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2012
ING. CIVIL 7 SEMESTRE
29 DE NOVIEMBRE DEL 2012
HIDROLOGA SUPERFICIAL
Catedrtico: Ing. Jorge Quintal Hai
Elaboro:
Nhilce Esquivel Gmez
Fernanda Abril Escudero Njera
Andrea Mercader Alonso
UNIDAD 4
EVAPORACIN Y USO
CONSUNTIVO
HIDROLOGA UNIDAD IV
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INDICE
INTRODUCCIN ................................................................................................................................... 3
4.1 EVAPORACION Y EVOTRANSPIRACION ......................................................................................... 4
4.1.1 DESCRIPCION DEL FENOMENO .............................................................................................. 4
4.1.2 MEDICION ............................................................................................................................... 7
TANQUES DE EVAPORACION ............................................................................................... 8
LISIMETROS ......................................................................................................................... 9
BALANCE HIDRICO ............................................................................................................. 10
BALANCE ENERGETICO ...................................................................................................... 11
4.1.3 DETERMINACIKON DE LA EVAPORACION ......................................................................... 12
OTROS MTODOS PARA CALCULAR LA EVAPORACIN SON: ........................... 13
4.1.4 DETERMINACIKON DE LA EVAPOTRANSPIRACION ............................................................ 14
4.2 USO CONSUNTIVO DEL AGUA .......................................................................................... 15
4.1.2 FACTORES QUE AFECTAN EL USO CONSUNTIVO .............................................. 15
4.2.2 DETERMINACIN DEL USO ......................................................................................... 16
BIBLIOGRAFA ............................................................................................................................... 18
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INTRODUCCIN
En el siguiente trabajo se presentar como se lleva a cabo el fenmeno de
evaporizacin y uso consuntivo del agua, as como los usos que se le brindan al
agua que ya no regresa al ciclo hidrolgico, el objetivo es determinar las
habilidades para la caracterizacin de los procesos del ciclo hidrolgico y su
aplicacin al proyecto de obras hidrulicas tales como presas, abastecimiento de
agua y alcantarillado.
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4.1 EVAPORACION Y EVOTRANSPIRACION
4.1.1 DESCRIPCION DEL FENOMENO Del latn evaporato, la evaporacin es la accin y efecto de evaporar o
evaporarse. Este verbo, por su parte, hace referencia a la conversin de un lquido
en vapor.
Figura 1 Evaporizacin
El concepto puede nombrar al proceso fsico en s mismo (una sustancia se
separa de otra en su punto de ebullicin) o al paso del estado lquido al gaseoso.
La sustancia en estado lquido adquiere la energa necesaria para vencer la
tensin superficial: cuando toda la masa alcanza el punto de ebullicin, comienza
el proceso de evaporacin.
La evaporacin es una variable hidrolgica que determina los niveles de una
cuenca hidrogrfica. La energa intensifica el movimiento de las molculas y las
partculas comienzan a escaparse en forma de vapor.
Una parte de lluvia queda en los vegetales, interceptada por las hojas o troncos,
desde donde hay evaporacin. Otra parte llega al suelo y lo moja, as habr
tambin evaporacin desde el suelo hmedo, con variaciones del grado de
humedad; una vez saturado el suelo, el agua corre por la superficie, aunque no
por cauces, y tambin desde sta se produce evaporacin. Por ltimo, una parte
alcanza los cauces y entonces se tendr evaporacin desde superficies lquidas
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continuas, es decir, mares, lagos y ros. Por eso se puede decir que todo tipo de
agua en la superficie terrestre est expuesta a la evaporacin.
Considerando la evaporacin desde una superficie de agua (lagos, ros, etc.)
como la forma ms simple del proceso, ste puede esquematizarse as: Las
molculas de agua estn en continuo movimiento. Cuando llegan a la superficie
del lquido aumentan su temperatura por efecto de la radiacin solar, y en
consecuencia su velocidad, creciendo por tanto su energa cintica hasta que
algunas consiguen liberarse de la atraccin de las molculas adyacentes y
atravesar la interface lquido-gas convirtindose en vapor. De esta manera, la
capa de aire inmediatamente por encima de la superficie se satura de humedad.
Simultneamente a la evaporacin se desarrolla tambin el proceso inverso por el
cual las molculas se condensan y vuelven al estado lquido. Adems, es
necesario que el medio que envuelve la superficie evaporante tenga capacidad
para admitir el vapor de agua. Esto ltimo se conoce como poder evaporante de la
atmsfera.
Hay otra forma especial de evaporacin, la que se produce a partir de la nieve y
de los hielos, el paso no es del estado lquido al gaseoso, sino del slido al
gaseoso; este fenmeno se conoce como sublimacin o volatilizacin.
Todos estos lugares donde se acumula el agua dan lugar al fenmeno fsico de la
evaporacin, pero tambin existen otros que hay que estudiar, las plantas que
toman el agua del suelo por medio de sus races y a travs de su ciclo biolgico la
regresan a la atmsfera por medio de la transpiracin.
La transpiracin es el proceso fsico-biolgico por el cual el agua cambia de
estado lquido a gaseoso a travs del metabolismo de las plantas y pasa a la
atmsfera. Esencialmente es el mismo proceso fsico que la evaporacin, excepto
que la superficie desde la cual se escapan las molculas del lquido no es de agua
libre sino que es la superficie de las hojas.
stas estn compuestas por finas capas de clulas (mesodermo) y poseen una
delgada epidermis de una clula de espesor, la cual posee numerosas estomas. El
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espacio intercelular en el mesodermo contiene grandes espacios de aire entre
cada estoma. La humedad entre los espacios intercelulares se vaporiza y escapa
de la hoja a travs de estos estomas. El nmero de estomas por unidad de
superficie vara dependiendo de la especie vegetal y las condiciones ambientales.
Figura 2
La evapotranspiracin es la combinacin de los fenmenos de evaporacin desde
la superficie del suelo y la transpiracin de la vegetacin. La dificultad de la
medicin en forma separada de ambos fenmenos (el contenido de humedad del
suelo y el desarrollo vegetal de la planta) obliga a introducir el concepto de
evapotranspiracin como prdida conjunta de un sistema determinado.
La cantidad de agua que realmente vuelve a la atmsfera por evaporacin y
transpiracin se conoce con el nombre de evapotranspiracin real. sta es la
suma de las cantidades de vapor de agua evaporadas por el suelo y transpiradas
por las plantas durante un perodo determinado, bajo las condiciones
meteorolgicas y de humedad de suelo existentes.
El principal factor que determina la evapotranspiracin real es la humedad del
suelo, el cual puede retener agua conforme con la capacidad de retencin
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especfica de cada tipo de terreno. La humedad del suelo es generalmente
alimentada por la infiltracin, y constituye una reserva de agua a ser consumida
por la evaporacin del suelo y las plantas.
La evaporacin y la transpiracin son un proceso importante en el ciclo del agua.
Cuando el sol calienta la superficie de una masa de agua, el lquido se evapora y
se transforma en una nube. Al producirse las precipitaciones (roco, lluvia, nieve),
el agua vuelve a la cuenca y se completa el ciclo. Existen, por supuesto, otras
condiciones atmosfricas que inciden en este tipo de procesos, como la presencia
de viento.
4.1.2 MEDICION
La evaporacin natural puede ser medida como la prdida de agua desde la
superficie o como la ganancia de vapor de agua por la atmsfera. Las mediciones
en la fase lquida asumen o crean un sistema cerrado, como un tanque de
evaporacin o un lismetro, y deduce la evaporacin como la prdida neta de agua
desde el sistema cerrado en un tiempo dado. La medida en la fase de vapor muy
comnmente asume que la atmsfera es un sistema abierto, y determina la
evaporacin como una integracin del coeficiente de flujo de vapor de agua (o
equivalente al calor latente) en el sistema abierto a travs de la frontera turbulenta,
en la capa cercana a la superficie de la tierra.
La medicin de la evaporacin de extensiones libres de agua o de superficies
terrestres, as como de la transpiracin de la vegetacin, es de gran importancia
para los estudios hidrolgicos. La evaporacin y la evapotranspiracin son
tambin elementos importantes en cualquier estudio del balance hdrico.
En la actualidad es difcil medir directamente la evaporacin o la
evapotranspiracin de grandes superficies; sin embargo, existen diferentes
mtodos indirectos que dan resultados aceptables. En los embalses existentes, las
parcelas y las cuencas pequeas, las estimaciones pueden realizarse basndose
en el balance hdrico, en el balance energtico y en mtodos aerodinmicos.
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TANQUES DE EVAPORACION
Por su aparente simplicidad, los tanques de evaporacin son los instrumentos ms
utilizados para estimar la evaporacin potencial. Existen numerosos modelos de
tanques de evaporacin: unos son cuadrados y otros circulares; unos estn
instalados por encima del nivel del suelo, y otros estn enterrados de forma que el
nivel de agua coincida aproximadamente con la del terreno.
Los tanques enterrados tienden a eliminar los efectos perjudiciales de los lmites,
como la radiacin sobre las paredes laterales y el intercambio de calor entre la
atmsfera y el tanque, pero presentan dificultades para la observacin, captan
fcilmente basura, son difciles de instalar, limpiar y reparar; adems, las fugas no
se detectan con facilidad y la vegetacin que circunda al tanque puede tener
ciertos efectos nocivos, y ms an, puede existir un intercambio apreciable de
calor entre el tanque y el suelo.
La evaporacin en un tanque flotante en un embalse o lago es ms aproximada a
la evaporacin del vaso, que la de los evapormetros instalados en su orilla. Sin
embargo, se tienen dificultades para efectuar las mediciones, las salpicaduras
distorsionan los clculos y en general los costos de instalacin y mantenimiento
son elevados.
Entre los variados tipos de tanques de evaporacin utilizados, la Organizacin
Meteorolgica Mundial (OMM), recomienda el tanque tipo A de los Estados Unidos
como instrumento de referencia. Este es un tanque circular de 121 centmetros de
dimetro y 25.4 centmetros de altura, montado sobre un enrejado de madera de
forma que su base est 5 10 centmetros encima del suelo, permitiendo la
circulacin del aire por debajo.
Est construido de fierro galvanizado y es llenado hasta 5.1 centmetros bajo su
borde. Las mediciones se realizan apoyando en un tubo de nivelado un tornillo
micromtrico cuya punta se enrasa con el nivel del agua.
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La evaporacin diaria se calcula evaluando la diferencia entre los volmenes de
agua en el tanque en das sucesivos, teniendo en cuenta las precipitaciones
durante el perodo considerado. El volumen de evaporacin entre dos
observaciones del nivel del agua en el tanque se estima mediante la frmula:
E=P D
Donde P es la altura de precipitacin entre las dos mediciones y D la altura del
agua aadida (+) o sustrada (-) del tanque.
LISIMETROS
La evapotranspiracin se puede estimar por medio de lismetros, mediante
mtodos de balance hdrico o balance trmico, con ayuda del mtodo de difusin
turbulenta o mediante frmulas empricas basadas en datos meteorolgicos
observados. El uso de evapormetros y lismetros permite una medicin directa de
la evapotranspiracin de superficies de terreno diferentes y la evaporacin del
suelo situado entre espacios cultivados. Estos instrumentos han demostrado ser
suficientemente sencillos y exactos, siempre que satisfagan todos los requisitos
concernientes a su instalacin y tcnicas de observacin. La transpiracin de la
Figura 3
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vegetacin se estima como la diferencia entre los valores de evapotranspiracin y
de evaporacin del terreno medidos al mismo tiempo.
BALANCE HIDRICO
El mtodo del balance hdrico puede utilizarse para estimar la evapotranspiracin,
ET, cuando pueden medirse o estimarse la precipitacin P, el escurrimiento Q, y
las variaciones del almacenamiento, S. La ecuacin utilizada es:
ET = P Q Qss S
La evapotranspiracin anual de una cuenca para un ao hdrico puede ser
estimada como la diferencia entre la precipitacin y el escurrimiento, si se puede
establecer por estudios geohidrolgicos que la infiltracin profunda es
relativamente insignificante. Las fechas elegidas para el comienzo y final del ao
hdrico deben coincidir con la estacin seca, cuando la cantidad de agua
almacenada es relativamente pequea y el cambio en almacenamiento de un ao
a otro es mnimo.
Figura 4
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Si se debe calcular la evapotranspiracin para un perodo ms corto, como una
semana o un mes, debe medirse la cantidad de agua almacenada en el suelo y en
el canal del curso del agua. Esto es posible solo para cuencas pequeas, y la
aplicacin del mtodo de balance hdrico para esos perodos cortos se limita
generalmente a parcelas o cuencas experimentales de algunas hectreas.
BALANCE ENERGETICO
El mtodo de balance energtico puede aplicarse a la estimacin de la
evapotranspiracin cuando la diferencia entre el balance de radiacin y el flujo de
calor en el suelo es importante y excede los errores de medicin.
La evapotranspiracin real es la cantidad de agua, expresada en mm/d, que es
efectivamente evaporada desde la superficie del suelo y transpirada por la cubierta
vegetal.
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4.1.3 DETERMINACION DE LA EVAPORACION
La evaporacin de los cuerpos de agua como embalses y lagos es uno de los
componentes de la ecuacin de balance, sta variable se evala en forma
independiente, tanto de manera espacial como temporal, utilizando mtodos
directos a travs de mediciones con evapormetros (tambin conocidos como
evapormetros o tanques de evaporacin) y de las caractersticas de los cuerpos
de agua, o bien mediante mtodos indirectos, con datos del clima.
EVALUACIN DE LOS RECURSOS HDRICOS
Para obtener los volmenes evaporados durante cada mes del ao en los cuerpos de agua, utilizando datos de evapormetros, se recomienda el siguiente procedimiento:
1. Se identifican los cuerpos de agua importantes. Para lo cual, se utilizan
cartas topogrficas, planos cartogrficos, imgenes de satlite, etc.
2. A cada cuerpo de agua se le asocia una estacin climatolgica cercana,
que cuente con registros en el periodo del balance. La seleccin de cada estacin
climatolgica estar relacionada con la cantidad y consistencia de los registros
histricos. Si existe ms de una estacin cercana se utilizan los polgonos de
Thiessen para obtener valores medios mensuales.
3. Para el clculo de la evaporacin en el cuerpo de agua, se utilizan los
valores medios mensuales obtenidos en el punto 2, corregidos por un coeficiente
de reduccin. Este coeficiente vara en un rango de 0.6 a 0.8 (Aparicio, 1997).
4. Por ltimo, el valor obtenido en el punto 3 se multiplica por el rea del
cuerpo de agua, obtenida de la informacin recopilada o inferida en funcin del
nivel de la superficie libre del agua. Si se cuenta con registros climatolgicos
diarios de humedad relativa, velocidad del viento, radiacin solar, as como
temperatura media, se recomienda utilizar la frmula de Penman.
Frmula de Penman
siendo:
- E = evaporacin diaria (en mm) - = pendiente de la curva de tensin saturante para la temperatura del aire (en mm de Hg/C) - Rn = radiacin neta, traducida a mm de agua que puede evaporar en un da
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- Ea = 0,35 (0,5 + 0,54 V2) (ea -ed) (en mm/da) - V2 = velocidad del viento a 2 m de altura sobre la superficie evaporante (en m/seg) - ea = tensin de vapor saturante a la temperatura del aire (en mm de Hg) - ed = tensin de vapor en el aire (en mm de Hg) - &gamma = constante psicromtrica (en mm de Hg/C = 0,485 mm de Hg/C)
El valor de Rn se deduce del RN que da la frmula de Brunt
Ambos estn relacionados de la siguiente manera:
Rn = evaporacin (en mm/da); RN = radiacin neta (en cal/cm2) C1 = el calor de vaporizacin preciso para evaporar 1 mm de agua por cada cm2 de superficie.
OTROS MTODOS PARA CALCULAR LA EVAPORACIN SON:
Balance hdrico
Consiste en establecer una igualdad entre las entradas y salidas de agua en una zona concreta. La concepcin responde exactamente al proceso real, aunque existe gran posibilidad de error en la medida de los trminos que intervienen en el balance, con lo cual, los resultados se pueden alejar bastante de los verdaderos.
En un intervalo de tiempo determinado, la ecuacin del balance hdrico de un embalse, lago o superficie de agua libre es:
E = A -G -R
siendo: - E = evaporacin - A = aportaciones o ingresos de agua - G = salidas o gastos de agua (no debidos a evaporacin) - R = incremento en el almacenaje o reserva de agua (puede ser negativo)
y estando todos los trminos expresados en las mismas unidades. Las aportaciones (A) generalmente se deben a la precipitacin, por lo que son fciles de medir con bastante aproximacin. Las salidas (G), deben incluir tambin las
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que se deban a infiltracin, que precisamente, son las ms difciles de medir, debiendo recurrirse a estimaciones indirectas: niveles en pozos de la zona, permeabilidad, coeficiente de infiltracin, etc. La posibilidad de aplicacin de este mtodo, depende de la precisin con que puedan determinarse cada miembro de la ecuacin. No ser aplicable cuando la estimacin de las prdidas por infiltracin, sea un valor similar o exceda del que resulte para la evaporacin.
Balance energtico Medida de gradientes de humedad y velocidad del viento
1mm por da de agua evaporada equivale a 10 m3 /Ha da.
4.1.4 DETERMINACIKON DE LA EVAPOTRANSPIRACION
La evapotranspiracin es la conjuncin de dos procesos: la evaporacin y la
transpiracin. La transpiracin es el fenmeno biolgico por el que las plantas
transfieren agua a la atmsfera. Toman agua del suelo a travs de sus races, una
pequea parte es para su nutricin y el resto lo transpiran. Como es difcil medir
ambos procesos por separado, y adems en la mayor parte de los casos lo que
interesa es la cantidad total de agua que se pierde a la atmsfera, se calculan
conjuntamente bajo el concepto mixto de evapotranspiracin, exceptuando la
evaporacin en cuerpos de agua, que en este manual se estima por separado.
Existen numerosas frmulas, tericas o semi empricas, y procedimientos de
clculo para estimar la evapotranspiracin considerando parmetros
climatolgicos, agrcolas e hidrolgicos.
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4.2 USO CONSUNTIVO DEL AGUA
Es el uso del agua que no se devuelve en forma inmediata al ciclo del agua. Por
ejemplo, el riego es un uso consuntivo, mientras que la generacin de energa
elctrica mediante el turbinado del agua de un ro, si la descarga es en el mismo
ro no es un uso consuntivo.
En agricultura, el uso consuntivo es el agua que se evapora del suelo, el agua que
transpiran las plantas y el agua que constituye el tejido de las plantas. Es la
cantidad de agua que debe aplicarse a un cultivo para que econmicamente sea
rentable, se expresa en mm/da.
4.1.2 FACTORES QUE AFECTAN EL USO CONSUNTIVO
Los principales factores que influyen en el valor del uso consuntivo son:
El clima: Temperatura, humedad relativa, vientos, latitud, luminosidad y
precipitacin.
Los cultivos: Superficie, variedad, ciclo vegetativo y hbitos radiculares.
Agua: Calidad y disponibilidad practica de riego.
Figura 5
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Figura 6.- Factores que afectan el uso consuntivo
4.2.2 DETERMINACIN DEL USO
Uso domstico
El uso para abastecimiento pblico incluye la totalidad del agua entregada a travs
de las redes de agua potable, las cuales abastecen a los usuarios domsticos, as
como a las diversas industrias y servicios conectados a dichas redes.
El disponer de agua en cantidad y calidad suficiente para el consumo humano es
una de las demandas bsicas de la poblacin, pues incide directamente en su
salud y bienestar en general.
Para el abastecimiento pblico, que agrupa al uso pblico urbano y al domstico,
el tipo de fuente predominante es la subterrnea con el 62% del volumen.
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Uso en agricultura y ganadera
En agricultura, el agua se emplea para el riego de los campos. En ganadera, se
usa como parte de la alimentacin de los animales y en la limpieza de los establos
y otras instalaciones dedicadas a la cra de ganado.
Sin embargo es la irrigacin (agua usada para la agricultura o el riego de
cosechas) donde ms agua se usa y probablemente a nivel mundial, al uso del
agua al que ms importancia que se le da.
La cantidad consumida de agua para producir una cosecha es enorme: se
necesitan entre uno y tres metros cbicos de agua para cosechar un kilo de arroz
y 1.000 toneladas de agua para producir una tonelada de grano.
Uso Industrial
En este rubro se incluye la industria que toma el agua que requiere directamente
de los ros, arroyos, lagos o acuferos del pas.
Conforme al Sistema de Clasificacin Industrial de Amrica del Norte (SCIAN) las
actividades secundarias, conocidas tradicionalmente como la industria, estn
conformadas por los sectores minera, electricidad, agua y suministro de gas por
ductos al consumidor final, as
como la construccin e industrias manufactureras.
Uso en la generacin de energa trmica
El agua incluida en este rubro se refiere a
la utilizada en centrales de vapor duales,
carboelctricas, de ciclo combinado, de
turbogas y de combustin interna.
De acuerdo con lo reportado por la
Comisin Federal de Electricidad (CFE), en
el ao 2008, las centrales termoelctricas
generaron 193.56 TWh, lo que represent
el 83.6% del total de energa elctrica producida en el pas
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Grado de presin sobre el recurso
El porcentaje que representa el agua utilizada para usos consuntivos respecto al
agua renovable es un indicador del grado de presin que se ejerce sobre el
recurso hdrico en un pas, cuenca o regin. Se considera que si el porcentaje es
mayor al 40% se ejerce una fuerte presin sobre el recurso.
BIBLIOGRAFA
http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Contenido/Documentos/Capitulo_3.pdf
http://www.fertitec.com/PDF/Clasificacion%20y%20Uso%20de%20las%20Aguas%
20de%20Riego.pdf
Evaluacin de los recursos hdricos, Elaboracin del balance hdrico integrado por cuencas hidrogrficas, programa hidrolgico internacional de la UNESCO para Amrica latina y el caribe. DOCUMENTO TECNICO DEL PHI LAC N 4. Demanda de agua por parte de los cultivos, Oscar Reckmann A, M. Sc. INIA La Platina.