Capítulo 3 RETENCIÓN SUPERFICIAL

DEFINICIÓN La Retención Superficial es un término que engloba a dos componentes del ciclo hidrológico que son la Interceptación y la Detención Superficial. Se define como el agua procedente de la lluvia que queda retenida o bien en la vegetación o bien en el suelo constituyendo lagunas. En el presente capítulo se van a estudiar cada una de ellas por separado. En primer lugar se analizará la Interceptación y, posteriormente, la Detención Superficial. INTERCEPTACIÓN Definición Se define la Interceptación como la parte de lluvia retenida por la vegetación. La cantidad de lluvia interceptada dependerá del tipo de vegetación, es decir del tamaño de la hoja, densidad de la vegetación, de la velocidad del viento, intensidad y duración del aguacero, etc. No obstante, la capacidad máxima que puede almacenar una hoja oscila entre 1 y 2 l/m2. La Interceptación coincide con la precipitación si los aguaceros son pequeños (P < 5 l/m2) y constituye aproximadamente el 10 % de ésta si son mucho mayores de esta cantidad. De forma más simplificada, la Interceptación puede obtenerse como un porcentaje de la lluvia con la siguiente expresión:

In = α P

(3.1)

donde α es un coeficiente cuyo valor depende del tipo de cobertura vegetal y que suele valer entre 0.1 y 0.2 para zonas húmedas con amplia cobertura vegetal y 0 para zonas semiáridas. En zonas amplias de bosque la Interceptación puede llegar al orden del 10 %, e incluso del 20 % de la precipitación. La Interceptación es la componente del ciclo hidrológico más difícil de medir teniendo en cuenta que, en períodos largos, el agua interceptada se evapora o discurre por el dosel vegetal llegando a infiltrarse incrementado la reserva del agua del suelo.

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HIDROLOGÍA I: CICLO HIDROLÓGICO

Cálculo de la Interceptación

El papel hidrológico de la vegetación obliga a reconsiderar viejos aforismos para los que una repoblación forestal implica un incremento de la precipitación de una región. Se puede observar que hay regiones húmedas en las que se convierte un menor volumen de lluvia en agua superficial debido precisamente al papel interceptor que juega la cobertera vegetal. El agua interceptada es agua susceptible de evaporarse al incorporarse de nuevo a la atmósfera en fase vapor. Únicamente el agua que resbale por el tronco del árbol o por la planta llegará al suelo infiltrándose o escurriéndose superficialmente. Para calcular la Interceptación se puede realizar un sencillo balance de masa en el que se establece que la precipitación total que recibe el dosel Pd se reparte entre el volumen evaporado desde el dosel, Ed, lo que pasa a través del mismo, Ps, lo que escurre por el tronco, Pt, y un residuo que es la Interceptación, In: I n = Pd − Pt − Ps − E d

(3.2)

La Interceptación es una variable del ciclo hidrológico que crece con una fuerte pendiente en los primeros instantes de un aguacero pero, posteriormente se estabiliza con un crecimiento menor hasta que se establece un régimen estacionario entre lo que la vegetación es capaz de retener y el agua que escurre por la planta hasta el suelo y la cantidad de agua que se evapora (Figura 3.1). VIN

Tiempo dVIN/dt

Tiempo

Figura 3.1. Evolución temporal de la Interceptación durante un aguacero.

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Capítulo 3. RETENCIÓN SUPERFICIAL

Modelo de Horton

Para evaluar la Interceptación se han seguido diferentes modelos. Uno de ellos, propuesto por Horton, estima el volumen interceptado a partir de la precipitación total siguiendo una ley lineal con coeficientes ajustados empíricamente: I n = S d + γ Pd

(3.3)

siendo Sd y γ parámetros que dependen del tipo de vegetación. En la Tabla 3.1 se muestran valores de dichos parámetros. Tabla 3.1. Parámetros del modelo de Horton. h es la altura de la planta en m. Tipo de cubierta Huertos Bosque de fresno Bosque de hayas Bosque de robles Bosque de arces Sauces Pinares Cubierta herbácea Trébol y praderas Alfalfa, veza y pastos Cereales

Sd (mm) 1.02 0.51 1.02 1.27 1.02 0.51 1.27 1.67 h 0.42 h 1.67 h 0.42 h

γ 0.18 0.18 0.18 0.18 0.18 0.4 0.2 0.49 h 0.26 h 0.33 h 0.16 h

Modelo de Linsley

En este modelo se supone que la Interceptación alcanza su valor final de modo exponencial al aumentar la cantidad de precipitación: I n = (S d + k ⋅ I e ⋅ t l ) ⋅ [1 − exp(− a ⋅ Pd )]

(3.4)

donde Ie es la intensidad de evaporación, constante, tl es la duración de la lluvia y k y a son dos coeficientes. Modelo de Singh

Singh ha sugerido la siguiente expresión:  P I n = S d 1 − exp d  Sd 

  + k ⋅ I e ⋅ t l 

(3.5)

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HIDROLOGÍA I: CICLO HIDROLÓGICO

Tanto esta ecuación como la propuesta por Linsley se reducen a la de Horton cuando la lluvia es abundante. Modelo de Rutter

Rutter et al. Plantean un modelo basado en una ecuación de balance de masa, tal como se expone en la Figura 3.2. En este esquema la precipitación total Pd se divide en tres partes, la primera de ellas corresponde al agua que cae directamente sobre el entramado de hojas y ramas en donde es retenida, (1-fd-ft) Pd, la segunda corresponde a la que cae sobre el tronco por donde escurre hasta el suelo, ft Pd, y la última la que atraviesa directamente el dosel o copa, fd Pd, donde ft y fd son las fracciones correspondientes a la lluvia interceptada por el tronco y la no interceptada ni por el dosel ni por el tronco, respectivamente. La estructura conceptual de este modelo se refleja en la Figura 3.3.

Pd

Evaporación (1-ft-fd) Pd

fd Pd

ft Pd

Figura 3.2. Modelo de Rutter et al.

En la Figura 3.3 I es la intensidad de lluvia, In es el volumen de agua retenida en la planta por interceptación, S es la capacidad de almacenamiento total de la planta, Ie0 es la intensidad de evaporación potencial (intensidad máxima), Ie es la intensidad de evaporación del agua almacenada y Ig es la intensidad de goteo desde la cubierta. 36

Capítulo 3. RETENCIÓN SUPERFICIAL

Tanto en el dosel como en el tronco el agua se evapora con una intensidad Ie, que será a la potencial Ie0 multiplicada por un coeficiente de proporcionalidad de exceso de agua sobre la capacidad de almacenamiento. Existe también una pérdida por caída o goteo, Ig, hacia el suelo, cuya velocidad depende del exceso de almacenamiento del dosel, que se anula cuando el volumen de agua en el dosel es inferior a la capacidad de almacenamiento del mismo. El balance de masa establece la siguiente expresión: dI n = (1 − f d ) ⋅ I − I e − I g dt

(3.6)

La intensidad de lluvia que llega al suelo, Is, es Is = f d ⋅ I + Ig

(3.7)

La intensidad de goteo se ha formulado de diferentes formas en función del valor máximo del almacenamiento en la copa o dosel, Inmx, y su valor umbral o mínimo, Inmn, y una serie de parámetros de ajuste, tal y como se muestra en la Tabla 3.2. En la Tabla 3.3 se resumen algunas estimaciones de la capacidad de almacenamiento para distintas especies.

I Ie = In Ie0 / S Lluvia no interceptada

Ie = Ie0

Lluvia interceptada

In > S fd I

(1- fd) I

In < S

In = (1-ft-fd) I

Ig = ft I

Is

Figura 3.3. Estructura conceptual del modelo de interceptación de Rutter et al..

La ecuación de balance de masa junto con cualquier expresión dada para la intensidad de goteo constituye una ecuación diferencial ordinaria cuya solución es: 37

HIDROLOGÍA I: CICLO HIDROLÓGICO

I nmx [1 − exp(− t k )] para t ≤ t r In =  I nr − (I e 0 I nmx + 1 k ) ⋅ (t − t r ) para t ≥ t r

(3.8)

donde Inr es la Interceptación que hay en el tiempo de duración del aguacero tr. Tabla 3.2. Expresiones de la intensidad de goteo.

Autores Rutter et al., 1971

Expresiones I g = exp(α + β I n )

I g = I g 0 [exp(αI n I nmx − 1)] ⋅ [exp(α )]

Massman, 1980

−1

I g = exp[α(I n − I nmn )] − 1

Pitman, 1989

Tabla 3.3. Capacidad de almacenamiento de la cubierta en algunas especies.

Bosque de coníferas

Bosque caducifolio Ericáceas Herbáceas

Vegetación Pinus sylvestris Picea abies Pseudotsuga meziensii Pinus nigra Carpinis betulus (verano) Carpinis betulus (invierno) Quercus robur (verano) Quercus robur (invierno) Calluna vulgaris Zea mays Lolium perenne (10 cm altura) Lolium perenne (48 cm altura) Molinia cerulea Pteridium aquilinum

S 1.6 1.5 2.1 1.6 1. 0.6 1. 0.4 2. 0.4-0.7 1.6 2.8 0.7 0.9

DETENCIÓN SUPERFICIAL Definición

Se define la Detención Superficial como el agua que llega a la superficie y se “almacena” en las pequeñas depresiones del terreno. Si rebosa se puede generar escorrentía superficial. La Detención Superficial máxima oscila entre 10 y 50 mm (1050 l/m2). Para que se produzca debe llover lo suficiente y de forma distribuida. La Detención Superficial contribuye a que los fenómenos de escorrentía estén más dispersados, retrasándolos y suavizándolos.

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Capítulo 3. RETENCIÓN SUPERFICIAL

En la Figura 3.4 se muestra un modelo de Detención Superficial. En dicha figura se define la lluvia eficaz como la parte de agua que llega al suelo y no se infiltra, es decir es susceptible de constituir Escorrentía Superficial. Cálculo de la Detención Superficial

Tal y como se acaba de definir en el apartado anterior, la lluvia eficaz es la parte de la lluvia que genera escorrentía superficial. La expresión de dicha lluvia eficaz es: Pe = (P − I n ) − I f

(3.9)

donde Pe es la lluvia eficaz, P es la lluvia total, In es la Interceptación e If es la Infiltración. La anterior expresión se puede deducir a partir de la Figura 3.4.

In P - In Evaporación Evaporación

If

If

If

Escorrentía superficial

If

Figura 3.4. Modelo de Detención Superficial.

Es evidente que si todo el agua que precipita sobre el suelo es interceptada por la vegetación la detención superficial es nula. Por otra parte, si, aún alcanzando el suelo, la capacidad de infiltración del suelo es lo suficientemente alta como para que no exista estancamiento en la superficie y el agua se infiltre a niveles inferiores, tampoco existirá Detención Superficial. En consecuencia, sólo existirá Detención Superficial si la lluvia eficaz Pe es mayor que cero. La Detención Superficial es máxima si todas las depresiones se encuentran llenas. Si se define Cds la capacidad máxima de agua que se puede almacenar en dichas depresiones, la Detención Superficial se puede expresar en función de la lluvia eficaz como:

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HIDROLOGÍA I: CICLO HIDROLÓGICO

Vds = C ds (1 − exp(− k ⋅ Pe ))

(3.10)

donde Vds es la Detención Superficial para una lluvia eficaz Pe. k es un parámetro de ajuste de dicha expresión. Si se deriva la expresión anterior con respecto a la lluvia eficaz se obtiene:

dVds = C ds k exp(− k ⋅ Pe ) dPe

(3.11)

Cuando Pe tiende a cero dicha derivada tiende a 1, y dVds dPe

= C ds k = 1

(3.12)

1 C ds

(3.13)

Pe → 0

de donde k= En consecuencia,   P  Vds = C ds 1 − exp − e    C ds   

(3.14)

Detención superficial (Vds)

En general Vds es muy difícil de medir, pero su valor tiende a Cds cuando el valor de la lluvia eficaz crece indefinidamente (Figura 3.5).

Lluvia eficaz (Pe)

Figura 3.5. Detención Superficial en función de la lluvia eficaz.

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