Modelo integrado de demandas de agua a nivel de cuencas

Se elaboró un modelo que integra las demandas de agua a nivel de todo el territorio de una cuenca. El modelo realiza un balance hídrico para cada cultivo en cada comuna, posteriormente integra los resultados de modo de establecer la demanda territorial de agua, considerando toda la agricultura del territorio regado en la cuenca. Las variables de entrada son el uso de suelo, el clima (evapotranspiración de referencia) y la tecnología de riego. La evapotranspiración de referencia es calculada mediante el método de Penman Monteith (Allen, 2006).

 

Todos los parámetros del balance hídrico se ajustan a la realidad agrícola de cada sector de la cuenca. En sistema incluye una matriz especie/kc de modo de estimar el uso consumo de cada especie a partir de un balance hídrico entre la siembra y la cosecha de cada especie. En cada comuna el sistema calcula la demanda hídrica por especie y área cultivada dentro de cada unidad comunal. Luego de este barrido especie por especie, comuna por comuna, el sistema integra la demanda de todas las comunas para estimar una demanda global de agua en la cuenca.

Esquema general del modelo implementado para el análisis del balance entre oferta y demanda de agua en las cuencas.

 

 

 

Variables del modelo.

 

El balance hídrico se modeló según la siguiente ecuación de balance de masa:

 

Pe + Ri –Etr –(Es+Px) ± δH = 0

Donde

Pe: precipitación efectiva

Ri: riego

Etr: evapotranspiración real

Es: Escurrimiento superficial

Px: Percolación profunda

δH: Cantidad de agua almacenada en el suelo

 

Considerando que bajo condiciones de no déficit hídrico la Etr = Eto x kc y que durante la temporada de riego no hay cambios significativos en el contenido de agua del suelo, entonces:

 

Ri = ( Etr –Pe – (Es+Px) ) x  Ef-1

 

La suma del escurrimiento Es y percolación profunda Px, representa al agua en exceso agregada al sistema, por sobre las necesidades de agua del cultivo, lo que hace caer la eficiencia. Se consideró un 60% de eficiencia (Ef) para cultivos regados bajo sistemas gravitacionales y un 90% para cultivos con sistemas de riego tecnificado (goteo).

En la Figura 56 se esquematiza el modelo de balance hídrico con cada una de las variables que integran el cálculo y los factores que las definen.

Precipitacion efectiva

 

Este parámetro se define como la fracción de la precipitación total utilizada para satisfacer las necesidades de agua del cultivo; quedan por lo tanto excluidas la infiltración profunda, la escorrentía superficial y la evaporación de la superficie del suelo (FAO, 2000). Es esta porción la que se consideró en el balance de masas, cuyo cálculo se obtuvo a partir de la fórmula presentada a continuación (SIAR, 2000).

 

Pe = 0.6 Pt –10 para Pt < 70 mm

Pe = 0.8 Pt – 24 para Pt > 70 mm

Donde

Pe = Precipitación efectiva (mm)

Pt = Precipitación total (mm)

 

Capacidad de retención de agua en el suelo

 

Cada perfil de suelo tiene asociada una capacidad de almacenamiento de agua inherente a factores físicos del suelo señalados en el esquema, la profundidad del suelo, densidad aparente y las constantes hídricas capacidad de campo y punto de marchitez permanente. Esta capacidad de retención se calcula bajo la siguiente fórmula.

 

Ha = (cc – pmp) x Da x Z x 0,1

Donde

Ha = Capacidad de retención de agua aprovechable del suelo (mm)

cc = Contenido de humedad a capacidad de campo (%)

pmp = Contenido de humedad a punto de marchitez permanente (%)

Da = densidad aparente del suelo (g x cm-3)

Z = profundidad de suelo (cm)

 

0,1 es el factor de conversión que permite expresar la humedad aprovechable en mm.

 

 

Evapotranspiración de referencia

 

Esta variable va depender de la temperatura media, la humedad relativa de la zona, la radiación solar y la velocidad del viento, integrados en la siguiente fórmula:

 

Donde:

 

Eto  = evapotranspiración de referencia (mm/día)

Rn    = radiación neta en la superficie de cultivo (MJ M-2 día-1)

Ra    = radiación extraterrestre (mm día-1)

G    = flujo del calor de suelo (MJ m-2 día-1)

T    = temperatura media del aire a 2 m de altura (°C)

u2    = velocidad del viento a 2 m de altura (m s-1)

es    = presión de vapor de saturación (kPa)

ea     = presión real de vapor (kPa)

es – ea = déficit de presión de vapor (kPa)

Δ= pendiente de la curva de presión de vapor (kPa °C-1)

ᵧ = constante psicrométrica (kPa °C-1) (Allen et al. 2006)

 

 

La evapotranspiración máxima de los cultivos (Etm)

 

Corresponde a la transferencia de agua desde un cultivo hacia la atmósfera, bajo condiciones no estresantes de agua en el suelo. Se determina a partir de la evapotranspiración de referencia (Eto) y el Kc (coeficiente de cultivo), que depende de la etapa fenológica del cultivo (Santibáñez et al., 2015). Se puede calcular la Etm a partir de la siguiente fórmula:

 

Etm = Kc x Eto

 

Donde:

Etm = evapotranspiración máxima

Eto = evapotranspiración de referencia

 

 

Evapotranspiración rela

 

Es la transferencia real de agua desde un cultivo a la atmósfera en cualquiera condición de disponibilidad hídrica en el suelo. En condiciones no estresantes, la Etr tenderá a ser igual a la Etm, en condiciones de déficit de agua, la humedad de suelo es insuficiente para satisfacer la demanda atmosférica, por lo tanto, la Etr se verá reducida por debajo de la Etm hasta llegar a 0 en un suelo completamente seco. Por razones de simplicidad, en este balance se ha supuesto que se verá limitada por el contenido de agua disponible en el suelo, por lo cual el valor de Etr será el mínimo entre la Etm y la real disponibilidad de agua en el suelo. Por lo tanto, en este balance se ha supuesto que la Etr toma el valor del contenido de agua del suelo, cuando este es inferior a la Etm.

El contenido de agua en el suelo depende de la capacidad de retención de este, de la precipitación que ingresa en cada intervalo de tiempo y del riego aplicado en el mismo intervalo. Dependiendo si la capacidad de retención de agua el suelo se ve superada, se van a generar pérdidas por percolación profunda y escurrimiento superficial. Estas dos últimas variables dependen fuertemente del sistema de riego usado.

Balance hidrico integrado

 

Se realizaron balances hídricos de las 136 especies agrícolas consideradas, para las 5 comunas de la provincia del Limarí, los cuales se calcularon mes a mes durante toda la temporada, lo que permitió calcular la demanda de riego (Ri) para cada mes del año, para cada cultivo y en cada sector de la cuenca (comuna). Posteriormente se integraron los resultados, mediante la doble suma de los resultados en el tiempo y espacio.

Se utilizó el siguiente protocolo para estimar el requerimiento hídrico integrado de la cuenca:

 

Donde:

S= sector de riego (Comuna)

C= cultivos

F(x)= representa la curva integrada de demanda “territorial” de agua integrando las                                               demandas al interior de cada comuna

 

La matriz de uso de suelo, contiene la superficie regada de cada especie en cada comuna según lo consignado en los censos agropecuarios. Ella incorpora 136 especies agrícolas existentes en Chile. Una segunda matriz, incluye las precipitaciones y la evapotranspiración de referencia para los 12 meses del año, además contiene valores de densidad aparente y las constantes hídricas del suelo (capacidad de campo y punto de marchitez permanente de los suelos de cada comuna). Finalmente, la tercera matriz que ingresa al modelo contiene tabulados los kc, meses de inicio y termino del ciclo de vida de los cultivos y la profundidad de raíces específicas para cada especie. El programa CUENCAS, genera matrices de demanda de agua por especie, por comuna para los 12 meses del año.

 

En el cuadro siguiente se muestra un ejemplo del balance hídrico que el sistema realiza para cada cultivo y localidad.

Balance hídrico que el sistema realiza para cada cultivo y localidad.

Praiz: profundidad de la raíz (cm), Etm: evapotranspiración máxima (mm), Pe: precipitación efectiva (mm), Cret: capacidad de retención (cm), R1: retención de agua en el suelo el día 1 (mm), Eto: evapotranspiración de referencia (mm), Pp: precipitación (mm), R30: retención de agua en el suelo el día 30 (mm), Hd: humedad de déficit (mm), Déficit de agua en el suelo (mm), Excedente de agua (mm).

Demanda de agua cuencas de Maipo, Rapel y Maule