Uso de estaciones climatológicas automáticas y modelos matemáticos para determinar la evapotranspiración

Use of automated weather stations and mathematical models to determine evapotranspiration

Eduardo Chávez-Ramírez¹, Guillermo González-Cervantes*¹, José Luis González-Barrios¹, Enrique Dzul-López², Ignacio Sánchez-Cohen³, Armando López-Santos⁴, Jorge Armando Chávez-Simental⁵

¹ Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias, México. *Autor de correspondencia.

³ Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias, México.

⁴ Universidad Autónoma Chapingo, México.

⁵ Universidad Juárez del Estado de Durango, México.

Dirección institucional de los autores:

M.C. Eduardo Chávez Ramírez
Dr. Guillermo González Cervantes
Dr. José Luis González Barrios ]]> Dr. Ignacio Sánchez Cohen
Centro Nacional de Investigación Interdisciplinaria en
Relaciones Agua-Suelo-Planta-Atmósfera del INIFAP
Km. 6.500 margen derecha Canal Sacramento
Gómez Palacio, Durango
Apartado postal 35140 Ciudad Lerdo, Durango, México
Teléfono: +52 (871) 1590 105
Fax: +52 (871) 1590 104
chavez.eduardo@inifap.gob.mx
gonzalez.guillermo@inifap.gob.mx ]]> gonzalez.barrios@inifap.gob.mx
sanchez.ignacio@inifap.gob.mx.

Dr. Enrique Dzul López
Instituto Tecnológico de la Laguna
Blvd. Revolución y Calzada Cuauhtémoc s/n
27000 Torreón, Coahuila, México
Teléfono: +52 (871) 7051 313
Fax: +52 (871) 7051 300
alejandro.dzul@gmail.com.

Dr. Armando López Santos ]]> Unidad Regional Universitaria de Zonas Áridas
Universidad Autónoma Chapingo
Domicilio conocido s/n, AP # 8
35230 Ciudad Bermejillo, Durango, México
Teléfono: +52 (872) 7760 160
Fax: +52 (872) 7760 043
Armando.lopezsantos@gmail.com.

Dr. Jorge Armando Chávez Simental
Instituto de Silvicultura e Industria de la Madera
Universidad Juárez del Estado de Durango ]]> Blvd. del Guadiana # 501, Fraccionamiento Ciudad Universitaria
34120 Durango, Durango, México
Teléfono y fax: +52 (618) 8251 886
jorge.chavez@ujed.mx.

Recibido: 04/04/2011
Aceptado: 22/10/2013

Resumen

La evapotranspiración es una variable esencial en el manejo del agua y planificación del riego. De ahí la importancia de su cuantificación y del análisis de cuáles métodos la estiman de manera satisfactoria en el ámbito local y de cuenca. En tal contexto, el objetivo de este trabajo fue estimar la evapotranspiración de referencia (ET₀) a partir de datos climáticos estándar, utilizando los modelos matemáticos de Penman-Monteith FAO, Blaney-Criddle, Hargreaves-Samani y método del tanque evaporímetro, y comparar los resultados de la aplicación de los cuatro métodos en dos subcuencas del río Nazas. Para ello se utilizaron tres estaciones climatológicas automatizadas en red, ubicadas en la cuenca del río Nazas: dos estaciones en la cuenca baja; 1) estación "Cenid Raspa" de marca Davis y 2) estación "Las Villas" de marca Motorola; y una en la cuenca media de marca Davis, para el monitoreo y registro de las variables climáticas, mismas que alimentaron a los modelos matemáticos. Los resultados indican mayor ET₀ para la cuenca baja con respecto de la cuenca media del río Nazas, con mayor claridad durante el periodo de marzo a septiembre; implica mayor volumen de riego para esta zona. Por otro lado, de los métodos analizados con respecto al de Penman-Monteith FAO como referencia, se recomienda usar para cálculos de evapotranspiración el método de Blaney-Criddle y Hargreaves-Samani en la cuenca baja y media del río Nazas, respectivamente. Ello cuando no se cuente con variables suficientes para utilizar el modelo de Penman-Monteith FAO.

Abstract

Evapotranspiration is an essential variable in water management and irrigation planning. Hence the importance of quantifying it and analyzing the methods that most satisfactorily estimate evapotranspiration on the local and basin levels. Therefore, the objective of this study was to estimate reference evapotranspiration (ET₀) based on standard weather data using the mathematical models Penman-Monteith FAO, Blaney-Criddle, Hargreaves-Samani and the evaporimeter tank method, and to compare the results from applying the four methods in two Nazas River sub-basins. Three automated weather station networks located in the Nazas River were used to monitor and record the climate variables used as input in mathematical models. Two of the networks were in the lower basin (Cenid Raspa facilities with the David brand and Las Villas facilities with Motorola) and one was in the middle basin (David brand). The results indicated a higher ET₀ for the lower basin than for the middle basin of the Nazas River, with greater clarity from March to September, implying a higher irrigation volume for this zone. Moreover, based on the analysis of the methods and the comparison to the Penman-Monteith FAO as reference, the Doorenbos-Pruitt and Blaney–Criddle models are recommended to estimate evapotranspiration in the lower and middle Nazas River basins, respectively, when lacking sufficient variables for the use of the Penman- Monteith FAO model.

Keywords: water consumption, agro-climate stations, Nazas basin.

Introducción

La evapotranspiración como variable hidrológica a escala regional y en nivel de cuenca es fundamental para tomar mejores decisiones para la planeación y el manejo del agua, en cuanto a maximizar su uso en la producción agropecuaria, en especial en zonas áridas y semiáridas (Pereira et al., 2006; Dinpashoh, 2006; Jacobs et al., 2008). Además, la evapotranspiración es un descriptor importante para la clasificación en tiempo y espacio del régimen climático, en especial si se relaciona con la precipitación pluvial. Esta variable también es componente principal del balance de agua en el suelo (Arora, 2002; Mundo y Martínez, 2002).

La necesidad de conocer la evapotranspiración para sus diversas aplicaciones ha obligado a desarrollar métodos semiempíricos de estimación con base en datos climáticos estándar. A partir de la década de los años cuarenta se han venido realizando investigaciones para determinarla, pero no fue sino hasta 1975 que la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO) propuso usar el término de evapotranspiración de referencia (ET₀) para describir la demanda de agua por efecto de las condiciones climáticas (Blaney-Criddle, 1962; Jensen et al., 1990; Smith, 1991). Hoy día existen numerosas ecuaciones empíricas y semiempíricas que pueden ser utilizadas, pero la mayoría de ellas requieren de una calibración previa para definir su utilidad localmente (Pérez y Castellví, 2002; López et al., 2006). Paralelo a ello, se han desarrollado instrumentos y técnicas de alta precisión para estimar tanto la ET₀ como la evapotranspiración de un cultivo directamente en campo, destacando el balance de energía y correlación turbulenta (eddy covariance). El uso de lisímetros de pesada y el método gravimétrico como los métodos para obtener la medida directa de la evapotranspiración. Sin embargo, tanto la correlación turbulenta como el lisímetro, con alto costo económico y necesidad de parcelas de tamaño considerables (fetch), son utilizados sólo con fines de generar nuevos modelos, y realizar pruebas y ajustes en los ya existentes (López et al., 1991; Jiyane y Zermeño, 2003; Sammis et al., 2004; Er-Raki et al., 2009). En tanto, los modelos semiempíricos son ampliamente utilizados en casos prácticos de manejo del riego; la ecuación desarrollada por Penman-Monteith FAO goza de especial aceptación por parte de la sociedad científica mundial y es propuesta por la FAO como método estandarizado para el cálculo de la evapotranspiración con base en información climática. Otro método semiempírico para estimar la evapotranspiración ampliamente estudiada es el tanque evaporímetro, el cual proporciona una medida del efecto integrado de una manera parecida al efecto de las variables climáticas que definen la evapotranspiración de una superficie de referencia (Allen et al., 1998; Allen et al., 2005).

En México se han realizado mediciones directas de ET₀ y de evapotranspiración real de cultivos en pocos sitios del país (Villaman et al., 2001), pero desafortunadamente existe un reducido número de lisímetros instalados (tres). De manera reciente, la determinación directa en campo mediante la correlación turbulenta se está usando con mayor frecuencia, con estudios puntuales (Moguel et al., 2001; Jiyane y Zermeño, 2003). Por otro lado, trabajos encaminados a mejorar la planeación y el uso del agua de riego a gran escala, con base en la evapotranspiración como variable a estimar en periodos diarios para modelar el balance de agua en el suelo, fueron reportados por Mundo y Martínez (2002) para el distrito de riego 05 (Delicias, Chihuahua). Con ello se ha logrado ahorrar hasta un 30% de agua por unidad de superficie, con parámetros validados en campo. En este contexto, a partir de 2005, el Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Relación Agua-Suelo-Planta-Atmósfera (Cenid Raspa, INIFAP), con objeto de monitorear el ambiente climático y disponer de información para aplicaciones diversas, dentro de las cuales se considera determinar la evapotranspiración como variable principal para el manejo del agua de riego y como variable para describir la climatología local, cuenta con un sistema de monitoreo climático vía telemetría, que enlaza tres estaciones climáticas autónomas en red, instaladas en distintos puntos de la cuenca del río Nazas. Se ha realizado investigación para el manejo del riego a corto plazo para el cultivo de nogal pecanero (6 375 ha) y en cultivos forrajeros (caso de la alfalfa, 31 739 ha). Por otro lado, en términos de utilizar la evapotranspiración y describir la climatología local, la red Cenid Raspa no es suficiente ni por su tamaño ni por el tiempo operado, para ello se requiere análisis espacio-temporal de mayor tiempo de observación (Salinas et al., 1998; Descroix et al., 2004), por lo que esto sólo puede cumplirse con datos climáticos registrados en estaciones climáticas convencionales (por ejemplo, las del Servicio Meteorológico Nacional). En este contexto, el objetivo de este trabajo fue estimar la ET₀ a partir de datos climáticos estándar, utilizando los modelos matemáticos de Penman-Monteith FAO, Blaney-Criddle, Hargreaves-Samani y el método del tanque evaporímetro, y comparar los resultados de la aplicación de los cuatro métodos en dos subcuencas del río Nazas.

Investigadores del CENID-RASPA, INIFAP, en colaboración con investigadores del Instituto Francés de Investigación para el Desarrollo en Cooperación (ORSTOM), hoy IRD, realizaron trabajos que permitieron delimitar la cuenca del Nazas en tres subregiones principales, con base en el análisis de precipitaciones anuales, utilizando el método de vector regional y a partir de un análisis de componentes principales, teniendo como variable dependiente la precipitación y como variables independientes altitud, longitud y densidad de vegetación (Descroix et al., 1997; Descroix et al., 2004). Las tres subregiones son las siguientes:

• Cuenca alta: comprende la zona montañosa de la Sierra Madre Occidental en el estado de Durango, que corresponde a los mayores índices de vegetación y con lluvias promedio anual superior a los 500 mm, donde se genera el 85% de los escurrimientos, clasificada como una zona subhúmeda de producción y almacenamiento de agua de lluvia (donde se ubica y abastece de agua la presa Lázaro Cárdenas),

• Cuenca media: con precipitación media anual de 300 a 500 mm que generan sólo el 15% de los escurrimientos, se considera una zona semiárida, donde se ubica la presa Francisco Zarco, y obras para la conducción y el aprovechamiento de agua hacia la parte baja de la cuenca del río Nazas. Sus límites pueden ser definidos entre las presas Lázaro Cárdenas y Francisco Zarco.

• Cuenca baja: esta área puede ser comprendida desde aguas abajo de la presa Francisco Zarco hasta llegar a la laguna de Mayrán, con precipitación promedio anual inferior a 300 mm. Se clasifica como zona árida, con un consumo de agua para la producción agropecuaria proveniente de la parte alta y media de la cuenca, y la extracción de pozos profundos. En esta subcuenca es donde se acentúa la problemática del agua, presentándose problemas de administración del agua de gravedad, sobreexplotación de acuíferos y disminución acelerada en la calidad del vital líquido.

En relación con lo anterior, hace falta complementar la caracterización de las subregiones con información climática, por lo tanto es conveniente la instrumentación de la cuenca tanto para aplicaciones hidroclimáticas (periodos secos y su impacto ambiental, y en la producción agropecuaria) como agroclimáticas (disponibilidad, demanda, planificación y gestión del agua para uso de la actividad agropecuaria; tecnificación del riego; selección de cultivo; caso de la cuenca baja).

Materiales y métodos

En la cuenca media y baja se instalaron tres estaciones climáticas automatizadas para monitorear el clima, con el fin de estimar la evapotranspiración. Están distribuidas de la siguiente manera (figura 2): dos estaciones en la cuenca baja; 1) estación "Cenid Raspa" de marca Davis, instalada en condiciones estándar al cultivo de referencia y 2) estación "Las Villas" de marca Motorola, instalada en condición todavía no estándar (por esta razón no se considera en el presenta trabajo). La primera se localiza en las coordenadas 25º 35' 18.090˝ de latitud norte, 103º 27' 01.523˝ de longitud oeste y 1 129 msnm; la segunda se localiza en las coordenadas 25º 37' 02.136˝ de latitud norte y 103º 24' 11.952˝ de longitud oeste, a 1 126 msnm. En tanto, en la cuenca media se instaló la estación "Santa Bárbara" de marca Adcon, en condiciones estándar al cultivo de referencia, ubicada en coordenadas 25º 14' 43.928˝ de latitud norte, 104º 07' 06.230˝ de longitud oeste y 1 243 msnm.

En el mismo sitio donde se localiza la estación Cenid Raspa se encuentra instalado un tanque evaporímetro tipo A (10 m distante), el cual fue empleado para medir la evaporación diaria a las 8:00 a.m., considerando también los días con precipitación, para después calcular la ET₀. La estructura y dimensiones del tanque, así como las condiciones del sitio, cumplieron con las condiciones estándar establecidas por la FAO (Allen et al., 1998).

Métodos de estimación de la evapotranspiración

Para realizar mediciones de la evapotranspiración a escala regional y en el nivel de cuenca, el inconveniente es que cualquier técnica de medición directa resulta relativamente costosa, por ello la importancia de probar la utilidad de modelos semiempíricos para una zona determinada, donde las variables climáticas monitoreadas por estaciones sean poco disponibles.

La información climática registrada en las estaciones ubicadas en las subcuencas baja y media del río Nazas fue usada para estimar la ET₀ en periodos diarios, utilizando las ecuaciones de Penman-Monteith FAO, Hargreaves-Samani y Blaney-Criddle. Así también, los datos de la evaporación fueron usados para calcular la ET₀ en periodos diarios, utilizando la ecuación propuesta por Cuenca (1989) para determinar el coeficiente del tanque. Después, sólo para la cuenca baja, se hizo una comparación estadística entre valores promedio mensual de ET₀, aplicando las ecuaciones e información obtenida con las estaciones climáticas contra lo observado en el tanque tipo A, utilizando índices estadísticos como coeficiente de regresión y coeficiente de correlación, que miden la relación lineal (sentido y fuerza) entre dos variables cuantitativas:

Donde n es el número de valores analizados; Q_obs, el valor observado, y Q_est es el valor estimado.

Método de Penman-Monteith FAO

Donde ET₀ es la evapotranspiración de referencia (mm d^-1); Rn, la radiación neta en la superficie del cultivo (MJ m^-2 d^-1); G, la densidad del flujo de calor en el suelo (`MJ m^-2 d^-1); T, la temperatura media del aire (ºC); u₂, la velocidad del viento registrada a 2 m de altura (m s^-1); e_s, la presión de vapor de saturación (kPa); e_a, la presión de vapor (kPa); e_s-e_a, el déficit de presión de vapor de saturación (kPa); ∆, la pendiente de la curva de presión de vapor (kPa ºC^-1); γ, la constante psicrométrica (kPa ºC^-1).

Método de Blaney-Criddle

Las variables climáticas requeridas son temperatura del aire, humedad relativa y velocidad del viento durante horas diurnas; a y b, coeficientes de calibración climática en función de humedad relativa y velocidad del viento durante horas diurnas, y de un factor f_e, en función de la elevación del sitio sobre el nivel del mar (Doorenbos y Pruitt, 1977).

Donde f_e es factor de ajuste por la elevación sobre el nivel del mar; a y b, coeficientes de calibración climática; p, porcentaje medio diario anual de insolación; T, temperatura media (ºC).

Método de Hargreaves y Samani

Donde t_máx es temperatura máxima diaria (ºC), t_mín es temperatura mínima diaria (ºC), t_med es temperatura media diaria (ºC), R₀ es radiación solar extraterrestre (mm d^-1).

Método del tanque evaporímetro tipo A

Los datos diarios de evaporación observados en el tanque evaporímetro tipo A pueden expresarse a datos de ET₀ mediante la siguiente expresión:

Donde E_pan es evaporación observada en el tanque (mm d^-1) y K_p es coeficiente del tanque evaporímetro. El K_p se determinó a partir de la ecuación propuesta por Cuenca (1989), la cual considera la cobertura del suelo y los alrededores donde se ubica el tanque, así como la velocidad del viento y las condiciones de humedad relativa, mismas variables climáticas que fueron medidas por la estación climática Cenid Raspa.

El uso de este método ha probado su valor práctico y ha sido utilizado con éxito para calcular la ET₀, dado que la medida de la evaporación integra el efecto de la radiación, viento, temperatura y humedad para un lugar específico. En algunos trabajos experimentales, los valores de evaporación medidos en el tanque tipo A, afectados por sus correspondientes factores de corrección, se han utilizado para calcular el volumen de agua de riego a reponer en los cultivos (Godoy y López, 1997; Tijerina, 2000; González y Hernández, 2000).

Evapotranspiración de referencia

Para la estimación de la ET₀ en la cuenca baja y media del río Nazas, se utilizó la información climática de tres ciclos de observación (años 2005, 2006 y 2007), registrada mediante las estaciones automáticas descritas para cada subregión, procediéndose a hacer las estimaciones en periodos diarios, utilizando los modelos de Penman-Monteith FAO, Blaney-Criddle y Hargreaves-Samani. Sin embargo, para apreciar los datos, se muestran los valores promedio diario mensual, promediando los tres ciclos observados. Posteriormente se realizó una correlación entre los valores de ET₀, calculados con los métodos de Blaney-Criddle y Hargreaves-Samani con respecto a Penman-Monteith FAO.

La figura 3 muestra los resultados para los sitios de estudio. En esta figura se observan claras diferencias entre la parte baja y media mediante la ecuación de Penman-Monteith FAO y poco notoria con Blaney-Criddle, siendo superior la evapotranspiración en la cuenca baja. Por otro lado, con Hargreaves-Samani, se aprecia una diferencia, pero en sentido inverso; es decir, con mayor evapotranspiración en la cuenca media. La razón de este resultado puede corresponder a dos situaciones relacionadas entre sí: la poca información climática que utiliza el método y/o fuerte dependencia de la radiación solar (extraterrestre) con base en la ubicación geográfica del sitio, por lo tanto no es involucrado el efecto del entorno orográfico.

En la cuenca baja se presentan patrones de tendencia de ET₀ similar con Blaney-Criddle y Penman-Monteith FAO, con valores mínimos al inicio del año (enero) y máximos en la parte media del año (junio), a razón de 3 y 8 mm d^-1, respectivamente, decreciendo este último valor al final del año (diciembre) a entre 3 y 4 mm d^-1. A diferencia de lo anterior, con Hargreaves-Samani, con valores de 2.5 (al inicio y final del año) y 6.24 mm d^-1 (parte media del año) como mínimos y máximos, respectivamente, se desfasa en tiempo (mayo) el valor máximo de evapotranspiración, periodo donde se señala mayor incidencia de radiación solar extraterrestre. Sin embargo, los tres modelos coinciden en que el periodo de mayor evapotranspiración es a partir del mes de abril hasta septiembre. También en este periodo se aprecia una diferencia considerable de evapotranspiración resultante con los tres modelos (hasta de 1.8 mm d^-1).

En la cuenca media se presentan patrones de tendencia parecidos a los que se tienen en la cuenca baja, con el periodo de mayor demanda a partir del mes de abril hasta septiembre; se observa discrepancia de evapotranspiración resultante con los tres modelos para este mismo periodo, pero con mayor contraste (hasta de 2.5 mm d^-1).

Es evidente que el modelo de Blaney-Criddle presentó mayor sensibilidad de cambio debido a que las variables climáticas como temperatura, velocidad del viento y radiación solar mostraron valores superiores en la cuenca baja en relación con la cuenca media.

Por otra parte, a fin de señalar la utilidad de los modelos de poca demanda de variables climáticas en cuanto al modelo que solicita la mayoría de las variables climáticas que definen la evapotranspiración —en este caso los modelos de Blaney-Criddle y Hargreaves-Samani con respecto a Penman-Monteith FAO—, se realizó una correlación entre estos métodos. La figura 4 muestra los resultados, los cuales indican correlaciones aceptables, ello con el coeficiente de correlación de Pearson de 0.69 y 0.61 para la cuenca baja, y de 0.80 y 0.76 para la cuenca media, con Blaney-Criddle y Hargreaves-Samani, con respecto a Penman-Monteith FAO, respectivamente. Los coeficientes de Pearson ligeramente superiores para la cuenca media obedecen a que existe mínima diferencia durante los primeros meses del periodo (enero, febrero y marzo).

Comparación de métodos

Los resultados se muestran en los cuadros 1 y 2. En estos cuadros se observa que Blaney-Criddle sobrestiman en 8.8% y en 19.7% la evapotranspiración en la cuenca baja y media, respectivamente, mientras que Hargreaves-Samani subestiman en 22% para la cuenca baja, pero la sobrestiman en 2.7% para la cuenca media. Por su parte, el método del tanque muestra una subestimación del 5.3% en la cuenca baja, menor a la que presenta el método de Hargreaves-Samani durante el periodo analizado. Los coeficientes de correlación obtenidos se pueden considerar como aceptables según De Juan (1993). El sesgo y el coeficiente de correlación obtenidos manifiestan notablemente que el modelo Blaney-Criddle modificado y el método del tanque evaporímetro pueden ser de gran utilidad para la cuenca baja, mientras que el modelo de Hargreaves-Samani en la cuenca media del Nazas.

Conclusiones

• Los modelos utilizados, con excepción de Hargreaves-Samani, manifiestan mayor evapotranspiración de referencia para la cuenca baja en relación con la cuenca media del río Nazas, lo cual constata que corresponde a dos condiciones espaciales por completo diferentes; lo anterior se ve con mayor claridad durante el periodo de marzo a septiembre, y marca que la demanda hídrica de cualquier cultivo establecido sea mayor bajo las condiciones climáticas de la cuenca baja del Nazas.

• De los métodos analizados con respecto al de Penman-Monteith FAO como referencia, se recomienda usar el método de Blaney-Criddle debido a que genera precisión aceptable para estimar la evapotranspiración de referencia en periodos diarios; como segunda opción se sugiere recurrir al método de Hargreaves-Samani; sin embargo, en periodos mensuales, el tanque evaporímetro es una buena herramienta para la cuenca baja. En tanto, para la cuenca media del Nazas, el método de Hargreaves-Samani tendría mayor validez. Lo anterior cuando no se cuente con variables suficientes como para utilizar el modelo de Penman-Monteith FAO.

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