Hidrologia superficial, evaporación y uso consuntivo, trabajo de investigación escolar de la carrera de Ingeniería Civil

1. 2012
ING. CIVIL 7 SEMESTRE
29 DE NOVIEMBRE DEL 2012
HIDROLOGÍA SUPERFICIAL
Catedrático: Ing. Jorge Quintal Hai
Elaboro:
 Nhilce Esquivel Gómez
 Fernanda Abril Escudero Nájera
 Andrea Mercader Alonso
UNIDAD 4
“EVAPORACIÓN Y USO
CONSUNTIVO”

2. HIDROLOGÍA UNIDAD IV
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INDICE
INTRODUCCIÓN................................................................................................................................... 3
4.1 EVAPORACION Y EVOTRANSPIRACION ......................................................................................... 4
4.1.1 DESCRIPCION DEL FENOMENO .............................................................................................. 4
4.1.2 MEDICION............................................................................................................................... 7
 TANQUES DE EVAPORACION............................................................................................... 8
 LISIMETROS ......................................................................................................................... 9
 BALANCE HIDRICO............................................................................................................. 10
 BALANCE ENERGETICO...................................................................................................... 11
4.1.3 DETERMINACIKON DE LA EVAPORACION ......................................................................... 12
OTROS MÉTODOS PARA CALCULAR LA EVAPORACIÓN SON: ........................... 13
4.1.4 DETERMINACIKON DE LA EVAPOTRANSPIRACION............................................................ 14
4.2 USO CONSUNTIVO DEL AGUA .......................................................................................... 15
4.1.2 FACTORES QUE AFECTAN EL USO CONSUNTIVO .............................................. 15
4.2.2 DETERMINACIÓN DEL USO......................................................................................... 16
BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................................... 18

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INTRODUCCIÓN
En el siguiente trabajo se presentará como se lleva a cabo el fenómeno de
evaporización y uso consuntivo del agua, así como los usos que se le brindan al
agua que ya no regresa al ciclo hidrológico, el objetivo es determinar las
habilidades para la caracterización de los procesos del ciclo hidrológico y su
aplicación al proyecto de obras hidráulicas tales como presas, abastecimiento de
agua y alcantarillado.

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4.1 EVAPORACION Y EVOTRANSPIRACION
4.1.1 DESCRIPCION DEL FENOMENO
Del latín evaporatĭo, la evaporación es la acción y efecto de evaporar o
evaporarse. Este verbo, por su parte, hace referencia a la conversión de un líquido
en vapor.
Figura 1 Evaporización
El concepto puede nombrar al proceso físico en sí mismo (una sustancia se
separa de otra en su punto de ebullición) o al paso del estado líquido al gaseoso.
La sustancia en estado líquido adquiere la energía necesaria para vencer la
tensión superficial: cuando toda la masa alcanza el punto de ebullición, comienza
el proceso de evaporación.
La evaporación es una variable hidrológica que determina los niveles de una
cuenca hidrográfica. La energía intensifica el movimiento de las moléculas y las
partículas comienzan a escaparse en forma de vapor.
Una parte de lluvia queda en los vegetales, interceptada por las hojas o troncos,
desde donde hay evaporación. Otra parte llega al suelo y lo moja, así habrá
también evaporación desde el suelo húmedo, con variaciones del grado de
humedad; una vez saturado el suelo, el agua corre por la superficie, aunque no
por cauces, y también desde ésta se produce evaporación. Por último, una parte
alcanza los cauces y entonces se tendrá evaporación desde superficies líquidas

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continuas, es decir, mares, lagos y ríos. Por eso se puede decir que todo tipo de
agua en la superficie terrestre está expuesta a la evaporación.
Considerando la evaporación desde una superficie de agua (lagos, ríos, etc.)
como la forma más simple del proceso, éste puede esquematizarse así: Las
moléculas de agua están en continuo movimiento. Cuando llegan a la superficie
del líquido aumentan su temperatura por efecto de la radiación solar, y en
consecuencia su velocidad, creciendo por tanto su energía cinética hasta que
algunas consiguen liberarse de la atracción de las moléculas adyacentes y
atravesar la interface líquido-gas convirtiéndose en vapor. De esta manera, la
capa de aire inmediatamente por encima de la superficie se satura de humedad.
Simultáneamente a la evaporación se desarrolla también el proceso inverso por el
cual las moléculas se condensan y vuelven al estado líquido. Además, es
necesario que el medio que envuelve la superficie evaporante tenga capacidad
para admitir el vapor de agua. Esto último se conoce como poder evaporante de la
atmósfera.
Hay otra forma especial de evaporación, la que se produce a partir de la nieve y
de los hielos, el paso no es del estado líquido al gaseoso, sino del sólido al
gaseoso; este fenómeno se conoce como sublimación o volatilización.
Todos estos lugares donde se acumula el agua dan lugar al fenómeno físico de la
evaporación, pero también existen otros que hay que estudiar, las plantas que
toman el agua del suelo por medio de sus raíces y a través de su ciclo biológico la
regresan a la atmósfera por medio de la transpiración.
La transpiración es el proceso físico-biológico por el cual el agua cambia de
estado líquido a gaseoso a través del metabolismo de las plantas y pasa a la
atmósfera. Esencialmente es el mismo proceso físico que la evaporación, excepto
que la superficie desde la cual se escapan las moléculas del líquido no es de agua
libre sino que es la superficie de las hojas.
Éstas están compuestas por finas capas de células (mesodermo) y poseen una
delgada epidermis de una célula de espesor, la cual posee numerosas estomas. El

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espacio intercelular en el mesodermo contiene grandes espacios de aire entre
cada estoma. La humedad entre los espacios intercelulares se vaporiza y escapa
de la hoja a través de estos estomas. El número de estomas por unidad de
superficie varía dependiendo de la especie vegetal y las condiciones ambientales.
Figura 2
La evapotranspiración es la combinación de los fenómenos de evaporación desde
la superficie del suelo y la transpiración de la vegetación. La dificultad de la
medición en forma separada de ambos fenómenos (el contenido de humedad del
suelo y el desarrollo vegetal de la planta) obliga a introducir el concepto de
evapotranspiración como pérdida conjunta de un sistema determinado.
La cantidad de agua que realmente vuelve a la atmósfera por evaporación y
transpiración se conoce con el nombre de evapotranspiración real. Ésta es la
suma de las cantidades de vapor de agua evaporadas por el suelo y transpiradas
por las plantas durante un período determinado, bajo las condiciones
meteorológicas y de humedad de suelo existentes.
El principal factor que determina la evapotranspiración real es la humedad del
suelo, el cual puede retener agua conforme con la capacidad de retención

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específica de cada tipo de terreno. La humedad del suelo es generalmente
alimentada por la infiltración, y constituye una reserva de agua a ser consumida
por la evaporación del suelo y las plantas.
La evaporación y la transpiración son un proceso importante en el ciclo del agua.
Cuando el sol calienta la superficie de una masa de agua, el líquido se evapora y
se transforma en una nube. Al producirse las precipitaciones (rocío, lluvia, nieve),
el agua vuelve a la cuenca y se completa el ciclo. Existen, por supuesto, otras
condiciones atmosféricas que inciden en este tipo de procesos, como la presencia
de viento.
4.1.2 MEDICION
La evaporación natural puede ser medida como la pérdida de agua desde la
superficie o como la ganancia de vapor de agua por la atmósfera. Las mediciones
en la fase líquida asumen o crean un sistema cerrado, como un tanque de
evaporación o un lisímetro, y deduce la evaporación como la pérdida neta de agua
desde el sistema cerrado en un tiempo dado. La medida en la fase de vapor muy
comúnmente asume que la atmósfera es un sistema abierto, y determina la
evaporación como una integración del coeficiente de flujo de vapor de agua (o
equivalente al calor latente) en el sistema abierto a través de la frontera turbulenta,
en la capa cercana a la superficie de la tierra.
La medición de la evaporación de extensiones libres de agua o de superficies
terrestres, así como de la transpiración de la vegetación, es de gran importancia
para los estudios hidrológicos. La evaporación y la evapotranspiración son
también elementos importantes en cualquier estudio del balance hídrico.
En la actualidad es difícil medir directamente la evaporación o la
evapotranspiración de grandes superficies; sin embargo, existen diferentes
métodos indirectos que dan resultados aceptables. En los embalses existentes, las
parcelas y las cuencas pequeñas, las estimaciones pueden realizarse basándose
en el balance hídrico, en el balance energético y en métodos aerodinámicos.

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 TANQUES DE EVAPORACION
Por su aparente simplicidad, los tanques de evaporación son los instrumentos más
utilizados para estimar la evaporación potencial. Existen numerosos modelos de
tanques de evaporación: unos son cuadrados y otros circulares; unos están
instalados por encima del nivel del suelo, y otros están enterrados de forma que el
nivel de agua coincida aproximadamente con la del terreno.
Los tanques enterrados tienden a eliminar los efectos perjudiciales de los límites,
como la radiación sobre las paredes laterales y el intercambio de calor entre la
atmósfera y el tanque, pero presentan dificultades para la observación, captan
fácilmente basura, son difíciles de instalar, limpiar y reparar; además, las fugas no
se detectan con facilidad y la vegetación que circunda al tanque puede tener
ciertos efectos nocivos, y más aún, puede existir un intercambio apreciable de
calor entre el tanque y el suelo.
La evaporación en un tanque flotante en un embalse o lago es más aproximada a
la evaporación del vaso, que la de los evaporímetros instalados en su orilla. Sin
embargo, se tienen dificultades para efectuar las mediciones, las salpicaduras
distorsionan los cálculos y en general los costos de instalación y mantenimiento
son elevados.
Entre los variados tipos de tanques de evaporación utilizados, la Organización
Meteorológica Mundial (OMM), recomienda el tanque tipo A de los Estados Unidos
como instrumento de referencia. Este es un tanque circular de 121 centímetros de
diámetro y 25.4 centímetros de altura, montado sobre un enrejado de madera de
forma que su base está 5 ó 10 centímetros encima del suelo, permitiendo la
circulación del aire por debajo.
Está construido de fierro galvanizado y es llenado hasta 5.1 centímetros bajo su
borde. Las mediciones se realizan apoyando en un tubo de nivelado un tornillo
micrométrico cuya punta se enrasa con el nivel del agua.

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La evaporación diaria se calcula evaluando la diferencia entre los volúmenes de
agua en el tanque en días sucesivos, teniendo en cuenta las precipitaciones
durante el período considerado. El volumen de evaporación entre dos
observaciones del nivel del agua en el tanque se estima mediante la fórmula:
E=P ± ∆D
Donde P es la altura de precipitación entre las dos mediciones y ∆D la altura del
agua añadida (+) o sustraída (-) del tanque.
 LISIMETROS
La evapotranspiración se puede estimar por medio de lisímetros, mediante
métodos de balance hídrico o balance térmico, con ayuda del método de difusión
turbulenta o mediante fórmulas empíricas basadas en datos meteorológicos
observados. El uso de evaporímetros y lisímetros permite una medición directa de
la evapotranspiración de superficies de terreno diferentes y la evaporación del
suelo situado entre espacios cultivados. Estos instrumentos han demostrado ser
suficientemente sencillos y exactos, siempre que satisfagan todos los requisitos
concernientes a su instalación y técnicas de observación. La transpiración de la
Figura 3

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vegetación se estima como la diferencia entre los valores de evapotranspiración y
de evaporación del terreno medidos al mismo tiempo.
 BALANCE HIDRICO
El método del balance hídrico puede utilizarse para estimar la evapotranspiración,
ET, cuando pueden medirse o estimarse la precipitación P, el escurrimiento Q, y
las variaciones del almacenamiento, ∆S. La ecuación utilizada es:
ET = P – Q – Qss ±ΔS
La evapotranspiración anual de una cuenca para un año hídrico puede ser
estimada como la diferencia entre la precipitación y el escurrimiento, si se puede
establecer por estudios geohidrológicos que la infiltración profunda es
relativamente insignificante. Las fechas elegidas para el comienzo y final del año
hídrico deben coincidir con la estación seca, cuando la cantidad de agua
almacenada es relativamente pequeña y el cambio en almacenamiento de un año
a otro es mínimo.
Figura 4

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Si se debe calcular la evapotranspiración para un período más corto, como una
semana o un mes, debe medirse la cantidad de agua almacenada en el suelo y en
el canal del curso del agua. Esto es posible solo para cuencas pequeñas, y la
aplicación del método de balance hídrico para esos períodos cortos se limita
generalmente a parcelas o cuencas experimentales de algunas hectáreas.
 BALANCE ENERGETICO
El método de balance energético puede aplicarse a la estimación de la
evapotranspiración cuando la diferencia entre el balance de radiación y el flujo de
calor en el suelo es importante y excede los errores de medición.
La evapotranspiración real es la cantidad de agua, expresada en mm/d, que es
efectivamente evaporada desde la superficie del suelo y transpirada por la cubierta
vegetal.

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4.1.3 DETERMINACION DE LA EVAPORACION
La evaporación de los cuerpos de agua como embalses y lagos es uno de los
componentes de la ecuación de balance, ésta variable se evalúa en forma
independiente, tanto de manera espacial como temporal, utilizando métodos
directos a través de mediciones con evaporómetros (también conocidos como
evaporímetros o tanques de evaporación) y de las características de los cuerpos
de agua, o bien mediante métodos indirectos, con datos del clima.
EVALUACIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS
Para obtener los volúmenes evaporados durante cada mes del año en los cuerpos
de agua, utilizando datos de evaporímetros, se recomienda el siguiente
procedimiento:
1. Se identifican los cuerpos de agua importantes. Para lo cual, se utilizan
cartas topográficas, planos cartográficos, imágenes de satélite, etc.
2. A cada cuerpo de agua se le asocia una estación climatológica cercana,
que cuente con registros en el periodo del balance. La selección de cada estación
climatológica estará relacionada con la cantidad y consistencia de los registros
históricos. Si existe más de una estación cercana se utilizan los polígonos de
Thiessen para obtener valores medios mensuales.
3. Para el cálculo de la evaporación en el cuerpo de agua, se utilizan los
valores medios mensuales obtenidos en el punto 2, corregidos por un coeficiente
de reducción. Este coeficiente varía en un rango de 0.6 a 0.8 (Aparicio, 1997).
4. Por último, el valor obtenido en el punto 3 se multiplica por el área del
cuerpo de agua, obtenida de la información recopilada o inferida en función del
nivel de la superficie libre del agua. Si se cuenta con registros climatológicos
diarios de humedad relativa, velocidad del viento, radiación solar, así como
temperatura media, se recomienda utilizar la fórmula de Penman.
 Fórmula de Penman
siendo:
- E = evaporación diaria (en mm)
- Δ = pendiente de la curva de tensión saturante para la temperatura del aire (en
mm de Hg/ºC)
- Rn = radiación neta, traducida a mm de agua que puede evaporar en un día

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- Ea = 0,35 (0,5 + 0,54 V2) (ea -ed) (en mm/día)
- V2 = velocidad del viento a 2 m de altura sobre la superficie evaporante (en
m/seg)
- ea = tensión de vapor saturante a la temperatura del aire (en mm de Hg)
- ed = tensión de vapor en el aire (en mm de Hg)
- &gamma = constante psicrométrica (en mm de Hg/ºC = 0,485 mm de Hg/ºC)
El valor de Rn se deduce del RN que da la fórmula de Brunt
Ambos están relacionados de la siguiente manera:
Rn = evaporación (en mm/día);
RN = radiación neta (en cal/cm2)
C1 = el calor de vaporización preciso para evaporar 1 mm de agua por cada
cm2 de superficie.
OTROS MÉTODOS PARA CALCULAR LA EVAPORACIÓN SON:
 Balance hídrico
Consiste en establecer una igualdad entre las entradas y salidas de agua en una
zona concreta. La concepción responde exactamente al proceso real, aunque
existe gran posibilidad de error en la medida de los términos que intervienen en el
balance, con lo cual, los resultados se pueden alejar bastante de los verdaderos.
En un intervalo de tiempo determinado, la ecuación del balance hídrico de un
embalse, lago o superficie de agua libre es:
E = A -G -ΔR
siendo:
- E = evaporación
- A = aportaciones o ingresos de agua
- G = salidas o gastos de agua (no debidos a evaporación)
- ΔR = incremento en el almacenaje o reserva de agua (puede ser negativo)
y estando todos los términos expresados en las mismas unidades. Las
aportaciones (A) generalmente se deben a la precipitación, por lo que son fáciles
de medir con bastante aproximación. Las salidas (G), deben incluir también las

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que se deban a infiltración, que precisamente, son las más difíciles de medir,
debiendo recurrirse a estimaciones indirectas: niveles en pozos de la zona,
permeabilidad, coeficiente de infiltración, etc. La posibilidad de aplicación de este
método, depende de la precisión con que puedan determinarse cada miembro de
la ecuación. No será aplicable cuando la estimación de las pérdidas por
infiltración, sea un valor similar o exceda del que resulte para la evaporación.
 Balance energético
 Medida de gradientes de humedad y velocidad del viento
1mm por día de agua evaporada equivale a 10 m3 /Ha día.
4.1.4 DETERMINACIKON DE LA EVAPOTRANSPIRACION
La evapotranspiración es la conjunción de dos procesos: la evaporación y la
transpiración. La transpiración es el fenómeno biológico por el que las plantas
transfieren agua a la atmósfera. Toman agua del suelo a través de sus raíces, una
pequeña parte es para su nutrición y el resto lo transpiran. Como es difícil medir
ambos procesos por separado, y además en la mayor parte de los casos lo que
interesa es la cantidad total de agua que se pierde a la atmósfera, se calculan
conjuntamente bajo el concepto mixto de evapotranspiración, exceptuando la
evaporación en cuerpos de agua, que en este manual se estima por separado.
Existen numerosas fórmulas, teóricas o semi empíricas, y procedimientos de
cálculo para estimar la evapotranspiración considerando parámetros
climatológicos, agrícolas e hidrológicos.

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4.2 USO CONSUNTIVO DEL AGUA
Es el uso del agua que no se devuelve en forma inmediata al ciclo del agua. Por
ejemplo, el riego es un uso consuntivo, mientras que la generación de energía
eléctrica mediante el turbinado del agua de un río, si la descarga es en el mismo
río no es un uso consuntivo.
En agricultura, el uso consuntivo es el agua que se evapora del suelo, el agua que
transpiran las plantas y el agua que constituye el tejido de las plantas. Es la
cantidad de agua que debe aplicarse a un cultivo para que económicamente sea
rentable, se expresa en mm/día.
4.1.2 FACTORES QUE AFECTAN EL USO CONSUNTIVO
Los principales factores que influyen en el valor del uso consuntivo son:
El clima: Temperatura, humedad relativa, vientos, latitud, luminosidad y
precipitación.
Los cultivos: Superficie, variedad, ciclo vegetativo y hábitos radiculares.
Agua: Calidad y disponibilidad practica de riego.
Figura 5

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Figura 6.- Factores que afectan el uso consuntivo
4.2.2 DETERMINACIÓN DEL USO
 Uso doméstico
El uso para abastecimiento público incluye la totalidad del agua entregada a través
de las redes de agua potable, las cuales abastecen a los usuarios domésticos, así
como a las diversas industrias y servicios conectados a dichas redes.
El disponer de agua en cantidad y calidad suficiente para el consumo humano es
una de las demandas básicas de la población, pues incide directamente en su
salud y bienestar en general.
Para el abastecimiento público, que agrupa al uso público urbano y al doméstico,
el tipo de fuente predominante es la subterránea con el 62% del volumen.

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 Uso en agricultura y ganadería
En agricultura, el agua se emplea para el riego de los campos. En ganadería, se
usa como parte de la alimentación de los animales y en la limpieza de los establos
y otras instalaciones dedicadas a la cría de ganado.
Sin embargo es la irrigación (agua usada para la agricultura o el riego de
cosechas) donde más agua se usa y probablemente a nivel mundial, al uso del
agua al que más importancia que se le da.
La cantidad consumida de agua para producir una cosecha es enorme: se
necesitan entre uno y tres metros cúbicos de agua para cosechar un kilo de arroz
y 1.000 toneladas de agua para producir una tonelada de grano.
 Uso Industrial
En este rubro se incluye la industria que toma el agua que requiere directamente
de los ríos, arroyos, lagos o acuíferos del país.
Conforme al Sistema de Clasificación Industrial de América del Norte (SCIAN) las
actividades secundarias, conocidas tradicionalmente como “la industria”, están
conformadas por los sectores minería, electricidad, agua y suministro de gas por
ductos al consumidor final, así
como la construcción e industrias manufactureras.
 Uso en la generación de energía térmica
El agua incluida en este rubro se refiere a
la utilizada en centrales de vapor duales,
carboeléctricas, de ciclo combinado, de
turbogas y de combustión interna.
De acuerdo con lo reportado por la
Comisión Federal de Electricidad (CFE), en
el año 2008, las centrales termoeléctricas
generaron 193.56 TWh, lo que representó
el 83.6% del total de energía eléctrica producida en el país

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 Grado de presión sobre el recurso
El porcentaje que representa el agua utilizada para usos consuntivos respecto al
agua renovable es un indicador del grado de presión que se ejerce sobre el
recurso hídrico en un país, cuenca o región. Se considera que si el porcentaje es
mayor al 40% se ejerce una fuerte presión sobre el recurso.
BIBLIOGRAFÍA
http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Contenido/Documentos/Capitulo_3.pdf
http://www.fertitec.com/PDF/Clasificacion%20y%20Uso%20de%20las%20Aguas%
20de%20Riego.pdf
Evaluación de los recursos hídricos, Elaboración del balance hídrico integrado
por cuencas hidrográficas, programa hidrológico internacional de la UNESCO
para América latina y el caribe. DOCUMENTO TECNICO DEL PHI – LAC Nº 4.
Demanda de agua por parte de los cultivos, Oscar Reckmann A, M. Sc. INIA La
Platina.