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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.
II Seminario Internacional Uso Racional del agua
Neiva, Colombia, 2011
Metodologías para Evapotranspiración
• 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.
Metodologías para Evapotranspiración
• 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
Metodologías para Evapotranspiración
• Técnicas directas:
– Lisimetría
– Correlación turbulenta
Metodologías para Evapotranspiración
LE
H
12
12
TT
q
T
q
T
1
GRnET
ETHGRn
qT
Método Relación de Bowen
0
2
4
6
8
150 170 190 210 230 250 270 290 310 330 350 Re
laci
ón
de
Bo
we
n (
Bo
)
Dia del año
Bowen
Metodologías para Evapotranspiración
•
Método de la desviaciones estándar
Método de la varianza
z
TKCH hpa
Coeficientes calor (Kh)
0/
/12/1
L
Lz
LbTz
T
kgz
aT
TaCpH
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
Metodologías para Evapotranspiración
c+ c- Fluctuación del elemento en estudio σw, desviación estándar del velocidad vertical del viento b constante (0.627)
Métodos de Acumulación:
acumulación de remolinos relajada:
ccbcw w''
qqbqw w''
222 '' COCObCOw w
TTbTw w''
Metodologías para Evapotranspiración
0
100
200
300
400
500
600
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
No
. d
e m
ue
str
as
Hora del día
NwP NwN
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Vie
nto
ve
rtic
al (
w)
Hu
me
dad
de
l air
e (
q)
Hora del día
mediaQP
mediaQN
stdW
Metodologías para Evapotranspiración
Frec. B H R2 Frec. H-EC (MJ) H-REA (MJ) %
20hz 0.547 0.979 0.988 10min. 6.114 6.104 -0.16
10Hz 0.546 0.981 0.988 10min. 6.114 6.117 0.04
5Hz 0.546 0.980 0.987 10min. 6.114 6.119 0.08
1Hz 0.539 0.989 0.981 10min. 6.114 6.175 1.01
2.5S 0.558 0.959 0.986 30min. 6.331 6.257 -1.06
5S 0.555 0.986 0.977 30min. 6.331 6.326 -1.08
10S 0.534 0.987 0.962 30min. 6.331 6.450 1.89
20S 0.535 0.917 0.860 30min. 6.331 6.259 -1.13
Experimento Matador
Metodologías para Evapotranspiración
Frec. B H R2 Frec. H-EC(MJ)
H-REA
(MJ) %
10Hz 0.474 0.977 0.972 10min. 13.692 14.709 1.24
5Hz 0.473 0.976 0.972 10min. 13.692 14.697 1.22
1Hz 0.469 0.973 0.968 10min. 13.692 14.689 1.21
2.5S 0.469 0.951 0.957 30min. 14.361 15.411 1.22
5S 0.465 0.948 0.937 30min. 14.361 15.483 1.30
10S 0.445 0.930 0.913 30min. 14.361 15.261 1.04
20S 0.421 0.914 0.906 30min. 14.361 14.862 0.58
Experimento Vid
Metodologías para Evapotranspiración
Frec. B LE R2 Frec.
LE- EC
(MJ)
LE-REA
(MJ) %
10Hz 0.529 0.992 0.954 10min. 5.841 5.926 -1.44
5Hz 0.528 0.993 0.954 10min. 5.841 5.935 -1.58
1Hz 0.525 0.996 0.947 10min. 5.841 5.950 -1.84
2.5S 0.553 0.950 0.956 30min. 6.061 5.905 2.63
5S 0.549 0.942 0.929 30min. 6.061 5.856 3.50
10S 0.527 0.954 0.886 30min. 6.061 5.949 1.88
20S 0.498 0.990 0.861 30min. 6.061 6.107 -0.76
Experimento Uva de Mesa
Metodologías para Evapotranspiración
y = 0.996x
R2 = 0.9472
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400
LE observada
LE
sim
ula
da
y = 0.9733x
R2 = 0.9682
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350
H Observada
H E
sti
ma
da
Metodologías para Evapotranspiración
• Variables: Temperatura y humedad de aire
Radiación neta
Radiación solar
Velocidad de viento
Métodos de balance de energía Evaporación potencial Evaporación actual
Metodologías para Evapotranspiración Aproximación de Makkink
Aproximación de Hargreaves-Samani
Aproximación Priestley-Taylor
Aproximación de Penman
RsTavgETo )78.17(0135.0
sm
RCMakET 408.0_
0
GRPTET n408.0_
0
DUGRPET n
)53.01(43.6408.0_ 2
0
Metodologías para Evapotranspiración
2
2
034.01
273
900408.0
_u
eeuT
GR
FAOPMET
as
a
n
Aproximación de Penman-monteith
Metodologías para Evapotranspiración
Metodologías para Evapotranspiración
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.
Metodologías para Evapotranspiración
XLAS LAS SMS
Metodologías para Evapotranspiración
1233/72210ln Vout
n LDICC
Intensidad de la turbulencia del índice de
refracción del aire puede ser expresado a
través del parámetro de estructura del
índice refractivo (Cn 2).
donde; C=1.12, I irradianza incidente en el receptor,
D apertura del transmisor receptor, L longitud de
Obukhov (m), Vout es el voltaje de salida de
receptor, y Cn2 varia de 10-17 a 10-12 m-2/3.
2
2
2
2
2
22
q
q
q
qT
TT
n Cq
A
T
AAC
T
AC
El parámetro de estructura de la temperatura
CT2 puede ser obtenido a partir de Cn
2
Metodologías para Evapotranspiración
2222 3.0
1
BP
TCC a
NT
γ índice refractivo del aire (7.9.10-7 K Pa-1), Ta
temperatura del aire (K), P presión atmosférica
(Pa), B relación de Bowen.
4/32
2/1
Tp CT
gdzbCH
es la densidad del aire, Cp 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.
Metodologías para Evapotranspiración
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
Metodologías para Evapotranspiración
Scintec
Kipp & Zonen
LAS-wag
Micronet
Metodologías para Evapotranspiración
Scintec
Metodologías para Evapotranspiración
Modelo Distancia Altura, Cn2, H
LAS 0.25 - 4.50 km 1.5, No,100
XLAS 4.50 8.00 km 3.0, No, 100
Kipp and Zonen
Metodologías para Evapotranspiración
Medición de flujo de calor (H) sobre una transecto de 4.0 km
EC Algodón EC Trigo EC Garbanzo
1800 m
500 m 500 m 800 m
LAS, Receptor LAS, Transmisor
6.4 m 3 m 3 m 3 m 9 m
Var. meteorológica
Suelo desnudo
Experimental setup
Metodologías para Evapotranspiración
0
5E-14
1E-13
1.5E-13
2E-13 C
on
stru
cte
d C
n2
0 5E-14 1E-13 1.5E-13 2E-13
Measured Cn2
Cn2_eff Cn2_avg
Metodologías para Evapotranspiración
0
50
100
150
200
250
300
350
Sim
ula
te
d p
ath
-a
ve
ra
ge
H
(W
/m
2)
0 50 100 150 200 250 300 350
Measured path-average H (W/m2)
Metodologías para Evapotranspiración
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
Sim
ula
te
d p
ath
-a
ve
ra
ge
L
E (W
/m
2)
-50 0 50 100 150 200 250 300 350 Measured path-average LE (W/m2)
Metodologías para Evapotranspiración
Metodologías para Evapotranspiración
Metodologías para Evapotranspiración
Metodologías para Evapotranspiración
Scintec, LAS
BLS 450 (5000m) BLS 900 (5000m) BLS 2000 (10000m)
Requerimientos de potencia
LAS Transmisor Receptor
SINTEC 0.075 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 0.59 6.5 3.8
Solar Panel 20 W 1.17 6.5 7.6
Solar Panel 30 W 1.67 6.5 10.9
Solar Panel 40 W 2.4 6.5 15.6
Solar Panel 50 W 3.05 6.5 19.8
Solar Panel 65 W 3.75 6.5 24.4
Solar Panel 75 W 4.35 6.5 28.3
Solar Panel 130 W 7.39 6.5 48
Metodologías para Evapotranspiración
Calculo de LE:
HGRnLE
Adquisidores de datos
Metodologías para Evapotranspiración
Mediodía Atardecer Medianoche
Amanecer Mediodía
1000
2000
Estructura de la capa limite Capa de la superficie
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.
Metodologías para Evapotranspiración
Eddy correlation (Correlación Turbulenta)
En flujos turbulentos
se puede definir las
fluctuaciones de una
variable de su valor
promedio según
222 ' COCOCO
qqq
www
TTT
Entonces, se puede
obtener el flujo de calor H
y el flujo de vapor E (es
decir, evaporación) de la
correlación de estas
fluctuaciones
TwTwCH p
qwqwE
Metodologías para Evapotranspiración
Normalmente, se toma la media de la velocidad
vertical del viento igual a cero
0w
Ecuaciones como ésta se utilizan en la técnica experimental de correlación turbulenta
N
i
ii CwCw1
'''
Metodologías para Evapotranspiración
LAS
EC: ET, H
Trigo
Trigo
CHILE
Trigo
Trigo
Garbanzo
Papa Cítrico/Maíz
Naranja
Maíz Trigo
Trigo
Papa/Sorgo
Brócoli/Frijol
Trigo
Cartamo
Valle del
Yaqui, 07-08 4 km
4
km
LAS
LAS
LAS
Valle del Yaqui, México 2007-2008
Metodologías para Evapotranspiración
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 (10 – 120 min; 30 min)
Metodologías para Evapotranspiración
-200
0
200
400
600
800
1000
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
00:30 02:30 04:30 06:30 08:30 10:30 12:30 14:30 16:30 18:30 20:30 22:30
R. S
ola
r (W
/m2)
Flu
jo C
O2 (
mg
/m2/s
eg
)
Horas
Flujo de CO2, Trigo 2008
ene-01 feb-11
mar-18 abr-30
R. Solar
Metodologías para Evapotranspiración
Metodologías para Evapotranspiración
Metodologías para Evapotranspiración
Metodologías para Evapotranspiración
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00
Cal
or
sen
sib
le, H
(W
/m2
)
Hora
Hs
H(post)
Correcciones: Dirección de vientos w temperatura
Metodologías para Evapotranspiración
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
21-01 04-02 18-02 03-03 17-03 31-03 14-04 28-04 12-05 26-05
Fecha (días)C
om
po
ne
nte
de
Ec
. B
ala
nc
e E
ne
rgía
(m
m/d
ía)
H
ET
Rn
G
Transplante
Inicio de
Cosecha
Retiro
Agribon
y = 0.8189x
R2 = 0.9217
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
-200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800
Rn-G (W/m2)
LE
+H
(W
/m2
)
Metodologías para Evapotranspiración
0
5
10
15
20
25
30
18-ene 02-feb 17-feb 03-mar 18-mar 02-abr 17-abr 02-may 17-may
Fecha (días)
Tem
pera
tura
del
air
e (
°C)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Hu
med
ad
rela
tiva (
%)
T. Aire
H. Relativa
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
18-01 28-01 07-02 17-02 27-02 08-03 18-03 28-03 07-04 17-04 27-04 07-05 17-05 27-05
Fecha (días)
ET
o,
ET
c (
mm
dia
-1)
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Kc
(A
dim
en
sio
na
l)
Eto
ET
Kc
Metodologías para Evapotranspiración
Metodologías para Evapotranspiración
Valle del Yaqui, México Superficie 255,000 ha Trigo=175,000 ha
Metodologías para Evapotranspiración
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250
Measured ET
Estim
ate
d E
T
Pendiente= 0.996 r2=0.897 RSME=15 W m-2
Metodologías para Evapotranspiración
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
0.00 0.10 0.20 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
NDVI
ET
/ET
R
ET = 1.6 (NDVI - 0.1) ETR si NDVI>.1
Metodologías para Evapotranspiración
Metodologías para Evapotranspiración
CV PERLETTE 05, COSTA DE HERMOSILLO
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
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
FL
UJ
O (
mm
)
ET-PM_FAO
Lluvia
Riego
ET
148 mm
674 mm
1121 mm
1710 mm
Metodologías para Evapotranspiración
Mes ET (mm) Eto (mm) KC Lluvia (mm) Riego (mm)
Ene 20.9 81.2 0.32 30.6 27.4
Feb 30.6 79.6 0.45 33.6 47.9
Mar 59.7 143.3 0.54 0.3 130.0
Abr 86.7 180.1 0.59 1.3 190.0
May 98.5 201.6 0.59 17.5 114.0
Jun 92.0 219.5 0.49 0.0 155.0
Jul 104.9 222.4 0.53 38.1 170.2
Ago 76.0 185.8 0.57 21.4 67.6
Sep 44.3 156.2 0.29 5.1 66.9
Oct 30.6 112.5 0.23 0.3 103.4
Nov 19.5 72.0 0.19 0.0 10.6
Dic 10.4 56.3 0.10 0.0 38.0
Suma 674.1 1736.1 148.2 1121.0
Uva de mesa , Costa de Hermosillo México, 2005
Metodologías para Evapotranspiración
0
5
10
15
20
25
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
UC acumulados
Us
o d
e A
gu
a (
L/p
lan
ta)
Metodologías para Evapotranspiración
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
UC acumulados
Rie
go
(L
/pla
nta
)
Metodologías para Evapotranspiración
H. suelo 30 cm, CV Perlette
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
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.
Vo
l (m
3/m
3)
0
5
10
15
20
25
30
35
Llu
via
+ R
ieg
o (
mm
/dia
)
H. suelo 120 cm, Predio Don Luis
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
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. V
ol (m
3/m
3)
0
5
10
15
20
25
30
35
Llu
via
+ R
ieg
o (
mm
/dia
)
Metodologías para Evapotranspiración
0 0,08 0,16 0,24 0,32
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-100
-110
-120
HU090605 HU121005
Metodologías para Evapotranspiración
Evapotranspiración en Nogal Pecanero
Metodologías para Evapotranspiración
Metodologías para Evapotranspiración
Coeficiente de cultivo de Uva de Mesa
Metodologías para Evapotranspiración
Resumen de mediciones en Costa de Hermosillo México
Estimación de necesidades hídricas Mapa uso de suelo
Datos satelite, serie de tiempo Datos
meteorologicos
Evapotranspiración potencial
de cultivo ETc
( = crop water requirement )
Evapotranspiracion de referencia
Pasto bien regado
Coeficiente Cultivo Kc(t)
Cultivo bien regado optimal agronomic
conditions
(Allen et al. 1998 FAO n°56)
ETc(t) = Kc(t,crop).ETo(t)
ref ETo(t)
methodology : FAO56
t
NDVI(t)
KC
Kc Mid
Kc ini
Kc end
Kc = f(NDVI)
Series of satellite Images to provide KC values and ETC digital maps for the Jordan Valley.
(Sep – Oct – Nov –Dec)/2002
ETO
ETC
NDVI: Normalized Difference Vegetation Index
Crop coefficient WHEAT
SOYBEAN
CORN
SUNFLOWER
FAO tables +
satellite phenology
Kc = f(NDVI, crop)
Metodologías para Evapotranspiración
Metodologías para Evapotranspiración
mnmx
mn
NDVINDVI
NDVINDVIEToET
EToKcETETo
ETKc
RIRc
RIRcNDVI
*
*,
NDVI, Kc, ET
Metodologías para Evapotranspiración
Metodologías para Evapotranspiración
• 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