2012

ING. CIVIL 7 SEMESTRE

29 DE NOVIEMBRE DEL 2012

HIDROLOGÍA SUPERFICIAL

Catedrático: Ing. Jorge Quintal Hai

Elaboro:

Nhilce Esquivel Gómez

Fernanda Abril Escudero Nájera

Andrea Mercader Alonso

UNIDAD 4

“EVAPORACIÓN Y USO

CONSUNTIVO”

HIDROLOGÍA UNIDAD IV

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INDICE

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 3

4.1 EVAPORACION Y EVOTRANSPIRACION ......................................................................................... 4

4.1.1 DESCRIPCION DEL FENOMENO .............................................................................................. 4

4.1.2 MEDICION ............................................................................................................................... 7

TANQUES DE EVAPORACION ............................................................................................... 8

LISIMETROS ......................................................................................................................... 9

BALANCE HIDRICO ............................................................................................................. 10

BALANCE ENERGETICO ...................................................................................................... 11

4.1.3 DETERMINACIKON DE LA EVAPORACION ......................................................................... 12

OTROS MÉTODOS PARA CALCULAR LA EVAPORACIÓN SON: ........................... 13

4.1.4 DETERMINACIKON DE LA EVAPOTRANSPIRACION ............................................................ 14

4.2 USO CONSUNTIVO DEL AGUA .......................................................................................... 15

4.1.2 FACTORES QUE AFECTAN EL USO CONSUNTIVO .............................................. 15

4.2.2 DETERMINACIÓN DEL USO ......................................................................................... 16

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................... 18

HIDROLOGÍA UNIDAD IV

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INTRODUCCIÓN

En el siguiente trabajo se presentará como se lleva a cabo el fenómeno de

evaporización y uso consuntivo del agua, así como los usos que se le brindan al

agua que ya no regresa al ciclo hidrológico, el objetivo es determinar las

habilidades para la caracterización de los procesos del ciclo hidrológico y su

aplicación al proyecto de obras hidráulicas tales como presas, abastecimiento de

agua y alcantarillado.

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4.1 EVAPORACION Y EVOTRANSPIRACION

4.1.1 DESCRIPCION DEL FENOMENO Del latín evaporatĭo, la evaporación es la acción y efecto de evaporar o

evaporarse. Este verbo, por su parte, hace referencia a la conversión de un líquido

en vapor.

Figura 1 Evaporización

El concepto puede nombrar al proceso físico en sí mismo (una sustancia se

separa de otra en su punto de ebullición) o al paso del estado líquido al gaseoso.

La sustancia en estado líquido adquiere la energía necesaria para vencer la

tensión superficial: cuando toda la masa alcanza el punto de ebullición, comienza

el proceso de evaporación.

La evaporación es una variable hidrológica que determina los niveles de una

cuenca hidrográfica. La energía intensifica el movimiento de las moléculas y las

partículas comienzan a escaparse en forma de vapor.

Una parte de lluvia queda en los vegetales, interceptada por las hojas o troncos,

desde donde hay evaporación. Otra parte llega al suelo y lo moja, así habrá

también evaporación desde el suelo húmedo, con variaciones del grado de

humedad; una vez saturado el suelo, el agua corre por la superficie, aunque no

por cauces, y también desde ésta se produce evaporación. Por último, una parte

alcanza los cauces y entonces se tendrá evaporación desde superficies líquidas

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continuas, es decir, mares, lagos y ríos. Por eso se puede decir que todo tipo de

agua en la superficie terrestre está expuesta a la evaporación.

Considerando la evaporación desde una superficie de agua (lagos, ríos, etc.)

como la forma más simple del proceso, éste puede esquematizarse así: Las

moléculas de agua están en continuo movimiento. Cuando llegan a la superficie

del líquido aumentan su temperatura por efecto de la radiación solar, y en

consecuencia su velocidad, creciendo por tanto su energía cinética hasta que

algunas consiguen liberarse de la atracción de las moléculas adyacentes y

atravesar la interface líquido-gas convirtiéndose en vapor. De esta manera, la

capa de aire inmediatamente por encima de la superficie se satura de humedad.

Simultáneamente a la evaporación se desarrolla también el proceso inverso por el

cual las moléculas se condensan y vuelven al estado líquido. Además, es

necesario que el medio que envuelve la superficie evaporante tenga capacidad

para admitir el vapor de agua. Esto último se conoce como poder evaporante de la

atmósfera.

Hay otra forma especial de evaporación, la que se produce a partir de la nieve y

de los hielos, el paso no es del estado líquido al gaseoso, sino del sólido al

gaseoso; este fenómeno se conoce como sublimación o volatilización.

Todos estos lugares donde se acumula el agua dan lugar al fenómeno físico de la

evaporación, pero también existen otros que hay que estudiar, las plantas que

toman el agua del suelo por medio de sus raíces y a través de su ciclo biológico la

regresan a la atmósfera por medio de la transpiración.

La transpiración es el proceso físico-biológico por el cual el agua cambia de

estado líquido a gaseoso a través del metabolismo de las plantas y pasa a la

atmósfera. Esencialmente es el mismo proceso físico que la evaporación, excepto

que la superficie desde la cual se escapan las moléculas del líquido no es de agua

libre sino que es la superficie de las hojas.

Éstas están compuestas por finas capas de células (mesodermo) y poseen una

delgada epidermis de una célula de espesor, la cual posee numerosas estomas. El

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espacio intercelular en el mesodermo contiene grandes espacios de aire entre

cada estoma. La humedad entre los espacios intercelulares se vaporiza y escapa

de la hoja a través de estos estomas. El número de estomas por unidad de

superficie varía dependiendo de la especie vegetal y las condiciones ambientales.

Figura 2

La evapotranspiración es la combinación de los fenómenos de evaporación desde

la superficie del suelo y la transpiración de la vegetación. La dificultad de la

medición en forma separada de ambos fenómenos (el contenido de humedad del

suelo y el desarrollo vegetal de la planta) obliga a introducir el concepto de

evapotranspiración como pérdida conjunta de un sistema determinado.

La cantidad de agua que realmente vuelve a la atmósfera por evaporación y

transpiración se conoce con el nombre de evapotranspiración real. Ésta es la

suma de las cantidades de vapor de agua evaporadas por el suelo y transpiradas

por las plantas durante un período determinado, bajo las condiciones

meteorológicas y de humedad de suelo existentes.

El principal factor que determina la evapotranspiración real es la humedad del

suelo, el cual puede retener agua conforme con la capacidad de retención

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específica de cada tipo de terreno. La humedad del suelo es generalmente

alimentada por la infiltración, y constituye una reserva de agua a ser consumida

por la evaporación del suelo y las plantas.

La evaporación y la transpiración son un proceso importante en el ciclo del agua.

Cuando el sol calienta la superficie de una masa de agua, el líquido se evapora y

se transforma en una nube. Al producirse las precipitaciones (rocío, lluvia, nieve),

el agua vuelve a la cuenca y se completa el ciclo. Existen, por supuesto, otras

condiciones atmosféricas que inciden en este tipo de procesos, como la presencia

de viento.

4.1.2 MEDICION

La evaporación natural puede ser medida como la pérdida de agua desde la

superficie o como la ganancia de vapor de agua por la atmósfera. Las mediciones

en la fase líquida asumen o crean un sistema cerrado, como un tanque de

evaporación o un lisímetro, y deduce la evaporación como la pérdida neta de agua

desde el sistema cerrado en un tiempo dado. La medida en la fase de vapor muy

comúnmente asume que la atmósfera es un sistema abierto, y determina la

evaporación como una integración del coeficiente de flujo de vapor de agua (o

equivalente al calor latente) en el sistema abierto a través de la frontera turbulenta,

en la capa cercana a la superficie de la tierra.

La medición de la evaporación de extensiones libres de agua o de superficies

terrestres, así como de la transpiración de la vegetación, es de gran importancia

para los estudios hidrológicos. La evaporación y la evapotranspiración son

también elementos importantes en cualquier estudio del balance hídrico.

En la actualidad es difícil medir directamente la evaporación o la

evapotranspiración de grandes superficies; sin embargo, existen diferentes

métodos indirectos que dan resultados aceptables. En los embalses existentes, las

parcelas y las cuencas pequeñas, las estimaciones pueden realizarse basándose

en el balance hídrico, en el balance energético y en métodos aerodinámicos.

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TANQUES DE EVAPORACION

Por su aparente simplicidad, los tanques de evaporación son los instrumentos más

utilizados para estimar la evaporación potencial. Existen numerosos modelos de

tanques de evaporación: unos son cuadrados y otros circulares; unos están

instalados por encima del nivel del suelo, y otros están enterrados de forma que el

nivel de agua coincida aproximadamente con la del terreno.

Los tanques enterrados tienden a eliminar los efectos perjudiciales de los límites,

como la radiación sobre las paredes laterales y el intercambio de calor entre la

atmósfera y el tanque, pero presentan dificultades para la observación, captan

fácilmente basura, son difíciles de instalar, limpiar y reparar; además, las fugas no

se detectan con facilidad y la vegetación que circunda al tanque puede tener

ciertos efectos nocivos, y más aún, puede existir un intercambio apreciable de

calor entre el tanque y el suelo.

La evaporación en un tanque flotante en un embalse o lago es más aproximada a

la evaporación del vaso, que la de los evaporímetros instalados en su orilla. Sin

embargo, se tienen dificultades para efectuar las mediciones, las salpicaduras

distorsionan los cálculos y en general los costos de instalación y mantenimiento

son elevados.

Entre los variados tipos de tanques de evaporación utilizados, la Organización

Meteorológica Mundial (OMM), recomienda el tanque tipo A de los Estados Unidos

como instrumento de referencia. Este es un tanque circular de 121 centímetros de

diámetro y 25.4 centímetros de altura, montado sobre un enrejado de madera de

forma que su base está 5 ó 10 centímetros encima del suelo, permitiendo la

circulación del aire por debajo.

Está construido de fierro galvanizado y es llenado hasta 5.1 centímetros bajo su

borde. Las mediciones se realizan apoyando en un tubo de nivelado un tornillo

micrométrico cuya punta se enrasa con el nivel del agua.

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La evaporación diaria se calcula evaluando la diferencia entre los volúmenes de

agua en el tanque en días sucesivos, teniendo en cuenta las precipitaciones

durante el período considerado. El volumen de evaporación entre dos

observaciones del nivel del agua en el tanque se estima mediante la fórmula:

E=P ± ∆D

Donde P es la altura de precipitación entre las dos mediciones y ∆D la altura del

agua añadida (+) o sustraída (-) del tanque.

LISIMETROS

La evapotranspiración se puede estimar por medio de lisímetros, mediante

métodos de balance hídrico o balance térmico, con ayuda del método de difusión

turbulenta o mediante fórmulas empíricas basadas en datos meteorológicos

observados. El uso de evaporímetros y lisímetros permite una medición directa de

la evapotranspiración de superficies de terreno diferentes y la evaporación del

suelo situado entre espacios cultivados. Estos instrumentos han demostrado ser

suficientemente sencillos y exactos, siempre que satisfagan todos los requisitos

concernientes a su instalación y técnicas de observación. La transpiración de la

Figura 3

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vegetación se estima como la diferencia entre los valores de evapotranspiración y

de evaporación del terreno medidos al mismo tiempo.

BALANCE HIDRICO

El método del balance hídrico puede utilizarse para estimar la evapotranspiración,

ET, cuando pueden medirse o estimarse la precipitación P, el escurrimiento Q, y

las variaciones del almacenamiento, ∆S. La ecuación utilizada es:

ET = P – Q – Qss ±ΔS

La evapotranspiración anual de una cuenca para un año hídrico puede ser

estimada como la diferencia entre la precipitación y el escurrimiento, si se puede

establecer por estudios geohidrológicos que la infiltración profunda es

relativamente insignificante. Las fechas elegidas para el comienzo y final del año

hídrico deben coincidir con la estación seca, cuando la cantidad de agua

almacenada es relativamente pequeña y el cambio en almacenamiento de un año

a otro es mínimo.

Figura 4

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Si se debe calcular la evapotranspiración para un período más corto, como una

semana o un mes, debe medirse la cantidad de agua almacenada en el suelo y en

el canal del curso del agua. Esto es posible solo para cuencas pequeñas, y la

aplicación del método de balance hídrico para esos períodos cortos se limita

generalmente a parcelas o cuencas experimentales de algunas hectáreas.

BALANCE ENERGETICO

El método de balance energético puede aplicarse a la estimación de la

evapotranspiración cuando la diferencia entre el balance de radiación y el flujo de

calor en el suelo es importante y excede los errores de medición.

La evapotranspiración real es la cantidad de agua, expresada en mm/d, que es

efectivamente evaporada desde la superficie del suelo y transpirada por la cubierta

vegetal.

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4.1.3 DETERMINACION DE LA EVAPORACION

La evaporación de los cuerpos de agua como embalses y lagos es uno de los

componentes de la ecuación de balance, ésta variable se evalúa en forma

independiente, tanto de manera espacial como temporal, utilizando métodos

directos a través de mediciones con evaporómetros (también conocidos como

evaporímetros o tanques de evaporación) y de las características de los cuerpos

de agua, o bien mediante métodos indirectos, con datos del clima.

EVALUACIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS

Para obtener los volúmenes evaporados durante cada mes del año en los cuerpos de agua, utilizando datos de evaporímetros, se recomienda el siguiente procedimiento:

1. Se identifican los cuerpos de agua importantes. Para lo cual, se utilizan

cartas topográficas, planos cartográficos, imágenes de satélite, etc.

2. A cada cuerpo de agua se le asocia una estación climatológica cercana,

que cuente con registros en el periodo del balance. La selección de cada estación

climatológica estará relacionada con la cantidad y consistencia de los registros

históricos. Si existe más de una estación cercana se utilizan los polígonos de

Thiessen para obtener valores medios mensuales.

3. Para el cálculo de la evaporación en el cuerpo de agua, se utilizan los

valores medios mensuales obtenidos en el punto 2, corregidos por un coeficiente

de reducción. Este coeficiente varía en un rango de 0.6 a 0.8 (Aparicio, 1997).

4. Por último, el valor obtenido en el punto 3 se multiplica por el área del

cuerpo de agua, obtenida de la información recopilada o inferida en función del

nivel de la superficie libre del agua. Si se cuenta con registros climatológicos

diarios de humedad relativa, velocidad del viento, radiación solar, así como

temperatura media, se recomienda utilizar la fórmula de Penman.

Fórmula de Penman

siendo:

- E = evaporación diaria (en mm) - Δ = pendiente de la curva de tensión saturante para la temperatura del aire (en mm de Hg/ºC) - Rn = radiación neta, traducida a mm de agua que puede evaporar en un día

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- Ea = 0,35 (0,5 + 0,54 V2) (ea -ed) (en mm/día) - V2 = velocidad del viento a 2 m de altura sobre la superficie evaporante (en m/seg) - ea = tensión de vapor saturante a la temperatura del aire (en mm de Hg) - ed = tensión de vapor en el aire (en mm de Hg) - &gamma = constante psicrométrica (en mm de Hg/ºC = 0,485 mm de Hg/ºC)

El valor de Rn se deduce del RN que da la fórmula de Brunt

Ambos están relacionados de la siguiente manera:

Rn = evaporación (en mm/día); RN = radiación neta (en cal/cm2) C1 = el calor de vaporización preciso para evaporar 1 mm de agua por cada cm2 de superficie.

OTROS MÉTODOS PARA CALCULAR LA EVAPORACIÓN SON:

Balance hídrico

Consiste en establecer una igualdad entre las entradas y salidas de agua en una zona concreta. La concepción responde exactamente al proceso real, aunque existe gran posibilidad de error en la medida de los términos que intervienen en el balance, con lo cual, los resultados se pueden alejar bastante de los verdaderos.

En un intervalo de tiempo determinado, la ecuación del balance hídrico de un embalse, lago o superficie de agua libre es:

E = A -G -ΔR

siendo: - E = evaporación - A = aportaciones o ingresos de agua - G = salidas o gastos de agua (no debidos a evaporación) - ΔR = incremento en el almacenaje o reserva de agua (puede ser negativo)

y estando todos los términos expresados en las mismas unidades. Las aportaciones (A) generalmente se deben a la precipitación, por lo que son fáciles de medir con bastante aproximación. Las salidas (G), deben incluir también las

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que se deban a infiltración, que precisamente, son las más difíciles de medir, debiendo recurrirse a estimaciones indirectas: niveles en pozos de la zona, permeabilidad, coeficiente de infiltración, etc. La posibilidad de aplicación de este método, depende de la precisión con que puedan determinarse cada miembro de la ecuación. No será aplicable cuando la estimación de las pérdidas por infiltración, sea un valor similar o exceda del que resulte para la evaporación.

Balance energético Medida de gradientes de humedad y velocidad del viento

1mm por día de agua evaporada equivale a 10 m3 /Ha día.

4.1.4 DETERMINACIKON DE LA EVAPOTRANSPIRACION

La evapotranspiración es la conjunción de dos procesos: la evaporación y la

transpiración. La transpiración es el fenómeno biológico por el que las plantas

transfieren agua a la atmósfera. Toman agua del suelo a través de sus raíces, una

pequeña parte es para su nutrición y el resto lo transpiran. Como es difícil medir

ambos procesos por separado, y además en la mayor parte de los casos lo que

interesa es la cantidad total de agua que se pierde a la atmósfera, se calculan

conjuntamente bajo el concepto mixto de evapotranspiración, exceptuando la

evaporación en cuerpos de agua, que en este manual se estima por separado.

Existen numerosas fórmulas, teóricas o semi empíricas, y procedimientos de

cálculo para estimar la evapotranspiración considerando parámetros

climatológicos, agrícolas e hidrológicos.

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4.2 USO CONSUNTIVO DEL AGUA

Es el uso del agua que no se devuelve en forma inmediata al ciclo del agua. Por

ejemplo, el riego es un uso consuntivo, mientras que la generación de energía

eléctrica mediante el turbinado del agua de un río, si la descarga es en el mismo

río no es un uso consuntivo.

En agricultura, el uso consuntivo es el agua que se evapora del suelo, el agua que

transpiran las plantas y el agua que constituye el tejido de las plantas. Es la

cantidad de agua que debe aplicarse a un cultivo para que económicamente sea

rentable, se expresa en mm/día.

4.1.2 FACTORES QUE AFECTAN EL USO CONSUNTIVO

Los principales factores que influyen en el valor del uso consuntivo son:

El clima: Temperatura, humedad relativa, vientos, latitud, luminosidad y

precipitación.

Los cultivos: Superficie, variedad, ciclo vegetativo y hábitos radiculares.

Agua: Calidad y disponibilidad practica de riego.

Figura 5

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Figura 6.- Factores que afectan el uso consuntivo

4.2.2 DETERMINACIÓN DEL USO

Uso doméstico

El uso para abastecimiento público incluye la totalidad del agua entregada a través

de las redes de agua potable, las cuales abastecen a los usuarios domésticos, así

como a las diversas industrias y servicios conectados a dichas redes.

El disponer de agua en cantidad y calidad suficiente para el consumo humano es

una de las demandas básicas de la población, pues incide directamente en su

salud y bienestar en general.

Para el abastecimiento público, que agrupa al uso público urbano y al doméstico,

el tipo de fuente predominante es la subterránea con el 62% del volumen.

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Uso en agricultura y ganadería

En agricultura, el agua se emplea para el riego de los campos. En ganadería, se

usa como parte de la alimentación de los animales y en la limpieza de los establos

y otras instalaciones dedicadas a la cría de ganado.

Sin embargo es la irrigación (agua usada para la agricultura o el riego de

cosechas) donde más agua se usa y probablemente a nivel mundial, al uso del

agua al que más importancia que se le da.

La cantidad consumida de agua para producir una cosecha es enorme: se

necesitan entre uno y tres metros cúbicos de agua para cosechar un kilo de arroz

y 1.000 toneladas de agua para producir una tonelada de grano.

Uso Industrial

En este rubro se incluye la industria que toma el agua que requiere directamente

de los ríos, arroyos, lagos o acuíferos del país.

Conforme al Sistema de Clasificación Industrial de América del Norte (SCIAN) las

actividades secundarias, conocidas tradicionalmente como “la industria”, están

conformadas por los sectores minería, electricidad, agua y suministro de gas por

ductos al consumidor final, así

como la construcción e industrias manufactureras.

Uso en la generación de energía térmica

El agua incluida en este rubro se refiere a

la utilizada en centrales de vapor duales,

carboeléctricas, de ciclo combinado, de

turbogas y de combustión interna.

De acuerdo con lo reportado por la

Comisión Federal de Electricidad (CFE), en

el año 2008, las centrales termoeléctricas

generaron 193.56 TWh, lo que representó

el 83.6% del total de energía eléctrica producida en el país

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Grado de presión sobre el recurso

El porcentaje que representa el agua utilizada para usos consuntivos respecto al

agua renovable es un indicador del grado de presión que se ejerce sobre el

recurso hídrico en un país, cuenca o región. Se considera que si el porcentaje es

mayor al 40% se ejerce una fuerte presión sobre el recurso.

BIBLIOGRAFÍA

http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Contenido/Documentos/Capitulo_3.pdf

http://www.fertitec.com/PDF/Clasificacion%20y%20Uso%20de%20las%20Aguas%

20de%20Riego.pdf

Evaluación de los recursos hídricos, Elaboración del balance hídrico integrado por cuencas hidrográficas, programa hidrológico internacional de la UNESCO para América latina y el caribe. DOCUMENTO TECNICO DEL PHI – LAC Nº 4. Demanda de agua por parte de los cultivos, Oscar Reckmann A, M. Sc. INIA La Platina.