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

Resumen

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-Alvarez 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-Alvarez 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 desestratificación 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-Alvarez et al., 2006). Craig et al. (2005) evaluaron la eficiencia de una cobertura de sombreo en Queensland (Australia), donde la demanda evaporativa es muy elevada (2.200 mm año-1), y observaron reducciones de la evaporación de hasta un 87% en los meses de verano. Martínez-Alvarez et al. (2006) realizaron un estudio para evaluar la eficiencia de diferentes materiales porosos de cobertura a escala de tanque Clase A y bajo las condiciones climáticas del sureste español. Sus resultados muestran que la cobertura más eficiente es la de polietileno negro de doble capa, que alcanzó un 83,5% de reducción de la evaporación. Otro aspecto a señalar en relación a las coberturas de sombreo es que, además de prevenir la evaporación, tienen efectos positivos sobre la calidad del agua almacenada, como la minimización del crecimiento de algas. A la vista de estos estudios previos, las coberturas de sombreo pueden representar una solución satisfactoria a las pérdidas por evaporación en embalses de riego en zonas semiáridas. Como no se disponía de estudios rigurosos que determinaran la eficiencia de las coberturas en balsas de riego, ni se había estudiado previamente el efecto de su instalación sobre su dinámica energética, se ha considerado prioritario llevar a cabo un trabajo de investigación centrado en el estudio detallado de la reducción de la evaporación con coberturas de sombreo suspendidas. Se ha monitorizado un embalse de riego típico de la CS provisto de una cobertura de sombreo suspendida de polietileno negro de doble capa (ATARSUN, ATRAFIL S.L.) durante un año (de Abril 2008 a Marzo 2009), registrándose la evaporación, el perfil de temperatura y las variables meteorológicas relacionadas tanto bajo la cobertura como en el exterior, que han dado lugar a registros de gran calidad no disponibles con anterioridad a este estudio. También se han determinado las propiedades ópticas de la cobertura (transmisión, reflexión y absorción de radiación solar), la permeabilidad a las precipitaciones y la protección frente al viento. Los resultados muestran que la cobertura reduce la evaporación anual un 85%. Las principales propiedades de la cobertura responsables de esta reducción son la baja transmisión de la radiación solar (1%) y la alta reducción del viento (92%). Además la cobertura es altamente permeable, permitiendo la recuperación del 90% de las precipitaciones. También se observan efectos positivos en la calidad del agua. El crecimiento de algas y la turbidez se reducen drásticamente, y disminuye la salinidad del agua almacenada debido al balance positivo entre la lluvia y la evaporación. El estudio económico preliminar pone de relieve que la inversión en la cobertura es viable cuando el agua es un factor limitante para la producción agrícola y su ahorro puede valorarse al margen neto del cultivo, situación común en cuencas deficitarias como la estudiada. Si se valora el agua a su precio actual en la CS, la inversión no resultaría viable actualmente. Para analizar los mecanismos físicos de reducción de la evaporación relacionados con la instalación de la cobertura se han estudiado, en relación a las condiciones normales (embalse descubierto), tanto sus efectos sobre el aire entre la cobertura y la superficie de agua (microclima creado por la cobertura) como sobre el perfil térmico y las componentes del balance de energía. Los resultados muestran que la instalación de la cobertura genera un microclima sobre la superficie del agua con condiciones atmosféricas marcadamente diferentes al aire exterior. El aspecto de mayor relevancia es la gran disminución del gradiente de presión de vapor (al que es proporcional la evaporación), que está relacionado con la minimización de la radiación solar, que en ultimo término es el principal factor que explica la alta eficiencia de la cobertura. Otro aspecto destacable es la fuerte estratificación térmica que induce la cobertura en el cuerpo de agua, llegando a observarse un gradiente máximo de temperatura superficie-fondo de 11ºC en el mes de Agosto, que modifica la dinámica natural del almacenamiento de calor en el embalse. En cuanto al balance de energía del embalse sombreado, se han observado notables cambios en el signo, magnitud, peso relativo y evolución anual de sus componentes en relación a condiciones sin cobertura. El hecho más destacado es el contraste entre las curvas de evolución de anual de la evaporación. La máxima evaporación en el embalse descubierto se produce en verano, mientras que en condiciones de sombreo se retrasa hasta otoño. La radiación neta bajo la cobertura se reduce en un 89%, dando lugar al aumento de peso relativo de los términos de acumulación de calor y calor sensible en el balance de energía. En general, todos estos cambios en la dinámica física del embalse dan lugar a la reducción de la evaporación anual. En conclusión, cabe destacar que las coberturas de sombreo son una solución eficaz para prevenir las importantes pérdidas de evaporación en embalses en climas semiáridos. http://repositorio.bib.upct.es/dspace/