10.2: El ciclo hidrológico
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El ciclo hidrológico, o ciclo del agua, es el ciclo del agua a través del sistema terrestre. No sólo el ciclo hidrológico es un ciclo de agua, también es un ciclo de energía. A lo largo de las siguientes páginas trazaremos el agua a medida que pasa por el sistema terrestre y la energía que lo acompaña.
Evaporación y condensación
La evaporación es el cambio de fase del agua líquida en vapor (gas). La evaporación es un medio importante para transferir energía entre la superficie y el aire de arriba. La energía utilizada para evaporar el agua se llama “energía latente”. La energía latente se “encierra” en la molécula de agua cuando el agua sufre el cambio de fase de un líquido a un gas. El ochenta y ocho por ciento de toda el agua que ingresa a la atmósfera proviene del océano entre 60 o norte y 60 o latitud sur. La mayor parte del agua evaporada del océano regresa directamente al océano. Parte del agua es transportada por tierra antes de precipitarla. Cuando el vapor de agua se condensa de nuevo en un líquido, libera calor latente, que se convierte en calor sensible calentando el aire circundante. El calentamiento del aire circundante eleva los combustibles para ayudar a promover el enfriamiento adiabático y una mayor condensación. A medida que las gotas de agua se unen en gotas más grandes, alcanzan un tamaño lo suficientemente grande como para caer hacia la tierra como precipitación. Ubicadas en lo alto de la troposfera, las gotas de lluvia poseen un alto grado de energía potencial que se convierte en energía cinética una vez que comienzan a caer hacia la superficie. Impactando la superficie convierten esta energía cinética en trabajo realizado en la superficie (erosión por ejemplo).
Intercepción e Infiltración
A medida que el agua llega a la superficie en diversas formas de precipitación, es interceptada por las plantas o cae directamente a la superficie. La precipitación que se acumula en las hojas o tallos de las plantas se conoce como intercepción. La cantidad de agua interceptada por una planta depende en gran medida de la forma de la planta. El agua se mantiene en la superficie de la hoja hasta que gotea como a través de la caída o gotea por el tallo de la hoja finalmente llegando al suelo como flujo del tallo. La intercepción de lluvia que cae amortigua la superficie contra la erosión. Los árboles coníferos tienden a interceptar más agua que los árboles caducifolios sobre una base anual porque los árboles de hoja caduca dejan caer sus hojas por un período de tiempo.
Al llegar al suelo, parte del agua se infiltra en el suelo, posiblemente filtrándose hasta la zona de agua subterránea o puede correr a través de la superficie como escorrentía. La infiltración se refiere al agua que penetra en la superficie del suelo. La infiltración se controla por la textura del suelo, estructura del suelo, vegetación y estado de humedad del suelo. Las altas tasas de infiltración ocurren en suelos secos, con una infiltración que se ralentiza a medida que el suelo se moja. Los suelos de textura gruesa con grandes espacios de poro bien conectados tienden a tener tasas de infiltración más altas que los suelos de textura fina. Sin embargo, los suelos de textura gruesa se llenan más rápidamente que los suelos de textura fina debido a una menor cantidad de espacio total de poros en una unidad de volumen de suelo. El escurrimiento se genera más rápido de lo que uno podría tener con un suelo de textura más fina.
La vegetación también afecta la infiltración. Por ejemplo, la infiltración es mayor para los suelos bajo vegetación forestal que en los suelos desnudos. Las raíces de los árboles se aflojan y proporcionan conductos a través de los cuales el agua puede ingresar al suelo. El follaje y la basura superficial reducen el impacto de la lluvia que cae evitando que los pasajes del suelo se sellaran
Agua subsuperficial
El agua subterránea y el agua del suelo comprenden aproximadamente .5% de toda el agua de la hidrosfera. El agua debajo de la superficie se puede dividir esencialmente en dos zonas (Figura\(\PageIndex{3}\)), la zona insaturada (también conocida como la “zona de aireación”) que incluye la zona de agua del suelo, y la zona de saturación que incluye el agua subterránea. El aire y el agua ocupan los espacios de poro entre los materiales terrestres en la zona de aireación. En ocasiones, especialmente en épocas de lluvias altas, estos espacios porosos se llenan de agua. El nivel freático divide la zona de aireación de la zona de saturación. La altura del nivel freático fluctuará con la precipitación, aumentando en elevación durante los períodos húmedos y disminuyendo durante los secos. Observe cómo el nivel freático interseca el nivel de la superficie del arroyo en la Figura\(\PageIndex{3}\). La filtración de agua subterránea en una corriente proporciona un flujo base de agua para los arroyos perennes.
Agua del Suelo
El agua del suelo se mantiene en los espacios de poro entre las partículas de suelo. El agua del suelo es el agua que está inmediatamente disponible para las plantas. El agua del suelo se puede subdividir en tres categorías, 1) agua higroscópica, 2) agua capilar y 3) agua gravitacional. El agua higroscópica se encuentra como una película microscópica de agua que rodea las partículas del suelo. Esta agua está fuertemente unida a una partícula de suelo por atracción molecular tan poderosa que no puede ser eliminada por fuerzas naturales. El agua higroscópica se une a las partículas del suelo por fuerzas adhesivas que superan los 31 bares y pueden llegar a ser tan grandes como 10,000 bares (¡Recordemos que la presión del nivel del mar es igual a 1013.2 milibares, lo que es de aproximadamente 1 bar!). El agua capilar es retenida por fuerzas cohesivas entre las películas de agua higroscópica. La presión de unión para el agua capilar es mucho menor que la del agua higroscópica. Esta agua se puede eliminar por secado al aire o por absorción de la planta, pero no puede eliminarse por gravedad. Las plantas extraen esta agua a través de sus raíces hasta que la fuerza capilar del suelo (fuerza que retiene el agua a la partícula) es igual a la fuerza extractiva de la raíz de la planta. En este punto la planta no puede sacar agua de la zona de enraizamiento de la planta y se marchita (llamado punto de marchitamiento). El agua de gravedad es agua que se mueve a través del suelo por la fuerza de la gravedad. La cantidad de agua contenida en el suelo después de que el exceso de agua se ha drenado se denomina capacidad de campo del suelo. La cantidad de agua en el suelo está controlada por la textura del suelo. Los suelos dominados por partículas del tamaño de arcilla tienen más espacio de poro total en un volumen unitario que los suelos dominados por arena. Como resultado, los suelos de grano fino tienen mayores capacidades de campo que los suelos de grano grueso.
El siguiente diagrama muestra la relación entre la textura del suelo, el punto de marchitamiento, la capacidad de campo y el agua disponible. La diferencia entre el punto de marchitamiento y la capacidad de campo es el agua disponible.
Tenga en cuenta que la menor cantidad de agua disponible está asociada con la textura más gruesa del suelo, la arena. La cantidad de agua disponible aumenta hacia el centro de la gráfica donde se encuentran suelos con una mezcla de partículas de diferentes tamaños (suelos arcillosos). El agua disponible luego cae hacia los suelos de textura fina a la derecha. ¿Cómo se explica la relación entre el agua disponible y la textura del suelo? El suelo grueso no tiene mucha agua disponible porque no retiene mucha agua para empezar. En el otro extremo del espectro, la baja disponibilidad de agua en suelos finos se debe a la fuerte unión entre las partículas del suelo y el agua. Las plantas tienen más dificultades para separar el agua de la partícula del suelo bajo estas condiciones.
Agua subterránea
El agua subterránea ocupa la zona de saturación. Como se representa en el diagrama del ciclo hidrológico, el agua subterránea se mueve hacia abajo a través del suelo por percolación y luego hacia un canal de arroyo o gran masa de agua como filtración. El nivel freático separa la zona de saturación de la zona de aireación. El nivel freático fluctúa con las condiciones de humedad, durante los tiempos húmedos el nivel freático se elevará a medida que se ocupen más espacios de poro con agua El agua subterránea se encuentra en acuíferos, cuerpos de material terrestre que tienen la capacidad de retener y transmitir agua. Los acuíferos pueden ser no confinados o confinados. Los acuíferos no confinados (abiertos) están “conectados” a la superficie de arriba. Los acuíferos confinados (cerrados) están intercalados entre densas capas impermeables de material terrestre llamado acuicludio. El agua subterránea se repone mediante la percolación de agua desde la zona de aireación hacia abajo hasta la zona de saturación, o en la zona de recarga de un acuífero confinado. La zona de recarga es donde el acuífero confinado está expuesto en la superficie y el agua puede entrar en él.
Los acuíferos reponen su suministro de agua muy lentamente. La tasa de flujo de agua subterránea depende de la permeabilidad del acuífero y del gradiente hidráulico. La permeabilidad se ve afectada por el tamaño y conectividad de los espacios porosos. Los espacios de poro más grandes y mejor conectados crean material de tierra altamente permeable. El gradiente hidráulico es la diferencia de elevación entre dos puntos del nivel freático dividido por la distancia horizontal entre ellos. La tasa de flujo de agua subterránea se expresa por la ecuación:
Caudal de agua subterránea = permeabilidad X gradiente hidráulico
Los caudales de agua subterránea suelen ser bastante lentos. El caudal promedio de agua subterránea de 15 m por día es común. Los materiales altamente permeables como las gravas pueden tener velocidades de flujo de 125 m por día.
El agua subterránea en un acuífero está bajo presión llamada presión hidrostática. La presión hidrostática en un acuífero confinado empuja el agua hacia arriba cuando se perfora un pozo en el acuífero. A la altura a la que se eleva el agua se le llama superficie peizométrica. Si la presión hidrostática es lo suficientemente grande como para empujar la superficie peizométrica por encima de la elevación de la superficie, el agua fluye fácilmente como un pozo artesiano.
Aguas subterráneas y actividades humanas
El agua subterránea es una fuente importante de agua para actividades humanas como la agricultura y el agua potable doméstica. En el año 2000, 68% del agua subterránea dulce se utilizó para riego, mientras que otro 19% se extrajo con fines de suministro público, principalmente agua potable. Para quienes abastecen su propia agua para uso doméstico, más del 98 por ciento proviene del agua subterránea.
En regiones secas y en lugares donde los suelos son altamente permeables, la agricultura utiliza grandes cantidades de agua subterránea para el riego. La alta tasa de uso del agua para la agricultura ha alimentado tensiones entre los intereses urbanos y rurales. Un segmento del 4 de diciembre de 1998 “Charla de la Nación - Viernes de la Ciencia”, “San Antonio: Derechos del Agua”, analiza las demandas competitivas de las poblaciones urbanas y rurales que utilizan el acuífero Edwards en el sur de Texas.
Sin embargo, la tasa de remoción de agua subterránea por los humanos a veces excede la recarga del acuífero. Tal es el caso del Acuífero de las Altas Llanuras de Arizona, Colorado, Nuevo México y Utah. El sobrebombeo de las reservas de agua subterránea puede conducir a la compactación y degradación del acuífero. A medida que se elimina el agua, el acuífero a menudo colapsa provocando que la superficie disminuya. La compactación del acuífero reduce el espacio de poro, dificultando la recarga. Uno de los ejemplos más llamativos es el que ha ocurrido en el Valle de San Joaquín de California. Un 6 de agosto de 2013 NPR All Things Considerado segmento Un segmento NPR Morning Edition del 2 de julio de 2013 "Los pozos se están secando en partes de Kansas" describe la difícil situación de los agricultores y ganaderos en Kansas donde los suministros de agua subterránea escasean.
Agua Superficial
Una vez que la precipitación alcanza la superficie, el agua puede infiltrarse en el suelo o moverse a través de la superficie como escorrentía. La escorrentía superficial generalmente ocurre cuando la intensidad de la lluvia excede la tasa de infiltración, o si el suelo está en su capacidad de retención de agua. La infiltración y la capacidad de retención de agua son una función de la textura y estructura del suelo. El suelo compuesto por un alto porcentaje de arena permite que el agua se infiltre a través de ella con bastante rapidez debido a que tiene grandes espacios de poro bien conectados. Los suelos dominados por arcilla tienen bajas tasas de infiltración debido a sus espacios de poro de menor tamaño. Sin embargo, en realidad hay menos espacio total de poros en una unidad de volumen de suelo arenoso grueso que el de suelo compuesto principalmente de arcilla. Como resultado, los suelos arenosos se llenan rápidamente y comúnmente generan escorrentía antes que los suelos arcillosos.
Si la intensidad de la lluvia excede la capacidad de infiltración del suelo, o si el suelo ha alcanzado su capacidad de campo, se produce escorrentía superficial. El agua corre a través de la superficie como flujo confinado o no confinado. El flujo no confinado se mueve a través de la superficie en amplias láminas de agua a menudo creando erosión de la lámina El flujo confinado se refiere al agua confinada a canales. El flujo de corriente es una forma de flujo confinado.
El agua que corre a lo largo de la superficie puede quedar atrapada en depresiones y retenida como almacenamiento de depresión. Aquí el agua puede o bien evaporarse de nuevo en el aire, infiltrarse en el suelo o, derramarse fuera de la depresión a medida que se llena.
El flujo de corriente se mide de diversas maneras, una de las cuales es la descarga de corriente. La descarga de corriente es el volumen de agua que pasa a través de una sección transversal particular de una corriente en una unidad de tiempo. La descarga de corriente se mide en pies cúbicos por segundo o metros cúbicos por segundo. El flujo “normal” o base de una corriente es proporcionado por la filtración de agua subterránea en el canal del arroyo. Esta filtración es lo que mantiene corrientes perennes que fluyen todo el año. Cuando ocurre la precipitación de una tormenta, la descarga de la corriente aumenta a medida que se agrega agua a la corriente, ya sea por precipitación directa al canal o escorrentía.
Un hidrograma de corriente (derecha) ilustra la relación entre descarga y escorrentía. El gráfico de barras azules es precipitación y el gráfico de líneas representa descarga. A medida que pasa el tiempo (medida a lo largo del eje x), la descarga aumenta a medida que cae Observe que el tiempo de precipitación pico ocurre antes de la descarga máxima. Esto se debe a que toma tiempo para que el agua fluya a través de la superficie y entre en la corriente.
El tamaño, la forma, el uso del suelo, la vegetación y la geología de la cuenca determinan la escorrentía y la forma de la gráfica de descarga.
El agua superficial es una fuente importante de abastecimiento de agua, especialmente en el suroeste de Estados Unidos. La población y el desarrollo cada vez mayores están agotando los recursos hídricos regionales. A medida que el río Colorado serpentea a través del desierto pierde la mitad de su caudal a la evaporación y el resto a riego y suministros municipales de agua. La sequía reciente y las temperaturas más cálidas pronosticadas en el futuro pondrán una mayor demanda en este preciado bien. El curso inferior rara vez llega al Golfo de California como lo hizo en tiempos pasados. Ahora bien, este río alguna vez podría suele terminar como un pequeño arroyo o canal seco.
Algunos sienten que hemos alcanzado la tasa máxima de extracción para el petróleo. Es decir, tenemos alcances “pico” en nuestra capacidad para extraer petróleo y la tasa de producción seguirá disminuyendo. ¿Se puede decir lo mismo de nuestro uso del agua? Vea el video a continuación para explorar la respuesta a esta pregunta.