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Balance de agua en el suelo 1
BALANCE DE AGUA EN EL SUELO.MÉTODOS
HIDROMETEOROLÓGICOS.
Jesus Carrera y Maarten Saaltink
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Balance de agua en el suelo 2
Evapotranspiración
¿Qué factores la afectan?
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Balance de agua en el suelo 3
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
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Balance de agua en el suelo 4
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
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Balance de agua en el suelo 5
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
Hidrometeorolgía básica
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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
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Balance de agua en el suelo 7
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
Hidrometeorolgía básica
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Balance de agua en el suelo 8
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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Balance de agua en el suelo 9
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
Hidrometeorolgía básica
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Balance de agua en el suelo 10
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
Hidrometeorolgía básica
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Balance de agua en el suelo 11
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.
Hidrometeorolgía básica
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Balance de agua en el suelo 12
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
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Balance de agua en el suelo 13
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
Hidrometeorolgía básica
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Balance de agua en el suelo 14
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.
Hidrometeorolgía básica
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Balance de agua en el suelo 15
Global water cycle
(National Academy of Science,1987)
Hidrometeorolgía básica
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Balance de agua en el suelo 16
pools (boxes) in 1015 g.
fluxes (arrows) 1015 g/year
The global Carbon cycle
(IPCC, 1995)
Hidrometeorolgía básica
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Balance de agua en el suelo 17
The global climate system and the interrelations of its sub-
systems
(IPCC, 2001)
Hidrometeorolgía básica
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Balance de agua en el suelo 18
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
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Balance de agua en el suelo 19
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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Balance de agua en el suelo 20
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
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Balance de agua en el suelo 21
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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Balance de agua en el suelo 22
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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Balance de agua en el suelo 23
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
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Balance de agua en el suelo 24
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
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Balance de agua en el suelo 25
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
Los parámetros del suelo
0 15c
.( cm)r ( cm)
cpF log( ) log( ( cm))
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Balance de agua en el suelo 26
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
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Balance de agua en el suelo 27
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!
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Balance de agua en el suelo 28
Indice de poros
G
L
S 1
e Índice de poros, e , es la relación entre el volumen de huecos y el de sólido.
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Balance de agua en el suelo 29
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
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Balance de agua en el suelo 30
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.
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Balance de agua en el suelo 31
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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Balance de agua en el suelo 32
Clasificación textural de suelos (USDA)
Se puede utilizar para inferir propiedades de suelos (ver apuntes)
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Balance de agua en el suelo 33
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
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Balance de agua en el suelo 34
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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Balance de agua en el suelo 35
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 el suelo 36
Balance de agua en la zona de raíces
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Balance de agua en el suelo 37
1. Evapotranspiración de referencia
Cálculo de la evapotranapiración
3.Evapotranspiración real
2.Evapotranspiración del cultivo
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Balance de agua en el suelo 38
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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Balance de agua en el suelo 39
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
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s mD e T e
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Balance de agua en el suelo 40
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
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Balance de agua en el suelo 41
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
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Balance de agua en el suelo 42
Stress hídrico
fθ
1
0 θw θd θf θ
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Balance de agua en el suelo 43
CALCULO DE RECARGA Y ESCORRENTIA
MODULO SUPERFICIE-Intercepción-Encharcamiento-Infiltración máxima-Evaporación
ESS
MODULO SUELO-Retención-ETranspiración
E
ETR
R
Lluvia
ESH
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Balance de agua en el suelo 44
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