Análisis de la evaporación en embalses de riego y de su reducción con coberturas de sombreo

Abstract

[SPA] El crecimiento demográfico, el desarrollo industrial, la expansión de la agricultura de regadío y el aumento de la calidad de vida han dado lugar en los últimos años a una fuerte presión sobre los recursos hídricos. En climas áridos y semiáridos se presentan frecuentes situaciones de déficit hídrico que afectan principalmente a la agricultura, que con un 75% de la demanda total de recursos hídricos representa el mayor consumidor de agua. Por tanto, actualmente es de gran interés el desarrollo de técnicas y herramientas para optimizar el uso de agua, especialmente en la agricultura. Las pérdidas por evaporación en embalses pueden representar una importante pérdida de agua en zonas áridas y semiáridas. Varios estudios a escala mundial señalan la importancia de estas pérdidas de agua. Gökbulak y Özhan (2006) estiman que la evaporación anual en lagos y embalses de Turquía es mayor que la suma del consumo urbano e industrial de dicho país. Craig et al. (2005) indicaron que hasta un 40% del agua almacenada en embalses se pierde por evaporación en muchas regiones de Australia. En el sureste español, la continua expansión de las zonas regables durante las últimas décadas ha dado lugar a un gran aumento de la demanda de recursos hídricos. En la cuenca del Segura (CS), este desarrollo de las zonas de regadío ha supuesto un déficit hídrico estructural de 460 hm3, que afecta a 3,5?105 ha de regadío (Ministerio de Medio Ambiente, 2000). Gran parte de los recursos hídricos de la CS proceden de trasvases de agua desde otras cuencas, dependiendo por tanto de la disponibilidad hídrica en la cuenca de origen, y están sujetos a decisiones políticas que son difíciles de predecir, especialmente en situaciones de sequía. Las comunidades de regantes de la CS reciben sus dotaciones de agua en función de la disponibilidad de recursos y, generalmente, la distribuyen a sus usuarios mediante una organización por turnos. Cada regante debe disponer de un embalse de riego en el que almacenar el agua suministrada durante su turno, para poder regar cuando resulte oportuno y poder hacer frente a periodos sin disponibilidad de recursos. Este tipo de organización en la distribución de las dotaciones, junto a la elevada incertidumbre en el suministro, ha conllevado la construcción masiva de pequeños embalses o balsas de regulación de riego en la CS. La pérdida de agua por evaporación que se produce en estos numerosos embalses no había sido estudiada rigurosamente con anterioridad a este trabajo de investigación. Para poder evaluar la importancia de las pérdidas de agua por evaporación de los embalses de riego de la CS, se ha realizado un estudio detallado. El primer paso ha sido la identificación del número, localización y dimensión de cada uno de los embalses de riego existentes en la CS, que se ha realizado mediante la fotointerpretación de la imagen aérea del vuelo SIGPAC 2003 (http://sigpac.mapa.es/fega/visor/) con el Sistema de Información Geográfica (SIG) ArcGis 9.2. Esta imagen ha permitido estimar el área de cada embalse. Además, se ha tenido en cuenta que los embalses se encuentran normalmente por encima de un tercio de su capacidad total con el fin de mantener un cierto nivel de seguridad en caso de periodos de sequía prolongados. Por tanto, a efectos de considerar una superficie evaporante representativa, se ha considerado en los cálculos que los embalses están a dos tercios de su capacidad, S2/3, lo que equivale aproximadamente al 85% de su superficie total, ya que los embalses tienen generalmente taludes con pendiente 1/1. Una vez conocida la localización y dimensión de los embalses, el siguiente paso ha sido la determinación de la evaporación en cada uno de ellos, para posteriormente agregar esta información y obtener el valor de evaporación regional. Un método sencillo para estimar la demanda evaporativa es el uso de tanques evaporímetros estándar Clase A. Para estimar la evaporación de un embalse, E, a partir de datos de evaporación en tanque, Ep, es necesario aplicar un coeficiente de conversión (Kp = E/Ep). Para determinar Kp, hay que tener en cuenta las condiciones climáticas locales y las dimensiones geométricas del cuerpo de agua. Martínez-Álvarez et al. (2007) mostraron que el valor anual de Kp dependía principalmente de la superficie del embalse, no afectando significativamente su profundidad, mientras que la variación espacial de Kp a nivel de cuenca estaba relacionada con el valor anual del déficit de presión de vapor (DPV). La metodología propuesta por Martínez-Álvarez et al. (2007) se ha aplicado para calcular el valor anual de Kp en cada embalse, considerando su superficie (S2/3) y el DPV local de su localización. Se han elaborado mapas de Ep y VPD de la CS para calcular el Kp y la superficie evaporante de cada embalse y, mediante la combinación de toda esta información, estimar su evaporación. En la determinación de la evaporación total en la cuenca y en las distintas zonas hidrológicas se han utilizado técnicas de agregación espacial con GIS. El total de pérdidas por evaporación en los embalses de riego en la CS se ha estimado en 58,5 hm3, lo que corresponde a una lámina de agua evaporada de 1.404 m anuales. Esta cifra representa el 8,3% del agua distribuida para riego durante el periodo de estudio, es más del doble del consumo industrial, equivale a un 27% del consumo urbano y es igual la demanda medioambiental. Teniendo en cuenta el señalado déficit hídrico de la CS, estas cifran ponen de manifiesto la importancia de las pérdidas de agua por evaporación en embalses de riego y la necesidad de plantear posibles soluciones. A escala mundial, los pequeños embalses son muy numerosos y se destinan a usos tan diferentes como la acuicultura, la jardinería, el uso recreativo, el riego, los abrevaderos de ganado, etc. Se estima que cubren en conjunto 77.000 km2 (Downing et al., 2006). A pesar del creciente interés en optimizar el uso de los recursos hídricos, apenas se han realizado trabajos de investigación sobre la evaporación en estos pequeños embalses, basándose los pocos estudios disponibles en datos escasos y de baja calidad (Rosenberry et al., 2007). Tampoco existen trabajos relevantes centrados en el proceso de evaporación y la evolución de las componentes del balance de energía en pequeños embalses, cuyo conocimiento es fundamental para poder modelizar y predecir adecuadamente las pérdidas por evaporación. En el presente trabajo de investigación se ha llevado a cabo la cuantificación y análisis detallado de las componentes del balance de energía de un embalse de riego de la CS, basado en datos experimentales. Para ello se ha monitorizado un embalse de riego típico de la CS durante un año (2007), registrándose datos de evaporación, del perfil de temperatura y de las variables meteorológicas relacionadas, que han dado lugar a datos diarios de gran calidad no disponibles con anterioridad a este estudio. A partir de estos datos, se han descrito y cuantificado todos los flujos del balance de energía, así como la distribución de la energía disponible para la evaporación a escala mensual, poniéndose de manifiesto la importancia de considerar la inercia térmica del cuerpo de agua para el cálculo de la evaporación a una escala inferior a la anual. Los resultados muestran que la radiación neta y la evaporación (principales términos del balance de energía) se encuentran desfasados temporalmente debido a la acumulación de calor en el cuerpo de agua. Como consecuencia de este desfase se producen importantes errores en la estima de la evaporación a partir de relaciones lineales con la radiación neta, en las que no se considera el calor almacenado en el cuerpo de agua. Además se ha propuesto una ecuación simplificada que permite estimar el calor almacenado a escala mensual a partir de datos de temperatura del aire, dado que habitualmente no se dispone de la información sobre la temperatura del agua requerida para su cálculo. Los valores anuales y la evolución mensual del coeficiente de advección de Priestley-Taylor y de las componentes advectiva y radiativa del método de Penman también han sido estudiados y se dan simplificaciones y recomendaciones para el uso de estos métodos. En general, este trabajo representa una referencia fundamental para el estudio de evaporación en pequeños cuerpos de agua, especialmente para aquellos ubicados en zonas de clima semiárido. Otro objetivo fundamental de la tesis ha sido el estudio de la mitigación de las pérdidas por evaporación. Para reducir la evaporación en superficies de agua existen diferentes alternativas, que pueden clasificarse en los siguientes grupos: métodos físicos, métodos operacionales, coberturas químicas y métodos estructurales (Brown, 1988). Los métodos físicos son aquellos que modifican las propiedades físicas del agua, como la des estratificación artificial del agua. Los métodos operacionales hacen referencia a las buenas prácticas de manejo orientadas a la prevención de la evaporación. Las coberturas químicas se forman aplicando productos químicos en la superficie del agua, que crean una capa reductora de la evaporación. Por último, los métodos estructurales incluyen las coberturas y módulos flotantes, que reducen los intercambios de masa y energía entre la superficie de agua y el aire circundante, los cortavientos, que protegen la superficie del agua de la exposición al viento y las coberturas de sombreo suspendidas, que minimizan el paso de la radiación solar y protegen de la acción directa del viento. Entre todos estos métodos, las coberturas de sombreo suspendidas parece ser una de las técnicas más prometedora para la reducción de la evaporación. (Craig et al., 2005; Martínez-Álvarez et al., 2006).

[ENG] Current global population growth, industrial development, sustained increase of living standards and the trend towards irrigated agriculture have produced a strong competition for water resources. In arid and semiarid climates, this causes water shortages that mainly affect agricultural users. There is an urgent need to improve water management by developing new water-saving technologies, especially in agriculture, whose water consumption accounts for 75% of the human water use. In arid and semiarid regions, evaporation loss from agricultural water reservoirs (AWRs) for irrigation can be potentially large. Several studies have pointed out the importance of evaporation losses. Gökbulak and Özhan (2006) estimated that annual evaporation from lakes and dams in Turkey is greater than the water used for domestic and industrial purposes. Craig et al. (2005) estimated that in many areas of Australia up to 40% of the stored water in on-farm storages can be lost through evaporation. In the semiarid region of south-eastern Spain, sustained development of new irrigated lands over the last few decades has led to an important increase in water demand. This has caused a dramatic water deficit, estimated at 460 hm3 in the Segura River Basin (SRB), affecting 3.5·105 ha of irrigated farmlands (Ministry of Environment, 2000). Agricultural allotments in the SRB mainly come from adjacent basins and its quantity and temporal availability mainly depends on political decisions that are difficult to anticipate, especially in drought periods. The collective irrigation schemes, which have intermediate infrastructures for medium-term storage of allotted water, distribute water to farms generally by turn. Due to the water distribution system by turn and in order to deal with irregular water allotment and extended periods without water supply, many farms and collective irrigation schemes built and now use AWRs. These reservoirs guarantee water throughout the year and therefore have an important impact on agriculture productivity and revenues of farming systems. To assess the actual importance of evaporation loss in the SRB, a detailed study was carried out. The first step was to identify the number, location and dimensions of all irrigation reservoirs in the SRB. The aerial orthophoto SIGPAC (http://sigpac.mapa.es/fega/visor/) of 2003 was meticulously photointerpreted, using ArcGIS 9.2 Geographical Information System (GIS), to identify all extant AWRs in the SRB. The usual practice in south-eastern Spain is to keep AWR water level above one third of its total depth, in order to maintain some level of insurance against the uncertain and poorly timed delivery of irrigation water to farms. For this reason, a floodable area (S2/3) corresponding to two thirds of the total depth of each AWR was considered a realistic value for determining the average annual evaporative area, which represents about 85% of the floodable area for most cases since embankments usually have an inner slope of 1/1. Once the extension and location of all evaporating area were known, the next step was to estimate evaporation from each reservoir and then aggregate the information to obtain the regional evaporation. The simplest way to estimate evaporation from AWRs is to use Class-A pan evaporation data, Ep. This method is commonly used to derive the evaporation rate, E, of a water surface, for hydrological applications. An empirical pan coefficient, Kp (defined as the ratio of E to Ep), is to be applied to estimate E. To determine Kp, local climate conditions and the geometric dimensions of the water body need to be considered. Martínez-Alvarez et al. (2007) found that, at a given location in the SRB, annual Kp values mostly depend on the AWR flooded area, S, and depend loosely on depth, D, and that spatial variation of annual Kp at a regional or catchment scale is related to the annual air vapour pressure deficit, VPD. In this study, the methodology proposed by Martínez-Alvarez et al. (2007) was applied to calculate Kp, taking into account the surface of reservoirs (S2/3) and the local VPD. Regional maps of Ep and VPD were produced and then combined with evaporating area and Kp of each reservoir in order to calculate the evaporation of each reservoir. To calculate the regional evaporation loss, spatial aggregation GIS techniques were used. Results indicated that annual water loss at a basin scale reaches 58.5 hm3, which corresponds to 1,404 m of water depth over the flooded area. To assess the importance of total evaporation loss within the water budget of the Segura River Basin, the evaporation loss was compared to the rest of the water demands in the basin. The total regional loss corresponds to 8.3% of irrigation water use, it is higher than the industrial demand, similar to the environmental demand, and it is equivalent to 27% of the domestic water use. Considering that the SRB, like most of semiarid basins, presents a marked water deficit, the latter figures underline the need of further research on evaporation from water storages and alternatives to reduce this water loss. Accurate estimates of free water evaporation from on-farm water storages are essential for assessing storage efficiency and for evaluating the use of mitigation measures. Small water storages for livestock, fishing, irrigation or recreational activities are estimated to cover about 77,000 km2 worldwide (Downing et al., 2006). In spite of the increasing interest in optimizing storage efficiency in irrigation districts, detailed evaporation studies of these numerous small water bodies are scarce and often based on sparse or remotely collected data (Rosenberry et al., 2007). To our knowledge, there are very few studies that provide a detailed insight into the dynamics of the energy balance components and evaporation loss of on-farm water reservoirs. There is a need to study in detail the dynamics of small storages. A thorough quantification and analysis of the components of the energy balance of a typical AWR based on detailed experimentation is of main interest. The second part of this research work was focused on the mitigation of evaporation from on-farm water storages. To reduce evaporation losses, a wide variety of methods have been proposed, which can be classified into the following groups: physical, operational, chemical and structural methods. Among these methods, suspended shade cloth covers (SSCCs) have been pointed out as one of the most promising techniques from a technical point of view (Craig et al., 2005; Martinez-Alvarez et al., 2006).