hidrologia-evaporacion,transpiracion y evapotranspiracion

Universidad Nacional de Cuyo

Facultad de Ingeniería

Ingeniería Civil

HIDROLOGIA I

UNIDAD 6: EVAPORACIÓN, TRANSPIRACIÓN Y EVAPOTRANSPIRACIÓN

Ing. Carlos D. SEGERER

Ing. Esp. Rubén VILLODAS

2006

ÍNDICE DE TEMAS

UNIDAD 6: EVAPORACIÓN, TRANSPIRACIÓN Y EVAPOTRANSPIRACIÓN ................................................... 6-1

TEMA 6.a: EVAPORACIÓN.............................................................................................................................. 6-1 6.a.1. CONCEPTOS GENERALES. ......................................................................................................... 6-1 6.a.2. NATURALEZA DEL PROCESO ..................................................................................................... 6-1 6.a.3. FACTORES QUE AFECTAN A LA EVAPORACIÓN...................................................................... 6-2

6.a.3.i. Factores Meteorológicos y Varios.............................................................................................. 6-2 6.a.3.ii. Calidad del Agua........................................................................................................................ 6-3 6.a.3.iii. Factores que Dependen de la Superficie Evaporante ............................................................... 6-3

6.a.4. UNIDADES...................................................................................................................................... 6-4 6.a.5. INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE LA EVAPORACIÓN ........................................................... 6-4

6.a.5.i. Tanques de Evaporación ........................................................................................................... 6-5 6.a.5.ii. Determinación del Coeficiente de Tanque................................................................................. 6-8 6.a.5.iii. Evaporímetros de Balanza......................................................................................................... 6-8 6.a.5.iv. Porcelanas Porosas ................................................................................................................... 6-8 6.a.5.v. Superficies de Papel Húmedo ................................................................................................... 6-9

6.a.6. MÉTODOS TEÓRICOS PARA LA ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN ................................. 6-10 6.a.6.i. Balance Hídrico........................................................................................................................ 6-10 6.a.6.ii. Balance Energético .................................................................................................................. 6-10 6.a.6.iii. Métodos Aerodinámicos........................................................................................................... 6-11

6.a.7. FÓRMULAS SEMIEMPÍRICAS..................................................................................................... 6-12 6.a.7.i. Fórmula de Fitzgerald .............................................................................................................. 6-12 6.a.7.ii. Fórmula de Meyer .................................................................................................................... 6-12 6.a.7.iii. Fórmula de Lugeon .................................................................................................................. 6-13 6.a.7.iv. Fórmula de Rohwer.................................................................................................................. 6-13 6.a.7.v. Fórmula de los Servicios Hidrológicos de la ex URSS: ........................................................... 6-13

6.a.8. MEDIDA DE LA EVADORACIÓN DESDE SUELOS SIN VEGETACIÓN .................................... 6-13 6.a.9. EVALUACIÓN DE LAS TÉCNICAS DARA ESTIMPR LA EVAPORACIÓN DESDE

EMBALSES................................................................................................................................... 6-13 6.a.9.i. Caso de Embalses Existentes ................................................................................................. 6-13 6.a.9.ii. Caso de Embalses en Estudio................................................................................................. 6-14

6.a.10. CONTROL DE LA EVAPORACIÓN.............................................................................................. 6-14 TEMA 6.b: TRANSPIRACIÓN......................................................................................................................... 6-15

6.b.1. CONCEPTO.................................................................................................................................. 6-15 6.b.2. FACTORES CUE AFECTAN LA TRANSPIRACIÓN.................................................................... 6-15 6.b.3. VARIACIONES DE LA TRANSPIRACIÓN ................................................................................... 6-16 6.b.4. UNIDADES DE MEDIDA............................................................................................................... 6-16 6.b.5. DETERMINACIÓN DE LA TRANSPIRACIÓN.............................................................................. 6-16

TEMA 6.c: EVAPOTRANSPIRACIÓN ............................................................................................................ 6-17 6.c.1. CONCEPTO. EVAPOTRANSPIRACIÓN POTENCIAL ................................................................ 6-17 6.c.2. UNIDADES DE MEDICIÓN........................................................................................................... 6-17 6.c.3. MAGNITUD DEL FENÓMENO ..................................................................................................... 6-17 6.c.4. MÉTODOS PARA EL CÁLCULO.................................................................................................. 6-18

6.c.4.i. Estimación por Métodos Empíricos ......................................................................................... 6-18 6.c.4.ii. Mediciones Directas................................................................................................................. 6-22 6.c.4.iii. Comentario a los Métodos para el Cálculo de la Evapotranspiración ..................................... 6-25

6.c.5. ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN REAL A PARTIR DE LA POTENCIAL............................ 6-25 6.c.6. CONTROL DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN .............................................................................. 6-26

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 43. Tanque de Evaporación Tipo “A” ..........................................................................................................6-5 Figura 44. Tanque Enterrado “Colorado” ...............................................................................................................6-6 Figura 45. Esquema del Evaporímetro Wild ..........................................................................................................6-8 Figura 46. Atmómetro de esfera porosa tipo Livingstone ......................................................................................6-9 Figura 47. Evaporímetro Piché...............................................................................................................................6-9 Figura 48. Evapotranspirómetro.......................................................................................................................... 6-23 Figura 49. Lisímetro............................................................................................................................................. 6-23

ÍNDICE DE CUADROS

Cuadro 10: Valores de ( )Ct t78.17*04572.0*k °+ , para ETP en cm/mes ...................................................... 6-21

Cuadro 11: Valores de “p” Insolación o Resplandor Solar ................................................................................... 6-21 Cuadro 12: Valores de “k” para Argentina y Chile ................................................................................................ 6-22

Unidad 6 6-1

Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería Cátedra: Hidrología I

UNIDAD 6: EVAPORACIÓN, TRANSPIRACIÓN Y EVAPOTRANSPIRACIÓN

Una gran parte del agua que llega a la tierra, vuelve a la atmósfera en forma de vapor, ya sea directamente por evaporación, o a través de las plantas, por transpiración. La cantidad de agua que así se escapa al posible uso por el hombre, dada la dificultad de medir por separado ambos términos, se reúne frecuentemente bajo el nombre de evapotranspiración.

La influencia de estos fenómenos sobre el ciclo hidrológico es muy importante; baste para ello considerar que, en promedio, más del 60% de la precipitación que llega a la tierra es devuelta a la atmósfera por evapotranspiración, alcanzando este porcentaje en algunos lugares hasta el 90%. Desde el punto de vista hidrológico, la evapotranspiración entra, dentro del balance hídrico, en el rubro de las pérdidas.

En los Capítulos 1 y 2 se estudiarán por separado, la evaporación y la transpiración, debiendo tenerse presente, sin embargo, que ambos corresponden esencialmente a un mismo proceso, difiriendo sólo en la superficie desde la que se evapora el agua.

TEMA 6.a: EVAPORACIÓN

6.a.1. CONCEPTOS GENERALES. La evaporación es el resultado del proceso físico por el cual el agua cambia de estado líquido a gaseoso, retornando directamente a la atmósfera en forma de vapor. Este proceso se distingue de la ebullición, principalmente por dos razones:

a) La evaporación se puede producir a cualquier temperatura, mientras que la ebullición se produce únicamente a una temperatura determinada, que es función de la presión atmosférica (100°C a nivel del mar)

b) En la ebullición, el agua pasa del estado líquido al estado de vapor en forma tumultuosa; en la evaporación, por el contrario, el pasaje se efectúa en forma tranquila

También el agua en estado sólido (nieve, hielo, etc.) puede pasar directamente a vapor y el fenómeno se denomine sublimación.

A efectos de estimar las pérdidas por evaporación en una zona, el término se entenderá en sentido amplio, incluyendo la sublimación. No se debe incluir, en cambio, la evaporación de gotas de agua en su recorrido descendente antes de llegar a la superficie de la tierra, pues aquéllas tampoco se habrán contabilizado como aportación en el balance hídrico, ya que la lluvia se mide al llegar al suelo, no al salir de la nube.

Para estudiar la evaporación deben considerarse los distintos orígenes desde los que el agua se puede evaporar. Una parte de la precipitación es captada por la vegetación (intercepción), desde donde se evapora parcialmente, por lo que la cantidad de agua que realmente llega a la superficie de la tierra se ve disminuida con respecto a la precipitación medida en una estación, que siempre es libre de intercepción por las condiciones normalizadas de colocación de los pluviómetros. Otra parte llega al suelo, lo embebe, y así se deberá considerar también la evaporación desde la superficie del suelo húmedo, con variaciones del grado de humedad de aquél. Una vez saturado el suelo, el agua corre por la superficie (aún no por cursos definidos), y también se evapora. Por último, alcanza los cauces, dando origen a la evaporación desde superficies líquidas continuas, es decir, mares, lagos y ríos. A los casos señalados deberá agregarse el estudio de la sublimación.

6.a.2. NATURALEZA DEL PROCESO Todo tipo de agua en la superficie terrestre está expuesta a la evaporación. El fenómeno será tanto más difícil cuanto menor sea la agitación de las moléculas y tanto más intenso cuanto mayor sea la cantidad de agua con posibilidad de evaporarse. Finalmente será necesario que el aire que envuelve la superficie evaporante tenga capacidad para admitir vapor de agua, lo que se conoce con el nombre de poder evaporante de la atmósfera.

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Considerando la evaporación desde una superficie de agua libre (lago, río, etc.) como la forma más simple del fenómeno, éste puede esquematizarse de la siguiente manera:

Las moléculas de agua están en continuo movimiento. Cuando llegan a la superficie del líquido se calientan por efecto de la radiación solar, aumenta su temperatura y en consecuencia, su velocidad, creciendo por tanto su energía cinética, hasta que algunas consiguen liberarse de la atracción de las moléculas adyacentes, que tienden a conservar la tensión superficial del agua, y atravesar así la interfase líquido/gas, convirtiéndose en vapor. La temperatura del líquido disminuye por cada escape, por tanto la evaporación consume calor y produce descenso de la temperatura. El intercambio de calor que requiere este cambio de estado es de aproximadamente 600 calorías por cada gramo de agua evaporada. Para que se mantenga la temperatura de la superficie, estas cantidades de calor deben ser suministradas por radiación y conducción de la capa de aire en contacto, o a costa de la energía almacenada por debajo de la superficie.

Las moléculas de vapor de agua que salen de la superficie libre del agua chocan con las que se encuentran en el aire, adquiriendo algunas de ellas, en la fase gaseosa, la suficiente energía cinética para volver a penetrar en el líquido, condensándose. La diferencia entre la cantidad de moléculas que abandonan el líquido y las que vuelven a él, marca el carácter global del fenómeno. Si es positiva, se está produciendo evaporación; si es negativa, condensación. Cuando el número de moléculas que escapa iguala al número de las que caen de nuevo al agua, se produce un equilibrio entre la presión ejercida por el escape de las moléculas y la presión de la atmósfera circundante, estado que se denomina saturación.

Así la evaporación desde la superficie del líquido y la condensación forman un proceso continuo. La evaporación es mayor que la condensación en el espacio, por encima de la superficie del agua, cuando aquél no se halla saturado.

6.a.3. FACTORES QUE AFECTAN A LA EVAPORACIÓN La tasa de evaporación varía dependiendo de factores meteorológicos y de la naturaleza de la superficie evaporante. La discusión que se efectúa en el apartado siguiente respecto a la incidencia de los primeros, está enfocada hacia la evaporación desde superficies de agua libre. Sin embargo, los conceptos básicos son extensivos a otras superficies de interés en hidrología.

6.a.3.i. Factores Meteorológicos y Varios Si la evaporación natural se considera como un proceso de intercambio de energía, se concluye que la radiación solar es sin lugar a dudas el factor más importante, por lo que resulta apropiado el término de evaporación solar. Sin embargo, los análisis teóricos y experimentales demuestran que la magnitud de la evaporación desde una superficie de agua a una temperatura dada, es proporcional a la velocidad del viento y que depende en gran medida de la tensión de vapor existente en la capa de aire inmediatamente superior. Se ha observado también que, aunque en menor medida, influye en el proceso la presión atmosférica del lugar.

Como consecuencia de la influencia de la radiación solar en el fenómeno, la evaporación varía con la latitud, estación del &o. hora del día y condiciones de nubosidad.

La velocidad y turbulencia del viento ayuda a la renovación de la masa de aire que recibe el vapor y, en consecuencia, disminuye su tensión de vapor, incrementando la evaporación.

Es difícil de evaluar el efecto relativo de cada uno de los factores meteorológicos mencionados, que controlan la evaporación, y cualquier conclusión debe estar limitada en términos del período de tiempo considerado. Desde hace mucho tiempo, una serie de investigadores han efectuado intentos, más o menos afortunados, de correlacionar la evaporación con los diversos factores meteorológicos que influyen directamente sobre los dos medios intercambiantes (agua y aire). El hecho de que muchos de aquellos factores sean dependientes entre sí, incrementa la dificultad.

Atendiendo a la capacidad de la atmósfera que envuelve a la superficie evaporante para admitir vapor de agua, y a la posibilidad de evaporación de la misma, Dalton en 1802 estableció la expresión:

/117/ ( )ee*kE s −=

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En esta ecuación señalaba que, a constancia de las demás circunstancias, la evaporación era proporcional al déficit higrométrico, o sea a la diferencia entre la tensión de vapor saturante a la temperatura del agua ( se ) y la tensión de vapor existente en el aire circundante (e). Esta fórmula, en la que el coeficiente de proporcionalidad “k” se ajusta según la influencia de otros factores, ha llegado hasta nuestros días.

Cabe observar en la expresión /117/, que los valores de las tensiones de vapor que se consideran en la misma, están relacionados con las temperaturas del aire y del agua, que son funciones a su vez de la radiación solar, por lo que todos estos factores aparecen considerados en el término ( )ees − .

En relación a la influencia de la presión atmosférica, la evaporación crece al decrecer aquélla, manteniendo constantes los demás factores. Sin embargo, al aumentar la altitud, decrece la evaporación. Esta aparente contradicción se explica por la mayor influencia de los otros factores (temperatura del aire y del agua) en el ritmo de la evaporación, que la producida por el decrecimiento de la presión atmosférica con la altitud.

6.a.3.ii. Calidad del Agua La pureza del agua es otra variable a considerar, dado que el efecto de la salinidad o la presencia de sólidos disueltos en el agua, reduce la tensión de vapor de la solución. y con ello disminuye la evaporación. Sin embargo, con la reducción de evaporación se produce un aumento de temperatura del agua que compensa parcialmente la reducción de tensión de vapor, por lo que los efectos de la salinidad pueden despreciarse en la estimación de la evaporación de un embalse.

6.a.3.iii. Factores que Dependen de la Superficie Evaporante Otro grupo de factores influyentes, surgen al considerar la naturaleza y forma de la superficie evaporante.

Evaporación desde Superficies Líquidas Son las que presentan el mínimo de dificultades a la evaporación. En estos casos (mares, lagos) influyen, además de los factores ya analizados, los siguientes:

La extensión, que influye en relación a los vientos, que si llegan a la superficie de agua desde el interior y relativamente secos, producen abundante evaporación, pero a medida que avanzan en su recorrido sobre la masa líquida, al irse cargando de humedad, disminuye su poder evaporante.

La profundidad, como consecuencia de la inercia térmica. Masas líquidas de poca profundidad siguen rápidamente las variaciones de la temperatura del aire; en cambio. cuando hay mayor profundidad, la temperatura del agua se retrasa respecto a la del aire, con lo que se reduce la evaporación, a igualdad de las restantes condiciones. Por esta circunstancia, para temperaturas similares (primavera y otoño, por ejemplo), la evaporación será mayor en los períodos posteriores al cálido (otoño), por el aumento progresivo de temperatura que en aquella época fueron experimentando las aguas.

Como órdenes de magnitud, en superficies líquidas, la evaporación varía entre los 500 a los 3.000 mm anuales.

Evaporación desde los Suelos La evaporación de la humedad de un suelo sin vegetación se produce en la capa superficial. Al disminuir la humedad de ésta, se genera un desequilibrio y hay una atracción de la humedad subyacente, que asciende por capilaridad a la superficie, prosiguiendo la evaporación hasta que esta agua capilar se agota. Así pues, la evaporación desde la superficie de un suelo queda limitada por la disponibilidad de agua o la pcsibi1idad de evaporación. El agua higroscópica en equilibrio con la humedad atmosférica no se evapora.

Cuando la sub-zona capilar alcanza hasta la superficie del terreno, es decir, cuando la superficie freática está muy próxima al suelo, la alimentación de agua capilar está asegurada. Sólo en este caso puede

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decirse que el agua subterránea propiamente dicha se evapora directamente. El fenómeno continuará mientras no se produzca un descenso apreciable del nivel freático y consiguientemente de la sub-zona capilar.

La evaporación desde un suelo saturado, por la proximidad del nivel freático o por otras causas (lluvia reciente o riego), tiene un valor cercano al de una superficie de agua libre en las mismas condiciones ambientales. Comparando medidas de evaporación de un suelo saturado y una superficie de agua libre, se han obtenido valores que van desde el 100% de correspondencia para el caso de arenas finas saturadas, hasta un 75 ó 85% para arcillas saturadas.

Si un suelo está cubierto por vegetación, las pérdidas de agua a la atmósfera incorporan otro sumando, la transpiración, a la que se hará referencia concreta posteriormente. No obstante, la evaporación desde un suelo desnudo es superior a la del mismo suelo cubierto con vegetación, pues en este último las radiaciones solares se amortiguan. Como ya se expresara anteriormente, las pérdidas totales de agua serán las que resulten de sumar las de evaporación más la transpiración de la vegetación.

Evaporación de Nieve y Hielo La evaporación a partir de la nieve y del hielo es un fenómeno aún poco estudiado. Se sabe únicamente que la evaporación a partir de la nieve aumenta cuanto mayor contenido tenga en fase líquida, de allí que las evaporaciones sean mayores poco antes de los deshielos. En cuanto a la influencia del viento, algunos investigadores han determinado un gran aumento en la sublimación al crecer la velocidad de aquéllos, mientras que otros concluyeron que es escasa la influencia de la temperatura de los vientos.

Otro factor más conocido es la compacidad de la nieve. Nieve reciente, con poca compacidad, se sublima mucho más que aquélla que ha estado depositada más tiempo y ha ido comprimiéndose, adquiriendo mayor compacidad y, por tanto, con menor superficie de contacto con el aire, pues de otro modo se halla en contacto con éste, no sólo la superficie, sino también la parte interna, por la porosidad.

Como orden de magnitud, se puede indicar una evaporación anual de 200 a 350 mm, reducida lógicamente a la cantidad de meses en que haya nieve.

6.a.4. UNIDADES La evaporación se mide en las mismas unidades que la precipitación (mm), con el fin de homogeneizar las medidas de las magnitudes que intervienen en el ciclo hidrológico. Por lo general se acompaña el periodo de tiempo considerado (mm/día, mm/mes, etc.).

Cabe observar que el adoptar como unidad de medida el mm es muy significativo, pues indica que la evaporación es un fenómeno de superficie. Así por ejemplo, será menor la evaporación de un embalse de pequeña superficie y muy profundo, que aquélla correspondiente a uno de gran superficie y escasa profundidad, aunque el volumen de agua almacenada en ambos sea el mismo.

6.a.5. INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE LA EVAPORACIÓN La evaporación es una magnitud difícil de medir, debido principalmente a que experimenta considerables variaciones de carácter local y no puede encontrarse un proceso suficientemente representativo de las condiciones medias de un lugar determinado. La evaporación es distinta en un terreno seco que en otro con charcos, en un río que en un bosque, etc.; influyendo también notoriamente las condiciones meteorológicas del aire.

Los instrumentos para medir la evaporación desde superficies de agua libre se denominan en forma genérica atmómetros o evaporímetros (también evaporómetros, en algunos textos), y se clasifican en cuatro tipos, de los cuales sólo el primero resulta de interés en ingeniería hidrológica:

a) Tanques de evaporación

b) Evaporímetros de balanza

c) Porcelanas porosas

d) Superficies de papel húmedo

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6.a.5.i. Tanques de Evaporación Uno de los instrumentos más empleados para la medición de la evaporación está constituido por tanques, que tienen como principio común la medida del agua perdida por evaporación contenida en un depósito de regulares dimensiones. Generalmente son fabricados de hierro galvanizado, cinc o cobre, diferenciándose los distintos modelos entre sí por su tamaño, forma y ubicación en el terreno.

Los tanques de evaporación están concebidos para poder determinar, mediante los valores obtenidos, la evaporación de embalses o grandes lagos, próximos a los cuales suelen colocarse. Por lo general, en igualdad de las restantes condiciones, la evaporación desde tanques es mayor que la producida en una gran masa de agua. A la relación entre esta última y la de un tanque, se la conoce como coeficiente de tanque y se lo utiliza para estimar la evaporación de un lago o embalse a partir de las medidas efectuadas en tanques próximos. Este coeficiente es variable, y por lo general, más alto en invierno que en verano.

Los depósitos pueden ser de tres tipos: exteriores, colocados sobre la superficie del suelo; enterrados y flotantes, que se emplean para efectuar mediciones en grandes masas líquidas, embalses y lagos sobre todo.

Tanques Exteriores Tienen la ventaja de una instalación muy sencilla y que sus resultados no corren el riesgo de ser falseados por el rebote de las gotas de lluvia que caen sobre el terreno próximo. En cambio son muy sensibles a las variaciones de la temperatura del aire y a los efectos del sol sobre las paredes laterales, que al calentar el metal aumenta la temperatura del agua contenida en ellos y por ende, la evaporación. Si se aíslan térmicamente las paredes exteriores del tanque se observan reducciones en las medidas de evaporación.

El tipo de tanque exterior adoptado por el Servicio Meteorológico Nacional es el denominado por el mismo, tanque tipo “A”, que se corresponde con el modelo standard (clase A) utilizado por el Servicio Meteorológico de los Estados Unidos. Consiste en un depósito cilíndrico construido con chapa de hierro galvanizado N° 22, sin pintar, con un diámetro interior de 1,22 m y 25,4 cm de altura. El fondo está soldado interiormente y debe ser plano. La chapa que forma la pared lateral del cilindro no tiene costura, para evitar filtraciones, y el borde superior está reforzado con un aro de hierro galvanizado de 2,5 cm de alto y 0,25 cm de espesor.

Figura 43. Tanque de Evaporación Tipo “A”

Cilindro de Reposo para la medición del agua en el tanque

Termómetro Flotante Micrómetro

Anemómetro

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Se lo instala sobre una base construida con tirantes de madera dura, en forma de enrejado, de modo que su fondo quede a unos 15 cm del suelo, a efectos que el aire pueda circular libremente bajo el tanque. Con el objeto de uniformar las instalaciones se sigue el criterio de colocarlo en un lugar expuesto a la máxima insolación posible. El nivel del agua dentro del tanque debe llegar hasta 5 cm de su borde superior y se agregará o extraerá agua cuando la variación del nivel, en un sentido u otro, se superior a 2,5 cm.

Para este tipo de tanque se recomienda emplear como coeficiente de tanque medio, el valor 0.7, el que varía según los meses del año y las condiciones meteorológicas del lugar. De cualquier manera resulta necesario efectuar la determinación real que corresponde en cada caso, de acuerdo a la forma que se indica en el apartado 6.a.5.ii.

Tanques Enterrados Son menos sensibles a las influencias de la temperatura ambiente y de la radiación solar sobre las paredes, pero aunque su borde sobrepasa el nivel del suelo en alrededor de una docena de centímetros, las gotas de lluvia que rebotan en el suelo así como los detritos que recogen, pueden causar errores de medida. Son de instalación y mantenimiento más delicados y la altura de la vegetación en su vecindad inmediata, influye en el valor de las mediciones. Deben ser revisados periódicamente a los efectos de verificar que no existan fugas, que falsearían las lecturas.

Los tipos más conocidos son:

a) Tanque Tipo “B” del Servicio Meteorológico Nacional

Está construido reuniendo las mismas condiciones del tipo “A”. Su diámetro interior es de 1,829 m y su altura de 0,61 m. Se instala enterrándolo de modo que su borde sobresalga 10 cm del terreno, conformando al mismo alrededor del tanque con un pequeño talud de pendiente aproximada del 5%.

El fondo de la excavación debe emparejarse y apisonarse lo necesario para poder asentar el tanque sin necesidad de hacerle una base de hormigón o de madera, para una mejor aproximación a las condiciones naturales. Debe llenarse con agua hasta 10 cm de su borde o sea hasta el nivel del terreno exterior circundante, y se le agregará o extraerá agua cuando la variación del nivel era un sentido u otro sea superior a 2.5 cm.

El coeficiente de reducción de este tanque es del orden de 0,95.

b) Tanque Enterrado “Colorado”

Tiene forma paralelepipédica con sección recta cuadrada de 0,914 m de lado y 0,462 m de altura. Para instalarlo se lo entierra en el terreno de manera que sus aristas superiores queden a 10 cm sobre la superficie de aquél. El nivel de agua en el tanque es mantenido enrasando aproximadamente con el terreno adyacente.

Figura 44. Tanque Enterrado “Colorado”

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Los coeficientes de paso a evaporación real varían entre 0,75 y 0,85, con un valor medio anual ligeramente inferior a 0,6.

Tanques Flotantes Son particularmente usados cuando se desea estudiar la evaporación de grandes superficies de agua. Su instalación suele ser difícil por los problemas de amarre y estabilidad; además, las mediciones, aparte de ser mucho menos cómodas que en tierra pueden verse falseadas, sobre todo en días de vientos fuertes, por el agua introducida en el tanque por el oleaje o la vertida fuera de aquél bajo la acción de los movimientos de balanceo. Por otra parte, la escasa profundidad del agua en el depósito, por la razón expuesta en el apartado 6.a.3.iii, hace que la misma se encuentre a temperaturas sensiblemente más elevadas que las del lago. En ocasiones se emplean pantallas sobre la superficie del agua del tanque para reducir dicha influencia.

El evaporímetro flotante más utilizado es el preconizado por el Servicio Geológico de los EE.UU., de sección circular, con un área de 0,28 m2 (3 pies cuadrados) y 45,7 cm (18 pulgadas) de profundidad. Está soportado por rodillos flotantes en el centro de una balsa de 4,20 x 4,80 metros. El nivel del agua en el tanque es el mismo que el del agua circundante. Posee además, deflectores diagonales para reducir el efecto de las olas.

El coeficiente de tanque recomendado es de 0,80.

Medidas en los Tanques Para la medición del agua evaporada en los tanques, la que se realiza con una frecuencia de una por día, a igual hora, se suelen utilizar dos métodos:

a) El primero, o método volumétrico, consiste en medir los volúmenes de agua que es preciso añadir (o eventualmente extraer) periódicamente al tanque para reponer en éste el nivel inicial o de referencia, el que se obtiene haciendo que el agua del depósito enrase con la punta metálica de un vástago, soldado al fondo o a la pared del tanque.

b) El segundo está basado en la medida diaria de los niveles que el agua tiene en el tanque, deduciendo por diferencia la evaporación producida en el tiempo transcurrido entre las mediciones. En este caso, el nivel puede determinarse mediante un tornillo medidor, que consiste en un vástago roscado y graduado que termina en un gancho semicircular de punta afilada (dirigida en consecuencia hacia arriba), la que se enrasa con el nivel del agua.

Dentro de este método, el Servicio Meteorológico Nacional ha proyectado y tiene en uso el denominado “Medidor Tipo B”, que permite lecturas con aproximación del décimo de milímetro. El mismo consta de una regla graduada en centímetros, que se desplaza verticalmente a lo largo de una guía, en cuya parte inferior se fija un recipiente de bronce, con forma de embudo, que mediante un robinete inferior permite el ingreso del agua del tanque hasta el enrase. Los centímetros se leen en la escala y los milímetros y décimos de milímetro se corresponden con los centímetros cúbicos (y sus respectivas divisiones decimales) de una probeta en la cual se vierte el contenido del agua que penetró en el embudo.

Evaporímetros Registradores En los tanques de evaporación puede combinarse el enrase del nivel del agua, con un flotador terminado en una varilla y una pluma (o un dispositivo registrador electrónico), que inscribiendo sobre un tambor giratorio, dejará constituido un registrador de evaporación, a los que se conoce con el nombre de evaporígrafos.

Instrumental Complementario Puesto que la evaporación depende de las condiciones atmosféricas, en cada emplazamiento deben recogerse en forma simultánea datos meteorológicos, fundamentalmente: velocidad media del viento, temperatura del aire, temperatura de la superficie del agua, humedad del aire y precipitación.

Para medir la temperatura del agua del tanque, se utilizan termómetros comunes graduados en grados centígrados. Se los coloca sobre un flotador de madera, plástico, etc., levemente inclinados de modo

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que la parte superior del bulbo quede a 3 ó 4 milímetros por debajo de la superficie del agua y provisto de un separador que evita su contacto con las paredes del tanque. La lectura se realiza en forma directa, sin sacarlo del agua.

Las instalaciones meteorológicas complementarias se integran con un abrigo meteorológico (que no debe proyectar sombras sobre el tanque), en el que se instalan termómetros de máxima y mínima y psicrómetro; un anemómetro, colocado a una distancia de un metro del tanque, de modo que las tazas estén situadas a aproximadamente 60 cm sobre el nivel del terreno y un pluviómetro tipo “B”, cuya boca se encuentra a unos 50 cm sobre el terreno.

6.a.5.ii. Determinación del Coeficiente de Tanque Los coeficientes de reducción o coeficientes del tanque que deben aplicarse a las mediciones efectuadas se deducen, según lo normalizado por el SMN, correlacionando esos valores con largas series de observaciones efectuadas en distintas zonas del país, en piletas de superficie y volumen superior a 30 m² y 30 m³, respectivamente. Se admite que la evaporación registrada en esas piletas es prácticamente igual a la que se produce en las grandes superficies de agua en la naturaleza.

6.a.5.iii. Evaporímetros de Balanza El de uso más frecuente es el modelo Wild, consistente en un pequeño depósito cilíndrico de 200 cm² de sección y 35 mm de profundidad, lleno de agua e instalado sobre una balanza del antiguo tipo pesacartas.

Cada día se llena el recipiente hasta que el índice marque cero, y al cabo de 24 horas, como parte del agua se habrá evaporado y con ello habrá subido el platillo, se puede leer directamente en la escala, el número de milímetros que ha bajado el nivel de agua. La pequeña dimensión del depósito hace que sus paredes tengan fuerte incidencia en los valores medidos de evaporación.

Figura 45. Esquema del Evaporímetro Wild

6.a.5.iv. Porcelanas Porosas Presentan al aire una esfera hueca (tipo Livingstone) o un disco (tipo Bellani), de porcelana porosa, con agua destilada en su parte interior y en comunicación con un recipiente que asegura la reposición del líquido, ayudado por la presión atmosférica. La reducción del agua contenida en aquél, indica la cantidad evaporada.

En la práctica se utilizan frecuentemente como aparatos de investigación y para efectuar determinaciones de aplicación agronómica, habiéndose empleado asimismo para estudios de transpiración.

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Figura 46. Atmómetro de esfera porosa tipo Livingstone

6.a.5.v. Superficies de Papel Húmedo En este tipo de instrumentos de medición, el papel húmedo juega un rol similar a las porcelanas porosas. El tipo más usado, que es a su vez el más sencillo de los que se conocen y seguramente el más práctico y económico, es el evaporímetro Piché. Esta formado por un tubo de vidrio, cuyas dimensiones varían según los modelos (1 a 1,24 cm de diámetro interior y 18 a 27,5 cm de largo), graduado en mm, abierto por el extremo inferior, que se cubre con un disco de papel de filtro de tamaño determinado (generalmente 3 cm de diámetro y 0,5 mm de espesor), sujeto por una pinza y un resorte.

Figura 47. Evaporímetro Piché

Una vez llenado con agua destilada, se invierte con cuidado y se cuelga del extremo superior, siendo frecuente instalarlo dentro del abrigo meteorológico. El agua se evapora progresivamente a través de la hoja de papel de filtro, leyéndose el descenso de la columna líquida en el tubo graduado, en general cada 24 horas.

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Algunas correlaciones entre medidas de este tipo de evaporímetro y de un tanque, obligan a multiplicar las mediciones Piche por 0,8 para igualarlas a las de aquél. Otros autores dan valores entre 0,45 y 0,60 para el mismo coeficiente, magnitudes que muestran la relatividad de los valores determinados con este tipo de instrumento.

6.a.6. MÉTODOS TEÓRICOS PARA LA ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN Con el objeto de efectuar la determinación de la evaporación que se produce a partir de grandes superficies de agua libre, como así también para contrastar con la realidad las medidas obtenidas con algunos de los instrumentos citados anteriormente, se han desarrollado una variedad de técnicas de cálculo que permiten deducir o estimar el transporte de vapor desde las referidas superficies. Tales técnicas profundizan en las características que presenta el fenómeno, y a partir de ellas tratan de establecer los valores que alcanza la evaporación en intervalos de tiempo preestablecidos. En los apartados siguientes se analizan diversos procedimientos desarrollados a tales fines.

6.a.6.i. Balance Hídrico El enfoque más obvio del problema resulta el de establecer la igualdad entre las entradas y salidas de agua en el ámbito bajo estudio, mediante la formulación matemática del balance hídrico del mismo. Si se supone que el almacenamiento S, el caudal de entrada I, el caudal de salida E, la infiltración subsuperficial “i” y la precipitación P pueden medirse, la evaporación se calcula como:

/118/ ( ) iEPISSEv 21 −−++−=

Este enfoque es simple en teoría, pero su aplicación muchas veces produce resultados poco confiables debido a que los errores al medir los caudales y el cambio de almacenamiento, se reflejan directamente en el cálculo de la evaporación.

De los factores que es necesario conocer, la infiltración es usualmente el más difícil de evaluar, puesto que debe ser estimado en forma indirecta a partir de niveles de agua subterránea, permeabilidad, etc. En caso de que el volumen de infiltración sea cercano o superior al de agua evaporada, no es posible obtener datos confiables de la evaporación por este método. Sin embargo, tanto la evaporación como la infiltración pueden evaluarse resolviendo simultáneamente las ecuaciones /117/ y /118/ para períodos en los que los caudales de entrada y salida son despreciables.

La determinación de la lluvia (P) generalmente no presenta dificultad, siempre y cuando el promedio de las medidas en las orillas sea representativo de las condiciones en el embalse, lo que puede no resultar cierto cuando la topografía del área circunvecina sea muy abrupta o en lagos muy grandes en cuyo interior pueden presentarse condiciones de localización de las intensidades de precipitación.

Los registradores de niveles de agua son lo suficientemente precisos para determinar los cambios de almacenamiento (S), siempre y cuando se cuente con una relación área del pantano/altura del embalse confiable.

El efecto relativo de los errores en los términos de los caudales de entrada y salida varía considerablemente de un lago a otro, dependiendo de la confiabilidad de las curvas de gasto de las estaciones de aforo, de las superficies de cuenca que eventualmente no sean abarcadas por los registros de las mismas y la magnitud relativa de los caudales con respecto a la evaporación. Si la cantidad de agua que circula a través del embalse es grande en comparación con las pérdidas por evaporación, los balances hídricos resultan con una precisión cuestionable.

6.a.6.ii. Balance Energético La cantidad de agua que puede evaporarse, depende fundamentalmente de la energía disponible para efectuar el cambio de estado. Siguiendo a Meinzez, la evaporación Ev (en cm), en un determinado intervalo de tiempo, será:

/119/ ( )β+−−−

=1*C

CCRREv1

ari

siendo:

Unidad 6 6-11


iR radiación global incidente sobre una superficie horizontal

rR radiación reflejada y devuelta al espacio

aC calor almacenado en el agua, considerando toda la profundidad del embalse

C pérdidas de calor hacia el terreno- circundante o por otras causas, al igual que las tres anteriores en cal/cm²

1C calor latente de vaporización del agua a la temperatura ordinaria, en cal/cm³ (su valor es del orden de 585 cal/cm³ para un agua de densidad 1, a 15°C de temperatura)

β relación de Bowen, que se expresa por:

/120/ ( )( )ee*1000

P*tt*6.0s

as

−−

=β

t;ts temperatura del agua y del aire, respectivamente, en °C

e;es tensiones de vapor saturante para la temperatura t y del aire, respectivamente, en mmHg

aP presión atmosférica, en mmHg

La aplicación de este método se halla muy limitada, pues exige una serie de medidas, algunas de las cuales ( rR y C, por ejemplo) son difíciles de obtener con precisión.

6.a.6.iii. Métodos Aerodinámicos Thornthwaite y Holzman idearon un método para establecer las medidas de evaporación sobre la base de una serie de mediciones meteorológicas, fundado en las consideraciones siguientes:

a) cuando hay evaporación, el aire se enriquece de humedad al crearse un flujo ascendente, que se torna más homogéneo a medida que se aleja del suelo

b) tal flujo se ve influenciado por la variación vertical de la velocidad del viento con la altura y el gradiente vertical de temperatura.

Midiendo en consecuencia la humedad específica del aire ( 1H y 2H , en g agua/g aire), a dos alturas distintas sobre el suelo ( 1h y 2h , en cualquier unidad) y simultáneamente la velocidad del viento en dichos niveles ( 1v y 2v , en cm/s), puede calcularse la evaporación Ev (expresada en cm/s) mediante la siguiente expresión, propuesta por los mencionados investigadores:

/121/ ( ) ( )212

1

2w

1221a2

hh;

hhln*

vv*HH**kEv <

ρ

−−ρ=

siendo:

k el coeficiente de von Karrnan (0,38 a 0,41)

aρ la densidad media del estrato de aire, en g/cm³

wρ la densidad del agua, en g/cm³

Pasquili y Rider modificaron la expresión anterior, proponiendo a su vez la siguiente, para determinar el valor de Ev:

/122/ ( ) ( )

( )212

1

2

1221 hh;

hhln*273t

vv*ee*52.6Ev <

+

−−=

Unidad 6 6-12


Ahora se miden las velocidades “v” en m/s; 21 e;e son las tensiones de vapor en el aire a las alturas 1h y

2h , respectivamente, en mmHg; y “t” la temperatura media del aire entre ambos niveles, en °C. “Ev” queda expresado en mm/h.

El desarrollo de estas expresiones exige construir torres de diferentes alturas para efectuar la medición de los parámetros meteorológicos involucrados. Para aplicaciones operacionales donde no hay posibilidades de tales dispositivos y de realizar las mediciones de humedad y de velocidad del viento a dos alturas diferentes para su aplicación en la /121/, contándose sólo con las mediciones a una sola altura que se efectúan en estaciones meteorológicas normales, la referida expresión puede ser simplificada suponiendo una velocidad del viento 0v1 = a una altura de rugosidad o1 hh = y que el aire se satura con humedad en ese punto.

Dado que además, de /35/, la humedad específica es:

/123/ ahah

e pe*622.0

e*378.0pe*622.0H ≅

−=

donde:

e es la tensión de vapor

ahp la presión del aire ambiente (igual para ambas alturas)

Pueden sustituirse las mediciones de humedad específica por las de tensión de vapor. Si a la altura 2h la tensión de vapor ambiental del aire es ae , y en la superficie se toma como ase , correspondiente a la tensión de vapor de saturación a la temperatura ambiental del aire, la /122/ puede reescribirse como:

/124/

( )

( )aas

2

1

2wa

2a2

2

1

2wa

2aasa2

ee*BEv

hhln**

v**k*622.0BSi

hhln**

v*ee**k*622.0Ev

−=

ρρ

ρ=

ρρ

−ρ=

en la que el coeficiente de transferencia de vapor B, variable según las condiciones meteorológicas imperantes en el lugar, corresponde a la constante k de la ley de Dalton (/117/).

6.a.7. FÓRMULAS SEMIEMPÍRICAS Muchas expresiones empíricas o semiempíricas se han desarrollado para estimar la evaporación desde superficies de agua libre, relacionándola con algunos factores que influyen en el fenómeno, englobando los demás en coeficientes empíricos (constantes para cada lugar), que deben ajustarse según las medidas experimentales obtenidas.

Por lo general estas fórmulas derivan de la ley de Dalton, introduciendo coeficientes, en parte empíricos y en parte dependientes de otros factores meteorológicos.

Algunas de las expresiones más usuales desarrolladas al efecto son:

6.a.7.i. Fórmula de Fitzgerald

/125/ ( ) ( )ee*V*449.04.0Ev s0 −+=

6.a.7.ii. Fórmula de Meyer

/126/ ( ) ( )ee*V*06.01*CEv s5.2m −+=

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Para superficies evaporantes pequeñas (por ejemplo, tanques de evaporación) puede sustituirse se por la tensión de vapor saturante a la temperatura media del aire en estaciones próximas. En estos casos Meyer aconsejó el coeficiente C = 15, mientras que para lagos grandes y profundos, C = 11.

6.a.7.iii. Fórmula de Lugeon

/127/ ( )ee*eP

760*273

t273*d*398.0Ev ss

−−

+=

6.a.7.iv. Fórmula de Rohwer

/128/ ( ) ( ) ( )ee*V*6.01*P*0005.01*497.0Ev s0 −+−=

6.a.7.v. Fórmula de los Servicios Hidrológicos de la ex URSS:

/129/ ( ) ( )ee*V*072.01*d*2.0Ev s2 −+=

En las expresiones anteriores las notaciones empleadas son:

Ev evaporación diaria, en mm

mEv evaporación media mensual, en mm

se tensión de vapor saturante para la temperatura superficial del agua, en mmHg

e tensión de vapor en el aire, en mmHg

V velocidad del viento, en m/s ( 0V sobre la superficie del agua, 2V a 2 m de altura y 5.2V a 2,50 m de altura sobre aquélla).

d número de días del mes

t media mensual de las temperaturas máximas diarias, en °C

P presión atmosférica, en mmHg

Cabe tener presente que se , e, V y P son valores medios diarios cuando se calcula E y medios mensuales si se calcula mEv .

6.a.8. MEDIDA DE LA EVADORACIÓN DESDE SUELOS SIN VEGETACIÓN Para este tipo de determinaciones se utilizan, tanto estanques lisimétricos y lisímetros, como parcelas experimentales. Ambos tipos se emplean también para medir evapotranspiración cuando el suelo esté cubierto por vegetación y se tratan en los apartados 3.4.2.2. y 3.4.2.3., siendo por ello aplicable a este caso de suelos desnudos, todo lo allí expuesto.

6.a.9. EVALUACIÓN DE LAS TÉCNICAS DARA ESTIMPR LA EVAPORACIÓN DESDE EMBALSES Desde el punto de vista de las ingeniería hidrológica, el interés principal en lo relativo a la determinación de las magnitudes que alcanza la evaporación se centra en la cuantificación de las pérdidas que por este concepto se producen en embalses, ya sea existentes, para considerar su influencia en los modelos de operación, o en proyecto, para incluirla en los modelos de simulación que permitan establecer y justificar la capacidad más adecuada a proponer en el diseño. Con incidencias mucho menores, el problema aparece también en la evaluación de las pérdidas de agua en redes de conducción a cielo abierto (canales).

6.a.9.i. Caso de Embalses Existentes Hay relativamente un número muy reducido de embalses para los cuales se pueden obtener estimaciones de los valores que alcanza la evaporación a partir de balances hídricos en forma continua; sin embargo, los valores estimados para períodos selectos, pueden servir con frecuencia para calibrar y ajustar otros métodos. En condiciones para las cuales no se puedan obtener resultados satisfactorios aplicando el balance hídrico, la evaporación desde un embalse existente puede determinarse por medio

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de un enfoque empírico aerodinámico o mediante técnicas de balances energéticos. La instrumentación y el mantenimiento para obtener observaciones continuas son costosos en estos dos métodos y es posible que su uso extensivo no se justifique económicamente para períodos prolongados. Sin embargo, el objetivo que se persigue puede justificar su aplicación en lapsos de tiempo menores, con el fin de calibrar algún método menos costoso.

La operación de un tanque evaporímetro (cerca del embalse, pero no tan próximo como para que sea afectado), es relativamente económica y debe producir estimaciones razonablemente precisas de la evaporación anual del embalse. Si resultase necesario determinar la distribución de la evaporación en períodos mensuales o estacionales, deberá incluirse la consideración de la advección neta. A pesar que los tanques evaporímetros normalmente no son operativos durante períodos de congelamiento, la evaporación en los mismos es también pequeña, y por ende con escasa incidencia en el valor total.

No obstante, la evaporación de un embalse puede ser relativamente grande al principio del invierno debido a cambios en el almacenamiento de energía.

6.a.9.ii. Caso de Embalses en Estudio Al efectuar el diseño de un embalse, todos los datos relativos para el área donde ubicará el mismo deben ser analizados usando todos los métodos adecuados, si los aspectos económicos del diseño lo justifican. Rara vez existe una razón suficiente para construir un gran embalse antes de la recolección de por lo menos un par de años de datos meteorológicos, incluyendo la evaporación en el sitio de construcción, para corroborar las estimaciones realizadas. Por lo general en estos casos es necesario estimar la distribución mensual de la evaporación anual.

6.a.10. CONTROL DE LA EVAPORACIÓN Cualquier medida que se tome para reducir la evaporación de un embalse por unidad de agua almacenada, producirá un aumento equivalente en la cantidad de agua disponible para su aprovechamiento. En tal sentido, y a nivel de diseño, es ventajoso seleccionar el sitio y la configuración que produzcan un mínimo de área de embalse por unidad de almacenamiento.

El diseño de estructuras de toma que funcionen de manera tal que el agua superficial (más caliente) pueda ser utilizada para satisfacer la demanda, reduce la evaporación de un embalse. Este tipo de operación deberá analizarse en forma conjunta con la longitud de la conducción aguas abajo, pues para recorridos demasiado largos, se producirá un aumento en las pérdidas por evaporación a lo largo del canal de conducción, que puede llegar a anular la ventaja inicialmente obtenida.

Existen antecedentes de reservorios pequeños que fueron cubiertos totalmente para reducir la evaporación, habiéndose propuesto asimismo el uso de cubiertas flotantes y de material granular flotante, métodos todos que, a pesar de ser efectivos, resultan costosos en su aplicación.

A pesar que se ha recomendado con insistencia el uso de cortinas de árboles corta-vientos implantadas en las márgenes, a fin de reducir la turbulencia y velocidad del viento, y por consiguiente la evaporación, se observó que aquéllas son efectivas solamente en embalses muy pequeños; habiéndose determinado que una reducción del 25% en la velocidad del viento, normalmente produce una disminución aproximada de sólo un 5% de la evaporación a largo plazo, y aún esta disminución no es factible en grandes embalses.

Se han llevado a cabo también amplias investigaciones mediante la aplicación de sustancias capaces de formar una delgada película monomolecular, de un espesor del orden de 810− mm, sobre la superficie líquida. El elemento con el que se obtuvieron en principio los mejores resultados es el hexadeconal, que para los efectos producidos tiene un costo permisible y además, no altera las cualidades físicas (olor, sabor, color, etc.) ni las biológicas del agua.

Los resultados obtenidos arrojan reducciones de la evaporación variables entre 10% y 60%. Sin embargo, a pesar del optimismo inicial, este enfoque tiene poco uso en la actualidad, radicando los principales inconvenientes en que la película se rompe con el oleaje y es fácilmente oxidable y degradable por la acción de microorganismos. Presenta también problemas de aplicación, siendo usual esparcirla en forma líquida por medio de difusores especialmente diseñados. Otros ensayos se efectuaron mediante el empleo de cantidades muy pequeñas de alcohol etílico, el que puede reducir la

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evaporación en tanques pequeños hasta en un 40%, aunque rara vez es posible mantener en forma continua en un embalse una cobertura mayor del 10% al 20%. Es más, cualquier reducción de la evaporación está acompañada por un aumento indeseable en la temperatura del agua, imposible de disipar en un embalse.

En resumen, parece que cualquier esperanza en obtener reducciones prácticas y significativas de evaporación en grandes embalses, radica en hallar un material o sustancia que aumente efectivamente la reflectividad de la superficie del agua sin producir efectos secundarios indeseables.

TEMA 6.b: TRANSPIRACIÓN

6.b.1. CONCEPTO La transpiración es el resultado del 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.

En sentido amplio, en el concepto se incluye también el agua perdida por la planta en forma líquida (goteo o exudación), que puede alcanzar valores relativamente importantes, en especial cuando las condiciones ambientales para que se produzca transpiración no son favorables. Asimismo debe incluirse el agua que la planta incorpore a su estructura en el período de crecimiento.

Existen diversos tipos de plantas según su manera de abastecerse de agua:

las hidrófilas que viven total o parcialmente sumergidas en agua

las mesófitas y xerófitas que toman el agua de la zona no saturada del suelo

las freatófitas que pueden, alternativamente, tomar agua de la zona no saturada o de la zona saturada del suelo

Los tres últimos tipos son los de mayor interés desde el punto de vista práctico.

El agua del suelo penetra por las células epidérmicas de los pelos absorbentes de las raíces, debido al fenómeno de ósmosis y a la imbibición que rompe el equilibrio osmótico entre una célula y la contigua interior, pasando así el agua de célula en célula, hasta los vasos y traqueidas del tallo, a los que el agua llega con cierta presión (por causas no bien conocidas), llamada presión radicular, mientras que a su vez la transpiración desde las hojas efectúa una potente aspiración de tal agua. Se denomina succión a la combinación de ambos efectos.

Cuando el agua alcanza la hoja, humedece las membranas celulares del mesodermo y a través de la cutícula o a través de pequeñas aberturas (estomas), se pone en contacto con el aire, que lo recibe en forma de vapor, bien porque ya ha habido evaporación en el interior de la hoja, o bien al producirse evaporación por este contacto agua-aire.

Cabe destacar que la superficie evaporante es muy superior a la superficie aparente de la hoja, porque la evaporación se produce no sólo sobre las caras exteriores, sino también en el interior de la hoja, cuya estructura porosa se halla asimismo en contacto con el aíre.

6.b.2. FACTORES CUE AFECTAN LA TRANSPIRACIÓN En su aspecto físico, la transpiración está influenciada por los mismos factores que afectan a la evaporación, a los que puede clasificarse como medioambientales. Además, se agregan factores fisiológicos, que dependen de la planta propiamente dicha y la vegetación general del lugar.

Básicamente estos últimos son: la especie vegetal (considerando la planta en forma individual), edad, desarrollo, profundidad radicular, follaje (número, tipo, funcionamiento y estructura de las hojas), cantidad de suelo cubierto por plantas, etc. La especie de la planta reduce su influencia cuando se consideran grandes extensiones de cultivo.

Los factores esenciales del medio ambiente son:

La temperatura influyendo sobre todo la exposición de la hoja al sol.

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La radiación solar dado que la absorción de esta energía por la hoja aumenta su tensión de vapor de agua.

El viento que al arrastrar las partículas de vapor de agua próximas a la superficie de las hojas aumenta la transpiración.

La humedad del aire

La humedad del suelo de la que depende la cantidad de agua que puede disponer la planta.

6.b.3. VARIACIONES DE LA TRANSPIRACIÓN Los resultados obtenidos de diversas investigaciones efectuadas sobre el particular, han permitido establecer que la transpiración presenta un triple ciclo variacional.

a) Variación diaria

Se halla estrechamente ligada a la de la temperatura, humedad y, fundamentalmente, intensidad de iluminación. La transpiración cesa prácticamente al ponerse el sol, debido al cierre de los estomas.

b) Variación estacional

Depende de la actividad vegetativa y de la posibilidad que la atmósfera reciba vapor de agua, siendo semejante a través de los distintos meses del año al ciclo que sigue la evaporación en el lugar. La diferencia estriba en que para las plantas de ciclo anual que mueren o en plantas de hojas no perennes, el ciclo se interrumpe durante los meses de invierno; por tanto, precisamente coincidiendo con los meses de menor evaporación, la transpiración puede llegar a valores nulos.

c) Variación interanual

Resulta muy parecida a la de la evaporación de una superficie de agua libre en las mismas condiciones ambientales. En años en que la evaporación es máxima, también lo será la transpiración.

6.b.4. UNIDADES DE MEDIDA Las cantidades de agua que vuelven a la atmósfera por transpiración, se expresan de dos maneras:

En milímetros de agua, equivalentes a dividir el volumen transpirado por la superficie ocupada por la vegetación. Es la más corrientemente empleada en hidrología.

Mediante un coeficiente de transpiración (transpiration ratio, en inglés) que expresa el cociente entre el peso de agua consumida y el peso de materia seca producida (excluidas las raíces, por razones prácticas). Su uso es preferentemente agronómico, pues mide en cierto modo, el rendimiento con que las plantas aprovechan el agua.

6.b.5. DETERMINACIÓN DE LA TRANSPIRACIÓN Los procedimientos para medir la transpiración, dada la dificultad para separarla de la evaporación física, en superficies naturales cubiertas con vegetación, son generalmente de laboratorio. A continuación se citan algunos, brevemente, por ser mayor su interés teórico que su interés práctico.

Un primer procedimiento consiste en medir el vapor de agua 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.

Con análogo principio, en una planta pequeña, la transpiración puede medirse, durante cortos períodos, colocándola en un recinto cerrado y computando los cambios de humedad producidos dentro del mismo.

El fitómetro ofrece un método práctico para la medición de la transpiración. Consiste en un recipiente relleno con suelo en el que crecen una o más plantas. La superficie del suelo se cubre con parafine para evitar la evaporación, siendo el único escape de humedad la transpiración, que puede determinarse por las pérdidas de peso del conjunto. Este método brinda resultados satisfactorios, siempre que se ofrezca al experimento las mismas condiciones medioambientales que se encontrarán en la realidad.

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TEMA 6.c: EVAPOTRANSPIRACIÓN

6.c.1. CONCEPTO. EVAPOTRANSPIRACIÓN POTENCIAL La evapotranspiración es el resultado del proceso por el cual el agua cambia de estado líquido a gaseoso y directamente, o a través de las plantas, vuelve a la atmósfera en forma de vapor. Es decir que la evapotranspiración no es un fenómeno distinto a los descritos en los apartados precedentes, sino la suma de evaporación y transpiración, y el término sólo es aplicable correctamente a una determinada área de terreno cubierta por vegetación. Cuando éste no existe, únicamente podrá hablarse de evaporación. Por el contrario, en condiciones naturales y aunque el fenómeno tiene sus características propias, no es posible la ocurrencia exclusiva de transpiración.

Es la dificultad en la medida por separado de esta variable, lo que ha obligado a introducir el concepto de evapotranspiración, dado que, tanto en terreno como en vegetación, los dos procesos se efectúan simultáneamente y son interdependientes. Por consiguiente, todos los factores que inciden en la evaporación y en la transpiración, influirán en la evapotranspiración.

Desde el punto de vista práctico, dado que la evapotranspiración depende, entre otros, de dos factores muy variables y difíciles de medir, tales como el contenido de humedad del suelo y el desarrollo vegetativo de la planta, Thornthwaite introdujo un nuevo concepto, optimizando ambos factores.

Es la llamada evapotranspiración potencial, la cual se define como la cantidad máxima posible de agua que perdería el suelo, por evaporación y por transpiración, suponiendo que el mismo se mantuviera con una capacidad de campo permanentemente completa y con un desarrollo vegetal óptimo. Solo en condiciones ideales, la evapotranspiración real coincidirá con la potencial; en los demás casos, evidentemente, la real será menor. Cabe acotar que se entiende por capacidad de campo al contenido de humedad de un suelo una vez que ha cesado el drenaje natural del mismo por gravedad.

La noción de evapotranspiración potencial se usa cada vez más para la evaluación de las necesidades de regadío, habiendo demostrado las investigaciones sistemáticas, para un período suficientemente largo (prácticamente un mee), que:

a) La evapotranspiración desde una cubierta vegetal densa. sostenida por un suelo bien provisto de agua, depende en lo fundamental, de los factores meteorológicos y varía bastante poco con el carácter del suelo y las especies y variedades de vegetación.

b) En estas condiciones, la cantidad de agua evapotranspirada es muy cercana a la perdida en un manto de agua libre, de poca profundidad, situado en el mismo lugar. Las diferencias, que siempre son menores de un 20%, se explican por la acción de los distintos factores secundarios, despreciados en las fórmulas y modelos usuales.

c) o) El rendimiento máximo de los cultivos se produce, con todas las otras condiciones constantes, cuando permanentemente, su abastecimiento de agua (compuesto por las precipitaciones, reservas de humedad en el suelo y aportación complementaria por riego) es igual a la evapotranspiración potencial.

Si la dotación de agua es insuficiente, se observa directamente la evapotranspiración real, menor que la potencial, cuyo valor puede estimarse multiplicando a esta última por un coeficiente.

6.c.2. UNIDADES DE MEDICIÓN La unidad más usual para expresar las pérdidas por evapotranspiración es el milímetro de altura de agua, que equivale a un volumen de 10 m³/ha. La medida siempre se refiere a un determinado intervalo de tiempo.

6.c.3. MAGNITUD DEL FENÓMENO Las cantidades de agua que por este concepto vuelven a la atmósfera y la energía necesaria para ello, alcanzan cifras realmente notables. En efecto: en un día cálido, es frecuente en muchas zonas una evapotranspiración de 3 a 4 mm/día, lo que equivale que se desplacen hacia la atmósfera de 30 a 40 t/ha día de agua. En zonas de clima árido estos valores pueden ser aún mayores.

Como referencia se presenta el siguiente requerimiento de energía para una evapotranspiración:

Unidad 6 6-18


/130/ día*ha

cal10*585requieredíamm1ET 7=

6.c.4. MÉTODOS PARA EL CÁLCULO A la vista de las cifras anteriores es lógico que hayan sido numerosos los intentos para determinar el valor real de la evapotranspiración, pero las ya referidas dificultades de una medida por separado de evaporación y transpiración, hicieron que muchos investigadores se hayan inclinado por suponer unas condiciones ideales de humedad del suelo y desarrollo vegetal y, admitidas éstas, correlacionar la evapotranspiración con uno o varios factores que influyen en ella.

La evapotranspiración es un fenómeno microclimático y, en consecuencia, serán tanto más válidos los métodos, cuanto más consideren esta cuestión.

La necesidad de obtener, al menos, órdenes de magnitud, hace aceptar en muchas ocasiones los valores deducidos de fórmulas empíricas que se apoyan en datos meteorológicos corrientemente asequibles.

Estas fórmulas se usan especialmente cuando se calculan previsiones futuras. Resulta fundamental destacar el riesgo que involucra el empleo indiscriminado de las fórmulas existentes, debiendo en todos los casos recurrirse sólo a aquéllas que hayan sido deducidas para condiciones microclimáticas similares a las del lugar en que se pretenden aplicar, resultando aconsejable en muchos casos, efectuar algunas determinaciones directas para establecer el grado de validez para la aplicación de las diversas fórmulas o métodos.

Existe un primer grupo de métodos para la cuantificación de la evapotranspiración, basados en la física teórica del microclima, tales como los métodos teóricos del balance de energía; el de los perfiles de humedad y velocidad del viento; el del flujo turbulento de humedad y el método semiempírico de la fórmula de Penman, todos ellos de escasa utilidad práctica a nivel de ingeniería de aplicación. Otro tanto ocurre con métodos de balance químico de las aguas escurridas.

A los fines prácticos de la ingeniería hidrológica, se analizarán sólo los métodos empíricos y las mediciones directas.

6.c.4.i. Estimación por Métodos Empíricos Desde principios del presente siglo, muchos investigadores han intentado correlacionar medidas de evaporación (Ev) obtenidas en tanques evaporímetros con medidas de evapotranspiración (ET) determinadas mediante lisímetros. En muchos casos se arribó a estrechas correlaciones entre ambas medidas, variando el cociente ET/E entre 0,75 y 1,05; pero los resultados obtenidos están muy ligados a los tipos de tanque y de lisímetro utilizados, a las condiciones ambientales de su ubicación y a la época del año. Respecto a esta última, las mayores divergencias ocurren en los meses secos y ventosos, en los que la advección lateral de calor es importante, circunstancia que llevó a proponer factores de corrección por viento en la correlación ET/E.

Procedimiento de Thornthwaite Este investigador determinó que, fundamentalmente, la evapotranspiración potencial depende de la temperatura media de cada mes. Por otra parte, al ser los registros de temperatura relativamente abundantes, también lo serán, en consecuencia, los datos disponibles (mediante cálculo) de evapotranspiración potencial.

Empíricamente halló la siguiente expresión:

/131/ at*CETP =

donde:

ETP evapotranspiración potencial mensual, en mm/mes

t temperatura media (mensual) del mes, en °C

C y a constantes a determinar, que dependen de cada lugar.

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Para la determinación de estos dos últimos coeficientes, partió de un índice mensual de temperatura, cuyo valor es:

/132/ 514.1

5ti

=

que permite calcular el índice anual

/133/ ∑∑

==

12

1

514.112

1 5tiI

Las relaciones de a y C con este índice I, deducidas también empíricamente, son:

/134/

4924.0I*10*179I*10*771I*10*675a

I10*16C

42739

a

++−=

=

−−−

por lo que la expresión original se transforma también de la siguiente manera:

/135/

aa

a

It*10*16t*

I10*16ETP

=

=

La fórmula anterior está calculada para un mes de 30 días y 12 horas de luz diaria. Cuando ello no ocurra, deben corregirse los valores calculados mediante el coeficiente:

/136/ 30d*

12Nk =

donde:

N es el número máximo de horas de sol para el mes considerado, según la latitud

d el número de días del mes

Reemplazando:

/137/

aa

It*10*16*

30d*

12N

It*10*16*kETP

=

=

De la forma de la expresión /137/ surge que existe convergencia en el valor ETP = 135 mm para t = 26,5°, no siendo de aplicación aquélla para temperaturas mayores, en cuyo caso las magnitudes a considerar son directamente las siguientes:

t = 26,5°C ETP = 135,0 mm t = 32,0°C ETP = 173,1 mm

t = 28,0°C ETP = 143,7 mm t = 35,0°C ETP = 182,9 mm

t = 30,0°C ETP = 158,0 mm

Procedimiento de Blaney-Criddle Estos eminentes especialistas en necesidades de agua de cultivos propusieron, como resultado de numerosos ensayos efectuados en zonas áridas y semiáridas del oeste de los Estados Unidos, una expresión muy usada en la práctica, según la cual la evapotranspiración potencial mensual, expresada en pulgadas de altura de lámina de agua (ETP) es proporcional al producto de la temperatura media mensual, en grados Fahrenheit, por el porcentaje mensual de horas anuales de sol para la latitud del lugar (p):

/138/ 100

p*t*kETP F

mesinch°=

Este valor es denominado por los autores factor de consumo mensual, que es sinónimo de la evapotranspiración potencial mensual.

Unidad 6 6-20


En la expresión /138/, “k" es un coeficiente empírico mediante el cual se tiene en cuenta el tipo de vegetación y el conjunto de los restantes factores que intervienen en la evapotranspiración, y que no son considerados por los términos explícitos de la fórmula.

La determinación del coeficiente “k” debe ser previa a la utilización de la misma y basada en experiencias de riegos realizadas en la región de aplicación.

Cabe destacar asimismo que la /138/ es aplicable a los meses que comprende el período vegetativo del cultivo considerado.

Para reducir la expresión de Blaney-Criddle al sistema métrico decimal debe tenerse en cuenta que:

/139/ CCF t*5932t*8.132t °°° +=+=

En consecuencia:

/140/

( )

( )Cmesmm

Cmesmm

t*4572.0128.8*p*kETPinch1

mm4.25*100

p*t*8.132*kETP

°

°

+=

+=

Otros autores expresan la fórmula de la siguiente manera:

/141/

( )

( )Cmesmm

Cmesmm

Cmesmm

t78.17*p*k*4572.0ETP

t8.1

32*100

8.1*4.25*p*kETP

inch1mm4.25*

100

p*t*8.132*kETP

°

°

°

+=

+=

+=

Aplicando el método a zonas áridas, se observaron ciertas diferencias con los valores reales, por lo que para estos casos se afecta la expresión por un nuevo coeficiente tk que toma en consideración tal situación, con lo que la fórmula final será:

/142/ ( ) tCmesmm k*t78.17*p*k*4572.0ETP °+=

En el Cuadro 10: se indican los valores de ( )Ct t78.17*04572.0*k °+ tomando en consideración para

tk las magnitudes propuestas por la Subsecretaría de Recursos Hidráulicos de México (ETP en cm/mes).

Para utilizar esta tabla se entra con los valores de grados enteros por loa ordenadas y con las décimas de grado por el eje de las abscisas en la parte superior. Se trabaja con valores de temperatura media mensual expresada directamente en grados centígrados.

El valor de la insolación o resplandor solar “p” se indica en el Cuadro 11: para el hemisferio sur, en función de la latitud del lugar.

A ésta tabla se entra con las valores de latitud sur, por el eje de las ordenadas, En las abscisas, entrando por la parte superior y para cada mes, se encuentra el valor de “p”. Corrientemente hay que interpolar entre los dos valores próximos.

En el Cuadro 12: se transcriben los valores de “k” obtenidos para la zona central de la República Argentina y Chile.

Los coeficientes “k” han sido situados en el período anual de acuerdo con un ciclo vegetativo medio (centro y sur del país). Según la zona, el grupo de coeficiente “k” tomados puede adelantase o atrasarse, un mes (a lo mas dos), para los meses de cultivo que corresponda, salvo presencia de otros coeficientes ajustados.

Unidad 6 6-21


Cuadro 10: Valores de ( )Ct t78.17*04572.0*k °+ , para ETP en cm/mes

°C 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 7 0.520 0.526 0.531 0.537 0.543 0.549 0.554 0.560 0.566 0.572 8 0.558 0.584 0.590 0.596 0.602 0.608 0.614 0.620 0.626 0.633 9 0.638 0.645 0.651 0.657 0.664 0.670 0.676 0.682 0.689 0.696

10 0.702 0.708 0.715 0.722 0.729 0.735 0.742 0.748 0.755 0.762 11 0.768 0.775 0.782 0.789 0.796 0.803 0.810 0.817 0.824 0.830 12 0.838 0.845 0.852 0.859 0.866 0.874 0.880 0.889 0.895 0.902 13 0.910 0.917 0.925 0.932 0.939 0.947 0.954 0.962 0.970 0.977 14 0.985 0.992 1.000 1.008 1.016 1.024 1.031 1.039 1.047 1.055 15 1.063 1.071 1.079 1.086 1.095 1.103 1.111 1.119 1.127 1.135 16 1.143 1.152 1.160 1.168 1.175 1.185 1.193 1.202 1.210 1.210 17 1.227 1.235 1.244 1.253 1.262 1.270 1.279 1.287 1.296 1.305 18 1.313 1.322 1.331 1.340 1.349 1.357 1.367 1.375 1.385 1.393 19 1.403 1.412 1.421 1.430 1.439 1.448 1.458 1.467 1.476 1.485 20 1.495 1.505 1.513 1.523 1.533 1.542 1.551 1.561 1.571 1.580 21 1.590 1.600 1.609 1.619 1.629 1.639 1.648 1.658 1.668 1.678 22 1.688 1.698 1.708 1.717 1.728 1.738 1.748 1.758 1.768 1.779 23 1.789 1.800 1.810 1.820 1.830 1.840 1.856 1.860 1.871 1.852 24 1.892 1.903 1.914 1.924 1.935 1.945 1.956 1.968 1.977 1.988 25 1.999 2.010 2.020 2.031 2.042 2.053 2.064 2.075 2.086 2.096 26 2.108 2.119 2.130 2.141 2.153 2.164 2.175 2.186 2.198 2.208 27 2.220 2.232 2.243 2.255 2.265 2.277 2.289 2.300 2.312 2.323 28 2.335 2.345 2.358 2.370 2.382 2.394 2.405 2.417 2.430 2.441 29 2.453 2.464 2.477 2.489 2.500 2.513 2.525 2.537 2.549 2.561 30 2.574 2.586 2.598 2.610 2.623 2.635 2.647 2.600 2.672 2.685

Cuadro 11: Valores de “p” Insolación o Resplandor Solar

JUL AGO SET OCT NOV DIC ENE FEB MAR ABR MAY JUN 0 8.49 8.49 8.19 8.49 8.22 8.49 8.49 7.67 8.49 8.22 8.49 8.49 2 8.43 8.44 8.19 8.52 8.24 8.55 8.55 7.71 8.49 8.19 8.44 8.17 4 8.20 8.41 8.19 8.56 8.33 8.65 8.64 7.76 8.50 8.17 8.39 8.08 6 8.19 8.37 8.18 8.59 8.38 8.74 8.71 7.81 8.50 8.12 8.30 8.00 8 8.13 8.32 8.18 8.62 8.47 8.84 8.79 7.84 8.51 8.11 8.24 7.91

10 8.11 8.28 8.18 8.65 8.52 8.90 8.85 7.86 8.52 8.09 8.18 7.84 12 8.08 8.26 8.17 8.67 8.58 8.95 8.91 7.91 8.53 8.06 8.15 7.79 14 7.98 8.19 8.16 8.69 8.65 9.01 8.97 7.97 8.54 8.03 8.07 7.70 16 7.94 8.14 8.14 8.76 8.72 9.17 9.09 8.02 8.56 7.98 7.96 7.57 18 7.88 8.10 8.14 8.80 8.80 9.24 9.18 8.06 8.57 7.93 7.90 7.50 20 7.78 8.05 8.13 8.83 8.85 9.32 9.25 8.09 8.58 7.92 7.83 7.41 22 7.75 8.03 8.13 8.86 8.90 9.38 9.36 8.12 8.58 7.89 7.74 7.30 24 7.58 7.99 8.12 8.89 8.96 9.47 9.44 8.17 8.59 7.87 7.60 7.24 26 7.49 7.87 8.11 8.94 9.10 9.61 9.52 8.18 8.06 7.81 7.56 7.07 28 7.40 7.85 8.10 8.97 9.19 9.73 9.61 8.31 8.61 7.79 7.49 6.99 30 7.30 7.80 8.09 9.00 9.24 9.80 9.69 8.33 8.63 7.75 7.43 6.94 32 7.20 7.73 8.08 9.04 9.31 9.87 9.76 8.36 8.63 7.70 7.39 6.85 34 7.10 7.69 8.06 9.07 9.38 9.99 9.88 8.41 8.65 7.68 7.30 6.73 36 6.99 7.59 8.06 9.15 8.51 10.21 10.06 8.53 8.67 7.61 7.10 6.59 38 6.87 7.51 8.05 9.19 9.60 10.34 10.14 8.61 8.68 7.59 7.03 6.46 40 6.73 7.54 8.04 9.23 9.69 10.42 10.24 8.65 8.70 7.54 6.95 6.33 42 6.60 7.39 8.01 9.27 9.79 10.57 10.39 8.72 8.71 7.49 6.85 6.20 44 6.45 7.30 8.00 9.34 9.91 10.72 10.52 8.81 8.72 7.44 6.73 6.04 46 6.30 7.21 7.98 9.41 10.03 10.90 10.68 8.88 8.73 7.39 6.61 5.87 48 6.13 7.12 7.96 9.47 10.17 11.09 10.85 8.98 8.76 7.32 6.45 5.69 50 5.98 7.03 7.95 9.53 10.32 11.30 11.03 9.06 8.77 7.25 6.31 5.48

Unidad 6 6-22


Cuadro 12: Valores de “k” para Argentina y Chile

CULTIVO JUL AGO SET OCT NOV DIC ENE FEB MAR ABR MAY JUN Alfalfa 0.00 0.66 0.83 0.95 1.03 1.08 1.06 1.00 0.91 0.76 0.60 0.00 Vid 0.00 0.00 0.35 0.49 0.74 0.89 0.90 0.82 0.70 0.50 0.50 0.00 Durazno 0.00 0.00 0.39 0.62 0.37 0.95 0.94 0.81 0.57 0.32 0.00 0.00 Manzano 0.00 0.00 0.36 0.51 0.32 0.92 0.89 0.81 0.62 0.36 0.00 0.00 Maíz 0.00 0.00 0.00 0.49 0.66 0.82 0.91 0.92 0.85 0.00 0.00 0.00 Sorgo 0.00 0.00 0.00 0.58 0.83 0.97 1.02 0.98 0.88 0.77 0.00 0.00 Pimiento 0.00 0.00 0.00 0.41 0.41 0.50 0.79 0.82 0.70 0.53 0.00 0.00 Tomate 0.00 0.00 0.00 0.40 0.40 0.59 0.93 0.97 0.77 0.54 0.00 0.00 Papa 0.00 0.00 0.00 0.38 0.58 0.82 0.93 1.00 0.85 0.00 0.00 0.00 Hortalizas 0.00 0.00 0.00 0.62 0.31 0.95 1.02 1.00 0.93 0.84 0.00 0.00 Poroto 0.00 0.00 0.00 0.48 0.80 0.93 1.04 0.94 0.77 0.00 0.00 0.00 Pastos 0.00 0.53 0.71 0.82 0.39 0.91 0.92 0.90 0.86 0.78 0.67 0.00 Algodonero 0.00 0.00 0.00 0.34 0.46 0.62 0.99 0.95 0.74 0.70 0.00 0.00 Tabaco 0.00 0.00 0.00 0.41 0.41 0.64 0.89 1.06 1.04 0.00 0.00 0.00 Olivo 0.00 0.00 0.00 0.18 0.32 0.58 0.76 0.80 0.72 0.52 0.34 0.00 Nogal 0.00 0.18 0.25 0.44 0.64 0.80 0.86 0.78 0.60 0.40 0.25 0.00

Fórmula de Papadakis En 1961, Papadakis publica un conjunto de tablas climáticas en las cuales incluye los valores estimados de evapotranspiración potencial mensual y anual para 2.400 localidades de todo el mundo.

La expresión que aplica es:

/143/ ( )ee*625.5ETP smesmm −=

donde:

se es la tensión de vapor de saturación correspondiente a la temperatura máxima media mensual, en mb

e es la tensión de vapor media mensual, también en mb

6.c.4.ii. Mediciones Directas Los fenómenos de evaporación de los suelos están íntimamente ligados a los fenómenos de infiltración de las aguas de lluvia y de regadío, por lo que los estudios de ambos fenómenos son, a menudo, simultáneos. Además, los procedimientos de medida de la evaporación del suelo desnudo se aplican, igualmente , a la evaporación de un suelo cubierto de vegetación, o sea, a la medida de la transpiración de las plantas.

Evapotranspirómetros La ecuación fundamental del balance hídrico puede escribirse, si se aplica a un suelo cubierto con vegetación:

/144/ SGAET ∆−−= donde:

A aportaciones o ingresos de agua

G salidas o gastos de agua (no debidos a evapotranspiración)

S∆ incremento en la reserva de agua del suelo utilizable por las plantas (puede ser negativa).

Debe emplearse la misma unidad (corrientemente el mm) para medir todos los términos.

El evapotranspirómetro está diseñado para obtener medidas directas de evapotranspiración potencial a partir de la ecuación /144/.

Unidad 6 6-23


Figura 48. Evapotranspirómetro

Consiste en uno o más depósitos excavados en el terreno y rellenados con el producto de la excavación o con el perfil que se desea estudiar. En la superficie se planta el vegetal a considerar. El fondo tiene un tubo colector que recoge las salidas “G” y las conduce a un depósito colector también enterrado y situado a nivel inferior, para poder medirlas.

Las aportaciones 1A , procedentes de la precipitación se miden con un pluviómetro, y las aportaciones

2A artificiales de riego, se miden previamente de modo que el término 21 AAA += sea conocido.

Finalmente se procura (mediante 2A ) mantener la humedad del suelo en forma permanente y constante, es decir 0S =∆ , con lo que la ecuación /144/ queda GAET −= , en la que A y G son conocidas. El intervalo de medidas es, por lo general, de un día.

Las condiciones de ubicación son similares a las exigidas para los abrigos meteorológicos y el terreno circundante no debe diferir del situado en el interior, para que las medidas sean representativas de la zona.

En regiones áridas se presenta el problema de advección de calor desde zonas adyacentes (efecto oasis) y los valores obtenidos para la evapotranspiración potencial resultan más altos de los reales.

Lisímetros Figura 49. Lisímetro

A los efectos de poder aplicar la expresión /144/ en condiciones naturales, es decir, manteniendo el término S∆ , se han diseñado dispositivos especiales que permiten la evaluación del mismo, denominados lisímetros. En tales condiciones las determinaciones serán de evapotranspiración real y

Unidad 6 6-24


los intervalos de medida pueden ser tan cortos como permita el tener una buena estimación de S∆ en ellos.

Un lisímetro es un depósito enterrado, de planta generalmente rectangular y paredes verticales, abierto en su parte superior y relleno del terreno que se quiere estudiar, hasta una decena de centímetros del borde superior.

La superficie del suelo está así sometida a los agentes atmosféricos (medidos en una estación meteorológica próxima) y recibe las precipitaciones naturales (medidas por medio de un pluviómetro), y eventualmente los aportes artificiales, debidamente controlados. El suelo contenido en el lisímetro es drenado a un nivel bien determinado (nivel del fondo de la cuba o superior) y el agua de drenaje es recogida y medida.

Las medidas de la caja lisimétrica de la Figura 49 son de 4.25 m de longitud, 1.90 m de ancho y 2.40 m de profundidad, totalizando una superficie superior de 8 m² libres para la evapotranspiración.

La evaporación del suelo (Ev) o la evapotranspiración (ET) durante un período determinado, pueden ser calculadas si se conocen las precipitaciones y demás aportes (A) producidos en ese período, el drenaje correspondiente (G) y la variación de la cantidad de agua acumulada en el lisímetro ( S∆ ), aplicando la ecuación del balance hidrológico /144/.

Para determinar S∆ se pueden emplear dos métodos:

a) Medidas de humedad del suelo a diferentes profundidades. Los valores así obtenidos no son suficientemente precisos, por lo que resulta en consecuencia necesario determinar Ev o ET sólo para períodos bastante largos, para que S∆ sea insignificante ante la cantidad de agua evaporada. En estos casos las medidas se refieren generalmente a períodos que oscilan entre 10 y 30 días.

b) Por pesada, para lo cual el plano inferior del depósito está constituido por la plataforma de una gran báscula, de sensibilidad adecuada. que permite calcular por la diferencia entre dos pesadas sucesivas el valor de S∆ . Se pueden obtener así determinaciones de evapotranspiración real en intervalos muy cortos de tiempo (una hora o menos), si bien el manejo del lisímetro es delicado y su instalación muy costosa.

A los efectos de aumentar la precisión de estos aparatos, se han desarrollado en la ex Unión Soviética, lisímetros flotantes cuyo cuerpo cilíndrico y de gran altura, conteniendo la masa de suelo, está soportado por un flotador contenido en una profunda cuba enterrada y llena de agua; el peso del lisímetro se deduce del hundimiento del flotador, cuya posición se registra en forma permanente, permitiendo así determinar variaciones de peso muy pequeñas.

Paralelamente a estos dispositivos perfeccionados, se ha desarrollado el empleo de aparatos sencillos y poco costosos, posibles de instalar en número suficiente, en una amplia zona. Un sistema elemental puede conformarse empleando tambores de 200 litros, enterrados y rellenados del suelo sujeto a experimentación y cultivados de manera que represente una muestra válida del contorno circundante. Mediante dispositivos adecuados puede medirse el volumen de agua percolada, debiéndose conocer asimismo la altura de las precipitaciones producidas y los riegos suministrados.

En ciertas estaciones de investigaciones agronómicas, se emplean baterías de pequeños lisímetros, del mismo género, cada uno de ellos dispuesto en pozos excavados en el suelo, con pequeña holgura entre sus paredes y el tambor, pero suficiente para que este último pueda ser fácilmente extraído y transportado, por un pequeño dispositivo de izaje, hasta una báscula de pesaje.

Si bien es cierto que los lisímetros son útiles para realizar experiencias de ajuste en sistemas ya establecidos, no son adecuados para estimaciones destinadas a la planificación del desarrollo de nuevas áreas.

Los datos obtenidos, tanto a partir de evapotranspirómetros como de lisímetros, aún de la misma forma y operación, no resultan comparables, por estar afectados por factores particulares tales como: alteración de la estructura del suelo; limitación del desarrollo radicular de las plantas y dificultad en producir en el dispositivo, el mismo perfil de humedad y temperatura que en el terreno natural.

Unidad 6 6-25


A pesar de todo ello, hasta el momento actual, los lisímetros y los evapotranspirómetros son los únicos aparatos usados de modo general, para contrastar fórmulas empíricas.

Parcelas y Cuencas Experimentales Con parcelas y cuencas experimentales se conservan las condiciones naturales y se evitan algunos de los efectos anteriormente descriptos en evapotranspirómetros y lisímetros.

Las parcelas experimentales deben ser planas, de algunos centenares de metros cuadrados, de terreno homogéneo en superficie y profundidad, con cultivos representativos o sembrados en forma controlada. En ellas se aplica la ecuación /144/, midiendo las precipitaciones y demás aportes (A); la humedad del suelo en diversos puntos y a diferentes profundidades, deduciéndose de ello las variaciones de la reserva de agua en el terreno ( S∆ ); mientras que G deberá evaluarse en función de las variaciones de niveles en sondeos ubicados en le parcela.

Las dimensiones de la parcela ya no permiten suponer con garantía que la escorrentía superficial sea nula y por tanto deberá medirse. Para ello se construyen zanjas colectores siguiendo las curvas de nivel de menor cota.

La humedad del suelo puede medirse por medio de tensiómetros, blocks de yeso o de material plástico poroso, o sondas para el contador de neutrones.

Los mayores errores derivan del agua que escapa subterráneamente a través de los límites de la parcela. Si el sub-estrato impermeable no es demasiado profundo puede evitarse construyendo pantallas verticales de hormigón que lleguen a él y así convertir la parcele en un gran lisímetro con el terreno interior en condiciones naturales.

En las cuencas experimentales, con áreas de hasta 5 a 10 km² y límites superficiales y subterráneos bien definidos, se procede en forma análoga para la determinación de todos los términos del segundo miembro de la /144/. En la determinación de G tendrá aquí mayor importancia medir la escorrentía superficial con una estación de aforo en la sección transversal inferior del cauce drenante. A medida que aumente el área de la cuenca, decrece la aproximación de la estimación.

Bastidor Vidriado Este dispositivo ha sido, a veces, utilizado para la medida de la evapotranspiración de los suelos que era esencial no alterar. Un bastidor metálico sin fondo, cuya cubierta está constituida por un vidrio inclinado, es ligeramente hundido en el terreno. El agua que se evapore se condense sobre el vidrio formando una pared fría que se desliza hacia una canaleta que vierte a un recipiente de aforo. Las condiciones que rigen la evaporación bajo el bastidor no son las mismas que en la atmósfera libre, por lo que resulta necesario evaluar la relación k existente entre la evaporación al aire libre y la evaporación bajo el bastidor; para ello se compara la evaporación observada en dos tanques llenos de tierra húmeda, de los cuales uno está cubierto con un bastidor, mientras que el otro permanece al aire libre. El coeficiente k es, a veces, del orden de 5, lo que limita la precisión del método.

6.c.4.iii. Comentario a los Métodos para el Cálculo de la Evapotranspiración Los métodos teóricos y las medidas directas, están ligados al carácter microclimático del proceso, y en consecuencia, son los únicos realmente válidos, siempre que se reflejen fielmente las condiciones naturales. Desgraciadamente son de delicada y costosa aplicación.

Los métodos empíricos tienen la ventaja de su mayor economía ya que en general, se basan en datos meteorológicos corrientemente obtenibles en forma fácil. No obstante los valores que con ellos resultan tendrán escasa validez si no están contrastados con medidas directas en la zona a la que se aplican. Sin este requisito, será muy aventurado darles un significado ni siquiera orientativo. Lo anteriormente expresado adquiere fundamental importancia en zonas áridas.

6.c.5. ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN REAL A PARTIR DE LA POTENCIAL La evapotranspiración potencial 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 ese límite sino también el agua que efectivamente se halla presente en el suelo.

Unidad 6 6-26


En forma esquemática, un balance hidrológico, para un determinado intervalo de tiempo, puede plantearse de la forma:

/145/ SExETRAA RP ∆−+=+

donde:

PA aportaciones por precipitación, en mm.

RA aportaciones por riego, en mm.

ETR evapotranspiración real, en mm.

Ex excedentes de agua (escorrentía más infiltración), en mm.

S∆ incremento en la reserva de agua utilizable por las plantas, en mm, y con la condición:

/146/ ETPETR <

Es muy corriente que los datos climáticos disponibles en una zona permitan únicamente realizar una estimación de la evapotranspiración potencial, aplicando alguna fórmula empírica.

Las expresiones /145/ y /146/ permiten desarrollar métodos para calcular la evapotranspiración real a partir de la potencial, cuando se conocen los valores de la precipitación y de la reserva de agua utilizable.

Algunos autores, por su parte, han propuesto fórmulas para calcular la evapotranspiración real, en función de variables meteorológicas (precipitación, temperatura, etc.), pero que no resultan de aplicación para zonas áridas.

6.c.6. CONTROL DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN Como consecuencia del éxito reportado al reducir la evaporación de superficies de agua por medio de películas monomoleculares, a que se hiciera referencia en el apartado 6.a.10, se llevaron a cabo experiencias para reducir la transpiración de las plantas mezclando alcoholes grasos en el suelo. Se han publicado algunos resultados positivos, mientras que otros experimentos han indicado efectos no significativos, o aún un aumento en la transpiración. Un análisis detallado de un gran número de experiencias independientes llevó a la conclusión que las concentraciones de alcohol graso necesarias para reducir la transpiración, también reducen el crecimiento de las plantas y que estas sustancias no resultan adecuadas a los fines perseguidos.

Desde principios de siglo se ha efectuado un gran esfuerzo investigativo para determinar o predecir los efectos hidrológicos de los cambios en el uso del suelo. Existen pocas dudas de que tales cambios pueden tener un efecto apreciable en la evapotranspiración anual, como así también, en su distribución cíclica, siendo los factores primordiales en este fenómeno los relacionados con la disponibilidad de agua y el porcentaje del área cubierta por una vegetación libre. De todos modos, cualquier intento por reducir la evapotranspiración mediante cambios en el uso de la tierra se debe llevar a cabo solamente después de un estudio cuidadoso de todos los posibles efectos secundarios.

Una tala de bosques disminuirá la evapotranspiración y aumentará los caudales escurridos pero producirá casi con seguridad tasas de erosión inaceptables y mayor riesgo de crecidas.

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