INTRODUCCIÓN
La morfología de los sistemas hidrológicos emplazados en áreas de llanura condiciona los procesos que se desarrollan allí y el modelo conceptual requerido para describirlos (Kovacs, 1983; Tricart, 1983). Hay un aspecto clave en el funcionamiento hidrológico de esos sistemas que es la marcada interacción de la hidrología superficial con la subterránea. En función de los niveles freáticos, los excedentes hídricos pueden incorporarse al perfil del suelo o generar derrames y acumulación superficial de consideración. La zona no saturada (ZNS) representa la interfaz entre los procesos superficiales y subterráneos, y la estimación correcta de los flujos de intercambio entre ambos ambientes a través de ella es crucial a la hora de realizar simulaciones mediante modelos hidrológicos en áreas de llanura (Kruse y Zimmermann, 2002).
Otro aspecto dominante es el sentido vertical de los flujos de intercambio entre sus componentes, entre los que se encuentran procesos preponderantes tales como infiltración, evaporación y evapotranspiración (Fertonani y Prendes, 1983; Caamaño Nelli y Zimmermann, 1990).
Como una alternativa aplicable a estos sistemas se han desarrollado esquemas de modelación, basados en celdas interconectadas representativas de los ambientes que intercambian materia, energía e información. Un ejemplo de esto es el modelo de Simulación Hidrológica de Áreas de Llanura, SHALL (Zimmermann y Riccardi, 2000). El modelo es hidrodinámico cuasi-3D, que contempla las componentes subterránea y superficial de flujos de agua, conjuntamente con los flujos verticales hacia el acuífero y la atmósfera. En cada celda o unidad de discretización espacial, el modelo SHALL puede cuantificar dinámicamente variables de estado (almacenamientos por intercepción, superficial, en el perfil del suelo y subterráneo) y flujos de intercambio (evapotranspiración, ascenso capilar, escurrimiento superficial, mantiforme y encauzado, a superficie libre y a través de constricciones -puentes, alcantarillas, sobrepaso de terraplenes, etc.-, infiltración, percolación profunda y escurrimiento subterráneo). La aptitud de conectar la hidrología de superficie con la subterránea, lo habilita para realizar predicciones acerca de evoluciones en los procesos hidrológicos provocados por acciones antrópicas a escala de cuenca y en el largo plazo.
El modelo ha sido aplicado en sistemas abiertos del sur santafesino (Zimmermann y Riccardi, 2003; Méndez Zacarías y Zimmermann, 2011) y sistemas cerrados pampeanos (Zimmermann y Mecca, 2010).
Actualmente se está constituyendo el modelo en un sector deprimido de la cuenca del arroyo del Azul, que conforma la vertiente sur del río Salado (provincia de Bs. As.). Es aquí donde los procesos de evaporación y transpiración de la cobertura vegetal se manifiestan fuertemente, convirtiéndose en una de las principales salidas del sistema.
Con el fin de obtener resultados más representativos de estos procesos hidrológicos e incorporar nuevas fórmulas ya probadas y recomendadas se presenta aquí una adaptación de la metodología propuesta por la Food Agriculture Organization (FAO, Naciones Unidas) para la estimación de la evapotranspiración real utilizando los parámetros del modelo SHALL.
La metodología comprende la estimación del factor de estrés hídrico, Kd, considerando diferentes tipos de coberturas, contenido de humedad de la zona no saturada activa en términos de saturación de humedad efectiva del suelo, pudiendo incorporarse otras variables que puedan condicionar el proceso de evapotranspiración (p.ej. contenido salino del suelo).
METODOLOGÍA PROPUESTA POR FAO
El procedimiento, fue presentado por primera vez en la publicación de la Serie de Riego y Drenaje de la FAO N° 24 «Las Necesidades de Agua de los Cultivos», denominado como el enfoque de «Kc ETo», donde los efectos del clima sobre los requerimientos de agua del cultivo vienen reflejados en la evapotranspiración del cultivo de referencia ETo y el efecto del cultivo se incorpora en el coeficiente del cultivo Kc. Recientemente se han actualizado los contenidos con una nueva publicación, denominada FAO N° 56 (Allen et al., 2006) donde se vuelve a sugerir el uso del método de Penman-Monteith para la estimación de la evapotranspiración, dando pautas para situaciones con escasa información meteorológica.
Para el método de Penman-Monteith se define el cultivo de referencia como un cultivo hipotético con una altura asumida de 0,12 m, con una resistencia de la superficie de 70 s m-1 y un albedo de 0,23, lo que asemeja a la evaporación que ocurre en una superficie extensa de pasto verde de altura uniforme, creciendo activamente y bien regada, la que se toma como referencia. Se han desarrollado procedimientos y recomendaciones para la utilización del método con datos climáticos limitados, eliminando por lo tanto la necesidad de utilizar otros métodos para la estimación de la evapotranspiración y creando una base consistente y transparente para una estandarización universal de los cálculos de los requerimientos de agua de los cultivos (Allen et al., 2006).
En el enfoque del «Kc ETo», las diferencias en la vegetación del cultivo y en la resistencia aerodinámica, con respecto al cultivo de referencia, resultan consideradas en el coeficiente del cultivo, Kc, el cual sirve como una integración de todas las diferencias físicas y fisiológicas entre los cultivos.
En la publicación de referencia se presentan varios procedimientos de ajustes al coeficiente del cultivo que toman en cuenta las desviaciones de las condiciones de desarrollo del cultivo con respecto a las condiciones estándar, tales como la presencia de estrés hídrico y salino, baja densidad de plantas, factores ambientales y las prácticas de manejo del cultivo.
Restricciones por estrés hídrico
Las fuerzas que actúan sobre el agua presente en el suelo disminuyen su energía potencial y la hacen menos disponible para su extracción por parte de las raíces de las plantas. Cuando el suelo se encuentra húmedo, el agua presente tiene una energía potencial alta, teniendo libertad de movimiento y pudiendo ser extraída fácilmente por las raíces de las plantas. En suelos secos el agua tiene una energía potencial baja, siendo retenida fuertemente por fuerzas capilares y de adsorción a la matriz del suelo, lo que la hace menos extraíble por el cultivo. Cuando la energía potencial del agua del suelo cae por debajo de cierto valor umbral, se dice que el cultivo se encuentra estresado (Allen et. al., 2006). Los efectos del estrés hídrico son incorporados al multiplicar el coeficiente basal del cultivo por el coeficiente de estrés hídrico, Kd (se ha modificado la nomenclatura original del trabajo de referencia para evitar confusiones.)
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El total de agua disponible, ADT, en la zona radicular es la diferencia entre los contenidos de humedad a capacidad de campo y el punto de marchitez permanente:
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donde ADT está dado en (mm), qCC contenido de humedad a capacidad de campo (m3m-3), qPMP contenido de humedad en el punto de marchitez permanente (m3m-3), Zr profundidad de las raíces (m).
A medida que disminuya la cantidad de humedad en el suelo, el agua será retenida más fuertemente a la matriz del suelo y será más difícil de extraer. Cuando el contenido de humedad del suelo esté por debajo de cierto valor umbral, el agua del suelo no podrá ser transportada hacia las raíces con la velocidad suficiente para satisfacer la demanda de transpiración y el cultivo comenzará a sufrir de estrés. La fracción de ADT que un cultivo puede extraer de la zona radicular sin experimentar estrés hídrico es denominada agua fácilmente aprovechable en el suelo, AFA:
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donde AFA (mm), p fracción promedio del total de agua disponible en el suelo (ADT) que puede ser agotada de la zona radicular antes de presentarse estrés hídrico.
El factor p varia de un cultivo a otro, normalmente entre 0,30 para plantas de raíces poco profundas, a tasas altas de ETc (> 8mm d-1), hasta 0,70 para plantas de raíces profundas y tasas bajas de ETc (< 3 mm d-1). Un valor de 0,50 para p es utilizado comúnmente para una gran variedad de cultivos (Allen et al., 2006).
Coeficiente de estrés hídrico, Kd
Los efectos del estrés hídrico sobre el valor de la ET del cultivo se reflejan mediante la reducción del valor del coeficiente del cultivo. Esto se logra al multiplicar el valor del coeficiente del cultivo por el coeficiente de estrés hídrico Kd (ecuación 1). El contenido de humedad en la zona radicular puede ser expresado en función del agotamiento de humedad en la zona radicular, Dr, es decir la cantidad de agua faltante con respecto a la capacidad de campo. En capacidad de campo, el agotamiento en la zona radicular es igual a cero (Dr= 0). Cuando se produce la extracción del agua a través de la evapotranspiración, aumentará el agotamiento de humedad y se iniciarán las situaciones de estrés cuando el valor de Dr sea igual a AFA. Después de que el agotamiento en la zona radicular exceda a AFA (o sea, el contenido de agua es menor al valor umbral,qp), el agotamiento será lo suficientemente alto como para limitar la evapotranspiración a valores menores que su potencial, por lo que la evapotranspiración del cultivo comenzará a disminuir en proporción (lineal) a la cantidad de agua remanente en la zona radicular. Si Dr > AFA, se propone que:
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EL MODELO SHALL
En el modelo SHALL se simula el movimiento y redistribución del agua en la zona no saturada (ZNS) mediante un esquema numérico basado en la ecuación de Richards. Bajo este esquema numérico también se determinan los montos de agua intercambiados con la atmósfera, mediante evapotranspiración, y el acuífero. El esquema se ha adaptado y validado para condiciones freáticas someras, típicas de las llanuras pampeanas (Zimmermann, 2021).
Vale decir que el proceso de evapotranspiración llevado a cabo por la cobertura vegetal es considerado como una condición de contorno en el extremo superior de la ZNS. La desecación como condición de borde superior contempla a la lámina interceptada como primer almacenamiento que satisface la demanda de evaporación potencial y en segundo término la lámina almacenada en superficie (si existen). Se establece una interacción entre procesos superficiales y subsuperficiales, para los períodos sin lluvia. Si los montos almacenados en superficie no alcanzan para cubrir la demanda se extrae agua del suelo por transpiración vegetal.
Para analizar el movimiento del agua en la ZNS deben conocerse parámetros del suelo tales como las curvas de conductividad hidráulica K(q), y de retención de humedad y(q). En el modelo se han adoptado las relaciones de Brooks-Corey (1964), representadas por las siguientes ecuaciones:
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donde qr y qs son los contenidos de humedad correspondientes a humedades residual y de saturación, respectivamente, l es un parámetro que depende de la distribución de los tamaños de porosdel suelo, yc es la succión crítica (presión de entrada de aire) y Se es la saturación efectiva.Para la estimación de la conductividad hidráulica relativa, Kr=K(q)/Ks, siendo Ks la conductividad hidráulica saturada, se utiliza la ecuación siguiente:
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Estimación de la evapotranspiración en la formulación original del SHALL
El modelo adoptado para estimar la evapotranspiración real es el de Feddes (1982). Allí se asume que la tasa real de evapotranspiración es limitada por un factor ß función del potencial mátrico del suelo y(0<ß(y)<1). La función ß es nula por debajo de un potencial Y1=0 debido a la deficiencia de oxígeno donde el suelo se encuentra en estado de saturación y por debajo de un valor y4 equivalente a una humedad de punto de marchitez permanente. Es máxima (ß(y)=1) entre los valores de potencial equivalente a la capacidad de campo y2 y un potencial y3 el cual depende de la tasa máxima de evapotranspiración. Entre y1 - y2 y y3 -y4 se proponen relaciones lineales.
Adaptación del método propuesto por FAO al modelo SHALL
Durante las simulaciones, la evolución de los almacenamientos de agua en la ZNS se evalúa en términos de saturación efectiva o contenidos de humedad, no en láminas almacenadas como se presentan en la metodología de FAO.
Dado que las humedades se expresan en términos de la saturación efectiva, Se, deben expresarse los límites de humedades, qCC y qPMP, y almacenamientos, ADT y AFA, en función de la misma. Conocida la curva de retención y(q), o bien, y(Se) la cual es parametrizada en cada celda del dominio, las saturaciones efectivas respectivas a los límites de humedades que definen ADT se obtienen a partir de las mismas:
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Siendo hdt y hfa los rangos de humedad definidos por FAO para el total de agua disponible y extraíble con facilidad, respectivamente, y qp el contenido de humedad por debajo del cual comienza el estrés de la cobertura (Figura 1).
Sabiendo por definición que un tenor de humedad en condiciones de capacidad de campo representa una succión de 33 cm y en condiciones de marchitez permanente 15 bares o aproximadamente 150 m de succión, se tiene que:
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Con estos parámetros transformados, siguiendo el método de FAO, el coeficiente de estrés Kd puede esquematizarse en función del contenido de humedad o la saturación efectiva como (Figura 1):
|
hfa hdt
(b) hfa hdt
Figura 1. Coeficiente de estrés hídrico, Kd, en función de los contenidos de humedad (a) y de las saturaciones efectivas (b)
En síntesis y adaptando el método ofrecido por FAO a los términos del modelo, el coeficiente de estrés hídrico, Kd, puede expresarse como:
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Esta ecuación se ha incorporado en el módulo que determina la evapotranspiración real del modelo SHALL.
Respecto a la metodología originaria empleada en el modelo, si bien ambas formulaciones son de carácter empírico, se considera que esta propuesta presenta dos importantes ventajas, a saber:
- conjuga un mayor número de experiencias de campo acumuladas en más de 20 años respecto a la primigenia, publicadas por un organismo reconocido como la FAO,
- los parámetros están estudiados y publicados para numerosos tipos de cultivos desarrollados en todo el mundo. Particularmente, respecto a la formulación original, elimina la incertidumbre del parámetro y3 propuesto en el modelo de Feddes sobre el cual no hay definiciones precisas.
CONCLUSIONES
Se presenta como objetivo adaptar la metodología para estimar la evapotranspiración real propuesta FAO a las variables empleadas por el modelo hidráulico-hidrológico SHALL, apto para simulación continua en áreas de llanura.
Se propone una estimación de saturaciones efectivas extremas, desde un punto de vista agrológico, capacidad de campo y punto de marchitez permanente, conforme a las curvas de retención ajustadas con la fórmula de Brooks-Corey.
Siguiendo los lineamientos del método propuesto por FAO, se presenta una estimación de la saturación efectiva límite para la cual por debajo de la misma las coberturas vegetales comienzan a restringir el abastecimiento de la evapotranspiración potencial, y del coeficiente de estrés hídrico en función de las saturaciones límites calculadas, para estimar, finalmente, la evapotranspiración real en función de variables que contempla el modelo SHALL.
Respecto a la formulación originaria empleada en el modelo se considera que esta propuesta presenta ventajas comparativas respecto a los parámetros involucrados y la experiencia recogida y publicada por un organismo reconocido como la FAO.
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Tipo de Publicación: ARTICULO.
Trabajo recibido el 18/06/2022 y aprobado para su publicación el 21/11/2022.
COMO CITAR
Zimmermann, E. (2022). Adaptación del Método Propuesto por FAO para Evaluar la Evapotranspiración Real en el Modelo de Simulación Hidrológica SHALL. Cuadernos del CURIHAM, 28, 59-64. DOI: https://doi.org/10.35305/curiham.v28i.185
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