BALANCE DE AGUA EN EL SUELO' MTODOS HIDROMETEOROLGICOS'

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BALANCE DE AGUA EN EL SUELO.MÉTODOS
HIDROMETEOROLÓGICOS.

• Jesus Carrera y Maarten Saaltink

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Evapotranspiración
Qué factores la afectan?
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Contenido

• Conceptos hidrometeorológicos básicos
• Agua, aire y vapor
• Energía. Radiación solar
• Los parámetros del suelo
• Evapotranspiración de referencia y evaporación
  potencial
• Cálculo de la evapotranspiración real
• Cálculo de la recarga y la escorrentía
• Formulas empíricas

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Evaporación y condensación
Vaporización Paso de agua líquida a agua vapor.
Función de la temperatura del líquido Condensación
Paso de agua vapor a agua líquida. Función de
la presión de vapor Evaporación Vaporización-
Condensación
Condensación f(ev)
Vaporización f(T)
Equilibrio VaporizaciónCondensación evf(T)
Hidrometeorolgía básica
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Aire, agua y vapor
Presión de vapor en equilibrio con una superficie
de agua a T (gr. C)
A 25 0C, es vale 3,17 kPa (0,03 atm o 3 de la
presión atmosférica típica). Es decir, si el aire
está saturado, el 3 de sus moléculas son de agua.
humedad relativa es la relación entre la presión
de vapor real, ev, y la de saturación es
Hidrometeorolgía básica
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Aire y vapor como gases
El aire es una mezcla de aire seco (20 O2, 80
N2 y trazas de CO2, Ar, etc, Pm28,8 g/mol) y
vapor. Presión parcial de un componente (p.ej,
vapor de agua, o N2) es la presión ejercida por
las moleculas de dicha componente. La presión
total es la suma de las presiones
parciales. Tanto cada componente por separado,
como la mezcla, obedecen la ley de los gases
perfectos Ejercicio calcular densidad del
aire y humedad absoluta de un aire saturado a 25
ºC
Hidrometeorolgía básica
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Condensación
Humedad absoluta (kg agua/kg aire)
Temperatura
Hidrometeorolgía básica
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Condensación

• Ocurre cuando
• Baja la temperatura (nubes, rocío)
• Se pone en contacto un aire húmedo con una
  superficie fría (vaso con hielo, vaho en
  ventanas,),
• etc

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Propiedades del agua
Hidrometeorolgía básica
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Radiación solar
Constante solar (w/m2)Esol/4pd2. Radiación
recibida en la superficie de la atmósfera. No es
constante. 1376 w/m2
S0, radiación media incidente, es la constante
solar expresada por unidad de superficie de la
Tierra, S0 29,7 MJ/m2día 344w/m2 Expresada
como columna de agua, S0 11,7 kg/m2/día 11,7
mm/día Esta magnitud equivale a unos 4 m/año de
evaporación. En realidad, solo 1 m/año, debido
a que no toda la radiación llega al suelo y a que
no siempre hay agua para evaporar
Hidrometeorolgía básica
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Radiación de onda corta

• La longitud de onda de la radiación depende la
  temperatura del cuerpo que la emite. El sol emite
  como un cuerpo negro a unos 6000 ºC, luz visible.
• De lo que llega a La Tierra, parte se dispersa en
  la atmósfera y nos llega como radiación difusa
  (20 en días claros, 100 en días nublados) y
  parte se absorbe

St, Radiación total de onda corta que llega a la
superficie St(asbsIn)S0 as es la fracción de
radiación en días con nubes (entre 0,15 y 0,30),
asbs es la fracción de radiación extraterrestre
en días sin nubes (entre 0.50 y 0.65), Inn/N se
denomina índice de nubes, n es el número de horas
con sol en un día de duración N.
Hidrometeorolgía básica
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Radiación neta de onda corta y albedo
De la radiación que llega al suelo, una parte se
refleja. Se llama albedo, a, a la fracción que se
refleja. Así, la radiación neta de onda corta es
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Radiación de onda larga

• A temperaturas propias de La Tierra (-40 a 40
  ºC), la radiación es de longitud de onda de entre
  3 y 100 µm (onda larga). La radiación neta de
  onda larga, Ln, se aproxima como
• donde es la entrada de radiación, la salida, s
  es la constante de Boltzmann (4,903 x 10-9
  MJm2ºK-4 día-1), T es la temperatura (ºC), e es
  la emisividad neta atmósfera-suelo y f es un
  factor de ajuste por las nubes. Estos dos
  parámetros se pueden ajustar mediante fórmulas
  empíricas (ver apuntes).

La radiación neta, Rn, es la suma de las de onda
corta y larga
Hidrometeorolgía básica
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Balance global de energía (S0)
Hidrometeorolgía básica
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Global water cycle
(National Academy of Science,1987)
Hidrometeorolgía básica
16
The global Carbon cycle
pools (boxes) in 1015 g. fluxes (arrows) 1015
g/year
(IPCC, 1995)
Hidrometeorolgía básica
17
The global climate system and the interrelations
of its sub-systems
(IPCC, 2001)
Hidrometeorolgía básica
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Balances de Energía en bosque templado y boreal
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Energy balances of temperate and boreal forests

• Forests absorb, albedo is small.
• Temperate forests are lusty and they return two
  thirds of the incoming radiation as latent heat
  through evapotranspiration.
• Boreal forests are thrifty, their stomata
  resistance is high and they return little energy
  through evapotranspiration. This implies
• - large runoff factor.
• - most energy returned as sensible heat,
  (much thicker boundary layer than that in
  temperate regions).

Hidrometeorolgía básica
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Balances de energía en terrenos agrícolas y
boscosos de clima templado
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Energy balances of agricultural and forest lands
in temperate climate

• The albedo of agricultural lands is much larger
  than that of forests.
• Therefore, even if their ETs are comparable, the
  sensible heat flux of agricultural land is much
  smaller than that of forests, again leading to a
  thinner boundary layer.
• Moreover, forests generate little immediate
  surface runoff, while agricultural land may
  generate significant amounts.

Hidrometeorolgía básica
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Los parámetros del suelo

• Nivel, capilaridad, tensión superficial, curva de
  retención
• Porosidad y conceptos derivados
• Clasificación textural de suelos

Los parámetros del suelo
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Potencial

• donde
• fg es el potencial gravitatorio (cota),
• fc el capilar (también llamado potencial de
  matriz para enfatizar que no se refiere solo a
  las fuerzas capilares sino también a la adsorción
  del agua por el sólido), también se llama altura
  piezométrica o de presión (referida al aire)
• ff el osmótico,
• fa el del aire (Pa/rwg) y
• fe el envolvente.

En el suelo PwltPa !
donde y es la succión (altura de presión,
cambiada de signo), Pw es la presión del agua
(negativa en la zona no saturada) y
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Tensión superficial
Visualizar superficie como una membrana
Explica múltiples fenómenos naturales (pequeña
escala)
Resultado de las fuerzas de interacción de las
moléculas de agua
aire PagtPw agua
s s0,07 N/m
aire agua PaltPw
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Capilaridad
?

• Obedece la Ley de Laplace

Los parámetros del suelo
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La curvatura (succión) también afecta a la humedad

• Ley psicrométrica
• .
• La humedad en el suelo puede ser menor del 100
  (pero poco)

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Porosidad y contenido de agua
Porosidad, f. Es la relación entre volumen de
huecos y volumen total. (0,35 ó 35) Contenido
volumétrico de agua, ql. Relación entre el
volumen de líquido (agua) y el total de la
muestra. Contenido de agua a saturación natural
qs Es el contenido volumétrico de agua cuando se
inunda (empapa) un suelo. Puede ser algo menor
que f. Contenido de agua residual,qr. Es el
contenido volumétrico de agua que no puede
extraerse por succión (el que quedaría como
residual a succión infinita). Esta agua, sin
embargo, se extrae al secar el suelo en el horno.
Conceptualmente, representa el agua ligada al
suelo por adsorción Porosidad efectiva. Término
ambiguo. Mejor no utilizarlo. Contenido másico
de agua (o humedad del suelo). Relación entre la
masa de agua y la del sólido.OJO!
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Indice de poros
Índice de poros, e , es la relación entre el
volumen de huecos y el de sólido.
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Saturación
G
Grado de saturación (de agua). Es la relación
entre el volumen de agua y el de
poros Saturación efectiva. Fracción de
porosidad variable que está llena de
agua. (escalado de Sl para que varíe entre 0 y
1)
Sg
1
L
Sl
S
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Porosidad drenable, Capacidad de Campo
Capacidad de campo, qf o qcces el agua que queda
después de drenar por gravedad un suelo
inicialmente saturado Punto de marchitez, qw, es
el contenido de agua más bajo al que puede tener
lugar la transpiración de una planta dada (para
contenidos de agua menores, la planta se
marchita).
Porosidad drenable (specific yield, Sy)
diferencia entre porosidad y capacidad de
campo Capacidad de retención de agua en el suelo
diferencia entre capacidad de campo y punto de
marchitez. Es la cantidad de agua que permanece
almacenada en el suelo y disponible para las
plantas.
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Clasificación de partículas por tamaño
Arcilla Limo Arena fina Arena gruesa
Gravilla Grava Bolo
0.002 mm
0.02 mm
0. 2 mm
2 mm
20 mm
200 mm
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Clasificación textural de suelos (USDA)
Se puede utilizar para inferir propiedades de
suelos (ver apuntes)
33
Engineering Unified Soil Classification System
(Unified System)

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Ley de Darcy

• Flujo volumétrico del líquido (u otra fase)(m3
  m-2 s-1 m s-1)
• Curva de retención
• Permeabilidad relativa (kr)
• P.e. van Genuchten

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Principios de conservación

• Balance de masa de agua (líquida vapor)
• Balance de masa de aire seco
• Balance de energía (calor)

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Balance de agua en la zona de raíces
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Cálculo de la evapotranapiración
1. Evapotranspiración de referencia
2.Evapotranspiración del cultivo
3.Evapotranspiración real
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Evapotranspiración de referencia
Evapotranspiración del cultivo de referencia o
simplemente Evaporación de referencia (Erc o E0)
es la evaporación (mm/d) de un cultivo ideal de
hierba con una altura fija de 0,12 m, un albedo
de 0,23 y una resistencia superficial de 69 s/m.
MÉTODOS DE CÁLCULO Método de Penman-Monteith Es
el mejor! Evaporación potencial de una
superficie de agua Método de Hargreaves Es el
mejor con pocos datos! Método de
Blaney-Criddle Fórmula de Thornthwaite Es muy
malo (pero el más empleado)! Método de Turc

(ver apuntes)
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Método de Penman-Monteith

• Se basa en establecer, con hipótesis
  simplificativas, un balance de energía, entre la
  superficie del suelo y una altura de referencia
• Nótese que la evapotranspiración está causada por
  
• Energiá incidente (75)
• Déficit de vapor en el aire y capacidad de
  transportarlo (25)

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Método de Hargreaves

• Es el mejor de los métodos que solo usan datos de
  temperatura
• Se basa en que tanto la radiación neta como el
  déficit de presión de vapor (los dos términos del
  método de Penman) deben guardar relación con la
  temperatura. Dado que esta relación no es
  instantánea, el espíritu de estos métodos es que
  se calculen a escala mensual. En todo caso, la
  relación es totalmente empírica, por lo que estos
  métodos solo deben emplearse cuando no es posible
  aplicar el de Penman-Monteith

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El factor de cultivo
Cultivos regados ver apuntes Bosques ver
apuntes
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Stress hídrico
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CALCULO DE RECARGA Y ESCORRENTIA
Lluvia
E

• MODULO SUPERFICIE
• -Intercepción
• Encharcamiento
• Infiltración máxima
• Evaporación

ESS
ETR

• MODULO SUELO
• -Retención
• ETranspiración

ESH
R
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Un método sencillo

• Inicialización, t0, V0
• tt1
• Calcular Imx
• Calcular I (infiltración), igual a Pt si no
  supera Imx (si sí, IImx)
• Calcular Escorrentia superficial ESSPt -I
• Calcular agua disponible V
• Calcula ETR, función de V
• Calcula agua almacenada tras evapotranspiración
  VV-ETR
• Calcula R
• R0 si VltCC
• RV-CC si VgtCC
• Calcula agua disponible para mes siguiente
  VtV-R