Balance de agua en el suelo 1 BALANCE DE AGUA EN EL SUELO. MÉTODOS HIDROMETEOROLÓGICOS. Jesus...

Balance de agua en el suelo 1

BALANCE DE AGUA EN EL SUELO.MÉTODOS

HIDROMETEOROLÓGICOS.

Jesus Carrera y Maarten Saaltink


Evapotranspiración

¿Qué factores la afectan?


Contenido

1. Conceptos hidrometeorológicos básicos:– Agua, aire y vapor– Energía. Radiación solar

2. Los parámetros del suelo3. Evapotranspiración de referencia y

evaporación potencial4. Cálculo de la evapotranspiración real5. Cálculo de la recarga y la escorrentía6. Formulas empíricas


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

Condensación= f(ev)

Vaporización= f(T)

Equilibrio:Vaporización=Condensación ev=f(T)

Hidrometeorolgía básica


Aire, agua y vapor

kPaT3,237T27,17

exp6108.0es

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

vr

s

eh

e


Balance de agua en el suelo 6Hidrometeorolgía básica

El aire es una mezcla de “aire seco” (20% O2, 80% N2 y trazas de CO2, Ar, etc, Pm=28,8 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

Aire y vapor como gases

i iPV= nRT i iT T T T

i i

PV n RT n n P P


Condensación

Temperatura

Hu

med

ad a

bso

luta

(kg

agua

/kg

aire

)

kPaTT

es

3,23727,17

exp6108.0

Cantidad de agua condensada

Punto de rocío



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


Propiedades del agua T

º CPresión de vapor, es

(103 N/m-2

=kPa)

Gradientede es, kPaºC-1

Constante psicrométric

a, γkPaºC-1

Viscosidad μ

(10-3nsm-2)

Tensión superf., (10-3 N/m)

0 0,611 0,044 0,0654 1,787 75,6

5 0,873 0,061 0,0658 1,519 74,9

10 1,228 0,082 0,0661 1,307 74,2

15 1,706 0,110 0,0664 1,140 73,5

20 2,339 0,145 0,0667 1,002 72,7

25 3,169 0,189 0,0670 0,890 72,0

30 4,244 0,243 0,0674 0,797 71,2

35 5,625 0,311 0,0677 0,719 70,4



Radiación solar

Constante solar (w/m2):Esol/4d2. 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/m2·día= 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



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=(as+bsIn)S0

as es la fracción de radiación en días con nubes (entre 0,15 y 0,30), as+bs es la fracción de radiación extraterrestre en días sin nubes (entre 0.50 y 0.65), In=n/N se denomina índice de nubes, n es el número de horas con sol en un día de duración N.



Radiación neta de onda corta y albedo

De la radiación que llega al suelo, una parte se refleja. Se llama albedo, , a la fracción que se refleja. Así, la radiación neta de onda corta es: 1n tS S ( )

Características Albedo (a) Emisividad

Agua Pequeño ángulo cenitalGran ángulo cenital

0.03-0.100.10-1.00

0.92-0.970.92-0.97

Nieve ViejaFresca

0.40-0.700.45-0.95

0.82-0.890.90-0.99

Arena SecaHúmeda

0.35-0.450.20-0.30

0.84-0.900.91-0.95

Suelo Arcilla secaArcilla húmedaCampo húmedo en barbecho

0.20-0.400.10-0.200.05-0.07

0.950.97

Hierba Larga (1 m)Corta (0.02 m)

0.160.26

0.900.95

Cultivos Trigo, arroz, etc.Frutales

0.18-0.250.15-0.20

0.90-0.990.90-0.95

Bosques Hoja CaducaConíferas

0.10-0.200.05-0.15

0.97-0.980.97-0.99


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, es la constante de Boltzmann (4,903 x 10-9 MJm2ºK-4 día-1), T es la temperatura (ºC), ’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).

4273 2n i oL L L f (T , )

n n nR S L La radiación neta, Rn, es la suma de las de onda corta y larga nR



Balance global de energía (%S0)

Reflectedby surface

Reflected by clouds,aerosols

Absorbedby surface Absorbed

by surface

Solarirradiation

Sensibleheat flux

Latentheat flux

Absorbed byatmosphere

Thermal emission

Back radiation

Surface radiation

9

31

22

100

58

49

7 23

95

489

69

12

12

95114

102

20

Outgoing shortwave rad.

Incoming solar radiation

Outgoing longwave rad.



Global water cycle

(National Academy of Science,1987)



pools (boxes) in 1015 g.

fluxes (arrows) 1015 g/year

The global Carbon cycle

(IPCC, 1995)



The global climate system and the interrelations of its sub-

systems

(IPCC, 2001)



BorealForest

PBL3000 m

PBL1500 m

25 m

Hs= 0.03 RnUb= 0.02 Rn

Hs= 0.07 RnUb = 0.03 Rn

10 m

LE = 0.65 Rn

Ha = 0.3 Rn

LE = 0.25 Rn

Ha = 0.65 Rn = 0.10 Rg Rn = 0.87 Rg

= 0.10 Rg Rn = 0.87 Rg

TemperateForest

Balances de Energía en bosque templado y boreal


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).



PBL:1500 m

PBL:1000 m

Hs= 0.08 Rn

Ub=0.02 Rn

Ha = 0.3 Rn

LE = 0.6 Rn

= 0.15 Rg

Rn = 0.65 Rn

LEn = 0.8 Rn

= 0.25 Rg

Ha = 0.05 Rn

Rn = 0.85 Rg

Hs= 0.15 Rn

Balances de energía en terrenos agrícolas y boscosos de clima

templado


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.



Los parámetros del suelo

• Nivel, capilaridad, tensión superficial, curva de retención

• Porosidad y conceptos derivados• Clasificación textural de suelos



Potencial

dondeg es el potencial gravitatorio (cota),

c 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)

el osmótico,

ael del aire (=Pa/wg) y

e el envolvente.

g c a e

w ac

w

P Pg

dondees la succión (altura de presión, cambiada de signo), Pw es la presión del agua (negativa en la zona no saturada) y

En el suelo Pw<Pa !

w

w

Pzg


aire

Pa>Pw agua

0,07 N/m

aire

agua Pa<Pw

Tensión superficial

Explica múltiples fenómenos naturales (pequeña escala)

Resultado de las fuerzas de interacción de las moléculas de agua

Visualizar superficie como una membrana


Capilaridad

2 cosH

r

Diámetro altura (m) ejemplo1 mm 0,03 arena

0,01 mm 3,00 limo1 micra 30,0 hormigón

0,01 micras 3000,0 hormigón

Obedece la Ley de Laplace


0 15c

.( cm)r ( cm)

cpF log( ) log( ( cm))


La curvatura (succión) también afecta a la humedad

Ley psicrométrica• ….

• La humedad en el suelo puede ser menor del 100% (pero poco)

l

wglvv

m

RT

PPTPP

exp)(0,

Hum rel. vs succión

0.4

0.6

0.8

1

-1000 1000 3000 5000 7000 9000

succión (m)

hu

m. r

el


Porosidad y contenido de agua

G

L

S

1

g

l

Porosidad, . Es la relación entre volumen de huecos y volumen total. (0,35 ó 35%)

Contenido volumétrico de agua, l. Relación entre el volumen de líquido (agua) y el total de la muestra.

Contenido de agua a saturación natural s Es el contenido volumétrico de agua cuando se inunda (empapa) un suelo. Puede ser algo menor que

Contenido de agua residualr 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!


Indice de poros

G

L

S 1

e Índice de poros, e , es la relación entre el volumen de huecos y el de sólido.


Saturación

G

L

S

1Sg

Sl

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)

l l

lh

VS

V

1

r rl le

s r r

S SS

S


Porosidad drenable, Capacidad de CampoCapacidad de campo, f o cc:es el agua que queda

después de drenar por gravedad un suelo inicialmente saturado Punto de marchitez, w, 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 campoCapacidad 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.


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


Clasificación textural de suelos (USDA)

Se puede utilizar para inferir propiedades de suelos (ver apuntes)


Engineering Unified Soil Classification System (Unified System)Category Symbol

Coarse Gravels Clean Gravel Gravel, well graded GW

Grained Gravel, poorly graded GP

Soils Gravel with Fines Gravels, mixed, non plastic, fines GM

Gravels, clayey-plastic, fines GC

Sands Clean Sands Sands, well graded SW

Sands, poorly graded SP

Sand with Fines Sands, mixed-plastic, fines SM

Sands, clayey-plastic, fines SC

Fine Silts Liquid Limit < 50 Mineral silts, low plasticity ML

Grained and Clays (mineral), low plasticity CL

Soils Clays Organic silts, low plasticity OL

Liquid Limit > 50 Mineral silts (high plasticity) MH

Clays (mineral), low plasticity CH

Organic clays, high plasticity OH

Highly Organic Soils Organic soils as Peat Pt


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

int rk kq

710intsat int

k gK k

211 1 /rk S S

0para

para

cbcs

bccc

bc

rs

rleS


Principios de conservación

• Balance de masa de agua (líquida + vapor)

• Balance de masa de aire seco

• Balance de energía (calor)

wwg

wlgg

wgll

wl fSS

t jj

aag

algg

agll

al fSS

t jj

)(1 QEgElcggglllss fSESEE

t jji


Balance de agua en la zona de raíces


1. Evapotranspiración de referencia

Cálculo de la evapotranapiración

3.Evapotranspiración real

2.Evapotranspiración del cultivo


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)


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%)

2900

275rc n s* *E ( R H ) U DT

21 1 0 33s

a

r* ( , U )r

s mD e T e


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

00 0023 17 8rc mx mnE , S T , T T

0 0135 17 8rc tE , S T ,

00 16tS , S T


Cultivos regados: ver apuntes

Bosques: ver apuntes

El factor de cultivo

Cultivos herbáceos

hr > 70%U2 (m/s)

hr < 30%U2 (m/s)

Cultivo 0-5 > 5 0-5 > 5

Forraje Alfalfa 0,85 1,05 0,95 1,05

Hierba 0,80 1,00 0,90 1,00

Trébol 1,00 1,10 1,05 1,10

Pastos 0,95 1,05 1,00 1,05

0 80bosque bosquercE , E P


Stress hídrico

fθ

1

0 θw θd θf θ


CALCULO DE RECARGA Y ESCORRENTIA

MODULO SUPERFICIE-Intercepción-Encharcamiento-Infiltración máxima-Evaporación

ESS

MODULO SUELO-Retención-ETranspiración

E

ETR

R

Lluvia

ESH


1. Inicialización, t=0, V0

2. t=t+13. Calcular Imx

4. Calcular I (infiltración), igual a Pt si no supera Imx (si sí, I=Imx)

5. Calcular Escorrentia superficial ESS=Pt -I

6. Calcular agua disponible V’7. Calcula ETR, función de V’8. Calcula agua almacenada tras evapotranspiración V’’=V’-

ETR9. Calcula R

1. R=0 si V’’<CC2. R=V’’-CC si V’’>CC

10. Calcula agua disponible para mes siguiente Vt=V’’-R

Un método sencillo

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