Universidad Tecnológica de Panamá Facultad de Ingenieria Civil

Transcripción

1 Universidad Tecnológica de Panamá Facultad 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. Tejedor Asesor Ing. Erick N. Vallester 2010

2 Objetivos: 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 estaciones meteorológicas. Comparar la evapotranspiración obtenida de la ecuación de balance de energía con la ecuación FAO-56 Penman Monteith.

3 Ecuación del balance de energía: R n -G -H - ET = 0 R n : 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 )

4 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

5 Flujo de Calor en el Suelo (G) Ts Ts > Tg G+ Ts < Tg G- El flujo de calor del suelo es la transferencia de calor entre la superficie del suelo y las capas internas del suelo que se produce siempre que existe una diferencia (gradiente) entre la temperatura de la superficie (Ts) y la temperatura de las capas internas del suelo (Tg). Si Ts = Tg entonces G = 0. Tg

6 Flujo de Calor Sensible (H) Ta < Ts H+ Ta > Ts H- El calor sensible es la energía calórica transmitida entre la superficie y el aire cuando existe una diferencia entre la temperatura de la superficie (Ts) y la temperatura del aire (Ta). Si Ts = Ta entonces H = 0.

7 Evapotranspiración La determinación de la evapotranspiración es uno de los elementos básicos a considerar al momento de calcular los requerimientos hídricos de la vegetación.

8 Metodología

9 Vegetación Estación meteorológica Campbell Scientific CR10 XTD Descripción del sitio de estudio Estación meteorológica Zeno 3200 Estación meteorológicascam pbell Scientific CR1000 Estación meteorológica manual

10 Determinación de la evapotranspiración Para la determinar la evapotranspiración se utilizaron dos métodos: El método directo: corresponde a la ecuación de balance de energía. El método indirecto: mediante el uso de la ecuación FAO-56 Penman-Monteith.

11 Método Directo: Ecuación del Balance de Energía R n -G-H- ET = 0 ET = R n -G-H Para el cálculo de evapotranspiración sobre una base diaria (G=0): ET24 = R n24 H24

12 Estación meteorológica y equipos utilizados Estación automatizada Campbell Scientific CR1000 (E3) Radiación Neta Plato de flujo de calor en el suelo

13 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 TIME Soil_hf_2_ Avg Soil_hf_1_ Avg CM3Up_Avg CM3Dn_A vg CG3Up_Avg CG3Dn_Av g W_m2 W_m2 W/m^2 W/m^2 W/m^2 W/m^2 Avg Avg Avg Avg Avg Avg 8/22/2010 0: /22/2010 0: /22/2010 0: /22/2010 0: /22/2010 0: /22/2010 0:

14 Datos Centillometro de apertura Larga Trayectoria Valores 250 m Altura efectiva Pulsaciones 3.05 m 5 Hz BLS900-R E2 E3 Distancia L E1 Fuente: Hardware Manual of Scintec Boundary Layer BLS900-T Scintillometer. Scintec.

15 Centillometro de Apertura Larga BLS 900 Date Cn2 m^(-2/3) CT2 K m^(- 2/3) Hconvection W/m^2 Hunstable W/m^2 Hstable W/m^2 8/22/2010 0: E E /22/2010 0: E E /22/2010 0: E E /22/2010 0: E E /22/2010 0: E E /22/2010 0: E E /22/2010 1: E E Monin-Obukhov

16 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 [ o C] u 2 = velocidad del viento[m s -1 ] e s = presión de vapor a saturación [kpa] e a = presión actual del vapor del aire [kpa] = pendiente de la curva de presión de vapor del aire [kpa o C -1 ] = constante psicrométrica [kpa o C -1 ]

17 Estación meteorológica utilizada Variables medidas Radiación neta Velocidad del viento Temperaturas máximas y mínimas Humedad relativa máxima y mínima Presión atmosférica Precipitación Estación automatizada Zeno 3200

18 Resultados Ecuación de balance de energía 17 al 25 de agosto 2010

19 Evapotranspiración Factor multiplicador para obtener la evapotranspiración de W/m2 a mm/día. Estudio FAO 56. Ecuación de Balance de Energía Equipo: CR1000 BLS900 Radiación neta Flujo de calor Flujo de Evapotranspiración sensible calor latente Fecha Rn H ET ET (W/m^2) (W/m^2) (W/m^2) mm/día Nota: Los valores de Rn, H, y ET corresponden a los valores promedios del 17 al 25 de agosto 2010.

20 Componentes del balance de energía Representación esquemática de la variación diurna de los componentes del balance de energía sobre una superficie transpirante con suficiente cantidad de agua en un día soleado. Estudio FAO 56.

21 Ecuación de balance de energía Ecuación de Balance de Energía Equipo: CR1000 BLS900 Radiación neta Flujo de calor Flujo de Evapotranspiración sensible calor latente Fecha Rn H ET ET (W/m^2) (W/m^2) (W/m^2) mm/día Nota: Los valores de Rn, H, y ET corresponden a los valores promedios del 17 al 25 de agosto 2010.

22 Componentes del balance de energía 22 de agosto Variable Rn H ET :00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 W/m2 Horas Fuente: Gráfica generada en Minitab 16. Día soleado con poca cobertura de nubes.

23 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23: Horas Variable Rn H 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 Rn/H (W/m2) 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23: Radiación neta y flujo de calor sensible 22 de agosto de agosto 2010 Horas Variable Rn H Rn/H (W/m2) Fuente: Gráficas generadas en Minitab 16.

24 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23: Horas 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 Flujo de calor sensible (W/m2) 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23: Flujo de calor sensible Radiación neta Horas Radiación neta (W/m2) Fuente: Gráficas generadas en Minitab de agosto 2010

25 Energía W/m Radiación Neta, Flujo de calor sensible y Evapotranspiración diaria Días ET mm/día Rn H ET

26 Evapotranspiración Promedio: 3.92 mm/día Evapotranspiración (mm/día) Día Balance de Energía

27 Resultados Ecuación FAO-56 Penman-Monteith 17 al 25 de agosto 2010

28 = pendiente de la curva de presión de vapor del aire [kpa o C -1 ] e s = presión de vapor a saturación [kpa] e a = presión actual del vapor del aire [kpa] = constante psicrométrica [kpa o C -1 ]

29 Evapotranspiración Promedio: 3.00 mm/día Evapotranspiración (mm/día) Día FAO-56 Penman-Monteith Aplicación de la ecuación FAO-56 Penman-Monteith con los valores promedios diarios de temperatura del aire, humedad relativa, radiación neta, velocidad del viento y presión atmosférica, obtenidos a través de la estación meteorológica Zeno3200.

30 Comparación de resultados Ecuación de balance de energía y FAO-56 Penman-Monteith 17 al 25 de agosto 2010

31 Comparación de los cálculos de evapotranspiración entre la ecuación de Balance de energía y la Ecuación FAO-56 Penman-Monteith. Evapotranspiración (mm/día) Día Balance de Energía FAO-56 Penman- Monteith

32 Valores de Evapotranspiración diaria 7 6 y = x R² = Balance de energía FAO-56 Penman-Monteith ET (mm/día)

33 Comparación de los valores promedios de evapotranspiración para el período del 17 al 25 de agosto 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 *Valor promedio

34 Comparación de los valores promedios de evapotranspiración para el período del 17 al 25 de agosto Resultados de la Investigación Tanque Evaporímetro Estaciones Meteorológicas Centillometro de apertura larga Rango de medición Puntual 100 m 250 m Evapotranspiración* (mm/día) *Valor promedio para el periodo del 17 al 25 de agosto 2010.

35 Conclusiones 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.

36 Recomendaciones 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 metros.

37 Muchas Gracias A 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.