INFLUENCIA DE LA PRECIPITACIÓN

INTRODUCCIÓN

La contaminación atmosférica es uno de los problemas que mayor atención ha despertado en el campo de las Ciencias Atmosféricas en las dos últimas décadas por las consecuencias que está alcanzando tanto para los seres vivos como para el entorno. Este problema no es nuevo pero, debido al desarrollo industrial en el presente siglo, se están viendo hoy día los efectos que produce la contaminación en los diferentes sistemas ecológicos.

Este trabajo se centrará, más que en la propia contaminación atmósfera, en las transformaciones que sufren los dar lugar a las precipitaciones ácidas. Estas inyectada a la contaminantes para precipitaciones se producen generalmente lejos de los focos de contaminación y van asociadas a los fenómenos de transporte transfronterizo, sin embargo, existen precipitaciones que se producen cerca de los focos emisores con un carácter fuertemente ácido, este tipo de precipitaciones locales están asociadas a fenómenos convectivos y son, generalmente, las que depuran la atmósfera de contaminantes por los efectos de retirada y lavado.

El efecto de las precipitaciones ácidas no se produce a niveles solamente locales, sino que esta degradación se hace a través de todo el Hemisferio debido al transporte de los contaminantes a gran escala.

CONCEPTOS

Precipitación: Es cualquier agua meteórica recogida sobre la superficie terrestre. Esto incluye básicamente: lluvia, nieve y granizo. (También rocío y escarcha que en algunas regiones constituyen una parte pequeña pero apreciable de la precipitación total)

En relación a su origen, pueden distinguirse los siguientes tipos:

Las ciclónicas son las provocadas por los frentes asociados a una borrasca o ciclón. La mayor parte del volumen de precipitación recogido en una cuenca se debe a este tipo de precipitaciones.

Las de convección se producen por el ascenso de bolsas de aire caliente; son las tormentas de verano.

Las precipitaciones orográficas se presentan cuando masas de aire húmedo son obligadas a ascender al encontrar una barrera montañosa.

El estudio de las precipitaciones es básico dentro de cualquier estudio hidrológico regional, para cuantificar los recursos hídricos, puesto que constituyen la principal (en general la única) entrada de agua en una cuenca. También en fundamental en la previsión de avenidas, diseños de obras públicas, estudios de erosión, etc.

Intensidad de precipitación es igual a precipitación/tiempo.

La influencia de la precipitación ácida sobre los suelos se traduce en la modificación del pH del estrato de la superficie del suelo cultivable, así como, en la alteración del humus. La mayor parte de los cultivos requieren un pH superior a 4.5, por lo que su rendimiento agrícola se ve disminuido por las precipitaciones ácidas. En España, aunque el índice de industrialización es menor que el de otros países de Europa y Estados Unidos, y el clima es, en general, más seco, el problema de la precipitación ácida es preocupante.

La influencia de las precipitaciones en el comportamiento de la humedad natural de los suelos en el área de la Planta Ferroníquel Minera S.A. lo que permite establecer criterios sobre el método de pre-secado a emplear en el proceso industrial. Para ello se emplea un estudio estadístico de series temporales que se basa en la determinación de la estacionalidad por el método aditivo que sigue una serie de 21 años de datos pluviométricos registrados por 5 pluviómetros del área del estudio y un análisis de varianza por método de determinación simple; cuya aplicación se traduce en la definición con precisión de los períodos húmedos y secos que se manifiestan a nivel local y que permiten obtener la relación de la pluviometría con la humedad natural de los suelos.

VOLUMEN DE PRECIPITACIONES

El volumen de precipitaciones registrado en las regiones es clave para la formación de los yacimientos de drenajes, ya que estos son el resultado de un proceso de intemperismo intenso donde el agua juega un papel trascendental. Estas condiciones de abundantes precipitaciones, intensa evaporación, altas temperaturas y continuas fluctuaciones del nivel freático de las aguas subterráneas debido a la recarga local o regional que experimentan las mismas, someten a estos suelos a diferentes ciclos de secado y humedecimiento en el año. Los suelos tienen su origen en los macizos rocosos preexistentes que constituyen la roca madre, sometida a la acción ambiental disgregadora de la erosión en sus tres facetas: física, química y biológica.

Todo ello da lugar a fenómenos de disgregación y transformación de la roca creándose el perfil de meteorización. Cuando el suelo permanece in situ sin ser transportado se le conoce como suelo residual y cuando ha sido transportado se denomina suelo transportado. Los suelos del área de estudio constituyen todo el material a extraer donde se construye el sistema de drenaje.

pH del suelo

El pH del suelo es una medida de la acidez o alcalinidad en los suelos. Se define como el logaritmo (base 10) negativo de la actividad de los iones hidronio, en una solución. El índice varía de 0 a 14, siendo 7 neutro. Un pH por debajo de 7 es ácido y por encima de 7 es básico (alcalino).

El pH del suelo es considerado como una de las principales variables en los suelos, ya que controla muchos procesos químicos que en este tienen lugar. Afecta específicamente la disponibilidad de los nutrientes de las plantas, mediante el control de las formas químicas de los nutrientes. El rango de pH óptimo para la mayoría de las plantas oscila entre 5,5 y 7,0,1 sin embargo muchas plantas se han adaptado para crecer a valores de pH fuera de este rango.

Precipitaciones : Los suelos ácidos se encuentran más frecuentemente en áreas de alta precipitación. El exceso de lluvias lixivia base de catión de la tierra, el aumento del porcentaje de Al3+ y H+ (aluminio y hidrogeno) en relación con otros cationes. Además, el agua de lluvia tiene un pH ligeramente ácido de 5,7, debido a una reacción con CO2(dióxido de carbono) en la atmósfera que forma ácido carbónico.

PRECIPITACIÓN ACIDA

Se entenderá por precipitación ácida, las diferentes formas en las cuales se puede registrar la deposición sólida, liquida y en estado de agregación de goticulas de niebla, cuyo pH sea inferior a 5.6.

Al abordar este tema surgen algunas cuestiones como qué ácidos están presentes en la deposición, cuál es su concentración, sus precursores, el origen de los mismos y la fase en la que se encuentran en la atmósfera. La contestación a estas cuestiones dará un completo panorama de lo que se entiende por precipitación ácida.

Como se ha citado en la introducción, el problema aquí tratado afecta gravemente a los ecosistemas del Hemisferio Norte y aunque no es un hecho nuevo, a medida que el pH de las precipitaciones va disminuyendo sus efectos van siendo cada vez más devastadores.

En Europa se han registrado precipitaciones con pH medio entre 4 y 5, mientras que en Estados Unidos se han llegado a medir valores inferiores a 4, e incluso se han podido detectar valores muy inferiores a éstos en otros lugares. Aunque de menor importancia, también se han detectado precipitaciones de carácter altamente básico que generan efectos igualmente negativos sobre el entorno. El origen de los precursores puede ser tanto natural como antropogénico; entre las fuentes naturales destacan los volcanes y los cada vez más frecuentes incendios forestales, mientras que la actividad industrial es la principal fuente artificial.

MEDICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN

Los valores de precipitación, para que sean válidos, deben ser científicamente comparables.

la precipitación es importante para el pluviómetro y los fluviógrafos, estos últimos se utilizan para determinar las precipitaciones pluviales de corta duración y alta intensidad. Estos instrumentos deben ser instalados en locales apropiados donde no se produzcan interferencias de edificaciones, árboles, o elementos orográficos como rocas elevadas.

La precipitación pluvial se mide en mm, que sería el espesor de la lámina de agua que se formaría, a causa de la precipitación, sobre una superficie plana e impermeable y que equivale a litros de agua por metro cuadrado de terreno (L/m2).

IMPORTANCIA DE LAS PRECIPITACIONES EN LA INGENIERÍA

Muchas obras de ingeniería civil se ven profundamente influidas por los factores climáticos, por su importancia destacan las precipitaciones pluviales. En efecto, un correcto dimensionamiento del drenaje garantizará la vida útil de una carretera, una vía férrea, un aeropuerto.

El conocimiento de las precipitaciones pluviales extremas y en consecuencia el dimensionamiento adecuado de las obras hidráulicas, así por ejemplo los vertedores de excedencias de las presas, garantizará su correcto funcionamiento y la seguridad de las poblaciones que se sitúan aguas abajo. El cálculo de las lluvias extremas, de corta duración, es muy importante para dimensionar el drenaje urbano, y así evacuar volúmenes de agua que podrían producir inundaciones.

Las características de las precipitaciones pluviales que se deben conocer para estos casos son:

La intensidad de la lluvia y duración de la lluvia: estas dos características están asociadas. Para un mismo período de retorno, al aumentarse la duración de la lluvia disminuye su intensidad media, la formulación de esta dependencia es empírica y se determina caso por caso, con base en los datos observados directamente en el sitio de estudio o en otros sitios próximos con las características hidrometeorológicas similares.

ZONAS PLUVIOMÉTRICAS

Se denomina pluviometría al estudio y tratamiento de los datos de precipitación que se obtienen en los pluviómetros ubicados a lo largo y ancho del territorio, obteniendo así unos datos de gran interés para las zonas agrícolas y regulación de las cuencas fluviales a fin de evitar inundaciones por exceso de lluvia.

Además de la cantidad precipitada, es importante anotar qué tipo de fenómeno se produce (lluvia, llovizna, chubasco, con o sin tormenta) el que ha dado lugar a la precipitación. Los datos se anotan siguiendo el horario del día pluviométrico. La finalidad principal de una estación pluviométrica es la elaboración de la climatología de la zona en la que se encuentra.

Régimen pluviométrico Estacional

Se llama régimen pluviométrico, al comportamiento de las lluvias a lo largo del año, promediando el monto de las precipitaciones (lluvias, nieve, granizo convertidas a mm de lluvia) obtenidas a lo largo de un número considerable de años. Se trata de la recopilación de datos de las precipitaciones a lo largo del año en un lugar determinado.

La pluviometría a nivel mundial es función principalmente de la latitud así como de la distribución de mares y tierras.

En líneas generales, a nivel mundial se pueden establecer las siguientes zonas:

a) Zona polar. Precipitaciones bajas del orden de 100-200 mm/año, todas ellas en forma de nieve durante el inicio del invierno.

b) Zona templada. Precipitaciones del orden de 800-900 mm/año, producidas en su mayor parte por los ciclones Extra tropicales al inicio del invierno y de la primavera; puntualmente precipitaciones tormentosas de verano.

c) Zona desértica. Precipitaciones muy bajas de 50-100 mm/año y muy irregulares (tanto en el espacio como en el tiempo).

d) Zona tropical. Alta pluviosidad con valores en torno a los 3000 mm/año, con lluvias diarias convectivas que pueden alcanzar los 5.000 e incluso 10.000 mm/año

Tipos pluviométrico

1. No registradores. Son los pluviómetros más sencillos y constan de un embudo colector, habitualmente de 8 pulgadas, que recoge la lluvia y la vierte en un tubo medidor de sección menor (1/10 del diámetro del colector), donde por lectura directa (dos veces al día) se conoce la cantidad de lluvia recogida.

2. Registradores. Este tipo de pluviómetros suministra la curva de lluvia en función del tiempo. Este gráfico puede ser un pluviograma o un hietograma.

El hietograma es el gráfico de la intensidad de la lluvia en función del tiempo, mientras que el pluviograma es la distribución en el tiempo de la precipitación acumulada. Por ello el pluviograma es la integral en el tiempo del hietograma.

En la medida de la lluvia existen tanto errores humanos como producidos por el propio aparato. De estos errores los más habituales son los siguientes:

1. El pluviómetro necesita una precipitación mínima para poder registrarla. Este valor mínimo es función del tipo de pluviómetro, pero suele ser aprox. 0,25 mm. Este tipo de error se produce cada vez que se inicia la precipitación con el pluviómetro seco.

2. Errores debidos a turbulencias del viento, muy acusado cuando la precipitación es de nieve.

3. Error por evaporación. Este error depende de las características climáticas de la zona así como del diseño del propio pluviómetro.

4. Errores debidos a la incorrecta instalación del pluviómetro. Fundamentalmente se trata de la no-horizontalidad del colector.

Por último para que las medidas de lluvia sean fiables se necesita una red pluviográfica suficientemente densa. El número de pluviómetros recomendado por unidad de superficie es función de la orografía, en terrenos montañosos se necesitan más estaciones pluviométricas.

La distribución de las lluvias es otro condicionante para definir la densidad de pluviómetros. En zonas llanas basta con una estación cada 100/150 Km2, en zona montañosa la densidad debe de ser superior del orden de una cada 20/30 Km2.

En la selva alta la distribución de lluvias a lo largo del año es marcadamente estacional, puesto que las lluvias se dan principalmente en el verano, como se observa en la Figura. Los meses lluviosos (diciembre a marzo) pueden concentrar algo más del 50 % del total anual de precipitación.

En invierno, sobre el Perú se posicionan las altas presiones subtropicales, de aire mayormente descendente, que al descender frecuentemente de la alta tropósfera se calienta, y por consiguiente pierde humedad relativa, siendo menos probable que genere nubosidad y lluvias.

Por otro lado, la disminución del total de lluvias propias de la estación de invierno no es tan acentuada como en otras regiones del país, y en este Tramo evaluado, siempre son posibles lluvias considerables durante la estación seca, debido a que la zona de estudio se encuentra influenciada por el efecto de lluvias orográficas. La selva, debido a su ubicación geográfica y elevada tasa de condensación, posee un régimen de precipitación bastante regular (considerando una prolongada serie de años).

CÁLCULO DE LA PLUVIOMETRÍA EN UNA CUENCA

En una cuenca suficientemente extensa pueden existir datos de varias estaciones pluviométricas, y se plantea el problema de evaluar una precipitación media. Existen los siguientes métodos de cálculo:

1. Media aritmética de las precipitaciones. Se calcula la precipitación media como la media aritmética de las precipitaciones. Este método sólo es aceptable si existen muchas estaciones y se observa que la precipitación es similar en todas ellas. Además, el valor calculado no incluye ningún tipo de valoración de la distribución espacial de las estaciones.

2. Método de los polígonos de Thiessen. Se basa en asignar cada punto de la cuenca a la estación más próxima; se deben unir las estaciones de dos en dos y dibujar las mediatrices de estos segmentos, asignando a cada estación el área limitada por las poligonales que forman las mediatrices.

3. Método de las isohietas. En la hipótesis de tener suficientes datos como para poder dibujar las isohietas, se puede utilizar este método que consiste en asignar al área entre cada dos isohietas la precipitación media de ellas.

* Las isohietas son líneas que unen puntos con la misma precipitación.

HIDROLOGÍA

La hidrología es el estudio del movimiento, distribución y calidad del agua en todas las zonas de la Tierra, y se dedica tanto al ciclo hidrológico como a los recursos de agua. Los hidrólogos trabajan en ciencias ambientales o geológicas, geografía física, e ingeniería civil y ambiental.

Los dominios de la hidrología incluyen la hidrometeorología, la hidrología superficial, la hidrogeología, la administración del drenaje y la calidad del agua. La oceanografía y la meteorología no están incluidas porque en ellas el agua es sólo uno de muchos aspectos importantes.

La investigación hidrológica es útil en cuanto que nos permite entender mejor el mundo en el que vivimos, y también proporciona conocimientos para la ingeniería ambiental, política y planificación.

Historia de la hidrología

La hidrología ha sido objeto de investigación e ingeniería desde hace milenios. Por ejemplo, sobre el año 4000 a.C. el Nilo fue represado para mejorar la productividad agrícola de las tierras, que antes eran estériles. Las ciudades de Mesopotamia fueron protegidas de los desbordamientos con altas paredes de tierra. Los acueductos fueron construidos por los antiguos griegos y romanos, mientras que en China se construyeron obras para controlar las inundaciones y la irrigación. Los cingaleses usaron la hidrología para construir las complejas obras de irrigación de Sri Lanka, e inventaron válvulas que permitieron la construcción de grandes embalses, presas y canales que todavía funcionan.

Marcus Vitruvius, en el siglo I d.C., describió una teoría filosófica del ciclo hidrológico, en la cual se decía que la precipitación que cae en las montañas se infiltra en la superficie de la tierra y provoca corrientes y brotes en las tierras bajas. Con la adopción de un acercamiento más científico, Leonardo da Vinci y Bernard Palissy alcanzaron de forma independiente una representación exacta del ciclo hidrológico. Hasta el siglo XVII no empezaron a cuantificarse las variables hidrológicas.

Los análisis racionales comenzaron a sustituir al empirismo en el siglo XX, mientras que las agencias gubernamentales comenzaban sus propios programas de investigación hidrológicos. De particular importancia fue la unidad hidrográfica de Leroy Sherman, la teoría de la infiltración de Robert E. Horton y la prueba/ecuación de los acuíferos de C.V. Theis.

Desde los años 1950, el estudio de la hidrología ha tenido una base más teórica que en el pasado, gracias a los avances en el entendimiento físico de los procesos hidrológicos y por el uso de ordenadores y sistemas de información, sobre todo geográficos.

Ramas de la hidrología

* Hidrología química: estudio de las características químicas del agua.

* Ecohidrología: estudio de las interacciones entre los organismos vivos y el ciclo hidrológico.

* Hidrogeología: estudio de la presencia y movimiento del agua en acuíferos.

* Hidroinformática: adaptación de la tecnología de la información a la hidrología y sus aplicaciones a los recursos de agua.

* Hidrometeorología: estudio de la transferencia de agua y energía entre las superficies de tierra y agua y la atmósfera inferior.

* Hidrología de isótopos: estudio de las firmas isotópicas del agua.

* Hidrología superficial: estudio de los procesos hidrológicos que tienen lugar en la superficie de la Tierra o cerca de ella.

Medidas hidrológicas

El movimiento del agua por la Tierra puede ser medido de varias formas. Esta información es importante tanto para la evaluación de los recursos de agua como para el entendimiento de los procesos implicados en el ciclo hidrológico. Lo siguiente es una lista de dispositivos usados por los hidrólogos y lo que miden:

* Disdrómetro - características de precipitación.

* Olla de evaporación de Symon - evaporación.

* Infiltrómetro - infiltración.

* Piezómetro - presión de agua subterránea y, por inferencia, profundidad del agua subterránea.

* Radar - propiedades de las nubes, estimación de la tasa de lluvia, y detección de nieve y granizo.

* Pluviómetro - lluvia y nevada.

* Satélite - identificación de áreas lluviosas, estimación de la tasa de lluvia, uso y cobertura de la tierra, humedad del suelo.

* Higrómetro - humedad.

* Correntómetro - flujo de corriente.

* Tensiómetro - humedad de suelo.

* Refractómetro de dominio temporal - humedad de suelo.

* Sonda de capacitancia - humedad del suelo.

Predicción hidrológica

Las observaciones de los procesos hidrológicos se usan para hacer predicciones sobre el futuro comportamiento de los sistemas hidrológicos (flujo de agua y calidad del agua). Uno de los principales intereses actuales en la investigación hidrológica es la Predicción en Cuencas No calibradas (BAR), es decir, en cuencas donde existen muy pocos datos o ninguno.

Hidrología estadística

Analizando las propiedades estadísticas de los archivos hidrológicos, como la precipitación o el flujo de un río, los hidrólogos pueden estimar los futuros fenómenos hidrológicos. Esto, sin embargo, asume que las características de los procesos permanecen sin alterar.

Estas estimaciones son importantes para ingenieros y economistas, de modo que pueda hacerse un análisis de riesgo apropiado para influir en las decisiones sobre inversión en la futura infraestructura y determinar las características de fiabilidad de la producción de sistemas de abastecimiento de agua. La información estadística se utiliza para formular reglas de operaciones para presas grandes que forman parte de sistemas que incluyen demandas agrícolas, industriales y residenciales.

Modelos hidrológicos

Los modelos hidrológicos son representaciones conceptuales simplificadas de una parte del ciclo hidrológico. Se usan principalmente para la predicción hidrológica y para entender los procesos hidrológicos. Hay dos tipos principales de modelos hidrológicos:

* Modelos basados en datos. Estos modelos son sistemas de caja negra, que usan conceptos matemáticos y estadísticos para asociar una determinada entrada (por ejemplo, precipitación) con un modelo de salida (por ejemplo, escorrentía). Las técnicas que suelen usarse son la regresión, funciones de transferencia, redes neurales e identificación de sistema. Estos modelos son conocidos como modelos de hidrología estocásticos.

* Modelos basados en descripciones del proceso. Estos modelos tratan de representar los procesos físicos observados en el mundo real. Contienen representaciones de escorrentía superficial, flujo su superficial, evapotranspiración y flujo de canal, pero pueden ser mucho más complicados. Estos modelos son conocidos como modelos hidrológicos deterministas. Pueden subdividirse en modelos de un solo evento y modelos de simulación continua.

La investigación reciente sobre modelos hidrológicos trata de tener un acercamiento más global para entender el comportamiento de los sistemas hidrológicos, de manera que se puedan obtener mejores predicciones y afrontar los principales desafíos en la administración de los recursos de agua.

Transporte hidrológico

El movimiento del agua es un medio significativo por el cual otros materiales, como el suelo o los contaminantes, son transportados de un lugar a otro. Desde los años 60, se han desarrollado modelos matemáticos bastante complejos, facilitados por la disponibilidad de ordenadores de alta velocidad. Las clases de contaminantes más comunes que se analizan son nutrientes, pesticidas, y sólidos y sedimentos disueltos.