BAHIRES UN SOFTWARE MULTIPROPOSITO DE RIEGO
2. El balance Hídrico del Suelo – Conceptos y Componentes
2.1. El agua almacenada del suelo (AS).
La cantidad de agua almacenada en el suelo en mm y disponible para el cultivo depende del
Agua Disponible o Agua Útil del suelo y de la profundidad de exploración de las raíces.
2.1.1 El agua útil del suelo (AU)3
Tradicionalmente el Agua Disponible Total (ADT) de un suelo se la define como la diferencia del contenido de humedad retenido a Capacidad de Campo (CC) y a Punto de
Marchitez (PMP). Estos dos límites, más o menos arbitrarios se determinan a laboratorio
generalmente como el contenido de humedad a tensiones de 0,33 y 15 bares
1En la versión de BAHIRES a distribuirse a partir de Marzo, 2011 el Aporte Capilar no estará implementado. 2Ver sección 2.1 por definición de AFD
3
Se incluye acá un rápido tratamiento de tema para la comprensión de su uso en BAHIRES, refiriéndose a los interesados a textos de suelo para un mayor análisis.
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respectivamente, utilizándose en la mayoría de los casos muestras disturbadas de suelo, aunque algunos laboratorios utilizan muestras no disturbadas fundamentalmente para la determinación del contenido de humedad a CC.
En las determinaciones de laboratorio el contenido de humedad se expresa generalmente como fracción de peso (
) donde Pa = Peso del agua contenida y Pss = Peso del suelo
seco. Sin embargo para cuantificar el agua disponible en mm de un suelo necesitamos conocer el contenido de agua por volumen de suelo, o contenido volumétrico de suelo ( ). La dos expresiones del contenido de humedad se relacionan en función de la relación entre la densidad aparente del suelo y la densidad del agua. Siendo esta última igual a 1, la relación entre las expresiones del contenido de humedad de un suelo es: . La necesidad de contar con información de la densidad aparente del suelo abre otra fuente de incertidumbre dada la variación espacial (horizontal y vertical) y a veces en tiempo de este parámetro.
Dependiendo de las posibilidades y los objetivos, en base a la experiencia personal, se aconsejaría, realizar el muestreo del suelo cuyo balance se va a simular y de contar con las posibilidades de medir el contenido de humedad, realizar determinaciones a campo de los límites máximos (al menos este debería ser determinado) y mínimos del contenido de humedad.
El contenido de humedad volumétrica en el límite máximo y mínimo del suelo (o CC y PMP) debe ser ingresado por el usuario de BAHRES. Para el ingreso de estos datos BAHIRES ofrece las siguientes alternativas:
El ingreso directo de valores por el usuario
La selección de valores de una tabla general en función de la textura del suelo El cálculo en base a ecuaciones de pedotransferencia propuestas en 2 referencias1.
a. Rawls y Brankensiek, 1983 b. Damiano, F. y Taboada, 2000.
Si bien en teoría toda el agua entre el límite máximo y mínimo está disponible para la planta, a medida que este disminuye, el potencial hídrico al que está retenido se hace menor (más negativo) dificultándose a la planta generar la diferencia o gradiente de potencial que le permita extraer del suelo el volumen de agua que le requieren las condiciones atmosféricas.
1 Las ecuaciones de pedotransferencia propuestas por Rawls y Brankesiek permiten definir otros puntos de la
curva hídrica del suelo a partir de parámetros de medición rutinario. Si bien la actual versión de BAHIRES utiliza únicamente los valores en el límite máximo y mínimo. Una futura versión utilizará esta información para definir la extracción de agua en función del potencial.
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Existe entonces un contenido de humedad (L), en realidad un potencial hídrico del suelo,al
cual la planta disminuirá su transpiración por debajo de la máxima ( ). Este contenido de humedad que es relativamente independiente del tipo de suelo, pero directamente dependiente del tipo de cultivo y de la demanda atmosférica que determina la
ETc define a nivel del suelo lo que denominamos Agua Fácilmente Disponible(AFD).
Esquemáticamente esta relación se muestra en la Figura 2. La fracción del ADT a la que se inicia la reducción del rendimiento (p)es entonces variable en función del cultivo y la ETc y por lo tanto debe calcularse para cada día, definiendo en forma dinámica un valor de AFD diaria. Como veremos esta definición no solo tiene importancia para la determinación de si es necesario regar sino también para calcular la reducción que de la Evapotranpiración que se produce una vez superado el límite de la AFD.
Matemáticamente: (4)
La actual versión de BAHIRES calcula el valor de p para cada día, en función de los valores para distintos cultivos y ETc = 5 mm/d presentados en Tabla 1 (Tomada de FAO
2006) corregidos según la ETc del día con la expresión:
(5)
Figura 2.- Esquema de la relación ADT, AFD y la fracción p
FAO,2006 presenta una tabla con valores de p para una evapotranspiración del cultivo de Referencia de 5 mm/día.
2.1.2 El desarrollo radical
Como se mencionara el Agua Almacenada en el Suelo (AS) depende del Agua disponible del suelo y de la Profundidad Efectiva del Perfil explorado por las Raíces (z). La determinación de este parámetro es muy importante al momento de la programación del riego. Una sobreestimación del mismo, hará que se demore el riego y el cultivo puede entrar en un estrés no deseado. Una subestimación provocará riegos frecuentes y seguramente un aumento de la percolación profunda.
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BAHIRES incluye un modelo de desarrollo o profundización de raíces que se presenta esquemáticamente en la Figura 3 y que requiere del usuario la definición de 3 valores de profundidad (a emergencia, intermedia y máxima) y el Nº de días desde emergencia que se alcanzan las profundidades intermedia y máxima.
A partir de este modelo de profundización de raíces, BAHIRES calculará en mm el Agua
del Suelo Total (AST), el Agua del Suelo a nivel del AFD (ASFD) y el Agua del Suelo
disponible de cada día (ASi) sustituyendo el valor apropiado de AD en la expresión general
presentada en la ecuación 6.
(6)
La profundidad máxima que alcanzan las raíces, se básicamente una características de los cultivos (Tabla 2) pero también está afectada por las condiciones del suelo, básicamente las físicas, por lo que a través de la definición de este valor, puede informársele indirectamente a BAHIRES que existe tal impedimento obligándolo a realizar el balance para la profundidad a la cual el usuario considera se concentra el mayor porcentaje de raíces.
Figura 3.-Esquema del modelo de profundización de raíces utilizado en BAHIRES.
FAO, 2006 presenta una Tabla con una larga lista profundidades máximoas de raíces para varios cultivos.
2.2.- La Precipitación efectiva (Pe)
La proporción de la lluvia que miden los pluviómetros que realmente se queda a disposición de los cultivos es lo que en nuestro caso debemos considerar Precipitación
Efectiva(Pe). Es este tal vez uno de los parámetros más difícil de cuantificar porque
muchos factores influyen para que no haya una relación directa entre lo que llueve y lo que se almacena en el suelo.
Sin embargo el balance hídrico de un suelo y muchas decisiones agronómicas, entre ellas el riego, tienen una alta sensibilidad a este componente del balance y por lo tanto es necesario hacer una buena aproximación a la hora de simular el proceso.
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El cálculo de la Precipitación Efectiva (Pe)BAHIRES lo realiza en 2 pasos que le permiten además calcular el Escurrimiento (ES) y la Percolación Profunda (PP): Los pasos son:
a. Determinación de la Precipitación Infiltrada(Pinf) al perfil del suelo
b. Determinación de la Precipitación Efectiva (Pe) por comparación de la Pi con la Máxima Capacidad de Almacenamiento (MCA) del día.
Para la determinación de la Precipitación Infiltrada(Pinf)BAHIRES ofrece 4
procedimientos:
i. Cálculo del Escurrimiento por el método del Número de la Curva (NRCS, 2004) y sustracción de este de la Precipitación.
ii. La posibilidad de ingresar un relación lineal ajustada por el usuario a su situación iii. Un porcentaje fijo de la precipitación, ingresado por el usuario.
El cálculo de la Precipitación Efectiva (Pe) requiere la comparación del valor de la Precipitación Infiltrada(Pinf) con la Máxima Capacidad de Almacenamiento del Suelo (MCAS) del día calculada con la ecuación 7.
(7)
La Precipitación Efectiva (Pe) según corresponda Precipitación Infiltrada(Pinf) será:
Si (8)
Si (9)
2.2.1.- Cálculo de la Precipitación infiltrada (Pinf).
En método del Número de la Curva (CN). La primer versión del método fue desarrollado
por el Servicio de Conservación de Suelos del USDA en 1964, una segunda versión en 1972 y ha sido actualizado recientemente por el ahora Servicio de Conservación de los Recursos Naturales (NRCS) (NRCA, 2004). Se lo conoce con ese nombre pero también como la Ecuación del Escurrimiento del NRCS.
Se presentan acá una breve descripción del método con el objetivo de dar un conocimiento mínimo a los usuarios no familiarizados con el mismo, sobre sus características y aplicación. Se refiere a NRCA, 2004 a todos aquellos que quieran profundizar sus conocimientos sobre el mismo.
El método fue desarrollado para estimar el escurrimiento total a partir de la lluvia total de un evento, en cuencas sin información de caudales. Es un método empírico desarrollado a partir de la observación que el gráfico de precipitación total vs. escurrimiento total en cuencas agrícolas medianamente pequeñas, describían una curva cóncava que se iniciaba luego de alcanzarse un valor de precipitación y que se transforma prácticamente en una recta a 45º, a valores más altos de lluvia (Figura 4).)
El método considera que hay una retención inicial en la cuenca (Ia) producto de la
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Durante el transcurso de la lluvia continúa habiendo un retención en la cuenca, producto básicamente de la infiltración (F) hasta alcanzar un valor máximo (S).
Para el desarrollo de una expresión matemática de las curvas empíricas, se partió de la asunción de que había proporcionalidad entre la retención real (F) y la máxima retención (S) era igual al escurrimiento (Q) al máximo escurrimiento posible (P – Ia).
(10)
Por otro lado es claro que una vez que el escurrimiento se inicia (superado Ia) la retención actual (F) es:
(11) Y combinando las expresiones 10 y 11
(12)
Buscando una relación entre Ia y S se obsrvó que había una dispersión grande de esa relación pero igual se asumió a los fines de simplicar los cálculos una relación media:
(13)
Que integrada a la expresión 12 nos da la relación fundamental del método para (14)
Con la expresión 14 se puede entonces calcular el escurrimiento a partir a de una lluvia para cada valor dado de la Máxima Retención Potencial (S). Esta S está por la velocidad de infiltración, la velocidad de transmisión del agua en capas subsuperficiales o la máxima retención de agua del suelo.
Del estudio de las diferentes curvas obtenidas de pequeñas cuencas con diferentes usos de suelo, y otras condiciones que como veremos determinan el valor de S y por lo tanto la relación entre P y Q, se pudo parametrizar el valor de S en relación a un factor que se denominó Número de la Curva (CN).
(15)
Esta expresión muestra que los valores del CN variarán entre 100 cuando S = 0 (superficie impermeable) a 0 cuando S tienda a hacerse muy grande.
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Figura 4.- Representación de las curvas de respuesta precipitación – escurrimiento (CN)
Existen muchas características o factores que afectan el valor del la retención máxima Potencial (S) y en definitiva el Número de la Curva (CN). Desde sus inicios los autores han identificado a estos factores como: grupo hidrológico de suelo, uso de la tierra, tecnología de manejo de suelo, condición hidrológica del complejo suelo-uso-tecnología y la condición de escurrimiento antecedente (anteriormente precipitación antecedente).
El grupo hidrológico de suelo. Originalmente los suelos de las cuencas estudiadas y luego
los principales relevamientos de suelos en USA continúan asignando a los suelos un grupo hidrológico. El grupo de hidrológico de un suelo se refiere a sus propiedades, generalmente físicas que determinan su comportamiento en relación al escurrimiento. Las principales características tenidas en cuenta para la determinación del grupo válidas para nuestras condiciones son: velocidad de infiltración y transmisibilidad de agua en el perfil a los mayores contenidos de humedad, y presencia de arcillas expandibles.
A continuación se describen las principales cualidades de los cuatro grupos hidrológicos de suelos, (A a D), mientras que en la Tabla 1 se presentan los datos cuantificados definidos en la última actualización (NRCS, 2004).
Suelos A. Tienen bajo potencial de producir escurrimiento aún enteramente húmedos. El
agua es transmitida libremente a través del suelo. Generalmente tienen menos de 10% de arcilla, y más de 90% de arena o gravas. Algunos suelos con textura franco-arenosa, areno- franca y franco limoso pueden ser incluidos en este grupo si están bien agregados, con baja densidad aparente o contienen más de 35% de grava.
Suelos B. Los suelos de este grupo tienen un potencial de generar escurrimiento cuando
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impedimentos. Los suelos típicos de este grupo tienen entre 10 y 20% de arcillas y entre 50 y 90% de arena. Generalmente son de texturas franco arenosas y areno francas. Los suelos de textura franca, franca-limosa, limosa o areno franco arcillosas pueden ser incluidos en este grupo si son bien agregados, de baja textura aparente o contienen mas de 35% de fragmentos de roca.
Suelos C. Los suelos de este grupo tienen un potencial de generar escurrimiento cuando
húmedos, moderado alto. La transmisibilidad del agua es medianamente restringida. Los suelos típicos de este grupo tienen de 20 a 40% de arcillas y menos del 50% de arena y su textura es franco, franco-limosa, franco-arcillo-arenosa, franco-arcillosa o franco arcillo limosa. Algunos suelos de textura arcillosa, arcillo-limosa o aricillo-arenosa pueden incluirse en este grupo si son bien agregados, de baja densidad aparentes o contienen más de 35% de fragmentos de roca.
Suelos D. Los suelos de este grupo tienen un potencial de generar escurrimiento cuando
húmedos alto. El movimiento del agua a través del perfil es restringido a muy restringido. Los suelos típicos de este grupo tienen más de 40% de arcilla, menos de 50% de arena y son de textura arcillosas. En algunas áreas tienen una alta capacidad de expansión. Todos los suelos con una capa impermeable a menos de 50 cm de la superficie y aquellos con una capa freática dentro de los primeros 60 cm desde la superficie deben ser incluidos en este grupo, aunque algunos pueden tener una clasificación mixta si pueden ser adecuadamente drenados.
La última revisión del método, NRCS, 2004 agrega grupos de suelos mixtos, se incluyen en estos grupos aquellos suelos que si fueran drenados derivarían a otro grupo de suelos. La nomenclatura de estos suelos incluye una fracción cuyo numerador es la actual clasificación y el denominador el grupo al que evolucionaría el suelo una vez completada la práctica del drenaje. Esta diferenciación tiene importancia desde el punto de vista hidrológico pero no para el uso en nuestro software BAHIRES.
Usos de la tierra y manejo de suelos. En función de estos dos parámetros se diferencian
diferentes complejos, que van a afectar de forma diferente la generación de escurrimiento a partir de una lluvia dada.
Los usos de la tierra incluidos considerados son todos los tipos de cobertura de suelo que puede encontrarse a nivel de una cuenca, es decir todo tipo de vegetación, barbecho, suelo desnudo, pero también coberturas no agrícolas como cuerpos de agua, superficies impermeables como rutas, techos, etc. Para nuestra aplicación en BAHIRES solo nos interesan las usos agrícolas de suelos (incluye pasturas).
Los tratamientos de manejo del suelo, se refieren particularmente a las tierras agrícolas y se trata de formas de laboreo en línea, contorno y/o terraceo como de manejo, rotaciones, fajas con pasturas, siembra directa.
Las clases en relación al uso de la tierra y tratamiento se agrupan en 3 grandes subgrupos, Tierras agrícolas, Pasturas y Forestales. En cada uno de estos subgrupos se diferencian diferente número de clases.
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Tabla 1.- Principales características cuantificables de los grupos hidrológicos de suelo
(NRCS, 2005; Capitulo 7) Profundidad de Capa Impermeable (h) Cm Profundidad a la capa freática (p) Cm Ks en la capa de menor transmisibilidad del perfil mm/h Profundidad del perfil considerada Cm Grupo Hidrológico del Suelo. h < 50 - - - D 50 a 100 p < 60 Ks>144 0 a 60 D/A 36 <Ks<144 0 a 60 D/B 4 <Ks<36 0 a 60 D/C 4 <Ks 0 a 60 D p > 60 Ks>144 0 a 60 A 36 <Ks<144 0 a 60 B 4 <Ks<36 0 a 60 C 4 <Ks 0 a 60 D h > 100 p < 60 Ks>36 0 a 100 D/A 14 <Ks<36 0 a 100 D/B 2 <Ks< 14 0 a 100 D/C 2 <Ks 0 a 100 D 60 a 100 Ks>144 0 a 50 A 36 <Ks<144 0 a 50 B 4 <Ks<36 0 a 50 C 4 <Ks 0 a 50 D p > 100 Ks>36 0 a 100 A 14 <Ks<36 0 a 100 B 2 <Ks< 14 0 a 100 C 2 <Ks 0 a 100 D
La Tabla 2 presenta las diferentes clases en función de las diferentes combinaciones con una pequeña definición de cada uno de ellas, por una mejor caracterización de cada uno de ellos se refiere a NRCS, 2004
Cada una de esas clases pueden encontrarse además en condiciones pobres, medias o ricas desde el punto hidrológico, Por ejemplo el caso extremo de una pobre rotación es un monocultivo mientras que una rotación que incluya un período de pasturas será considerada la mejor condición.
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La condición de escurrimiento antecedente.
En la propuesta original, desarrollada principalmente en la zona sub-húmeda de USA se estimó que la condición de humedad del suelo al momento de la lluvia era un factor de importancia en la relación entre Precipitación y Escurrimiento.
Tabla 2. Definición de las principales clases de uso y manejo de tierras
Uso de la Tierra Manejo Breve definición
Agrícolas
Cultivos de escarda Cultivos en línea con surcos trabajados sin residuos
Cultivos densos Cultivos densos, de alta densidad.
Cultivos en Línea Cultivos sembrados en línea en pendientes bajas Rotaciones Secuencia de cultivos para mantener fertilidad y/o
controlar erosión Cultivos en
Contorno
Cultivos sembrados cortando la mayor pendiente del terreno
Laboreo conservacionista
Siembra directa
Mulch-Laboreo. Barbecho gran parte del año, laboreo antes de la siembra
Mulch – Bordos, Siembras en bordos trabajados dejando franjas con residuos
Pasturas
Alta intensidad de
pastoreo Cobertura real del suelo < 50% Mediana intensidad Cobertura del suelo entre 50 y 75%
Baja intensidad Cobertura del suelo > 50%
Forestales
Areas Pastoreada con cierta intensidad, periódicamente quemadas, extracción de arbusto y árboles pequeños.
Areas pastoreadas pero no quemadas con cierta conversación de protección vegetal.
Areas protegidas de pastoreo, con cobertura de arbustos y restos vegetales
Por esta razón se definieron tres condiciones de humedad antecedente en base a la precipitación de los 5 días anteriores al evento bajo estudio. Estas clases se definieron de acuerdo a la Tabla 3.
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Tabla 3.- Definición de las clases de Humedad Antecedente
Clase Precipitación (mm) en los 5 días previso
Barbecho Suelo cultivado Promedio
I < 13 < 36 < 23
II 13 < P < 28 36 < P < 53 23 < P < 40
III >28 >53 >23
Trabajos posteriores de varios autores citados por NRCS, 2004 demostraron en algunos casos que períodos más largo a 5 días explicaban el comportamiento, mientras que otro autores no encontraron correlación alguna y en general. Por esta razón se prefirió modificar el concepto de la Humedad precedente por el de Condiciones de Escurrimiento Antecedente (CEA) y mientras las clases I, II y III se consideraban situaciones de secas, medias y húmedas, la visión del CN como una variable aleatoria hizo y pudo probarse que las clases I y III representan los valores con 90 y 10% de excedencia.
En base a lo anterior el NRCS ha actualizado la tabla de valores para las diferentes clases. La misma se presenta en la Tabla 4.
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Tabla 4.- Valores del Número de la Curva de los diferentes complejos uso, manejo,
condición y suelo para la Clase II de Condición de Escurrimiento Antecedente
Descripción de cobertura de suelos Grupo Hidrológico de Suelos
Uso de la
Tierra Manejo Hidrológica Condición A B C D
Barbecho
Suelo Desnudo 77 86 91 94
Con rastrojo (CR) Pobre 76 85 90 98
Buena 74 83 88 90
Cultivos Escarda
Cultivos en línea (CL) Pobre 72 81 88 91
Buena 67 78 85 89
CL + CR Pobre 71 80 87 90
Buena 64 75 82 85
Cultivo en contorno (CC) Pobre 70 79 84 88
Buena 65 75 82 86
CC + CR Pobre 69 78 83 87