Balance de agua en el suelo 1 BALANCE DE AGUA EN EL SUELO. MÉTODOS HIDROMETEOROLÓGICOS. Jesus Carrera y Maarten Saaltink.

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1 Balance de agua en el suelo 1 BALANCE DE AGUA EN EL SUELO. MÉTODOS HIDROMETEOROLÓGICOS. Jesus Carrera y Maarten Saaltink

2 Balance de agua en el suelo 2 Evapotranspiración ¿Qué factores la afectan?

3 Balance de agua en el suelo 3 Contenido 1.Conceptos hidrometeorológicos básicos: –Agua, aire y vapor –Energía. Radiación solar 2.Los parámetros del suelo 3.Evapotranspiración de referencia y evaporación potencial 4.Cálculo de la evapotranspiración real 5.Cálculo de la recarga y la escorrentía 6.Formulas empíricas

4 Balance de agua en el suelo 4 Evaporación y condensación Vaporización: Paso de agua líquida a agua vapor. Función de la temperatura del líquido Condensación: Paso de agua vapor a agua líquida. Función de la presión de vapor Evaporación = Vaporización- Condensación Condensación Condensación= f(e v ) Vaporización= f(T) Equilibrio: Vaporización=Condensación e v =f(T) Hidrometeorolgía básica

5 Balance de agua en el suelo 5 Aire, agua y vapor Presión de vapor en equilibrio con una superficie de agua a T (gr. C): A 25 0 C, e s vale 3,17 kPa (0,03 atm o 3% de la presión atmosférica típica). Es decir, si el aire está saturado, el 3% de sus moléculas son de agua. humedad relativa es la relación entre la presión de vapor real, e v, y la de saturación e s Hidrometeorolgía básica

6 Balance de agua en el suelo 6 Hidrometeorolgía básica El aire es una mezcla de “aire seco” (20% O 2, 80% N 2 y trazas de CO 2, Ar, etc, Pm=28,8 g/mol) y vapor. Presión parcial de un componente (p.ej, vapor de agua, o N 2 ) es la presión ejercida por las moleculas de dicha componente. La presión total es la suma de las presiones parciales. Tanto cada componente por separado, como la mezcla, obedecen la ley de los gases perfectos: Ejercicio: calcular densidad del aire y humedad absoluta de un aire saturado a 25 ºC Aire y vapor como gases

7 Balance de agua en el suelo 7 Condensación Temperatura Humedad absoluta (kg agua/kg aire) Cantidad de agua condensada Punto de rocío Hidrometeorolgía básica

8 Balance de agua en el suelo 8 Condensación Ocurre cuando: -Baja la temperatura (nubes, rocío) -Se pone en contacto un aire húmedo con una superficie fría (vaso con hielo, vaho en ventanas,…), -etc

9 Balance de agua en el suelo 9 Propiedades del agua T º C Presión de vapor, e s (10 3 N/m -2 =kPa) Gradiente de e s,  kPaºC -1 Constante psicrométrica, γ kPaºC -1 Viscosidad μ (10 -3 nsm -2 ) Tensión superf.,  (10 -3 N/m) 00,6110,0440,06541,78775,6 50,8730,0610,06581,51974,9 101,2280,0820,06611,30774,2 151,7060,1100,06641,14073,5 202,3390,1450,06671,00272,7 253,1690,1890,06700,89072,0 304,2440,2430,06740,79771,2 355,6250,3110,06770,71970,4 Hidrometeorolgía básica

10 Balance de agua en el suelo 10 Radiación solar Constante solar (w/m 2 ):E sol /4  d 2. Radiación recibida en la superficie de la atmósfera. No es constante. 1376 w/m 2 S 0, radiación media incidente, es la constante solar expresada por unidad de superficie de la Tierra, S 0 = 29,7 MJ/m 2 ·día= 344w/m 2 Expresada como columna de agua, S 0 = 11,7 kg/m2/día =11,7 mm/día Esta magnitud equivale a unos 4 m/año de evaporación. En realidad, solo 1 m/año, debido a que no toda la radiación llega al suelo y a que no siempre hay agua para evaporar Hidrometeorolgía básica

11 Balance de agua en el suelo 11 Radiación de onda corta La longitud de onda de la radiación depende la temperatura del cuerpo que la emite. El sol emite como un cuerpo negro a unos 6000 ºC, luz visible. De lo que llega a La Tierra, parte se dispersa en la atmósfera y nos llega como radiación difusa (20% en días claros, 100% en días nublados) y parte se absorbe S t, Radiación total de onda corta que llega a la superficie: S t =(a s +b s I n )S 0 a s es la fracción de radiación en días con nubes (entre 0,15 y 0,30), a s +b s es la fracción de radiación extraterrestre en días sin nubes (entre 0.50 y 0.65), I n =n/N se denomina índice de nubes, n es el número de horas con sol en un día de duración N. Hidrometeorolgía básica

12 Balance de agua en el suelo 12 Radiación neta de onda corta y albedo De la radiación que llega al suelo, una parte se refleja. Se llama albedo, , a la fracción que se refleja. Así, la radiación neta de onda corta es: CaracterísticasAlbedo (a)Emisividad AguaPequeño ángulo cenital Gran ángulo cenital 0.03-0.10 0.10-1.00 0.92-0.97 NieveVieja Fresca 0.40-0.70 0.45-0.95 0.82-0.89 0.90-0.99 ArenaSeca Húmeda 0.35-0.45 0.20-0.30 0.84-0.90 0.91-0.95 SueloArcilla seca Arcilla húmeda Campo húmedo en barbecho 0.20-0.40 0.10-0.20 0.05-0.07 0.95 0.97 HierbaLarga (1 m) Corta (0.02 m) 0.16 0.26 0.90 0.95 CultivosTrigo, arroz, etc. Frutales 0.18-0.25 0.15-0.20 0.90-0.99 0.90-0.95 BosquesHoja Caduca Coníferas 0.10-0.20 0.05-0.15 0.97-0.98 0.97-0.99

13 Balance de agua en el suelo 13 Radiación de onda larga A temperaturas propias de La Tierra (-40 a 40 ºC), la radiación es de longitud de onda de entre 3 y 100 μm (onda larga). La radiación neta de onda larga, L n, se aproxima como: donde es la entrada de radiación, la salida,  es la constante de Boltzmann (4,903 x 10-9 MJm2ºK-4 día-1), T es la temperatura (ºC),  ’  es la emisividad neta atmósfera-suelo y f es un factor de ajuste por las nubes. Estos dos parámetros se pueden ajustar mediante fórmulas empíricas (ver apuntes). La radiación neta, R n, es la suma de las de onda corta y larga Hidrometeorolgía básica

14 Balance de agua en el suelo 14 Balance global de energía (%S 0 ) Reflected by surface Reflected by clouds, aerosols Absorbed by surface Absorbed by surface Solar irradiation Sensible heat flux Latent heat flux Absorbed by atmosphere Thermal emission Back radiation Surface radiation 9 31 22 100 58 49 7 23 95 48 9 69 12 95 114114 102 20 Outgoing shortwave rad. Incoming solar radiation Outgoing longwave rad. Hidrometeorolgía básica

15 Balance de agua en el suelo 15 Global water cycle (National Academy of Science,1987) Hidrometeorolgía básica

16 Balance de agua en el suelo 16 pools (boxes) in 10 15 g. fluxes (arrows) 10 15 g/year The global Carbon cycle (IPCC, 1995) Hidrometeorolgía básica

17 Balance de agua en el suelo 17 The global climate system and the interrelations of its sub-systems (IPCC, 2001) Hidrometeorolgía básica

18 Balance de agua en el suelo 18 Boreal Forest PBL 3000 m PBL 1500 m 25 m H s = 0.03 R n U b = 0.02 R n H s = 0.07 R n U b = 0.03 R n 10 m LE = 0.65 R n H a = 0.3 R n LE = 0.25 R n H a = 0.65 R n " = 0.10 R g RnRn = 0.87 R g " = 0.10 R g RnRn = 0.87 R g Temperate Forest Balances de Energía en bosque templado y boreal

19 Balance de agua en el suelo 19 Energy balances of temperate and boreal forests Forests absorb, albedo is small. Temperate forests are lusty and they return two thirds of the incoming radiation as latent heat through evapotranspiration. Boreal forests are thrifty, their stomata resistance is high and they return little energy through evapotranspiration. This implies: - large runoff factor. - most energy returned as sensible heat, (much thicker boundary layer than that in temperate regions). Hidrometeorolgía básica

20 Balance de agua en el suelo 20 PBL: 1500 m PBL: 1000 m H s = 0.08 R n U b =0.02 R n H a = 0.3 R n LE = 0.6 R n " = 0.15 R g RnRn = 0.65 R n LE n = 0.8 R n " = 0.25 R g H a = 0.05 R n RnRn = 0.85 R g H s = 0.15 R n Balances de energía en terrenos agrícolas y boscosos de clima templado

21 Balance de agua en el suelo 21 Energy balances of agricultural and forest lands in temperate climate The albedo of agricultural lands is much larger than that of forests. Therefore, even if their ETs are comparable, the sensible heat flux of agricultural land is much smaller than that of forests, again leading to a thinner boundary layer. Moreover, forests generate little immediate surface runoff, while agricultural land may generate significant amounts. Hidrometeorolgía básica

22 Balance de agua en el suelo 22 Los parámetros del suelo Nivel, capilaridad, tensión superficial, curva de retención Porosidad y conceptos derivados Clasificación textural de suelos Los parámetros del suelo

23 Balance de agua en el suelo 23 Potencial donde  g es el potencial gravitatorio (cota),  c el capilar (también llamado potencial de matriz para enfatizar que no se refiere solo a las fuerzas capilares sino también a la adsorción del agua por el sólido), también se llama altura piezométrica o de presión (referida al aire)   el osmótico,  a  el del aire (=P a /  w g) y  e el envolvente. donde  es la succión (altura de presión, cambiada de signo), P w es la presión del agua (negativa en la zona no saturada) y En el suelo P w <P a !

24 Balance de agua en el suelo 24 aire P a >P w agua    0,07 N/m aire agua P a <P w Tensión superficial Explica múltiples fenómenos naturales (pequeña escala) Resultado de las fuerzas de interacción de las moléculas de agua Visualizar superficie como una membrana

25 Balance de agua en el suelo 25 Capilaridad  Obedece la Ley de Laplace Los parámetros del suelo

26 Balance de agua en el suelo 26 La curvatura (succión) también afecta a la humedad Ley psicrométrica …. La humedad en el suelo puede ser menor del 100% (pero poco)

27 Balance de agua en el suelo 27 Porosidad y contenido de agua G L S 1  gg ll Porosidad, . Es la relación entre volumen de huecos y volumen total. (0,35 ó 35%) Contenido volumétrico de agua,  l. Relación entre el volumen de líquido (agua) y el total de la muestra. Contenido de agua a saturación natural  s  Es el contenido volumétrico de agua cuando se inunda (empapa) un suelo. Puede ser algo menor que  Contenido de agua residual  r  Es el contenido volumétrico de agua que no puede extraerse por succión (el que quedaría como “residual” a succión infinita). Esta agua, sin embargo, se extrae al secar el suelo en el horno. Conceptualmente, representa el agua ligada al suelo por adsorción Porosidad efectiva. Término ambiguo. Mejor no utilizarlo. Contenido másico de agua (o humedad del suelo). Relación entre la masa de agua y la del sólido.OJO!

28 Balance de agua en el suelo 28 Indice de poros G L S 1 e Índice de poros, e, es la relación entre el volumen de huecos y el de sólido.

29 Balance de agua en el suelo 29 Saturación G L S 1 SgSg SlSl Grado de saturación (de agua). Es la relación entre el volumen de agua y el de poros: Saturación efectiva. Fracción de porosidad “variable” que está llena de agua. (escalado de Sl para que varíe entre 0 y 1)

30 Balance de agua en el suelo 30 Porosidad drenable, Capacidad de Campo Capacidad de campo,  f o  cc :es el agua que queda después de drenar por gravedad un suelo inicialmente saturado Punto de marchitez,  w, es el contenido de agua más bajo al que puede tener lugar la transpiración de una planta dada (para contenidos de agua menores, la planta se marchita). Porosidad drenable (“specific yield”, S y ): diferencia entre porosidad y capacidad de campo Capacidad de retención de agua en el suelo: diferencia entre capacidad de campo y punto de marchitez. Es la cantidad de agua que permanece almacenada en el suelo y disponible para las plantas.

31 Balance de agua en el suelo 31 Clasificación de partículas por tamaño Arcilla Limo Arena fina Arena gruesa Gravilla Grava Bolo 0.002 mm 0.02 mm 0. 2 mm 2 mm 20 mm 200 mm

32 Balance de agua en el suelo 32 Clasificación textural de suelos (USDA) Se puede utilizar para inferir propiedades de suelos (ver apuntes)

33 Balance de agua en el suelo 33 Engineering Unified Soil Classification System (Unified System) CategorySymbol CoarseGravelsClean GravelGravel, well graded GW Grained Gravel, poorly graded GP Soils Gravel with FinesGravels, mixed, non plastic, fines GM Gravels, clayey-plastic, fines GC SandsClean SandsSands, well graded SW Sands, poorly graded SP Sand with FinesSands, mixed-plastic, fines SM Sands, clayey-plastic, fines SC FineSiltsLiquid Limit < 50Mineral silts, low plasticity ML Grainedand Clays (mineral), low plasticity CL SoilsClays Organic silts, low plasticity OL Liquid Limit > 50Mineral silts (high plasticity) MH Clays (mineral), low plasticity CH Organic clays, high plasticity OH Highly Organic SoilsOrganic soils as Peat Pt

34 Balance de agua en el suelo 34 Ley de Darcy Flujo volumétrico del líquido (u otra fase) (m 3 m -2 s -1 = m s -1 ) Curva de retención Permeabilidad relativa (k r ) –P.e.: van Genuchten

35 Balance de agua en el suelo 35 Principios de conservación Balance de masa de agua (líquida + vapor) Balance de masa de aire seco Balance de energía (calor)

36 Balance de agua en el suelo 36 Balance de agua en la zona de raíces

37 Balance de agua en el suelo 37 1. Evapotranspiración de referencia Cálculo de la evapotranapiración 3.Evapotranspiración real 2.Evapotranspiración del cultivo

38 Balance de agua en el suelo 38 Evapotranspiración de referencia Evapotranspiración del cultivo de referencia o simplemente Evaporación de referencia (E rc o E 0 ) es la evaporación (mm/d) de un cultivo ideal de hierba con una altura fija de 0,12 m, un albedo de 0,23 y una resistencia superficial de 69 s/m. MÉTODOS DE CÁLCULO Método de Penman-Monteith¡Es el mejor! Evaporación potencial de una superficie de agua Método de Hargreaves ¡Es el mejor con pocos datos! Método de Blaney-Criddle Fórmula de Thornthwaite ¡Es muy malo (pero el más empleado)! Método de Turc (ver apuntes)

39 Balance de agua en el suelo 39 Método de Penman-Monteith Se basa en establecer, con hipótesis simplificativas, un balance de energía, entre la superficie del suelo y una altura de referencia Nótese que la evapotranspiración está causada por –Energiá incidente (75%) –Déficit de vapor en el aire y capacidad de transportarlo (25%)

40 Balance de agua en el suelo 40 Método de Hargreaves Es el mejor de los métodos que solo usan datos de temperatura Se basa en que tanto la radiación neta como el déficit de presión de vapor (los dos términos del método de Penman) deben guardar relación con la temperatura. Dado que esta relación no es instantánea, el espíritu de estos métodos es que se calculen a escala mensual. En todo caso, la relación es totalmente empírica, por lo que estos métodos solo deben emplearse cuando no es posible aplicar el de Penman- Monteith

41 Balance de agua en el suelo 41 Cultivos regados: ver apuntes Bosques: ver apuntes El factor de cultivo Cultivos herbáceosh r > 70% U 2 (m/s) h r < 30% U 2 (m/s) Cultivo0-5> 50-5> 5 ForrajeAlfalfa0,851,050,951,05 Hierba0,801,000,901,00 Trébol1,001,101,051,10 Pastos0,951,051,001,05

42 Balance de agua en el suelo 42 Stress hídrico fθfθ 1 0θ w θ d θ f θ

43 Balance de agua en el suelo 43 CALCULO DE RECARGA Y ESCORRENTIA MODULO SUPERFICIE -Intercepción - Encharcamiento - Infiltración máxima - Evaporación ESS MODULO SUELO -Retención - ETranspiración E ETR R Lluvia ESH

44 Balance de agua en el suelo 44 1.Inicialización, t=0, V 0 2.t=t+1 3.Calcular I mx 4.Calcular I (infiltración), igual a P t si no supera I mx (si sí, I=I mx ) 5.Calcular Escorrentia superficial ESS=P t -I 6.Calcular agua disponible V’ 7.Calcula ETR, función de V’ 8.Calcula agua almacenada tras evapotranspiración V’’=V’-ETR 9.Calcula R 1.R=0 si V’’<CC 2.R=V’’-CC si V’’>CC 10.Calcula agua disponible para mes siguiente V t =V’’-R Un método sencillo