La importancia de la lluvia (Una clase de hidrología)

La lluvia es un factor importante que regula el crecimiento de la vegetación y ésta, a su vez, es un elemento que determina la composición de la lluvia neta que llega a la superficie terrestre; por lo tanto, la diferencia entre los escurrimientos superficiales y la precipitación está sujeta a la capacidad de intercepción de la vegetación y las pérdidas por evaporación de la lluvia interceptada o retenida.

La intercepción, se define, como la cantidad de agua retenida por las hojas, ramas y troncos, al igual que por la cantidad de agua retenida por los residuos vegetales sobre la superficie del suelo

Ésta cantidad se evapora de nuevo a la atmósfera, formando parte, junto con la cantidad de agua evaporada, por el suelo y transpirada por las plantas, de la cantidad total que regresa a la atmósfera

La cantidad y dinámica del proceso de intercepción depende de las características y estructura de la vegetación, y de algunas particularidades de la lluvia, entre ellas: intensidad, duración, forma, dirección, ángulo y distribución del tamaño de la gota; así como de otras variables meteorológicas: temperatura y velocidad del viento

En un sistema hidrológico, la cantidad de agua interceptada puede ser considerada pérdida o ganancia del recurso, que en la ecuación general de balance hídrico podría tomar signo positivo o negativo, según sea el escenario planteado.

En el caso de ser negativa, el agua retenida en la cubierta vegetal se evapora por efecto del viento y la temperatura, y se considera como una pérdida debido a que es resultado de la sustracción de las precipitaciones registradas en los pluviómetros

Si el agua interceptada procede de la humedad del aire o de la condensación, la intercepción representa un incremento o ganancia del recurso.

Las pérdidas por intercepción pueden alcanzar valores importantes a nivel de cuenca hidrográfica (En bosques de pinos que están entre las formaciones vegetales con mayor capacidad de interceptación, se han determinado pérdidas de entre 21 y 48% de la precipitación media anual

A partir del contenido de humedad retenida se ha podido cuantificar el porcentaje de intercepción en residuos vegetales., los cuales son producto de la senescencia natural; retienen un 3% de la precipitación anual.

Se reportan láminas de lluvia interceptada en el orden de los 2.8 mm para residuos vegetales correspondientes a pinos y 1.7 mm para residuos de eucaliptos.

En regiones áridas y semiáridas, en donde la cobertura vegetal predominante corresponde a vegetación arbustiva, se reporta en un amplio rango, que comprende valores de intercepción desde 2.5 hasta 56% de la lluvia total registrada para vegetación herbácea o matorrales se reportan rangos de 3 a 10.9% del total de la lluvia

La estimación de hietogramas e hidrogramas en cuencas hidrográficas se confronta por lo general al problema de la falta de información debido a que no se cuenta con suficientes estaciones meteorológicas e hidrométricas.

En la elaboración y planeación de proyectos de infraestructura hidráulica y rural, para aminorar la problemática mencionada, se utilizan diferentes métodos más o menos empíricos para que a partir de información escasa se estimen los hietogramas e hidrogramas, entre los cuales destacan las relaciones intensidad-duración-frecuencia

Sin embargo, la precipitación considerada en varios métodos, no es afectada por la intercepción, lo cual puede resultar en un sobredimensionamiento de la infraestructura hidráulica o incertidumbre en el balance hídrico de una cuenca.

Ésta es una de las razones por las cuales es importante evidenciar el efecto de la intercepción en las curvas intensidad-duración-frecuencia de la precipitación y su posterior empleo para la estimación de los escurrimientos directos en una zona o cuenca hidrográfica.

De manera adicional, se puede comentar que no existen antecedentes en la literatura que relacionen las pérdidas por intercepción en vegetación con la relación intensidad, duración y frecuencia de la precipitación y su efecto.

Finalmente, se explica el método para estimar la intercepción de la precipitación por la vegetación herbácea utilizando el método de simulación de lluvias en una región semiárida y su efecto en las curvasintensidad-duración-frecuencia;

El estudio sistemático sobre la intercepción comienza con Horton (1919), quien separa la evaporación del suelo de la evaporación ―una vez finalizado el evento― del agua almacenada por la saturación de la superficie arbórea. El autor expresa el componente de la intercepción (EI) de la siguiente manera (

donde E es la evaporación del agua interceptada durante la lluvia; S, la capacidad de almacenaje; t, el tiempo, y tT es la duración del evento de precipitación. La ecuación no contempla la evaporación desde la superficie de los troncos.

A partir de los planteamientos de Horton (1919) se han desarrollado modelos físicos y analíticos para el estudio y modelación del proceso de intercepción, partiendo de la hipótesis de que la vegetación funciona como un reservorio, y otros modelos numéricos y estocásticos (La vegetación arbórea, herbácea y los residuos vegetales producto de la senescencia natural se consideran como un reservorio de agua, el cual es llenado por la lluvia, y vaciado por la evaporación y drenaje.

La lámina interceptada (EI) durante el evento de lluvia se estima mediante un balance de masa, considerando que la evaporación es despreciable durante el evento. La ecuación resultante es

donde P es la lámina precipitada; R, la lámina escurrida; ΔS, la lámina almacenada en un espesor de suelo a un contenido de humedad inicial dado, y D es la lámina percolada a sustratos inferiores de suelo o la lámina drenada a la atmósfera por un sustrato de suelo en condiciones controladas.

El análisis de la precipitación en una región requiere de su distribución probabilística a lo largo del tiempo. En especial, se ha argumentado que la precipitación máxima es satisfactoriamente bien descrita por una distribución de Gumbel

La función de distribución acumulada es la siguiente:

donde 0 < a < ∞ es el parámetro de escala;

–∞ < m < ∞ es el parámetro de posición o valor central. La derivada de la distribución proporciona la función de distribución de las probabilidades o función densidad.

En cuanto a las curvas de intensidad-duración-frecuencia es bastante común el uso de la metodología propuesta por Chen (1983). En ésta, la lluvia con duración de una hora y un periodo de retorno de dos años o más se puede evaluar con una relación a la de 24 horas con igual periodo de retorno, denominada cociente lluvia/duración (R). Este cociente se calcula con la fórmula:

donde P1Tr y P24Tr corresponden, respectivamente, a la lluvia de una hora y 24 horas con periodo de retorno (Tr) de dos o más años.

La metodología requiere también del cálculo del cociente lluvia/periodo de retorno (X)

siendo Pt100 y Pt10 la lluvia de 24 horas y periodo de retorno de 100 años y 10 años, ­respectivamente.

La ecuación de Chen para estimar la lluvia a diferentes duraciones (t) y periodos de retorno (Tr) es:

donde P110 es la lluvia de duración de una hora y periodo de retorno de 10 años, en milímetros; (a), (b) y (c) son parámetros regionales que dependen del cociente (R).Cuantificación de la intercepción en vegetación herbáceaPara cuantificar la lámina de agua interceptada por la vegetación herbácea se utiliza un simulador de lluvias para suministrar el volumen de agua precipitada o equivalente a la lluvia.

Curvas intensidad-duración-frecuencia

Para la obtención de las curvas intensidad-duración-frecuencia es necesario el análisis de la información de la estación climatológica del Cengua. En particular, se considera para el análisis la serie de datos de precipitación máxima mensual en 24 horas para conformar la serie de tiempo de eventos máximos de precipitación para cada año. Después se aplica la distribución de Gumbel, a fin de obtener las precipitaciones máximas correspondientes a los periodos de retorno establecidos, en este caso 2, 5, 10, 25, 50 y 100 años.

Finalmente, las curvas IDF de la precipitación en la región de estudio se estiman siguiendo la metodología de Cheng (1983) ya expuesta, ecuaciones . Espero la interpreten y les sirva para aumentar el conocimiento del agua tan necesario el momento de diseñar, calcular y proyectar obras hidráulicas, para protección-.

NO SE DEBE SER DÉBIL SI SE QUIERE SERE LIBRE

20-06-2024



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Antonio Daza


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