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Agrociencia Uruguay

versión On-line ISSN 2301-1548

Agrociencia Uruguay vol.16 no.1 Montevideo jun. 2012

 

Estimación de la evapotranspiración de referencia a partir de tanque «A» en el noroeste del Uruguay


Otero Alvaro1, Goñi Carmen1, Castaño José Pedro2 


1Instituto Nacional de Investigación Agropecuaria. INIA-Salto Grande. Casilla de Correo 68033. Salto. Uruguay. Correo electrónico: aotero@sg.inia.org.uy

2Instituto Nacional de Investigación Agropecuaria. Grupo Agroclima y Sistemas de información.

Ruta 48 km 10. Rincón del Colorado. Las Piedras. Uruguay.



Recibido: 28/6/11 Aceptado: 14/9/11



Resumen


El manejo eficiente del agua en la agricultura requiere de una precisa estimación de la evapotranspiración de los cultivos. La dificultad de obtener registros de todas las variables necesarias para la estimación de la evapotranspiración de referencia (ETo) por el modelo propuesto por Penman-Monteith-FAO56 (Allen et al., 1998), lleva al uso de métodos alternativos, como lo es el tanque de evaporación clase «A» (Eo); el cual requiere de calibraciones regionales para su correcta aplicación. En el presente trabajo se comparan cuatro procedimientos de estimación del coeficiente de ajuste (Kp) de la Eo respecto a ETo: i) el propuesto por Snyder (1992), ii) el propuesto por Allen et al. (1998), iii) el propuesto por Puppo y García Petillo (2009) y iv) el Kp combinado obtenido de la regresión de la Eo respecto a ETo en la región bajo estudio. Los valores del coeficiente de regresión de Eo respecto a ETo cambia levemente de acuerdo al intervalo promedio utilizado, siendo de 0,77; 0,75 y 0,73 para el intervalo mensual, decádico (10 días) y semanal. El error de estimación disminuye a medida que promediamos intervalos mayores. El procedimiento i) sobrestima considerablemente los valores de ETo, mientras que el ii) los subestima a ambos con errores absolutos medios de 0,49 y 0,86 mm respectivamente, mientras que con el iii) el error absoluto medio es de 0,32 y con el iv) es de 0,37 mm. Tanto el método iii), como el iv) con valores constantes de Kp demuestran tener mejor desempeño en la región del noroeste del Uruguay.


Palabras clave: MÉTODO DE PENMAN-MONTEITH, NECESIDADES DE RIEGO, EVAPORACIÓN, PROGRAMACIÓN DE RIEGO



Summary


Reference Evapotranspiration Estimation from Class «A» Pan in the Northwest of Uruguay


Efficient water management in agriculture requires accurate estimation of the evapotranspiration. The difficulty in obtaining records of all the variables needed to estimate reference evapotranspiration (ETo) by the model proposed by Penman-Monteith-FAO56 (Allen et al., 1998), leads to the use of alternative methods, such as pan evaporation class «A» (Eo), which requires regional calibrations for successful implementation. This paper compares four methods for estimating the adjustment coefficient (Kp) of Eo over ETo: i) the procedure proposed by Snyder (1992); ii) by Allen et al. (1998); iii) by Puppo and García Petillo (2009); and iv) the Kp-combined obtained through the regression coefficient of Eo to ETo for the region under study. The regression coefficient values of Eo over ETo change slightly according to the average interval used, being 0.77, 0.75 and 0.73 for the monthly interval, decadic (10 days) and weekly. The estimation error decreases as we average at longer intervals. The procedure i) significantly overestimated ETo, while ii) underestimated both, with a mean absolute error of 0.49 and 0.86 mm respectively, while in iii) is 0.32 and the iv ) is 0.37 mm. Procedures iii) and iv) with constant values of Kp had the best performance for the northwestern region of Uruguay.


Key words: PENMAN-MONTEITH METHOD, CROP WATER REQUIREMENTS, EVAPORATION, IRRIGATION SCHEDULE



Introducción


La estimación de las necesidades de agua de los cultivos es una información necesaria no solo para el correcto diseño del sistema de riego sino también para la planificación y uso del mismo (Pereira et al., 1995). El requerimiento de agua de un cultivo es estimado -entre otros métodos- en relación a la evapotranspiración de referencia (ETo) de una superficie del suelo con una cubierta estandarizada de vegetación. La evapotranspiración de referencia ajustada por distintos coeficientes de cultivo (Kc) estima la evapotranspiración para un cultivo dado y en especial para cada estado de desarrollo del mismo (Doorembos y Pruitt, 1977).


Varias ecuaciones se han utilizado para estimar la evapotranspiración de referencia. El modelo universalmente más aceptado es el propuesto por Penman-Monteith-FAO56 (Allen et al., 1998). Este modelo requiere, para su correcta aplicación, de datos climáticos que habitualmente no están fácilmente disponibles o no son registrados en forma sistemática en cada localidad. Las variables meteorológicas mínimas requeridas para su cálculo en una determinada zona son: temperatura máxima (Tmáx), temperatura mínima (Tmin), humedad relativa media y mínima (HR %) del aire, velocidad del viento a 2 m de altura (u2) y radiación neta (Rn). Esta última puede ser estimada a través de la radiación solar incidente, (Rs), o a través del número de horas diarias de insolación.

Por otro lado, el tanque de evaporación clase «A» es un método alternativo para estimar la evapotranspiración, de bajo costo y de mayor difusión dentro de muchos predios de producción (Doorembos y Pruitt, 1975). Los valores resultantes de la evaporación del tanque clase «A» están altamente influenciados por las características de instalación y las condiciones atmosféricas locales, como ser: la distancia con cubierta verde a su alrededor, el viento sobre la superficie del mismo, la humedad relativa del aire, la radiación solar, etc. (Doorembos y Pruitt, 1977). Dado que la evaporación del tanque responde a la demanda atmosférica sin los mecanismos de resistencias que presentan los cultivos se han propuesto coeficientes de ajuste del registro acumulado o diario de evaporación del tanque que concuerdan satisfactoriamente con los modelos de estimación de la ETo, habitualmente llamados coeficientes de tanque (Kp) (Allen et al., 1998).


El coeficiente Kp puede ser calculado a través de formulas empíricas (Cuenca, 1989; Snyder, 1992; Allen et al., 1998; Pereira et al., 1995) utilizando datos diarios de humedad relativa del aire, velocidad del viento y distancia a la vegetación, pero con la desventaja que estos datos muchas veces no pueden ser obtenidos en todas las localidades. Por otro lado, el coeficiente de tanque Kp, puede ser calculado en forma fija a través de regresiones entre los valores de evaporación del tanque clase «A» (Eo) y los valores de evapotranspiración calculados de ETo (Doorembos y Pruitt, 1975, 1977), o por el cociente entre ETo y Eo calibrado para cada mes del año como propone Puppo y García Petillo (2009) pero limitando su uso a un área de influencia climática regional.

Es el propósito de esta comunicación determinar el mejor método de cálculo de Kp a los efectos de estimar la ETo a través de registros de evaporación de tanque «A», para región del litoral noroeste del Uruguay, a través de los promedios diarios mensuales, decádicos (10 días) y semanales.


Metodología


Se utilizaron los registros de la estación agroclimatológica de la estación experimental INIA-Salto Grande, localizada con latitud -31° 16’ 20,2’’ y longitud -57° 53’ 25,7’’. Para los cálculos se tomaron los datos diarios de temperatura del aire, máxima y mínima, humedad relativa media y mínima del aire, velocidad del viento a 2 m de altura, pluviometría y radiación total incidente del período 1984-2011. Se utilizaron también los registros diarios de evaporación del tanque evaporímetro clase «A» del período 1984-2011. La radiación total incidente (Rs) diaria fue medida durante el período 1984 a 1996 con un piranómetro esférico Gum-Bellani y en el período 1996 a 2011 con un piranómetro Licor (LI-200SA, USA).


Se utilizó el modelo propuesto por Penman-Monteith-FAO56 (Allen et al., 1998) para la estimación diaria de la evapotranspiración del cultivo de referencia (ETo), utilizando los procedimientos del software Ref-Et, versión 2.0 para su cálculo.


Donde:

ETo - evapotranspiración del cultivo de referencia [mm día-1],

Rn - radiación neta en la superficie del cultivo [MJ m-2 día-1],

G - flujo de calor sensible [MJ m-2 día-1],

T - temperatura media diaria del aire a 2 m de altura [°C],

u2 - velocidad del viento a 2 m de altura [m s-1],

es - presión de vapor a saturación del aire [kPa],

ea - presión de vapor real del aire [kPa],

es-ea - déficit de presión de vapor [kPa],

Δ- pendiente de la curva de presión de vapor a saturación y temperatura [kPa °C-1],

g - constante psicrométrica del aire [0.0642 kPa °C-1].


La radiación neta sobre la superficie del cultivo (Rn) diaria fue estimada a partir de la radiación total incidente (Rs) diaria según el procedimiento sugerido por Allen (2001).

Se compararon cuatro métodos distintos de cálculo del coeficiente Kp:


Snyder (1992):


Donde:

u2 - velocidad del viento a 2 m de altura [km 24h-1],

HRmedia - humedad relativa media diaria [%],

distancia - distancia libre en la dirección del viento [m].


Allen et al. (1998):

Donde:

u2 - velocidad del viento a 2 m de altura [m s-1],

HRmedia - humedad relativa media diaria [%],

distancia - distancia libre en la dirección del viento [m].


• Kp Calibrado (Puppo y García Petillo 2009) para cada mes del año:

Donde:

EToi – evapotranspiración media mensual del cultivo de referencia [mm día-1] del mes i,

Eoi- tanque de evaporación media mensual clase «A» [mm día-1], del mes i.


Kp Combinado. Obtenido de la pendiente de la regresión lineal entre la ETo media mensual del mes i y el registro de evaporación medio mensual del tanque «A» del mes i, del período 1985-2006.


Los procedimientos de Snyder (1992) y Allen et al. (1998) no requieren de calibración previa, ya que para el cálculo de Kp se utilizan los valores medios mensuales de velocidad del viento a 2 m de altura, de la humedad relativa media mensual del aire y la distancia (500 m) con cubierta verde en la dirección del viento, de la propia serie de datos a verificar. Por otro lado, en el procedimiento de cálculo del Kp Calibrado (Puppo y García Petillo, 2009), se utiliza en nombre ‘Kp Calibrado’ propuesto por sus autores para hacer referencia a la obtención de un Kp ajustado mensualmente y obtenido previamente al análisis de la serie de verificación, a partir de los registros históricos regionales. Para este último análisis, se utilizaron los registros medios mensuales del tanque de evaporación clase «A» (mm día-1) y la evapotranspiración media mensual del cultivo de referencia (ETo) (mm día-1). Para el Kp Combinado se tomó, como único valor, la pendiente de la regresión simple entre la evaporación media mensual del tanque clase «A» (mm día-1) y la evapotranspiración media mensual del cultivo de referencia (mm día-1) en cada uno de los meses de la serie histórica regional. También se estimó la pendiente de la regresión simple entre la evaporación media del tanque clase «A» (mm día-1) y la evapotranspiración de referencia media (mm día-1) cada 10 días y semanales de la serie histórica regional. Para el cálculo del Kp Calibrado como para el Kp Combinado, se utilizaron los registros meteorológicos diarios de la serie 1985 a 2006.


Para la comparación de los métodos, se utilizó como serie de verificación independiente los registros diarios de seis años, elegidos al azar, de la misma estación meteorológica: 1984 y 2007 a 2011. De esta nueva serie de datos meteorológicos se obtuvieron los valores reales medios mensuales de ETo y Eo y, a partir de las principales variables meteorológicas, los Kp medios mensuales calculados por los métodos de Snyder (1992) y Allen et al. (1998). Con los valores medios mensuales de Eo de la serie independiente de registros y con los Kp calculados por los métodos (1), (2), (3) y (4) se estimaron los nuevos valores de ETo.

Se siguió el criterio de Willmott et al. (1985) para la comparación de los modelos a través de:

Error Absoluto Medio (EAM)

Donde:

Oi - valor observado de ETo (evapotranspiración del cultivo de referencia) del registro i,

Ei - valor estimado de ETo a través de los métodos de cálculo de Kp para el registro i,

n - número de i observaciones,


Error Absoluto Máximo (EMAX)

Donde:

Oi - valor observado de ETo (evapotranspiración de cultivo de referencia) del registro i,

Ei - valor estimado de ETo a través de los métodos de cálculo de Kp para el registro i,

n - número de i observaciones,


Coeficiente de Concordancia (D)

Donde:

Oi - valor observado de ETo (evapotranspiración del cultivo de referencia) del registro i,

Ei - valor estimado de ETo a través de los métodos de cálculo de Kp para el registro i,

n - número de i observaciones,

X - media de los valores observados de ETo, en n observaciones.

Para el ajuste de las regresiones lineales, así como los demás cálculos se utilizaron los procedimientos estadísticos habituales de Proc Reg y Univariate del SAS (SAS Inst. Inc. Carv, N.C.).


Resultados y discusión


La evaporación promedio mensual (mm día-1) del tanque «A» registrada durante el período 1985-2007 fue superior en cada uno de los doce meses del año a la evapotranspiración de referencia promedio mensual (mm día-1) en el mismo período (Figura 1). Los valores estimados de ETo (mm día-1) fueron entre un 26% y un 23% inferiores a los valores registrados de la evaporación de tanque «A» (mm día-1). Otra característica observada para las condiciones meteorológicas de la región del litoral noroeste es que los valores promedio mensuales de ETo y Eo de cada año no presentan una distribución de frecuencia normal en todos los meses, de acuerdo al test de normalidad de Shapiro-Wilk (Cuadro 1). Por esta razón, y para no violar algunos de los supuestos de normalidad asumidos cuando se comparan medias que supuestamente siguen una distribución normal, se prefirió utilizar el criterio propuesto por Willmott et al. (1985) en la comparación de los valores observados y los estimados a través de los cuatro métodos de cálculo de Kp. A diferencia de lo que ocurre con los valores de evaporación del tanque «A», los valores de ETo suelen tener más meses de registros medios con distribución normal, solo un mes de los 12 del año no satisface los requerimientos de normalidad de sus registros promedio mensuales (mes de junio) (Cuadro 1).


Los coeficientes Kp calibrados promedio para cada mes (Puppo y García Petillo, 2009) variaron entre los meses (Cuadro 2). En los meses de invierno, los valores promedio del Kp-calibrados fueron menores que los Kp de los meses con mayor ETo. Por otro lado, los valores mensuales de Kp-calibrados para la zona sur del país (Puppo y García Petillo, 2009) son ligeramente inferiores a los calculados para el área del litoral noroeste (Cuadro 2) posiblemente debido a diferencias meteorológicas locales.


Para calcular la lámina de reposición de agua en un cultivo, muchas veces se emplea un intervalo de tiempo diario, semanal o incluso cada 10 días (Smith et al., 1996). El registro promedio diario (mm día-1) de evaporación del tanque «A» en intervalos de tiempo mensuales, decádicos y semanales fueron buenos estimadores de la evapotranspiración de referencia (ETo) calculada a través del modelo propuesto por Penman-Monteith-FAO56 (Allen et al., 1998) (Cuadro 3), lo que coincide con observaciones similares realizadas por Sentelhas y Folegatti (2003) para la zona de Piracicaba (San Pablo, Brasil). Dentro del período de evaluación, los coeficientes de regresión entre las dos variables en los tres intervalos estudiados fueron altamente significativas (p<0,001). Se determinó el r2 como indicador de la precisión de los valores estimados, siendo de 0,94 para los valores acumulados mensualmente, de 0,92 para los valores decádicos y de 0,90 para los valores semanales (Cuadro 3). La dispersión de los pares de registros entre la ETo y el tanque «A» es mayor a medida que reducimos en intervalo de cálculo, de tal forma que la raíz del error medio estimado en ambas variables es mayor con intervalos semanales, que con intervalos decádicos y menor aún con intervalos mensuales.


El error medio estimado de la regresión (Cuadro 3) es relativamente bajo en cualquiera de los tres períodos calculados, lo que permitiría estimar la ETo dentro de límites de confianza muy aceptables desde el punto de vista agronómico, cuando no se tienen valores suficientes de variables meteorológicas para que se pueda usar directamente el modelo Penman-Monteith y ésta deba de ser estimada a través de la evaporación del tanque «A».


Los valores esperados de la estimación de la ETo a través del método de Snyder (1992) fueron consistente y ligeramente superiores a los valores de ETo calculados directamente a través del modelo propuesto PM-FAO56 (Allen et al., 1998) en todas la situaciones analizadas, lo que concuerda con Braga et al. (2008) y con Esteves et al. (2010) (Cuadro 4). En comparación con los otros métodos, el método propuesto por Snyder (1992), que fuera originalmente desarrollado para áreas semiáridas (Snyder et al., 2005) tiene valores intermedios de concordancia y los errores absolutos medios están en el orden de 0,49 mm día-1 y que expresado en relación a la media observada de ETo en la población de control es de un 14%.


Por otro lado, el método propuesto por Allen et al. (1998) fue el que mostró peor desempeño de los cuatro métodos estudiados, evidenciado a través del mayor error absoluto medio y menor concordancia entre los valores estimados y los observados. Ambos métodos, el de Snyder (1992) y el de Allen et al. (1998) toman en cuenta la humedad relativa del aire, la velocidad del viento y la distancia con cubierta verde a barlovento para el ajuste del Kp, pero con relaciones cuantitativas distintas entre ambos, en donde las variaciones regionales de las mismas inciden claramente en el cálculo de Kp (Cuadro 4).


La estimación de la ETo a través de los Kp calibrados para cada mes (Puppo y García Petillo, 2009) o usando el Kp combinado proveniente de la regresión de los valores de ET del tanque «A» con los ETo de PM-FAO56 (Cuadro 3), fueron los mejores métodos de estimación de ETo, lo que coincide con las apreciaciones realizadas por Puppo y García Petillo (2009) para el área sur de Uruguay y por Conceiçao (2002) para la región noroeste del estado de San Pablo, Brasil. Ya sea a través del análisis combinado de todos los meses del año (Cuadro 4) como del análisis ajustado por mes (Cuadro 5), la estimación de ETo a través del método del Kp-calibrado como propone Puppo y García Petillo (2009) o usando la pendiente de la regresión de los valores de tanque «A» y la ETo (Kp-combinado) tuvieron los mejores coeficientes de concordancia y los menores errores absolutos medios. A pesar de que los valores de r2 fueron altos (Cuadro 4 y 5), usando solo este criterio de evaluación no alcanza para hacer una discriminación buena entre estos dos métodos. La relación entre la ETo observada y la ETo estimada por ambos métodos es altamente significativa (p<0,001) y en ambos métodos la pendiente entre ambas variables es muy cercana a una relación 1:1 (Figura 2).


En este sentido la estimación a través del cálculo de Kp-calibrado mensualmente parece tener un mejor ajuste que los datos usando el Kp-combinado, pero como vimos anteriormente los errores de estimación absolutos de ambos métodos son relativamente semejantes, para todos los meses a excepción de mayo y junio (Cuadro 5).


Conclusiones


La estimación de la ETo por medio del ajuste del Kp y de los registros de tanque «A» es una alternativa válida en las condiciones del litoral noroeste del Uruguay. Dos clases de métodos para cálculo del Kp fueron evaluados: i) aquellos que no requieren una calibración previa, ya que usan variables meteorológicas del mismo período del cual se quiere estimar la ETo, como son los métodos propuestos por Snyder (1992) y por Allen et al. (1998); y ii) aquellos que requieren de una previa calibración o trabajos en la región para su verificación, como son los métodos propuestos por Puppo y García-Petillo (2009) y el método del Kp-combinado, como es el objetivo del presente trabajo. El método de Snyder (1992) usado para el cálculo del Kp tiende a sobrestimar los valores de ETo, mientras que cuando se usa el método de Allen et al. (1998) los valores de ETo son subestimados. Por otro lado, el ajuste mensual de Kp a través de la relación ETo/Eo (Puppo y García Petillo, 2009) tuvo el mejor desempeño, medido a través de su error absoluto medio; así mismo, la utilización de un único valor de Kp-combinado para todos los meses tiene también un excelente desempeño y minimiza los errores absolutos en comparación con los métodos de Snyder (1992) y Allen et al. (1998). Más allá de la precisión de los cuatro métodos en el cálculo de Kp para la estimación de ETo, la gran ventaja comparativa del método del Kp-calibrado y del Kp-combinado es que no se requiere de valores adicionales de otras variables meteorológicas, como lo requieren los procedimientos de Snyder (1992) y Allen et al. (1998). En este sentido, la estimación de la ETo a través de un único valor (Kp-combinado) podría ser además una alternativa de muy fácil implementación. Proponemos para la región del litoral noroeste de Uruguay el uso de los valores de Kp-calibrados mensualmente o en su defecto los valores de Kp-combinado: mensual (0,77), decádico (0,75) o semanal (0,73).


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