FAO/UNESCO Balance Hídrico de Africa

Ejercicio 3: Balance del Agua del Suelo en Africa Occidental

Preparado por
David R. Maidment y Seann M. Reed
Traducido por Francisco Olivera
Center for Research in Water Resources
University of Texas at Austin
Noviembre 1996

Objetivos

Procedimiento

  1. Familiarizarse con los datos
  2. Correr un Script para calcular evaporación potencial
  3. Correr un Script para calcular el balance del agua del suelo
  4. Ver los resultados

Datos

El ejercicio requiere de Themes, Scripts y archivos de texto, conectados al Project, ubicados en \gisfiles\ex3af. Los archivos necesarios son:

Project: sbudget.apr

Para abrir el Project, cargue ArcView, vaya a File / Open Project y seleccione sbudget.apr. Los siguientes archivos se cargan automáticamente:

Shapefiles:
morbord.shp: coverage de polígonos de la frontera de Marruecos
morclim.shp: coverage de polígonos de celdas en 0.5° que contiene como atributos la temperatura, precipitación y radiación neta promedio mensual, y la capacidad de retención de agua del suelo. Los Themes "Precip", "Temp.", "Water Holding Cap.", y "Net Rad." del Project presentan información contenida en este shapefile.
comcells.shp: coverage de polígonos de celdas de 0.5° de Africa Occidental, en las que se calcula el balance de agua del suelo.
marcity.shp: coverage de puntos de ciudades Marroquís, para referencia geográfica.

Tables (Tablas):
prec_tr.txt : table de precipitación anual promedio.
pevall.txt : table de evapotranspiración potencial.

Scripts:
balance.ave : calcula el balance del agua del suelo.
pevap.ave : calcula la evaporación potencial.
autoplot.ave : construye Charts de barras de datos y de resultados.

Si está desarrollando el ejercicio vía Internet, baje los siguientes archivos:

1. Familiarizarse con los Datos

Los datos relativos al balance del agua del suelo son precipitación, evaporación potencial, y capacidad de retención de agua del suelo. En este ejercicio, la evaporación potencial se calcula usando el método Priestley-Taylor, por lo que se necesita información sobre temperatura y radiación neta. Esta parte del ejercicio ha sido preparada para familiarizarse con los datos sobre clima, suelos, y radiación neta.

Información Climática

Cort Willmott de la University of Delaware ha obtenido estimados de temperatura y precipitación promedio mensuales interpolados en una malla de 0.5° por 0.5°. Esta información proviene de los "Global Air Temperature and Precipitation Data Archives" copilados por D. Legates y C. Willmott. Los estimados de la precipitación promedio usados en este estudio fueron corregidos por errores en los aparatos de medición. La precipitatción a nivel global fue estimada en base a información de 24,635 estaciones terrestres y 2,223 puntos del océano. La climatología representa sobre todo los años 1920 a 1980, dando más importancia a los años recientes ("data-rich years") (Legates y Willmott, 1990).

La región en estudio está centrada en Marruecos y se extiende desde aproximadamente (14W, 26N) a (1E, 37N), incluyendo tanto los océanos como la superficie terrestre. La información climática del océano está incluída en los archivos para ilustrar las diferencias entre los océanos y la superficie terrestre. Sin embargo, el ejercicio se desarrolla sobre un área de la superficie terrestre más restringidas en la que la capacidad del suelo para retener agua está definida.

La información original obtenida de la Universidad de Delaware fue bajada vía ftp como archivos de texto. FORTRAN y AML fueron usados para generar el coverage de polígonos (convertido a shapefile para simplificar la transferencia mediante ftp) que contiene esta información. La información climática anual y mensual son atributos del shapefile morclim.shp. Los Themes "Temp" y "Precip" se refieren al archivo morclim.shp.

Para ver la información climática del Project sbudget.apr: Temperatura: Haga un check en el rectángulo junto al Theme "Temp." para mostrar la temperatura anual promedio en celdas de 5°.

Precipitación:Para ver la información de la precipitación promedio anual, quite el junto al Theme "Temp." y agregue un junto al Theme "Precip."

Información Sobre la Capacidad de Retención de Agua del Suelo

Estimados globales de la capacidad de agua que puede ser extraída por las plantas (capacidad de retención de agua del suelo) sobre una malla de 0.5°, fueron obtenidos vía ftp anónimo del USGS Geophysical Fluid Dynamics Laboratory. Esta información fue compilada como parte de la tesis de Maestría de Krista Dunne de la University of Delaware. Información sobre arena, arcilla, contenido orgánico, profundidad de las raíces de las plantas, y espesor del horizonte de suelo fueron usados para estimar la capacidad de retención de agua del suelo. Una fuente de información importante en este analisis fue el FAO's Digitized Soil Map of the World (FAO, UNESCO, 1974-1981). Un estimado del promedio global de la capacidad de retención de agua del suelo es 86 mm.

Estimados de la capacidad de retención de agua del suelo han sido también añadidos como atributos del coverage morclim.shp. Estos valores están contenidos en el campo "whold." Para ver esta información, quite el check junto al Theme Precip" y haga un check en el rectángulo junto a "Water Holding Cap".

Información de Radiación Neta

Radiación neta promedio mensual a nivel global, para el periodo Julio 1983 hasta Junio 1991, ha sido generada como parte del International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) . Esta información está definida en la malla del ISSCP que conserva el area y tiene una resolución geográfica de 2.5° en el ecuador. Los valores promedio mensuales y anuales de la radiación neta fueron calculados en base a este periodo de 8 años. Para simplificar los cálculos, la radiación fue redefinida a la resolución de la malla de suelos y clima (celdas de 0.5°).

Hay un total de 13 campos en el coverage morclim.shp, que contienen 12 valores promedio mensuales y un valor promedio anual. Los valores promedio anuales están presentados en el Theme "Net Rad."

Para ver la radiación neta promedio anual quite el check junto al Theme "Water Holding Cap." y haga un check en el rectángulo junto a "Net Rad."

Puede observarse que la radiación neta tiene valores bajos en las regiones áridas del desierto (interior) y valores altos junto a la costa y el mar. La diferencia es causada por la mayor emisión de radiación de onda larga en el desierto debido a que la temperatura es más alta, y también porque gran parte de la energía en las areas húmedas es usada en transformar el agua en vapor y no puede ser reemitida como radiación de onda larga. Un menor contenido de vapor de agua y menor nubosidad en el desierto, permiten que la radiación de onda larga emitida por la superficie escape libremente fuera de la atmósfera.

2. Correr un Avenue Script para Calcular Evaporación Potencial

El Script provisto aquí usa el método de Priestly-Taylor para calcular la evapotranspiración potencial (PE). Para empezar los cálculos, quite el check junto a "Net Rad" y ponga un check junto a comcells.shp. Asegúrese que el Theme comcells.shp esté activado haciéndole un click con el mouse para que la barra correspondiente quede en altorelieve.

Seleccione las celdas de comcells.shp en las que desea realizar cálculos.Use para seleccionar las celdas haciéndoles un click el la View. Haga un click y mueva el mouse (clik and drag) para seleccionar una región de celdas. Selccione 10 celdas o menos para agilizar los cálculos. Si desea modificar la selección, use para borrarla y repita el procedimiento. Para orientarse en Marruecos, agregue a la View el Theme marcity.shp que usó en el Ejercicio 1. La siguiente figura presenta la serie de 9 celdas seleccionadas alrededor de la ciudad de Marrakech.

Para calcular la Evaporación Potencial, seleccione "Calculate PE" bajo el Menu "Programs". A continuación, una ventana de diálogo aparecerá y le solicitará información.

La información necesaria es:
Working Directory: directorio en el que se escriben los resultados. El programa registra esto automáticamenet como el directorio de donde se obtuvieron los archivos para armar el View. Cambie el directorio sólo si desea que los resultados se guarden en otro diferente.

View: View en la que el programa opera. Asegúrese que sea la misma que su View actual (cuyo nombre está en la barra de título en la parte superior de la ventana View). El nombre por defecto es wbudget.

Theme Name: nombre del Theme del que se han seleccionado las celdas en las que se van a realizar los cálculos.

ID Field: campo clave que identifica las celdas en las que se van a realizar los cálculos. Este valor se genera automáticamente y no es necesario modificarlo.

Output File Name: nombre del archivo de resultados. Cambie el nombre si repite los cálculos para no borrar los resultados anteriores. El archivo de resultados por defecto es pevmor.txt

Para presentar los resultados de los cálculos, agregue el archivo de resultados al Project. Para hacer esto, active el ícono Tables en la ventana Project y haga un click en el botón de la ventana Project para agregar el archivo de texto pevmor.txt. Al agregar la Table seleccione Delimited Text (*.txt) bajo List File of Type dado que el tipo de archivo que Arcview busca por defecto está en formato dBase, o es de extensión dbf.

Estos son algunos resultados de los cálculos. En la Table de resultados, la primera columna o campo es el índice del tiempo; en este caso, el tiempo esta dado en meses con 1=Enero, 2=Febrero, etc. Los campos que quedan son la evaporación potencial en mm/mes calculado para cada mes del año en cada celda selccionada de la View. Para determinar a que celda se refiere la información, asegúrese que el Theme comcell.shp sea el único resaltado en la View, use Theme/Properties y defina el campo de etiquetas como el campo clave usado en los cálculos (Afpoly_), y use Theme/Autolabel para poner etiquetas en las celdas seleccionadas. Por ejemplo, el campo correspondiente a la celda 2592, ubicada en la esquina superior izquierda, está resaltado en la Table mostrada abajo.

Para construir un Chart de la evaporación potencial de una celda en particular, resalte la Table pevmor.txt, seleccione Tables/Chart del menu, seleccione el campo C2592 de Fields y agréguelo con Add a Groups, luego bajo Label series using: seleccione el campo Index. Un Chart como el siquiente aparecerá.

La fórmula usada para calcular la evaporación potencial es:

Ep = 1.3 (d / (d+g)) Er

donde Ep es la evaporación potancial en mm/mo., d es el gradiente de la curva de presión de vapor saturado en kPa/C° a la temperatura predominante T en C°, g es la constante psicométrica en kPa/C°, y Er es el equivalente de la radiación neta en forma de evaporación en mm/día. Los valores de d y g son funciones de la temperatura y están dados en la Tabla 4.2.1 p.4.4 del Handbook of Hidrology (McGarw-Hill, 1993, ed. by D.R. Maidment). El valor de Er está dado por:

Er = 86,400 Rn / L

donde Rn es la radiación neta en W/m2, L es le calor latente de vaporización del agua en J/Kg, y 86,400 es el número de segundos en un día. El valor de L esta dado por:

L = 2.501 x 106 - 2361 T

done T es la temperatura predominante.

La temperatura y radiación en la celda C2592, en el mes de Julio, pueden leerse resaltando el Theme comcell.shp, usando y haciendo un click en la celda. Los valores obtenidos para Julio son T=26.7° y Rn=122.13 W/m2. El calor oculto de evaporación esta dado por:

L = 2.501 x 106 - 2361 * 26.7 = 2.437 x 106 J/kg

El valor de Er está dado por

Er = 86,400 * 122.13 / 2.437 x 106 = 4.33 mm/day

Para una temperatura de 26.7°C, los valores de d y g obtenidos del Handbook of Hydrology son d=0.206 y g=0.0671, por lo que la evaporación potencial de Julio es igual a:

Ep = 1.3 (0.206 / (0.206 + 0.0671)) * 4.33 = 4.24 mm/day, y si este valor es multiplicado por 31 días en Julio, el resultado sería 132 mm/mo. El valor dado en Julio de evaporación potencial en la unidad C2592 en la Table pevmor.txt es 131.92 mm/mo., con lo cual los calculos han sido verificados.

3. Correr un Script para Calcular el Balance del Agua del Suelo

Cierre el archivo "pevmor.txt" y asegúrese que "concells.shp" sea todavía el Theme activo. Use para seleccionar las celdas de comcells.shp en las que desea calcular el balance del agua del suelo. Desde que este cálculo demora, se recomienda seleccionar menos de 10 celdas. Puede seleccionar cualquier celda y no está limitado a puntos donde haya calculdado la evaporación potencial, porque la evaporación potencial ya ha sido calculada de antemano en todas las celdas.

Seleccione Run Soil Budget bajo el menu Programs. Le preguntarán si desea continuar con las celdas seleccionadas (seleccione YES), y luego le solicitarán que seleccione un control file. Seleccione morbal.ctl. Este archivo contiene una lista de los parámetros mostrados en la siguiente ventana:

Los parámetros de la ventana son:

Working Directory: directorio en el que se escriben los archivos de resultados.

Starting Month for Balancing: primer mes de los cálculos del balance del agua. El valor por defecto es 1 para Enero.

Number of Years for Balancing: número de años con registros en el archivo de datos climáticos. Por defecto es 1 año.

Ending Month: último mes de cálculos del balance del agua. El valor por defecto es 12 para Diciembre.

Months Beyond Balance Period: el valor por defecto es 0.

Precip Table: Table especificando los datos de precipitación (mm/mo.).

Pevap Table: Table especificando los datos de evaporación potencial (mm/mo.). Esta Table es como la Table pevmor.txt calculada ene el ejercicio anterior.

Surplus Table: Table conteniendo los excesos de agua (surplus) (mm/Mo.).

Soil Moisture Table: Table conteniendo el nivel de humedad en el suelo al comienzo de cada mes (mm).

DST Table: Table conteniendo el aumento de la humedad del suelo en un mes (mm/mo.)

Actual Evap. Table: Table conteniendo la evaporación mensual real (mm/mo.)

Theme to Model: Model Unit Theme que define las unidades geográficas en las que se harán los cálculos.

Cell ID Field: campo clave del Model Unit Theme que organiza las unidades geográficas, y es usado en el encabezado de los campos o columnas en todas las Tables de los resultados para indicar la unidad geográfica a la que corresponde cada serie de tiempo.

Whold Field: campo del Model Unit Theme que especifica la capacidad de retención de agua del suelo (mm).

View: nombre de la View activa desde la que se ejecuta el Programa.

Puede cambiar los nombres de los archivos de resultados si desea correr varios casos diferentes y comparar los valores obtenidos, pero no cambie los nombres de los archivos de datos de precipitación o evaporación potencial.

A continuación se presentan, a manera de ejemplo, datos de precipitación y de evaporación potencial usados en este cálculo. Los datos correspondientes a la celda C2592 estan resaltados. Puede notar que los valores de la evaporación potencial son iguales a los determinados anteriormente. Las 12 filas de esta Table contienen información de 12 meses, de Enero a Diciembre.

Antes de finalizar los cálculos, se le preguntará si desea guardar el archivo de control utilizado en caso de que lo haya modificado y desee usarlo posteriormente. La primera vez que corra este ejercicio, seleccione No. Si desarrolla el ejercicio dos veces con el mismo archivo de control, creará duplicados de cada archivo de resultados. Si escoge Yes (sí) se le preguntará el nombre de su nuevo archivo de control.

Una vez que los cálculos del balance de agua estén completos, verá una ventana con una pregunta como esta. Presione OK, y el programa terminará.

4. Ver los Resultados

Al seleccionar "Run Soil Budget" se inicia el script "balance.ave" que, a su vez, crea cuatro archivos de tipo dBase. "Surpmor.dbf" contiene el exceso de agua. "Stmor.dbf" contiene la humedad del suelo. "Dstmor.dbf" contiene cambios en la humedad del suelo, y "evapmor.dbf" contiene la evaporación. La siguiente figura muestra un ejemplo de los cálculos:

En el ejemplo se presenta el caso del mes de Mayo en la unidad C2592. Esta unidad tiene una capacidad de retención de agua de 13 mm. En el mes de Mayo, 33 mm de precipitación producen 27.1 mm de evaporación, un exceso de agua de 7.2 mm, y un cambio en la humedad del suelo de 33 - 27.1 - 7.2 = -1.3 mm. Desde que el almacenamiento al principio del mes era de 4.0 mm, al final del mes será de 4.0 - 1.3 = 2.7 mm. Este valor es guardado como la humedad inicial del siguiente mes 6 (Junio).

El programa realiza los cálculos en intervalos de un mes. Para obtener valores promedio diarios de precipitación y evaporación potencial, los valores mensuales son divididos por el número de días del mes . El exceso de agua de cada día se calcula como el producto de la precipitación por el cociente de la humedad del suelo sobre la capacidad de retención de humedad del suelo. La evaporación de cada día se calcula como el producto de la evaporación potencial por el cociente de la humedad del suelo sobre la capacidad de retención de humedad del suelo. El procedimiento consiste en calcular la humedad del suelo al final del día y, si excede la capacidad de retención de humedad del suelo, antes de hacer los cálculos del día siguiente, se agrega la diferencia al exceso de agua y se cambia la humedad del suelo a la capacidad de retención de humedad del suelo. El algoritmo es limitado porque asume que la lluvia cae como llovizna a un ritmo constante y suave durante el mes en lugar de en montos diarios concentrados sin lluvia en el intervalo entre tormentas. Esta simplificación se anula permitiendo un ligero monto de exceso de agua cada día, como ocurre con el suelo que drena lentamente a un rio. El algoritmo también puede ser usado con datos diarios, de existir, en cuyo caso los resultados son más realistas.

La datos del clima usados aquí son valores promedio mensuales para un año. Los cálculos se realizan para varios años, hasta que los niveles de humedad de suelo calculados en cada mes se estabilizan y convergen a valores constantes independientes del año para el que fueron calculados. Estos valores representan los niveles de humedad del suelo esperados en promedio sobre varios años.

Crear un Chart de los Resultados

Se ha escrito un Script para crear Charts de precipitación, evaporación potencial, humedad del suelo, evaporación, y exceso de agua en puntos especificos. Para crear los Charts, haga un click en y luego en la celda en la que se ha calculado el balance del agua del suelo. Deben aparecer 5 Charts de columnas en su pantalla.

O.K. Eso es todo por hoy. Diviertase!!


Nota del Traductor: El traductor se disculpa por el uso, quizás excesivo, de palabras en inglés. Este uso responde al hecho de que ArcView no ha sido traducido aún. Ha sido el interés del traductor ceñirse al máximo al texto original, así como hacer el desarrollo del ejercicio lo más claro posible, aunque esto haya implicado la incorporación en el texto de palabras ajenas al idioma castellano.


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Este material puede ser usado con fines educativos y de investigacion, pero por favor, acredite su uso a los autores y al Center for Research in Water Resources, The University of Texas at Austin. Todos los derechos comerciales reservados. Copyright 1997 Center for Research in Water Resources.