SaltMod es un programa informático para la predicción de la salinidad de la humedad del suelo , las aguas subterráneas y el agua de drenaje , la profundidad del nivel freático y la descarga del drenaje (hidrología) en tierras agrícolas irrigadas , utilizando diferentes condiciones (geo)hidrológicas , diferentes opciones de gestión del agua , incluido el uso de aguas subterráneas 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 subterránea procedente 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 suelos no saturados en combinación con una ecuación diferencial de dispersión de salinidad . Los modelos requieren información sobre las 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 pasos 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 bastante grande sea tarea de un equipo de especialistas con amplias instalaciones.
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Referencias bibliográficas (cronológicas) a estudios de casos posteriores a 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 objetivo es utilizar datos de entrada que estén generalmente disponibles, o 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 se pueden comprobar manualmente 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, por ejemplo, sería la situación el primero de abril dentro de diez años.
Además, SaltMod ofrece la opción de reutilizar el drenaje y el agua 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 diferentes profundidades y con diferentes capacidades para optimizarlos . Otras características de Saltmod se encuentran en la siguiente sección.
El método de cálculo Saltmod se basa en balances hídricos estacionales de tierras agrícolas. Se pueden distinguir cuatro estaciones en un año: seca, húmeda, fría, calurosa, de riego o de barbecho . El número de temporadas (Ns) se podrá 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 temporada (Ts) se da en número de meses (0 < Ts < 12). Los balances hídricos diarios no se consideran por varias razones:
El método utiliza componentes del balance hídrico estacional como datos de entrada. Estos están relacionados con la hidrología superficial (como lluvia , evaporación , riego, uso de drenaje y agua de pozo para riego, escorrentía ) y la hidrología del acuífero (como filtración ascendente, drenaje natural, bombeo de pozos). Los otros componentes del balance hídrico (como la percolación descendente, el ascenso capilar ascendente y el drenaje subterráneo ) se dan como salida.
La cantidad de agua de drenaje, como salida, está determinada por 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), 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 del drenaje y el factor de reducción del drenaje brinda la oportunidad de simular el efecto de diferentes opciones de drenaje.
Los datos de entrada sobre riego , evaporación y escurrimiento superficial se especificarán por temporada para tres tipos de prácticas agrícolas, que pueden ser elegidas a criterio del usuario:
Los grupos, expresados en fracciones del área total, pueden consistir en combinaciones de cultivos o en un solo tipo de cultivo. Por ejemplo, como cultivos de tipo A se pueden especificar los cultivos con poco riego, y como tipo B los de mayor riego, 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= hortalizas 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 con riego cero. También se puede hacer una combinación.
Además, se debe especificar la rotación estacional de los diferentes usos de la tierra en el área total, por ejemplo, rotación completa, ninguna rotación 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 aconsejable introducir cambios anuales en los insumos.
Cuando una fracción A1, B1 y/o U1 de la primera temporada difiere de las fracciones A2, B2 y/o U2 de la segunda temporada, debido a que los regímenes de riego en las temporadas difieren, el programa detectará que ocurre una determinada rotación. Si se desea evitar esto, se pueden especificar las mismas fracciones en todas las estaciones (A2=A1, B2=B1, U2=U1), pero es posible que sea necesario ajustar proporcionalmente los cultivos y las cantidades de riego.
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 del calendario de rotación brinda la oportunidad de simular el efecto de diferentes prácticas agrícolas sobre el equilibrio hídrico y salino.
Saltmod acepta cuatro reservorios diferentes, tres de los cuales están en el perfil del suelo:
El depósito 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 raíz.
La zona de la raíz puede estar saturada, insaturada o parcialmente saturada, dependiendo del equilibrio hídrico . Todos los movimientos del agua en esta zona son verticales, ya sea hacia arriba o hacia abajo, dependiendo del balance hídrico. (En una versión futura de Saltmod, el depósito superior del suelo se puede dividir en dos partes iguales para detectar la tendencia en la distribución vertical de la salinidad).
La zona de transición también puede estar saturada, insaturada 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 flujo principalmente horizontal. Los pozos bombeados, si los hay, reciben 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 depósito se convierte en agua entrante para el siguiente depósito.
A los tres depósitos de suelo se les puede asignar un espesor y coeficientes de almacenamiento diferentes, que se proporcionarán como datos de entrada.
En una situación particular, no es necesario que esté presente la zona de transición o el acuífero. Luego, se le 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, conduce a un cambio en el equilibrio hídrico, lo 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 convertido en un 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 ejecuciones de prueba con parámetros variables.
El drenaje subterráneo se puede realizar a través de drenajes o pozos bombeados .
Los drenajes subterráneos se caracterizan por la profundidad del drenaje y el factor de 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 mediante un factor de control de drenaje .
Cuando no hay un sistema de drenaje, la instalación de drenajes con capacidad cero ofrece la oportunidad de obtener balances de agua y sal separados para una parte superior e inferior de la zona de transición.
Los pozos bombeados están ubicados en el acuífero. Su funcionamiento se caracteriza por la descarga del pozo.
El agua de drenaje y de pozo se puede utilizar para riego mediante un factor de reutilización . Esto puede afectar el equilibrio salino y la eficiencia o suficiencia del riego.
Los balances de sal se calculan para cada yacimiento por separado. Se basan en sus balances hídricos , utilizando las concentraciones de sal del agua entrante y saliente. Algunas concentraciones deben darse como datos de entrada, como las concentraciones iniciales de sal del agua en los diferentes depósitos 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 ECe, 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 se satura en condiciones de campo. Como regla general, se puede utilizar la tasa de conversión EC : ECe = 2 : 1.
Las concentraciones de sal del agua saliente (ya sea de un yacimiento a otro o por drenaje subterráneo) se calculan sobre la base de balances de sal, utilizando diferentes niveles de lixiviación o sal. eficiencias de mezcla que se darán con los datos de entrada. Los efectos de diferentes eficiencias de lixiviación se pueden simular variando su valor de entrada.
Si para el riego se utiliza agua de drenaje o de pozo, el método calcula la concentración de sal del agua de riego mezclada a lo largo del tiempo y el consiguiente efecto sobre la salinidad del suelo y del agua subterránea, lo que a su vez influye en la concentración de sal del drenaje y del pozo. agua. Al variar la fracción 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 están incluidas en el método de cálculo, pero hasta cierto punto pueden explicarse a través de los datos de entrada, por ejemplo, aumentando o disminuyendo la concentración de sal del agua de riego o de el agua entrante en el acuífero.
Si es necesario, se pueden contabilizar automáticamente las respuestas de los agricultores al anegamiento y la salinidad del suelo . El método puede disminuir gradualmente:
La respuesta (1) es diferente para cultivos de arroz en estanques ( sumergidos) y de "pies secos".
Las respuestas influyen en los equilibrios de agua y sal, que, a su vez, ralentizan el proceso de anegamiento y salinización. Al final se logrará una situación de equilibrio.
El usuario también puede introducir las respuestas de los agricultores cambiando manualmente los datos de entrada relevantes. Quizás sea útil estudiar primero las respuestas automáticas de los agricultores y sus efectos y luego decidir cuáles serán las respuestas de los agricultores desde el punto de vista del usuario.
Las respuestas influyen en los equilibrios hídricos y salinos , que, a su vez, ralentizan el proceso de anegamiento y salinización. Al final se logrará una situación de equilibrio .
El usuario también puede introducir las respuestas de los agricultores cambiando manualmente los datos de entrada relevantes. Quizás sea útil estudiar primero las respuestas automáticas de los agricultores y sus efectos y luego decidir cuáles serán las respuestas de los agricultores desde el punto de vista del usuario.
El programa puede ejecutarse con datos de entrada fijos durante el número de años determinado por el usuario. Esta opción se puede utilizar para predecir desarrollos futuros basándose en valores de entrada promedio a largo plazo, por ejemplo, lluvia, ya que será difícil evaluar los valores futuros de los datos de entrada año tras año. El programa también ofrece la posibilidad de seguir registros históricos con valores de entrada que cambian anualmente (por ejemplo, precipitaciones, riego, prácticas agrícolas); los cálculos deben realizarse año tras 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 siguiente. Esta instalación permite utilizar varias secuencias de lluvia generadas extraídas aleatoriamente 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 cambiar todos los parámetros de entrada, en particular el espesor de los depósitos del suelo y sus porosidades totales, ya que esto provocaría cambios ilógicos en los equilibrios de agua y sal.
La producción de Saltmod se proporciona para cada temporada de cualquier año durante cualquier número de años, como se especifica 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 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 multitud de relaciones entre variados datos de entrada, salidas resultantes y tiempo.
Sin embargo, como no es posible prever todos los diferentes usos que se pueden hacer, el programa sólo ofrece un número limitado de gráficos estándar .
El programa está diseñado para utilizar programas de hoja de cálculo para el análisis detallado de resultados, en los que se pueden establecer las relaciones entre varias variables de entrada y salida de acuerdo con el escenario desarrollado por el usuario.
Aunque los cálculos necesitan muchas iteraciones , todos los resultados finales se pueden comprobar manualmente utilizando las ecuaciones presentadas en el manual.