Hidrología en la ingeniería forestal

Por Carlos Francisco García Olmes

Este libro aborda el marco histórico desde el cual se va generando la hidrología como una ciencia, que luego se enfoca hacia la ingeniería forestal; asimismo, se el proceso de precipitación y cómo se producen las lluvias, los procesos y condiciones que se deben dar, los aparatos para su medición, el estudio de las gráficas para el análisis de las lluvias, sus distribuciones de probabilidad y la aplicación de estas en el diseño de canales de drenaje y el estudio de las variaciones espaciales de la precipitación.

• Idioma: Español
• Editorial: Universidad Distrital Francisco José de Caldas
• Fecha de lanzamiento: 15 abr 2019
• ISBN: 9789587873894

Vista previa del libro

Contenido

Presentación

Introducción

Concepción y desarrollo histórico de la hidrología

Desarrollo hidrológico-forestal

Desarrollo e investigación hidrológico-forestal en Colombia

Investigación hidrológico-forestal de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Ciencias relacionadas con la hidrología

Ramas de la hidrología

Recursos hídricos terrestres

Recursos hídricos en Colombia

Planeación, aprovechamiento y manejo de recursos hídricos

Planeación de los recursos hídricos

Ciclo hidrológico

Cuenca hidrográfica

Regulación hídrica

Aprovechamiento de recursos hídricos

Oferta hídrica

Demanda hídrica

Balance hídrico

Balance hídrico de un embalse

Balance hídrico de una cuenca

Balance hídrico de un bosque

Balance hídrico de un suelo

Balance hídrico de los continentes

Balance hídrico de Colombia

Curva de duración de caudales

Manejo de recursos hídricos

Evaluación y zonificación de la amenaza

Vulnerabilidad

Riesgo

Acciones e investigaciones de la Universidad Distrital francisco josé de caldas

Precipitación

Condiciones para que ocurra la lluvia

Enfriamiento de las masas de aire húmedo por debajo del punto de condensación

Condensación de las masas de aire sobre núcleos

Crecimiento de las gotas de agua hasta alcanzar un peso que les permita caer

Mecanismos de ascenso de las masas de aire cálido y húmedo

Medición de la precipitación

Pluviómetros

Pluviógrafos

Análisis estadístico de la precipitación

Parámetros estadísticos

Medidas de tendencia central de la serie de datos

Medidas de dispersión de la serie de datos

Forma de la distribución

Curvas de frecuencias

Curva de frecuencias acumuladas

Expresiones matemáticas para el cálculo de las probabilidades de las precipitaciones

Introducción a la teoría de las probabilidades de las precipitaciones

Distribución normal de probabilidades

Distribución log-normal de probabilidades

Distribución de Gumbel

Distribución Pearson tipo III

Método de Ven Te Chow

Aplicación de la expresión de Ven Te Chow a las distribuciones de probabilidad

Distribución normal

Distribución log-normal

Distribución de Gumbel

Distribución Pearson III

Aplicación de los análisis de probabilidades de las lluvias

Estudio de intensidad, duración y frecuencia

Recopilación de la información

Análisis de probabilidades de las series de las intensidades de las lluvias

Gráfica de curvas IDF

Determinación de las constantes d y m

Determinación de las constantes C y n

Lluvia de diseño

Frecuencia de la lluvia

Duración crítica de la lluvia

Patrón o tendencia de la lluvia

Precipitación media sobre un área

Promedio aritmético

Polígonos de Thiessen

Isoyetas

Caudal

Aforo volumétrico

Aforo gravimétrico

Aforos relacionados con la concentración de solutos en el flujo

Aforos relacionados con el nivel

Vertederos

Canaleta Parshall

Limnímetros

Limnígrafos

Aforos relacionados con la velocidad

Aforos con flotadores

Molinetes o correntómetro digitales

Establecimiento de una estación de aforos

Control de canal

Sección de control

Operación de una estación de aforos

Hidrograma en una estación limnigráfica

El hidrograma y la cuenca hidrográfica

Características de la cuenca relacionadas con el territorio

Características morfométricas

Características geológicas y de suelos

Características de la cobertura vegetal

Características hidrológicas

Características climatológicas

Características del hidrograma

Forma del hidrograma

Puntos notables del hidrograma

Separación de los componentes del hidrograma

Hidrograma de agua subterránea

Métodos de separación de los componentes del hidrograma

Simulación de hidrogramas

Infiltración

Capacidad de infiltración

Factores que afectan la capacidad de infiltración

Factores relacionados con la lluvia

Intensidad de la lluvia (i) (mm/h)

Impacto de las gotas de lluvia

Transporte de material fino desde la superficie al interior del suelo

Factores relacionados con el suelo

Humedad del suelo

Textura del suelo

Estructura del suelo

Porosidad

Presión de poros del suelo

Factores relacionados con la cobertura vegetal

Sistemas radiculares

Densidad de la cobertura vegetal

Manejo de la cobertura vegetal

Factores relacionados con la actividad antrópica

Medición de la capacidad de infiltración

Anillos infiltrómetros

Análisis mediante hietograma e hidrograma

Determinación de la tasa de pérdida o índice medio de la capacidad de infiltración

Estimación de la pérdida inicial

Selección del evento máximo de lluvia y escorrentía único

Obtención del hietograma e hidrograma

Cálculo de la escorrentía superficial directa y de la lluvia de exceso

Identificación de la lluvia de exceso

Cálculo de la tasa de pérdida (φ)

Clasificación de las crecientes

Relaciones entre precipitación y caudal

Obtención de caudales a partir de precipitaciones observadas

Correlación simple

Correlación múltiple

Balance hídrico

Método racional

Hidrograma unitario

Obtención del hidrograma unitario

Casos de distribución de la lluvia de exceso

Aplicación del hidrograma unitario de intensidad constante

Obtención de caudales a partir de caudales observados

Análisis estadístico de caudales

Generación estocástica de caudales

Componente determinística del caudal

Componente aleatoria

Correlación de caudales

Correlación de limnígrafos o de limnímetros

Estaciones satélites

Curvas de duración de caudales

Análisis regional

Bibliografía

Fuentes de tablas y figuras

Presentación

Este libro se escribe especialmente para estudiantes de ingeniería forestal y de disciplinas afines, y para todos aquellos interesados en los problemas actuales de la humanidad en términos de la disponibilidad y el aseguramiento futuros del agua, para cuya solución tiene gran relevancia la hidrología forestal. Este texto busca ser un referente de la ingeniería forestal en esta área específica del conocimiento, que permita dar una visión integral del papel esencial que tiene el bosque en el ciclo hidrológico. Para ello, se considerarán las relaciones agua-suelo-bosque y se tendrá en cuenta toda la cobertura vegetal que interactúa en el ciclo del agua.

Para dar desarrollo a este objetivo, el autor aprovecha los años de dedicación a la docencia y la investigación en esta disciplina en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. El objetivo general es abordar el conocimiento del ciclo del agua en la naturaleza, con énfasis en el papel del bosque, teniendo en cuenta su existencia, distribución, cantidad, propiedades e influencia sobre el medioambiente. El marco espacial por excelencia para el estudio de la hidrología forestal es la cuenca hidrográfica, la unidad natural de área donde suceden los procesos de precipitación-caudal —enfatizados en este texto—, evapotranspiración, infiltración y formación y dinámica de las aguas subterráneas. Por su parte, como objetivos se proponen los siguientes:

•Conocer los procesos del ciclo hidrológico en el contexto forestal.

•Medir e interpretar los procesos hidrológicos en relación con el bosque.

•Aplicar métodos y procedimientos para el análisis e interpretación de los datos hidrométricos.

•Caracterizar y analizar la red hidrográfica y de otros cuerpos de agua mediante ilustraciones gráficas.

En un primer momento se aborda el contexto histórico desde el cual se viene construyendo el conocimiento de la hidrología forestal. Este saber está en creciente desarrollo y busca la comprensión y cuantificación de los procesos que involucran el bosque en el ciclo del agua. Ciertamente, se están dando avances en muchos aspectos que profundizan en procesos de gran interés, como la interceptación, el escurrimiento fustal, la precipitación bajo el bosque, las escorrentías, las infiltraciones y las recargas de acuíferos bajo diversos tipos de bosques.

También se considerarán las ciencias que han contribuido o están relacionadas con la hidrología forestal y, en general, la ingeniería forestal. Asimismo, se revisarán las diversas ramas de la hidrología y su relación con la hidrología forestal. En la introducción se reflexionará sobre los recursos hídricos terrestres, los presentes en Colombia y sus condiciones y problemáticas actuales, así como el aporte que puede dar el bosque para su potencialización y solución, en un contexto en el que el cambio climático aparece como un agente que está modificando el comportamiento hidrológico.

Luego se revisarán los conceptos de planeación, aprovechamiento y manejo de recursos hídricos en la hidrología forestal, donde la restauración hidrológica forestal tiene un papel fundamental. Igualmente, se presentarán los principales conceptos de planeación de recursos hídricos, entre los cuales se encuentra en primer lugar el ciclo hidrológico. Según la dinámica de este ciclo, se visualizará el papel del bosque en su interacción con el agua y el suelo en la cuenca hidrográfica, y se considerará la regulación hídrica que ella genera.

En cuanto al concepto de aprovechamiento, se hará referencia a la oferta y la demanda hídricas, el balance hídrico de la cuenca, el embalse, el suelo y el bosque. Para este último se presentarán resultados de investigaciones en bosques de Cupressus lusitánica Mill. (ciprés), Eucaliptus globulus Labill. (eucalipto) y bosque natural de la cuenca del río San Cristóbal, localizada al sureste de Bogotá. Se ilustrarán también técnicas para hacer los análisis respectivos.

En cuanto al manejo de recursos hídricos, se abordará el tema de los eventos máximos de lluvias que originan caudales elevados que traen como consecuencia las inundaciones, de las cuales se analizarán las medidas de mitigación de carácter estructural, otras medidas de carácter preventivo y el papel del bosque en este tipo de eventos.

En lo referente a la precipitación, se comenzará por la fundamentación acerca de cómo se producen las lluvias, los procesos y condiciones que se deben dar y la incidencia del bosque en su ocurrencia. Se analizarán aparatos para su medición en cuanto a la cantidad y forma en que las precipitaciones suceden a través del tiempo, y se estudiarán las gráficas para el análisis de las lluvias, sus distribuciones de probabilidad, la aplicación de estas en el diseño de canales de drenaje y el estudio de las variaciones espaciales de la precipitación.

El caudal será estudiado en el marco de la cuenca hidrográfica y los métodos para estimarlo. Se revisarán también las estaciones hidrométricas para medición y se analizarán las gráficas que se obtienen de ellas, así como las características de la cuenca que inciden en el comportamiento del caudal. Además, se estudiará el hidrograma, sus puntos y curvas notables, los componentes y su relación con el hietograma en la obtención de índices de infiltración, al tiempo que se mostrarán los tipos de corrientes y crecientes que se pueden presentar. En el proceso del caudal se vincula el de infiltración, que se caracterizará para varios tipos de bosques de acuerdo con investigaciones hechas en la cuenca del río San Cristóbal.

Las relaciones precipitación-caudal se abordarán mediante métodos que ponen en estrecha relación de causa-efecto estas variables y con los que se pueden completar datos de caudales de los cuales no se ha podido