SahysMod es un programa informático para la predicción de la salinidad de la humedad del suelo, las aguas subterráneas y de drenaje, la profundidad del nivel freático y la descarga de drenaje en tierras agrícolas irrigadas , utilizando diferentes condiciones hidrogeológicas y de acuíferos , variando las opciones de gestión del agua, incluido el uso de agua subterránea para riego, y varios programas de rotación de cultivos, mediante los cuales las variaciones espaciales se tienen en cuenta a través de una red de polígonos. [1]
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 SahysMod 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 objetivo es utilizar datos de entrada que estén generalmente disponibles, o que se puedan estimar con una precisión razonable, o que se puedan medir con relativa facilidad. Aunque los cálculos se realizan numéricamente y deben repetirse muchas veces, los resultados finales se pueden verificar a mano utilizando las fórmulas de este manual. [2]
El objetivo de SahysMod es predecir la hidrosalinidad a largo plazo en términos de tendencias generales , no llegar a predicciones exactas de cómo, por ejemplo, será la situación el primero de abril dentro de diez años.
Además, SahysMod ofrece la opción de reutilizar el agua de drenaje y de pozo (por ejemplo, para riego ) y puede tener en cuenta las respuestas 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 distintas capacidades para que puedan optimizarse . Otras características de SahysMod se encuentran en la siguiente sección.
El modelo calcula los niveles de agua subterránea y los flujos de entrada y salida de agua subterránea entre los polígonos mediante una solución numérica de la conocida ecuación de Boussinesq . Los niveles y los flujos se influyen mutuamente. La situación de las aguas subterráneas está determinada además por la recarga de agua subterránea vertical que se calcula a partir del balance hídrico agronómico . Estos dependen a su vez de los niveles de las aguas subterráneas .
Cuando existen acuíferos semiconfinados , se tienen en cuenta la resistencia al flujo vertical en la capa superior de permeabilidad lenta y la sobrepresión en el acuífero, si la hay. [3]
Las condiciones de contorno hidráulicas se dan como cargas hidráulicas en los nodos externos en combinación con la conductividad hidráulica entre los nodos internos y externos. Si se desea imponer una condición de flujo cero en los nodos externos, la conductividad se puede establecer en cero.
Además, se pueden proporcionar las condiciones de flujo del acuífero para los nodos internos. Estas son necesarias cuando existe una falla geológica en el fondo del acuífero o cuando se produce flujo entre el acuífero principal y un acuífero más profundo separado por una capa de semiconfinamiento.
Se supone que la profundidad del nivel freático , la precipitación y las concentraciones de sal de las capas más profundas son las mismas en todo el polígono. Otros parámetros pueden variar dentro de los polígonos según el tipo de cultivo y el cronograma de rotación de cultivos.
El modelo se basa en datos de entrada estacionales y devuelve datos de salida estacionales. El número de estaciones por año se puede elegir entre un mínimo de una y un máximo de cuatro. Se pueden distinguir, por ejemplo, estaciones secas, húmedas, frías, cálidas, de riego o de barbecho . Las razones para no utilizar períodos de entrada/salida más cortos son:
Muchos factores de balance hídrico dependen del nivel del nivel freático , que a su vez depende de algunos de los factores de balance hídrico. Debido a estas influencias mutuas, puede haber cambios no lineales a lo largo de la temporada. Por lo tanto, el programa de computadora realiza cálculos diarios. Para este propósito, los factores de balance hídrico estacional proporcionados con la entrada se reducen automáticamente a valores diarios. Los factores de balance hídrico estacional calculados, tal como se dan en la salida, se obtienen mediante la suma de los valores calculados diariamente. Los niveles de agua subterránea y la salinidad del suelo (las variables de estado ) al final de la temporada se encuentran acumulando los cambios diarios de almacenamiento de agua y sal.
En algunos casos, el programa puede detectar que el paso de tiempo debe ser menor a 1 día para lograr una mayor precisión. Los ajustes necesarios se realizan automáticamente. [5]
El modelo permite un máximo de 240 polígonos internos y 120 externos con un mínimo de 3 y un máximo de 6 lados cada uno. La subdivisión del área en polígonos, con base en puntos nodales con coordenadas conocidas , debe regirse por las características de la distribución de los cultivos , riego , drenaje y características del agua subterránea sobre el área de estudio.
Los nodos deben estar numerados, lo que se puede hacer a voluntad. Con un índice se indica si el nodo es interno o externo. Se pueden agregar y quitar nodos a voluntad o cambiar de internos a externos o viceversa. Mediante otro índice se indica si los nodos internos tienen acuífero libre o semiconfinado. Esto también se puede cambiar a voluntad.
Se deben proporcionar las relaciones de la red nodal indicando los números de polígono vecinos de cada nodo. A continuación, el programa calcula el área de superficie de cada polígono, la distancia entre los nodos y la longitud de los lados entre ellos utilizando el principio de Thiessen.
La conductividad hidráulica puede variar para cada lado de los polígonos.
Se supone que la profundidad del nivel freático , la precipitación y las concentraciones de sal de las capas más profundas son las mismas en todo el polígono. Otros parámetros pueden variar dentro de los polígonos según el tipo de cultivo y el cronograma de rotación de cultivos. [6]
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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 potencial , el riego , el uso de agua de drenaje y de pozo para riego, la escorrentía ) y la hidrología del acuífero (por ejemplo, el bombeo de pozos ). Los demás componentes del balance hídrico (como la evaporación real, la percolación descendente , el ascenso capilar ascendente , el drenaje subterráneo , el flujo de agua subterránea ) se proporcionan 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 de drenaje respectivamente (que se proporcionarán con los datos de entrada) y la altura del nivel freático por encima del nivel de drenaje dado. Esta altura resulta del balance hídrico calculado. Además, se puede aplicar un factor de reducción de drenaje para simular un funcionamiento limitado del sistema de drenaje. 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.
Para obtener precisión en los cálculos del caudal de agua subterránea (sección 2.8), la evaporación real y el ascenso capilar, los cálculos informáticos se realizan diariamente. Para ello, los datos hidrológicos estacionales se dividen por el número de días por estación para obtener los valores diarios. Los valores diarios se suman para obtener los valores estacionales. [7]
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 de riego ligero, y como tipo B los de riego más intenso, 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 más cebada en invierno y A = maíz en verano mientras que B = verduras en invierno y B = algodón en verano. Las tierras no irrigadas se pueden especificar de dos maneras: (1) como U = 1−A−B y (2) como A y/o B con riego cero. También se puede hacer una combinación.
Además, se debe especificar la rotación estacional de los diferentes usos de la tierra en toda la superficie, por ejemplo, rotación completa, ausencia de rotación o rotación incompleta. Esto se hace con un índice de rotación. Las rotaciones se toman a lo largo de las estaciones del año. Para obtener rotaciones a lo largo de los años, es recomendable introducir cambios de entrada anuales como se explica
Cuando una fracción A1, B1 y/o U1 difiere de la fracción A2, B2 y/o U2 en otra temporada, debido a que el régimen de riego cambia en las diferentes temporadas, el programa detectará que se produce una determinada rotación. Si se desea evitar esto, se pueden especificar las mismas fracciones en todas las temporadas (A2=A1, B2=B1, U2=U1) pero los cultivos y las cantidades de riego pueden ser diferentes y puede ser necesario ajustarlas proporcionalmente. Incluso se puede especificar una tierra de regadío (A o B) con riego cero, que es lo mismo que una tierra de secano (U).
Los programas de rotación de cultivos varían ampliamente en distintas partes del mundo. Las combinaciones creativas de fracciones de superficie, índices de rotación, cantidades de riego y cambios anuales de insumos pueden adaptarse a muchos tipos de prácticas agrícolas. [8]
La variación de las fracciones de área y/o el programa de rotación brinda la oportunidad de simular el efecto de diferentes prácticas agrícolas sobre el balance hídrico y salino. [9]
SahysMod acepta cuatro reservorios diferentes, de los cuales tres están en el perfil del suelo:
El reservorio superior del suelo se define por la profundidad del suelo, desde donde el agua puede evaporarse o ser absorbida por las raíces de las plantas. Puede considerarse igual a la zona radicular. 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 Sahysmod, 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 ser saturada, no saturada o parcialmente saturada. Todos los flujos en esta zona son horizontales, excepto el flujo hacia los drenajes subterráneos, que es radial. Si existe un sistema de drenaje subterráneo horizontal, este debe ubicarse 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. [10]
El acuífero tiene un flujo principalmente horizontal. Los pozos de bombeo , si los hay, reciben el agua únicamente del acuífero. El flujo en el acuífero se determina en función de las profundidades variables del acuífero, los niveles del nivel freático y la conductividad hidráulica .
SahysMod permite la introducción de acuíferos freáticos ( libres ) y semiconfinados . Estos últimos pueden desarrollar una sobrepresión o subpresión hidráulica por debajo de la capa superficial de permeabilidad lenta ( acuitardo ).
Los balances hídricos agrícolas se calculan para cada depósito de suelo por separado, como se muestra en el artículo Hidrología (agricultura) . El exceso de agua que sale de un depósito se convierte en agua que entra al siguiente. A los tres depósitos de suelo se les pueden asignar diferentes espesores y coeficientes de almacenamiento, que se proporcionarán como datos de entrada. Cuando, en una situación particular, no exista la zona de transición o el acuífero, se les debe dar un espesor mínimo de 0,1 m.
Se supone que la profundidad del nivel freático al final del paso de tiempo anterior, calculada a partir de los balances hídricos , es la misma dentro de cada polígono . Si esta suposición no es aceptable, el área debe dividirse en un número mayor de polígonos.
En determinadas condiciones, la altura del nivel freático influye en los componentes del balance hídrico. Por ejemplo, un ascenso del nivel freático hacia la superficie del suelo puede provocar un aumento del ascenso capilar, la evaporación real y el drenaje subterráneo, o una disminución de las pérdidas por percolación. 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 Sahysmod se ha desarrollado como un programa informático , en el que los cálculos se realizan día a día para tener en cuenta la cadena de reacciones con un grado suficiente de precisión .
El drenaje subterráneo se puede realizar mediante desagües o pozos bombeados.
Los drenajes subterráneos, si los hay, se caracterizan por su profundidad y capacidad de drenaje . Los drenajes 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.
Al instalar un sistema de drenaje con capacidad cero se obtiene la oportunidad de tener balances separados de agua y sal en la transición por encima y por debajo del nivel del drenaje.
Los pozos de bombeo , si los hay, se ubican en el acuífero. Su funcionamiento se caracteriza por el caudal del pozo .
El agua de drenaje y de pozo se puede utilizar para riego mediante un factor de (re)utilización . Esto puede afectar el equilibrio de agua y sal y la eficiencia o suficiencia del riego.
Los balances de sal se calculan para cada depósito de suelo por separado. Se basan en sus balances hídricos , utilizando las concentraciones de sal del agua entrante y saliente. Algunas concentraciones deben proporcionarse como datos de entrada, como las concentraciones iniciales de sal del agua en los diferentes depósitos de 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. En Sahysmod, la concentración de sal se expresa como la CE de la humedad del suelo cuando está saturado en condiciones de campo. Como regla general, se puede utilizar la tasa de conversión CE : CEe = 2 : 1. Los principios utilizados corresponden a los descritos en el artículo control de la salinidad del suelo .
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 proporcionan 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, que a su vez influye en la concentración de sal del agua de drenaje y del pozo. Al variar la fracción de agua de drenaje o de pozo utilizada (a través de la 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. Sin embargo, 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 que ingresa al acuífero . En una versión futura, se puede introducir la precipitación de yeso.
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:
Las reacciones de los agricultores influyen en el equilibrio hídrico y salino, lo que, a su vez, ralentiza el proceso de anegamiento y salinización. En última instancia, se generará una nueva 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 opinión del usuario.
El programa funciona con datos de entrada fijos para el número de años determinado por el usuario. Esta opción se puede utilizar para predecir desarrollos futuros en función de valores de entrada promedio a largo plazo, por ejemplo, las precipitaciones, 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, rotaciones de cultivos); los cálculos deben realizarse año por año. Si se elige esta posibilidad, el programa crea un archivo de transferencia mediante el cual las condiciones finales del año anterior (por ejemplo, nivel freático y salinidad) se utilizan automáticamente como condiciones iniciales para el período posterior. Esta función también 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.
Algunos parámetros de entrada no deben modificarse, como las relaciones de la red nodal, la geometría del sistema , el espesor de las capas del suelo y la porosidad total , ya que de lo contrario se producen saltos ilógicos en los balances de agua y sal. Estos parámetros también se almacenan en el archivo de transferencia, de modo que cualquier cambio no permitido se invalida con los datos de transferencia. En algunos casos de cambios incorrectos, el programa se detendrá y solicitará al usuario que ajuste la entrada. [11]
El resultado se proporciona para cada estación de cualquier año durante cualquier número de años, como se especifica con los datos de entrada. Los datos de salida comprenden aspectos hidrológicos y de salinidad.
Como la salinidad del suelo es muy variable de un lugar a otro (figura de la izquierda), SahysMod incluye distribuciones de frecuencia en la salida. La figura se realizó con el programa CumFreq. [12] [13]
Los datos de salida se archivan en forma de tablas que se pueden inspeccionar directamente, a través del menú de usuario, que llama a grupos seleccionados de datos ya sea para un cierto polígono a lo largo del tiempo, o para una cierta temporada sobre los polígonos.
El modelo incluye facilidades de mapeo de los datos de salida. Además, el programa tiene la posibilidad de almacenar los datos seleccionados en un formato de hoja de cálculo para su posterior análisis y para su importación a un programa SIG .
Diferentes usuarios pueden desear establecer diferentes relaciones de causa y efecto. El programa ofrece solo un número limitado de gráficos estándar , ya que no es posible prever todos los diferentes usos que se pueden hacer. Esta es la razón por la que se creó la posibilidad de un mayor análisis a través de programas de hojas de cálculo.
Aunque los cálculos requieren muchas iteraciones , todos los resultados se pueden comprobar a mano utilizando las ecuaciones presentadas en el manual. [14]