Hidrología y ciclo del agua: definición, procesos y balance hídrico

La hidrología es la ciencia que estudia las aguas superficiales y subterráneas de la Tierra: su aparición, circulación y distribución, sus propiedades y su relación con el entorno y los seres vivos. Su eje es el ciclo hidrológico o ciclo del agua, la sucesión de fases por las que el agua pasa de la atmósfera a la superficie y al subsuelo y vuelve a la atmósfera, impulsada por la radiación solar y la gravedad.

Definición de hidrología

El Glosario Hidrológico Internacional de la Organización Meteorológica Mundial (OMM) y la UNESCO (OMM-N° 385, 2012) define la hidrología como la ciencia que estudia las aguas situadas sobre y bajo la superficie de los continentes, su aparición, circulación y distribución en el tiempo y el espacio, sus propiedades biológicas, químicas y físicas, y su interacción con el entorno, incluida su relación con los seres vivos.

Esa definición deriva de la que formuló en 1962 un panel del Consejo Federal de Ciencia y Tecnología de Estados Unidos, que agregaba que el dominio de la hidrología abarca la historia completa del agua en la Tierra. El Consejo Nacional de Investigación de ese país la retomó en 1991.

En ingeniería, la hidrología estima cuánta agua hay, dónde y cuándo: caudales medios, crecidas de diseño, recarga de acuíferos o consumo de los cultivos. La hidráulica usa después esos caudales para dimensionar canales, tuberías y estructuras.

Ramas de la hidrología

El glosario de la OMM y la UNESCO distingue, entre otras, estas ramas:

• Hidrología de aguas superficiales: procesos de la superficie terrestre, en especial los flujos sobre el terreno. Incluye la potamología, que estudia los cursos de agua y su régimen, y se vincula con la limnología, dedicada a lagos y embalses.
• Hidrogeología o hidrología subterránea: aguas subterráneas, con base en la geología y la mecánica de fluidos.
• Hidrometeorología: fases atmosférica y terrestre del ciclo y sus interrelaciones.
• Criología y glaciología: la criosfera (hielo, nieve y permafrost) y el hielo en todas sus formas.
• Ecohidrología: interacción entre el ciclo hidrológico y los ecosistemas.
• Hidrología urbana: zonas dominadas por superficies casi impermeables y efecto de la urbanización sobre el agua.

Estas divisiones son operativas: el agua infiltrada en una ladera reaparece como caudal base de un río, y el estudio de una cuenca hidrográfica combina varias ramas.

Hidrología superficial y subterránea

La hidrología superficial analiza cómo se reparte la precipitación en la superficie: cuánto retiene la vegetación, cuánto se infiltra, cuánto se acumula en lagos y embalses y cuánto escurre hacia la red de drenaje. Produce hidrogramas de crecida, caudales de diseño y estimaciones de disponibilidad, y apoya la gestión de inundaciones, sequías y calidad del agua, ya que la escorrentía superficial arrastra sedimentos y contaminantes.

La hidrología subterránea estudia el agua que ocupa los poros y fracturas del suelo y las rocas. Bajo la superficie hay una zona no saturada, con agua y aire en los poros, y una zona saturada. En un acuífero libre, el límite superior de la zona saturada es el nivel freático, donde la presión del agua iguala la atmosférica. Sus problemas típicos son la recarga, el rendimiento de pozos, el descenso de niveles por bombeo y la contaminación.

Ciclo hidrológico y energía

Según el glosario de la OMM y la UNESCO, el ciclo hidrológico es la sucesión de fases que recorre el agua desde la atmósfera hasta la Tierra y de regreso: evaporación, condensación en nubes, precipitación, intercepción, infiltración, percolación, escorrentía, acumulación en el suelo o en masas de agua y nueva evaporación. A escala de tiempo humana, la cantidad total de agua se considera constante; lo que cambia es su estado y su ubicación.

Dos fuentes de energía lo mueven. La radiación solar evapora el agua, funde o sublima el hielo y calienta la superficie de forma desigual, lo que genera los vientos que transportan el vapor. La gravedad hace caer la precipitación y fluir el agua por laderas, cauces y acuíferos. El relieve no impulsa el agua: solo define su recorrido.

Evaporar consume mucha energía. La FAO adopta un calor latente de vaporización de 2,45 MJ/kg, válido a unos 20 °C, y 1 mm de agua sobre 1 m² equivale a 1 kg:

donde $E$ es la energía consumida (MJ/m²), $\lambda$ el calor latente de vaporización (MJ/kg) y $ET$ la lámina evaporada, expresada en kg/m².

Procesos del ciclo

• Evaporación: paso de líquido a vapor bajo el punto de ebullición, desde océanos, lagos, ríos y suelo húmedo.
• Transpiración: salida a la atmósfera, como vapor, del agua que las plantas toman del suelo. Junto con la evaporación forma la evapotranspiración.
• Sublimación: paso directo de hielo a vapor, favorecido por aire seco, viento, radiación fuerte y baja presión, como ocurre en alta montaña.
• Condensación: paso de vapor a líquido al enfriarse el aire; ocurre sobre núcleos de polvo, sal o humo y forma nubes, niebla y rocío.
• Precipitación: caída de lluvia, llovizna, nieve o granizo; es la entrada de agua a las cuencas y se mide en milímetros (ver precipitación).
• Intercepción: retención de lluvia en follaje y hojarasca, desde donde puede evaporarse sin llegar al suelo.
• Infiltración y percolación: la infiltración es la entrada del agua al suelo por su superficie; la percolación, su descenso por la zona no saturada hasta el acuífero.
• Escorrentía: precipitación que fluye hacia un cauce por la superficie o por el interior del suelo. La superficial aparece cuando la lluvia supera la capacidad de infiltración o el suelo está saturado.
• Fusión: derretimiento de nieve y glaciares, que en cuencas de montaña traslada la escorrentía a primavera y verano.
• Flujo subterráneo: movimiento del agua en un acuífero; descarga en manantiales, ríos y el mar y sostiene el caudal base en períodos secos.

La latitud, la distancia al océano y el relieve determinan qué rutas dominan en cada lugar.

Almacenes de agua

El Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS), con datos de Shiklomanov (1993), estima que la Tierra contiene unos 1.386 millones de km³ de agua y que los océanos guardan el 96,54 %. El agua dulce suma cerca de 35 millones de km³, alrededor del 2,5 % del total; de ella, el 68,7 % está en hielo y nieve permanente y el 30,1 % es subterránea.

Según el Centro Nacional de Datos de Nieve y Hielo de Estados Unidos (NSIDC), los mantos de hielo de la Antártica y Groenlandia contienen más del 99 % del hielo continental y más del 68 % del agua dulce. Su fusión completa elevaría el nivel del mar unos 58 m y 7,4 m, respectivamente, es decir, unos 65 m en conjunto.

Flujos y tiempos de residencia

Trenberth et al. (2007) estimaron los flujos anuales medios del ciclo global: sobre los océanos se evaporan 413.000 km³ y precipitan 373.000 km³; sobre los continentes precipitan 113.000 km³ y se evapotranspiran 73.000 km³. Los 40.000 km³ de diferencia viajan como vapor hacia los continentes y vuelven al mar como escorrentía, cerca del 35 % de la precipitación continental.

El tiempo de residencia es el período que el agua permanece en un componente del ciclo. En régimen permanente se estima como:

donde $T_r$ es el tiempo de residencia medio, $S$ el volumen almacenado (km³) y $F$ el flujo de entrada o de salida (km³/año).

Los volúmenes son del USGS; los flujos, de Trenberth et al. (2007), y la recarga, de Döll y Fiedler (2008), por lo que los resultados valen como órdenes de magnitud. La atmósfera renueva su vapor en unos diez días: una temporada lluviosa depende de un aporte continuo de humedad, no de una reserva.

Balance hídrico

El ciclo se cuantifica con la conservación de la masa en un volumen de control: la variación del almacenamiento es igual a las entradas menos las salidas.

donde $S$ es el volumen almacenado (m³), $t$ el tiempo (s) e $I$ y $O$ los caudales de entrada y salida (m³/s). A escala global, el almacenamiento no cambia: en los océanos, 373.000 + 40.000 − 413.000 = 0 km³/año. En una cuenca, con los términos expresados como lámina sobre su área:

donde $P$ es la precipitación, $ET$ la evapotranspiración real, $Q$ la escorrentía en la salida, $G$ el flujo subterráneo neto que sale de la cuenca y $\Delta S$ la variación de almacenamiento en suelo, acuíferos, nieve y embalses, todos en mm. Un caudal medio se convierte en lámina con:

con $\bar{Q}$ en m³/s, $\Delta t$ en s y $A$ en m². En promedios multianuales suele aceptarse $\Delta S \approx 0$, y si las divisorias superficial y subterránea coinciden, $G \approx 0$. Cada término se detalla en balance hídrico.

Ejemplo resuelto

Una cuenca de 850 km² registra, en 30 años, una precipitación media de 780 mm/año y un caudal medio de 5,4 m³/s, y sus divisorias superficial y subterránea coinciden. Se pide la evapotranspiración real, el coeficiente de escorrentía y la energía de evapotranspiración, y luego el balance de un año seco con 520 mm de lluvia, 2,1 m³/s de caudal y 540 mm de evapotranspiración estimada.

1. Escorrentía. Con $\Delta t = 31{,}536 \times 10^{6}$ s (365 días) y $A = 850 \times 10^{6}$ m², el volumen anual es de 170,3 hm³ y la lámina:

2. Evapotranspiración. Con $\Delta S \approx 0$ y $G \approx 0$:

3. Coeficiente de escorrentía. $C = Q/P = 200{,}3/780 = 0{,}257$: el 25,7 % de la precipitación sale como caudal.

4. Energía. Con 579,7 mm = 579,7 kg/m²:

Repartida en el año, equivale a una potencia media de 45 W/m² aportada por la radiación solar.

5. Año seco. Los 2,1 m³/s equivalen a 77,9 mm:

La cuenca extrajo 83,2 hm³ de la humedad del suelo, los acuíferos y los embalses. Suponer $\Delta S = 0$ en ese año aislado daría una evapotranspiración de 442,1 mm, un 18 % menor que la estimada.

Uso del suelo y cambio climático

Según el USGS, embalses, trasvases y riego cambian dónde se almacena el agua y por dónde vuelve a la atmósfera. Cuando techos y pavimentos reemplazan suelo y vegetación, la infiltración y la evapotranspiración bajan y la escorrentía crece y llega antes a los cauces. El IPCC evalúa con confianza alta que la urbanización intensifica la escorrentía y, con confianza media, que aumenta la precipitación sobre las ciudades o a sotavento de ellas; el ciclo hidrológico urbano trata estos efectos.

El Sexto Informe de Evaluación del IPCC (2021) proyecta que la precipitación diaria extrema se intensificará cerca de un 7 % por cada 1 °C de calentamiento global, que la precipitación y los caudales serán más variables en la mayoría de las regiones continentales y que, en regiones dominadas por la nieve, la fusión se adelantará, con caudales máximos mayores a costa de los de verano. En cuencas nivales andinas, esto obliga a revisar el supuesto de estacionariedad de las series usadas en diseño.

Errores frecuentes

• Atribuir el movimiento del agua al relieve: la energía proviene de la radiación solar y de la gravedad; el relieve solo orienta el flujo.
• Decir «nivel hidrostático» por nivel freático: la superficie de la zona saturada de un acuífero libre es el nivel freático; en acuíferos confinados se habla de superficie piezométrica.
• Confundir porcentajes: los ríos son el 0,0002 % del agua total, pero el 0,006 % del agua dulce.
• Suponer $\Delta S = 0$ en un año aislado: en el ejemplo, subestima la evapotranspiración en un 18 %.
• Leer el tiempo de residencia como la edad de cada gota: es un promedio; parte del agua sale en horas y otra permanece mucho más.

Preguntas frecuentes

Fuentes

• Organización Meteorológica Mundial y UNESCO (2012). Glosario Hidrológico Internacional (OMM-N° 385). OMM y UNESCO. https://library.wmo.int/records/item/35589-international-glossary-of-hydrology
• National Research Council (1991). Opportunities in the Hydrologic Sciences. National Academy Press. https://www.nationalacademies.org/read/6107/chapter/3
• U.S. Geological Survey (s. f.). The Water Cycle y Where is Earth's Water? USGS Water Science School. https://www.usgs.gov/special-topics/water-science-school/science/water-cycle y https://www.usgs.gov/special-topics/water-science-school/science/where-earths-water
• Trenberth, K. E., Smith, L., Qian, T., Dai, A. y Fasullo, J. (2007). Estimates of the global water budget and its annual cycle using observational and model data. Journal of Hydrometeorology, 8(4), 758–769. https://journals.ametsoc.org/view/journals/hydr/8/4/jhm600_1.xml
• Döll, P. y Fiedler, K. (2008). Global-scale modeling of groundwater recharge. Hydrology and Earth System Sciences, 12, 863–885. https://hess.copernicus.org/articles/12/863/2008/hess-12-863-2008.html
• National Snow and Ice Data Center (s. f.). Quick facts on ice sheets. NSIDC. https://nsidc.org/learn/parts-cryosphere/ice-sheets/ice-sheet-quick-facts
• IPCC (2021). Summary for Policymakers. En Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Cambridge University Press. https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/chapter/summary-for-policymakers/
• Allen, R. G., Pereira, L. S., Raes, D. y Smith, M. (1998). Crop evapotranspiration: Guidelines for computing crop water requirements (Estudio FAO Riego y Drenaje 56). FAO. https://www.fao.org/4/x0490e/x0490e07.htm