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Universidad Tecnológica de PanamáFacultad de Ingenieria Civil
Tesis:Análisis de los componentes del balance de
energía para el cálculo de evapotranspiración en estudios hidrológicos
Presentado por:Xiomara L. Girón
Nathalia D. TejedorAsesor
Ing. Erick N. Vallester2010
OBJETIVO GENERAL: Determinar la evapotranspiración mediante el uso de la ecuación
de balance de energía.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Medir los parámetros climatológicos que intervienen en la
evapotranspiración. Determinar la evapotranspiración con el uso del centillometro
de apertura larga y los datos obtenidos de las estacionesmeteorológicas.
Comparar la evapotranspiración obtenida de la ecuación debalance de energía con la ecuación FAO-56 Penman Monteith.
Objetivos:
Ecuación del balance de energía:
Rn - G - H - ET = 0Rn : Flujo de la radiación neta (Wm-2)G : Flujo de calor en el suelo (Wm-2)H : Flujo de calor sensible (Wm-2)ET : Flujo de calor latente (Wm-2) : Calor latente de vaporización (Jkg-1)
Radiación Neta
Rn = Rs - α*Rs - Rl↑ + Rl↓Rn = radiación neta ; Rs = radiación solar
= albedo ; Rl↑ = radiación de onda larga emitida por la superficie
Rl↓ = radiación de onda larga emitida por la atmósfera
Flujo de Calor en el Suelo (G)
Ts > Tg → G+ Ts < Tg → G-
Ts
Tg
El flujo de calor del suelo es la transferencia de calor entre lasuperficie del suelo y las capas internas del suelo que se producesiempre que existe una diferencia (gradiente) entre la temperaturade la superficie (Ts) y la temperatura de las capas internas del suelo(Tg). Si Ts = Tg entonces G = 0.
Flujo de Calor Sensible (H)
El calor sensible es la energía calórica transmitidaentre la superficie y el aire cuando existe unadiferencia entre la temperatura de la superficie (Ts) yla temperatura del aire (Ta). Si Ts = Ta entonces H = 0.
Ta < Ts → H+ Ta > Ts → H-
La determinación de laevapotranspiración esuno de los elementosbásicos a considerar almomento de calcular losrequerimientos hídricosde la vegetación.
Evapotranspiración
Metodología
Estación meteorológica manual
Estación meteorológica Campbell Scientific CR10 XTD
Estación meteorológicaZeno 3200Estación meteorológicasCam
pbell ScientificCR1000
Vegetación
Descripción del sitio de estudio
Para la determinar la evapotranspiración seutilizaron dos métodos:
El método directo: corresponde a la ecuaciónde balance de energía.
El método indirecto: mediante el uso de laecuación FAO-56 Penman-Monteith.
Determinación de la evapotranspiración
Rn - G - H - ET = 0ET = Rn - G - H
Para el cálculo de evapotranspiración sobre una base diaria (G=0):
ET24 = Rn24 – H24
Método Directo: Ecuación del Balance de Energía
Estación meteorológica y equipos utilizados
Estación automatizada Campbell ScientificCR1000 (E3)
Radiación Neta
Plato de flujo de calor en el suelo
Estación CR1000: Radiación Neta y Flujo de Calor en el Suelo
Radiación Solar (Onda Corta)
Radiación de Onda Larga
Flujo de calor en el suelo Reflejada Incidente Reflejada Incidente
TIMESoil_hf_2_
AvgSoil_hf_1_
Avg CM3Up_AvgCM3Dn_A
vg CG3Up_AvgCG3Dn_Av
gW_m2 W_m2 W/m^2 W/m^2 W/m^2 W/m^2
Avg Avg Avg Avg Avg Avg8/22/2010 0:00 -21.61 -12.11 -0.499 1.004 -19.93 4.1888/22/2010 0:10 -21.32 -12.11 -0.99 1.004 -23.96 3.4438/22/2010 0:20 -21.32 -12.11 -0.998 1.004 -24.6 3.1448/22/2010 0:30 -21.37 -12.11 -1.004 1.004 -29.34 2.7128/22/2010 0:40 -21.89 -12.11 -1.004 1.004 -31.29 2.4158/22/2010 0:50 -22.44 -12.11 -1.004 1.004 -32.63 2.156
Centillometro de apertura Larga
Fuente: Hardware Manual of Scintec Boundary Layer Scintillometer. Scintec.
Distancia L
E2
BLS900-R
BLS900-T
E3
E1
Datos Valores
Trayectoria 250 m
Altura efectiva 3.05 m
Pulsaciones 5 Hz
Centillometro de Apertura Larga BLS 900
Date Cn2 m^(-2/3) CT2 K m^(-
2/3)Hconvection
W/m^2 HunstableW/m^2
HstableW/m^2
8/22/2010 0:01 2.66E-15 3.34E-03 4.3 6.4 -4.98/22/2010 0:10 4.65E-15 5.83E-03 6.5 8.9 -6.28/22/2010 0:20 5.58E-15 7.00E-03 7.4 9.9 -6.78/22/2010 0:30 1.51E-14 1.89E-02 15.7 18.5 -9.78/22/2010 0:40 9.93E-15 1.25E-02 11.5 14.1 -8.48/22/2010 0:50 4.00E-15 5.02E-03 5.8 8.1 -5.88/22/2010 1:00 5.80E-15 7.27E-03 7.7 10.1 -6.8
Monin-Obukhov
Método Indirecto: Ecuación FAO-56 Penman-Monteith
Rn = radiación neta en la superficie del cultivo [MJ m-2 día –1]G = flujo de calor en el suelo [MJ m-2 día –1]T = temperatura media del aire [oC]u2 = velocidad del viento[m s-1]es= presión de vapor a saturación [kPa]ea = presión actual del vapor del aire [kPa] = pendiente de la curva de presión de vapor del aire [kPa oC-1] = constante psicrométrica [kPa oC-1]
Variables medidas Radiación neta Velocidad del viento Temperaturas
máximas y mínimas Humedad relativa
máxima y mínima Presión atmosférica Precipitación
Estación meteorológica utilizada
Estación automatizada Zeno 3200
ResultadosEcuación de balance de energía
17 al 25 de agosto 2010
EvapotranspiraciónEcuación de Balance de Energía
Equipo: CR1000 BLS900
Radiación neta Flujo de calor
sensible
Flujo de
calor latente
Evapotranspiración
Fecha Rn H ET ET
(W/m^2) (W/m^2) (W/m^2) mm/día
17 145.39 17.94 127.45 4.5
18 48.55 2.97 45.58 1.6
19 105.85 4.48 101.37 3.6
20 131.97 15.81 116.16 4.1
21 131.84 15.98 115.86 4.1
22 189.24 27.66 161.58 5.7
23 102.37 11.89 90.48 3.2
24 86.78 7.87 78.91 2.8
25 183.28 21.02 161.26 5.7
0.0353 Factor multiplicador paraobtener la evapotranspiración deW/m2 a mm/día. Estudio FAO 56.
Nota: Los valores de Rn, H, y ET corresponden a los valores promedios del 17 al 25 de agosto 2010.
Componentes del balance de energía
Representación esquemática de la variación diurna de los componentes del balance deenergía sobre una superficie transpirante con suficiente cantidad de agua en un díasoleado. Estudio FAO 56.
Ecuación de balance de energíaEcuación de Balance de Energía
Equipo: CR1000 BLS900
Radiación neta Flujo de calor
sensible
Flujo de
calor latente
Evapotranspiración
Fecha Rn H ET ET
(W/m^2) (W/m^2) (W/m^2) mm/día
17 145.39 17.94 127.45 4.5
18 48.55 2.97 45.58 1.6
19 105.85 4.48 101.37 3.6
20 131.97 15.81 116.16 4.1
21 131.84 15.98 115.86 4.1
22 189.24 27.66 161.58 5.7
23 102.37 11.89 90.48 3.2
24 86.78 7.87 78.91 2.8
25 183.28 21.02 161.26 5.7
Nota: Los valores de Rn, H, y ET corresponden a los valores promedios del 17 al 25 de agosto 2010.
Componentes del balance de energía
23:0
022
:00
21:0
020
:00
19:0
018
:00
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016
:00
15:0
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:00
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:00
11:0
010
:00
09:0
008
:00
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006
:00
05:0
004
:00
03:0
002
:00
01:0
000
:00
800
600
400
200
0
Horas
W/m
2
RnHET
Variable
22 de agosto 2010
Fuente: Gráfica generada en Minitab 16.
Día soleado con poca cobertura de nubes.
23:0
0
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0800
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Horas
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H (W
/m2)
RnH
Variable
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01:0
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00:0
0
800
600
400
200
0
Horas
Rn/
H (W
/m2)
RnH
Variable
Radiación neta y flujo de calor sensible22 de agosto 2010
23 de agosto 2010
Fuente: Gráficas generadas en Minitab 16.
23:0
0
22:0
0
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0
00:0
080706050403020100
Horas
Fluj
o de
cal
or s
ensi
ble
(W/m
2)
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02:0
0
01:0
0
00:0
0
800700600500400300200100
0
Horas
Rad
iaci
ón n
eta
(W/m
2)
Flujo de calor sensible
Radiación neta
Fuente: Gráficas generadas en Minitab 16.
23 de agosto 2010
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
17 18 19 20 21 22 23 24 25
ET
mm
/día
Ene
rgía
W/m
2
Días
Radiación Neta, Flujo de calor sensible y Evapotranspiración diaria
RnHET
Evapotranspiración Promedio: 3.92 mm/día
Evapotranspiración (mm/día)Día Balance de Energía17 4.518 1.619 3.620 4.121 4.122 5.723 3.224 2.825 5.7
ResultadosEcuación FAO-56 Penman-Monteith
17 al 25 de agosto 2010
= pendiente de la curva de presión de vapor del aire [kPa oC-1]
es = presión de vapor a saturación [kPa]
ea = presión actual del vapor del aire [kPa]
= constante psicrométrica [kPa oC-1]
Evapotranspiración
Evapotranspiración (mm/día)
Día FAO-56 Penman-Monteith17 3.6
18 1.6
19 2.5
20 3.0
21 3.0
22 4.8
23 2.4
24 2.1
25 4.1
Aplicación de la ecuaciónFAO-56 Penman-Monteithcon los valores promediosdiarios de temperatura delaire, humedad relativa,radiación neta, velocidaddel viento y presiónatmosférica, obtenidos através de la estaciónmeteorológica Zeno3200.
Promedio: 3.00 mm/día
Comparación de resultadosEcuación de balance de energía y
FAO-56 Penman-Monteith17 al 25 de agosto 2010
Evapotranspiración (mm/día)Día Balance de Energía FAO-56 Penman-
Monteith
17 4.5 3.618 1.6 1.619 3.6 2.520 4.1 3.021 4.1 3.022 5.7 4.823 3.2 2.424 2.8 2.125 5.7 4.1
Comparación de los cálculos de evapotranspiración entre la ecuación de Balance de energía y la Ecuación FAO-56 Penman-Monteith.
y = 1.2798x + 0.0713R² = 0.9407
0
1
2
3
4
5
6
7
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Bal
ance
de
ener
gía
FAO-56 Penman-Monteith
Valores de Evapotranspiración diaria
ET (mm/día)
Comparación de los valores promedios de evapotranspiración para el período del 17 al 25 de agosto 2010.
Evapotranspiración (mm/día)
Resultados de la Investigación*
(Periodo del 17 al 25 de agosto del 2010)
ETESA* (Periodo del 17 al
25 de agosto del 2010)
Balance de Energía FAO-56 Penman-
Monteith
FAO-56 Penman-Monteith
3.92 3.00 3.40
*Valor promedio.
Comparación de los valores promedios de evapotranspiración para el período del 17 al 25 de agosto 2010.
Resultados de la Investigación
Tanque Evaporímetro
Estaciones Meteorológicas
Centillometro de apertura
larga
Rango de medición Puntual 100 m 250 m
Evapotranspiración* (mm/día)
2.87 3.00 3.92
*Valor promedio para el periodo del 17 al 25 de agosto 2010.
Las estimaciones de ET diaria, se obtuvieron mediante método directo e indirecto.
Los componentes de la ecuación de balance de energía, varían sus valores cada día.
Los valores promedios de evapotranspiración diaria obtenidos por la ecuación FAO-56 Penman- Monteith (Zenon 3200) es de 3.00 mm/día y con la ecuación de balance de energía es de 3.92 mm/día .
Los resultados obtenidos de la ecuación de balance de energía presentaron un coeficiente de correlación de 0.94 con los resultados de la ecuación FAO-56 Penman- Monteith.
Conclusiones
Se recomienda realizar cálculos de evapotranspiración en los primeros meses del año (estación seca).
La metodología empleada puede ser aplicada en la cuantificación de las demandas hídricas de la vegetación, especialmente en cultivos.
El centillometro de apertura larga tiene un alcance máximo de medición de 10 000 metros.
Recomendaciones
Muchas GraciasA veces pensamos que lo que hacemos, es
apenas una gota en el mar, pero el mar sería menos si le faltara esa gota… Madre
Teresa de Calcuta.
