Flujo de corriente

El caudal de un río o escorrentía de un canal es el flujo de agua en arroyos y otros canales , y es un elemento importante del ciclo del agua . Es un componente de la escorrentía , el movimiento del agua desde la tierra hasta los cuerpos de agua , y el otro componente es la escorrentía superficial . El agua que fluye por los canales proviene de la escorrentía superficial de las laderas adyacentes, del flujo de agua subterránea que sale del suelo y del agua descargada por las tuberías. La descarga de agua que fluye por un canal se mide utilizando medidores de caudal o se puede estimar mediante la ecuación de Manning . El registro del caudal a lo largo del tiempo se denomina hidrograma . Las inundaciones se producen cuando el volumen de agua supera la capacidad del canal.

Los ríos desempeñan un papel fundamental en el ciclo hidrológico , esencial para toda la vida en la Tierra. Una gran variedad de especies biológicas, desde organismos unicelulares hasta vertebrados, dependen de los sistemas de agua corriente para su hábitat y sus recursos alimentarios. Los ríos son paisajes acuáticos importantes para todo tipo de plantas y animales. Los ríos incluso ayudan a mantener los acuíferos subterráneos llenos de agua al descargar agua hacia abajo a través de sus cauces. Además de eso, los océanos se mantienen llenos de agua porque los ríos y las escorrentías los refrescan continuamente. ^[1] El flujo de los ríos es el principal mecanismo por el cual el agua se mueve desde la tierra hacia los océanos o hacia las cuencas de drenaje interior .

La descarga de un arroyo proviene de cuatro fuentes: precipitación del canal, flujo superficial, flujo intermedio y agua subterránea.

• La precipitación del canal es la humedad que cae directamente sobre la superficie del agua y, en la mayoría de los arroyos, agrega muy poco a la descarga.

• El agua subterránea ingresa al lecho del río donde el canal se cruza con el nivel freático, lo que proporciona un suministro constante de agua, denominado caudal base , tanto durante los períodos secos como lluviosos. Debido a la gran cantidad de agua subterránea disponible para los ríos y la lentitud de la respuesta del agua subterránea a los eventos de precipitación, el caudal base cambia solo gradualmente con el tiempo y rara vez es la causa principal de las inundaciones. Sin embargo, sí contribuye a las inundaciones al proporcionar una etapa sobre la cual se superpone la escorrentía de otras fuentes.

• El flujo intersticial es el agua que se infiltra en el suelo y luego se desplaza lateralmente hacia el cauce del río en la zona por encima del nivel freático . Gran parte de esta agua se transmite dentro del suelo y parte de ella se desplaza dentro de los horizontes. Junto con el flujo base, es la fuente de descarga más importante para los ríos en tierras boscosas. El flujo superficial en áreas densamente boscosas hace contribuciones insignificantes al caudal del río.

• En las regiones secas, las áreas cultivadas y urbanizadas, el flujo superficial o la escorrentía superficial suelen ser una fuente importante de escorrentía fluvial. El flujo superficial es una escorrentía de aguas pluviales 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. Con lluvias intensas y en ausencia de barreras como terreno irregular, vegetación y tierra absorbente, puede acumularse, alcanzando rápidamente los cauces fluviales en cuestión de minutos y provocando aumentos repentinos del caudal. Los tiempos de respuesta más rápidos entre la lluvia y el flujo fluvial se producen en las áreas urbanizadas, donde los desagües de los jardines, las cunetas de las calles y las alcantarillas pluviales recogen el flujo superficial y lo dirigen directamente a los arroyos. Las velocidades de escorrentía en las tuberías de las alcantarillas pluviales pueden alcanzar los 10 a 15 pies por segundo. ^[2]

Los ríos están en constante movimiento, lo cual es bueno para el medio ambiente, ya que el agua estancada no se mantiene fresca y apetecible por mucho tiempo. Hay muchos factores, tanto naturales como inducidos por el hombre, que hacen que los ríos cambien continuamente: ^[3]

Mecanismos naturales

• Escorrentía de lluvias y deshielo
• Evaporación del suelo y de cuerpos de agua superficiales
• Transpiración de la vegetación
• Descarga de aguas subterráneas de los acuíferos
• Recarga de aguas subterráneas a partir de cuerpos de agua superficiales
• Sedimentación de lagos y humedales
• Formación o disipación de glaciares , campos de nieve y permafrost

Mecanismos inducidos por el hombre

• Extracción de aguas superficiales y desvíos entre cuencas
• Regulación del caudal de los ríos para la energía hidroeléctrica y la navegación
• Construcción, remoción y sedimentación de embalses y lagunas de retención de aguas pluviales
• Canalización de corrientes de agua 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

El caudal de un río se mide como la cantidad de agua que pasa por un punto específico a lo largo del tiempo. Las unidades que se utilizan en los Estados Unidos son los pies cúbicos por segundo , mientras que en la mayoría de los demás países se utilizan los metros cúbicos por segundo . Hay diversas formas de medir el caudal de un río o canal. Un medidor de caudal proporciona un caudal continuo a lo largo del tiempo en un lugar para la gestión de los recursos hídricos y el medio ambiente u otros fines. Los valores del caudal de un río son mejores indicadores que la altura del medidor de las condiciones a lo largo de todo el río. El personal del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) realiza mediciones del caudal de un río aproximadamente cada seis semanas . Se adentran en el río para realizar la medición o lo hacen desde un barco, un puente o un teleférico sobre el río. Para cada estación de medición, se determina una relación entre la altura del medidor y el caudal mediante mediciones simultáneas de la altura del medidor y el caudal en el rango natural de caudales (desde caudales muy bajos hasta inundaciones). Esta relación proporciona los datos del caudal de esa estación. ^[5] Para fines que no requieren una medición continua del caudal de un río a lo largo del tiempo, se pueden utilizar medidores de corriente o perfiladores acústicos de velocidad Doppler . En el caso de arroyos pequeños, de unos pocos metros de ancho o menos, se pueden instalar vertederos .

Un método informal que proporciona una aproximación del caudal de la corriente, denominado método naranja o método de flotación, es el siguiente:

1. Mida la longitud de un arroyo y marque los puntos de inicio y fin. Para obtener la medición más precisa, se desea obtener la longitud más larga sin cambiar las condiciones del arroyo.
2. Coloca una naranja en el punto de partida y mide el tiempo que tarda en llegar al punto de llegada con un cronómetro. Repite esto al menos tres veces y calcula el promedio de los tiempos medidos.
3. Expresar la velocidad en metros por segundo. Si las mediciones se realizaron en la mitad de la corriente (velocidad máxima), la velocidad media de la corriente es aproximadamente 0,8 de la velocidad medida para condiciones de fondo áspero (rocoso) y 0,9 de la velocidad medida para condiciones de fondo liso (lodo, arena, lecho rocoso liso). ^{[6] [7]}

En los Estados Unidos, los medidores de caudal se financian principalmente con fondos de los gobiernos estatales y locales. En el año fiscal 2008, el USGS proporcionó el 35% de la financiación para el funcionamiento y el mantenimiento diarios de los medidores. ^[8] Además, el USGS utiliza hidrogramas para estudiar el caudal de los ríos. Un hidrograma es un gráfico que muestra, en la mayoría de los casos, el nivel del río (altura del agua por encima de una altitud arbitraria) y el caudal (cantidad de agua, normalmente en pies cúbicos por segundo). También se pueden representar gráficamente otras propiedades, como la precipitación y los parámetros de calidad del agua . ^[9]

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En la mayoría de los cursos de agua, especialmente en aquellos con cuencas hidrográficas pequeñas, no se dispone de registros de caudal. En ese caso, es posible realizar estimaciones de caudal utilizando el método racional o alguna versión modificada de este. Sin embargo, si se dispone de registros cronológicos de caudal para un curso de agua, se puede realizar un pronóstico a corto plazo del caudal para una tormenta determinada utilizando un hidrograma.

Este método implica la construcción de un gráfico en el que se representa el caudal generado por una tormenta de un tamaño determinado a lo largo del tiempo, normalmente horas o días. Se denomina método del hidrograma unitario porque solo tiene en cuenta la escorrentía producida por una tormenta en particular en un período de tiempo específico (el tiempo que tarda un río en subir, alcanzar su nivel máximo y bajar su nivel en respuesta a una tormenta).

Una vez que se establece una relación entre la precipitación y la escorrentía, los datos de precipitación subsiguientes se pueden utilizar para pronosticar el caudal de las tormentas seleccionadas, llamadas tormentas estándar. Una tormenta estándar es una tormenta de alta intensidad de cierta magnitud y frecuencia conocidas. Un método de análisis del hidrograma unitario implica expresar el aumento hora a hora o día a día del caudal como porcentaje de la escorrentía total. Estos datos, representados en un gráfico, provienen del hidrograma unitario de esa tormenta, que representa la escorrentía añadida al caudal base anterior a la tormenta.

Prever los caudales en una gran cuenca hidrográfica utilizando el método del hidrograma unitario sería difícil porque en una gran cuenca las condiciones geográficas pueden variar significativamente de una parte a otra de la misma. Esto es especialmente así con la distribución de las precipitaciones, ya que una tormenta individual rara vez cubre la cuenca de manera uniforme. Como resultado, la cuenca no responde como una unidad a una tormenta determinada, lo que dificulta la construcción de un hidrograma fiable.

En el caso de cuencas de gran tamaño, en las que el hidrograma unitario puede no ser útil ni fiable, se utiliza el método de magnitud y frecuencia para calcular la probabilidad de recurrencia de grandes caudales basándose en los registros de caudales de años anteriores. En Estados Unidos, estos registros los mantiene la División Hidrológica del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) para los grandes cursos de agua. En el caso de una cuenca con una superficie de 5.000 millas cuadradas o más, el sistema fluvial suele medirse en cinco a diez puntos.

Los datos de cada estación de medición se aplican a la parte de la cuenca situada aguas arriba de esa ubicación. Dadas varias décadas de caudales anuales máximos para un río, se pueden hacer proyecciones limitadas para estimar el tamaño de algún caudal importante que no se ha experimentado durante el período de registro. La técnica implica proyectar la curva (línea gráfica) que se forma cuando se trazan los caudales anuales máximos contra sus respectivos intervalos de recurrencia. Sin embargo, en la mayoría de los casos la curva se dobla fuertemente, lo que dificulta trazar una proyección con precisión. Este problema se puede superar trazando los datos del caudal y/o del intervalo de recurrencia en papel cuadriculado logarítmico. Una vez que el gráfico se endereza, se puede trazar una línea a través de los puntos. Luego se puede hacer una proyección extendiendo la línea más allá de los puntos y luego leyendo el caudal apropiado para el intervalo de recurrencia en cuestión.

La escorrentía de agua en los canales es responsable del transporte de sedimentos , nutrientes y contaminación río abajo. Sin el flujo fluvial, el agua de una cuenca hidrográfica determinada no podría progresar naturalmente hasta su destino final en un lago u océano. Esto alteraría el ecosistema. El flujo fluvial es una ruta importante de agua desde la tierra hasta los lagos y océanos. Las otras rutas 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 desde tuberías y canales construidos. ^[10]

El caudal de los ríos aporta a la sociedad tanto beneficios como peligros. El agua que se escurre río abajo es un medio para recoger agua para almacenarla en presas con el fin de generar energía o extraerla. El caudal de agua ayuda al transporte río abajo. Un curso de agua determinado tiene un caudal máximo que puede ser absorbido por el canal y que se puede calcular. Si el caudal supera este caudal máximo, como ocurre cuando hay una cantidad excesiva de agua en el curso de agua, el canal no puede absorber toda el agua y se producen inundaciones.

La inundación del río Misisipi de 1993 , la mayor registrada en el río, fue una respuesta a las fuertes y prolongadas lluvias de primavera y verano. Las lluvias tempranas saturaron el suelo en más de 300.000 millas cuadradas de la cuenca alta, reduciendo en gran medida la infiltración y dejando los suelos con poca o ninguna capacidad de almacenamiento. A medida que las lluvias continuaban, las depresiones superficiales, los humedales, los estanques, las zanjas y los campos agrícolas se llenaron de escorrentía superficial y agua de lluvia. Al no quedar capacidad para retener agua, la lluvia adicional fue forzada desde la tierra hacia los canales 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 canal del Misisipi, lo que provocó que se desbordara de sus orillas sobre las llanuras de inundación adyacentes. Donde las aguas de la inundación fueron constreñidas artificialmente por un canal diseñado bordeado por diques construidos e incapaz de derramarse sobre una gran sección de la llanura de inundación, los niveles de inundación forzaron a subir aún más. ^[11]

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