Distribución del Agua en el Planeta

La distribución del agua en el planeta es aproximadamente la siguiente:

• Océanos y mares: 97.2000 %
• Casquetes polares y glaciares: 2.1500 %
• Aguas subterráneas: 0.6300 %
• Aguas superficiales (ríos y lagos): 0.0187 %
• Atmósfera: 0.0013 %

Uso del Agua en la Minería

Se estima que en la explotación y tratamiento de los minerales se utiliza un promedio de 0.75 m³/t de agua por tonelada de mineral.

El proceso que más agua usa es la flotación. Casi un tercio de esta cantidad la usa la hidrometalurgia y los otros procesos usan muy poca agua.

¿Qué es el Ciclo Hidrológico?

Es la representación esquemática de los procesos involucrados en la formación de lluvia, su captación, transferencia y destino a través de la atmósfera, la biósfera, la hidrósfera y la litósfera. Es un proceso cíclico donde todos los procesos se suceden. El ciclo hidrológico es el elemento fundamental de la hidrología.

La dinámica que caracteriza al agua en el planeta se ha resumido bajo el concepto denominado “Ciclo Hidrológico”. La energía que permite esta dinámica corresponde en un altísimo porcentaje a aquella recibida desde el Sol; sólo en una fracción muy menor se debe a la dinámica volcánica que caracteriza al planeta y que aporta volúmenes exiguos de agua en comparación al volumen de agua total involucrado. Los elementos constitutivos de dicho ciclo que interesan a los ingenieros de minas son los siguientes:

• Las precipitaciones
• La evaporación y evapotranspiración
• La infiltración
• La escorrentía superficial y subterránea

La complejidad de este proceso dinámico es mayor, de forma que para analizarlo lo mejor es recurrir al esquema anterior.

Conceptos Fundamentales

• Evaporación: Emisión de vapor de agua por una superficie libre a temperatura inferior a su punto de ebullición.
• Infiltración: Formación de un paso de agua en forma de conducto a través de materiales naturales o artificiales, cuando las resultantes de todas las fuerzas que actúan sobre las partículas del suelo tienen una componente vertical en el sentido de la gravedad.
• Transpiración: Proceso por el cual el agua de la vegetación y de los animales pasa a la atmósfera.
• Evapotranspiración: Cantidad de agua transferida del suelo a la atmósfera por evaporación y por la transpiración de las plantas.
• Escorrentía subsuperficial o hipodérmica: (“interflow”), Flujo que se presenta inmediatamente por debajo de la superficie del terreno.
• Escorrentía: Parte de la precipitación que fluye por la superficie del terreno (escorrentía superficial) o por debajo de aquel (escorrentía subterránea).
• Precipitación: Agregado de partículas acuosas, líquidas o sólidas, cristalizadas o amorfas, que caen de una nube o grupo de nubes y alcanzan el suelo.
• Cuencas hidrológicas: Define las regiones hidrológicas, las cuales pueden ser circunscritas por límites políticos o topográficos, o ser arbitrariamente determinadas.
• Hoya hidrográfica o cuenca: Es un área definida topográficamente, drenada por un curso de agua o un sistema conectado de cursos de agua, tal que todo el caudal efluente es descargado a través de una salida simple.

Partes de una Cuenca

El parteaguas es una línea imaginaria formada por los puntos de mayor nivel topográfico y que separa la cuenca de las cuencas vecinas.

El área de la cuenca se define como la superficie, en proyección horizontal, delimitada por el parteaguas. La corriente principal de una cuenca es la corriente que pasa por la salida de la misma.

Respuesta de una hoya: Entre más corrientes tributarias tenga una cuenca, más rápidamente se drenará a través de la corriente principal el escurrimiento generado por la precipitación (estímulo). Algunos indicadores de la respuesta de la cuenca son:

Hoya Hidrográfica

• Orden de corrientes: El orden de la cuenca es el número de orden de la corriente de salida.
• Densidad de corrientes (D_s): Número de corrientes de un orden determinado por unidad de área.
• Densidad de drenaje (D_d): Longitud de todas las corrientes (m) por unidad de área de cuenca (km²).
• Pendiente del cauce principal: Se define una pendiente media la cual se determina por varios métodos.

Otras Características que Afectan una Cuenca

• Forma: La forma y distribución de las corrientes en la cuenca afecta la respuesta en la corriente principal. Se puede calcular un factor de forma (B_s) como el cociente entre el cuadrado de la longitud de la cuenca y su área. Cuencas cuadradas se aproximan a la unidad.
• Geología: El material del subsuelo fijará la tasa de infiltración del agua y por lo tanto afectará la cantidad y velocidad con que el agua llega a la salida de la cuenca.
• Cobertura vegetal: La cobertura vegetal favorece la infiltración.
• Topografía: Las depresiones en el terreno forman vasos de almacenamiento respuesta.

Clasificación de los Cursos de Agua

• Perennes: Corrientes con agua todo el tiempo. El nivel de agua subterráneo mantiene una alimentación continua y no desciende nunca debajo del lecho del río.
• Intermitentes: Corrientes que escurren en estaciones de lluvia y se secan durante el verano. El nivel de aguas subterráneo se conserva por encima del lecho del río solo en la estación lluviosa. En verano el escurrimiento cesa u ocurre solamente durante o inmediatamente después de las tormentas.
• Efímeros: Existen apenas durante o inmediatamente después de los periodos de precipitación, y solo transportan escurrimiento superficial.

Ecuación Fundamental de Hidrología

(entrada – salidas = Δ almacenamiento)

;

;

;

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)

Origen de la Precipitación

• 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.
• Convección: Se producen por el ascenso de bolsas de aire caliente; son las tormentas de verano.
• Orográficas: Se presentan cuando masas de aire húmedo son obligadas a ascender al encontrar una barrera montañosa.

El Régimen Hidrológico

El régimen hidrológico de una región es función de características físicas, geológicas, topográficas y climatológicas.

Los factores climatológicos más importantes son la precipitación, la evaporación, la temperatura, la humedad del aire y los vientos; estos últimos tres en la medida en que ejercen influencias sobre la precipitación y la evaporación.

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 a una cuenca. También es fundamental en la previsión de avenidas, diseño de obras públicas, estudios de erosión, etc.

Medidas de Precipitación

• Altura pluviométrica: En mm, se expresa diariamente, mensualmente, anualmente, etc.
• Intensidad de precipitación: i = Δh/Δt expresada en mm/hora.
• Duración: Es el periodo de tiempo en horas, por ejemplo, desde el inicio hasta el fin de la precipitación.

Diseño de la Red de Medidores

Existencia de medidores: Cuando se tienen medidores instalados se puede obtener el número óptimo de medidores requeridos en forma estadística estableciendo un porcentaje máximo de error en la estimación de la precipitación. C_v = coeficiente de variación de la precipitación de las estaciones existentes.

Estaciones Pluviométricas con Datos Faltantes

Existen estaciones pluviométricas con datos faltantes en sus registros debido a los factores antes mencionados. Como la hidrología se trabaja con series continuas, se deben completar dichos datos faltantes. Se puede utilizar la siguiente fórmula:

Px = 1/n ((Nx/N1)P1 + (Nx/N2)P2 + … + (Nx/Nn)Pn)

Precipitación Media

Método Aritmético

Se puede utilizar en cuencas donde los medidores están distribuidos uniformemente, existe poca variabilidad en la lluvia y el terreno es relativamente plano. Se considera que todos los medidores tienen la misma contribución o peso (media aritmética).

Polígonos de Thissen

Se puede utilizar en cuencas donde los medidores no están distribuidos uniformemente. Se asume una variación lineal entre dos estaciones adyacentes y se le da un peso a cada medidor dependiendo del área de cobertura.

Procedimiento:

1. Marcar en un plano a escala la ubicación de cada medidor.
2. Unir con líneas formando triángulos las estaciones adyacentes.
3. Bisectar las líneas anteriores y prolongarlas hasta que se unan entre sí formando polígonos alrededor de cada estación.
4. Determinar el área de cada polígono y la suma de todas las áreas.
5. Calcular la precipitación promedio.

Métodos de Isoyetas

Se puede utilizar en cuencas donde los medidores no están distribuidos uniformemente. Es uno de los métodos de mayor precisión cuando se toman en cuenta factores orográficos.

Procedimiento:

1. Marcar en un plano a escala la ubicación de cada medidor indicando el valor de la precipitación registrada.
2. Se trazan interpolando líneas de igual precipitación (isoyetas) considerando la orografía y la distribución de la lluvia.
3. Determinar el área entre isoyetas sucesivas y multiplicar el promedio de precipitación de dos isoyetas consecutivas por el área entre ellas.
4. Calcular la precipitación promedio.

Periodo de Retorno (T)

Es el número de años (o tiempo) en que, en promedio, se presenta un evento determinado. También se le llama Intervalo de Ocurrencia o simplemente, Frecuencia. De este modo, la probabilidad (o Riesgo) de que el evento ocurra al menos una vez dentro en n años sucesivos, para un período de retorno T, es:

Es el tiempo promedio, en años, en que el valor del caudal máximo de una creciente determinada es igualado o superado por lo menos una vez.

Fijación del Periodo de Retorno

Criterios Económicos

Criterios Usuales

La fijación del periodo de retorno se basa en criterios tales como: Vida útil de la obra, tipo de estructura, facilidad de reparación y ampliación, peligro de pérdidas de vidas humanas. A modo de ejemplo está la siguiente tabla:

Criterio de Riesgo

Otro criterio es la fijación a priori del riesgo que se desea asumir por el caso de que la obra llegase a fallar dentro de su tiempo de vida. Se define P(x ≥ x₀) como la probabilidad de ocurrencia, o la probabilidad de que un evento x sea mayor o igual a un valor dado x₀.

Conceptos Fundamentales

• Evaporación: Emisión de vapor de agua por una superficie libre a temperatura inferior a su punto de ebullición.
• Infiltración: Formación de un paso de agua en forma de conducto a través de materiales naturales o artificiales, cuando las resultantes de todas las fuerzas que actúan sobre las partículas del suelo tienen una componente vertical en el sentido de la gravedad.
• Transpiración: Proceso por el cual el agua de la vegetación y de los animales pasa a la atmósfera.
• Evapotranspiración: Cantidad de agua transferida del suelo a la atmósfera por evaporación y por la transpiración de las plantas.
• Escorrentía subsuperficial o hipodérmica: (“interflow”), Flujo que se presenta inmediatamente por debajo de la superficie del terreno.
• Escorrentía: Parte de la precipitación que fluye por la superficie del terreno (escorrentía superficial) o por debajo de aquel (escorrentía subterránea).
• Precipitación: Agregado de partículas acuosas, líquidas o sólidas, cristalizadas o amorfas, que caen de una nube o grupo de nubes y alcanzan el suelo.
• Cuencas hidrológicas: Define las regiones hidrológicas, las cuales pueden ser circunscritas por límites políticos o topográficos, o ser arbitrariamente determinadas.
• Hoya hidrográfica o cuenca: Es un área definida topográficamente, drenada por un curso de agua o un sistema conectado de cursos de agua, tal que todo el caudal efluente es descargado a través de una salida simple.

Partes de una Cuenca

El parteaguas es una línea imaginaria formada por los puntos de mayor nivel topográfico y que separa la cuenca de las cuencas vecinas.

El área de la cuenca se define como la superficie, en proyección horizontal, delimitada por el parteaguas. La corriente principal de una cuenca es la corriente que pasa por la salida de la misma.

Respuesta de una hoya: Entre más corrientes tributarias tenga una cuenca, más rápidamente se drenará a través de la corriente principal el escurrimiento generado por la precipitación (estímulo). Algunos indicadores de la respuesta de la cuenca son:

Respuesta de una hoya:Entre más corrientes tributarias tenga una cuenca, más rápidamente se drenará a través de la corriente principal el escurrimiento generado por la precipitación (estímulo). Algunos indicadores de la respuesta de la cuenca son:

Hoya Hidrográfica

• Orden de corrientes: El orden de la cuenca es el número de orden de la corriente de salida.
• Densidad de corrientes (D_s): Número de corrientes de un orden determinado por unidad de área.
• Densidad de drenaje (D_d): Longitud de todas las corrientes (m) por unidad de área de cuenca (km²).
• Pendiente del cauce principal: Se define una pendiente media la cual se determina por varios métodos.

Otras Características que Afectan una Cuenca

• Forma: La forma y distribución de las corrientes en la cuenca afecta la respuesta en la corriente principal. Se puede calcular un factor de forma (B_s) como el cociente entre el cuadrado de la longitud de la cuenca y su área. Cuencas cuadradas se aproximan a la unidad.
• Geología: El material del subsuelo fijará la tasa de infiltración del agua y por lo tanto afectará la cantidad y velocidad con que el agua llega a la salida de la cuenca.
• Cobertura vegetal: La cobertura vegetal favorece la infiltración.
• Topografía: Las depresiones en el terreno forman vasos de almacenamiento respuesta.

Clasificación de los Cursos de Agua

• Perennes: Corrientes con agua todo el tiempo. El nivel de agua subterráneo mantiene una alimentación continua y no desciende nunca debajo del lecho del río.
• Intermitentes: Corrientes que escurren en estaciones de lluvia y se secan durante el verano. El nivel de aguas subterráneo se conserva por encima del lecho del río solo en la estación lluviosa. En verano el escurrimiento cesa u ocurre solamente durante o inmediatamente después de las tormentas.
• Efímeros: Existen apenas durante o inmediatamente después de los periodos de precipitación, y solo transportan escurrimiento superficial.

Ecuación Fundamental de Hidrología

(entrada – salidas = Δ almacenamiento)

;

;

;

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)

Origen de la Precipitación

• 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.
• Convección: Se producen por el ascenso de bolsas de aire caliente; son las tormentas de verano.
• Orográficas: Se presentan cuando masas de aire húmedo son obligadas a ascender al encontrar una barrera montañosa.

El Régimen Hidrológico

El régimen hidrológico de una región es función de características físicas, geológicas, topográficas y climatológicas.

Los factores climatológicos más importantes son la precipitación, la evaporación, la temperatura, la humedad del aire y los vientos; estos últimos tres en la medida en que ejercen influencias sobre la precipitación y la evaporación.

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 a una cuenca. También es fundamental en la previsión de avenidas, diseño de obras públicas, estudios de erosión, etc.

Medidas de Precipitación

• Altura pluviométrica: En mm, se expresa diariamente, mensualmente, anualmente, etc.
• Intensidad de precipitación: i = Δh/Δt expresada en mm/hora.
• Duración: Es el periodo de tiempo en horas, por ejemplo, desde el inicio hasta el fin de la precipitación.

Diseño de la Red de Medidores

Existencia de medidores: Cuando se tienen medidores instalados se puede obtener el número óptimo de medidores requeridos en forma estadística estableciendo un porcentaje máximo de error en la estimación de la precipitación. C_v = coeficiente de variación de la precipitación de las estaciones existentes.

Estaciones Pluviométricas con Datos Faltantes

Existen estaciones pluviométricas con datos faltantes en sus registros debido a los factores antes mencionados. Como la hidrología se trabaja con series continuas, se deben completar dichos datos faltantes. Se puede utilizar la siguiente fórmula:

Px = 1/n ((Nx/N1)P1 + (Nx/N2)P2 + … + (Nx/Nn)Pn)

Precipitación Media

Método Aritmético

Se puede utilizar en cuencas donde los medidores están distribuidos uniformemente, existe poca variabilidad en la lluvia y el terreno es relativamente plano. Se considera que todos los medidores tienen la misma contribución o peso (media aritmética).

Polígonos de Thissen

Se puede utilizar en cuencas donde los medidores no están distribuidos uniformemente. Se asume una variación lineal entre dos estaciones adyacentes y se le da un peso a cada medidor dependiendo del área de cobertura.

Procedimiento:

1. Marcar en un plano a escala la ubicación de cada medidor.
2. Unir con líneas formando triángulos las estaciones adyacentes.
3. Bisectar las líneas anteriores y prolongarlas hasta que se unan entre sí formando polígonos alrededor de cada estación.
4. Determinar el área de cada polígono y la suma de todas las áreas.
5. Calcular la precipitación promedio.

Métodos de Isoyetas

Se puede utilizar en cuencas donde los medidores no están distribuidos uniformemente. Es uno de los métodos de mayor precisión cuando se toman en cuenta factores orográficos.

Procedimiento:

1. Marcar en un plano a escala la ubicación de cada medidor indicando el valor de la precipitación registrada.
2. Se trazan interpolando líneas de igual precipitación (isoyetas) considerando la orografía y la distribución de la lluvia.
3. Determinar el área entre isoyetas sucesivas y multiplicar el promedio de precipitación de dos isoyetas consecutivas por el área entre ellas.
4. Calcular la precipitación promedio.

Periodo de Retorno (T)

Es el número de años (o tiempo) en que, en promedio, se presenta un evento determinado. También se le llama Intervalo de Ocurrencia o simplemente, Frecuencia. De este modo, la probabilidad (o Riesgo) de que el evento ocurra al menos una vez dentro en n años sucesivos, para un período de retorno T, es:

Es el tiempo promedio, en años, en que el valor del caudal máximo de una creciente determinada es igualado o superado por lo menos una vez.

Fijación del Periodo de Retorno

Criterios Económicos

Criterios Usuales

La fijación del periodo de retorno se basa en criterios tales como: Vida útil de la obra, tipo de estructura, facilidad de reparación y ampliación, peligro de pérdidas de vidas humanas. A modo de ejemplo está la siguiente tabla:

Criterio de Riesgo

Otro criterio es la fijación a priori del riesgo que se desea asumir por el caso de que la obra llegase a fallar dentro de su tiempo de vida. Se define P(x ≥ x₀) como la probabilidad de ocurrencia, o la probabilidad de que un evento x sea mayor o igual a un valor dado x₀.

Ecuación Fundamental de Hidrología

(entrada – salidas = Δ almacenamiento)

;

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;

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)

Origen de la Precipitación

• 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.
• Convección: Se producen por el ascenso de bolsas de aire caliente; son las tormentas de verano.
• Orográficas: Se presentan cuando masas de aire húmedo son obligadas a ascender al encontrar una barrera montañosa.

El Régimen Hidrológico

El régimen hidrológico de una región es función de características físicas, geológicas, topográficas y climatológicas.

Los factores climatológicos más importantes son la precipitación, la evaporación, la temperatura, la humedad del aire y los vientos; estos últimos tres en la medida en que ejercen influencias sobre la precipitación y la evaporación.

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 a una cuenca. También es fundamental en la previsión de avenidas, diseño de obras públicas, estudios de erosión, etc.

Medidas de Precipitación

• Altura pluviométrica: En mm, se expresa diariamente, mensualmente, anualmente, etc.
• Intensidad de precipitación: i = Δh/Δt expresada en mm/hora.
• Duración: Es el periodo de tiempo en horas, por ejemplo, desde el inicio hasta el fin de la precipitación.

Diseño de la Red de Medidores

Existencia de medidores: Cuando se tienen medidores instalados se puede obtener el número óptimo de medidores requeridos en forma estadística estableciendo un porcentaje máximo de error en la estimación de la precipitación. C_v = coeficiente de variación de la precipitación de las estaciones existentes.

Estaciones Pluviométricas con Datos Faltantes

Existen estaciones pluviométricas con datos faltantes en sus registros debido a los factores antes mencionados. Como la hidrología se trabaja con series continuas, se deben completar dichos datos faltantes. Se puede utilizar la siguiente fórmula:

Px = 1/n ((Nx/N1)P1 + (Nx/N2)P2 + … + (Nx/Nn)Pn)

Precipitación Media

Método Aritmético

Se puede utilizar en cuencas donde los medidores están distribuidos uniformemente, existe poca variabilidad en la lluvia y el terreno es relativamente plano. Se considera que todos los medidores tienen la misma contribución o peso (media aritmética).

Polígonos de Thissen

Se puede utilizar en cuencas donde los medidores no están distribuidos uniformemente. Se asume una variación lineal entre dos estaciones adyacentes y se le da un peso a cada medidor dependiendo del área de cobertura.

Procedimiento:

1. Marcar en un plano a escala la ubicación de cada medidor.
2. Unir con líneas formando triángulos las estaciones adyacentes.
3. Bisectar las líneas anteriores y prolongarlas hasta que se unan entre sí formando polígonos alrededor de cada estación.
4. Determinar el área de cada polígono y la suma de todas las áreas.
5. Calcular la precipitación promedio.

Métodos de Isoyetas

Se puede utilizar en cuencas donde los medidores no están distribuidos uniformemente. Es uno de los métodos de mayor precisión cuando se toman en cuenta factores orográficos.

Procedimiento:

1. Marcar en un plano a escala la ubicación de cada medidor indicando el valor de la precipitación registrada.
2. Se trazan interpolando líneas de igual precipitación (isoyetas) considerando la orografía y la distribución de la lluvia.
3. Determinar el área entre isoyetas sucesivas y multiplicar el promedio de precipitación de dos isoyetas consecutivas por el área entre ellas.

d) Calcular la precipitación promedio.

Periodo de Retorno (T)

Es el número de años (o tiempo) en que, en promedio, se presenta un evento determinado. También se le llama Intervalo de Ocurrencia o simplemente, Frecuencia. De este modo, la probabilidad (o Riesgo) de que el evento ocurra al menos una vez dentro en n años sucesivos, para un período de retorno T, es:

Es el tiempo promedio, en años, en que el valor del caudal máximo de una creciente determinada es igualado o superado por lo menos una vez.

Fijación del Periodo de Retorno

Criterios Económicos

Criterios Usuales

La fijación del periodo de retorno se basa en criterios tales como: Vida útil de la obra, tipo de estructura, facilidad de reparación y ampliación, peligro de pérdidas de vidas humanas. A modo de ejemplo está la siguiente tabla:

Criterio de Riesgo

Otro criterio es la fijación a priori del riesgo que se desea asumir por el caso de que la obra llegase a fallar dentro de su tiempo de vida. Se define P(x ≥ x₀) como la probabilidad de ocurrencia, o la probabilidad de que un evento x sea mayor o igual a un valor dado x₀.