los gradientes de los arroyos tienden a ser más altos en la fuente de un arroyo, o en la cabecera, y más bajos en la desembocadura.

Examine la Figura 9.9. Queremos determinar el gradiente de A a B. La elevación del arroyo en A es 980', y la elevación del arroyo en B es 920'. Haciendo referencia a la barra de escala, la distancia de A a B es de aproximadamente 2 millas. Usando la ecuación anterior: Gradiente = (980'-920')/2 millas, o 30 pies/milla (leer 30 pies por milla).

Figura 9.9: Calcular gradiente.

¿Cómo se mide el flujo de corriente?

El Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) es una de las principales organizaciones encargadas de medir el flujo de corriente aquí en Estados Unidos. Más información sobre cómo lo hacen está disponible a través de su sitio web de Medición de Flujo de Flujo.

En general, la descarga mide el flujo de corriente en un momento y ubicación determinados. Es una medida del volumen de agua que pasa por un punto determinado durante un periodo de tiempo. La descarga se puede calcular usando la siguiente ecuación, Descarga = Área * Velocidad. El área se determina multiplicando el ancho por la profundidad del canal del arroyo. La velocidad del agua se mide típicamente en unidades de pies por segundo o metros por segundo, mientras que la descarga tiene unidades de pies cúbicos por segundo (cfs) o metros cúbicos por segundo (cfm). La descarga aumenta aguas abajo en la mayoría de los ríos, ya que los afluentes se unen al canal principal y agregan agua.

La carga de sedimentos también cambia de cabecera a boca. En las cabeceras, los afluentes transportan rápidamente la carga aguas abajo, combinándose con cargas de otros afluentes. El sedimento finalmente se deposita cuando la corriente alcanza el nivel base. Ocasionalmente durante este proceso de transporte de material aguas abajo, la carga de sedimentos es lo suficientemente grande como para que el agua no sea capaz de transportarlo, por lo que se produce la deposición. Si una corriente se sobrecarga con sedimentos, se puede desarrollar una corriente trenzada. Por lo general, estos arroyos tienen una red de canales que se cruzan que se asemejan al pelo trenzado con barras de arena y grava comunes. Los arroyos trenzados son comunes en áreas con abundancia de sedimentos, cerca de glaciares o en regiones áridas y semiáridas con altas tasas de erosión.

Figura 9.10: Izquierda: Partes de un arroyo serpenteante. Las curvas S son meandros. Las flechas dentro del arroyo representan dónde fluye el agua más rápida. Esa agua erosiona la orilla exterior, creando un banco empinado llamado el banco cortado. El agua más lenta fluye en el interior del meandro, lo suficientemente lento como para depositar sedimentos y crear la barra de puntos. Derecha: Formación de un lago de arco de bueyes. Un meandro comienza a formarse y se corta, formando el arco bueyes.

Las corrientes también pueden ser serpenteantes, con meandros ampliamente doblados que se asemejan a curvas en forma de “S El agua viajará más rápido en el exterior de una curva. Esta mayor velocidad conduce a una mayor erosión en la curva exterior, formando un banco de corte. La erosión en el banco cortado se compensa con la deposición en la orilla opuesta del arroyo, donde el agua se mueve más lentamente y permite que los sedimentos se asienten y depositen. Estas áreas de deposición se denominan barras puntuales. A medida que las curvas serpenteantes se vuelven más complicadas, o sinuosas, pueden cruzarse para formar un corte, que acorta el camino del arroyo. Después del corte, el lazo de meandro abandonado se convierte en un lago de arco de buey en forma de media luna (Figura 9.10 y 9.11).

Figura 9.11: Río Klamath, ilustrando las áreas de la orilla cortada y la barra de puntos.

Los arroyos rectos, en los que los canales permanecen casi rectos, son poco comunes. Pueden formarse de forma natural debido a una zona lineal de debilidad en la roca subyacente o pueden ser construidas por humanos, en un esfuerzo por el control de inundaciones, al igual que lo que se ha hecho con el río Los Ángeles (Figura 9.12).

Figura 9.12: Foto aérea del río Los Ángeles.

Etapa de inundación e inundaciones

Las inundaciones son un problema común y grave en y a lo largo de las vías fluviales de nuestra nación. La etapa de inundación se alcanza cuando el nivel del agua en un arroyo desborda sus orillas. Las llanuras aluviales son sitios populares para el desarrollo, pero es mejor dejarlas para parques infantiles, campos de golf y similares.

¿Alguna vez has escuchado a alguien decir “esa inundación fue una inundación de 1 en 100 años”? ¿Qué significa esto? ¿Significa que una inundación sólo ocurrirá cada 100 años, y que estamos a salvo los otros 99? La respuesta corta es No; en promedio, podemos esperar que una inundación de este tamaño o mayor ocurra dentro de cualquier periodo de 100 años. Sin embargo, no podemos predecir si ocurrirá en algún año en particular, solo que cada año tiene una probabilidad de 1 en 100 (1%) de ocurrir en cualquier año. El tiempo entre estos eventos importantes de inundación, o cualquier evento geológico importante (sequía, erupción volcánica, terremoto, tsunami, etc.), se conoce como un intervalo de recurrencia. Este es el período de tiempo promedio dentro del cual un evento de inundación determinado será igualado o excedido una vez.

Figura 9.13: Calles J y K en el centro de Sacramento vistas desde dique que ilustra el impacto de la Gran Inundación de California de 1862; la gente en embarcaciones se abre paso entre edificios en calles inundadas de la ciudad.

Para comprender mejor el comportamiento de los arroyos, el USGS ha instalado miles de medidores de arroyos en todo el país, ubicaciones con un indicador permanente de nivel de agua y registrador. Los datos de estas estaciones se pueden utilizar para hacer curvas de frecuencia de inundación, que son útiles para tomar decisiones de control de inundaciones.

Atribuciones

• Figura 9.1: “El ciclo del agua” (Dominio público; Howard Perlman y John Evans, USGS)
• Figura 9.2: “¿Dónde está el Agua de la Tierra?” (Dominio Público; Escuela de Ciencias del Agua USGS)
• Figura 9.3: “División continental” (CC-BY 4.0; Chloe Branciforte a través de Google Earth)
• Figura 9.4: Derivada de “Patrones de Drenaje” (CC-BY-SA 3.0; Corey Parson vía LibreTexts)
• Figura 9.5: “Carga de corriente” (CC-BY 4.0; Emily Haddad)
• Figura 9.6: Derivada de “Hjulströms diagram en” (CC-BY-SA 3.0; Karrock vía Wikimedia Commons) de Chloe Branciforte
• Figura 9.7: Derivada de “Diques” (CC-BY-SA 3.0; Julie Sandeen vía LibreTexts) de Chloe Branciforte
• Figura 9.8: “Erosión de corrientes” (CC-BY 4.0; Emily Haddad, obra propia)
• Figura 9.9: Derivada de “Cálculo de Gradientes” (CC-BY-SA 3.0; Randa Harris vía LibreTexts) de Chloe Branciforte
• Figura 9.10: Derivada de “Río serpenteante” (CC-BY-SA 2.5; Maksim vía Wikimedia Commons) de Chloe Branciforte
• Figura 9.11: “Río Klamath” (CC-BY 4.0; Chloe Branciforte a través de Google Earth)
• Figura 9.12: “LA River” (CC-BY-SA 3.0; Joe Mabel vía Wikimedia Commons)
• Figura 9.13: “Inundación del Capitolio del Estado, ciudad de Sacramento, 1862” (Dominio público; A. Rosenfield vía Calisphere)