Unidad Didáctica 5: Evapotranspiración [PDF]

UNIDAD DIDÁCTICA 5. EVAPOTRANSPIRACION [EVAPORACIÓN Y TRANSPIRACIÓN]. Contenido Evaporación: Conceptos Generales. Naturaleza del Proceso. Factores que Afectan a la Evaporación. Unidades. Medición. Control de la Evaporación. Transpiración: Concepto. Factores que Afectan la Transpiración. Variaciones...

UNIDAD DIDÁCTICA 5. EVAPOTRANSPIRACION [EVAPORACIÓN Y TRANSPIRACIÓN]. Contenido Evaporación: Conceptos Generales. Naturaleza del Proceso. Factores que Afectan a la Evaporación. Unidades. Medición. Control de la Evaporación. Transpiración: Concepto. Factores que Afectan la Transpiración. Variaciones. Unidades. Determinación de la Transpiración. Evapotranspiración: Concepto. Evapotranspiración Potencial Unidades. Magnitud del Fenómeno. Métodos de Cálculo. Estimación por Métodos Empíricos. Mediciones. Introducción Esta unidad, trata de la evaporación y la transpiración dos fenómenos que influyen evidentemente sobre el ciclo hidrológico. Debido a las dificultades de medir por separado se reúnen los dos términos como Evapotranspiracion. Una gran parte del agua que llega a la tierra vuelve a la atmósfera en forma de vapor de agua, directamente por evaporación o, a través de las plantas por transpiración. (Evapotranspiración). La evaporación, es el resultado de un proceso físico, por lo cual el agua cambia de estado líquido a gaseoso, volviendo a la atmósfera en forma de vapor. Igualmente, el agua en estado sólido (nieve, hielo…) puede pasar directamente a vapor y el fenómeno se llama sublimación. Factores que afectan la Evaporación: ₋ La radiación solar. ₋ Temperatura del aire y del agua. ₋ La turbulencia y velocidad del viento. ₋ Aumenta al disminuir la presión atmosférica. ₋ La pureza del agua 1 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra. Otros factores que influyen. La naturaleza y forma de la superficie evaporante que depende de la (extensión y profundidad). Humedad del suelo sin Vegetación. 1. Capa superficial. 2. Superficie freática 3. Suelo Saturado 4. Próximo al nivel freático Comparando medidas de evaporación de un suelo saturado y una superficie libre se han obtenido los siguientes resultados (Remenieras 1960) [El agua de los sistemas lénticos (lago, laguna, entre otras) se pierde a través de la evaporación de la superficie de agua libre.] En arena fina saturada: es igual al 100% de la evaporación en superficie libre. En la marga saturada: es igual 90% de la evaporación en superficie libre En arcilla saturada: entre el 75 – 85 % de la evaporación en superficie libre Unidad e Instrumentos para medir la Evaporación La evaporación de superficie de agua libre, se mide con el evaporímetro. Pueden ser de cuatro tipos: ― Estanque de Evaporación, (Clase A, Enterrado y Flotante), ― Evaporímetro de balanza, ― Porcelanas porosas, ― Superficies de papel húmedo. Piché Los estanques de evaporación tienen como principio común la medida del agua perdida por evaporación de un depósito de dimensiones regulares. Los distintos modelos se diferencian entre sí, en la forma, tamaño y ubicación en el terreno. Están concebidos para medir la evaporación de embalses o grandes lagos y en general se sitúan próximos a ellos. Las medidas obtenidas son, en general, superiores a la evaporación real y precisan de coeficiente de corrección según el modelo. El coeficiente de reducción se estima dependiendo de la zona, recomienda 0.7. 2 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra. Estanque Clase A. es un depósito cilíndrico de chapa galvanizada con diámetro de 120 cm y 25.4 cm de altura, instalado sobre un enrejado de madera, a unos 15 cm del suelo. El agua previamente medida, debe mantenerse entre 20 y 17.5 cm del fondo del recipiente. La medida se realiza apoyado en un tubo de nivelación un tornillo micrométrico que tiene un extremo en forma de gancho cuya punta se enrasa con el nivel de agua. Partes del instrumento Métodos teóricos para medir la evaporación desde superficie libre Se utilizan para contrarrestar las mediciones hechas con los instrumentos antes mencionados, con la realidad. Se citaran algunos procedimientos como: el balance hídrico, balance energético, medidas de gradientes de humedad y velocidad del viento. Formulas Semi empíricas calcular la evaporación desde superficies agua libre. Estas fórmulas relacionan la evaporación con algunos factores que influyen en el fenómeno y reúnen los coeficientes empíricos, constantes para cada lugar, que deben ajustarse según las medidas experimentales obtenidas. Un grupo se basan en la Ley de Dalton, cuya fórmula E = K (es – ed) “la evaporación es proporcional al déficit higrométrico, o diferencia entre la tensión de vapor saturante a la temperatura del agua y la tensión de vapor existente en el aire circundante”. Se multiplican por coeficientes, en partes empíricos y en parte dependientes de factores meteorológicos. Las formulas anteriores dependen de la es, la sustituyen por la tensión saturante la temperatura del aire. 3 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra. A continuación, se mencionan las más utilizadas: Formula de Fitzgerald (1886) 𝐸 = (0.4 + 0.449 𝑉𝑜)(𝑒s − 𝑒𝑑) Formula de Meyer (1915) 𝐸𝑚 = 𝐶(1 + 0.06 𝑉 2.5)(𝑒s − 𝑒𝑑) Para superficies evaporantes pequeñas (por ejemplo, estanques de evaporación) puede sustituirse por la tensión de vapor saturante a la temperatura media del aire en estaciones próximas. En estos casos Meyer aconseja C = 15. En lagos grandes y profundos C= 11. Variaciones y orden de magnitud de la evaporación Variación diaria, está ligada a la temperatura, pues, la presión atmosférica varía poco, durante el día. La intensidad de la evaporación crece según sube el día para disminuir en la tarde y al inicio del día. Esta evolución puede ser alterada en forma aleatoria e importante por las variaciones del viento. La Transpiración Proceso físico y biológico, por el cual el agua cambia de estado líquido a gaseoso, a través del metabolismo de las plantas. Se incluye las pérdidas de agua por la planta en forma líquida (goteo o exudación) que puede alcanzar valores importantes, eespecialmente cuando las condiciones ambientales para que se produzca la transpiración no son favorables, además debe incluirse el agua que la planta incorpora a su estructura en el período de crecimiento. Existen varios tipos de plantas según la forma de abastecerse de agua: Hidrófilas o hidrófitas acuáticas o micrófitos e inundadas. Son plantas adaptadas a los medios muy húmedos o acuáticos tales como lagos, estanques, charcos, estuarios, pantanos, orillas de los ríos, deltas o lagunas marinas. 4 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra.  Nymphoides peltata Mixófitas o mesófitas, especies que crecen y se reproducen en hábitats que no son ni demasiado secos ni demasiados húmedos. Toman el agua de la zona no saturada del suelo. Coffea arabica Familia Arecaceae Xerófita especie vegetal adaptada a la vida en ambientes con poca disponibilidad de agua o con estaciones de sequía prolongada. Estas plantas generalmente presentan tallos fotosintéticos. Cactáceas 5 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra. Freatofitas o freatofilas plantas que toman el agua proviene directamente de la capa freática con la que sus raíces están permanentemente en contacto a través de la franja capilar. Suelen ubicarse en la ribera de los ríos o en cursos de agua secos, donde el nivel freático no es muy profundo. Ej. Bosques de galería, sauces. Psamófila especie vegetal que se encuentra adaptada a la vida en arenales, dependientes de la movilidad del suelo (dunas, arenales) y de la influencia del hálito marino y un alto contenido en sales de la arena de estas playas. Androcymbium europaeum Factores que afectan la Transpiración. Aspectos físicos de la transpiración está influida por los mismos factores que afectan la evaporación, a su vez, ciertos factores meteorológicos; Iluminación, temperatura, humedad del aire, condicionan la apertura de los estomas. [Número de estomas por unidad de superficie foliar es una característica de la especie, pero influye también las condiciones ambientales.] Aspecto Humedad de Suelo – la humedad del suelo es la fuente de alimentación de agua de plantas como las mixófitas, xerofitas y freatofitas entre otras, cuando el contenido de agua en el suelo es menor o igual que el punto de marchitez permanente PMP, las fuerzas de succión no son suficientes y la planta muere o se marchita. 6 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra. Aspecto biológico, influye en la transpiración, como la especie vegetal, la edad, el desarrollo y tipo de follaje y profundidad radicular. Medida de la Transpiración La cantidad de agua que vuelven a la atmósfera por transpiración se expresa de dos formas: en milímetros de agua, equivalentes a dividir el volumen de agua transpirado por la superficie cubierta de transpiración. La más utilizada en Hidrología. -Mediante un coeficiente de transpiración (transpiración ratio), que expresa el cociente entre el peso del agua consumida y el peso de la materia seca producida (excluidas las raíces), uso agronómico. -En laboratorio, (Freeman y Garreau) midieron el vapor de aire que recoge una campana de vidrio, cerrada en su base por una hoja de la planta, por el aumento de peso de una sustancia higroscópica colocada en el interior. Variaciones de la transpiración Las variaciones diurnas de la transpiración están ligadas a la temperatura, humedad y fundamentalmente intensidad iluminación. Al ponerse el sol cesa la transpiración, debido al cierre de los estomas. Las variaciones estacionales, dependen de la actividad vegetativa y de la posibilidad de que la atmósfera reciba vapor de agua. La transpiración fuera del ciclo vegetativo, es nula. Las variaciones interanuales, son muy parecidas a la evaporación de una superficie de agua libre en las mismas condiciones ambientales. Evapotranspiración Es el resultado del proceso por el cual, el agua cambia de estado líquido a gaseoso, y directamente, o través de las plantas, vuelve a la atmósfera en forma de vapor, es decir que la evapotranspiración es la suma de la evaporación y la transpiración y sólo es aplicable a una determinada área de terreno cubierta por vegetación. Cuando esta no existe solo podríamos hablar de evaporación. 7 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra. Factores que influyen en la Evapotranspiración Todos los factores que influyen en la evaporación y en la transpiración (variables del clima) influirán, por consiguiente, en la evapotranspiración. La evapotranspiración depende de otros factores muy variables y difíciles de medir: el contenido de humedad del suelo y el desarrollo vegetal de la planta. Thornthwaite en 1948 introduce un nuevo concepto optimizando ambos. Es la llamada evapotranspiración potencial o pérdidas por evapotranspiración, suponiendo, un Desarrollo Vegetal óptimo y Capacidad de Campo (CC) permanentemente completa. Será por tanto un límite superior de la cantidad de agua que realmente vuelve a la atmósfera por transpiración y evaporación y que se conoce con el nombre de evapotranspiración real. Alrededor del concepto de Evapotranspiración, existen términos que conviene precisar: Uso Consuntivo se refiere a la cantidad de agua consumida en una zona, al satisfacer total o parcialmente la demanda. Para el caso de demanda agrícola, los términos uso consuntivo y evapotranspiración son sinónimos. Demanda de agua para riego, está relacionada con el concepto de evapotranspiración, pero no son equivalentes, pues tiene como base de cálculo la diferencia entre evapotranspiración potencial y evapotranspiración real. Uso consuntivo y Demanda de agua para riego, no son sinónimos. Debe considerar las pérdidas por aplicación y conducción de agua además las necesidades estrictas y la parte de la precipitación que se pierde por evaporación. 8 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra. Unidades – Métodos de cálculo La evapotranspiración, es un fenómeno micro climático y los métodos serán más validos según se consideren estos aspectos. La unidad más usual para expresar las perdidas por evapotranspiración es el milímetro de altura de agua, que equivalen a 103/Ha, que se refiere a un intervalo de tiempo determinado. Métodos más Aplicados, se agrupan de la siguiente manera: A. Métodos basados en física teórica del microclima 1. Balance de energía 2. Perfiles de humedad y velocidad del viento. 3. Flujo turbulento de humedad 4. Formulas Semi Empíricas y combinadas B. Medidas directas 1. Evapotranspiración. 2. Lisímetros 3. Parcelas o cuencas experimentales. 4. Perfiles de humedad suelo. C. Métodos Empíricos 1. Formula de Thorthwaite 2. Formula de Blanney Criddle. 3. Formula de Makkink. 4. Formula de Turc. 5. Formula de Penmam 9 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra. Mediciones de la evapotranspiración directas. Lisímetros (ETR bajo condiciones controladas) Son sistemas que aíslan porciones de suelo y permiten medir las entradas y salidas de agua y el intercambio de humedad, sirviendo para estimar, por diferencia de ambas; la evapotranspiración de una determinada cubierta vegetal. P: Precipitación I: Riego D: Drenaje θΔ Intercambio de humedad del suelo a) Lisímetros de drenaje: ETR= P+ I + D c) Lisímetros de pesada: ETR= P + I + D ± θΔ Modelo esquemático de un lisímetro de balanza Leyenda: A) Terreno en estudio B) Balanza C) Recolección del agua de drenaje D) Recolección del agua de escorrentía Esquema Lisímetro drenaje 10 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra. Consiste en un recipiente de lámina galvanizada formado por un tanque cilíndrico de más o menos 6 metros de diámetro por 95 cm de alto, en el que se coloca el suelo y el cultivo en estudio Lisímetro de drenaje http://www.miliarium.com/Proyectos/EstudiosHidrogeologicos/Anejos/Metodos_Dete rminacion_Evapotranspiracion/Metodos_Directos/MetodosDirectos.asp Formulas Empericas para cálculo de la Evapotranspiración Basadas en la Temperatura del aire: Fórmula de Thorthwaite (1949): E: evaporación mensual (cm/mes) t: temperatura media mensual d: factor de corrección de horas de luz, en relación a un mes de 30 días y 360 horas de luz. Fórmula de Turc (1954): E: Evaporación anual (mm) T: Temperatura media anual 11 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra. Fórmula de Blaney-Criddle (1950): ET: Evapotranspiración potencial mensual (cm) K: factor empírico de cultivo d: horas de luz del mes, como fracción del año Distribución Mensual Precipitación y Evaporación Potencial. Estación El Seybo (3001) Periodo 1968-2004 200.0 180.0 160.0 140.0 Precip. Vs ETP (mm) 120.0 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 ENE FEB M AR ABR M AY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Prom edio Mensual Lluvia Evap(TA) ETP(corr.) TornthWaite Turc Fórmulas basadas en el intercambio de masa Ley de Dalton (1802): E: Agua evaporada F (u): función de la velocidad del viento. esat - eact: déficit de saturación 𝐸 = ∫(𝑢) (𝑒𝑠𝑎𝑡 − 𝑒𝑎𝑐𝑡) 12 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra. Estimación de Evapotranspiración Real La evapotranspiración real, es un límite superior de la cantidad de agua que vuelve a la atmósfera. Para determinar la evapotranspiración real debe tenerse en cuenta no sólo el límite sino también el agua que efectivamente existe en la zona En un esquema de Balance Hídrico. 𝑷 = 𝑬𝑻𝑹 + 𝑬𝑿 + 𝑨𝑹 P = precipitación en mm ETR = evapotranspiración real en mm EX = excedentes de agua de (escorrentía + infiltración) AR = incremento en la reserva de agua utilizable por las plantas Con la condición: ETR = ó < ETP Evapotranspiración y Demanda de riego Es el conjunto de las necesidades hídricas de una zona. Su determinación depende de la evapotranspiración potencial, pues, ésta, señala la cantidad de agua necesaria de un supuesto desarrollo vegetal óptimo. El valor estricto de la demanda de riego sería la diferencia entre ETP y ETR en un cierto periodo de tiempo, es preciso considerar además la posible contribución del agua subterránea con ascenso capilar, la eficiencia de aplicación y las pérdidas por conducción 13 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra. La expresión Demanda de agua para Riego es: 𝑫𝑨 = 𝑬𝑻𝑷 − 𝑬𝑻𝑹 − 𝑨𝑺/(𝑬𝑭 + 𝑷𝑮) DA = demanda global de agua para riego en mm. ETP = evapotranspiración potencial en mm. ETR = evapotranspiración real en mm. AS = aportación de agua subterránea en mm. Ef. = eficiencia de aplicación (coeficiente a dimensional) PG = perdidas por conducción en mm. Referencias consultadas 1] CUSTODIO, Emilio; LLAMAS, Manuel Ramón. Hidrología Subterránea Tomo I. Ediciones Omega, S.A. Barcelona, España, 1993. 2] ESTUDIO FAO RIEGO Y DRENAJE 56. Evapotranspiración del cultivo Guías para la determinación de los requerimientos de agua de los cultivos. [consultado 14 de febrero 2016, 7:56 p.m.] Disponible en: ftp://ftp.fao.org/agl/aglw/docs/idp56s.pdf 3] Métodos de cálculo de la evaporación desde superficies libres de agua. https://issuu.com/mervit/docs/metodos_de_c__lculo_de_la_evaporacion. Publicado en Nov 3, 2013. Consultado (en línea) 23 de febrero 2018, 8:15 pm. 4] SILVA MEDINA, Gustavo A. Hidrología General. Bogotá, Colombia, 2003. 14 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra.