Evaporacion y Evapotranspiracion. Climatologia

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El presente trabajo es una pre-informacion a un trabajo de investigacion en las pampas de la Joya-Arequipa, sobre la evapotranspiracion en estos suelos y el tipo de metodologia propicia para nuestra investigacion.

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Evaporacion y Evapotranspiracion. Climatologia

  1. 1. Div-WrightLabEVAPORACION Y EVAPOTRANSPIRACION CLIMATOLOGIARENEE M. CONDORI APAZA, JULIO VALDIVIA SILVA, EVELYN PAREDES PAREDES
  2. 2. EvapotranspiraciónLa evapotranspiración (ET) es la combinación de dos procesos:Evaporación y Transpiración. La evaporación es el procesofísico mediante el cual el agua se convierte a su forma gaseosa.La evaporación del agua a la atmósfera ocurre en la superficie deríos, lagos, suelos y vegetación. La transpiración es el procesomediante el cual el agua fluye desde el suelo hacia la atmósfera através del tejido de la planta, Martinez Cob, A., J.M. Faci y A.Bercero (1998).
  3. 3. Evapotranspiración Terminología  Evaporación: Proceso por el cual el agua liquida pasa directamente a la fase vapor.  Transpiración: Proceso mediante el cual el agua liquida pasa de liquido avapor atraves del metabolismo de la planta.  Sublimación: Proceso por el cual el agua pasa directamente de la fase solida a la fase de vapor.
  4. 4. EvaporaciónLa evaporación es el proceso por el cual el agua líquida seconvierte en vapor de agua (vaporización) y se retira de lasuperficie evaporante (remoción de vapor). El agua seevapora de una variedad de superficies, tales como lagos,ríos, caminos, suelos y la vegetación mojada.
  5. 5. Factores que Influencian en la Evaporacion Energia necesaria para la vaporizacion (calor latente)  Rdiacion Solar Forma de transportar el vapor desde la superficie evaporacion.  Velocida de viento sobre la superficie  Gradiente de la humedad especifica sobre la superficie. Superficie Vegetativa  Humedad necesaria en la superficie.  Evapotranspiracion (ET)  Evapotranspiracion Potencial (PET) – humedad necesaria no es limiitante.
  6. 6. Evaporación desde una Superficie de Agua La evaporacion es la forma mas simple  Que se da permanentemente del liquido libre de la superficie saturada.
  7. 7. Bandeja o Cilindro de Evaporación Servicio Nacional de Meteorología Clase Tipo A Instalado en una plataforma de madera en una zona cubierta de vegetación. Llenado con agua a menos de 2,5 pulgadas de la parte superior La velocidad de evaporación se mide por lecturas manuales o con un medidor de salida analógica.
  8. 8. Métodos de Estimación de la Evaporación Método Balance de Energía Método Aerodinamico Método Combinado
  9. 9. Metodo Balance de Energia CV contiene agua en fase líquida y vapor Continuidad - fase líquida d − mv = ∫∫∫ ρ w d∀ + ∫∫ ρ wV ⋅ dA  Hs Rn mv  dt CV CS ρa dh dh =0 = ρw A = −E dh ρw dt dt No hay flujo de agua E =− dt h líquida a través de CS G mv = ρ w AE 
  10. 10. Metodo Balance de Energia Continuidad – Fase Vapor d mv =  ∫∫∫ qv ρ a d∀ + ∫∫ qv ρ aV ⋅ dA dt CV CS =0 mv = ∫∫ qv ρ aV ⋅ dA  Flujo constante de aire CS sobre el agua = ρ w AE ρ w AE = ∫∫ qv ρ aV ⋅ dA CS 1 E= ∫∫ qv ρ aV ⋅ dA ρ w A CS
  11. 11. Metodo Balance de Energia Ec. Energia dH dW d − = ∫∫∫ (eu + V 2 / 2 + gz ) ρd∀ dt dt dt CV 2   + ∫∫ (eu + V / 2 + gz ) ρV ⋅ dA CS =0 ≈ 0; V = 0, h ≈ const. dH d = ∫∫∫ eu ρ w d∀ dt dt CV = Rn − H s − G dH = Rn − H s − G dt
  12. 12. Metodo Balance de Energia Ec. de Energía para el agua en CV dH = Rn − H s − G dt Hipótesis: 1. Temperatura constante de agua en CV 2. Cambio de calor es el cambio en la energía interna de agua evaporada dH = lv mv  dt lv mv = Rn − H s − G  Recordemos: m = ρ w AE  Descuido razonable y flujos de calor del 1 suelo E= ( Rn − H s − G ) R lv ρ w A Er = n lv ρ w
  13. 13. El viento como un Factor en la Evaporacion El viento tiene un gran efecto sobre la evaporación, E  El viento elimina aire cargado con vapor por convección  Esto evita el limite de la delgada capa  Mantiene una alta tasa de transferencia de agua de líquida a la fase de vapor  El viento es tambien turbulento  La difusión convectiva es de varias ordenes de magnitud mayor que la difusión molecular.
  14. 14. Metodo Aerodinamico Incluye la via de transporte del vapor desde la superficie del agua como función de:  Gradiente de Humedad sobre la superficie  Velocidad del viento atraves de la superficie Flujo de vapor ascendente dqv qv1 − qv2 m = −ρa K w  = ρa K w dz z 2 − z1 Flujo del impulso hacia arriba ( K w qv1 − qv2 ) m =τ  K m ( u 2 − u1 ) du u −u τ = ρa K m = ρa K m 2 1 dz z2 − z1
  15. 15. Metodo Aerodinamico ( K w qv1 − qv2 ) m =τ  K m ( u 2 − u1 ) Perfil logaritmico de velocidad u 1  Z  = ln  u * k  Zo    Flujo de Impulso 2  k(u − u )  τ = ρa  2 1   ln ( Z 2 Z1 )  ( ) K w k 2 ρ a qv1 − qv2 ( u 2 − u1 ) m=  K m [ ln ( Z 2 Z1 ) ] 2 Ecuación de Thornthwaite-Holzman
  16. 16. Metodo Aerodinamico ( ) K w k 2 ρ a qv1 − qv2 ( u 2 − u1 )m= K m [ ln ( Z 2 Z1 ) ] 2 qv y u Amenudo solamente disponible en 1 elevación Simplificando 0.622k 2 ρ a ( eas − ea ) u 2 Ea = B( eas − ea ) m=  P[ ln( Z 2 Z o ) ] 2 0.622k 2 ρ a u 2 B= m = ρ w AE  ea = presion de vapor @ Z 2 Pρ w [ ln ( Z 2 Z o ) ] 2
  17. 17. Metodo Combinado La Evaporación es calculada por:  Metodo Aerodinamico Rn  El suministro de energia no es limitante E = Er = lv ρ w  Metodo de Balance de Energía  El transporte de vapor no es limitante E = Ea = B( eas − ea ) Normalmente, ambos son limitantes, entonces use un metodo de combinación ∆ γ E= Er + Ea ∆ +γ ∆+γ Priestly & Taylor ∆ C p Kh p E = 1.3 Er des 4098es ∆ +γ ∆= = γ = dT (237.3 + T ) 2 0.622lv K w
  18. 18. Ejemplo 1• Use el Metodo Combinado para hallar la Evaporation Elev = 2 m, Presión = 101.3 kPa, lv = 2.501x10 6 − 2370T Velocidad del viento = 3 m/s, Radiación neta = 200 W/m2, = (2500 − 2.36 * 25) x103 = 2441 kJ/kg Temp. del Aire = 25 gradC, Humidad Relativa = 40%, Rn 200 Er = = = 7.10 mm/dia lv ρw 3 2441x10 * 997
  19. 19. Ejemplo 2• Use Metodo Combinado para hallar la Evaporacion Elev = 2 m, eas = 3167 Pa Presión = 101.3 kPa, Velocidad del viento = 3 m/s, ea = Rh * eas = 0.4 * 3167 = 1267 Pa Radiatión neta = 200 W/m2, Temp. del Aire = 25 gradC, Humidad Relativa = 40%, 0.622k 2 ρ a u 2 0.622 * 0.4 2 *1.19 * 3 B= = = 4.54 x10 −11 m/Pa ⋅ s [ ( )] Pρ w [ ln ( Z 2 Z o ) ] 2 101.3 * 997 ln 2 3 x10 − 4 2 Ea = 4.54 x10 −11 ( 3167 − 1267 ) * (1000 mm / 1 m) * (86400 s / 1 dia ) = 7.45 mm/dia
  20. 20. Ejemplo 3• Use Metodo Combinado para hallar la Evaporación Elev = 2 m, Cp Kh p 1005 *101.3x103 Presión = 101.3 kPa, γ= = = 67.1 Pa/gradC Velocidad del Viento = 3 m/s, 0.622lv K w 0.622 * 2441x103 Radiación neta = 200 W/m2, 4098 * 3167 Temp del Aire = 25 gradC, ∆= = 188.7 Pa/gradC (237.3 + 25) 2 Humedad relativa = 40%, ∆ γ = 0.738 = 0.262 ∆ +γ ∆ +γ ∆ γ E= Er + Ea = 0.738 * 7.10 + 0.262 * 7.45 = 7.2 mm/dia ∆ +γ ∆ +γ
  21. 21. Ejemplo 4• Use Metodo Priestly-Taylor para hallar la Evaporacion rate for a water body Radiacion neta = 200 W/m2, ∆ Temp. de Aire = 25 gradC, E = 1.3 Er Priestly & Taylor ∆ +γ ∆ = 0.738 Er = 7.10 mm/day ∆+γ E = 1.3 * 0.738 * 7.10 = 6.80 mm/dia
  22. 22. Evapotranspiración
  23. 23. Evapotranspiración Evapotranspiración  Combinación de evaporación desde la superficie del suelo y transpiracion desde la vegetación  Factores de los que se rige:  Suministro de Energia y transporte de vapor  Suministro de humedad en las superficies de evaporación  Referencia del cultivo  8-15 cm de grass verde que crece saludable con abundante agua  Metodo combinado funciona bien si B se calibra a las condiciones locales
  24. 24. Factores Ambientales en la EvapotranspiraciónLa evapotranspiración se debe a los principales factoresmedio ambientales presentes en cada zona de estudio,Megh R. Goyal y A. González Fuentes (1990), Faci, J.M., A.Martinez Cob (1994).Radiación solarHumedad relativa Temperatura Viento.
  25. 25. Diferentes Tipos de Evapotranspiración Evapotranspiración potencial del cultivo de referencia (ETo)La evapotranspiración potencial de un cultivo de referencia (ETo) en mm/día, fue definida por Doorembos y Pruit (FAO, 1975) como: “La tasa de evaporación en mm/día de una extensa superficie de pasto (grama) verde de 8 a 15 cm de altura, en crecimiento activo, que sombrea completamente la superficie del suelo y que no sufre de escasez de agua”. Evapotranspiración real (ETR)En la práctica, los cultivos se desarrollan en condiciones de humedad muy lejanas de las óptimas. Por este motivo para calcular por ejemplo la demanda de riego se ha de basar en la evapotranspiración real (ETR), la cual toma en consideración al agua disponible en el suelo y las condiciones ambientales en las cuales se desarrolla un cultivo determinado.
  26. 26. La ETR nunca será mayor que ET. Al aumentar la tensión delagua en el suelo, disminuye la capacidad de las plantas paraobtener el volumen de agua requerido al ritmo impuesto por lascondiciones del ambiente. Bajo estas condiciones disminuye latranspiración del cultivo por lo tanto ETR es inferior a ET ytambién inferior a ETo.La evapotranspiración real de un cultivo, en cierto momento desu ciclo vegetativo, puede expresarse como: Donde: k : Coeficiente que corrige por la fase vegetativa del cultivo y por el nivel de humedad en el suelo.
  27. 27. En un suelo sin limitación alguna para la producción, en loque respecta a condiciones físicas, fertilidad y salinidad, kpuede discriminarse así:Donde:kc : Coeficiente de cultivokh : coeficiente de humedad del sueloEl coeficiente de cultivo kc, depende de las característicasanatomorfológicas y fisiológicas dela especie y expresa la variaciónde su capacidad para extraer agua del suelo durante el ciclovegetativo.
  28. 28.  Evapotranspiración Potencial (PET)La evapotranspiración potencial es la pérdida de agua de una superficie cubierta completamente de vegetación. La evapotranspiración de una cosecha es determinada por los procesos meteorológicos. El cierre de las estomas y la reducción en transpiración usualmente son importantes sólo bajo condiciones de escasez de agua o condiciones de estrés de la planta, De la Peña, Idelfonso (1987), Goyal, M. R. (1988).Este concepto clásico de evapotranspiración potencial (ETP) ha sido criticado por diversos autores, especialmente en las zonas semiáridas y áridas. Así Perrier (1984) propone abandonar el concepto de ETP y propone como alternativa el concepto de evaporación potencial EP, que define la evaporación cuando toda la superficie está saturada de agua, de manera que no haya ninguna restricción de humedad.
  29. 29. El concepto de evapotranspiración potencial fue definido porThornthwaite (1948). Thornthwaite definió el concepto deevapotranspiración potencial como el máximo de evapotranspiraciónque depende únicamente del clima. Según Thornthwaite no hayninguna restricción de agua en el suelo y su magnitud dependeexclusivamente del clima, para su evaluación no se definió la superficieevaporante.
  30. 30. Evapotranspiracion Potencial  Multiplique ET de referencia del cultivo por un Coeficiente de cultivo y un Coeficiente de Suelo. ET = k s k c ETr ET = Actual ET Maiz 1ETr = Referenccia de Cultivo ET 0,9 0,8 0,7 k c = Coeficiente de cultivo; 0,6 0.2 ≤ kc ≤ 1.3 0,5 0,4 k s = Coeficiente de Suelo; 0,3 0 ≤ ks ≤ 1 0,2 C u d n o k v c e t f , l i 0,1 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Tiempo dede la siembra (dias)
  31. 31. Métodos para Determinar la Evapotranspiración PotencialMétodos DirectosMétodo del lisímetro. Consiste en un recipiente delámina galvanizada formado por un tanque cilíndrico de máso menos 6 m de diámetro por 95 cm de alto, en el que secoloca el suelo y el cultivo en estudio. El consumo de aguapor evapotranspiración se determina pesando diariamenteel conjunto del suelo, plantas, agua y aparato, y pordiferencia de pesadas se obtiene la humedad consumida. Lareposición de agua se efectúa por medio de tanques dealimentación en forma automática.
  32. 32.  Evapotranspirómetro de Thornthwaite. Consta de :a) Tanque evapotranspirador de fierro galvanizado, con área rectangular de 4 m2 y 90 cm de profundidad. Este tanque va hundido hasta el nivel del suelo. Se llena de tierra y se siembran las plantas. En el fondo tiene un lecho de grava que ayuda a eliminar el exceso de agua.b) Tubería subterránea ramificada y perforada para conducir el agua al suelo.c) Tanque alimentador en donde se mide y agrega diariamente el agua consumidad) Tanque regulador en donde se mide y agrega diariamente el agua consumida.e) Tanque de excedentes, que recoge los excesos de agua, generalmente provocados por lluvias.f) Junto a los tanques de excedentes y de alimentación se colocan higrómetros que permiten tener las medidas exactas del agua.g) Tubería que conecta a todo el sistema.
  33. 33. La cantidad de agua consumida (Uc) será la que se agrega altanque alimentador (va) más la lluvia (vll), menos la cantidadmedida en el tanque de excedentes (ve). Uc = va + vll – ve Atmómetro de Livingstone. Consta de una esfera de cerámica porosa, que tiene un vástago barnizado del mismo material que se introduce dentro de un recipiente graduado que contiene agua; la esfera se encuentra pintada de blanco o de negro. Al recibir energía de la atmósfera, se produce una evaporación en la superficie de la esfera que se traduce en una succión en el depósito graduado, el cual mide la cantidad de agua evaporada.Se ha visto que existe mayor correlación entre la evapotranspiración y las lecturas de los atmómetros si se utilizan dos, uno negro y otro blanco. El valor se obtiene con la diferencia de lecturas.
  34. 34.  Método gravimétrico. Se basa en la determinación en los diferentes valores de humedad registrados en una serie de pesadas que se efectúan a través del ciclo vegetativo, en muestras de suelo, obtenidas a una profundidad igual a la que tienen las raíces de las plantas del cultivo considerado.En función de estas diferencias y de las características del suelo, se obtienen las láminas de agua consumidas por evaporación, en un periodo de tiempo determinado.La suma total de las láminas consumidas en los intervalos entre riegos, es igual a la “lámina total consumida” o “uso consuntivo” del cultivo estudiado.
  35. 35. Métodos Indirectos o ClimatológicosTambién conocido como métodos climáticos; para lo cual se hanpropuesto numerosas ecuaciones que requieren datosmeteorológicos. Además, se han hecho numerosas modificaciones a lasfórmulas que sean aplicables a diferentes regiones, Mohawesh, O.E.(2011). Por tanto los métodos más comunes para estimar laevapotranspiración son:ThornthwaiteTurcBlaney y CriddleRacional utilizando la curva de HansenGrassi y ChristensenTanque evaporímetro tipo APenman simplificadoHargreaves y SamaniJensen – HaiseMetodo de radiacion, entre otros.
  36. 36. MÉTODO DE THORNTHWAITE:
  37. 37. MÉTODO DE BLANEY – CRIDDLE:
  38. 38. MÉTODO DE HARGREAVES:
  39. 39. MÉTODO DE MAKKINK:
  40. 40. MÉTODO DE JENSEN – HAISE
  41. 41. MÉTODO DE PENMAN – FAO
  42. 42. MÉTODO PENMAN – MONTEITH:
  43. 43. MÉTODO DE PRIESTLEY – TAYLOR:
  44. 44. MÉTODO DE EVAPORACIÓN (PAN):
  45. 45. Comparación de métodos de estimación de la evapotranspiración con datos obtenidos de lisímetros. Zonas áridas Zonas húmedas Método (r ) Método (r )Fuente ASCE, 1989 1. Penman-Monteith (0,99) 1. Penman-Monteith (0,97) 2. Kimberly-Penman 1982 (0,99) 2.Turc (0,93) 3. FAO-24 Radiation (0,98) 3. Penman 1963 (0,94) 4. Penman 1963 VPD-3 (0,97) 4. FAO-17 Penman (0,93) 5. FAO-17 Penman (0,97) 5. Priestley-Taylor (0,88) 6. FAO-24 Penman (0,97) 6 .Penman 1963 VPD 3 (0,94) 7. Penman 1963 (0,98) 7 .Kimberly-Penman 1982 (0,93) 8. Kimberley-Penman 1972 (0,96) 8 .Kimberley-Penman 1972 (0,89) 9. FAO 24 Blaney-Criddle (0,97) 9 .FAO 24 Blaney-Criddle (0,91) 10. FAO 24 Penman corregido (0,97) 10. Hargreaves 1985 (0,92) 11.Businger-Van Bavel (0,93) 11. FAO-24 Radiation (0,93) 12. Jensen-Haise (0,96) 12 .Jensen-Haise (0,84) 13. Hargreaves 1985 (0,96) 13. Thornthwaite (0,77) 14. FAO 24 Pan (0,94) 14 .FAO-24 Penman (0,90) 15. SCS Balney-Criddle (0,89) 15. SCS Balney-Criddle (0,80) 16.Cristiansen pan (0,93) 16 .Businger-Van Bavel (0,87) 17. Pan evaporation (0,94) 17 FAO 24 pan (0,67) 18.Turc (0,93) 18 .Cristiansen pan (0,64) 19. Priestley-Taylor (0,94) 19. FAO 24 Penman corregido (0,92) 20. Thornthwaite (0,76) 20 Pan evaporation (0,70)
  46. 46. UNIDADESLa evapotranspiración se expresa normalmente en milímetros (mm)por unidad de tiempo. Esta unidad expresa la cantidad de agua perdidade una superficie cultivada en unidades de altura de agua. La unidad detiempo puede ser una hora, día, 10 días, mes o incluso un completoperíodo de cultivo o un año.
  47. 47. Referencias Bibliograficas Allen, R. G. and W. O. Pruitt (1986). Rational use of the FAO Blaney- Criddle formula. J. Irrig. and Drain. Div., 112 (2): 139 – 155. De la Peña, Idelfonso (1987). Manual del uso y manejo del agua de riego. Patronato para la producción y extensión agrícola y ganadera. Cd. Obregón, Sonora, México. 186 p. Doorenbos J. y W.O. Pruitt (1977): Guidelines for predicting crop water requirements. FAO Irrigation and Drainage Paper 24, 2nd ed., Rome, 156 p. Martinez Cob, A., J.M. Faciy A. Bercero (1998): Evapotranspiración y necesidades de riego de los principales cultivos en las comarcas de Aragón. Institución Fernando el Católico, CSIC (ed.), Zaragoza, 223 pp. Megh R. Goyal y Eladio A. González Fuentes (1990). Manejo de Riego por Goteo, Cap. Evapotranspiración – Libro de Ingeniería Agrícola y Biomédica, Universidad de Puerto Rico – Recinto de Mayagüez, P.O. Box 5984. Evaporation maps from NWS climate prediction center  http://www.cpc.ncep.noaa.gov/soilmst/e.shtml Climate maps from NCDC  http://www.nndc.noaa.gov/cgi-bin/climaps/climaps.pl
  48. 48. "There is only one good, that is knowledge; there is only one evil, that is ignorance." Socrates

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