CAPÍTULO 9

CAP ITULO 9
EVAPORACIÓN Y EVAPOTRANSPIRACIÓN
9.1 Generalidades
La estimación de la evaporación de extensiones de agua libre o de superficies terrestres, así como de la transpiración de la
vegetación, es de gran importancia para los estudios hidrológicos. Por ejemplo, la estimación de la evaporación puede ser
decisiva en la determinación de la factibilidad de un sitio de embalse y es de utilidad para determinar los procedimientos
ordinarios de operación de un sistema de embalses. La evaporación y la evapotranspiración son también elementos importantes en cualquier estudio del balance hídrico. Los modelos conceptuales en hidrología requieren valores promedios
estimados de la evapotranspiración en cuencas.
En la actualidad es imposible medir directamente la evaporación o la evapotranspiración de grandes superficies. Sin
embargo, se han establecido diversos métodos indirectos que dan resultados aceptables. Este capítulo versa sobre los tanques
de evaporación y lisímetros que se utilizan en las redes. En los embalses existentes, las parcelas y las cuencas pequeñas, las
estimaciones pueden hacerse basándose en el balance hídrico, en el balance energético y en métodos aerodinámicos. Estas
técnicas se analizan en el presente capítulo únicamente desde el punto de vista de los instrumentos y de las necesidades de
observación. En los capítulos 37 y 38 se examina minuciosamente el cálculo de la evaporación y de la evapotranspiración,
respectivamente, de extensas superficies terrestres y de agua por diversos métodos indirectos.
9.2
Tanque de evaporación
Para calcular la evaporación de lagos y embalses se utilizan frecuentemente los registros de evaporación obtenidos por
medio de tanques de evaporación. 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 el del terreno. Los tanques o finas de evaporación se instalan a veces sobre plataformas
flotantes en lagos o masas de agua.
Entre los variados tipos de tanques de evaporación utilizados hay tres que merecen especial atención: el tanque de
evaporación clase A de Estados Unidos y el tanque GG1-3 000 y el de 20 m2 de la ex Unión Soviética. El primero fue
recomendado por la OMM y la Asociación Internacional de Ciencias Hidrológicas (AICH) como
instrumento de referencia. El rendimiento de este tanque se ha estudiado en condiciones climáticas muy diversas y en
latitudes y altitudes muy diferentes. El tanque de evaporación GO 1-3 000 y el de 20 m2 se utilizan en Rusia y algunos otros
países con diferentes condiciones climáticas. Poseen cualidades operativas dignas de confianza, así como una relación
extraordinariamente estable con los elementos meteorológicos que determinan la evaporación.
La OMM patrocinó en varios países un programa de observaciones de comparación [1] entre el tanque de evaporación clase
A, el tanque GO 1-3 000 y el tanque de 20 m2. Este programa condujo a algunas recomendaciones operativas sobre la
conveniencia de estos tanques en diversas condiciones climáticas y fisiográficas.
Además del tanque, se emplean los siguientes instrumentos en las estaciones evaporimétricas:
a) un anemógrafo integrado o anemómetro, situado a uno o dos metros por encima del tanque, para determinar el
movimiento del viento sobre el tanque;
b) un pluviométro no registrador;
c) termómetros o termógrafos que proporcionan las temperaturas máxima, mínima y media del agua en el tanque;
d) termómetros o termógrafos de máxima y mínima para medir las temperaturas del aire, o un higrotermógrafo o
psicrómetro si se desea conocer la temperatura y la humedad del aire.
El emplazamiento para ubicar el tanque debe ser un terreno nivelado y libre de obstrucciones. Si las condiciones climáticas y
del terreno no permiten mantener una capa vegetal, debe hacerse lo posible para que la superficie del suelo se asemeje a la
superficie natural y a los alrededores. Los obstáculos, como árboles, edificios, arbustos o garitas meteorológicas, deben estar
a una distancia igual o superior a cuatro veces la altura del objeto por encima del tanque de evaporación. En ningún caso, deberá colocarse el tanque de evaporación o la garita de instrumentos sobre una losa o pedestal de concreto ni sobre asfalto ni
capas de grava.
Los instrumentos deben instalarse en la estación de evaporación de modo que no proyecten sombras sobre el tanque. El
tamaño mínimo de la parcela debe ser de 15 X 20 m y debe estar cercada para proteger los instrumentos e impedir que los
animales beban el agua. La cerca o valla debe construirse de manera que no modifique la estructura del viento sobre el
tanque de evaporación.
En regiones deshabitadas, especialmente en regiones áridas y tropicales, con frecuencia es necesario proteger los tanques de
evaporación de pájaros y animales pequeños, para lo cual se puede utilizar:
a) repelentes químicos. En ese caso, hay que tomar precauciones para no contaminar en absoluto el agua del tanque
de evaporación; o
b) una pantalla de tela metálica de tipo corriente colocada encima del tanque de evaporación.
Para estimar el error introducido por el efecto de la pantalla de la tela ,metálica sobre el régimen del viento y sobre las
características térmicas del tanque, deben compararse las lecturas del tanque protegido con las obtenidas por medio de un
tanque estándar en la estación más próxima que tenga características similares.
El nivel del agua del tanque debe medirse con exactitud antes y después de añadir agua. Esto puede hacerse de dos maneras:
a)
el nivel del agua se puede determinar por medio de un aforador de gancho que consta de una escala móvil y de un
vernier dotado de un gancho dentro de una cámara de agua tranquila montada en el tanque. Se puede usar también un
flotador. Se utilizará un recipiente calibrado para añadir o quitar agua al hacer la observación, volviendo a situar el nivel
del agua a la altura del punto fijo;
b) el nivel del agua se puede determinar usando el siguiente procedimiento:
i)
se coloca encima de una señal de referencia, hecha en el tanque por debajo de la superficie del agua, un recipiente
de diámetro pequeño dotado de una válvula;
ii) se abre la válvula hasta que el nivel del agua contenida en el recipiente sea igual con el nivel del agua del tanque;
iii) se cierra la válvula y se determina con exactitud el volumen de agua contenido en el recipiente mediante una
probeta de medida;
iv) la altura del nivel del agua por encima de la señal de referencia se determina a partir del volumen de agua
contenida en el recipiente y de las dimensiones del mismo.
La evaporación diaria se calcula evaluando la diferencia entre los niveles del 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 determina mediante la formula:
E=P±∆d
(9.1)
donde P es la altura de las precipitaciones producidas durante el período entre las dos mediciones y ∆d la altura del agua
añadida (+) o sustraída (-) del tanque.
Actualmente se utilizan varios tipos de tanques automáticos de evaporación. El nivel del agua en el tanque se mantiene
automáticamente constante gracias a un sistema que vierte agua en el tanque desde un tanque de almacenamiento o elimina
el agua sobrante en caso de precipitación. Se anota la cantidad de agua añadida o eliminada.
9.3
Evaporímetros y lisímetros
La evapotranspiración se puede estimar por medio de evaporímetros y lisímetros, mediante métodos de balance hídrico o
balance térmico, con ayuda del método de difusión turbulenta o mediante diferentes fórmulas empíricas basadas en datos
meteorológicos observados. El uso de evaporímetros y lisímetros permite una medida 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 se satisfagan todos los requisitos concernientes a su
instalación y a las técnicas observación. La transpiración de la vegetación se estima como la diferencia entre los valores de
evapotranspiración y de evaporación del terreno medidos al mismo tiempo.
Los evaporímetros y los lisímetros se clasifican de acuerdo con el método empleado para su funcionamiento:
a) de pesada, cuando utilizan básculas mecánicas para contabilizar los cambios en el contenido de agua;
b) hidráulicos, cuando usan el principio hidrostático de pesada; y
c) volumétricos, en los cuales el agua contenida se mantiene constante y la evapotranspiración se mide por la cantidad de
agua que se introduce o se extrae.
No existe un instrumento tipo, de carácter internacional, para medir de la evapotranspiración.
Las condiciones generales para seleccionar el emplazamiento de las estaciones evaporimétricas son las siguientes:
a) el sitio seleccionado para la estación evaporimétrica debe ser representativo de la zona circundante en lo referente al
riego, características del suelo (estructuras y composición), pendiente y cubierta vegetal;
b) la estación evaporimétrica debe situarse más allá de la zona de influencia de edificios y árboles aislados. No debe
ubicarse a menos de 100 ó 150 m de los límites del terreno considerado ni a más de tres o cuatro kilómetros de la estación
meteorológica. El lugar elegido para extraer bloques de tierra para la inclusión de evaporímetros y lisímetros debe
encontrarse dentro de un radio de 50 m de la parcela de evaporación, y la tierra y cubierta vegetal del bloque debe corresponder a la tierra y cubierta vegetal de la parcela.
9.3
Evaporación de la nieve
En muchos países se utilizan evaporímetros de polietileno o plástico incoloro para medir la evaporación o condensación de
la capa de nieve. Los evaporímetros de nieve deben tener una superficie de al menos 200 cm2 y una profundidad de 10 cm.
Se corta una muestra de nieve con la que se llena el evaporímetro, se determina el peso total y se instala el evaporímetro al
mismo nivel que la superficie de la nieve. Se debe tener cuidado de que las características de la superificie de la muestra sean
las mismas que las de la capa de nieve sobre la que se sitúe el evaporímetro. Al final del período de mediciones se quita el
evaporímetro de la capa de nieve, se seca su superficie exterior y se hace una medida final de su peso. La diferencia entre los
pesos iniciales y finales se convierte en valores de la evaporación o la condensación
expresados en centímetros. No son válidas las mediciones hechas durante períodos de nevada o de ventisca alta de nieves.
Durante el período de fusión de la nieve, se deben pesar los evaporímetros y tomar muestras a intervalos más próximos,
debido a que al disminuir el espesor de la capa de nieve queda expuesto el borde del evaporímetro y se altera así el flujo del
aire sobre la muestra.
9.4
Métodos indirectos
9.5.1
Generalidades
Generalmente se usan métodos indirectos como los de balance hídrico y balance energético o el enfoque aerodinámico, a
causa de las dificultades que se plantean en la realización de observaciones directas de la evaporación de lagos y embalses.
Los elementos meteorológicos incluidos en estos métodos indirectos son las radiaciones solar y de onda larga, la temperatura
del aire y de la superficie del agua, la humedad atmosférica o la presión del vapor y el viento. En las subsecciones siguientes
se describen los instrumentos y los procedimientos de observación para medir estos elementos. En el capítulo 37 se describe
de qué manera las observaciones de los elementos antes mencionados se usan en distintos métodos indirectos para calcular la
evaporación.
9.5.2
Radiación solar
La radiación solar total incidente (onda corta) debe medirse en un lugar próximo al embalse mediante un piranómetro, y sus
resultados deberán registrarse continuamente. La entrada de radiación de onda corta sobre una superficie horizontal se mide
con un piranómetro. La mayoría de piranómetros modernos se basa en los sistemas de pilas termoeléctricas de multiunión,
cubiertos por domos de vidrio doble o sencillo que permiten que sólo la radiación entre 0,3 y 3 cm alcance la superficie
sensitiva del piranómetro. Algunos tipos de piranómetros tienen toda la superficie ennegrecida con una mitad de las
termouniones en contacto y la otra mitad localizada de forma que percibe la lenta variación de la temperatura de referencia
de un bloque largo de latón protegido. Otros tipos tienen una superficie sensible que consiste en dos superficies pintadas de
blanco y negro, con ambas termouniones conectadas.
9.5.3
Radiación de onda larga
La radiación de onda larga se mide indirectamente con radiómetros de placa plana. Estos instrumentos no son selectivos en
respuesta a las diferentes longitudes de onda, por lo que miden todas las longitudes de ondas. La radiación de onda larga se
calcula como la diferencia entre la radiación total recibida del sol y del cielo, como la registra un radiómetro, y la radiación
solar medida con un piranómetro en el mismo lugar.
Un tipo de radiómetro de onda larga consiste en una placa plana de 5 cm2, montada horizontalmente en la boca de un
pequeño ventilador. La placa consta de una superficie superior de aluminio ennegrecido y una superficie inferior de aluminio
pulido. Una pila termoeléctrica mide el gradiente vertical de la temperatura a través de una lámina aislante insertada entre las
dos láminas de aluminio que componen la placa. El voltaje de la termopila es proporcional al flujo de calor que atraviesa la
placa, que a su vez es proporcional a la energía recibida por la superficie ennegrecida después de deducida la radiación del
cuerno negro. Para determinar el valor de esta última corrección, se emplea una pila termoeléctrica separada, que mide la
temperatura de la superficie ennegrecida. La función del ventilador consiste en minimizar los efectos del viento sobre el
coeficiente de calibración del dispositivo.
Otro tipo de instrumento, el piranómetro total, mide la diferencia entre la radiación total (de onda corta y onda larga)
recibida (hacia bajo) y la saliente (hacia arriba). El instrumento consiste de un plato montado horizontalmente con dos
superficies ennegrecidas. La mitad de las uniones de las termopilas se fijan a la superficie superior y las otras se fijan a la
superficie inferior, de modo que la salida de la termopila es proporcional a la radiación neta en la banda de 0,3 - 100 µm.
Estos instrumentos se dividen en dos tipos: los que son ventilados y los que están protegidos para reducir la transferencia de
calor convectivo desde el elemento sensible. Los instrumentos deben estar montados al menos a un metro por encima de la
cubierta vegetal representativa.
9.5.4
Temperatura del aire
La temperatura del aire se debe medir a dos metros sobre la superficie del agua cerca del centro del embalse. Para los
pequeños embalses, la temperatura del aire no se modifica considerablemente al pasar sobre la superficie del agua, por lo
tanto se pueden hacer mediciones satisfactorias en un lugar de la orilla situado contra el viento.
Si bien sería suficiente medir la temperatura del aire a intervalos de una, cuatro o seis horas, es conveniente disponer de
registros continuos de la temperatura, y en especial junto con mediciones de humedad. Los termógrafos eléctricos, que
utilizan termómetros de termopar, sirven para los registros en los potenciómetros registradores multicanales que se requieren
para medir las radiaciones.
Al medir la temperatura del aire, los termómetros deben protegerse del sol, sin disminuir por ello la ventilación natural. Se
han diseñado protecciones especiales contra las radiaciones para los termómetros de termopar.
Las mediciones de la temperatura del aire deben tener una exactitud de ± 0,30C.
9.5.5
Temperatura de la superficie del agua
Para la medición de la temperatura del agua se usan varios tipos de termómetros:
a) termómetro de mercurio en vidrio o en acero (incluido el termómetro de máxima y mínima, así como el
termómetro de inversión);
b) termómetro de resistencia de platino o elementos de resistencia térmica con circuitos electrónicos y con un
medidor o registrador;
c) termómetro de termopar, con voltímetro, con o sin registrador.
Las aplicaciones particulares determinan el modelo que más conviene. Por ejemplo, las observaciones directas se realizan
mejor con un termómetro de mercurio en vidrio, mientras que los registros continuos pueden obtenerse con elementos de
resistencia o termopares.
Los termógrafos, que producen un registro continuo de temperatura, contienen, en general, un elemento sensible de mercurio
en acero, sumergido en el agua, que está conectado a un registrador circular o cilíndrico por medio de un tubo de Bourdon
que actúa como transductor. La instalación de termógrafos debe hacerse con sumo cuidado para que las mediciones tomadas
sean representativas de la temperatura del agua [2].
En el caso de estaciones automáticas donde las mediciones, que generalmente incluyen otras variables, se registran sobre una
cinta magnética o se transmiten directamente por cable o por radio, los termómetros más utilizados son los de resistencia de
platino o los de resistencia térmica. Como éstos no tienen partes móviles, son más fiables y ofrecen mediciones más exactas
y una mayor sensibilidad. El elemento sensible se conecta generalmente a un circuito del tipo puente de Wheatstone, con un
amplificador electrónico que produce una señal de salida adecuada para el registro o la transmisión.
En general, la exactitud necesaria para la medición de la temperatura del agua es de ± 0,1 0C, salvo que por razones
especiales se pueda requerir una mayor exactitud. Sin embargo, en muchas circunstancias la exactitud de observación de
±0,50C es suficiente y con frecuencia los datos estadísticos de temperatura se redondean al grado centígrado más cercano.
Por eso es importante especificar las necesidades operativas a fin de seleccionar el termómetro más adecuado.
9.5.6
Humedad opresión de vapor del aire
Las mediciones de la humedad del aire se hacen en el mismo lugar que las mediciones de la temperatura del aire. Para el
registro, los instrumentos más adecuados son los psicrómetros provistos de termómetros de termopar. Los descritos en la
sección 9.5.4, con un termómetro de termopar adicional para registrar las temperaturas del termómetro húmedo, darán
resultados satisfactorios. Los termopares húmedos requieren una mecha y un depósito que se deben disponer de modo que el
agua que llega al termómetro húmedo esté a la misma temperatura del termómetro húmedo. Además, este tipo de
termómetro debe estar protegido de las radiaciones, manteniéndose al mismo tiempo la ventilación adecuada para obtener la
temperatura real del termómetro húmedo. Si la velocidad del viento es superior a 0,5 m se utilizará una protección similar a
la utilizada para el termómetro que mide la temperatura del aire. En la práctica, la pantalla del termómetro húmedo se instala
debajo de la pantalla del termómetro que mide la temperatura del aire.
Si las mediciones de las temperaturas de los termómetros seco y húmedo se efectúan con una exactitud de ± 0,30C, la
humedad relativa no debe exceder del ±7 por ciento para temperaturas moderadas, valor adecuado para determinar la tensión
de vapor del aire.
9.5.7
Viento
La velocidad del viento debe medirse cerca del centro del lago o del embalse a unos dos metros por encima de la superficie
del agua. En la práctica se emplea una balsa anclada como plataforma para los instrumentos.
Para determinar la velocidad media diaria del viento, se utiliza cualquier tipo de anemómetro que proporcione indicaciones o
trace un registro a distancia. El rotor de tres cazoletas o los anemómetros de abanico son los más adecuados para los registros a distancia. La exactitud de las mediciones de la velocidad del viento con los anemómetros de abanico o de tres
cazoletas es de ± 0,5 m s1, valor que se considera aceptable para las mediciones de la evaporación.
Si se utiliza un anemómetro totalizador, habrá que realizar la lectura del contador a intervalos fijos, de preferencia
diariamente. Si se emplea un anemómetro eléctrico de contacto se debe agregar un registrador. Esto se puede hacer
instalando un marcador eléctrico de datos en el borde del registro de la temperatura.
9.5.8
Dispositivos de integración
Las mediciones de la radiación y la temperatura del aire se hacen generalmente en los mismos lugares: en el centro del lago
o en una estación situada en una orilla contra el viento. De este modo, se pueden registrar de manera sucesiva diversos elementos con un solo registrador de canal múltiple. A veces se utilizan, junto con los registradores de banda, dispositivos de
integración que permiten leer el valor promedio de cada parámetro durante el período de tiempo para el que debe calcularse
la evaporación, generalmente diez días o dos semanas.
Referencias
1. Organización Meteorológica Mundial, 1976: The CIMO International Evaporimeter Comparisons. OMM—N0 449,
Ginebra.
2.
Herschy, R. W., 1971: River Water Temperature. Water Resources Board, TN5.