MÉTODOS DE EVAPOTRANSPIRACIÓN

La evapotranspiración es la combinación de la evaporación desde la superficie de suelo y la transpiración de la vegetación. Los mismos factores que dominan la evaporación desde una superficie de agua abierta también dominan la evapotranspiración, los cuales son: el suministro de energía y el transporte de vapor.

Factores que influyen en la Evapotranspiración:

La evaporación depende del poder evaporante de la atmósfera, que a su vez depende de los siguientes factores: Radiación solar, temperatura, humedad, presión atmosférica.

Métodos para estimar la evapotranspiración potencial

Los más comúnmente aplicados son los siguientes:

- Método del Lisímetro

- Método del tanque evaporímetro

- Métodos empíricos

1.1. Método de Lisímetro

Consiste en un recipiente enterrado y cerrado lateralmente, de modo que el agua drenada por gravedad (la que hubiera infiltrado hasta el acuífero), es captada por un drenaje. En su construcción debe tenerse cuidado de restituir el suelo que se excavo en unas condiciones lo más similares posibles a las que se encontraba. Próximo a él debe existir un pluviómetro.

La Eto se despeja de la siguiente ecuación de balance hídrico en el lisímetro.

Precipitación = Eto + Infiltración + Δ almacenamiento

Para calcular Δ almacenamiento, normalmente se mide la humedad del suelo y a partir de ahí, se calcula una lámina de agua equivalente expresada en mm.

1.2. Método de tanque evaporímetro

Este método consiste en encontrar una relación entre la tasa de evapotranspiración producida en un lisímetro y la tasa de evaporación producida en un tanque de evaporación clase A, en base al cual se determina un coeficiente empírico con el que se puede efectuar luego las lecturas de evaporación y obtener indirectamente la evapotranspiración potencial para condiciones ambientales específicas, permite estimar los efectos integrados del clima (Radiación, temperatura, viento y humedad relativa), en función de la evaporación registrada de una superficie de agua libre de dimensiones estandar.

Eto = Ktanque * E (5)

Eto : Evapotranspiración potencial (mm/día)

Ktanque : Coeficiente empírico de tanque

E : evaporación libre de tanque clase A (mm/día)

Existe una metodología alternativa propuesta por FAO para determinar la evapotranspiración potencial a partir de registros de evaporación de tanque clase A.

Las características físicas del tanque clase A son:

- Diámetro externo = 120.5 cm.

- Altura = 25.4 cm - Base a 5.0 cm del suelo

- Estar rodeado de pasto corto en un radio de 50.0 m.

- Debe ser llenado hasta 5.0 cm por debajo de su borde y evitar que el nivel baje más allá de 7.5 cm por debajo del mismo.

1.3. Métodos Empíricos

1.3.1. Método de Thorntwaite

El procedimiento de cálculo es el siguiente: a. Se calcula el ‘Indice de calor mensual’ ,i, a partir de la temperatura media mensual (°C):

b. Se calcula el ‘Indice de calor anual’, I, sumando los 12 valores de i.

c. Se calcula la Eto mensual sin corregir mediante la siguiente ecuación:

Donde a = 675 * 10^-9* I3 – 771 * 10^-7 *I2 + 1792 * 10^-5 *I + 0.49239

d. Corrección para el N° de días del mes y N° de horas de sol.

El método de Thornthwaite reporta resultados más o menos aceptables en regiones húmedas, dando valores demasiado bajos en regiones secas, agravándose aún más en regiones desérticas.

1.3.2. Método de Blaney-Criddle (Modificado por FAO)

Esta fórmula toma en cuenta la temperatura media del periodo considerado y las horas de luz de día, expresadas como un porcentaje del total anual de horas luz. (Ver Tabla 2.10 A y B), es más adecuada para zonas áridas y semi áridas y para periodos que no sean inferiores a un mes.

Según la modificación hecha por FAO, primero se calcula el factor de uso consuntivo de Blaney-Criddle en mm/día:

f = p * [ 0.46 * Tm + 8.13 ]

Donde : 

p : Porcentaje de horas de luz diaria.

Tm : Temperatura media diaria en °C.

Posteriormente se utiliza la siguiente ecuación de regresión lineal:

Eto (mm/día) = a + b * f

Donde : a y b son los coeficientes de regresión lineal entre Eto y f

Para aplicar este método es necesario obtener los siguientes datos (por medición o estimación) de la velocidad del viento diurno (durante las horas de luz únicamente), la humedad relativa mínima (HRmín), el número de horas de isolación real (n) y el máximo posible de horas de insolación (N)

No se recomienda para regiones elevadas (donde las temperaturas mínimas diarias son bajas), ni para las regiones ecuatoriales (en las cuales la variación diaria de la temperatura es reducida).

1.3.3. Método de Hargreaves

La siguiente fórmula fue desarrollada por Hargreaves (Hargreaves G.L, Hargreaves G.H & Riley J.P, 1985) y (Hargreaves G.H. & Samani Z.A, 1991), a base de mediciones realizadas en lisímetros (Universidad de California).

Eto = 0.0023 * Ra * (Tm + 17.8) * TD

Donde :

Eto : Evapotranspiración del cultivo de referencia (mm/día)

Ra : Radiación extraterrestre (mm/día) (Tabla 2.24 A y B)

Tm : Temperatura media diaria en °C.

TD : Diferencia de temperatura promedio diaria en el periodo considerado (°C).

TD = Temperatura máxima media (°C) – Temperatura mínima media (°C)

Finalmente, la Evapotranspiración para el cultivo dado se calculará mediante la ecuación:

Eto = Eto * Kc

Donde Kc: Coeficiente del cultivo de Hargreaves (Tabla 2.25).

1.3.4. Método de Turc

La ecuación es:

Dónde:

P = Precipitación total anual (mm/año)

L = 300 + 25T + 0.05T3

T = Temperatura media anual (°C)

1.4. Método semi-empírico

1.4.1. Método de Penman (FAO)

La ecuación de Penman, modificada por la FAO, estima el uso consuntivo del cultivo de referencia (pasto o grama) y predice la Eto, no solamente en las regiones frías y humedad, sino también, en las zonas calientes y áridas.

En dichas zonas áridas, los factores aerodinámicos o advectivos (la humedad y el viento) predomina sobre el término energético (la radiación). El método de Penman distingue entre la influencia del viento durante las horas del día Udía y la del viento durante las horas de la noche Unoche, toma en consideración a la humedad relativa y a la radiación solar. Por lo tanto el método de Penman (modificado por la FAO) incluye un factor de ajuste 'c' , basado en la humedad relativa máxima, la radiación solar y la relación entre la velocidad del viento durante las horas del día y de la noche.

La ecuación general del Método de Penman es la siguiente:

Eto = c[ w.(Rn) + (1− w).* f (u).(ea – e)] ]

Donde:

Eto : Evapotranspiración potencial del cultivo de referencia (mm/día)

c : Factor de Ajuste de Penman

w : Factor de ponderación de Penman (Tabla 2.18)

Rn : Radiación neta total (mm/día)

f(u) : Función del viento

ea : Presión del vapor del agua a saturación (mbar)

Rns : Radiación neta onda corta (mm/día)

Rnl : Radiación neta onda larga (mm/día)

1.5. Bibliografía:

- Dr. Eduardo A. Chávarri Velarde(2004). Hidrología Aplicada, Universidad Nacional Agraria La Molina, Facultad de Ingeniería Agrícola, Departamento de Recursos de Agua y Tierra.

- Aparicio, F.J. (1997).- Fundamentos de Hidrología de Superficie. Limusa, 303 pp. Martín, M. (1983).- Componentes primarios de Ciclo Hidrológico. En: Hidrología Subterránea, (E. Custodio & M.R. Llamas, eds.). Omega: 281-350.

-“Evapotranspiración de referencia estimada con Fao-Penman-Monteith, Priestley-Taylor,
Hargreaves y RNA*”, departamento de Irrigación- Universidad Autónoma Chapingo.
Carretera México-Texcoco, km 38.5, Chapingo, Estado de México, C. P. 56230.
(ssantiagor@hotmail.com), (rcervanteso@colpos.mx). §Autor para correspondencia:
arteagar@correo.chapingo.mx.

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CURVA DE RETENCIÓN HÍDRICA

La relación entre el contenido de humedad, θ, y la succión, ψ (potencial matricial), necesaria para extraerla, es una propiedad básica del suelo, de una importancia tal que justifica el nombre de humedad característica, como en ocasiones se le denomina. La curva de retención hídrica, θ (ψ), refleja la capacidad de un suelo, o cualquier otro medio poroso, para retener el agua en función de la succión (tensión) ejercida. Se expresa también como θ (pF), siendo pF el logaritmo del potencial matricial, expresado en centímetros de carga hidráulica equivalente y en valores absolutos. Esta relación es fuertemente no-lineal y está afectada por el fenómeno de histéresis.

Las curvas de retención de humedad se utilizan principalmente para: 

• Determinar un índice de humedad disponible en el suelo, es decir, la porción de agua que puede ser absorbida por las plantas.

• Estimar determinados valores de humedad característicos de la relación suelo-agua-planta, como la capacidad de campo o el punto de marchitamiento permanente.

• Clasificar los suelos; detectar cambios en la estructura del suelo.

• Determinar la relación entre la tensión de la humedad del suelo y otras propiedades físicas.

La curva de retención de agua se puede determinar en el campo o en el laboratorio. La experimentación, en el primer caso, requiere la instalación de psicrómetros o tensiómetros, para el control del potencial del agua en el suelo, y de un dispositivo de medida de la humedad en el mismo punto, debiendo tener ambos un volumen de suelo de referencia similar.

Material y método de medición

Para la medición de la relación θ (ψ) en laboratorio se ha empleado el método del recipiente de tensión hídrica, combinado con la membrana a presión. El citado método se basa en el principio del medio poroso, que consiste en la aplicación de una succión al suelo a través de un medio poroso, variable en función de la tensión ejercida. Se fundamenta en la equiparación de la tensión de la humedad del suelo a una presión (negativa o positiva), aplicada a un medio poroso saturado en agua, con el que se encuentra en estrecho contacto.

Este dispositivo permite medir simultáneamente en varias decenas de muestras con estructura conservada, los valores de la curva de retención de humedad de pF 0 a pF 2.7. El resto hasta pF 4.2, se completa con la utilización de la membrana a presión (Richards, 1947).Para valores extremadamente bajos de potencial (por encima de pF 4.2) se puede emplear un desecador. Sin embargo, las curvas obtenidas mediante ese aparato no pueden conectarse a las determinadas mediante recipientes de tensión o membrana a presión.

En total, este método permite medir hasta nueve puntos de la curva de retención, número más que suficiente para afrontar la estimación de la curva completa, que es el objetivo final. Para esto último se ha utilizado el modelo de Van Genuchten (1980):

Donde h es la altura hidráulica (o potencial), θ, θs, θr son el contenido de humedad del suelo en función de h, a saturación y el residual, respectivamente; α, n y m son parámetros a estimar. Se ha empleado la modificación sugerida por Van Genuchten y Nielsen (1985), por la que m= 1-1/n, reduciendo así a dos el número de parámetros. Para realizar el ajuste se ha utilizado el algoritmo no lineal de optimización de parámetros de Freyer (1990).

Se han medido y estimado 83 curvas de retención de humedad, correspondientes a perfiles de suelos de distintos lugares del SE español, sobre diferentes materiales y tipos de suelos.

Curva pF	α	n	Cuadrado residuos**	Error estándar
Abanilla	0.222	1.072	0.0004	0.004
Coloraos	0.054	1.180	0.0007	0.005
Guillermos	0.033	1.362	0.0001	0.002
Petrer	0.149	1.146	0.0003	0.003
Revelaos	0.255	1.129	0.0009	0.005
Ardal	1.001	1.236	0.0002	0.002
Petrocálcico	0.004	1.047	0.0001	0.005
Marga	0.325	1.17	0.0029	0.026

La versatilidad del método permite medir las curvas de retención de diferentes tipos de materiales, aunque no sean estrictamente edáficos, a pesar de haberse diseñado específicamente para estos, Son susceptibles de ser analizados diferentes materiales, teniendo como restricción casi única su velocidad de respuesta, en función de las características del espacio poroso de los mismos.

Suelo de Prueba (marga)
Parámetros de ajuste del modelo van genuchten	α	0.325
	n	1.17
	m	0.14529915
Humedad residual	θr	0.2
Humedad saturado	θs	0.5

Bibliografía

- MARTINEZ FERNANDEZ, J. Medida de curvas de retención de humedad en laboratorio y su estimación, Departamento de geográfica. Universidad de Salamanca.

- MARIA FERNANDA HERNANDEZ Y JOSE FRANCISCO MUÑOZ. Influencia de las curvas de retención de humedad en la estimación de la evaporación de acuíferos someros. Departamento de Ingeniería Hidráulica y  Ambiental, Escuela de Ingeniería Pontificia Universidad Católica de Chile.

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COEFICIENTE DE CULTIVO Kc

1.  COEFICIENTE DE CULTIVO Kc
   
   
   El coeficiente de cultivo integra los efectos de las características que distinguen a un cultivo típico de campo. En consecuencia, distintos cultivos poseerán distintos valores de coeficientes de cultivo. Por otra parte, las características del cultivo que varían durante el crecimiento del mismo también afectaran al valor del coeficiente de Kc. Además, debido a que la evaporación es un componente de la evapotranspiración del cultivo, los factores que afectan la evaporación en el suelo también afectarán al valor de Kc.                                                                                                                                                                                                                                                                      
   

   
   
   
2. FACTORES QUE DETERMINAN EL COEFICIENTE DE CULTIVO

• Tipo de cultivo.- Debido a las características de los estomas y hojas de las plantas, se presentaran diferencias entre la evapotranspiración de un cultivo bien desarrollado y regado. Los espaciamientos estrechos entre plantas, así como la mayor altura y rugosidad de la superficie de una gran cantidad de cultivos agrícolas, producen como consecuencia que esos cultivos presenten coeficientes Kc mayores a 1. En esos casos, el factor Kc es con frecuencia de 5 a 10% mayor del valor de referencia (donde Kc =1.0), pudiendo ser hasta 15-20% mayor para el caso de cultivos altos como el maíz, la caña de azúcar.
• Clima.- Las condiciones climáticas tienen vital importancia en los valores de coeficiente de cultivo, debido a que las variaciones en la velocidad del viento afectan el valor de la resistencia aerodinámica de los cultivos. En condiciones de una mayor aridez climática y de una mayor velocidad del viento, los valores de Kc aumentan. Por otro lado, en climas húmedos y en condiciones de velocidades del viento bajas, los valores de Kc disminuyen. 
  El impacto del clima sobre los valores de Kc para cultivos completamente desarrollados se ilustra en la (Figura 1). Los límites superiores representan condiciones de extrema aridez y de velocidad del viento fuerte, mientras los límites inferiores son válidos para condiciones de alta humedad y vientos suaves.

  

  Figura 01
  Fuente: Estudio FAO Riego y Drenaje, ISNN 0254-5293, (Pág. 92)

• Evaporación del suelo.- Las diferencias en la evaporación del suelo y la traspiración del cultivo, que existen entre los cultivos de campo y el cultivo de referencia (pasto), están incorporados en el coeficiente de cultivo. El valor del coeficiente Kc para cultivos que cubren completamente el suelo refleja principalmente las diferencias en traspiración, debido a que la evaporación que ocurre en el suelo es relativamente pequeña.
  
  

  

  Figura 02
  Fuente: Estudio FAO Riego y Drenaje, ISNN 0254-5293, (Pág. 97)

  
  
  El suelo se encuentra humedecido la mayoría del tiempo debido al riego o la lluvia, la evaporación en el suelo será significativa y el valor de Kc puede exceder a la unidad. Por otro lado si la superficie del suelo está seca, la evaporación será restringida, traduciéndose en una valor de Kc pequeño, pudiendo incluso alcanzar valores muy bajos como 0.1 (Figura 2).
  
  
• Etapas de crecimiento del cultivo.- A medida que el cultivo se desarrolla, tanto el área del suelo cubierta por la vegetación como la altura del cultivo y el área foliar variarán progresivamente. Debido a las diferencias en evapotranspiración que se presentan durante las distintas etapas de desarrollo del cultivo, el Kc varía a lo largo del periodo de crecimiento del mismo. Este periodo de crecimiento puede ser dividido en cuatro etapas:
  
  
• Etapa inicial: La etapa inicial está comprendida entre la fecha de siembra y el momento que el cultivo alcanza el 10% de cobertura del suelo. 
  Durante el periodo inicial el área foliar es pequeña y la evapotranspiración ocurre principalmente como evaporación del suelo. Por lo tanto, el valor de Kc durante el periodo inicial (Kcini) es alto cuando el suelo se encuentra húmedo debido al riego a lluvia, y es bajo cuando la superficie del suelo se encuentra seca.
  
  
• Etapa de desarrollo del cultivo.- Esta comprendida desde el momento en que la cobertura del suelo es de un 10% hasta el momento de alcanzar la cobertura efectiva completa. El estado de cobertura completa ocurre al inicio de la floración.
  
  
• Etapa de mediados de temporada.- La etapa de mediados de temporada comprende el periodo de tiempo entre la cobertura completa hasta el comienzo de la madurez. El comienzo de la madurez está indicado por al comienzo de la vejez, amarillamiento o senescencia de las hojas, caída de hojas, o la aparición del color marrón del fruto, hasta el grado de reducir la evapotranspiración del cultivo.
  
  
• Etapa finales de temporada.- La etapa final o tardía de crecimiento comprende el periodo entre el comienzo de la madurez hasta el momento de la cosecha. Se asume que el cálculo de los valores de Kc finaliza cuando el cultivo es cosechado, secado al natural o experimenta la caída de las hojas.(Figura 3)

  

  Figura 03
  Fuente: Estudio FAO Riego y Drenaje, ISNN 0254-5293, (Pág. 94)

  
  
  

1. ENFOQUE DE LOS COEFICIENTES ÚNICO Y DUAL DEL CULTIVO

• Coeficiente único del cultivo.- En el enfoque del coeficiente único del cultivo, los efectos de la traspiración del cultivo y la evaporación del suelo son combinados en un coeficiente único Kc. Este coeficiente integra las diferencias en la evaporación en el suelo y en la tasa de traspiración del cultivo. Como la evaporación en el suelo puede fluctuar diariamente como resultado de la lluvia o el riego, el coeficiente único del cultivo es solamente una expresión de los efectos promedias en el tiempo (múltiples días), de la evapotranspiración del cultivo. (Figura 4)

  

  Figura 04
  Fuente: Estudio FAO Riego y Drenaje, ISNN 0254-5293, (Pág. 100)

  
  
• Coeficiente dual del cultivos (Kcb+Ke).- De acuerdo al enfoque del coeficiente dual del cultivo, se determinan por separado los efectos de la traspiración del cultivo y de la evaporación en el suelo. Se utilizan dos coeficientes: el coeficiente basal del cultivo (Kcb) para describir la traspiración de la planta, y el coeficiente de evaporación del agua del suelo (Ke) para describe la evaporación que ocurre en la superficie del suelo.

Kc=Kcb+Kc

          K_cb: coeficiente basal del cultivo.
          K_e: coeficiente de la evaporación del agua del suelo.

• Curva del coeficiente de cultivo.- Esta curva representa los cambios del coeficiente del cultivo a lo largo de la temporada de crecimiento del cultivo. La forma de la curva representa los cambios en la vegetación y el grado de cobertura del suelo durante el desarrollo de la planta y la maduración, los cuales afectan el cociente entre ETc y ET0. A partir de esa curva se puede derivar el valor de Kc, y en consecuencia el valor de ETc, para cualquier periodo de la temporada de crecimiento.

BIBLIOGRAFÍA

1. FAO. Estudio FAO Riego y Drenaje, ISNN 0254-5293. ftp://ftp.fao.org/agl/aglw/docs/idp56s.pdf

2. Secretaría de Fomento Agropecuario, México. www.simarbc.gob.mx/Coeficiente%20del%20cultivo%20(Kc).pdf

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CONCEPTOS BÁSICOS:

1. ZONA SATURADA.- 

En esta zona, los poros del suelo se encuentran completamente llenos de agua, debido a esto se encuentra baja presión atmosférica e igualmente por el peso de sobrecarga y la cabeza hidrostática.

2. ZONA NO SATURADA, DE AIREACIÓN O VADOSA.- 

Es la zona donde los poros del suelo pueden contener aire, agua u una combinación de estas y donde la presión del agua, es menor que la presión atmosférica, produciendo presiones de tensión o de succión.

La zona no saturada presenta mayor complejidad, debido a que en esta zona se presentan los tres estados físicos de la materia, la matriz del suelo (sólido), la humedad (líquido) y el aire (gaseoso), el cual incluye el vapor de agua. Además la conductividad hidráulica es variable debido al contenido de humedad presente en el suelo.

La humedad del suelo en esta zona puede estar presente en distintas formas y estados, dependiendo de las características físicas y químicas del suelo. El agua que es trasportada por los poros o intersticios (infiltración y percolación) y que desciende por acción de la gravedad es llamada agua gravitacional; cuando estos poros son muy pequeños el agua asciende y se denomina agua por capilaridad; los otros tipos de humedad presentes están dados por el agua higroscópica, una fina capa de agua adherida a los granos de suelo debido a la atracción molecular, la cual es difícilmente removida en condiciones climáticas normales.

En la zona no saturada pueden reconocerse dos zonas principales: la zona de raíces y la zona de capilaridad.

2.1. ZONA DE RAÍCES.- 

Es la región comprendida entre la superficie del terreno y la profundidad a la cual han penetrado los sistemas radiculares de las plantas. La profundidad de las raíces puede llegar hasta los diez metros, dependiendo de la vegetación.

Es la zona principal en estudios de evaporación y transpiración, debido al intercambio de agua y otros componentes de la superficie con la atmósfera, provocados por la presencia de vegetación, la cual requiere de un medio no saturado y de reservas de agua para la supervivencia de cultivos en periodos de sequía.

2.2. ZONA DE CAPILARIDAD.- 

En la parte superior del nivel freático del suelo se encuentra la zona capilar, región en la cual el agua asciende debido a una fuerza capilar producida por acción molecular entre el líquido y el sólido que toca.

La magnitud de la fuerza de capilaridad está fuertemente ligada con el tipo de suelo, dependiendo del tamaño de poros (a menor tamaño de poros, mayor capilaridad), ya que dos tipos de suelo con igual porosidad pueden tener niveles de ascenso muy distintos debido a la dimensión de sus poros.

3. HUMEDAD DEL SUELO.- 

De acuerdo a la cantidad de agua en la zona no saturada, se han tratado de establecer límites específicos para le realización de estudios de humedad del suelo, los cuales no están claramente definidos, determinándose así, puntos de equilibrio como la capacidad de campo y el punto de marchitez.

3.1 CAPACIDAD DE CAMPO

Es el contenido de humedad del suelo después de un drenaje por gravedad. EL tiempo al cual se mide esta humedad no es específico, ya que varía dependiendo de la profundidad a la que se encuentre el nivel de agua freática.

3.2 EL PUNTO DE MARCHITEZ

Es el nivel al cual las plantas no pueden extraer la humedad del suelo, el punto de marchitez es equivalente al contenido de humedad a una presión aproximada de 1.5 MPa.

3.3 HUMEDAD DISPONIBLE

Definida como la cantidad de agua presente en la zona de raíces entre la capacidad de campo y el punto de marchitez.

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