4.1: Presupuestos de agua para la gestión sustentable del agua
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Stacy L. Hutchinson
Universidad Estatal de Kansas
Ingeniería Biológica y Agropecuaria
Manhattan, Kansas, Estados Unidos
| Términos Clave |
| Ciclo hidrológico | Infiltración y escurrimiento | Balance hídrico |
| Relaciones entre el suelo y agua | Evapotranspiración | Gestión del agua agrícola |
| Precipitaciones | Almacenamiento de agua | Gestión de aguas pluviales urbanas |
Variables
Introducción
El agua es fundamental en muchas discusiones a nivel regional, nacional y mundial, ya sea la falta de agua, la sobreabundancia de agua o la mala calidad del agua, lo que nos empuja a buscar respuestas sobre cómo garantizar que podamos mantener un suministro de agua seguro, confiable y adecuado para el bienestar humano y ambiental. Naciones Unidas (2013) define la seguridad hídrica como
.. la capacidad de una población para salvaguardar el acceso sostenible a cantidades adecuadas de agua de calidad aceptable para sustentar los medios de vida, el bienestar humano y el desarrollo socioeconómico, para garantizar la protección contra la contaminación transmitida por el agua y los desastres relacionados con el agua, y para preservar los ecosistemas en una clima de paz y estabilidad política.
Esto resalta la necesidad de comprender las complejas relaciones asociadas con el agua y la necesidad de investigar, desarrollar e implementar sistemas diseñados que ayuden a mejorar la seguridad hídrica en todo el país y el mundo. Este capítulo se enfoca en comprender el balance hídrico del sistema, que es la base fundamental para todas las decisiones de gestión del agua.
Resultados
Después de leer este capítulo, deberías poder:
- • Describir los componentes básicos de un balance hídrico, incluyendo precipitación, infiltración, evaporación, evapotranspiración y escorrentía
- • Calcular un presupuesto de agua
- • Utilizar un presupuesto de agua para el diseño e implementación de un sistema simple de gestión del agua para riego o manejo sustentable de aguas pluviales
Conceptos
Ciclo Hidrológico
La hidrología es el estudio de cómo el agua se mueve alrededor de la Tierra en movimiento continuo, pasando por fases líquidas, gaseosas y sólidas. Este ciclo se denomina ciclo hidrológico o ciclo del agua (Figura 3.4.1). A escala global, el ciclo hidrológico puede pensarse como un sistema cerrado que obedece a la ley de conservación; un sistema cerrado no tiene interacciones externas. La gran mayoría del agua en el sistema continúa circulando a través de los tres estados de la materia: líquido, gaseoso y sólido.
Los procesos clave en el ciclo hidrológico son:
- • Precipitación (P), que es el insumo primario en un presupuesto de agua. La precipitación describe todas las formas de agua (líquida y sólida) que cae o se condensa de la atmósfera y llega a la superficie terrestre (Huffman et al., 2013), incluyendo lluvia, llovizna, nieve, granizo y rocío.
- • Infiltración (In), que es el movimiento del agua hacia el suelo. El agua infiltrada de la precipitación y el riego son las principales fuentes de agua para el crecimiento de las plantas.
- • Evaporación (E), que es la conversión de agua líquida o sólida en vapor de agua (agua gaseosa).
- • Transpiración (T), que es el proceso a través del cual las plantas utilizan el agua. El agua se absorbe del suelo, se mueve a través de la planta y se evapora de las hojas.
- • Evapotranspiración (ET), que es la combinación de evaporación y transpiración para describir el uso del agua, o salida, de superficies vegetadas.
- • Escurrimiento (R), que es el agua de precipitación que no se infiltra en el suelo. La escorrentía es generalmente una salida, o pérdida de agua, del sistema o área de interés, pero también puede ser un insumo si esta agua corre hacia el sistema o área de interés.
- • Filtración profunda (DS), que es agua que se infiltra por debajo de la zona radicular, que es la profundidad del área de interés para el presupuesto hídrico.
Relaciones de suelo y agua
El diseño de sistemas de gestión del agua por parte de ingenieros de biosistemas implica que el agua se mueva o se mantenga en el suelo. Así, la dinámica suelo-agua es un factor crítico en el proceso de diseño.
Un volumen de suelo se compone de sólidos y huecos, o espacio de poro. La porosidad es el volumen de huecos en comparación con el volumen total del suelo. Las proporciones de sólidos y vacíos dependen de las partículas del suelo (arena, hendidura, arcilla, materia orgánica) y estructura (conocidas como peds), con suelos de textura gruesa (es decir, dominados por arena) que tienen aproximadamente 30% de huecos y suelos de textura más fina (es decir, que contienen más limo o arcilla) que tienen hasta 50% de espacio vacío. El agua que se infiltra en el perfil del suelo se almacena en los huecos del suelo. Cuando todo el espacio vacío está lleno de agua, el suelo está en saturación de contenido de agua.
Las fuerzas gravitacionales eliminan el agua hasta 33 kPa (1/3 bar) de tensión; esto es agua de drenaje o gravitacional. El contenido de agua del suelo después del drenaje gravitacional durante aproximadamente 24 hrs se denomina capacidad de campo (FC) y es el agua máxima disponible para el crecimiento de las plantas. En este punto, el agua se mantiene en el suelo en los espacios de poro más pequeños por acción capilar y tensión superficial, y puede eliminarse del perfil del suelo mediante raíces de plantas extrayendo el agua de esos poros. La tensión del agua del suelo a la capacidad de campo (la presión de succión requerida para extraer agua de los espacios porosos) es de alrededor de 10 kPa (0.1 bares) para arenas a 30 kPa (0.3 bares) para suelos más pesados que contienen más limo o arcilla. Las plantas son capaces de extraer agua del perfil del suelo con hasta 1,500 kPa (15 bares) de tensión; el contenido de agua a 1,500 kPa (15 bares) de tensión se denomina punto de marchitamiento permanente (PWP). El agua total disponible de la planta (AW) para un perfil de suelo dado es la diferencia entre FC y PWP:
\[ AW = FC - PWP \]
El uso del agua vegetal es el medio principal para eliminar el agua del perfil del suelo. Una vez que toda el agua disponible ha sido absorbida por las plantas, parte del agua permanece en el suelo, en espacios de poros muy pequeños donde se necesitaría una presión de succión muy alta para eliminar esa agua. Esta película de agua está más unida a las partículas del suelo de lo que pueden extraer las plantas y se llama agua higroscópica. Estas relaciones se muestran en la Figura 3.4.2.
La cantidad de agua en el suelo se denomina contenido de agua del suelo o contenido de humedad del suelo, y a menudo se indica usando el símbolo θ. Cuando el contenido de agua del suelo se expresa sobre una base de masa, es decir, la masa de agua en el suelo en comparación con la masa total del suelo, se denomina contenido gravimétrico de agua (θ g). El contenido gravimétrico de agua se puede calcular expresando la masa de agua como una proporción de la masa húmeda total del suelo, conocida como contenido de agua en peso húmedo, o como una proporción de la masa seca total del suelo, conocida como contenido de agua en peso seco (Ecuación 3.4.2). Cuando se expresa en base a volumen, es decir, volumen de agua como proporción del volumen total, con unidades cm w 3 cm −3, el valor se denomina contenido volumétrico de agua (θ v) (Ecuación 3.4.3). El contenido gravimétrico (peso seco) y volumétrico de agua se relacionan a través de la densidad aparente del suelo (ρ b), que es la masa de partículas de suelo en un volumen dado de suelo, expresada en g cm −3.
\[ \text{gravimetric water content} (\Theta_{g}) = \frac{\text{mass water}}{\text{mass dry soil}} = \frac{\text{mass total soil - mass dry soil}}{\text{mass dry soil}} \]
\[ \text{volumetric water content} (\Theta_{v}) = \frac{\text{volume water}}{\text{total volume soil}} = \Theta_{g} \frac{\text{solid bulk density } (\rho_{b})}{\text{density of water }(\rho_{w})} \]
Como la recolección de un volumen conocido de suelo es más difícil que recolectar una simple muestra de tierra, es mucho más fácil determinar el contenido gravimétrico de agua por masa. Sin embargo, la humedad volumétrica del suelo es mucho más fácil de usar en los cálculos porque puede expresarse como una profundidad de lluvia equivalente (mm) sobre un área determinada y, por lo tanto, estar directamente relacionada con la lluvia, la cual se reporta más comúnmente en unidades de profundidad (como mm) y nunca en masa. El volumen de entrada de agua al presupuesto de agua se puede calcular multiplicando la profundidad de la lluvia por el área que recibe lluvia.
Cálculo del Presupuesto de Agua
Un presupuesto de agua, o balance hídrico, es una medida de toda el agua que fluye dentro y fuera de un área de interés, junto con el cambio de almacenamiento de agua en el área. Esto podría ser un campo de riego, un lago o estanque, o infraestructura verde como un sistema de manejo de aguas pluviales como una célula de bioretención o un jardín de lluvia (un área con vegetación para absorber y almacenar la escorrentía de aguas pluviales). A escalas más pequeñas, el ciclo hidrológico se caracteriza utilizando un presupuesto hídrico, que es la principal herramienta utilizada para diseñar y administrar sistemas de recursos hídricos, incluyendo el manejo de escorrentía de aguas pluviales y sistemas de riego. Los presupuestos de agua se calculan para un sistema o área definida (por ejemplo, campo, estanque) durante un período de tiempo específico (por ejemplo, evento de lluvia, temporada de crecimiento, mes, año).
El presupuesto de agua se calcula cuantificando los insumos, salidas y cambio en el almacenamiento de agua (∆S) del sistema o proyecto (Ecuación 4.1.4; Figura 4.1.3). Mientras que la precipitación es el principal insumo para el presupuesto de agua, otros incluyen la escorrentía hacia el sistema (R in) y el agua agregada a través del riego (Ir). Las salidas del sistema incluyen escorrentía (salida R), filtración profunda (DS) y evapotranspiración (ET). El cambio en el almacenamiento del sistema (∆S) puede ser positivo, como un aumento en el nivel del agua del estanque después de un evento de lluvia, o negativo, como la disminución de la humedad del suelo por el uso del agua de las plantas.
\[ P+Ir \ \pm R - ET - DS = \Delta S \]
donde P = precipitación
Ir = riego
R = escorrentía neta (entrada R — salida R)
ET = evapotranspiración
DS = filtración profunda
∆S = cambio en el almacenamiento de agua del suelo
El primer paso para desarrollar un presupuesto de agua para la gestión de los recursos hídricos es recopilar datos de entrada, salida y almacenamiento. Existen muchas fuentes de datos para ello, entre ellas los Centros Nacionales de Información Ambiental (NCEI) de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) (NOAA, 2019), que incluye datos de todo el mundo. Dentro de Estados Unidos, también están disponibles los datos de agua en tiempo real del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS, 2020b) y el Servicio de Conservación de Recursos Naturales (NRCS) del Servicio de Conservación de Recursos Naturales (USDA-NRCS, 2019a) del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA). Cada una de estas fuentes cuenta con amplios conjuntos de datos disponibles para ayudar con el manejo de los recursos hídricos. Los datos a nivel local de climatólogos estatales, granjas de investigación y medidores de proyectos también deben considerarse cuando estén disponibles. Los datos de precipitación de alta calidad son particularmente valiosos y necesarios a la hora de diseñar e implementar sistemas de gestión del agua, incluidos los sistemas de riego y la infraestructura verde.
Precipitaciones
La precipitación es el principal insumo en un presupuesto de agua. La forma más importante de precipitación para aplicaciones de ingeniería agrícola y biológica en la mayor parte del mundo es la lluvia. La precipitación varía significativamente entre regiones (Figura 4.1.4) y a lo largo del año, pero es relativamente consistente durante largos periodos de tiempo en una ubicación determinada. Esto significa que los registros de precipitación a largo plazo se pueden usar para calcular un presupuesto de agua y para planificar sistemas de manejo de recursos hídricos.
Además de los datos disponibles de NOAA NCEI y fuentes locales mencionadas anteriormente, se dispone de información sobre tormentas de diseño a largo plazo para Estados Unidos a partir de las estimaciones de frecuencia de precipitación de 14 puntos del Atlas de la NOAA (HDSC, 2019). Se utiliza el análisis estadístico de los datos históricos de precipitación para determinar la magnitud y probabilidad anual de diversos eventos pluviales. Estos valores se utilizan para dimensionar los sistemas de aguas pluviales para hacer frente a la mayoría de los eventos, pero no a los más extremos.
Infiltración
La precipitación comienza a moverse hacia el perfil del suelo, es decir, infiltrarse, tan pronto como llega a la superficie del suelo. Las tasas iniciales de infiltración dependen del contenido inicial de agua del suelo, pero si el suelo es más seco que la capacidad del campo, puede ser muy alto ya que el agua llena depresiones en la superficie del suelo y comienza a moverse hacia el suelo. A medida que las depresiones superficiales se llenan y el suelo superficial se satura, la infiltración se ralentiza a estado estacionario y el exceso de precipitación comienza a escaparse de la superficie. Dependiendo del tipo de precipitación, el contenido inicial de agua del suelo, la duración y la intensidad (profundidad por tiempo), la precipitación puede infiltrarse en el perfil del suelo y convertirse en agua del suelo, o no se infiltrará y se convertirá en escorrentía. La tasa de infiltración está relacionada con la densidad aparente del suelo, la porosidad, la distribución del tamaño de poro y la conectividad de los poros.
Escurrimiento
El agua que no se infiltra en el suelo es una salida del presupuesto hídrico (una pérdida del sistema de gestión del agua) a menos que el sistema esté diseñado para recogerla. La cantidad de escorrentía depende del tipo de cobertura del suelo, el tipo de suelo, el contenido inicial de agua del suelo y la intensidad de la lluvia; estos cuatro factores interactúan y no son independientes entre sí. La cobertura del suelo juega un papel importante en la determinación de la cantidad de escorrentía. Las tierras con vegetación natural suelen tener las tasas de infiltración más altas. Las tasas de infiltración disminuyen a medida que la tierra natural se convierte en tierra de producción, debido al aumento de la compactación y los cambios en la estructura del suelo, y a los terrenos desarrollados, debido a superficies impermeables como edificios y carreteras. El tipo de suelo también influye en si el agua puede infiltrarse. Los suelos con mayor espacio de poro conectado tenderán a generar menos escorrentía. El contenido inicial de agua del suelo es importante porque, si el suelo está en o cerca del contenido de agua de saturación, la tasa de infiltración es más probable que sea menor que la tasa de precipitación. Si la tasa de precipitación es muy alta, puede ocurrir escorrentía aunque el suelo esté bastante seco. Uno de los métodos más comunes para estimar el escurrimiento superficial probable es el método del número de curvas (USDA-NRCS, 2004). Se puede encontrar más información sobre el método del número de curvas en el Capítulo 10, Parte 630, del Manual Nacional de Ingeniería del USDA-NRCS (USDA-NRCS, 2004).
Evapotranspiración
La evapotranspiración (ET) es el principal medio para eliminar el agua de la parte superior del sistema de suelo cuando las plantas están presentes. Si no hay plantas esta pérdida se limitará únicamente a la evaporación. La cantidad de ET depende del tipo y etapa de crecimiento de la vegetación, el clima actual y el contenido de agua del suelo en la ubicación. Los cálculos de ET más precisos implican un balance energético asociado con la radiación solar entrante y la transferencia de masa de agua desde superficies de vegetación húmeda a una atmósfera más seca (Allen et al., 2005). La ET es impulsada por la radiación solar, pero a medida que el suelo se vuelve más seco, la ET disminuye. La relación depende de la distribución del tamaño de poro del suelo, por lo que está regulada por la interacción de la textura del suelo (contenido de arena, limo y arcilla) y estructura (presencia y tipo de piedales del suelo).
Almacenamiento
Los suelos pueden almacenar una cantidad significativa de agua y desempeñar un papel importante en el control de los procesos de lluvia-escorrentía, flujo de corriente y ET (Dobriyal et al., 2012; Meng et al., 2017). El agua del suelo disponible influye en la productividad de los sistemas naturales y agrícolas (Dobriyal et al., 2012). Comprender el agua disponible almacenada en suelos superficiales permite un diseño e implementación efectivos de sistemas de riego y manejo de aguas pluviales. El almacenamiento máximo está determinado por la porosidad total del suelo, que será casi la misma que el contenido de agua saturada. La capacidad del suelo para almacenar más agua en un momento dado está determinada por la diferencia en el contenido actual de agua y el contenido de agua saturada. Estos factores están influenciados por la textura, estructura, porosidad y densidad aparente del suelo. Se puede encontrar más información sobre los suelos en fuentes como el Portal de Suelos de la FAO de la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO, 2020), el Centro Europeo de Datos de Suelos (https://esdac.jrc.ec.europa.eu/) y en la Encuesta Web de Suelos mantenida por el USDA-NRCS (2019b).
Aplicaciones
El agua es esencial para la vida y crítica tanto para la producción de alimentos como de energía. Con un suministro finito de agua dulce disponible y una creciente población mundial que exige acceso a agua potable, energía y producción de alimentos, el manejo adecuado del agua es de suma importancia. Es imperativo investigar, desarrollar e implementar sistemas diseñados que mejoren la seguridad hídrica local, regional, nacional y global. Los balances de agua se utilizan en el diseño de sistemas para manejar el exceso de aguas pluviales y para manejar el escaso agua disponible en áreas de poca lluvia. Los sistemas de manejo de exceso de agua incluyen componentes para retener y regular la escorrentía de manera segura, mientras que los sistemas de gestión limitada del agua incluyen componentes para proporcionar agua de riego durante las
Gestión Urbana de Aguas Pluviales
A medida que ocurre la urbanización y el desarrollo del suelo, la adición de estructuras impermeables (carreteras, aceras, edificios) cambia drásticamente la hidrología de un área. El volumen de escorrentía aumenta linealmente con los aumentos en el área de superficie impermeable. Los modelos hidrológicos y el monitoreo de flujo de arroyos a largo plazo muestran que, en comparación con el predesarrollo, las áreas suburbanas desarrolladas tienen de 2 a 4 veces más escorrentía anual, y las áreas de alta densidad tienen 15 veces más escorrentía (Sahuet al., 2012; Suresh Babu y Mishra, 2012; Christianson et al., 2015). A medida que la escorrentía viaja sobre el pavimento, los tejados y los céspedes fertilizados que conforman gran parte del paisaje urbano, recoge contaminantes como patógenos, metales pesados, sedimentos y exceso de nutrientes (Davis et al., 2001), creando preocupaciones tanto por la cantidad de agua como de la calidad del agua.
Los aumentos en el volumen total de escurrimiento de las zonas urbanas son causados no sólo por estructuras impermeables. Incluso en áreas suburbanas de baja densidad donde los lotes individuales tienen grandes céspedes y se crean grandes parques públicos, los métodos actuales de construcción y desarrollo reducen en gran medida la capacidad de infiltración de los suelos. El desarrollo generalmente implica despojar la vegetación nativa de grandes áreas de tierra, acelerando las tasas de erosión del suelo 40,000 veces (Gaffield et al., 2003). Durante este proceso, los equipos de construcción compactan el suelo, reduciendo su capacidad de absorción de escorrentía. Los céspedes desarrollados pueden generar 90% tanto escurrimiento como pavimento (Gaffield et al., 2003). La escorrentía urbana también puede incluir flujos de clima seco del riego de césped y parques públicos. El resultado final del desarrollo urbano es un aumento significativo en la escorrentía que transporta contaminantes desde centros urbanos densos hasta cuerpos de agua receptores, y pequeños cambios en el uso del suelo pueden relacionarse con grandes aumentos en el potencial de inundación y carga de contaminantes.
En las últimas tres décadas, las áreas urbanas y urbanizadas han comenzado a aumentar el uso de infraestructura verde, o sistemas de base natural, para el manejo de aguas pluviales. La infraestructura verde trabaja para reducir la escorrentía de aguas pluviales y aumentar el tratamiento de aguas pluviales in situ para el control de la contaminación de fuentes no puntuales o difusas mediante infiltración y tratamiento de base biológica en la zona radicular. La infraestructura verde es muy diferente de los sistemas tradicionales de manejo de aguas pluviales grises, como las alcantarillas pluviales. Los sistemas grises más tradicionales utilizan un enfoque centralizado para la gestión del agua, diseñado para mover rápidamente la escorrentía de la tierra y hacia las aguas superficiales cercanas con poco o ningún almacenamiento o tratamiento. La infraestructura verde es más resiliente y puede ofrecer beneficios adicionales, como hábitat, en áreas desarrolladas y en desarrollo. Para obtener más información sobre infraestructura verde, consulte la página web de infraestructura verde de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (USEPA) (USEPA, 2020).
Las células de bioretención son uno de los sistemas de infraestructura verde más efectivos. Las células de bioretención están diseñadas para infiltrarse, almacenar y tratar el agua de escorrentía de superficies impermeables como estacionamientos y carreteras. Las células de bioretención se pueden revestir para evitar que los contaminantes se muevan al agua subterránea o sin revestimiento cuando no hay preocupación por la contaminación del agua subterránea. Idealmente, las células de bioretención están diseñadas para infiltrarse y almacenar el evento de lluvia de “primer rubor”. (La primera lluvia de descarga es la primera lluvia de 13-25 mm que elimina la mayor parte de la contaminación acumulada de las superficies). Sin embargo, en muchos casos, no hay suficiente espacio para instalar una celda de bioretención tan grande y el sistema está diseñado para adaptarse al espacio con el fin de tratar la mayor cantidad de aguas pluviales posible.
El diseño inicial y la evaluación de la función celular de biorretención se completa utilizando un balance hídrico del sistema. La escorrentía del estacionamiento impermeable se dirige hacia prácticas de manejo de aguas pluviales, como las células de bioretención, donde el agua se infiltra y se almacena hasta que se retira del suelo (o medio de cultivo) a través de la evapotranspiración.
Gestión del Agua Agrícola
Las condiciones climáticas cambiantes, el crecimiento de la población y la urbanización presentan desafíos para el suministro de alimentos. La intensificación agrícola impacta los recursos locales, particularmente el agua dulce utilizable. Esta vulnerabilidad se ve amplificada por un clima cambiante, en el que la sequía y la variabilidad en las precipitaciones son cada vez más comunes. Como resultado, se proyecta que 52% de la población mundial viva en regiones bajo estrés hídrico para 2050 (Schlosser et al., 2014). Al mismo tiempo, la variación de la disponibilidad de agua, junto con la limitación de los nutrientes, limitará la producción futura de alimentos y energía.
La gestión del agua agrícola es clave para optimizar la producción de cultivos. La cantidad de agua necesaria para el crecimiento del cultivo depende del tipo de cultivo, ubicación y época del año, pero promedia aproximadamente 6.5 mm día −1 durante la temporada de crecimiento (Brouwer y Heibloem, 1986). Dependiendo de la ubicación, puede ser necesaria la instalación de sistemas de manejo de escurrimientos como terrazas (ASAE S268.6 MAR2017) y vías fluviales con césped (ASABE EP 464.1 FEB2016) (Estándares ASABE, 2016, 2017) para manejar el exceso de lluvia y reducir las inundaciones y la erosión dentro de los campos. Los estándares de diseño con criterios de diseño específicos están disponibles en los Estándares ASABE (https://asabe.org/Publications-Standards/Standards-Development/National-Standards/Published-Standards).
Además de manejar la escorrentía de eventos de lluvia, también puede ser necesario complementar las precipitaciones naturales con agua de riego para la producción de cultivos (a veces en los mismos lugares). Mantener el agua disponible para el crecimiento y desarrollo de los cultivos tiene un impacto significativo en los rendimientos de los cultivos. El diseño y manejo del sistema de riego se basa en el uso de balances detallados de agua del suelo para minimizar las pérdidas de agua y optimizar la producción de cultivos Se puede calcular un presupuesto diario de agua para contabilizar todos los insumos y salidas del sistema.
Ejemplos
Ejemplo\(\PageIndex{1}\)
Ejemplo 1: Cálculo del contenido de agua del suelo
Problema:
Se proporciona la siguiente información para determinar la cantidad de almacenamiento de agua disponible en un perfil de suelo. Una muestra de suelo recolectada en campo tiene un peso húmedo de 238 g. Después de secar a 105°C por 24 hrs, el peso seco de la muestra de suelo es de 209 g. La medición cuidadosa de la muestra de suelo determina que el volumen del núcleo del suelo es de 135 cm 3. Determinar el almacenamiento de agua disponible, tanto en base de masa como de volumen, en el perfil del suelo. a) ¿Cuál era el contenido original de agua del suelo sobre una base gravimétrica (masa de agua por masa total) y (b) sobre una base volumétrica (volumen de agua por volumen de suelo a granel)?
Solución
- a) Calcular el contenido gravimétrico de agua usando la Ecuación 3.4.2:
\( \text{gravimetric water content } (\Theta_{g}) = \frac{\text{mass water}}{\text{mass dry soil}} = \frac{\text{total mass soil - dry soil mass}}{\text{dry soil mass}} \)
\( \text {mass water (g)} = 238 \text{ g total} - 209 \text{ g dry} = 29 \text{ g water} \)
\( \text {gravimetry water content} (\Theta_{g}) = \frac{29 \text{ g water}}{209 \text{ g dry}} = 0.139 \frac{\text{g water}}{\text{g dry}} = 13.9 \% \text{ water by mass} \)
- b) Calcular el contenido volumétrico de agua usando la Ecuación 4.1.3:
\( \text{volumetric water content } (\Theta_{v}) = \frac{\text{volume water}}{\text{total volume}} \)
\( \text{volume of water} = \frac{\text{mass water}}{\text{density of water}} = \frac{29 \text{ g water}}{1 \text{ g per cm}^{3}} = 29 \text{ cm}^{3} \text{ water} \)
\( \text{volumetric water content } (\Theta_{v}) = \frac{29 \text{ cm}^{3} \text{ water}}{135 \text{ cm}^{3} \text{ dry}} = 0.215 \frac{ \text{cm}^{3} \text{ water}}{\text{cm}^{3} \text{ dry}} = 21.5 \% \text{ water by volume} \)
Ejemplo\(\PageIndex{2}\)
Ejemplo 2: Determinación del agua disponible en la planta
Problema:
El agua disponible en las plantas es un factor que ayuda a determinar la necesidad de riego, así como el almacenamiento de agua disponible en las células de bioretención. Un campo tiene una cobertura de pasto establecida. El pasto tiene una profundidad efectiva de la zona radicular de 0.90 m, el suelo es un sustrato arenoso fino con FC = 23% (vol) y PWP = 10% (vol), como se muestra en el diagrama de balance hídrico.
a) Si el suelo está a capacidad de campo, ¿cuánta agua disponible (cm) hay en la zona radicular efectiva? b) Si el contenido de agua de campo promedia 18% (vol) en la zona radicular, ¿cuál es la profundidad de almacenamiento de agua disponible para las precipitaciones?
Solución
- a) Calcular el agua disponible usando la Ecuación 4.1.1:
\( AW = FC - PWP = 23 \% \text{(vol)} - 10 \% \text{(vol)} = 13 \% \text{(vol)} \)
- Así, 13% del volumen del suelo es agua disponible para uso vegetal. Cuando se considera el contenido volumétrico de agua en un área por unidad de suelo, por ejemplo, (cm 3 agua cm −2 suelo)/(cm 3 suelo cm −2 suelo), las unidades se convierten en profundidad agua/profundidad suelo, por ejemplo cm agua cm −1 perfil de suelo. Por lo tanto, considere una unidad de área de suelo y calcule la profundidad del agua disponible:
\( \text{available water} = \frac{13 \text{ cm water}}{100 \text{ cm soil profile}} \times 90 \text{ cm} = 11.7 \text{ cm water available in root zone} \)
- b) Si el contenido de agua del suelo es de 18% (vol), calcule el almacenamiento disponible como la diferencia entre FC y contenido volumétrico de agua:
\( \text{available storage} = FC - \Theta_{v} = 23 \% - 18 \% = 5 \% \)
- Y la profundidad de almacenamiento disponible en la zona raíz es:
\( \text{depth of available storage} = 0.05 \times 90 \text{ cm} = 4.5 \text{ cm} \)
Así, el perfil del suelo podría almacenar 4.5 cm en la zona radicular de 90 cm.
Ejemplo\(\PageIndex{3}\)
Ejemplo 3: Uso de un balance de agua para diseñar un estanque simple para almacenar escorrentía
Problema:
Un desarrollador está planeando el diseño de un pequeño desarrollo de vivienda en 16.2 ha (40 ac) de terreno cerca de Manhattan, KS, EE. UU. Según ordenanza local, el desarrollador debe retener cualquier aumento de escorrentía debido al desarrollo del evento de lluvia de 2 años y 24 horas (86 mm) (HDSC, 2019). Previo al desarrollo, la zona pudo infiltrarse y almacenar aproximadamente 50 mm de este evento pluvial. Con el incremento de la cobertura terrestre impermeable (por ejemplo casas y carreteras), se espera que la infiltración y el almacenamiento se reduzcan a 30 mm. Determinar el volumen del estanque requerido para almacenar la diferencia en la escorrentía esperada.
Solución
Aplicar la Ecuación 4.1.4 al sitio de 16.2 ha para determinar el incremento esperado en la escorrentía del sitio al debido desarrollo:
Ecuación del balance hídrico:
\( \text{inputs} - \text{outputs} = \text{change in storage} \)
\( P+Ir \pm R - ET-DS=\Delta S \)
Supuestos:
El estanque está seco antes de la lluvia
Ir = 0
ET = 0 para eventos de corta duración
DS = 0
Por lo tanto, P ± R = ∆S
Pre-desarrollo:
P = 86 mm
R =?
∆S = 50 mm
R = 86 mm — 50 mm = 36 mm de escurrimiento
Post-desarrollo:
P = 86 mm
R =?
∆S = 30 mm
R = 86 mm — 30 mm = 56 mm de escurrimiento
Cambio en la escorrentía:
∆S = 56 mm — 36 mm = 20 mm de escurrimiento
= 20 mm × 16.2 ha
= 0.02 m × 162,000 m 2 = 3.240 m 3
El estanque debe estar diseñado para detener, o ralentizar, 20 mm de escorrentía de la tierra desarrollada. Esto equivale a 3,240 m 3 de agua de escorrentía de todo el desarrollo de 16.2 ha.
Ejemplo\(\PageIndex{4}\)
Ejemplo 4: Estimar la cantidad de almacenamiento disponible en una célula de bioretención
Problema:
Considera una célula de bioretención ubicada en el centro de un estacionamiento. El estacionamiento, una superficie de 26 m por 12 m, está inclinado para dirigir el escurrimiento hacia la celda de bioretención. La célula contiene un medio de cultivo diseñado que es 60% de arena y 40% de compost orgánico, con una porosidad de 45% en volumen, plantado con gramíneas y forbs nativos. La celda tiene 2.0 m de ancho, 1.2 m de profundidad y 12 m de largo.
- a) ¿Cuál es el volumen máximo de almacenamiento de agua de la célula de bioretención?
- b) ¿Cuál es la tormenta más grande (profundidad máxima de precipitación) que puede infiltrarse la celda si se dispone de todo el almacenamiento?
Solución
Solución:
- a) Calcular el volumen total de la célula de bioretención:
- \( \text{volume of cell} = \text{length} \times \text{width} \times \text{depth} \)
= 12 m × 2 m × 1.2 m = 28.8 m 3
- El almacenamiento máximo es igual al espacio vacío total (porosidad):
- \( \text{void space} = \text{volume of cell} \times \text{porosity} \)
= 28.8 m 3 × 0.45 = 12.96 m 3
- (b) Suponiendo que todas las precipitaciones se escapen del estacionamiento, la profundidad máxima de tormenta que se puede almacenar es:
- \( \text{rainfall} = \frac{\text{volume of cell void space}}{\text{area of parking lot}} = \frac{12.96m^{3}}{12m \times 26m} = 0.042m = 42mm \)
- −1, preparando la celda para almacenar el siguiente evento de lluvia.
Ejemplo\(\PageIndex{5}\)
Ejemplo 5: Desarrollo de un programa de riego para maíz en un área limitada de agua
Problema:
Dada la siguiente información, determinar los cambios diarios en el contenido de agua del suelo. ¿Cuánta agua de riego se debe agregar en el día 10 para elevar el contenido de agua de la zona radicular de nuevo al contenido inicial de agua? La zona radicular es de 1 m y el contenido inicial de humedad del suelo es de 20% en volumen. Supongamos que toda la filtración pasa a través de la zona raíz y no se almacena.
Solución
Convertir la cantidad inicial de suelo en el perfil al inicio del día 1, θ v = 20% de la zona radicular, a unidades de profundidad de agua en la zona radicular:
\( \theta_{vi} = 0.2 \times 1000 \ mm = 200 \ mm\text{ of water} \)
Aplicar la Ecuación 4.1.4 a la zona raíz por cada día:
\( \text{Daily water balance} = P+Ir \pm R-ET -DS=\Delta S \)
\( \text{Day 1 inputs} = P+Ir \pm R = 0+0+0=0\ mm \)
\( \text{Day 1 outputs} = R+ET+\text{seepage} = 0+7+0 = 7 \ mm \)
\( \text{Day 1 } \Delta S = \text{inputs} - \text{outputs} = 0\ mm - 7 \ mm = -7 \ mm \)
\( \text{Day 1 } \theta_{v1} = \theta_{vi} - \Delta S = 200 \ mm - 7 \ mm = 193 \ mm \)
Hay 193 mm de agua en el perfil del suelo al final del día 1.
Es más fácil completar el resto de estos cálculos configurando una hoja de cálculo. En la siguiente tabla se muestran los componentes del presupuesto diario de agua, las entradas y salidas sumadas calculadas anteriormente y la profundidad de agua del suelo resultante (mm) en la columna más a la derecha. Agua inicial = 200 mm. En el contenido de agua es de 183 mm. Así, para devolver la cantidad de agua en el perfil a un contenido inicial de agua del suelo de 200 mm, se necesitaría agregar 17 mm en el día 10.
Créditos de imagen
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Figura 4. Ruane et. Al. (2018). Precipitaciones anuales. Recuperado a partir de https://data.giss.nasa.gov/impacts/agmipcf/
Figura 5. Hutchinson, S. L. (CC Por 4.0). (2020). Ejemplo 2.
Figura 6. Hutchinson, S. L. (CC Por 4.0). (2020). Ejemplo 4.
Figura 7. Hutchinson, S. L. (CC Por 4.0). (2020). Ejemplo 5.
Referencias
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