I.U.P. SANTIAGO MARIÑO EXTENSIÓN PUERTO ORDAZ
Métodos para Medir la Evapotranspiración
INSTRUCTOR: Ing. Moreno Enid CATEDRA: Hidrología ESCUELA: 42 “S”
INTEGRANTES: Bach. Andrade Laura Bach. Hernández Lidzabeth Bach. Mata Angelina Bach. Olivo Nayiberth Bach. Rodríguez José 8vo. Semestre Nocturno
Puerto Ordaz, Mayo 2.013
INTRODUCCIÓN El ciclo hidrológico tiene varias etapas y entre ellas podemos contar con una etapa permanente “la evaporación”. La evaporación existe a cada instante y en todo momento en toda superficie húmeda. La evaporación está considerada como un fenómeno netamente físico, y es el medio a través del cual el agua pasa de su estado líquido a un estado de vapor, no obstante existen otros tipos de evaporación que se dan por efecto de las plantas y se conocen como transpiración. El ingeniero debe evaluar la cantidad de agua almacenada que se va a perder por evaporación.
Estudiar la evaporación por medio del fenómeno de espejos de agua es muy complejo, pero puede ser esquematizado de la manera que sigue. Por acción de la energía solar las moléculas de agua de la superficie libre adquieren energía cinética, venciendo así la retención de la masa de agua, saliendo al aire y acumulándose en el aire en forma de una capa por encima del agua; es necesario remover las capas de vapor de agua (por acción del viento) para que proceso sea continuo.
Cinco (5) Métodos para Medir la Evapotranspiración
1. Tanques de Evaporación
Estos son establecidos en proyectos hidráulicos con la finalidad de medir la evaporación de superficies pequeñas de agua en las zonas de interés. Los más comunes están hechos de hierro galvanizado, zinc y cobre y por lo general son circulares, siendo a su vez de diferentes tamaños; pudiendo estar o no pintados, a la vez que pudieran estar cubiertas con una malla sus superficies. Estos podrían ser colocados sobre el suelo (fácil instalación, los resultados son más precisos por no estar expuestos a cambios por intromisión de agua de lluvia por salpicaduras, sensibles a las variantes temperaturas del aire y efectos causados por la insolación – el tanque tipo A pertenece a este grupo), enterrados (medianamente sensibles a las cambiantes temperaturas del aire así como de los efectos que causa la insolación, Sus resultados pueden ser contaminados por las salpicaduras de agua de lluvia, las fugas no se descubren a tiempo – el tanque Colorado pertenece a este grupo) y flotantes sobre el agua (aparte de resultar muy difícil su operatividad e instalación, también es muy costoso).
Entre la evaporación de un tanque y la de una masa de agua relativamente profunda existen variaciones, siendo la principal de ellas la diferencia en el calor almacenado, siendo este quien proporciona energía adicional para la evaporación durante las estaciones de invierno y otoño.
Cuando el tanque tiene poca cantidad de agua en su interior, su capacidad de almacenamiento de calor es muy baja, resultando que los resultados de las medidas son directamente proporcionales al calor
recibido. Esta discrepancia puede ser corregida por medio del uso de los tanques flotantes, aunque sus medidas son más representativas no están exentas de necesitar ajustes, esto debido a que por acción de las olas podría entrar o salir agua del mismo haciendo cambiar sus resultados.
Debido a que la evaporación es mayor en los tanques con respecto a las masas de adyacentes a este, se puede decir que la diferencia entre ambos varía en función inversa al tamaño de los tanques, por lo cual un tanque más pequeño requerirá de mayores ajustes en sus medidas.
Se le llama coeficiente del tanque a la diferencia o proporción que existe entre la evaporación de una masa de agua líquida y la de un tanque de evaporación, usándose este para hacer la estimación de la evaporación bien sea de un estanque, lago o pantano, por medio de la aplicación de las medidas de tanques próximos; este coeficiente es variable, siendo más alto en invierno que en verano, debido a que en invierno por haber poco calor la evaporación de los tanques disminuye.
Para efectuar las mediciones en los tanques, se utilizan por lo general dos métodos.
a) El método volumétrico, que consiste en hacer mediciones de los volúmenes de agua que se añaden de manera periódica al tanque con la finalidad de reponer el nivel inicial en éste; la obtención de los resultados se logra haciendo que el agua del depósito enrase con la punta metálica de un vástago unido al fondo del tanque o a la pared del mismo.
b) El otro método se basa en la deducción de la diferencia los niveles evaporación por medio de la medición periódica del agua habida en el tanque y el tiempo que transcurre entre dos o más medidas consecutivas. Estas medidas se obtienen por medio de un tornillo medidor (tornillo micrométrico), que no es más que un vástago roscado y graduado que termina en un gancho de punta afilada.
Tanque de Evaporación sobre el suelo
La evaporación habida diariamente es calculada por la evaluación de la diferencia existente entre los niveles del agua que hay en el tanque en los sucesivos días, para ello se debe tener en cuenta las precipitaciones que hay durante el período que se está considerando.
Mediante la fórmula dada a continuación se puede determinar el volumen de evaporación que hay entre dos observaciones del nivel del agua existente en el tanque:
E = P ± Δd Dónde: P
= altura de las precipitaciones que se producen en el período entre las dos mediciones y
Δd = altura del agua; sien positiva (+) si es añadida o negativa (-) si es sustraída del tanque.
El valor obtenido se deberá ajustar teniendo en cuenta lo que se gana o pierde de calor a través del fondo o las paredes del tanque.
Durante climas húmedos la temperatura del agua en el tanque es superior a la del aire y su coeficiente puede ser de 0.8 o más; mientras que cuando las estaciones son secas o se encuentran en zonas áridas, la temperatura del agua en el tanque es menor que la temperatura del aire teniendo un coeficiente de 0.6 o menos; se supone que el coeficiente equivalente a 0.7 es aplicable cuando las temperaturas tanto del agua y como del aire son iguales.
2. Balance Hídrico
En teoría es uno de los métodos para calcular la evaporación más simple, por ser uno de los menos confiables en la práctica; esto se debe a que los errores dados en las mediciones de los volúmenes que intervienen en los cálculos y los almacenamientos de los mismos dependen de manera directa del cálculo de la vaporación.
En este método se debe escribir la ecuación de balance hídrico en volúmenes, expresándose bajo la fórmula siguiente:
S1 + I + P – 0 – 0g - E = S2
Dónde: S = almacenamiento I
= volumen de entrada
P = precipitación O = volumen de salida Og = infiltración E = evaporación
El término más difícil de evaluar en esta ecuación es la infiltración, motivado a que se debe estimar de manera indirecta partiendo de los niveles de agua subterránea, de la permeabilidad, entre otros.
3. Balance de Energía
Este método está basado en la ecuación de continuidad de la energía térmica, de la que hay que despejar la evaporación como requerimiento para mantener el balance hidrológico. Matemáticamente la fórmula para el cálculo del balance de energía se expresa:
Rc = Ri – Rr – Rl – Rh – Re + Rv Dónde: Ri = radiación solar incidente a la superficie libre del agua. Rr = radiación solar reflejada. Rl = radiación neta de onda larga intercambiada entre la atmosfera y el volumen de agua. Rh
=
perdida de calor sensible por intercambio turbulento entre el
volumen de agua y la atmosfera. Re = energía utilizada en la evaporación. Rv = energía neta de advección al volumen de agua. Rc = Cambio en la energía almacenada en el volumen de agua. Estos términos deberán ser expresados en cal/cm2 (Langleys) para algunos intervalos; por lo cual, la evaporación (E) expresada en centímetros (cm) será igual a:
E=
Re ρHv
Dónde: E = evaporación expresada en (cm) ρ = densidad del agua expresada en gr/cm3 Hv = Calor latente de evaporación expresado en cal/gr
En esta ecuación se desprecian los siguientes términos: conducción de calor a través del fondo, transformación de energía cinética en energía térmica y el calentamiento del agua por procesos biológicos y químicos; todo esto debido a lo reducido de su magnitud.
A pesar de que este método es el que da los resultados más confiables, es también muy difícil de aplicar debido a su complejidad y por las múltiples cantidades de mediciones de campo que son necesarias realizar. Debido a lo complejo que resulta evaluar las variables en términos de almacenamiento de energía, este método se considera poco práctico en su uso diario, por lo cual es recomendable el uso del mismo a periodos mínimos de tiempo de 15 días.
Ri Rr
Re
Rl
Rv
Rh
Rc Representación Esquemática del Balance de Energía
4. Formula De Penman
Si se dispone de datos previamente medidos de la humedad del aire, la temperatura, viento y la radiación, es aconsejable el uso de este método.
Originalmente por medio de la ecuación de Penmann (1948), se hacían estimaciones de las pérdidas de agua por evaporación de una superficie libre de agua. En esta solo había dos términos:
1º. Término de energía (radiación) 2º. Término aerodinámico (viento y humedad)
El Segundo (2°) término generalmente es más pequeño que la del Primer (1°) término, cuando las condiciones son normalmente de calma; mientras que resulta ser todo lo contrario en las zonas ventosas y áridas.
Este método permite predecir los efectos del clima respecto a la evapotranspiración de referencia. En la predicción del efecto de las características del agua sobre cultivos, se pueden aplicar los coeficientes Kc; quedando la ecuación siguiente por evapotranspiración:
Etc = Kc
x
Eto
Por lo que solo se calculará el término Eto, escogiendo adecuadamente el coeficiente Kc. La fórmula utilizada de este método es la siguiente:
Eto = C x ( W x Rn + (1 – W) x f(u) x (es-ev)) Que no es más que la suma de un término de radiación con uno del término aerodinámico.
Dónde:
Eto C
= evapotranspiración del cultivo de referencia (mm/día) = factor de corrección que depende de humedad relativa máxima, radiación solar, viento diurno y relación del viento diurno y nocturno.
W
= factor de ponderación relacionado con la temperatura
Rn
= radiación neta
f(u)
= función relacionada con el viento
(es-ev) = diferencia entre las presiones de saturación y la presión real de vapor.
Al momento de elegir los valores de kc, debemos tener en cuenta lo siguiente: Características del cultivo Momento de siembre Fases de desarrollo vegetativo Factores de clima en general.
A continuación se describen las operaciones necesarias para obtener los valores de Kc correspondiente a cada fase: a) Precisar la fecha de siembra a partir de información local. b) Determinar el período vegetativo total y la duración de las fases de desarrollo. c) Al inicio, predecir las frecuencias de las lluvias o de riego y a partir de los valores de Eto.
d) A la mitad del proceso, para una humedad y viento dado, escoger el valor de Kc a partir del cuadro. e) Al final, con respecto al momento de la plena maduración o de recolección, escoger el valor de Kc, del cuadro correspondiente para el clima analizado. f) Para el desarrollo, se supondrá una curva entre el valor de Kc al final de la fase inicial y el principio de la fase de mediados del período.
La curva Kc se construye con los valores obtenidos por tablas y cuadros. 5. Fórmulas para estimar la evaporación
Son las que se usan en caso tal de que no se cuente con mediciones; y las mismas deberán estar basadas en:
a) Ecuaciones físicas: estas relacionan las variables físicas que intervinien; teniendo como inconveniente que requieren información que por general no se tiene (radiación neta, gradiente de humedad, viento en altura, entre otros). b) Semiempiricas: se basan en tomar algunos planteamientos de las fórmulas físicas, ajustándolos a expresiones de valores reales medidos.
Las fórmulas Semiempiricas tienen la siguiente expresión general:
E = C x (esa – ev) x ( a + Bv)
Dónde:
esa = Tensión de saturación correspondiente a la temperatura de la superficie evaporante. ev
= Tensión de vapor del aire.
La Ecuación de TURC es una de estas y se expresa como:
E (mm/mes) = 1/16 * ( t + 2 * (Rg) 0.5 ) u0.5 Dónde:
T
= temperatura en °C
Rg = Radiación (cal/cm2/min)
c) Empíricas: solo se busca con estas una relación netamente matemática por regresión a partir de datos experimentales.
Conclusión
Debido a que en la evaporación intervienen muchos factores, se hace totalmente imprescindible el uso de variados métodos para el cálculo por estimación de la misma.
En la estimación de la evaporación se deben de considerar los cambios existentes en los factores meteorológicos (radiación solar, presión de vapor, temperatura del aire y en más baja proporción la presión atmosférica); por cuanto estos factores son los que provocan la evaporación. Siendo el más importante de estos la radiación solar, por lo que la evaporación tendrá variaciones en función de la latitud, hora del día, época del año y condiciones de nubosidad.
La tasa 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 porque no existe un mecanismo que transporte el agua desde una profundidad apreciable.
Referencias Bibliográficas
Pontificia Universidad Católica del Perú. (2007) Hidrología para estudiantes de Ingeniería Civil. Lima: Wendor Chereque Morán. Recuperado en http://biblioteca.pucp.edu.pe/hidrologia_estudiantes_ing_civil.html (2013, 24 de Mayo).
