II Seminario Internacional Uso Racional del agua

Transcripción

1 II Seminario Internacional Uso Racional del agua EVAPOTRANSPIRACIÓN: TÉCNICAS TURBULENTAS Y SCINTILOMETRÍA PARA DETERMINAR LAS NECESIDADES DE AGUA EN CULTIVOS Rodríguez Julio Cesar, Watts T. Christopher, Chehbouni Abdelghani Garatuza-Payan Jaime Renteria-Martínez María Eugenia. Neiva, Colombia, 2011

2 Introducción: Agricultura principal usuario de agua dulce (70-80%). Poca credibilidad del agricultor en las recomendaciones técnicas, dada los bajos costos del agua y la alta sensibilidad de algunos cultivos al estrés hídrico. Agua recurso escaso en zonas áridas y semiáridas. Inadecuado control del agua de riego aplicada a los cultivos. Existen diversas metodologías capaces de estimar evapotranspiración potencial, de referencia o real en grandes superficies usando sensores remotos, con diversas certidumbre. Las técnicas turbulentas y Scintilometría son las metodologías que mejor representan las condiciones planta-suelo, y pueden ser utilizadas para validar estimaciones en grandes áreas. Se requiere para los administradores de aproximaciones de volúmenes de agua requeridos por los cultivos para la adecuada planeación hidroagricola.

3 Técnicas indirectas: Métodos de perfiles Relación de Bowen Método de las varianzas Métodos de acumulación Acumulación de remolinos Acumulación de remolinos relajada Métodos de balance de energía Evaporación potencial Aproximación de Makkink Aproximación de Hargreaves-Samani Aproximación de Priestley-Taylor Aproximación de Penman Evaporación actual Aproximación de Penman-monteith Scintilometría

4 Técnicas directas: Lisimetría Correlación turbulenta

5 Relación de Bowen (Bo) Metodologías para Evapotranspiración Método Relación de Bowen H LE T q T q T q 2 2 T q 1 1 T q Rn ET G H Rn G 1 ET Bowen Dia del año

6 Método de la desviaciones estándar Método de la varianza z T K C H h p a Coeficientes calor (K h ) 0 / / 1 2 1/ L L z L btz T kgz at T acp H σt desviación de la temperatura (K), z altura de medición de T, k c. de von Karman (0.41), L l. de Obukhov (m), at y bt c. empíricas 2.8 y 29.7

7 Métodos de Acumulación: w' c' acumulación de remolinos relajada: b w c c w' q' b w' CO2' w' T' w q q b w CO2 CO2 b w T T c+ c- Fluctuación del elemento en estudio σw, desviación estándar del velocidad vertical del viento b constante (0.627)

8 Humedad del aire (q) Viento vertical (w) No. de muestras Metodologías para Evapotranspiración NwP NwN Hora del día mediaqp mediaqn stdw Hora 1200 del día

9 Experimento Matador Frec. B H R2 Frec. H-EC (MJ) H-REA (MJ) % 20hz min Hz min Hz min Hz min S min S min S min S min

10 Experimento Vid Frec. B H R2 Frec. H-EC(MJ) H-REA (MJ) % 10Hz min Hz min Hz min S min S min S min S min

11 Experimento Uva de Mesa Frec. B LE R2 Frec. LE- EC (MJ) LE-REA (MJ) % 10Hz min Hz min Hz min S min S min S min S min

12 LE simulada H Estimada Metodologías para Evapotranspiración y = x R 2 = H Observada y = 0.996x R 2 = LE observada

13 Métodos de balance de energía Evaporación potencial Evaporación actual Variables: Temperatura y humedad de aire Radiación neta Radiación solar Velocidad de viento

14 Aproximación de Makkink C m Rs ET0 _ Mak Aproximación de Hargreaves-Samani ETo ( Tavg 17.78) Rs Aproximación Priestley-Taylor R n G ET0 _ PT Aproximación de Penman R G 6.43 (1 0.53U ) D n 2 ET _ P

15 Aproximación de Penman-monteith ET 0 _ FAOPM Ta u R G u e e n 2 2 s a

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17 Scintilometría. El instrumento utilizado para medir el flujo de calor sensible (H) sobre un superficie a través de esta técnica se llama Scintilómetro (LAS). Mide la intensidad de la turbulencia del índice de refracción del aire, y consiste de un transmisor y un receptor. El transmisor emite una señal electromagnética a 0.94 m en una distancia conocida al receptor el cual analiza la fluctuación de la intensidad de la señal enviada.

18 XLAS LAS SMS

19 Intensidad de la turbulencia del índice de refracción del aire puede ser expresado a través del parámetro de estructura del índice refractivo (C n 2 ). C 2 n 2 C ln 7/ Vout I D L 10 donde; C=1.12, I irradianza incidente en el receptor, D apertura del transmisor receptor, L longitud de Obukhov (m), V out es el voltaje de salida de receptor, y C n 2 varia de a m -2/3. C 2 n A T 2 T 2 C 2 T A T T A q q A q 2 q 2 C 2 q El parámetro de estructura de la temperatura C T 2 puede ser obtenido a partir de C n 2

20 C P T 0. 3 a T CN 1 B 2 γ índice refractivo del aire ( K Pa -1 ), T a temperatura del aire (K), P presión atmosférica (Pa), B relación de Bowen. H C b g T 1/ 2 2 z d 3/ 4 p C T es la densidad del aire, C p calor especifico, b es una constante (0.57), z longitud de la rugosidad de la superficie, d altura del desplazamiento de la superficie, g gravedad de la tierra, T temperatura en K.

21 Sensor remoto activo (transmisor/receptor) Mide fluctuaciones en la luz que dependen de flujos de calor, humedad y presión. LAS y XLAS usan luz 940 nm y el flujo de calor es dominante Ventajas: Mediciones medias sobre distancias < 10 km No hay problemas de distorsión del flujo Procesamiento sencillo de datos Poco mantenimiento Desventajas: Método indirecto

22 Scintec Kipp & Zonen LAS-wag Micronet

23 Scintec

24 Modelo Distancia Altura, Cn2, H LAS km 1.5, No,100 XLAS km 3.0, No, 100 Kipp and Zonen

25 Medición de flujo de calor (H) sobre una transecto de 4.0 km

26 Experimental setup Var. meteorológica LAS, Transmisor LAS, Receptor 9 m 6.4 m 3 m 3 m 3 m EC Algodón EC Trigo EC Garbanzo Suelo desnudo 500 m 500 m 800 m 1800 m

27 C o n s t r u c t e d C n 2 Metodologías para Evapotranspiración 2E E-13 1E-13 5E-14 Cn2_eff Cn2_avg 0 0 5E-14 1E E-13 2E-13 Measured Cn2

28 S im u la t e d p a t h - a v e r a g e H ( W / m 2 ) Metodologías para Evapotranspiración Measured path-average H (W/m2)

29 S im u la t e d p a t h - a v e r a g e L E ( W / m 2 ) Metodologías para Evapotranspiración Measured path-average LE (W/m2)

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33 Scintec, LAS BLS 450 (5000m) BLS 900 (5000m) BLS 2000 (10000m)

34 Requerimientos de potencia LAS Transmisor Receptor SINTEC a 3.5 A 0.63 A LAS-K&Z 0.5 A 0.2 A Solar Panel Potencia (A) Horas insolación P. Diaria (A) Solar Panel 10 W Solar Panel 20 W Solar Panel 30 W Solar Panel 40 W Solar Panel 50 W Solar Panel 65 W Solar Panel 75 W Solar Panel 130 W

35 Calculo de LE: LE Rn G H

36 Adquisidores de datos

37 Estructura de la capa limite Mediodía Amanecer Atardecer Medianoche Capa de la superficie Mediodía Representando el 10%.. En ella los flujos turbulentos presentan una variación menor al 10% en su magnitud. Las pequeñas y rápidas fluctuaciones del viento son dominantes sobre las más grandes y lentas. Espesor desde la superficie de ~50-100m.

38 Eddy correlation (Correlación Turbulenta) En flujos turbulentos se puede definir las fluctuaciones de una variable de su valor promedio según T T T w q CO w w q q 2' CO2 CO2 Entonces, se puede obtener el flujo de calor H y el flujo de vapor E (es decir, evaporación) de la correlación de estas fluctuaciones H Cp wt wt E wq wq

39 Normalmente, se toma la media de la velocidad vertical del viento igual a cero w 0 Ecuaciones como ésta se utilizan en la técnica experimental de correlación turbulenta N w ' C ' i1 w C i i '

40 Valle del Yaqui, México LAS Trigo LAS Trigo Brócoli/Frijol Trigo CHILE Trigo Trigo Garbanzo Papa/Sorgo Cítrico/Maíz LAS Papa 4 km Cartamo Naranja Trigo Trigo Maíz Valle del Yaqui, LAS EC: ET, H 4 km

41 Instrumentación: Área de influencia de las mediciones (10-50 veces h) Altura de medición (2 5 m) sobre la vegetación Frecuencia de vientos (vientos dominantes) Alta frecuencia de medición (fc>10hz) Promedio de mediciones ( min; 30 min)

42 Flujo CO2 (mg/m2/seg) R. Solar (W/m2) Metodologías para Evapotranspiración Flujo de CO2, Trigo ene-01 feb mar-18 R. Solar abr :30 02:30 04:30 06:30 08:30 10:30 12:30 14:30 16:30 18:30 20:30 22: Horas -200

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46 Calor sensible, H (W/m2) Metodologías para Evapotranspiración Hs H(post) Correcciones: Dirección de vientos w temperatura :00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 Hora

47 LE+H (W/m2) Componente de Ec. Balance Energía (mm/día) Metodologías para Evapotranspiración y = x R 2 = H ET Rn G Inicio de Cosecha Transplante Retiro Agribon Fecha (días) Rn-G (W/m2)

48 Temperatura del aire ( C) Humedad relativa (%) ETo, ETc (mm dia-1) Kc (Adimensional) Metodologías para Evapotranspiración ene 02-feb 17-feb 03-mar 18-mar 02-abr 17-abr 02-may 17-may Fecha (días) T. Aire H. Relativa Fecha (días) Eto ET Kc

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50 Valle del Yaqui, México Superficie 255,000 ha Trigo=175,000 ha

51 Estimated ET Metodologías para Evapotranspiración Measured ET Pendiente= r 2 =0.897 RSME=15 W m -2

52 ET/ETR Metodologías para Evapotranspiración NDVI ET = 1.6 (NDVI - 0.1) ETR si NDVI>.1

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54 FLUJO (mm) Metodologías para Evapotranspiración CV PERLETTE 05, COSTA DE HERMOSILLO ET-PM_FAO Lluvia Riego ET 1710 mm 1121 mm mm mm Jan-05 Feb-05 Mar-05 Apr-05 May-05 Jun-05 Jul-05 Aug-05 Sep-05 Oct-05 Nov-05 Dec-05 FECHA

55 Uva de mesa, Costa de Hermosillo México, 2005 Mes ET (mm) Eto (mm) KC Lluvia (mm) Riego (mm) Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Suma

56 Uso de Agua (L/planta) Metodologías para Evapotranspiración UC acumulados

57 Riego (L/planta) Metodologías para Evapotranspiración UC acumulados

58 H. Vol (m3/m3) Lluvia + Riego (mm/dia) H. Vol (m3/m3) Lluvia + Riego (mm/dia) Metodologías para Evapotranspiración H. suelo 30 cm, CV Perlette Jan-05 Feb-05 Mar-05 Apr-05 May-05 Jun-05 Jul-05 Aug-05 Sep-05 Oct-05 Nov-05 Dec-05 Fecha H. suelo 120 cm, Predio Don Luis Jan-05 Feb-05 Mar-05 Apr-05 May-05 Jun-05 Jul-05 Aug-05 Sep-05 Oct-05 Nov-05 Dec-05 Fecha

59 ,08 0,16 0,24 0,32 HU HU121005

60 Evapotranspiración en Nogal Pecanero

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62 Coeficiente de cultivo de Uva de Mesa

63 Resumen de mediciones en Costa de Hermosillo México

64 Datos meteorologicos Estimación de necesidades hídricas Mapa uso de suelo Datos satelite, serie de tiempo Evapotranspiracion de referencia ETo(t) ref Pasto bien regado Coeficiente Cultivo K c (t) Cultivo bien regado optimal agronomic conditions ET c (t) = K c (t,crop).eto(t) (Allen et al FAO n 56) Evapotranspiración potencial de cultivo ET c ( = crop water requirement )

65 methodology : FAO56 Series of satellite Images to provide K C values and ET C digital maps for the Jordan Valley. ET O Kc = f(ndvi) Kc Mid Kc end NDVI(t) K C t ET C (Sep Oct Nov Dec)/2002 Kc ini NDVI: Normalized Difference Vegetation Index

66 WHEAT Crop coefficient CORN FAO tables + satellite phenology SOYBEAN SUNFLOWER Kc = f(ndvi, crop)

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68 NDVI, Kc, ET NDVI IRc IRc R R ET Kc, ET Kc* ETo ETo NDVI NDVI ET ETo * NDVI mx NDVI mn mn

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70 Conclusiones: Diversas metodologías existentes son capaces de estimar evapotranspiración potencial, de referencia o real. Las técnicas turbulentas y Scintilometría son las metodologías que mejor representan las condiciones planta-suelo. La evidencia de campo muestra que el productor independiente del sistema de riego aplica agua de mas. Los resultados obtenidos mediante esta técnicas son indispensables para la validación de metodologías que utilizan información remota. Los resultados obtenidos combinando mediciones de superficie y satelitales simular adecuadamente el comportamiento de la evapotranspiración en la superficie agrícola y vegetación natural