INFORME :BALANCE HIDRICO Asignatura:
Hidrologia II
2017
1 TABLA DE CONTENIDO 2 3
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Introducción ............................................................ ............................................................................................................................... ........................................................................ ..... 3 Objetivos......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... 4 3.1 Objetivo General ................................................................................ ...................................................................................................................... ...................................... 4 3.2 Objetivos Específicos .............................................................................................................. .............................................................................................................. 4 Marco Conceptual ..................................................................................... ........................................................................................................................... ...................................... 5 4.1 Ciclo hidrológico ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... 5 4.2 Sistema hidrológico ................................................................................................................. ................................................................................................................. 6 4.3 Año Hidrológico ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 6 4.4 Temperatura............................................................................................................... ............................................................................................................................ ............. 7 4.5 Caudal ............................................................. ................................................................................................................................... .......................................................................... 8 4.6 Evapotranspiración Evapotranspiración ................................................................. .................................................................................................................. ................................................. 8 Balance Hídrico................................................................... ............................................................................................................................. .......................................................... 10 5.1 Concepto de balance hídrico y de ciclo hidrológico ............................................................ ............................................................... ... 10 5.2 Modelo de balance hídrico................................................................. ..................................................................................................... .................................... 10 5.3 Parámetros del balance hídrico ............................................................................................. ............................................................................................. 12 5.3.1 Precipitación, Precipitación, variación espacial y temporal .................................................................. .................................................................. 12 5.3.2 Importaciones superficiales de otra cuenca................................................................... 12 5.3.3 Retornos de la demanda ........................................................... ............................................................................................... .................................... 12 5.3.4 Evaporación y Evapotranspiración ración ................................................................................ 12 5.4 La ecuación del balance hídrico ......................................................................................... ............................................................................................ ... 19 5.4.1 Forma general de la ecuación del balance hídrico ........................................................ 19 5.5 Características especiales de la ecuación del balance hídrico para intervalos de tiempo diferentes .................................................................... .......................................................................................................................................... ...................................................................... 19 5.6 Características especiales de la ecuación del balance hídrico para masas de agua de diferentes dimensiones dimensiones .......................................................... ..................................................................................................................... ........................................................... 20 5.7 Cierre de la ecuación del balance hídrico ................................................................... .............................................................................. ........... 20 5.8 Métodos de cálculo de los principales componentes del balance hídrico .............................. 21 5.8.1 Precipitación....................................................................................................... .................................................................................................................. ........... 21 5.8.2 Evaporación................................................................................................................... ................................................................................................................... 22 5.8.3 Almacenamiento Almacenamiento de humedad en el suelo ..................................................................... 25 5.8.4 Almacenamiento Almacenamiento de aguas subterráneas ........................................................ ...................................................................... .............. 26 5.8.5 Almacenamiento Almacenamiento de agua superficial ............................................................... ............................................................................. .............. 26 Conclusiones ...................................................................... ................................................................................................................................ .......................................................... 27 Referencias................................................................................................................................... ................................................................................................................................... 27
2 INTRODUCCIÓN En los últimos dos decenios, se ha expresado una preocupación creciente por el aumento cada vez mayor de la demanda de este limitado recurso, en los diversos sectores socioeconómicos. En este informe se desarrolla lo que es el balance hídrico , los componentes que intervienen en el balance hídrico y su importancia. El Balance Hídrico es también de gran utilidad en muchos campos de la investigación. Por ejemplo, el conocimiento del déficit de humedad es primordial para comprender la factibilidad de irrigación, ya que provee información sobre el volumen total de agua necesaria en cualquier época del año y entrega un valor importante sobre la sequedad. La información sobre los excedentes de agua y la cantidad por la cual la precipitación excede las necesidades de humedad cuando el suelo está en su capacidad de campo, es fundamental en todo estudio hidrológico, lo cual nos con llevaría a una adecuada planificación y gestión de los recursos hídricos, de tal forma que el desarrollo socioeconómico tenga como base el uso racional y armónico de sus recursos naturales. Sociedad geográfica del Perú(2011) El ciclo hidrológico gobierna caprichosamente la presencia del agua, que es decidida en cada momento por la latitud, altura, vegetación, orografía, temperatura y la influencia de los océanos, así como por el tiempo y las actividades humanas. Pero cuando la disponibilidad del agua es discontinua o intermitente o cuando su exceso es causa de desastres por inundaciones y avenidas, deslizamientos de terreno, huaicos y sequías, entonces es necesario contar con esquemas de evaluación de los recursos hídricos adecuados y fiables para hacer frente a estos desafíos. UNESCO(1982).
3 OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GENERAL Dar a conocer los aspectos conceptuales y metodológicos para la determinación de Balance Hídrico
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Entender y comprender el concepto de balance hídrico. Conocer la importancia del balance hídrico. Conocer los principales componentes del balance hídrico.
4 MARCO CONCEPTUAL 4.1 CICLO HIDROLÓGICO El ciclo hidrológico es la sucesión de etapas que atraviesa el agua al pasar de la tierra a la atmósfera y volver a la tierra: evaporación desde el suelo, mar o aguas continentales, condensación de nubes, precipitación, acumulación en el suelo o masas de agua y reevaporación. El ciclo hidrológico involucra un proceso de transporte recirculatorio e indefinido o permanente, este movimiento permanente del ciclo se debe fundamentalmente a dos causas: la primera, el sol que proporciona la energía para elevar el agua (evaporación); la segunda, la gravedad terrestre, que hace que el agua condensada descienda (precipitación y escurrimiento). Chereque, 1989, se entiende como el conjunto de cambios que experimenta el agua en la naturaleza, tanto en su estado (sólido, líquido y gaseoso) como en su forma (superficial, sub-superficial, subterránea, etc.).
Ilustración 1 Representación del ciclo hidrológico FUENTE: (Musy, 2001)
4.2 SISTEMA HIDROLÓGICO Guevara y Cartaya, 1991: los fenómenos hidrológicos son muy complejos, por lo que nunca pueden ser totalmente conocidos. Sin embargo, a falta de una concepción perfecta, se pueden representar de una manera simplificada mediante el concepto de sistema.
Ilustración 2 Representación del sistema hidrológico FUENTE: Estrela, 1992
4.3 AÑO HIDROLÓGICO Período continuo de doce meses seleccionados de manera que los cambios globales en el almacenamiento sean mínimos, por lo que la cantidad sobrante de un año al siguiente se reduce al mínimo. En el Perú, el año hidrológico empieza en septiembre y termina en agosto del año siguiente.
Saturación y condensación por presión de vapor de agua, Saturación por mezcla y turbulencia.
Existen diferentes tipos de precipitación: precipitación convectiva, precipitación orográfica y precipitaciones frontales, tal como se puede apreciar en la ilustración 3.
Ilustración 3 Principales tipos de precipitación: convectiva, orográficas y frontales Fuente: Musy, André, 2001
Precipitación Convectiva: Resultan de una subida rápida de las masas del aire en la atmósfera. La precipitación que resulta de este proceso es generalmente tempestuosa, de corta duración (menos de una hora), de intensidad fuerte y de poca extensión espacial. Precipitación OrográficO: Como su nombre indica (del griego oros = montaña), este tipo de precipitación se relaciona con la presencia de una barrera topográfica. La característica de la precipitación orográfica es su intensidad y frecuencia regular. Precipitación frontal o del tipo ciclónico: Se denomina Frentes, a la asociación de la temperatura de la masa de aire y la humedad. Los frentes fríos crean precipitaciones cortas e intensas. Los Frentes calientes generan precipitaciones de larga duración.
4.4 TEMPERATURA La cantidad de energía solar, retenida por el aire en un momento dado, se denomina Temperatura. Se puede afirmar que la temperatura depende ante todo de la radiación solar. El termómetro es el instrumento de fiabilidad que se utiliza para medir esa cantidad de energía. Esta medición debe realizarse a 1,5 metros del suelo, siendo un lugar ventilado y protegido de la influencia directa de los rayos del sol. El resultado de ello se ex-presa en una escala centígrada o en gra-dos Celsius, o bien en la escala de Fahrenheit. No obstante, son tres los factores del clima que hacen funcionalmente variar la temperatura. Ellos son: la altitud, la latitud y la proximidad al mar. Pero además hay que agregarle en la influencia de los cambios términos a los movimientos de rotación y traslación de la tierra.
4.5 CAUDAL Volumen de agua que fluye a través de una sección transversal de un río o canal en la unidad de tiempo, tal como se aprecia en la ilustración 4.
Ilustración 4 Caudal circulante a través de una sección transversal Fuente: Musy, André, 2001
4.6 EVAPOTRANSPIRACIÓN Es el total de agua convertido en vapor por una cobertura vegetal; incluye la evaporación desde el suelo, la evaporación del agua interceptada y la transpiración por las estomas de las hojas. La evapotranspiración, es la combinación de dos procesos separados que originan pérdida de agua:
Evaporación: es el proceso por el cual el agua líquida es convertido en vapor de agua (vaporización). La energía requerida para cambiar el estado de las moléculas de agua a vapor es la radiación solar directa, la temperatura ambiental del aire. Transpiración: Consiste en la vaporización del agua líquida contenida en las plantas y el vapor removido a la atmósfera. La pérdida del agua es a través de las estomas de las plantas. La transpiración, depende de la energía radiante, gradiente de presión de vapor y viento, radiación, temperatura del aire, humedad del aire y viento. La razón de la transpiración también está influenciada por, la característica de la vegetación, aspecto del ambiente y práctica de cultivo.
Los factores que influyen en la Evaporación son los siguientes:
Radiación Solar Temperatura Humedad: menos humedad, más evaporación Presión Atmosférica: la altitud, la latitud y longitud Viento: más viento, más evaporación
La evaporación desde un suelo desnudo depende de:
El poder evaporante de la atmósfera El tipo de suelo (textura, estructura, etc.) El grado de humedad del suelo
La evaporación y transpiración ocurren simultáneamente que no es fácil de distinguirlos. Cuando la planta es pequeña, el agua perdida es por evaporación del agua en el suelo, pero cuando la planta va desarrollándose paulatinamente, la transpiración va cobrando mayor importancia en este proceso, tal como se puede apreciar en la ilustración 5, donde se observa que el 100% de la ET es por evaporación y cuando la planta está en su máximo desarrollo sólo llega al 90% la transpiración.
Ilustración 5 Componentes de la evapo-transpiración FUENTE: El riego.com, 2001
La correcta determinación de la ET (Figura 10) es uno de los mayores problemas prácticos que se debe afrontar, debido a que su cuantificación básicamente se realiza a través de métodos y modelos semiempíricos, tal como se muestra en la Tabla 1; donde el requerimiento de información juega un papel importante en el tema de la selección de los mismo. Mientras mas variables tenga el método, más real es el calculo.
Ilustración 6 Evaporación y www.recursosaguapuertorico.com
transpiración
FUENTE:
5 BALANCE HÍDRICO 5.1 CONCEPTO DE BALANCE HÍDRICO Y DE CICLO HIDROLÓGICO El concepto de Balance Hídrico, que ampliamente es usado en hidrología, puede causar alguna confusión al suponer que la precipitación es igual a la suma de la escorrentía y la evaporación. En muchos casos sucede que las cuencas no tienen un ciclo exclusivo de su entorno, es por ello que, la terminología de Ciclo Hidrológico está ganando aceptación. Ha sido propuesto que el término Ciclo Hidrológico tome el sentido de distribución y movimiento del agua en diferentes fases, bajo y sobre la superficie de la tierra. En esta instancia los estudios del balance debieran ser considerados como un método de investigación del ciclo hidrológico. En la actualidad se han desarrollado modelos matemáticos del ciclo del agua derivados de las ecuaciones generales del balance de agua. Estas ecuaciones se han establecido para el mundo entero, océanos y continentes o para regiones arbitrarias. El resultado final es cuantificar la contribución particular de una región o continente al balance mundial de agua.
5.2 MODELO DE BALANCE HÍDRICO Un balance hídrico es la cuantificación tanto de los parámetros involucrados en el ciclo hidrológico, como de los consumos de agua de los diferentes sectores de usuarios, en un área determinada, cuenca, y la interrelación entre ellos, dando como resultado un diagnóstico de las condiciones reales del recurso hídrico en cuanto a su oferta, disponibilidad y demanda en dicha área. Dado que el Balance Hídrico
presenta un diagnóstico de las condiciones reales del recurso hídrico en un área en particular, permite tomar medidas y establecer lineamientos y estrategias para su protección y utilización de una manera integrada, de tal forma que se garantice su disponibilidad tanto en cantidad como en calidad. El modelo de balance hídrico se basa en la ecuación de conservación de masa: ENTRADAS – SALIDAS = CAMBIO DE ALMACENAMIENTO En el modelo del Balance Hídrico del SNET, considera las siguientes entradas:
Precipitación, Importaciones superficiales de otra cuenca, Retornos de la demanda.
Las salidas consideradas son las siguientes:
Evapotranspiración real, Evaporación de cuerpos de agua, Evaporación en áreas urbanas Escurrimiento superficial, Demanda interna en la cuenca, Demanda externa de la cuenca Como Cambio de almacenamiento: Recarga de acuíferos, Variación de nivel en cuerpos de agua (lagos, lagunas, embalses)
Ilustración 7 se presenta el esquema del modelo de Balance Hídrico Fuente:SNET
5.3 PARÁMETROS DEL BALANCE HÍDRICO En este apartado se realiza una breve explicación de los parámetros considerados dentro del modelo del Balance Hídrico que se analiza. Se pretende que el lector se familiarice con la terminología que se utilizará en adelante y visualice la importancia de cada uno de los parámetros dentro del mismo, sin entrar en detalle en las fórmulas de cálculo de cada uno de ellos.
5.3.1 PRECIPITACIÓN, VARIACIÓN ESPACIAL Y TEMPORAL La precipitación constituye la principal entrada de agua dentro del Ciclo Hidrológico, y varia tanto espacial como temporalmente en una cuenca. Su medición se realiza a través de instrumentos llamados pluviómetros. La información recolectada debe ser evaluada, para lo cual pueden ser utilizados una serie de métodos, como por ejemplo las Curvas de Doble Masa, que son gráficas de valores acumulados de lluvia en dos estaciones o entre una estación y un grupo de ellas tomado como parámetro de comparación. Posteriormente la variación espacial de la lluvia se analiza a través del trazado de líneas de igual precipitación (isolíneas de precipitación, las cuales son llamadas isoyetas. El trazo de mapas de isoyetas mensuales muestra la variación de la lluvia a nivel temporal. La información de los mapas de isoyetas mensuales y anuales permite calcular la precipitación media areal de las cuencas, con lo que se inicia el cálculo de los parámetros del Balance Hídrico.
5.3.2 IMPORTACIONES SUPERFICIALES DE OTRA CUENCA Dentro del modelo de Balance Hídrico, se considerará el aporte de las aguas superficiales que son llevadas como trasvase desde otro sitio (cuenca, lago, embalse, etc) hacia la cuenca de análisis.
5.3.3 RETORNOS DE LA DEMANDA El retorno de la demanda constituye el porcentaje de agua que es devuelta al área de análisis (cuenca) debido a que no representa un uso consuntivo por parte de alguno de los sectores de usuarios, tales como la hidroelectricidad, las pérdidas de agua de los sistemas de abastecimiento de agua (tuberías), la devolución que se hace al final de un sistema de riego, entre otros. Estos retornos representan una entrada al modelo del Balance Hídrico, y aunque actualmente en El Salvador no se cuenta con este tipo de información, dentro de la etapa de cuantificación de la Demanda Hídrica, este valor será considerado.
5.3.4 EVAPORACIÓN Y EVAPOTRANSPIRACIÓN La mayor pérdida de agua en una cuenca es generalmente debida a la evapotranspiración, la cual es la combinación de perdida de agua por evaporación en el suelo y la transpiración de las plantas. Otra pérdida importante de agua en la cuenca es debida a la evaporación en cuerpos de agua y evaporación que se produce en áreas urbanas. El término evapotranspiración involucra los conceptos de Evapotranspiración de Referencia, Evapotranspiración de Cultivo y Evapotranspiración Real, los cuales son explicados a continuación, con el objeto de mostrar la incidencia de la cobertura vegetal en la pérdida o en la retención de agua y la importancia de las condiciones del suelo en cuanto a su porosidad en este mismo aspecto.
EVAPOTRANSPIRACIÓN DE REFERENCIA La evapotranspiración de referencia es la perdida de agua por evaporación y transpiración de un cultivo tomado como referencia (gramíneas o pastos), debido a condiciones climáticas. Es definida como “la
evapotranspiración de una superficie extensa de gramíneas de 8 - 15 cm de altura, uniforme, de crecimiento activo, que asombran totalmente el suelo y que no escasean de agua” (DOORENBOS & PRUITT, 1997). Generalmente es simbolizada en los textos como ET 0. Su determinación se realiza a partir de datos climáticos, empleando diferentes fórmulas empíricas, cuya elección para el cálculo depende básicamente del tipo de datos climáticos disponibles en la zona. Las fórmulas más utilizadas en diferentes regiones son las de Penman, Penman-Montheith, Hargraves, Blaney-Criddle, entre otras, las cuales han sido calibradas localmente en algunos sitios.
EVAPOTRANSPIRACIÓN DE CULTIVO – NECESIDADES HÍDRICAS DE LAS PLANTAS Y SU INCIDENCIA EN LA CONSERVACIÓN O PÉRDIDA DE AGUA EN EL SUELO La evapotranspiración de cultivo es aquella que se produce cuando no existe ninguna restricción de agua en el suelo y depende de las condiciones de los cultivos tales como sus características, el ritmo de desarrollo de las plantas (periodo vegetativo) y las condiciones climáticas de temperatura, viento y humedad relativa. Para tener en cuenta los efectos de las características del cultivo sobre las necesidades de agua, se han desarrollado unos Coeficientes de Cultivo Kc, los cuales relacionan la evapotranspiración de referencia ET0 con la evapotranspiración de cultivo ETc, y representan la evapotranspiración de un cultivo en condiciones óptimas, que produzca rendimientos óptimos. La evapotranspiración de cultivo se calcula mediante la siguiente ecuación:
= ∗ Donde: ET0= Evapotranspiración del cultivo en mm/día ET0 = Evapotranspiración de referencia en mm/día Kc = Coeficiente de cultivo (adimensional) Las características del cultivo influyen en la pérdida de agua de las plantas a través de la evapotranspiración de acuerdo a la fisiología de las mismas, específicamente del mecanismo a oponer resistencia a la transpiración a través de las estomas de las hojas (los estomas son las células que permiten el intercambio de dióxido de carbono y oxigeno con el exterior). Existen plantas que presentan una buena regulación en la pérdida de agua, a través de mecanismos de cierre de sus estomas durante el día y su apertura en la noche cuando la temperatura es menor, perdiendo menor cantidad de agua que al abrir las estomas en el día (como las xerofíticas y la piña). Otras plantas, como por ejemplo los cítricos, también presentan buena regulación en la perdida de agua debido a sus hojas cerosas que igualmente evitan una alta perdida de agua a través de las estomas. Por el contrario, plantas como los granos básicos, el algodón, las hortalizas y los mismos pastos que son tomados como el cultivo de referencia, presentan un alto grado de perdida de agua a través de sus hojas, especialmente en el
momento de mayor producción, el cual corresponde al periodo de la elaboración de flores, frutos o granos. En la Figura No. 3 se presenta una comparación realizada por la FAO de evapotranspiración diaria de diferentes tipos de cultivo en comparación con las gramíneas, que es el cultivo que se toma como referencia.
Ilustración 8 Magnitudes de la ETc (cultivo) en comparación de la ET0 (gramíneas) FUENTE:(FAO,2012)
Otro factor importante en la perdida de agua de las plantas y que se mencionó anteriormente, es el periodo vegetativo, ya que las plantas pierden menor cantidad de agua al inicio de su desarrollo (germinación y crecimiento inicial), que cuando están en su fase de mediados del periodo, que corresponde a la etapa de maduración donde presenta un requerimiento hídrico mayor. En la Figura No. 4 se presenta un ejemplo de los coeficientes de cultivo para el cultivo del maíz, para sus diferentes etapas vegetativas (tomado de la FAO), donde se puede observar que el consumo hídrico en su mayor requerimiento, supera la cantidad de agua del cultivo tomado como referencia (el Kc del cultivo de referencia es 1, es decir que el maíz en su etapa de mayor consumo de agua, esta 5% por encima que el consumo hídrico de los pastos).
Ilustración 9 Coeficientes de Cultivo para el Maíz, de acuerdo con sus periodos vegetativos FUENTE: (FAO,2012)
Con base en datos de diferentes tipos de cultivo, se presenta en la Tabla No. 1 una comparación de los Kc para diferentes tipos de vegetación, y se marcan en rojo los mayores valores correspondientes a la etapa de maduración. Estos valores se han ordenado en forma descendente de acuerdo a esta columna de Kc de mediados de periodo, y de esta forma se puede apreciar, como cultivos como el arroz, la caña de azúcar y granos básicos pueden perder casi el doble de agua que árboles frutales y el cultivo de la piña, asumiendo condiciones similares en cuanto a clima, tipo de suelos y humedad.
Tabla 1 Coeficiente de cultivo
Fuente: (Servicio Nacional de Estudios Territoriales,2005) Las características climáticas de viento y humedad relativa también inciden en las pérdidas de agua por parte de las plantas. En zonas de mayor viento, se produce mayor pérdida de agua, al igual que en zonas más secas y con temperaturas más elevadas.
EVAPOTRANSPIRACIÓN REAL – CAPACIDAD DE AGUA DISPONIBLE EN LOS SUELOS El suministro de humedad a la superficie de evaporación es un factor determinante en la evapotranspiración. A medida que el suelo se seca, la tasa de evapotranspiración cae por debajo del nivel que generalmente mantiene en un suelo bien humedecido9. Es esta evapotranspiración que depende de la cantidad de humedad existente en el suelo, la que se denomina Evapotranspiración Real. La humedad del suelo esta relacionada con la capacidad de agua disponible en el suelo (llamada también Agua Útil), la cual es función de la textura y estructura del suelo. La propiedad física que incide en la capacidad de agua disponible es la porosidad (cantidad, forma, tamaño y distribución de poros).
Dentro del suelo existen diferentes tamaños de poros, los hay macroporos, mesoporos y microporos. La función de los macroporos es de infiltración, conductividad y aireación; la de los mesoporos es de conducción lenta de agua y la de microporos es de almacenamiento. Cuando hay una lluvia copiosa, el agua que se infiltra en el suelo llena todos los poros y desaloja la totalidad del aire, llegando el suelo a su capacidad de saturación. Esta situación es temporal en la medida que no haya más infiltración de agua, ya que los macroporos permiten una rápida circulación descendente del agua y favorecen que el agua se incorpore a las capas freáticas. Una vez el suelo va perdiendo humedad, la velocidad de flujo disminuye y llega un momento en que se estabiliza y se anula, quedando agua retenida en los microporos. Es el agua de circulación lenta, la que es utilizable por las plantas, ya que, en ese momento, hay aireación que permite respirar a las raíces y la fuerza con que el agua es retenida por el suelo es tal que las raíces pueden succionarla. La fuerza con que las moléculas de agua y de suelo se unen, constituye el “Potencial Matricial del Suelo”.
Este Potencial Matricial presenta una relación inversa con la cantidad de humedad en el suelo: entre menor humedad del suelo, el potencial matricial es mayor y entre más húmedo está, su potencial matricial disminuye, esto último debido a que la mayor parte del agua se encuentra muy retirada de la fase sólida del suelo, por lo que la fuerza de unión es menor. La velocidad lenta de circulación del agua ocurre cuando el potencial matricial esta alrededor de 33 KPa (1/3 de atmósfera). En esta etapa se dice que el suelo está en Capacidad de Campo. La pérdida de agua del suelo continúa por evaporación y por succión de las plantas hasta que el potencial matricial del suelo llega a 1500 KPa (15 atmósferas). Esta etapa se llama Punto de Marchitez. Al llegar al Punto de Marchitez la planta no puede absorber más agua, y si no hay un suministro se produce la muerte (Punto de Marchitez Temporal). Al llegar el Potencial Matricial a 1600 KPa se produce el Punto de Marchitez Permanente en el que la planta muere. A la diferencia entre la Capacidad de Campo y el Punto de Marchitez Permanente se llama Agua Útil (Agua Disponible), la cual es la que pude ser aprovechada por las plantas y la cual puede ser evapotranspirada. El contenido total de esta agua útil constituye la Reserva de Agua del suelo. El Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA)10, presenta datos de referencia en cuanto a Capacidad de Campo, Punto de Marchitez Permanente y Capacidad de Agua Disponible (Agua Útil) para diferentes texturas de suelo, por pie de profundidad, la cual se presenta en la Tabla 2. Tabla 2 Punto de Marchitez Permanente, Capacidad de Campo y Capacidad de Agua Disponible para suelos de varias Texturas
FUENTE: Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA)
EVAPORACIÓN DE CUERPOS DE AGUA Los cuerpos de agua como lagos, lagunas y embalses presentan una gran pérdida de agua por evaporación debido a la radiación solar. Esta pérdida de agua puede ser estimada a partir de información de evaporación en tanques evaporímetros, o a través de fórmulas que estimen la perdida de agua por efectos climáticos.
EVAPORACIÓN EN ÁREAS URBANAS Las zonas urbanas presentan una perdida alta de agua por escorrentía superficial, dado que el agua no puede infiltrarse por la permeabilización que ha sufrido el terreno; sin embargo, parte del agua que cae en estas áreas es evapotranspirada por efectos climáticos y de cobertura vegetal en jardines, arriates y terrazas, y por la misma evaporación que se produce sobre el pavimento. Generalmente este parámetro no es considerado en forma separada, dentro de las perdidas de agua, incluyéndolo dentro del cálculo de la evapotranspiración real. En la metodología que se está utilizando para el desarrollo del presente balance hídrico, se consideró calcularlo de forma separada para cuantificar esta pérdida en zonas urbanas.
ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL El escurrimiento superficial, es medido en los ríos a través de estaciones hidrométricas las cuales miden el caudal de agua que pasa por un punto determinado. Este caudal depende de la respuesta hídrica de la cuenca a la precipitación que cae en ella, está condicionado por el área de la cuenca, el tipo de cobertura vegetal, tipo de suelos y pendiente del terreno. En las cuencas donde no hay una estación hidrométrica de medición, el caudal puede ser determinar de forma aproximada a través de diversas metodologías.
DEMANDA INTERNA Y EXTERNA Las demandas internas se refieren a los consumos de agua por parte de los diferentes sectores de usuarios (consumo humano, agrícola, industrial, comercial, turismo, energético, etc) ubicados dentro de la cuenca. Las demandas externas se refieren a aquellos consumos de agua por parte de sectores de usuarios ubicados en otras cuencas, y que se abastecen del agua de otro sitio.
CAMBIOS DE ALMACENAMIENTO Como resultado del balance hídrico se presenta el cambio de almacenamiento el cual representa por una parte el volumen de agua que recarga los acuíferos y por otra parte, en el caso de existir cuerpos de agua como embalses, lagos y lagunas, el cambio en el nivel de los cuerpos de agua.
5.4 LA ECUACIÓN DEL BALANCE HÍDRICO 5.4.1 FORMA GENERAL DE LA ECUACIÓN DEL BALANCE HÍDRICO El estudio del balance hídrico en hidrología se basa en la aplicación del principio de conservación de masas, también conocido por nosotros como ecuación de la continuidad. Esta establece que, para cualquier volumen arbitrario y durante cualquier período de tiempo, la diferencia entre las entradas y salidas estará condicionada por la variación del volumen de agua almacenada. En general, la técnica del balance hídrico implica mediciones de ambos aspectos, almacenamientos y flujos del agua; sin embargo, algunas mediciones se eliminan en función del volumen y período de tiempo utilizados para el cálculo del balance (UNESCO, 1.971). La ecuación del balance hídrico, para cualquier zona o cuenca natural (tal como la cuenca de un río) o cualquier esa de agua, indica los valores relativos de entrada y salida de flujo y la variación del volumen de agua almacenada en la zona o masa de agua. En general, las entradas en la ecuación del balance hídrico comprenden la precipitación (P), en forma de lluvia o nieve, realmente recibida en la superficie del suelo, y las aguas superficiales y subterráneas recibidas dentro de la cuenca o masa de agua desde fuera (QsI y Q uI). Las salidas en la ecuación incluyen la evaporación desde la superficie de la masa de agua (E) y la salida de corrientes de agua superficial y subterránea desde la cuenca o masa de agua considerada (Q s0 y Qu0 ). Cuando las entradas superan a las salidas el volumen de agua almacenada ( ) aumenta y cuando ocurre lo contrario disminuye. Todos los componentes del balance hídrico están sujetos a errores de medida o estimación, y la ecuación del balance deberá incluir, por tanto, un término residual o de diferencia ( ).
∆
Por tanto, el balance hídrico para cualquier masa de agua y cualquier intervalo de tiempo, en su forma más general, vendrá representado por la siguiente ecuación:
+ + ∆ = 0 5.5 CARACTERÍSTICAS ESPECIALES DE LA ECUACIÓN DEL BALANCE HÍDRICO PARA INTERVALOS DE TIEMPO DIFERENTES El balance hídrico se puede calcular para cualquier intervalo de tiempo, pero deberá hacerse una distinción entre balances medios y balances para períodos determinados (tales como un año, una estación, un mes o un número de días), llamados algunas veces corrientes, comunes o balances operacionales. Los balances hídricos para valores medios se calculan para un ciclo anual (año calendario o año hidrológico), aunque también pueden hacerse para cualquier estación o mes. La determinación del balance hídrico para un año medio es el caso más simple, ya que se puede despreciar la variación del volumen de agua almacenada en la cuenca ( ), que es difícil de medir y calcular. Para un largo período los incrementos del agua almacenada, positivos y negativos, a escala anual, tienden a equilibrarse y su valor neto al final puede considerarse igual a cero.
∆
La situación contraria ocurre cuando se calculan los balances hídricos para períodos cortos, para los cuales .
∆ ≠ 0
Cuanto más corto es el intervalo de tiempo, más precisos deberán ser la medida y determinación de los componentes del balance hídrico y más subdivididos estarán los valores de ( ), y de otros elementos. Esto da como resultado una ecuación del balance compleja, que es difícil de ajustar aceptablemente.
∆
∆
El término deberá, también, tenerse en cuenta en la determinación, de balances medios por estaciones o meses.
5.6 CARACTERÍSTICAS ESPECIALES DE LA ECUACIÓN DEL BALANCE HÍDRICO PARA MASAS DE AGUA DE DIFERENTES DIMENSIONES El balance hídrico puede calcularse para masas de agua de cualquier tamaño, pero la complejidad del cálculo depende fundamentalmente de la extensión del área estudiada. Una cuenca de un río es la Única zona natural para la - cual las determinaciones a gran escala del balance hídrico pueden simplificarse, ya que la exactitud del cálculo aumenta al hacerlo la superficie de la cuenca. Cuanto más pequeña sea la superficie de la cuenca, más complicado es su balance, ya que es más difícil estimar componentes secundarios, tales como intercambio de aguas subterráneas con cuencas adyacentes, almacenamiento de agua, en lagos embalses, pantanos o marismas y glaciares y la dinámica del balance hídrico de bosques y zonas regables. El efecto de estos factores decrece gradualmente al aumentar el área de la cuenca y puede llegar a despreciarse. La complejidad para determinar el balance hídrico de lagos, embalses, marismas o zonas pantanosas, cuencas de aguas subterráneas y cuencas de glaciares de montaña, aumenta con el área, debido a la dificultad de realizar mediciones precisas y exactas y calcular los numerosos e importantes compone2 tes del balance hídrico en grandes masas de agua, tales como flujo lateral y variaciones del volumen de agua almacenada en grandes lagos y embalses, precipitación sobre la superficie del agua, etc.
5.7 CIERRE DE LA ECUACIÓN DEL BALANCE HÍDRICO Cuando sea posible, para cerrar la ecuación del balance hídrico es esencial medir o calcular todos los elementos del balance, usando métodos independientes. Las medidas y de terminaciones de los elementos del balance hídrico siempre - tienen errores, debido a las limitaciones tecnológicas. La ecuación del balance hídrico, por lo tanto, generalmente no establece un balance exacto, aunque todos sus componentes se midan y calculen por métodos independientes. La inexactitud viene representada en la ecuación por un término residual, que incluye los errores en la determinación de los componentes considerados y los valores de los componentes que no se han tenido en cuenta en la ecuación utilizada. Un bajo valor de ( ) indica un ajuste aceptable de la mayoría de los componentes del balance.
Si resulta imposible obtener el valor de un componente por medida directa o cálculo, se podrá evaluar como un término residual en la ecuación del balance. En este caso, el término incluye la diferencia del balance y, por lo tanto, contiene un error desconocido, que podrá ser aún más grande que el valor del componente. Lo mismo sucede cuando los valores medidos de un componente se utilizan para estimar los valores de otro componente, por medio de fórmulas empíricas o semiempíricas. El valor así estimado incluirá los errores debidos a las imperfecciones de la fórmula y los de medida, sido el error total nuevamente desconocido.
5.8 MÉTODOS DE CÁLCULO DE LOS PRINCIPALES COMPONENTES DEL BALANCE HÍDRICO Los datos de precipitación y caudal son básicos para el cálculo de los componentes del balance hídrico de las cuencas fluviales para periodos largos. Estos datos suelen publicarse en memorias anuales, tanto hidrológica como meteorológicas, boletines, etc. Para calcular el balance hídrica anual, estacional o mensual, es necesario tener datos sobre las variaciones del volumen de agua almacenada en la cuenca. Estas se obtienen por mediciones de la nieve, observaciones de la humedad del suelo, fluctuaciones del nivel de lagua en los lagos y en los pozos. Para calcular el balance hídrico de pequeñas zonas con características especiales (cuencas de glaciares de montaña, grandes zonas boscosas, tierras bajo riego, etc), es necesario, en la mayoría de los casos, organizar un programa especial de observaciones, por ejemplo, observaciones de deshielo de glaciares (o de glaciación), intercepción de la precipitación, humedad del suelo, etc. Para calcular la evaporación son necesarios datos de evaporación en tanque y datos meteorológicos sobre temperara, humedad, viento, nubosidad y radiación.
5.8.1 PRECIPITACIÓN GENERALIDADES La precipitación es, normalmente, la Única fuente de humedad que tiene el suelo y por eso conviene que su medida y cálculo se hagan con gran precisión, pues de ello depende, en gran manera, la exactitud de todos los cálculos del balance hídrico. La cantidad media de precipitación en una cuenca fluvial, en cualquier otra zona, se obtiene a partir de los datos de pluviómetros, pluviógrafos o totalizadores instalados en la zona en estudio. En el caso de insuficientes aparatos, se pueden usar también los datos de precipitación de zonas - próximas y de recubrimiento, a fin de obtener un valor más - exacto de la precipitación. Cuanto más corto sea el período de cálculo del balance hídrico, más densa debe ser la red de medida de la precipitación. El equipo de medida debe cumplir las normas internacionales y especialmente las de la O.M.M. Para calcular balances hídricos medios son necesarias series extensas de precipitación (alrededor de 25 - 50 años). Para estimar los datos que faltan es aconsejable establecer relaciones gráficas de datos observados en estaciones vecinas o usar el método de correlación (Nordenson, 1.968; Rainbird, 1.967; Rodda, 1.972; Hershfield, 1.965; Hershfield, - 1.968; Kagan, 1.972a; Green, 1.970a, 1.970b). El cálculo de la precipitación media en una zona o superficie de agua presenta dos problemas: 1) la determinación de la precipitación en un punto; 2) la determinación de la - precipitación media, en altura, sobre la zona en estudio, usando puntos de observación.
5.8.2 EVAPORACIÓN GENERALIDADES La evaporación desde una superficie de agua (lagos y embalses) y desde el terreno (cuencas da los ríos) se calculada por: 1) 2) 3) 4) 5)
Evaporímetros. El método del balance hídrico. El método del balance térmico, El método aerodinámico. Fórmula empírica
La evaporación mensual desde el suelo se puede obtener con la ayuda de pesadas, evaporímetros hidráulicos y otros - evaporímetros de suelo y lisímetros de varios tipos (Toebes y Ouryvaev, 1.970). Puesto que la evaporación depende en gran manera de la vegetación, de la cobertura del suelo y de otras características del paisaje, estos aparatos se deben instalar a ser posible en los diferentes tipos de cobertura vegetal (campos con cultivos, bosques, etc.) que ocupan la cuenca del rio. La evaporación media en la cuenca se calcula previo un buen conocimiento de las áreas ocupadas por los diferentes tipos de la cobertura vegetal.
CALCULO DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN
Ilustración 10 Métodos www.eureka.ya.com
empíricos
para
calcular
la
Evapotranspiración
Fuente:
Dentro del método práctico, tenemos que la evapotranspiración se mide mediante un lisímetro (Ilustración 11), que consiste en un recipiente rectangular enterrado y que permita que el agua drene por gravedad, siendo recogida por un drenaje ubicado en la parte inferior.
Ilustración 11 Esquema de un Lisímetro FUENTE: Sasal, M et al, 2010
En su construcción se debe tener el máximo cuidado, para restituir el suelo que se excavó en unas condiciones lo más similar posible a las que se encontraba originalmente. Adicionalmente se debe instalar o un pluviómetro, para registrar el aporte de la precipitación. Entre las fórmulas más utilizadas tenemos: Formula de Hargreaves: Donde:
= 0.0023 ∗ + 17.78 ∗ ∗ á . ETo: Evapotranspiración potencial, mm/día Tmed: Temperatura media diaria, ºC Ro: Radiación solar extraterrestre, en mm/día Tdmáx: Temperatura diaria máxima Tdmín: Temperatura diaria mínima
Formula de Thornthwaite:
Determinar el Índice de calor mensual (i):
. = (5) A partir de la temperatura media mensual (t).
Determinar el Índice de calor anual (I): sumando los 12 valores de i.
= ∑
Determinar la ET mensual “sin corregir” mediante la fórmula
10 ∗ sin = 16 ∗ ( ) Donde: ET(sin corregir:) Evapotranspiración potencial a nivel mensual en mm/mes, para meses de 30 días y 12 horas de sol (teóricas) T: Temperatura media mensual ºC I :Indice de calor anual Obtenido con la expresión siguiente:
= 675 ∗10− ∗ 771 ∗ 10− ∗ + 1792 ∗ 10− ∗ + 0.49239 Realizar la corrección para el número de días del mes y el número de horas de sol.
= ∗ 12 ∗ 30 Donde: ET: Evapotranspiración potencial corregida N: Número máximo de horas de sol, depende del mes y de la latitud. D: Número de días del mes
Formula de Turc y Coutagne : Se determina empíricamente comparando las precipitaciones y la escorrentía total de numerosas cuencas.
Donde: ETR Evapotranspiración real en mm/año P Precipitación en mm/año, para la fórmula de Turc P Precipitación en metros /año, para la fórmula de Coutagne t Temperatura media anual en ºC
La fórmula de Coutagne, sólo es valida para valores de P (en metros/año) comprendido entre 1/8 y 1/2 de Ӽ.
5.8.3 ALMACENAMIENTO DE HUMEDAD EN EL SUELO La evaluación del almacenamiento de humedad en el suelo y sus variaciones en la zona no saturada se efectúa a partir de mediciones de la humedad del suelo, por métodos de pesadas o neutrones (Be11 y Mc Culloch, 1.966; Cope y1.965; Kharchenko, 1.968; Toebes y Ouryvaev, 1.970; 1.967).Para estudios más exactos del balance hldricoTricket t,Rode, las observaciones de la humedad del suelo deben cubrir todo el espesor del manto por debajo del suelo hasta el nivel piezométrico, o cuando el nivel superior del acuífero esté a más de 4 m de profundidad deberán llegar hasta la zona más profunda penetrada por un frente de humedad. Esta profundidad depende del régimen climático, pero generalmente no deberá ser menor de 4 m (Kachinski, 1.970). El contenido de humedad del suelo se podrá evaluar aproximadamente a partir de medidas a 1 m de profundidad. Para evaluar las variaciones del contenido total de agua, o el contenido de agua en diferentes capas o estratos de la cuenca total o parcial, es necesario determinar el número Óptimo de puntos de medición,
lo que permitirá el cálculo del contenido medio de agua con una exactitud dada (Kovzel, 1.972; Mc Guinness y Urban, 1.964). Las observaciones de la humedad del suelo se efectúan por muestreo, durante los períodos característicos del año. Los datos que resultan se eval6an por métodos estadísticos standard.
5.8.4 ALMACENAMIENTO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS El cálculo del balance hídrico de la cuenca de un río, las variaciones en el nivel piezométrico del acuífero
∆
( ) se determinan a partir de los datos de campo recogidos en puntos de observación, generalmente pozos, y de les valores del coeficiente . En el caso de descenso de los niveles del agua subterránea, V representa la porosidad eficaz y en el caso de elevación de los niveles representa el déficit de saturación del subsuelo y suelo por encima de la zona de capilaridad. El cálculo de la variación del agua subterránea almacenada se realiza por separado, según se trate de períodos de descenso o de elevación de los niveles piezométricos.
Para un cálculo aproximado, las variaciones del agua subterránea almacenada se pueden evaluar para cualquier período de tiempo, suponiendo que el déficit de saturación es igual a la porosidad eficaz o coeficiente de almacenamiento. Las variaciones del agua subterránea almacenada en una zona homogénea se calculan por:
∆ = ∗ ∆ℎ
Donde
∆ℎ es la variación media del nivel piezométrico en la zona. 5.8.5 ALMACENAMIENTO DE AGUA SUPERFICIAL
El agua almacenada sobre la superficie de la cuenca está compuesta de: 1) Agua de lluvia, detenida en las micro depresiones. 2) Agua en estado sólido (cubierta o capa de nieve, campos de hielo, glaciares). 3) Agua de la red hidrográfica, cauces de los ríos, lagos, embalses, pantanos) El agua almacenada en las microdepresiones (charcos y fangales después de lluvias y chubascos) no dura mucho, por lo general, y resulta entonces difícil tenerla en cuenta y medirla con exactitud. Este agua se pierde rápidamente por evaporación y por infiltración dentro del suelo, por lo cual deberá tenerse en cuenta por otros términos adicionales en la ecuación del balance hídrico.
6 CONCLUSIONES
La ecuación de continuidad, o de balance hidrológico, es la ley más importante en Hidrología, y aunque su expresión es muy simple, la cuantificación de sus términos es normalmente complicada, principalmente por la falta de mediciones directas en campo y por la variación espacial de la evapotranspiración, de las pérdidas profundas (a acuíferos) y de las variaciones del agua almacenada en una cuenca. El balance hídrico varía de acuerdo con las condiciones orográficas, biofísicas y climáticas de una zona(cuenca) determinada. El balance hídrico tiene por objeto cuantificar los recursos y volúmenes de agua del ciclo hidrológico. Este varía de acuerdo con las condiciones orográficas, biofísicas y climáticas de una zona determinada. El establecimiento del balance hídrico en una cuenca o en una región determinada permite obtener información sobre: el volumen anual de escurrimiento o excedentes, el período en el que se produce el excedente y por tanto la infiltración o recarga del acuífero y el período en el que se produce un déficit de agua o sequía y el cálculo de demanda de agua para riego en ese período. Para establecer el balance hídrico se necesitan los datos de las precipitaciones medias anuales (con una serie de 5-10 años, del máximo de estaciones meteorológicas disponibles), la evapotranspiración potencial media anual (de la misma serie de años), la reserva de agua útil (RU) o el agua que puede almacenar el suelo y utilizar las plantas. Esta va a depender del tipo de suelo, la capacidad de campo (Cc: grado de humedad de una muestra que ha perdido toda su agua gravitacional), el punto de marchitez (Pm), la profundidad de las raíces, la densidad aparente del suelo.
7 REFERENCIAS
DOORENBOS, J., & PRUITT, M. (1997). Las necesidades de agua de los cultivos. Estudio FAO Riego y Drenaje.
Musy, A. 2001. Cours "Hydrologie générale". Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. IATE/HYDRAM. Laboratoire d´Hydrologie et Aménagement.
Sociedad geográfica del Perú(2011).“Contribuyendo al desarrollo de una Cultura del Agua y la Gestión Integral de Re curso Hídrico”.Sociedad Geográfica de Lima.Perú.
UNESCO(1982).Guía metodológica para la elaboración del balance hídrico de América del Sur. Oficina Regional de Ciencia y Tecnología de la Unesco para América Latina y el Caribe.Uruguay
Sokolov, A., Chapman T.( 1981)Métodos de cálculo del balance Hídrico. Instituto de Hidrología de España.Madrid
