1.6. BALANCE DE AGUA EN EL SUELO. CÁLCULO DE LA RECARGA

Transcripción

1 Clase 1.6 Pág. 1 de BALANCE DE AGUA EN EL SUELO. CÁLCULO DE LA RECARGA Balance de agua en el suelo o balance hidrometeorológico El suelo recibe el agua de la lluvia que no se escurre superficialmente ni se pierde por evapotranspiración. Esta parte de agua es la recarga que se expresa como: dvt Pt ESt ETR Rt dt Siendo dv t es la variación de volumen de agua en un tiempo t en el suelo. dt P t es la precipitación en el tiempo t. ES t es la escorrentía en el tiempo t ETR es la evapotranspiración en el tiempo t R t es la recarga en el tiempo t Todos estos valores deben introducirse en mm/mes o mm/día La P t se obtiene de una estación meteorológica. La ES t está compuesta por la escorrentía la escorrentía hipodérmica 1 y la superficial. Normalmente son difíciles de separar por lo que el término ES t generalmente engloba a las dos escorrentías. La escorrentía superficial se puede calcular a partir del valor de intensidad de precipitación y del valor de capacidad de infiltración máxima o valor de laminación o permeabilidad relativa del suelo (Figura 1.5.2). La ETR se calcula con alguna de las fórmulas empíricas comentadas en el apartado 1.3. Puede calcularse un balance hidrometeorológico o balance de agua en el suelo mensual o diario, pero cuál es la mejor opción?. 1 Responde a la humedad del suelo y fluye lateralmente y descarga en los fondos de valle.

2 Clase 1.6 Pág. 2 de 9 TIPO DE BALANCE DE AGUA EN EL SUELO O HIDROMETEOROLÓGICO MENSUAL DIARIO VENTAJAS Mayor simplicidad Menos datos necesarios Métodos de cálculo de la ETP basadas en la temperatura (como Thornthwaite, Hargreaves o Turc) son fiables solo a escala mensual. Si se quiere obtener el valor de la recarga o la escorrentía total suelen ser suficientes. Mayor complejidad Más datos necesarios (humedad, velocidad del viento entre otros) Para calcular la ETP se puede aplicar todos los métodos, siendo el de Penman el más fiable. En el resto también, aunque el valor de Eto/ETP y por lo tanto ETR sea poco fiable. En términos medios pueden ser más o menos correctos. Aplicable a modelos de lluvia-escorrentía, o estudios de procesos en el suelo incluso a escala de tiempo inferior a 1 día. No se obtienen los mismos valores si se considera un balance diario que si se considera un balance mensual. Además para evitar el efecto de la reserva inicial, es recomendable empezar a calcular el balance hidrometeorológico un poco antes del periodo que realmente interesa. En el caso del clima mediterráneo, para calcular la recarga del acuífero procedente de la infiltración del agua de lluvia, deben efectuarse balances hidrometeorológicos diarios, considerando valores reales de lluvia diaria. Con el objetivo de poder realizar un cálculo sencillo del balance de agua en el suelo o balance hidrometeorológico, se exponen las siguientes hipótesis simplificativas: - trabajar en columna de agua, es decir, los cálculos se realizan en mm/mes o mm/día. - Toda la precipitación que excede de la capacidad de infiltración máxima se escurre superficialmente. Si se realiza el balance a nivel mensual no tiene sentido hablar de una infiltración máxima mensual, la capacidad de infiltración solo se alcanza puntualmente durante unas horas, cuando la lluvia es muy intensa. Estrictamente, habría que calcularla en función del contenido de agua en el suelo y de la distribución de lluvia a lo largo del mes. Tiene mucho más sentido si el balance se calcula diariamente, porque se podrá analizar cada precipitación de forma individual y ver en

3 Clase 1.6 Pág. 3 de 9 cada momento si se ha superado la capacidad de infiltración máxima o no. - Toda la infiltración está disponible para ser evapotranspirada. - Se recarga el agua que excede de la capacidad de campo. Datos que se necesitan para calcular el balance de agua en el suelo o balance hidrometeorológico: - Precipitación. - Datos necesarios para calcular la ETR. - Datos del almacenamiento del suelo (como la profundidad radicular, la capacidad de campo, el punto de marchitez permanente, la humedad inicial del suelo o el valor de laminación). Ejemplo Se tiene los valores de la precipitación y ETP mensuales de enero a abril y los siguientes datos: profundidad radicular 0.5m Suelo Arcilla limosa Densidad aparente del suelo 1.1g/cm 3 Capacidad de campo (contenido másico) 18.8% Punto de marchitez (contenido másico) 7% ENERO FEBRERO MARZO ABRIL P(mm) ETP (mm) Se supone que no hay escorrentía. Considerar que el día 1 de enero la RU está completa. Se pide calcular el balance hidrometeorológico o balance de agua en el suelo para obtener la ETR y la recarga.

4 Clase 1.6 Pág. 4 de Para calcular la ETR se necesita calcular previamente el valor de la RU, y hay dos maneras de calcularla: a) Numéricamente a partir de los valores de CC y PMP en contenido másico. RU CC PMP 18.8% 77% 11.8% expresado en contenido másico, es decir masa de agua/masa de sólido. Como es más fácil trabajar con valores de columna de agua, se expresa el valor de la RU en mm: g g agua g *1.1 suelo cm 3 suelo * 0.5m suelo 1 suelo* 1 3 cm g 6 3 agua 1 L agua 10 cm suelo * * 65mm agua cm agua 1m suelo RU 65mm b) A partir de los valores de CC y PMP en contenido volumétrico y de la tabla de clasificación de suelos. Si se utiliza, por ejemplo, la clasificación del USDA (Tabla 1.3.1), para una arcilla limosa CL considerando densidad del suelo baja, se obtiene los siguientes valores (expresados en volumen unitario): PM=0.18 y CC=0.31. De manera que RU y teniendo en cuenta la profundidad radicular: m 0.13 * m RU 65mm 0.065m 65mm Con el valor de la RU ya se puede calcular el balance hidrometeorológico para calcular la recarga que se ha producido en cada mes: - cálculo de la ETR en enero: Como (RU dic + P ene ) > ETP ene entonces existe suficiente agua disponible por lo que ETP=ETR=26.3mm - cálculo de la Recarga en enero:

5 Clase 1.6 Pág. 5 de 9 la reserva inicial (65mm) más la precipitación (32.1mm) menos la ETP (26.3mm) da un valor (70.8mm) que es superior a la RU (65mm). De manera que hay un exceso de humedad que se infiltra hacia la zona saturada, recargando el acuífero subyacente. P ene -ETR ene =5.8mm Recarga ene =5.8mm - cálculo de la RU en febrero: RU ene + P febr ETP febr = = 61.9mm - cálculo de la ETR en febrero: Como (P febr + RU ene ) > ETP febr entonces existe suficiente agua disponible por lo que ETP=ETR=40.2mm - cálculo de la recarga: como la RU no está llena al 100% no se puede producir recarga, aunque tampoco hay déficit de agua dado que aún existe suficiente agua disponible para que ETP=ETR y la planta no tiene aún estrés hídrico. Únicamente se puede producir recarga cuando se supera el valor de la RU. Recarga febr =0mm - cálculo de la RU en abril: RU marz + P abril ETP abril = = -36.2mm un valor negativo de la reserva no tiene sentido, lo que se interpreta como que RU=0mm -cálculo de la ETR en abril Como (P abril + RU marz ) < ETP abril entonces no existe suficiente agua disponible por lo que ETP>ETR y únicamente podrá evapotranspirarse el agua disponible que es: RU marz + P abril = =73.8mm de manera que ETR abril =73.8 -cálculo de la recarga en abril: como se ha visto la RU en este mes está a 0 por lo que no se produce recarga. No hay suficiente agua disponible para que ETR sea igual a ETP, es decir su valor máximo y como ETR<ETP, existe un déficit de agua que se calcula: RU marz + P abril ETP abril = = -36.2mm es el déficit que existe en el mes de abril. Recarga abril =0mm

6 Clase 1.6 Pág. 6 de 9 Finalmente se obtiene que la recarga total que se ha producido de enero a abril es de 5.8mm. ENERO FEBRERO MARZO ABRIL P(mm) ETP (mm) RU (mm) ETR (mm) Recarga (mm) Déficit (mm) El balance hidrometeorológico o balance del suelo, en función del estudio que se está realizando se realiza diario o mensual, y para calcular la recarga de 1 año, o de 15 años, o de un año medio de un periodo de 20 años... Realizar estos cálculos manualmente puede ser bastante farragoso, por lo que puede utilizarse programas o hojas de cálculo como por ejemplo la hoja de cálculo EASY_BAL.xls 2 que puede descargarse en el espacio COMPLEMENTOS DOCENTES. Otra forma de calcular la recarga es mediante el balance de cloruros: consiste en determinar la relación entre la concentración de cloruros en el agua de precipitación y en el agua subterránea. En el caso que la escorrentía directa no produzca un lavado de sales, el balance del ión cloruro se puede expresar como: I * C i P ED * Cp as av a' v siendo I es la infiltración. ED la escorrentía directa. P la precipitación. C p la concentración media de cloruros en la lluvia. C i la concentración media de cloruros en el agua subterránea o de infiltración profunda. 2 Datos necesarios: precipitación y temperatura del periodo (mensuales o diarias), capacidad de campo, humedad inicial, espesor radicular, punto de marchitez, valor de laminación.

7 Clase 1.6 Pág. 7 de 9 a s la cantidad de cloruros aportados por el terreno o añadidos artificialmente (unidades coherentes). a v la cantidad de cloruros retenida por la vegetación (unidades coherentes). a v la cantidad de cloruros devueltos al terreno por la putrefacción de la vegetación (unidades coherentes). Normalmente los tres parámetros a s, a v y a v no suelen conocerse o en caso afirmativo son muy pequeños por lo que pueden despreciarse. En estos casos, el cálculo es mucho más sencillo, aunque se debe ser cauto a la hora de su interpretación o evaluación Cálculo de la recarga en una zona real. Ejemplos de zonificación. Generalmente en la zona de estudio en la que se quiere calcular la recarga, existen diferentes tipos de suelos ya sea por su geología, por el uso del suelo (como bosque, regadío, suelo urbanizado, dunas o campos de golf). De manera que para realizar un cálculo lo más fiable y aproximado a la realidad debe dividirse el área de estudio en zonas según sus propiedades y calcular la recarga en cada zona aplicando los valores de parámetros característicos del suelo en cada zona. Ejemplos: 1.-Zonificación de la recarga en Doñana y su entorno La información que se deduce de los mapas de tipos de suelo o geológicos (Figura 1.6.1), más la información sobre los usos del suelo (Figura 1.6.2), se complementan ya que en ellos se encuentran los datos necesarios para realizar el balance de agua en el suelo.

8 Clase 1.6 Pág. 8 de 9 Océano Atlántico Figura Mapa geológico y de tipos de suelo de Doñana y su entorno. Océano Atlántico Figura Mapa o esquema de los principales usos del suelo en Doñana y su entorno. Del resultado de cruzar la información de los tipos y usos del suelo se obtienen las áreas donde los parámetros necesarios para el cálculo del balance de agua

9 Clase 1.6 Pág. 9 de 9 en el suelo pueden considerarse homogéneos. En cada una de estas áreas se calcula la recarga (Figura 1.6.3). Océano Atlántico Figura Mapa de zonificación y valores medios ( ) de la recarga en mm/año en Doñana y su entorno.