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HIDROLOGIA SUPERFICIAL

Unidad 6-EVAPORACION Y TRANSPIRACION

a) Naturaleza del Proceso

b) Factores que afectan la evaporación

c) Medición de la evaporación

d) Transpiración

e) Determinación de la transpiración

Brigada 9

Integrantes:

Aceves Páez Cesar

Arriaga Mata Fausto

Ávila Sainz Marco Antonio

Dumas Irais

23 de Abril de 2012



6.1-NATURALEZA DEL PROCESO

Evaporación es el proceso por el cual el agua pasa del estado líquido en que se encuentra en losalmacenamientos, conducciones y en el suelo, en las capas cercanas a su superficie, ha estado gaseoso y setransfiere a la atmósfera. Transpiración es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de lasplantas. Esta agua es tomada por las plantas, naturalmente, del suelo.

Evapotranspiración es la combinación de evaporación y transpiración. Uso consuntivo es la combinación deevapotranspiración y el agua que las plantas retienen para su nutrición. Esta última cantidad es pequeña encomparación con la evapotranspiración (aproximadamente representa sólo el 1%), por lo que los términosevapotranspiración y uso consuntivo se usan como sinónimos.

la evaporación se produce básicamente por el aumento de energía cinética que experimentan las moléculasde agua cercanas a la superficie de un suelo húmedo o una masa de agua, producido por la radiación solar,el viento y las diferenciales en presión de vapor.

Este aumento de energía cinética provoca que algunas moléculas de agua "brinquen" de manera continua ala atmósfera. Al mismo tiempo, algunas de las moléculas que ya se encuentran en la atmósfera secondensan y regresan al cuerpo de agua. Naturalmente, lo que interesa en la ingeniería hidrológica es el

flujo neto de partículas a la atmósfera, al cual se le denominará en lo sucesivo evaporación.El intercambio de moléculas descrito se forma en una pequeña zona situada junto a la superficie del agua,como se muestra en la figura 4.1. La evaporación será entonces igual a la cantidad de agua que logre salir dela zona de intercambio.

La evaporación será entonces igual a la cantidad de agua que logre salir de la zona de intercambio. Si e,,, esla presión de vapor existente en la zona de intercambio, ea la presión de vapor del aire que se tiene en unmomento dado y e, la presión de vapor de saturación, se pueden presentar dos situaciones:

a ) e, > e"" En este caso se produce evaporación mientras ea sea menor

que e"" Cuando la presión del vapor del aire alcanza el valor e", dejade haber paso de moléculas de la zona de intercambio a la atmósferay, por lo tanto, cesa la evaporación. Esto sucede antes de que el airese sature.

b) e, < e"" En este caso la evaporación cesa cuando ea alcanza el valore, a pesar de que aún existe un gradiente de presión de vapor entrela zona de intercambio y la atmósfera. A partir de ese momento comienzaa invertirse el proceso y se produce condensación, pues ea > e,.



En cualquier caso, la evaporación es proporcional al gradiente de presión de vapor entre la zona deintercambio y la atmósfera. Esto se conoce como Ley de Dalton y se expresa en la forma:

É = k (e". - ea) (4.1)

Donde k es una constante de proporcionalidad y E es la evaporación.

Debido a la reducida dimensión vertical de la zona de intercambio, la presión del vapor en la misma es difícilde medir; sin embargo, e" generalmente tiene un valor cercano a e" de manera que la ecuación 4.1 seexpresa en forma aproximada como:

E == k (e,. - ea) (4.2)



6.2-FACTORES QUE AFECTAN LA EVAPORACION

a) Radiación solar. Es el factor determinante de la evaporación ya que es la fuente de energía dedicho proceso.

b) Temperatura del aire. El aumento de temperatura en el aire facilita la evaporación ya que: enprimer lugar crea una convección térmica ascendente, que facilita la aireación de la superficie dellíquido; y por otra parte la presión de vapor de saturación es más alta.



c) Humedad atmosférica. Es un factor determinante en la evaporación ya que para ésta se produzca,es necesario que el aire próximo a la superficie de evaporación no esté saturado (situación que esfacilitada con humedad atmosférica baja).

d) El viento. Después de la radiación es el más importante, ya que renueva el aire próximo a la superficie deevaporación que está saturado. La combinación de humedad atmosférica baja y viento resulta ser la queproduce mayor evaporación.

El viento también produce un efecto secundario que es el enfriamiento de la superficie del líquido y laconsiguiente disminución de la evaporación.

e) Tamaño de la masa de agua. El volumen de la masa de agua y su profundidad son factores que afectan ala evaporación por el efecto de calentamiento de la masa.

Volúmenes pequeños con poca profundidad sufren un calentamiento mayor que facilita la evaporación.



f) Salinidad. Disminuye la evaporación, fenómeno que sólo es apreciable en el mar.



6.3-MEDICION DE LA EVAPORACION

La medida de la evaporación de una superficie de agua se realiza por medio de unos equipos constituidos abase de unos tanques o bandejas de evaporación, que tratan de reflejar en la medida de lo posible lascaracterísticas de inercia térmica, humedad, viento, etc., de la zona que se quiere medir.

Existen varios tipos, todos ellos con una superficie del orden de 1 a 2 112, y que se sitúan llenos de agua enla zona a medir. Todos ellos deben disponer de un pluviómetro ya que la evaporación neta debe excluir elaporte de agua por precipitación.

La evaporación se mide como volumen de déficit en el tanque, por lo que deben disponer de una medidaprecisa para el nivel del agua dentro del tanque.

- de superficie; tienen el problema de recibir mayor radiación térmica por las paredes así como de tenermenos inercia térmica y de perturbar el régimen de viento en su entorno.- enterrados; no tienen los problemas anteriores pero por otra parte, es más fácil que se introduzcan enellos cuerpos extraños.- flotantes; se han intentado utilizar en los embalses pero presentan graves dificultades de medida así como

problemas con el oleaje.

Todos los tipos deben ser protegidos de los animales y aves por medio de mallas ya que acuden a ellos abeber.

Las medidas en tanque son mayores que las reales definiéndose un coeficiente del tanque “k”, tal que k =

(evaporación real / evaporación en el tanque); k oscila entre 0,7 y 0,9 y es cuasi constante para cada tipo detanque.

4.4 CÁLCULO DE LA EVAPORACIÓN

MÉTODO DE BALANCE ENERGÉTICO

Determina la evaporación por unidad de superficie y segundo, en función de la radiación neta que entra, dela densidad del agua, y del calor latente de evaporación (calor necesario para que una sustancia cambie deestado):

E = Rn / (Lv·fw) mm/día

Donde Lv = (2,501·106 - 2370·TªH20ºC) J/Kg.

Ejemplo. Utilizando este método, calcular la tasa de evaporación del agua desde una superficie abierta,siendo la radiación neta de 200 W/m2 y la temperatura de 25 ºC (la densidad del agua es 997 kg/m3).

Lv = (2,501·106 - 2370·25) = 2441 KJ/Kg;

E = 200 / (2441·103·997) = 8.22·10-8 m/s = 7,10 mm/día.

* Este método se emplea en zonas muy extensas (marismas, pantanos...), donde prácticamente sólo seposee el dato de la radiación solar.

MÉTODO DE MEYER



Esta fórmula ha sido muy utilizada y considera la acción del viento:

E (mm/día) = c·(Pa - P)·(1 + v/16)

Donde c es un coeficiente (0.36 para grandes masas y 0,50 para charcas o pantanos); Pa es la presión delagua de vapor en mm de Hg; P es la presión de vapor del aire en mm de Hg; y v es la velocidad del viento en

Km/hora a una altura de 7,64 m. de la superficie del agua.

MÉTODO AERODINÁMICO COMPLETO

Esta forma de cálculo tiene en cuenta el viento pero no la altura. La evaporación se mide en mm/día:

E = B·(Pa - P) = (0,102·v) / [Ln(z/z0)]2

Donde B es el coeficiente de transporte de vapor; (z ?); z0 es la altura de rugosidad en superficies naturales(equivale a una resistencia); Pa es la presión del agua de vapor en mm de Hg; P es la presión de vapor delaire en mm de Hg; v es la velocidad del viento en Km/hora a una altura z;

* Este método es bueno, pero a veces los resultados son excesivos debido a que intervienen muchasvariables.

MÉTODO COMBINADO (aerodinámico y de balance de energía)

Es el método más preciso para el cálculo de la evaporación:

E = / ( + )·EE + / ( + )·EA

Donde (Pa/ºC) y (Pa/ºC) son constantes; EE es la evaporación obtenida por el método de balance de energía;y EA es la evaporación obtenida por el método aerodinámico.



6.4-TRANSPIRACION

La evotranspiracion es el proceso por el cual el agua pasa de fase liquida a fase de vapor, desde la superficie

a la atmosfera. El agua puede evaporarse desde una gran variedad de superficies como suelos, lagos, ríos y

vegetación húmeda. Este cambio de fase requiere un aporte de energía, proporcionado fundamentalmente

por la radiación solar y , en menor grado, por el aire que circula la superficie evaporante.

La transpiración consiste en la vaporización de agua liquida contenida en los tejidos de la planta y en el

transporte del vapor de agua a la atmosfera. Los cultivos pierden agua predominante a través de los

estomas y, en menor medida, a través de la cuticula. Los estomas son pequeñas aberturas en las hojas a

través de las cuales circulan el vapor de agua y otros gases como el CO2 y el o2. Es de resaltar que casi toda

el agua absorbida por la planta es transferida a la atmosfera mediante este proceso, manteniéndose en su

interior solo una fracción mínima. La transpiración depende, al igual que la evaporación, del suministro de

energía para el cambio de fase, junto con el gradiente de presión de vapor entre el aire húmedo saturado

del espacio intercelular y la atmosfera circundante, que es la fuerza impulsora para el transporte de vapor a

través de los estomas. Influye además la interacción del ciento con la superficie, para el transporte del airehúmedo de la cubierta a la atmosfera libre.

La evaporación y la transpiración ocurren simultáneamente y no hay forma sencilla de separar ambos

procesos, por lo que al flujo de vapor de agua desde una cubierta vegetal se le denomina de forma general

evotranspiracion. La proporción de evaporación y transpiración en un cultivo cambia según diferentes fases

de desarrollo y crecimiento. Asi, cuando el cultivo esta en las primeras fases de desarrollo predomina el

suelo desnudo, y el principal proceso es el de evaporación. Al desarrollarse el cultivo va cubriendo

progresivamente el suelo hasta alcanzar la cobertura máxima. Cuando el cultivo llega a cubrir totalmente el

suelo, la transferencia de agua a la atmosfera se deberá fundamentalmente a la transpiración.

Conceptos básicos en la evotranspiracion

La evotranspiracion real es la tasa de transferencia de agua a la atmosfera que tiene el cultivo en un

momento determinado. Para conocer su valor son necesarios una serie de conceptos de gran importancia.

Evapotranspiración de referencia

La evapotranspiración de referencia se refiere a la que tiene una superficie en optimas condiciones decrecimiento y bajo un adecuado suministro de agua. La superficie de referencia es un cultivo hermaceo

ideal, pudiendo ser una pradera de gramíneas, como es el caso de la festuca o una pradera de alfalfa, mas

comúnmente usada como referencia en estados unidos. Al considerar un buen suministro de agua en el

suelo, el agua disponible en el y las características del suelo no afectan al ritmo de evapotranspiración.

Este concepto se introduce para estudiar la demanda evaporativa de la atmosfera independientemente del

tipo de cultivo, de su estado de desarrollo y de su manejo. Dada su definición, los factores que afectan a la



evotranspiracion de referencia son los factores climáticos (temperatura, humedad relativa de la atmosfera,

velocidad del viento, etc.).

Coeficiente de cultivo Kc

El coeficiente de cultivo se define como el cociente entre la evotranspiracion del cultivo en condiciones

estándar y la evotranspiracion de referencia:

Kc=ETc/ETo

Este coeficiente refleja las diferencias entre el cultivo y la superficie de referencia. Como las características

de un cultivo cambian con las distintas fases de crecimiento, los valores del coeficiente de cultivo describen

una curva a lo largo del ciclo de cultivo cuya forma refleja los cambios en la vegetación y en la cobertura

vegetal debidos al crecimiento y maduración en el ciclo de crecimiento del cultivo. Conociendo el coeficiente

de cultivo en un determinado instante se puede obtener la evotranspiracion real del cultivo, utilizando la

evotranspiracion de referencia, calculada anteriormente con parámetros climáticos.

Para tener en cuenta de forma independiente la evaporación del suelo desnudo y la transpiración de la

vegetación, el coeficiente de cultivo se puede dividir en dos términos: el coeficiente de cultivo basal Kcb,

para la transpiración , y la fracción correspondiente a la evaporación desde el suelo, Ke, según el criterio del

manual FAO

KC=Kcb+Ke

El coeficiente de cultivo basal se define como el cociente entre la transpiración del cultivo y ETo, cuando el

contenido de agua en la zona radicular es el adecuado para que la transpiración se produzca sin ninguna

limitación, de tal forma que el crecimiento del cultivo sea el máximo.

El coeficiente de evaporación del suelo Ke expresa la componente de evaporación desde la superficie del

suelo. El valor de Ke puede ser alto tras un episodio de lluvia o riego con un cultivo con baja cobertura de

suelo, pero conforme la capa mas extrema del suelo se seca, su valor disminuye y tiende a cero. La

estimación de este coeficiente requiere un balance de agua diario que estime el contenido en agua de la

capa superficial



6.5 DETERMINACION DE LA TRANSPIRACION

La estimación precisa de la evotranspiracion no es una tarea simple. Los procedimientos requieren el control

continuo de un gran numero de parámetros físicos, meteorológicos y de la cubierta vegetal. Según el

principio en que se basan los equipos de medida, se distinguen los siguientes métodos:

Método del balance de energía

La evotranspiracion es uno de los principales flujos de energía en el intercambio energético entre la

superficie terrestre y la atmosfera. El cambio de fase requiere una gran cantidad de energía, por lo que esta

limitada a la cantidad de energía disponible. Debido a esta limitación, es posible predecir la cantidad de

evotranpiracion aplicando el principio de conservación de la energía según el cual, la energía que llega a la

superficie debe ser igual a la energía que sale de la misma, dentro de un periodo determinado.

La ecuación del balance de energía de una superficie, considerando solo los flujos verticales es la siguiente:

Rn=G+AET+H

Donde:

Rn= radiación neta de la superficie, es la energía intercambiada por radiación.

G= flujo de energía en forma de calor intercambiado por conducción entre la superficie del cultivo y el suelo

AET= calor latente, es el flujo de energía en forma de calor asociado al flujo de vapor de agua. Esta es la

energía que se requiere para el proceso de evaporación. asiA es el calor latente de evaporización, es decir, la

energía necesaria para evaporar la unidad de masa.

H= calor sensible, es el flujo de energía en forma de calor intercambiado por convección entre la superficie yla atmosfera, es decir debido a la diferencia de temperaturas entre la superficie y la atmosfera.

En la ecuación del balance de energía se han considerado una serie de simplificaciones, atendiendo en

general al valor relativo de los flujos de energía, asi como al intervalo temporal en que será aplicada. Asi, se

ha considerado que flujos como el relativo al proceso de fotosíntesis o el almacenado en el sistema

consituyen una porción despreciable del balance de energía. Tampoco se ha tenido en cuenta el flujo de

energía horizontal, llamado adveccion, puesto que su aplicación esta indicada en grandes superficies de

vegetación.

El flujo de vapor de agua, ET, es la masa de agua transporatada por unidad de tiempo y unidad de superficie

en el sistema internacional. Es usual considerar en lugar de masa, el volumen de agua transportado para una

densidad del agua de 1000 kg-m3, la ET puede expresarse en milimitros por unidad de tiempo. Este flujo de

vapor de agua se obtiene a partir de la ecuación del balance de energía, dividiendo el calor latente AET entre

el calor latente de vaporización, que es la cantidad de energía necesaria para la vaporizar la unidad de masa

de agua. El valor de A depende de la temperatura.

Además del empleo de técnicas de teledetección para la estimación del balance de energía, existen otros

procedimientos que requieren una instrumentación especifica para la medida de la ET, como el método de

la razón de bowen, que calcula la evotranspiracion mediante medidas de los gradientes verticales de la



temperatura del aire y del vapor de agua. Otro método es el de covarianza de torbellinos, en el que se mide

directamente la componente vertical instantánea de la velocidad del viento mediante un anemómetro

tridimensional, ala vez que se obtienen concentraciones instantáneas de vapor de agua. Ambos

procedimientos obtienen valores puntuales de ET.

Metodo basado en el balance hídrico del suelo

La evapotranspiración puede ser determinada por la medida de varios componentes del balance hídrico del

suelo. Este método consiste en determinar las entradas y salidas del flujo de agua en la zona del suelo

ocupada por las raíces en un determinado intervalo temporal. Los aportes de agua vienen dados por el riego

(R) y la lluvia (P), mientras que las perdidas pueden ser por escorrentía superficial (Es) y percolación

profunda (D). además, si el nivel freático se encuentra a escasa profundidad de las raíces, también aportara

agua el ascenso capilar, mientras que en caso de pendientes en el terreno habría que considerar entradas y

salidas de flujos subsuperficiales (FS). En este trabajo ninguno de estos dos componentes han sido

considerados.

Finalmente, la evaporación desde el suelo y la transpiración desde las plantas extraen agua de la zona de las

raíces. Si todos estos flujos son medidos, la evapotranspiración puede deducirse, teniendo también encuenta el cambio en el almacenamiento de agua en el suelo, para cuya determinación se puede emplear

técnicas de gravimetría.

La ecuación del balance hídrico presenta la siguiente forma:

ET=R+P-Es-D-Fs+Aw

Este balance hídrico del suelo suele emplearse para estimar la evapotranspiración en periodos semanales o

superiores

Lisimetria

un lisímetro es un gran recipiente que encierra una determinada porción de suelo con superficie desnuda o

con cubierta vegetal, ubicado en campo para representar condiciones naturales y que se utiliza para

determinar la evapotranspiración de un cultivo en crecimiento, de una cubierta vegetal de referencia, o la

evaporación de un suelo desnudo.

Al aislarse la zona del suelo en que se asientan las raíces de su entorno, tanto los flujos laterales como los de

percolación o ascenso capilar son nulos. De esta forma los restantes términos del balance hídrico pueden ser

determinados con precisión. En los lisímetros de pesada el incremente o perdida de agua se mide por elcambio en la masa obtenido pesando el recipiente en el que se encuentra el suelo.

La ecuación del balance hídrico del suelo que representa las entradas y salidas de agua de un lisímetro para

cada periodo de medida es la siguiente

P+R=ET+D+-AW



La precipitación (P) y el riego (R) son medidos utilizados pluviómetros o métodos volumétricos

convencionales. Al tratarse de un recipiente con paredes laterales, la escorrentía subsuperficial puede

considerarse nula. Para drenar y medir el agua que percola a través de la masa del suelo (D) se utiliza una

cámara de drenaje y un recipiente de volumen conocido.

Para conocer las variaciones en el contenido de agua en la masa de suelo se utiliza métodos de gravimetría,

tensiómetros. De esta forma el lisímetro proporciona una medida directa de la evapotranspiración en el

periodo considerado, siendo el procedimiento que proporciona valores más precisos de ET.

Método del potómetro:

Se utiliza en ramas provistas de hojas y separadas de la planta, el potómetro consta de un recipiente lleno

de agua en el que se introduce el extremo de una ramita y se fija mediante un tapón a la boca de dicho

recipiente; al recipiente están unidos un tubo capilar de vidrio graduado en posición horizontal, y a su vez, el

capilar se introduce en un depósito de agua.

Método del cloruro de cobalto:

Se basa en el cambio de color que experimenta un disco de papel impregnado en cloruro de cobalto cuando

es expuesto a los valores de agua. Se toman discos de papel, se humedecen con una disolución de cloruro de

cobalto al 3% ligeramente acidificado con ácido acético y se dejan secar bien, los discos adquieren entonces

un color azul.

Cuando los discos se ponen en contacto con la superficie de la hoja que está transpirando, el color del papel

de cobalto cambia gradualmente de color azul a rosado. La velocidad con que se produce el paso del color

azul a rosado indica la velocidad de transpiración, que es solo un valor relativo que sirve para comparar de

diferentes plantas y que puede desviarse considerablemente de las velocidades de transpiración reales.

Método de recolección del vapor de agua de la transpiración

Consiste en encerrar una planta de maceta en una campana de cristal y hacer que circule una corrientede aire, de modo que todo el vapor de agua liberado por las hojas sea arrastrado por el aire circundante y

recogido después por una sustancia absorbente de humedad como el cloruro de calcio anihidro, cuyo peso

se determina con anterioridad. La continua corriente de aire hace que la humedad del aire dentro de la

campana no aumente y permita la difusión de los vapores de las hojas hacia la atmósfera, parecido a como

lo haría en la atmósfera libre.

El incremento de peso que experimenta el cloruro de calcio se debe a la cantidad de agua absorbida del aire

que pasó a través de la campana con la planta, cuya humedad proviene en pare del proceso transpiratorio

de la planta y en la parte de la humedad natural del aire. Para conocer qué cantidad de agua fue liberada

por la transpiración, es necesario hacer circular igual volumen a través de la campana, pero si la planta, y

colectar la humedad de la misma forma con una cantidad igual de cloruro de calcio. La cantidad de aguatranspirada por la planta estará dada por la diferencia de peso entre el cloruro.



BIBLIOGRAFIA

Aparicio Mijares F. J. 1999. Fundamentos de Hidrología de Superficie. Ed. Limusa. México. 303 p.

Davis, S. N. y DeWiest R. 1966. Hidrogeología Ed. Ariel. España. 563 p.

http://www.economiaandaluza.es/sites/default/files/cap496.pdf

http://www.ucm.es/info/diciex/proyectos/agua/transpiracion.html







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