SaltMod es un programa informático para predecir la salinidad de la humedad del suelo , las aguas subterráneas y de drenaje , la profundidad del nivel freático y la descarga de drenaje (hidrología) en tierras agrícolas irrigadas , utilizando diferentes condiciones (geo)hidrológicas , variando las opciones de gestión del agua , incluido el uso de agua subterránea para riego, y varios programas de rotación de cultivos . Las opciones de gestión del agua incluyen riego, drenaje y el uso de agua de drenaje subterráneo de tuberías, zanjas o pozos para riego.
La mayoría de los modelos informáticos disponibles para el transporte de agua y solutos en el suelo (por ejemplo, Swatre, [1] DrainMod [2] ) se basan en la ecuación diferencial de Richard para el movimiento del agua en suelo no saturado en combinación con una ecuación de dispersión de salinidad diferencial . Los modelos requieren la entrada de características del suelo como la relación entre el contenido de humedad del suelo no saturado, la tensión del agua, la conductividad hidráulica y la dispersividad.
Estas relaciones varían en gran medida de un lugar a otro y no son fáciles de medir. Los modelos utilizan intervalos de tiempo cortos y necesitan al menos una base de datos diaria de fenómenos hidrológicos. En conjunto, esto hace que la aplicación del modelo a un proyecto de gran envergadura sea tarea de un equipo de especialistas con amplias instalaciones.
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Referencias bibliográficas (cronológicas) de estudios de casos posteriores al año 2000: [3] [4] [5 ] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13 ] [14 ] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21]
Se pueden encontrar ejemplos de aplicación más antiguos en:
Existe la necesidad de un programa informático que sea más fácil de operar y que requiera una estructura de datos más simple que la mayoría de los modelos disponibles actualmente. Por lo tanto, el programa SaltModod fue diseñado teniendo en cuenta una relativa simplicidad de operación para facilitar su uso por parte de técnicos de campo, ingenieros y planificadores de proyectos en lugar de geohidrólogos especializados .
Su finalidad es utilizar datos de entrada que estén generalmente disponibles, que puedan estimarse con una precisión razonable o que puedan medirse con relativa facilidad. Aunque los cálculos se realizan numéricamente y deben repetirse muchas veces, los resultados finales pueden comprobarse a mano utilizando las fórmulas del manual.
El objetivo de SaltMod es predecir la hidrosalinidad a largo plazo en términos de tendencias generales, no llegar a predicciones exactas de cómo será, por ejemplo, la situación el 1 de abril dentro de diez años.
Además, SaltMod ofrece la opción de reutilizar el agua de drenaje y de pozo (por ejemplo, para riego) y puede tener en cuenta la respuesta de los agricultores al anegamiento , la salinidad del suelo , la escasez de agua y el bombeo excesivo del acuífero . También ofrece la posibilidad de introducir sistemas de drenaje subterráneo a distintas profundidades y con distinta capacidad para que puedan optimizarse . En la siguiente sección se encuentran otras características de SaltMod.
El método de cálculo Saltmod se basa en los balances hídricos estacionales de las tierras agrícolas. Se pueden distinguir cuatro estaciones en un año, por ejemplo, seca, húmeda, fría, cálida, de riego o de barbecho . El número de estaciones (Ns) se puede elegir entre un mínimo de una y un máximo de cuatro. Cuanto mayor sea el número de estaciones, mayor será el número de datos de entrada necesarios. La duración de cada estación (Ts) se da en número de meses (0 < Ts < 12). Los balances hídricos diarios no se tienen en cuenta por varias razones:
El método utiliza componentes del balance hídrico estacional como datos de entrada. Estos están relacionados con la hidrología de la superficie (como la lluvia , la evaporación , el riego, el uso de agua de drenaje y de pozo para riego, la escorrentía ) y la hidrología del acuífero (como la filtración ascendente, el drenaje natural, el bombeo de pozos). Los otros componentes del balance hídrico (como la percolación descendente, el ascenso capilar ascendente , el drenaje subterráneo ) se dan como salida.
La cantidad de agua de drenaje, como salida, se determina mediante dos factores de intensidad de drenaje para el drenaje por encima y por debajo del nivel del drenaje respectivamente (que se proporcionarán con los datos de entrada), un factor de reducción de drenaje (para simular un funcionamiento limitado del sistema de drenaje) y la altura del nivel freático, resultante del balance hídrico calculado. La variación de los factores de intensidad de drenaje y el factor de reducción de drenaje brinda la oportunidad de simular el efecto de diferentes opciones de drenaje.
Los datos de entrada sobre riego , evaporación y escorrentía superficial se deben especificar por temporada para tres tipos de prácticas agrícolas, que pueden elegirse a discreción del usuario:
Los grupos, expresados en fracciones del área total, pueden consistir en combinaciones de cultivos o simplemente en un solo tipo de cultivo. Por ejemplo, como cultivos de tipo A se pueden especificar los cultivos ligeramente irrigados, y como tipo B los más irrigados, como la caña de azúcar y el arroz . Pero también se puede tomar A como arroz y B como caña de azúcar, o quizás árboles y huertos . Los cultivos A, B y/o U se pueden tomar de manera diferente en diferentes estaciones , por ejemplo, A = trigo + cebada en invierno y A = maíz en verano, mientras que B = verduras en invierno y B = algodón en verano.
La tierra sin riego se puede especificar de dos maneras: (1) como U = 1 − A − B y (2) como A y/o B sin riego. También se puede hacer una combinación.
Además, se debe dar una especificación de la rotación estacional de los diferentes usos de la tierra sobre el área total, por ejemplo, rotación completa, sin rotación en absoluto o rotación incompleta. Esto ocurre con un índice de rotación. Las rotaciones se realizan a lo largo de las estaciones del año. Para obtener rotaciones a lo largo de los años es recomendable introducir cambios anuales en los insumos.
Cuando una fracción A1, B1 y/o U1 en la primera estación difiere de las fracciones A2, B2 y/o U2 en la segunda estación, debido a que los regímenes de riego en las estaciones difieren, el programa detectará que se produce una cierta rotación. Si se desea evitar esto, se pueden especificar las mismas fracciones en todas las estaciones (A2=A1, B2=B1, U2=U1), pero los cultivos y las cantidades de riego pueden tener que ajustarse en proporción.
Los programas de rotación de cultivos varían ampliamente en diferentes partes del mundo. Las combinaciones creativas de fracciones de área, índices de rotación, cantidades de riego y cambios anuales en los insumos pueden adaptarse a muchos tipos de prácticas agrícolas. La variación de las fracciones de área y/o el programa de rotación brinda la oportunidad de simular el efecto de diferentes prácticas agrícolas en el balance de agua y sal.
Saltmod acepta cuatro depósitos diferentes, tres de los cuales están en el perfil del suelo:
El reservorio superior del suelo se define por la profundidad del suelo desde la cual el agua puede evaporarse o ser absorbida por las raíces de las plantas. Puede ser igual a la zona de raíces.
La zona de raíces puede estar saturada, no saturada o parcialmente saturada, dependiendo del balance hídrico . Todos los movimientos de agua en esta zona son verticales, ya sea hacia arriba o hacia abajo, dependiendo del balance hídrico. (En una versión futura de Saltmod, el reservorio superior del suelo puede dividirse en dos partes iguales para detectar la tendencia en la distribución vertical de la salinidad).
La zona de transición también puede estar saturada, no saturada o parcialmente saturada. Todos los flujos en esta zona son verticales, excepto el flujo hacia los drenajes subterráneos.
Si hay un sistema de drenaje subterráneo horizontal , este debe colocarse en la zona de transición, que luego se divide en dos partes: una zona de transición superior (por encima del nivel del drenaje) y una zona de transición inferior (por debajo del nivel del drenaje).
Si se desea distinguir una parte superior e inferior de la zona de transición en ausencia de un sistema de drenaje subterráneo, se puede especificar en los datos de entrada un sistema de drenaje con intensidad cero.
El acuífero tiene un flujo principalmente horizontal. Los pozos bombeados, si existen, reciben su agua únicamente del acuífero.
Los balances hídricos se calculan para cada embalse por separado, como se muestra en el artículo Hidrología (agricultura) . El exceso de agua que sale de un embalse se convierte en agua entrante para el siguiente embalse.
A los tres reservorios del suelo se les puede asignar un espesor diferente y coeficientes de almacenamiento, que se proporcionarán como datos de entrada.
En una situación particular, no es necesario que exista la zona de transición o el acuífero. En ese caso, se les debe dar un espesor mínimo de 0,1 m. Se supone que
la profundidad del nivel freático , calculada a partir de los balances hídricos, es la misma para toda el área. Si esta suposición no es aceptable, el área debe dividirse en unidades separadas.
En determinadas condiciones, la altura del nivel freático influye en los componentes del balance hídrico. Por ejemplo, un aumento del nivel freático hacia la superficie del suelo puede provocar un aumento de la evaporación , la escorrentía superficial y el drenaje subterráneo, o una disminución de las pérdidas por percolación de los canales. Esto, a su vez, provoca un cambio en el balance hídrico, que a su vez influye en la altura del nivel freático, etc.
Esta cadena de reacciones es una de las razones por las que Saltmod se ha desarrollado como programa informático. Se necesitan varios cálculos repetidos ( iteraciones ) para encontrar el equilibrio correcto del balance hídrico, lo que sería un trabajo tedioso si se hiciera a mano. Otras razones son que un programa informático facilita los cálculos para diferentes opciones de gestión del agua durante largos períodos de tiempo (con el objetivo de simular sus efectos a largo plazo) y para pruebas con parámetros variables.
El drenaje subterráneo puede realizarse a través de drenes o pozos de bombeo .
Los drenes subterráneos se caracterizan por la profundidad del drenaje y el factor de capacidad de drenaje . Los drenes están ubicados en la zona de transición. La instalación de drenaje subterráneo se puede aplicar a sistemas de drenaje naturales o artificiales. El funcionamiento de un sistema de drenaje artificial se puede regular a través de un factor de control de drenaje .
Cuando no hay un sistema de drenaje presente, la instalación de drenes con capacidad cero ofrece la oportunidad de obtener balances separados de agua y sal para una parte superior e inferior de la zona de transición.
Los pozos de bombeo se ubican en el acuífero. Su funcionamiento se caracteriza por la descarga del pozo.
El agua del drenaje y del pozo se puede utilizar para riego a través de un factor de reutilización . Esto puede afectar el balance de sal y la eficiencia o suficiencia del riego.
Los balances salinos se calculan para cada embalse por separado. Se basan en sus balances hídricos , utilizando las concentraciones salinas del agua entrante y saliente. Algunas concentraciones deben proporcionarse como datos de entrada, como las concentraciones salinas iniciales del agua en los diferentes embalses del suelo, del agua de riego y del agua subterránea entrante en el acuífero.
Las concentraciones se expresan en términos de conductividad eléctrica (CE en dS/m). Cuando las concentraciones se conocen en términos de g de sal/L de agua, se puede utilizar la regla general: 1 g/L -> 1,7 dS/m. Por lo general, las concentraciones de sal del suelo se expresan en CEe, la conductividad eléctrica de un extracto de una pasta de suelo saturada (extracto de saturación). En Saltmod, la concentración de sal se expresa como la CE de la humedad del suelo cuando está saturado en condiciones de campo. Como regla, se puede utilizar la tasa de conversión CE : CEe = 2 : 1.
Las concentraciones de sal del agua saliente (ya sea de un depósito a otro o por drenaje subterráneo) se calculan sobre la base de balances de sal, utilizando diferentes eficiencias de lixiviación o mezcla de sal que se proporcionarán con los datos de entrada. Los efectos de diferentes eficiencias de lixiviación se pueden simular variando su valor de entrada.
Si se utiliza agua de drenaje o de pozo para el riego, el método calcula la concentración de sal del agua de riego mezclada a lo largo del tiempo y el efecto posterior sobre la salinidad del suelo y del agua subterránea, lo que a su vez influye en la concentración de sal del agua de drenaje y del pozo. Al variar la proporción de agua de drenaje o de pozo utilizada (que se indicará en los datos de entrada), se puede simular el efecto a largo plazo de diferentes fracciones.
La disolución de minerales sólidos del suelo o la precipitación química de sales poco solubles no se incluyen en el método de cálculo, pero hasta cierto punto se pueden tener en cuenta a través de los datos de entrada, por ejemplo, aumentando o disminuyendo la concentración de sal del agua de riego o del agua entrante en el acuífero.
Si es necesario, se pueden tener en cuenta automáticamente las reacciones de los agricultores ante el anegamiento y la salinidad del suelo . El método puede reducir gradualmente:
La respuesta (1) es diferente para los cultivos de arroz sumergidos y los de “pie seco”.
Las reacciones influyen en el equilibrio hídrico y salino, que, a su vez, ralentizan el proceso de anegamiento y salinización, hasta llegar a una situación de equilibrio.
El usuario también puede introducir las respuestas de los agricultores modificando manualmente los datos de entrada pertinentes. Tal vez sea útil estudiar primero las respuestas automáticas de los agricultores y sus efectos y, a continuación, decidir cuáles serán las respuestas de los agricultores en la opinión del usuario.
Las reacciones influyen en el balance hídrico y salino , que a su vez ralentizan el proceso de anegamiento y salinización, hasta llegar a una situación de equilibrio .
El usuario también puede introducir las respuestas de los agricultores modificando manualmente los datos de entrada pertinentes. Tal vez sea útil estudiar primero las respuestas automáticas de los agricultores y sus efectos y, a continuación, decidir cuáles serán las respuestas de los agricultores en la opinión del usuario.
El programa puede funcionar con datos de entrada fijos para el número de años determinado por el usuario. Esta opción se puede utilizar para predecir desarrollos futuros basados en valores de entrada promedio a largo plazo, por ejemplo, la lluvia, ya que será difícil evaluar los valores futuros de los datos de entrada año por año. El programa también ofrece la posibilidad de seguir registros históricos con valores de entrada que cambian anualmente (por ejemplo, lluvia, riego, prácticas agrícolas), los cálculos deben realizarse año por año. Si se elige esta posibilidad, el programa crea archivos de transferencia mediante los cuales las condiciones finales del año anterior (por ejemplo, nivel freático y salinidad) se utilizan automáticamente como condiciones iniciales para el período posterior. Esta función permite utilizar varias secuencias de lluvia generadas aleatoriamente a partir de una distribución de probabilidad de lluvia conocida y obtener una predicción estocástica de los parámetros de salida resultantes.
Si los cálculos se realizan con cambios anuales, no se pueden modificar todos los parámetros de entrada, en particular el espesor de los reservorios del suelo y sus porosidades totales, ya que estos causarían cambios ilógicos en los balances de agua y sal.
El resultado de Saltmod se proporciona para cada estación de cualquier año durante cualquier número de años, según lo especificado en los datos de entrada. Los datos de salida comprenden aspectos hidrológicos y de salinidad.
Los datos se archivan en forma de tablas que pueden inspeccionarse directamente o analizarse más a fondo con programas de hojas de cálculo .
Como la salinidad del suelo es muy variable de un lugar a otro (figura de la izquierda), SaltMod incluye distribuciones de frecuencia en la salida. La figura se realizó con el programa CumFreq [13].
El programa ofrece la posibilidad de desarrollar una multitud de relaciones entre los distintos datos de entrada, los resultados de salida y el tiempo. Sin embargo, como no es posible prever todos los usos diferentes que se pueden hacer, el programa ofrece sólo un número limitado de gráficos
estándar .
El programa está diseñado para hacer uso de programas de hojas de cálculo para el análisis detallado de salida, en el que se pueden establecer las relaciones entre diversas variables de entrada y salida de acuerdo al escenario desarrollado por el usuario.
Aunque los cálculos requieren muchas iteraciones , todos los resultados finales se pueden comprobar a mano utilizando las ecuaciones presentadas en el manual.