CAPÍTULO 3. REVISIÓN DE LITERATURA
3.6 ANÁLISIS METEOROLÓGICO
3.6.3 Variables meteorológicas
Al analizar el clima de un lugar es necesario conocer el comportamiento temporal y la distribución espacial de la mayor cantidad de variables meteorológicas posibles, entre más variables se conozcan de un lugar mejor se puede estudiar sus condiciones atmosféricas. Algunas de las variables son: temperatura, precipitación, evaporación, presión atmosférica, humedad atmosférica, velocidad del viento, etc.
A continuación se describen los análisis de temperatura, precipitación y evaporación:
3.6.3.1 Temperatura
La temperatura se analiza de diferente forma con respecto a la precipitación, la media diaria, media mensual, media anual, entre otras. Enseguida se presentan las ecuaciones (3.14) a la (3.18) para determinar cada una.
Temperatura diaria, día i mes j año k:
(3.14) k
Temperatura mensual del año k:
(3.15) Temperatura anual del año k:
(3.16) Temperatura media mensual, mes j:
(3.17)
Temperatura media anual:
(3.18) donde:
Tijk = Temperatura del día i del mes j del año k, °C,
i = Número de día del mes j, (i= 1,2,3,...,NDMj ), j = Número de mes (j= 1,2,3,...,12),
k = Número de año (k= 1,2,3,...,NAR),
NDMj = Número de días del mes j, (28, 29,30 ó 31). NAR = Número de años de registro.
3.6.3.2 Precipitación
El análisis de la precipitación se realiza utilizando los registros históricos de la precipitación diaria observada en las estaciones meteorológicas. A partir de esta información se sintetizan los diferentes expresiones de ella, como son la precipitaciones mensuales, anuales, medias mensuales, y medias anuales, Ecuaciones (3.19) a la (3.23) (Chávez, 2009). NDM Tijk k NDMj i
Tj
112
12 1 ijk j kT
T
NAR
T
T
NAR k jk j
1NAR
T
T
NAR k k anual
1Precipitación diaria, día i mes j año k, mm:
(3.19) Precipitación mensual del año k:
(3.20) Precipitación anual del año k:
(3.21) Precipitación media mensual, mes j:
(3.22) Precipitación media anual:
(3.23) donde:
Pijk = Precipitación del día i del mes j del año k, mm,
i = Número de día del mes j, (i= 1,2,3,...,NDMj ), j = Número de mes (j= 1,2,3,...,12),
k = Número de año (k= 1,2,3,...,NAR),
NDMj = Número de días del mes j, (28, 29,30 ó 31). NAR = Número de años de registro.
3.6.3.3 Evaporación
A partir de la información de estaciones meteorológicas se sintetizan diferentes expresiones como información se sintetizan los diferentes expresiones de ella, como son la evaporación mensual, anual, medias mensuales, y medias anuales, Ecuaciones (3.24) a la (3.28).
NDMj i ijk kP
Pj
1 ijk j kP
P
12 1NAR
P
P
NAR k jk j
1NAR
P
P
NAR k k anual
1 kPij
Evaporación diaria, día i mes j año k, mm:
(3.24) Evaporación mensual del año k:
(3.25) Evaporación anual del año k:
(3.26) Evaporación media mensual, mes j:
(3.27) Evaporación media anual:
(3.28) donde:
Eijk = Evaporación del día i del mes j del año k, mm,
i = Número de día del mes j, (i= 1,2,3,...,NDMj ), j = Número de mes (j= 1,2,3,...,12),
k = Número de año (k= 1,2,3,...,NAR),
NDMj = Número de días del mes j, (28, 29,30 ó 31). NAR = Número de años de registro.
NDMj i ijk kE
Ej
1 ijk j kE
E
12 1NAR
E
E
NAR k jk j
1NAR
E
E
NAR k k anual
1 kEij
3.7 BALANCE HÍDRICO
El ciclo hidrológico es el foco central de la hidrología. El ciclo no tiene principio ni fin y sus diversos procesos ocurren en forma continua. En la Figura 3.2. se muestran los flujos del agua atmosférica, superficial y subsuperficial (Chow, 2000). El ciclo hidrológico, como ya se mencionó, se considera el concepto fundamental de la hidrología. El agua que se encuentra sobre la superficie terrestre o muy cerca de ella se evapora bajo el efecto de la radiación solar y el viento. El vapor de agua, que así se forma, se eleva y se transporta por la atmósfera en forma de nubes hasta que se condensa y cae hacia la tierra en forma de precipitación. Durante su trayecto hacia la superficie de la tierra, el agua precipitada puede volver a evaporarse o ser interceptada por las plantas o las construcciones, luego fluye por la superficie hasta las corrientes o se infiltra. El agua interceptada y una parte de la infiltrada y de la que corre por la superficie se evapora nuevamente. De la precipitación que llega a las corrientes, una parte se infiltra y otra llega hasta los océanos y otros grandes cuerpos de agua, como presas y lagos. Del agua infiltrada, una parte es absorbida por las plantas y posteriormente es transpirada, casi en su totalidad, hacia la atmósfera y otra parte fluye bajo la superficie de la tierra hacia las corrientes, el mar u otros cuerpos de agua, o bien hacia zonas profundas del suelo (percolación) para ser almacenada como agua subterránea y después aflorar en manantiales, ríos o el mar (Aparicio, 2001).
Figura 3.2. Ciclo hidrológico. Fuente: http://ga.water.usgs.org/edu/watercycle.html
En términos matemáticos el balance hídrico se puede expresar como:
(3.29) donde:
P: Precipitación, FSup: Flujo superficial,
FSub: Flujo subterráneo,
E: Evaporación, Tr: Transpiración, A: Almacenamiento.
La Evapotranspiración (ET) es suma de E y T la Ecuación (3.29) se transforma en:
(3.30) de donde (3.31) P−FSup−FSub−E−Tr =A P−FSup−FSub−ET=A ET=A−P+FSup+FSub
3.7.1 Precipitación
Roblero et al (2013), mencionan que el estudio de la precipitación es de suma importancia, ya que es la fuente a partir de la cual los continentes se suministran de agua cíclicamente, por lo que tiene una relación directa con los de más fenómenos del ciclo hidrológico.
Actualmente se sabe que la principal fuente de humedad para la precipitación es la evaporación de los océanos y que probablemente sólo el 10% de la precipitación continental se puede atribuir a la evaporación de los continentes. La cantidad de humedad atmosférica sobre una región es determinada por factores climáticos y geográficos. La localización de ésta con respecto al sistema general de circulación, la latitud y la distancia a la fuente de humedad, son variables que tienen influencia en el clima. Las barreras orográficas a menudo ejercen una influencia mucho mayor en el clima de una región que la cercanía a la fuente de humedad. Bajo el término de precipitación se engloba todas las aguas meteóricas que caen en la superficie de la tierra tanto forma líquida como sólida
3.7.2 Abstracciones hidrológicas
La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre de pérdidas o abstracciones hidrológicas. En general, las perdidas están constituidas por la intercepción en el follaje de las plantas, evaporación, evapotranspiración, almacenamiento en depresiones y la infiltración.
3.7.2.1 Intercepción
La cantidad de la precipitación que finalmente llega a la superficie del suelo depende de la naturaleza y de la densidad de la cubierta vegetal, si esta existe, o de la cobertura artificial (edificios, caminos y pavimentados de todo tipo). La cobertura, sea natural o artificial, intercepta parte de la precipitación, deteniéndola
temporalmente en sus superficies, de ahí el agua es evaporada para regresar a la atmósfera durante o después de la tormenta, o bien, cae al suelo. A proceso anterior se le conoce como intercepción.
3.7.2.2 Almacenamiento en depresiones y detención superficial
El almacenamiento en depresiones, se define como el volumen de agua necesario para llenar las pequeñas depresiones naturales del terreno, a cotas superiores a las de derrame. Este volumen de agua es generado por la precipitación que llega al suelo, tan pronto como la intensidad de lluvia excede a su capacidad de infiltración. Entonces, una parte de la lluvia que no se infiltra, ni se evapora (lluvia en exceso) empieza a llenar huecos, zanjas y otras depresiones del terreno; si el proceso de precipitación continúa, el resto de ella comienza a cubrir la superficie del suelo con una delgada capa o película de agua, denominada detención
superficial, iniciándose el escurrimiento superficial pendiente abajo, hacia un
cauce ya establecido
3.7.2.3 Infiltración
La infiltración se define como el movimiento del agua, a través de la superficie del suelo y hacia adentro del mismo, producido por la acción de las fuerzas gravitacionales y capilares (Aparicio, 2001).
El proceso de infiltración puede describirse de la siguiente manera: considerando una área de suelo suficientemente pequeña, de modo que sus características (tipo de suelo, cobertura vegetal, etc.), así como la intensidad de la lluvia donde pueda considerarse uniforme, aunque hay que aclarar que esta cambia en el tiempo.
3.7.2.4 Escurrimiento superficial
Una vez que la precipitación alcanza la superficie del suelo se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan. Posteriormente, se comienzan a llenar las depresiones y al mismo tiempo el agua comienza a escurrir. Este escurrimiento se
conoce como flujo en la superficie del terreno y se produce mientras el agua no llegue a cauces bien definidos (García, 2010).
3.7.2.5 Evaporación y transpiración
Evaporación es el proceso por el cual el agua pasa del estado líquido en que se encuentra en los almacenamientos, conducciones y en el suelo, en las capas cercanas a su superficie, a estado gaseoso y se transfiere a la atmosfera.
Transpiración es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas. Esta agua es tomada por las plantas, naturalmente del suelo.
La combinación de los procesos de transpiración y evaporación del suelo adyacente a las plantas es lo que se denomina evapotranspiración.
Uso consuntivo es la combinación de evapotranspiración y el agua que las plantas retienen para su nutrición. Esta última cantidad es pequeña en comparación con la evapotranspiración (aproximadamente representa sólo 1%), por lo que los términos evapotranspiración y uso consuntivo se usan como sinónimos (Aparicio, 2001).
3.8 EVAPOTRANSPIRACIÓN
La evapotranspiración en una cuenca hidrológica constituye la salida de agua dentro del balance hídrico más importante; en un balance anual global del agua, la evaporación desde la superficie terrestre consume 61% del volumen anual de precipitación (100%), Chow, (2000).
3.8.1 Definiciones
La evapotranspiración (ET) se define como a la combinación de dos procesos por los que el agua se pierde a través de la superficie del suelo por evaporación y por otra parte mediante transpiración de los vegetales (Allen et al., 2006).
La cantidad de agua que evapotranspira una planta, depende de dos grupos de factores, unos que influyen en la demanda de agua y otros en la oferta o disponibilidad de este elemento. Generalmente los factores de demanda, son de carácter climático o meteorológico y los de oferta, depende de las características de las plantas y de las características físicas y químicas del suelo, Figura 3.3. El concepto de evapotranspiración, en el caso de cultivos según Allen et al. 2006, incluye tres definiciones:
Evapotranspiración de referencia, ETo;
Evapotranspiración bajo condiciones estándar
(3.32) en la que Kc es un factor de cultivo bien regado en condiciones agronómicas
óptimas; y
Evapotranspiración bajo condiciones no estándar
(3.33) en la que Ks es un factor de ajuste de Kc del cultivo bajo estrés hídrico y ambiental,
Figura 3.4.
Estos conceptos se pueden asimilar a la evapotranspiración en cuencas hidrológicas estimando la ETo y los factores de ajuste de K de acuerdo al tipo de
cobertura que presenten; su integración será la evapotranspiración de la cuenca. ETc= Kc * ETo
Figura 3.3. Factores que afectan la evapotranspiración de referencia y conceptos
relacionados de ET. Fuente: Allen et al, 2006
Figura 3.4. Evapotranspiración del cultivo de referencia (ETo), bajo condiciones
3.8.1.1 Evapotranspiración de referencia, ETo
La tasa de evapotranspiración de una superficie de cultivo de referencia, que ocurre sin restricciones de agua, se conoce como evapotranspiración de referencia, ETo.
La superficie de referencia es un cultivo hipotético de pasto, con una altura asumida de 0.12 m, con una resistencia superficial fija de 70 s m-1 y un albedo de 0.23. La superficie de referencia es muy similar a una superficie extensa de pasto verde, bien regada, de altura uniforme, creciendo activamente y dando sombra totalmente al suelo. La resistencia superficial fija de 70 s m-1 implica un suelo moderadamente seco que recibe riego con una frecuencia semanal aproximadamente (Allen et al, 2006).
3.8.1.2 Evapotranspiración del cultivo en condiciones estándar, ETc
La evapotranspiración del cultivo bajo condiciones estándar se denomina ETc, y se
refiere a la evapotranspiración de cualquier cultivo cuando se encuentra exento de enfermedades, con buena fertilización y que se desarrolla en parcelas amplias, bajo óptimas condiciones de suelo y agua, y que alcanza la máxima producción de acuerdo a las condiciones climáticas reinantes (Allen et al, 2006).
A pesar de que los valores de la evapotranspiración del cultivo y de las necesidades de agua del cultivo son idénticos, sus definiciones conceptuales son diferentes. Los requerimientos de agua del cultivo se refieren a la cantidad de agua que necesita ser proporcionada al cultivo como riego o precipitación; mientras que la evapotranspiración del cultivo se refiere a la cantidad de agua que se gasta a través de la evapotranspiración. El requerimiento de riego, básicamente representa la diferencia entre el requerimiento de agua del cultivo menos la precipitación efectiva.
La relación ETc/ETo, puede ser determinada experimentalmente para diferentes
cultivos, se define como coeficiente del cultivo, Kc, y se utiliza para relacionar la
ETc y la ETo de manera que si
(3.34) la evapotranspiración del cultivo es
(3.35)
3.8.1.3 Evapotranspiración del cultivo en condiciones no-estándar, ETc aj La evapotranspiración del cultivo bajo condiciones no estándar, ETc aj se refiere a
la evapotranspiración de cultivos que crecen bajo condiciones ambientales y de manejo diferentes de las condiciones estándar. Bajo condiciones de campo, la evapotranspiración real del cultivo puede desviarse de ETc debido a condiciones
no óptimas como son la presencia de plagas y enfermedades, salinidad del suelo, baja fertilidad del suelo y limitación o exceso de agua. Esto puede resultar en un reducido crecimiento de las plantas, menor densidad de plantas y así reducir la tasa de evapotranspiración por debajo de los valores de ETc (Allen et al, 2006). 3.8.1.4 Coeficiente de cultivo, Kc
El factor Kc representa el resumen de las diferencias físicas y fisiológicas entre los
cultivos y la definición de cultivo de referencia (Allen et al, 2006).
Ángeles (2002), menciona que el coeficiente de cultivo (Kc) expresa la relación
entre la evapotranspiración del cultivo en consideración (ETc) y la
evapotranspiración del cultivo de referencia (ETo) en una etapa de crecimiento
concreta, Ecuación (3.34).
González et al (2005), define el Kc como la suma del coeficiente de cultivo basal,
Kcb, y el coeficiente de evaporación de suelo, Ke, para el cálculo de Kc, donde E es
la evaporación del suelo y Tr la transpiración de vegetación
= ∗
= /
(3.36) y
(3.37) por lo que
(3.38)
3.8.1.5 Cálculo de Kc con imágenes satelitales
Sánchez y Carvacho citado por Sánchez et al (2006), mencionan que los métodos hoy en uso para determinar la ET pueden dividirse en los que utilizan información recolectada en la superficie y aquellos que emplean información obtenida desde el espacio por percepción remota. Los primeros pueden, a su vez, clasificarse en directos, teóricos y empíricos, siendo los primeros aquellos que calculan la ET a través del control de las entradas y salidas de agua en el suelo, mientras que los teóricos se generan fundamentalmente en la consideración de la evapotranspiración como elemento que forma parte del balance de energía y su papel en la transferencia de masa de vapor de agua entre la Tierra y la atmósfera; por último, los empíricos, los métodos más utilizados en los estudios geográficos y medioambientales, son, en general, simplificaciones de los métodos anteriores que, a través de correlaciones entre medidas obtenidas por aquellos y medidas de una o más variables climáticas o meteorológicas, han permitido derivar fórmulas empíricas para estimar la capacidad evaporativa de un ambiente determinado, por ello también se denominan métodos climatológicos.
Con imágenes satelitales, el Kc se puede calcular a partir del índice de vegetación
normalizada (NDVI), con la expresión de Calera et al (2008):
(3.39) En la Figura 3.5. se muestra que el valor de Kc de un cultivo anual a mediados de
temporada de crecimiento (máximo desarrollo) tiene el mismo comportamiento que Kc = Tr + E ETo = Tr ETo + E ETo = Kcb + Ke Kc = 1.15∗NDVI + 0.17 Kcb = Tr ETo Ke = E ETo
un cultivo arbóreo siempre verde en toda su etapa de crecimiento, Allen et al (2006).
Figura 3.5. Etapas de desarrollo de diferentes cultivos. Fuente: Allen et al, 2006