Capitulo III Evaporacion y Evapotranspiracion Aamp

CURSO: HIDROLOGIA GENERAL

CAPITULO: III EVAPORACION Y EVAPOTRANSPIRACION

CAPÍTULO III EVAPORACIÓN Y EVAPOTRANSPIRACIÓN

3.1 INTRODUCCION. Una gran parte del agua que llega a la tierra, vuelve a la atmosfera en forma de vapor (evaporación), o a través de las plantas (transpiración); dada la dificultad de medir por separado ambos términos, se determina con la evapotranspiración. La influencia de estos fenómenos sobre el ciclo hidrológico es muy importante; en promedio mas del 70% de la precipitación que llega a la tierra es devuelta a la atmosfera por evapotranspiración, alcanzando este porcentaje en algunos lugares el 90%. Desde el punto de vista de la ingeniería hidrológica es importante conocer, por un lado, la cantidad de agua que se pierde por evaporación en grandes depósitos, como presas, lagos o en sistemas de conducción, y por otro lado la cantidad de agua que es necesario a los sistemas de riego, para determinar las fuentes y dimensiones de los sistemas de abastecimiento. 3.2 EVAPORACION. La evaporación es el resultado del proceso por el cual el agua cambia de estado liquido a gaseoso, retornando directamente a la atmosfera 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 liquido al estado de vapor en forma tumultuosa, en la evaporación, por el contrario el pasaje se efectúa en forma tranquila.

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Nosotros estudiaremos preferentemente la evaporación en embalses y la evapotranspiración. La primera, porque el ingeniero tiene interés en evaluar la cantidad de agua almacenada que se va a perder por evaporación. La segunda, por sus aplicaciones en los proyectos de irrigación. El fenómeno de la evaporación a partir de los espejos de agua es complejo, pero podemos esquematizarlo del modo que sigue. Las moléculas de la superficie libre adquieren energía cinética por acción de la energía solar y vencen la retención de la masa de agua, salen al aire y se acumulan formando una capa encima del agua; para que continúe el proceso es necesario remover esta capa de vapor de agua y esto lo hace el viento. El papel de la temperatura es doble: aumenta la energía cinética de las moléculas y disminuyen la tensión superficial que trata de retenerlas. 3.3. FACTORES QUE AFECTAN LA EVAPORACION. a. FACTORES METEOROLOGICOS. Radiación solar.- Fuente de energía para suministrar el calor latente de vaporización. Temperatura del aire.- El papel de la temperatura del aire es doble por que no aumenta la energía cinética de las moléculas y disminuye la tensión superficial que trata de retenerlas. Viento.- La velocidad del viento será necesaria para remover y mezclar las capas húmedas inferiores con las superiores de menor contenido de humedad. Presión atmosférica.- La evaporación aumenta, al disminuir la presión atmosférica, manteniendo constantes los demás factores. Sin embargo, se ha observado que al aumentar la altitud decrece la evaporación. Es difícil de evaluar el efecto relativo de cada uno de los factores meteorológicos mencionados que controlan la evaporación, cualquier conclusión debe estar limitada en términos del periodo de tiempo considerado. b. FACTORES GEOGRAFICOS (naturaleza de la superficie evaporante). Profundidad del volumen de agua.- Los lagos o embalses profundos tienen mayor capacidad de almacenamiento de calor que los almacenamientos someros, este hecho tiene una influencia notoria en las variaciones estacionales y aun en la fluctuación diaria de la evaporación. Calidad de agua.- El efecto de la salinidad o la presencia de solidos disueltos en el agua, reducen la tensión de vapor de la solución y con ello disminuye la evaporación. Tamaño de la superficie libre.- En la Fig. 2.1 se muestra cualitativamente como la velocidad de viento constante, la magnitud de la evaporación esta relacionada con el tamaño de la superficie evaporante y con la humedad relativa del aire.


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Fig. 3.1 Relación de evaporación entre la superficie evaporante y la humedad relativa. En la Fig. 3.1 se observa, a medida que el tamaño de la superficie evaporante crece, la magnitud de evaporación decrece, llegando a ser insignificante en grandes lagos, como se observa en la Fig. 3.1, por otro lado cuando la superficie evaporante se reduce la magnitud de la evaporación se incrementa. Evaporación de nieve y hielo.- La evaporación a partir de la nieve y del hielo es un fenómeno aun poco estudiado. Se sabe únicamente que la evaporación a partir de la nieve aumenta cuanto mayor contenido tenga en la fase liquida, de allí que las evaporaciones sean mayores poco antes de los deshielos. Evaporación desde los suelos.- La taza de evaporación desde un suelo saturado es aproximadamente igual a la evaporación desde una superficie de agua cercana, a la misma temperatura. Al comenzar a secarse el suelo la evaporación disminuye, y finalmente cesa por que no existe un mecanismo que transporte el agua desde una profundidad apreciable. 3.4. MEDICION DE LA EVAPORACION. Con el fin de homogeneizar las medidas de las magnitudes que intervienen en el ciclo hidrológico, la evaporación se mide en milímetros Por lo general se acompaña el periodo de tiempo considerado en 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. Para realizar la medición de la evaporación se tienen los siguientes métodos:

•

Métodos instrumentales (Tanques de Evaporación y evaporímetros).

•

Métodos teóricos (Balances Hídricos)

• Formulas Empíricas (Meyer, Penman,) Msc Ing. Abel A. Muñiz Paucarmayta

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a. Tanques de evaporación. Uno de los instrumentos más empleados para la medición de evaporación esta constituido por tanques, tienen como principio común la medida del agua pérdida por evaporación contenido en un depósito de regulares dimensiones. Los depósitos o tanques de evaporación pueden ser de tres tipos: exteriores, enterrados y flotantes. Exteriores, (colocados sobre la superficie del suelo). Consiste en un depósito cilíndrico construido con chapa de hierro galvanizado Nº 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.

Fig. 3.2 Relación de evaporación entre la superficie evaporante y la humedad relativa. 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.

Fig. 3.3 Tanque enterrado. Flotantes. Este tipo de tanques son para estudiar la evaporación de grandes superficies de agua.

b. Métodos teóricos. La medida directa de la evaporación en el campo no es posible, en el sentido en que se Msc Ing. Abel A. Muñiz Paucarmayta

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puede medir la profundidad de un rio, la precipitación, etc. Debido a esto se han desarrollado una serie de técnicas para estimar la evaporación desde la superficie de un embalse. BALANCE HÍDRICO.El método del balance hídrico consiste en escribir la ecuación de balance hídrico en términos de volúmenes:

Ev = ( S1 − S 2 ) + I + P − 0 − 0 g

(Ec.3.1)

Donde: S

: Almacenamiento

I

: Volumen de entrada

P

: Precipitación

0

: Volumen de salida

0g

: Infiltración

E

: Evaporación

En teoría el método es muy simple, pero en la práctica rara vez da resultados confiables. La razón está en que los errores en la medición de los volúmenes que intervienen y de los almacenamientos repercuten directamente en el cálculo de la evaporación. De todos los términos que entran en la ecuación, el más difícil de evaluar es la infiltración (Og), porque debe ser estimada indirectamente a partir de niveles de agua subterránea, permeabilidad, etc.

c. Formulas empíricas. Han sido deducidas una serie de formulas en diferentes países. Presentamos aquí un grupo de estas basadas en la Ley de Dalton en función de datos meteorológicos. 1. Formula de Meyer. Propuesta en el año 1915, no toma en cuenta la disponibilidad energética:

V   Em = C (es − ea ) 1 + w   16.09 

(Ec. 3.2)

Donde: Em : Evaporación mensual en cm. es : Presión de vapor de saturación media mensual en pulgadas de mercurio. ea : Presión de vapor media mensual en pulgadas de mercurio. Vw : Velocidad media mensual del viento, medida a 10 m de la superficie, en Km/h. C

: Coeficiente empírico. (C=38 para depósitos pequeños y C=28 para depósitos grandes).

2. Formula de Fitzgerald.

Ev = (0.40 + 0.449 * V 0) * ( es − ea ) Msc Ing. Abel A. Muñiz Paucarmayta

(Ec. 3.3) Página 5



3. Formula de Rohwer.

Ev = 0.497 * (1 − 0.0005 * P ) * (1 + 0.6 * V0 ) * ( es − ea )

(Ec. 3.4)

4. Formula de Lugeon (Francia)

E = 0.398 * d * 5.

273 + t 760 . * ( es − ea ) 273 P − ea

(Ec. 3.5)

Formula de los Servicios Hidrológicos de la ex URSS

E = 0.20 * d * (1 + 0.072V2 ) * ( es − ea )

(Ec. 3.6)

En las expresiones anteriores de las formulas empíricas, las notaciones empleadas son: Donde: Ev : Evaporación diaria en mm. es : Tensión de vapor saturante para la temperatura superficial del agua, mm Hg. ea : Tensión de vapor en el aire, mm Hg. V2 : Velocidad del viento a 2 m de altura. V0 : Velocidad sobre la superficie del agua. d

: Numero de días del mes.

t

: Temperatura media mensual de las máximas diarias en °C.

Pat : Presión atmosférica, en mm Hg. Cabe tener presente que ea, es, V y P son valores medio diarios cuando se calcula E y medios mensuales si se calcula Evm Todas estas fórmulas tienen validez local o regional. Se deberá precisar el valor de los coeficientes que ellas contienen por medio de observaciones locales. Todas estas formulas tienen validez local o regional. Se deberá precisar el valor de los coeficientes que ellas contienen por medio de observaciones locales. 3.5. TRANSPIRACION. La mayor parte del agua evaporada por las plantas es agua que ha pasado a través de la planta, absorbida por las raíces, pasando por los tejidos vasculares y saliendo por las hojas, a través de las estomas, aunque a veces también ocurre a través de la cutícula. Esta evaporación de agua a través de las plantas es la denominada transpiración. 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.


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Fig. 3.4 Movimiento del agua en una planta durante la transpiración. 3.6. FACTORES QUE AFECTAN LA TRANSPIRACION. En su aspecto físico, la transpiración está influenciada por los mismos factores que afectan a la evaporación, a los que puede clasificarse como factores medioambientales, y los 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 medioambientales son:

• La temperatura, influyendo sobre todo la exposición de la hoja al sol. • 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. 3.7. EVAPOTRANSPIRACIÓN. La Evapotranspiración es la combinación de dos procesos independientes por los cuales se pierde agua, la evaporación del agua de la superficie del suelo y la transpiración del cultivo, por consiguiente, todos los factores que inciden en la evaporación y en la transpiración, influirán en la evapotranspiración. El conocimiento de la evapotranspiración o uso consuntivo es un factor determinante en el diseño de los sistemas de riego, incluyendo las obras de almacenamiento, conducción, distribución y drenaje. Especialmente el volumen útil de una presa para abastecer a una zona de riego depende en gran medida del uso consuntivo. Msc Ing. Abel A. Muñiz Paucarmayta

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Fig. 3.5 Proceso de evapotranspiración. 3.8. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA EVAPOTRANSPIRACION (ET). La ET es un fenómeno dependiente en buena parte de las condiciones atmosféricas, del suelo y de la vegetación. Después de una lluvia o de un riego por aspersión, la interface entre el sistema terreno-planta y la atmosfera esta saturada, y evidentemente la transpiración y la evaporación están en el valor potencial, siendo entonces la evapotranspiración función de muchos factores (ET=f(c, s, v, f, g, Q)). Factores climatológicos (c): radiación, temperatura y humedad del aire del viento, etc. Factores edáficos (s): conductibilidad hídrica, espesor del estrato activo, calor superficial, capacidad hídrica, rugosidad de la superficie, etc. Factores de la planta (v): conductibilidad hídrica de los tejidos, estructura de la parte epigea, índice LAI, profundidad y densidad del sistema radical, etc. Factores fitotecnicos (f): laboreo del suelo, rotación de cultivos, orientación de las líneas de siembra, densidad poblacional, tipo e intensidad de la poda, etc. Factores geográficos (g): extensión del área, variación de las características climáticas en el borde del área considerada, etc. Agua disponible en la interface con la atmosfera (Q): cuyo origen es la lluvia el riego y/o el aporte hídrico de la capa freática. 3.9. MEDICION DE LA EVAPOTRANSPIRACION (ET). 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 de la evapotranspiración potencial Eto. Msc Ing. Abel A. Muñiz Paucarmayta

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EVAPOTRANSPIRACION DEL CULTIVO DE REFERENCIA (Eto) La evapotranspiración potencia de un cultivo de referencia (Eto) en mm/día, fue definida por Doorembos y Pruit (FAO 1975) como: La tasa de evaporación en mm/día de una extensa superficie de pasto (grama) verde de 8 a 15 cm de altura, en crecimiento activo, que sombrea completamente la superficie del suelo y que no sufre escasez de agua. EVAPOTRANSPIRACION REAL (Etr). En la práctica los cultivos se desarrollan en condiciones de humedad muy lejanas de las óptimas. Por este motivo para calcular por ejemplo la demanda de riego se ha de basar en la evapotranspiración real Etr la cual toma en consideración el agua disponible en el suelo y las condiciones ambientales en las cuales se desarrolla un cultivo determinado. Siempre y cuando el cultivo en consideración disponga de agua en abundancia (después de un riego o de una lluvia intensa) y en condiciones de buena aireación del suelo. Etr equivale a Etc. La Etr nunca será mayor que Etc. Al aumentar la tensión del agua en el suelo, disminuye la capacidad de las plantas para obtener el volumen de agua requerido al ritmo impuesto por las condiciones del ambiente. Bajo estas condiciones disminuye la transpiración del cultivo por lo tanto Etr es inferior a Etc y también inferior a Eto. La evapotranspiración real de un cultivo; en cierto momento de su ciclo vegetativo, puede expresarse como: Etr = Eto.k

(Ec. 3.7)

Donde: k

: Coeficiente que corrige por la fase vegetativa del cultivo y por el nivel de humedad en el suelo.

En un suelo sin limitación alguna para la producción, en lo que respecta a condiciones físicas, fertilidad y salinidad, k puede discriminarse así: k = kc . kh

(Ec. 3.8)

Donde: kc : Coeficiente del cultivo. kh : Coeficiente de humedad del suelo. El coeficiente de cultivo kc, depende de las características anatomorfológicas y fisiológicas de la especie y expresa la variación de su capacidad para extraer agua del suelo durante el ciclo vegetativo. La especie vegetal y el tamaño de la planta representada por su volumen foliar y radical gobierna el coeficiente kc. El coeficiente de humedad kh es una expresión del mecanismo de transporte de agua a la atmósfera a través del suelo y de la planta, que depende del grado de disponibilidad del agua, del gradiente de potencial hídrico entre el suelo y la atmósfera circundante y de la capacidad de dicho sistema para conducir agua. Cuando el suelo se va secando, se incrementa la resistencia a la difusión a través de los estomas de la vegetación y del espacio poroso del suelo. EVAPOTRANSPIRACION DEL CULTIVO (Etc). Msc Ing. Abel A. Muñiz Paucarmayta

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Se determina mediante el empleo de coeficientes de cultivo (Kc) que corresponden a la relación entre la evapotranspiración del cultivo de referencia (Eto) y la “de una determinada especie cultivada, exenta de enfermedades, que crece en un campo extenso en condiciones optimas del suelo, en el que se ha llegado a un potencial de máxima producción” (FAO 1976). Etc = Kc *Eto Siempre y cuando el cultivo en consideración disponga de agua en abundancia (después de un riego o de una lluvia intensa) y en condiciones de buena aireación del suelo, Etr equivale a Etc. La Etr nunca será mayor que Etc. Al aumentar la tensión del agua en el suelo, disminuye la capacidad de las plantas para obtener el volumen del agua requerido al ritmo impuesto por las condiciones del ambiente. Bajo estas condiciones disminuye la transpiración del cultivo por lo tanto Etr es inferior a Etc y también inferior a Eto. 3.10. METODOS PARA ESTIMAR LA EVAPOTRANSPIRACION EN UNA CUENCA. La evapotranspiración en una cuenca es considerado como la evaporación procedente de la superficie del agua, el suelo, la nieve, el hielo, la vegetación, y de otras superficies, mas la transpiración. Los métodos de medición se pueden clasificar como directos e indirectos. METODOS DIRECTOS. Proporcionan directamente al consumo total del agua requerida, utilizando para ello aparatos e instrumentos de medición. Para esto se emplean: evapotranspirometros y lisímetros. METODOS INDIRECTOS. Se emplean formulas empíricas. Método de Thornthwaite. Fue desarrollado en los Estados Unidos, en experimentos realizados entre las latitudes 29º a 43º Norte, en tanque de 4 m2 y nivel freático constante a medio metro de profundidad. Se puede aplicar con relativa confianza en regiones de clima similar, es decir en regiones húmedas. El procedimiento a seguir es el siguiente:

1. Calcular la evapotranspiración mensual e, en mm por mes de 30 días de 12 horas de duración.

e = 16

 t 10   I

a

(3.9)

Donde: e

: Evapotranspiración potencial mensual, en mm., por mes de 30 días de 12 horas de

duración. t

: Temperatura media mensual, en ºC, en el mes considerado.

t i=  5 I = Σi

1.514

Índice térmico mensual

(Ec. 3.10)

Índice térmico anual

(Ec. 3.11)


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a = 0.6751x10-6 I3 - 0.771x10-4 I2 +0.017921I+ 0.49239

(Ec. 3.12)

2. Corregir el valor de e, de acuerdo con el mes considerado y a la latitud de la localidad que determinan las horas de sol, cuyos valores se obtienen de la Tabla No 3.2.

TABLA No 3.2 FACTORES DE CORRECCION PARA E

MÉTODO DE BLANEY-CRIDDLE Fue desarrollado también en los Estados Unidos, pero en experimentos realizados en la región oeste, en parcelas, lisímetros y tanques. Se puede aplicar con relativa confianza en regiones de clima similar, es decir en regiones áridas-o semiáridas. La fórmula obtenida por estos investigadores es la siguiente: U = k . p (8. 12 + 0.457 t) = k. f

(Ec.3.13)

Donde: u

: Uso consuntivo mensual, en mm.

k

: Coeficiente empírico mensual, según el tipo de cultivo y su estado de desarrollo.

p

: Porcentaje de iluminación mensual con respecto, a la anual (Tabla No 3.3)

t

: Temperatura media mensual, en °C.

También obtuvieron una fórmula similar para cubrir todo el periodo vegetativo de las plantas:

U = Σu = K .Σf

(Ec. 3.14)


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Donde: U

: Uso consuntivo estacional, en mm.

K

: Coeficiente empírico estaciona].

f

: El mismo significado anterior = p (8.12 + 0.457 t). LATITUD SUR

E

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

D

5

8.68

7.76

8.51

8.15

8.34

8.05

8.33

8.38

8.19

8.56

8.37

8.68

10

8.86

7.87

8.53

8.09

8.18

7.86

8.14

8.27

8.17

8.62

8.53

8.88

15

9.05

7.98

8.55

8.02

8.02

7.65

7.95

8.15

8.15

8.68

8.70

9.10

20

9.24

8.09

8.57

7.94

7.85

7.43

7.76

8.03

8.13

8.76

8.87

9.33

25

9.46

8.21

8.60

7.84

7.66

7.20

7.54

7.90

8.11

8.86

9.04

9.58

30

9.70

8.33

8.62

7.73

7.45

6.96

7.31

7.76

8.07

8.97

9.24

9.85

34

9.92

8.45

8.64

7.64

7.27

6.74

7.10

7.63

8.05

9.06

9.42 10.08

38

10.15

8.57

8.66

7.54

7.08

6.50

6.87

7.49

8.03

9.16

9.61 10.34

42

10.40

8.70

8.68

7.44

6.85

6.23

6.64

7.33

8.01

9.26

9.82 10.64

TABLA No 3.3 VALORES DE p

La Tabla No 3.4 proporciona los valores del coeficiente estacional K para los diversos cultivos y el valor máximo del coeficiente mensual k. los valores individuales de k, mes a mes, dependen del estado de desarrollo de los cultivos. CULTIVO

LONG. PERIDO

VALOR

Valor Max

Alfalfa

VEGETATIVO Periodo libre de heladas

DE K 0.85

de k .(*) 0.95-1.25

Algodón

7 meses

0.70

0.75-1.10

Arroz

3-4 meses

1.00

1.10-1.30

Leguminosas para grano

3 meses

0.75

0.85-1.00

Frutales de hoja caduca

Periodo libre de heladas

0.65

0.70-0.95

Frutales cítricos

7 meses

0.60

0.65-0.75

Judías

3 meses

0.65

0.75-0.85

Maíz

4 meses

0.75

0.80-1.20

Praderas

Periodo libre de heladas

0.75

0.85-1.15

Remolacha de azucarera

5.5 meses

0.70

0.85-1.10

Sorgo 5 meses 0.70 (*)Depende de la temperatura media mensual y del estado vegetativo del cultivo.

0.85-1.10

TABLA 3.4 VALORES PARA EL OESTE DE EE.UU, SEGÚN CRIDDLE


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