METEOROLOGIA Y CLIMATOLOGIA INVESTIGACIÓN
¨MODELAMIENTO ¨MODELAMIENTO DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO PARA SU APROVECHAMIENTO EN LA OBTENCIÓN DE ENERGÍA¨ DOCENTE
:
ALUMNOS
:
Ing. Meteorólogo FIGUEROA TAUQUINO, Rafael R.
ALBINAGORTA SORIANO, Christopher Jeff.
BAÑEZ GAMARRA, Tania. FIGUEROA NORABUENA, Alex Jaime. MINAYA SÁNCHEZ, Bretna.
Abril 2014
HUARAZ – – ANCASH PERÚ
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CONTENIDO: 1. DATOS GENERALES…………………………………………………………………..………………..…………..2 GENERALES…………………………………………………………………..………………..…………..2 1.1. TITULO DEL PROYECTO………………………………………………………………………….…………2 1.2. INVESTIGADORES CORRESPONSABLES……………………………………………………………..2 CORRESPONSABLES……………………………………………………………..2 1.3. MIEMBROS COLABORADORES………………………………………………………………….………2 2. LUGAR DONDE SE REALIZO LA INVESTIGACIÓN………………………………………………….…..2 3. ASPECTOS CONCEPTUALES…………………………………… CONCEPTUALES…………………………………………………………………………..………..3 ……………………………………..………..3 3.1. MARCO TEÓRICO………………………………………………………………………………….…….……3 3.2. PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA………………………………..…….15 3.3. HIPÓTESIS…………………………………………………………………………………………..….………15 3.4. OBJETIVOS………………………………………………………………………………………...…….…….15 3.5. JUSTIFICACIÓN…………………………………………………………………………………..…….…….16 4. ASPECTO METODOLÓGICO…………………………………………………………….……………….……16 METODOLÓGICO…………………………………………………………….……………….……16 4.1. TIPO DE D E INVESTIGACIÓN…………………………………………………………………..………..….16 INVESTIGACIÓN…………………………………………………………………..………..….16 4.1.1. Por su forma: Investigación aplicada………………………………………..…..…..16 aplicada………………………………………..…..…..16 4.1.2. Por el tipo: Descriptiva……………………………………………………………….……..16 4.2. ANÁLISIS ESTADÍSTICO E INTERPRETACIÓN DE LA INFORMACIÓN………………….16 5. RESULTADO………………………………………………………………………………………………………….17 6. CONCLUSIONES…………………………………………………………………………………….…….………..29 7. BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………………………..…...…………..30
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1. DATOS GENERALES
1.1 TITULO DEL PROYECTO
¨Modelamiento de la velocidad del viento para su aprovechamiento en la obtención de energía¨
1.2 INVESTIGADORES CORRESPONSABLES
1.1.1 ALBINAGORTA SORIANO, Christopher Jeff. 1.1.2 BAÑEZ GAMARRA, Tania. 1.1.3 FIGUEROA NORABUENA, Alex Jaime. 1.1.4 MINAYA SÁNCHEZ, Bretna.
1.3 MIEMBROS COLABORADORES
DOCENTE: Ing. Met. Rafael Ramón Figueroa Tauquino FACULTAD: Ingeniería Ambiental ESCUELA PROFESIONAL ACADÉMICO: Ingeniería Ambiental
2. LUGAR DONDE SE REALIZO LA INVESTIGACIÓN Ciudad
:
HUARAZ
Áreas específicas
:
Quillcayhanca – Quillcayhanca – Shancayan Shancayan – – Casma. Casma.
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3. ASPECTOS CONCEPTUALES
3.1 MARCO TEORICO
EL VIENTO
El viento es la variable de estado de movimiento del aire. En meteorología se estudia el viento como aire en movimiento tanto horizontal como verticalmente. Los movimientos verticales del aire caracterizan los fenómenos atmosféricos locales, como la formación de nubes de tormenta.
El viento es causado por las diferencias de temperatura existentes al producirse un desigual calentamiento de las diversas zonas de la Tierra y de la atmósfera. Las masas de aire más caliente tienden a ascender, y su lugar es ocupado entonces por las masas de aire circundante, más frío y, por tanto, más denso. Se denomina propiamente "viento" a la corriente de aire que se desplaza en sentido horizontal, reservándose la denominación de "corriente de convección" para los movimientos de aire en sentido vertical. La dirección del viento depende de la distribución y evolución de los centros isobáricos; se desplaza de los centros de alta presión (anticiclones) hacia los de baja presión (depresiones) y su fuerza es tanto mayor cuanto mayor es el gradiente de presiones. En su movimiento, el viento se ve alterado por diversos factores tales como el relieve y la aceleración de Coriolis.
En superficie, el viento viene definido por dos parámetros: la dirección en el plano horizontal y la velocidad. (Cuadrat, J.M. 1995.)
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FACTORES QUE INFLUYEN EN EL VIENTO:
Fuerza del Gradiente de Presión:
La fuerza del gradiente de presión tiene componente horizontal y vertical. Pero, el componente vertical está más o menos en equilibrio con la fuerza de la gravedad. Las diferencias verticales en cuanto a la presión pueden deberse a causas térmicas o mecánicas (a veces no se distinguen con facilidad) y, dichas diferencias controlan el movimiento horizontal de una masa de aire. El gradiente de presión es la fuerza motivadora que causa que el aire se desplace lejos de las áreas de altas presiones hacia las zonas donde éstas son menores. La fuerza de
gradiente
de presión viene determinada
matemáticamente como:
d : Densidad del aire dp/dn: gradiente horizontal de presión
De esta forma, cuanto más cerca estén las isobaras, el gradiente de presión será mayor al igual que la velocidad de los vientos. De la misma forma, cuanto más alejadas estén, el gradiente de presión será menor y menor, por tanto, la velocidad de los vientos. (Geografía Física. Murcia, pp: 231-422.)
Fuerza Desviadora de Coriolis:
Es decir, en el hemisferio Sur, la fuerza de Coriolis desvía hacia la izquierda los movimientos de las masas de aire y agua. En el hemisferio Norte se produce el efecto inverso: la desviación se produce hacia la derecha. 5
La rotación terrestre genera la denominada fuerza de Coriolis que se produce de forma perpendicular a la dirección del movimiento. En el hemisferio sur, el aire procedente de los anticiclones es desviado hacia la izquierda, girando en el sentido contrario de las agujas del reloj. En las depresiones, el viento gira en sentido de las agujas del reloj. En el hemisferio norte se produce el efecto contrario, lo que explica que el viento de las borrascas y los anticiclones gire en sentido inverso. Este efecto es la base de la denominada Ley de Buys-Ballot que enuncia que un observador que se coloque cara al viento en el hemisferio sur tendrá siempre las bajas presiones a su derecha y las altas presiones a su izquierda. (Geografía Física. Murcia, pp: 231-422.)
Fuerza de Fricción:
Una fuerza que tiene un efecto importante sobre el movimiento del aire es el que se debe a la fricción con la superficie terrestre.
Hacia la superficie (por debajo de los 500 m en terrenos llanos) la fricción empieza a reducir la velocidad del viento por debajo del valor geostrófico. Esta capa de influencia de la fricción se denomina capa de límite planetaria. La velocidad del viento disminuye exponencialmente cerca de la superficie terrestre debido a los efectos de rozamiento de la superficie. Éstos implican hacer fricción sobre los obstáculos, edificios, árboles, colinas..., y el esfuerzo ejercido por el aire en la superficie de contacto. (Geografía Física. Murcia, pp: 231-422.)
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DIRECCION Y VELOCIDAD DEL VIENTO:
LA DIRECCIÓN DEL VIENTO
Viene definida por el punto del horizonte del observador desde el cual sopla. En la actualidad, se usa internacionalmente la rosa dividida en 360º. El cálculo se realiza tomando como origen el norte y contando los grados en el sentido de giro del reloj. De este modo, un viento del SE equivale a 135º; uno del S, a 180º; uno del NW, a 315º, etc.
La dirección se suele referir al punto más próximo de la rosa de los vientos que consta de ocho rumbos principales. Se mide con la veleta.
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LA VELOCIDAD DEL VIENTO:
Se mide preferentemente en náutica en nudos y mediante la escala Beaufort. Esta escala comprende 12 grados de intensidad creciente que describen el viento a partir del estado de la mar. Esta descripción es inexacta pues varía en función del tipo de aguas donde se manifiesta el viento. Con la llegada de los modernos anemómetros, a cada grado de la escala se le ha asignado una banda de velocidades medidas por lo menos durante 10 minutos a 10 metros de altura sobre el nivel del mar.
En la meteorología sinóptica moderna, la escala Beaufort tiende a sustituirse por las mediciones precisas en nudos.
AEROGENERADORES: Es un generador eléctrico movido por una turbina accionada por el viento (turbina eólica). Sus precedentes directos son los molinos de viento que se empleaban para la molienda y obtención de harina. En este caso, la energía eólica, en realidad la energía cinética del aire en movimiento, proporciona energía mecánica a un rotor hélice que, a través de un sistema de transmisión mecánico, hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador trifásico, que convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica. Existen diferentes tipos de aerogeneradores, dependiendo de su potencia, la disposición de su eje de rotación, el tipo de generador, etc. Los aerogeneradores pueden trabajar de manera aislada o agrupados en parques eólicos o plantas de generación eólica, distanciados unos de otros, en función del impacto ambiental y de las turbulencias generadas por el movimiento de las palas.
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Para aportar energía a la red eléctrica, los aerogeneradores deben estar dotados de un sistema de sincronización para que la frecuencia de la corriente generada se mantenga perfectamente sincronizada con la frecuencia de la red. Ya en la primera mitad del siglo XX, la generación de energía eléctrica con rotores eólicos fue bastante popular en casas aisladas situadas en zonas rurales. La energía eólica se está volviendo más popular en la actualidad, al haber demostrado la viabilidad industrial, y nació como búsqueda de una diversificación en el abanico de generación eléctrica ante un crecimiento de la demanda y una situación geopolítica cada vez más complicada en el ámbito de los combustibles tradicionales. (http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador)
ENERGIA EÓLICA:
La energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es convertida en otras formas útiles de energía para las actividades humanas.
En la actualidad, la energía eólica es utilizada principalmente para producir electricidad mediante aerogeneradores, conectados a las grandes redes de distribución de energía eléctrica. Los parques eólicos construidos en tierra suponen una fuente de energía cada vez más barata, competitiva o incluso más barata en muchas regiones que otras fuentes de energía convencionales. Pequeñas instalaciones eólicas pueden, por ejemplo, proporcionar electricidad en regiones remotas y aisladas que no tienen acceso a la red eléctrica, al igual que hace la energía solar fotovoltaica. Las compañías eléctricas distribuidoras 9
adquieren cada vez en mayor medida el exceso de electricidad producido por pequeñas instalaciones eólicas domésticas. El auge de la energía eólica ha provocado también la planificación y construcción de parques eólicos marinos, situados cerca de las costas. La energía del viento es más estable y fuerte en el mar que en tierra, y los parques eólicos marinos tienen un impacto visual menor, pero los costes de construcción y mantenimiento de estos parques son considerablemente mayores.
A finales de 2013, la capacidad mundial instalada de energía eólica fue de 318 gigavatios. En 2011 la eólica generó alrededor del 3% del consumo de electricidad mundial. Dinamarca genera más de un 25% de su electricidad mediante energía eólica, y más de 80 países en todo el mundo la utilizan de forma creciente para proporcionar energía eléctrica en sus redes de distribución, aumentando su capacidad anualmente con tasas por encima del 20%. En España la energía eólica produjo un 21,1% del consumo eléctrico en 2013, convirtiéndose en la tecnología con mayor contribución a la cobertura de la demanda, por encima incluso de la energía nuclear. La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar fuentes de energía a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. El impacto ambiental de este tipo de energía es además, generalmente, menos problemático que el de otras fuentes de energía.
La energía del viento es bastante estable y predecible a escala anual, aunque presenta significativas variaciones a escalas de tiempo menores. Al incrementarse la proporción de energía eólica producida en una determinada región o país, se hace imprescindible establecer una serie de mejoras en la red eléctrica local. Diversas técnicas de control energético, como una mayor capacidad de almacenamiento de energía, una distribución geográfica amplia de los aerogeneradores, la disponibilidad de fuentes de energía de respaldo, la 10
posibilidad de exportar o importar energía a regiones vecinas o la reducción de la demanda cuando la producción eólica es menor, pueden ayudar a mitigar en gran medida estos problemas.10 Adicionalmente, la predicción meteorológica permite a los gestores de la red eléctrica estar preparados frente a las previsibles variaciones en la producción eólica que puedan tener lugar a corto plazo.( Masson, 1983.)
ROSAS DE LOS VIENTOS
Para la evaluación preliminar del potencial eólico de una región es recomendable obtener la rosa de los vientos. Una rosa de los vientos es un diagrama que muestra la distribución temporal de la dirección del viento y una distribución azimutal (ángulo formado por una dirección y el norte magnético) de velocidad del viento en un lugar dado. Consiste de varios círculos concéntricos espaciados igualmente y divididos por líneas en varios sectores o partes iguales, pueden ser 8, 12, o 16, indicando los puntos cardinales (E, ENE, NE, NNE, W, WNW, NW, NNW, ESE, SE, SSE, S, SSW, N, WSW, SW). El atlas eólico europeo indica que deben emplearse 12 sectores, abarcando cada uno 30° del horizonte y generalmente son usadas para representaciones de datos diarios, semanales, mensuales, anuales, y por
temporadas.
Estas rosas se construyen basándose en
observaciones meteorológicas, mediante el uso de un anemómetro que registrará las velocidades y dirección del viento.
La rosa de los vientos también es utilizada para evaluar la calidad del aire y modelar el comportamiento de los contaminantes de la industria en un región dada, puesto que la dispersión de los contaminantes es mayormente influenciada por el comportamiento del viento, dándose el caso que se genera la mayor concentración de contaminantes en las 11
direcciones con menor frecuencia o presencia de vientos, con la aparente excepción de la orientación. (Mundiprensa, 2004. )
La información de cada rosa de los vientos debe cumplir con lo siguiente:
Mostrar la frecuencia de ocurrencia y las clases velocidad de los vientos en los 16 sectores de dirección para una localidad y un periodo de tiempo dado. La clasificación más utilizada para el viento es la escala Beaufort. También debe mostrar la identificación de la estación, mes y periodo de registro.
Indicar el porcentaje de frecuencia de viento en calma.
Utilizar esquema de colores para categorizar las velocidades del viento.
Ser exhaustivas, es decir, incluir todos los valores posibles.
Ser mutuamente excluyentes, esto es, que no exista confusión al momento de ubicar un valor dentro de esas clasificaciones; por lo que no debe existir traslape entre ellas.
CÓMO SE CONSTRUYEN Y SU INTERPRETACIÓN
Existen varios programas que pueden calcular o trazar las rosas de viento, algunos con licencia exclusiva y otros pueden ser usados en línea de Internet, los cuales se pueden usar mientras se esté conectado, por ejemplo el Wind Atlas Analysis and Application Program (WAsP©), el 12
WRPLOT View, y también se pueden trazar ejecutando o usando el Matlab ®. Sin embargo, el programa que las traza con más calidad es el WRPLOT View y es cortesía de Lakes Enviromental.
En general una rosa de los vientos indica mediante sectores o triángulos la frecuencia relativa de cada una de las 12 o 16 direcciones del viento establecidas, es decir, qué tanto por ciento del tiempo el viento sopla desde o hacia una dirección. Dependiendo del tipo de rosa de los vientos que se esté tratando, sobre el mismo sector (cuña) puede indicarse la velocidad del viento promedio o en rango, que puede llegar a tenerse en esa dirección, o pueden trazarse otras cuñas sobrepuestas con mayor anchura para indicar esa velocidad.
Como ejemplo, observando la rosa de la figura 3.5, de 16 direcciones o sectores, en ella se puede apreciar que la mayor parte del tiempo el viento está soplando desde o hacia la dirección WSW, con velocidades que alcanzan hasta más de 23 m/s. Si sumamos las frecuencias en cada una de las sectores obtendremos el 100%, como se muestra en la tabla 3.8. Esta tabla también se podría formar con las horas o número de lecturas que se tomaron para una dirección determinada.
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WIND ROSE PLOT:
DISPLAY:
Station #Rancho Grande 40 m a.g.l.
Wind Speed
Resultant Vector
181 deg - 27% COMMENTS:
DATAPERIOD:
COMPANYNAME:
Height: 40 m a.g.l. Direction:from
2005-2005
UNAM
ene 1 - dic 31
MODELER:
00:00 - 23:00
F.Bañuelos-Ruedas
CALMWINDS:
TOTALCOUNT:
5.41%
8759 hrs.
AVG. WIND SPEED:
DATE:
5.82 m/s
07/12/2010
PROJECT NO.: UNAM
WRPLOT View - Lakes Environmental Software
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Las rosas de los vientos sirven para varios propósitos, pero para el caso del análisis de sitios con potencial eólico, debemos tener presente que sólo indica la distribución relativa de las direcciones del viento, y no el nivel real de la velocidad media del viento, sin embargo un vistazo a la rosa de los vientos es extremadamente útil para situar y distribuir aerogeneradores. Si una gran parte de la energía del viento viene de una dirección particular, lo que se deseará, cuando coloque una turbina eólica en el paisaje, será tener la menor cantidad de obstáculos posibles en esa dirección, así como un terreno lo más liso posible. (Escarabajal, 2003.)
3.2 PLANTEAMIENTO Y FORMULACION DEL PROBLEMA
¿En cuál de las Zonas de estudio se podrá aprovechar mejor el movimiento de las corrientes de viento? ¿Se podrá aprovechar la cantidad de corrientes de viento emitida en cada zona para la generación de energía eléctrica por medio de molinos de viento?
3.3 HIPÓTESIS
Las corrientes de viento que presentaran mayor velocidad serán en la zona de Quillcayhanca porque posee mayor altitud.
3.4 OBJETIVOS
3.4.1 OBJETIVO GENERAL
Comparar la intensidad de velocidad de movimiento de las corrientes de viento en las zonas (Quillcayhanca – Shancayan – Casma ) para su uso como fuente de energía
3.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Ubicar la zona donde hay mayor velocidad de viento.
Determinar la zona adecuada para la implementación con aerogeneradores.
3.5 JUSTIFICACIÓN
El presente trabajo está orientado a resolver la problemática del poco abastecimiento de energía eléctrica en muchos lugares en el departamento de Ancash. Para ello el equipo de investigación, tomando dos estaciones meteorológicas fijas en puntos estratégicos, los cuales nos servirán para determinar puntos donde haya mayor velocidad de viento para poder aprovechar la energía eólica, con el uso de molinos de viento.
4. ASPECTO METODOLÓGICO
4.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN
4.1.1 Por su forma: Investigación aplicada 4.1.2 Por el tipo: Descriptiva
4.2 ANALISIS ESTADISTICO E INTERPRETACION DE LA INFORMACIÓN
El análisis e interpretación de los datos se realizó mediante gráficos individuales para cada fecha y lugar, en un programa de computadora llamado “WRPLOT View”, se hicieron correr los datos ya obtenidos de las estaciones Shancayan, Quillcayhuanca y Casma.
5. RESULTADO DIRECCIÓN DE LA FRECUENCIA DE LOS VIENTOS EN SHANCAYAN MARZO – AGOSTO.
DIRECCIÓN DE LA FRECUENCIA DE LOS VIENTOS EN HUARMEY MARZO – AGOSTO. WIND ROSE PLOT:
DISPLAY:
DIRECCION DE LA FRECUENCIA DE LOS VIENTOS AGOSTO DEL 2013 - HUARMEY
Wind Speed Direction (blowing from)
COMMENTS:
En el mes de Agosto del 2013 se observa una velocidad de viento hacia el SSW con un porcentaje aproximado de 65%, con velocidades de vientos bajas.
NORTH
70% DATA PERIOD:
Start Date: 01/08/2013 - 00:00 End Date: 31/08/2013 - 23:00
56%
42%
28%
TOTAL COUNT:
CALM WINDS:
744 hrs.
3.90%
AVG. WIND SPEED:
3.08 m/s 14% COMPANY NAME:
WEST
EAST
MODELER:
WIND SPEED (m/s) >= 11.1
DATE:
13/08/2014
8.8 - 11.1 5.7 - 8.8 3.6 - 5.7 2.1 - 3.6 0.5 - 2.1 Calms: 3.90%
SOUTH
WRPLOT View - Lakes Environmental Software
PROJECT NO.:
WIND ROSE PLOT:
DISPLAY:
DIRECCION DE LA FRECUENCIA DE LOS VIENTOS MARZO DEL 2013 - HUARMEY
Wind Speed Direction (blowing from)
COMMENTS:
En el mes de Marzo del 2013 se observa una velocidad de viento hacia el SSW con un porcentaje aproximado de 27%, con velocidades de vientos medios.
NORTH
30% DATA PERIOD:
Start Date: 01/03/2013 - 00:00 End Date: 31/03/2013 - 23:00
24%
18%
12%
TOTAL COUNT:
CALM WINDS:
744 hrs.
1.48%
AVG. WIND SPEED:
2.36 m/s
6% COMPANY NAME:
WEST
EAST
MODELER:
WIND SPEED (m/s) >= 11.1
DATE:
13/08/2014
8.8 - 11.1 5.7 - 8.8 3.6 - 5.7 2.1 - 3.6 0.5 - 2.1
SOUTH
WRPLOT View - Lakes Environmental Software
Calms: 1.48%
PROJECT NO.:
6. CONCLUSIONES
6.1 La recopilación de datos climatológicos experimentales de las estaciones de monitoreo
existentes en
el Quillcayhuanca, Shancayan y Casma
obtenidos durante el periodo Marzo y Abril del 2013, permitió obtener algunos mapas eólicos preliminares para la localización de los sitios de mayor potencial eólico de las zonas de estudio. A partir de esto se puede estudiar el aspecto de desventaja y beneficio para la implementación de los ya mencionados aerogeneradores.
6.2 Para poder implementar un aerogenerador se debe tener en cuenta la velocidad de los vientos; es por ello que el lugar más recomendable es en Quillcayhuanca, ya que los vientos de 4-7 son más elevados y se podría decir constantes durante los dos meses de análisis.
6.3 Comparando las zonas de estudio se puede decir que para una eficiente implementación de aerogeneradores para la producción de energía alternativa se da en Quillcayhuanca, esto debido a la altura.
7. BIBLIOGRAFIA
http://200.58.146.28/nimbus/weather/pdf/cap7.pdf
http://www.aviacionulm.com/meteoviento.html
http://centrodeartigos.com/articulos-noticias-consejos/article_142079.html
http://meteolab.fis.ucm.es/meteorologia/presion-atmosferica--2
http://www.rinconsolidario.org/meteorologia/webs/dinhfu.htm
http://meteobasica.blogspot.com/2010/12/viento.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica
Aprovechamiento de la energía eólica, Gipe, Paul, Mairena del Aljarafe: Progensa, 2000.
Aprovechamiento de la energía eólica, Valverde Martinez, Aniceto, Murcia: Universidad, 1987.
Cuadrat, J.M. 1995. Climatología. In López Bermúdez, J.; Rubio, J.M. y Cuadrat, J.M., Geografía Física. Murcia, pp: 231-422.
