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.