+ K - Grupo de desarrollo de riego

Necesidades hídricas de los cultivos.
Uso de modelos
Luis S. Pereira
CEER – Centro de Engenharia dos Biossistemas, Instituto Superior de
Agronomia, Universidade Técnica de Lisboa, Portugal
http://ceer.isa.utl.pt/cms/
1er Seminario Internacional de Riego en Cultivos y Pasturas, Paysandú, Ago 2010
ETo
General
Datos em falta
Usando previsiones meteorológicas, Modelo WF
ETc
Kc simples
Kc dual, Kcb e Ke
Kcb e Kd para cobertos incompletos
Modelos para programación de riegos
WINISAREG
SimDualKc
ET por teledetección
CEER
CEER
ET del cultivo
de referencia
ET del cultivo
en condiciones
padrón
ET del cultivo
en condiciones
reales
CEER
FAO 56 - fig 7
LE
H
Rn
G
ET =
R n - G + c p e a - e d / ra
+ 1 + rs / ra
CEER
La evapotranspiración del cultivo de referencia es
la que corresponde a un cultivo hipotético con una altura de
0,12 m con una resistencia de superficie de 70 s m-1 y un
coeficiente de reflexión (albedo) de 0,23, lo que representaría
la evapotranspiración de una extensa superficie de grama de
altura uniforme, en activo crecimiento y con un adecuado
contenido de humedad en el suelo (Allen et al., 1998; 2006)
CEER
900
0,408. .( Rn . G )
U 2 .(es
T 273
ETo
(1 0,34.U 2 )
ETo
Rn
G
T
U2
es
ea
es - ea
Δ
γ
ea )
evapotranspiración de referencia (mm día-1)
radiación neta en la superficie del cultivo (MJ m-2 día-1)
flujo del calor de suelo (MJ m-2 día-1)
temperatura media del aire a 2 m de altura (°C)
velocidad del viento a 2 m de altura (m s-1)
presión de vapor de saturación (kPa)
presión real de vapor (kPa)
déficit de presión de vapor (kPa)
pendiente de la curva de presión de vapor (kPa °C-1)
constante psicométrica (kPa °C-1)
CEER
A ETo FAO-PM está aceite, foi recentemente melhorada
para cálculos horários, e compatibilizaram-se as culturas
de referência, relva/gramado (ETo) e “alfalfa” (ETr)
CEER
Allen et al.,
2008
Cálculo da ETo com variáveis meteorológicas em falta
a) Caso em que faltem observações para o cálculo da
pressão de vapor real:
o
e = e Tmin
d
ou com Tmin + ΔT se ocorrem condições de aridez da estação
b) Caso em que faltem observações da radiação e da
insolação
Rs = KR (Tmax-Tmin)0.5 Ra
para locais “continentais” KR = 0.16 / 0.17
para locais “costeiros” (< 15 a 20 km da costa), KR = 0,19
c) Caso em que faltem observações do vento:
Uso de valores médios regionais ou 2 m/s
CEER
Una ecuación alternativa para substituir la ecuación FAO-PM
cuando hay datos faltantes es la ecuación HS
ETo HS Co Tmax Tmin (T 17,8) Ra
EToHS
Tmax y Tmin
T
Ra
Co
evapotranspiración diaria (mm d-1)
temperatura máxima y mínima diaria del aire (oC)
temperatura media del aire (oC),
radiación extraterrestre (mm d-1)
coeficiente de conversión de unidades (Co = 0,0023).
CEER
ETo at Tsalapitsa
with Rs computed
from Tmax-Tmin,
1985–1991
KR = 0.16
KR = 0.17
CEER
Estima da evapotranspiração de referência com a equação
FAO P–M usando previsões meteorológicas diárias (modelo WF)
(Cai etCEER
al., 2007)
Huhot (Arid)
Yuanping (Semi-arid)
Ejina (Arid)
Zhangjiakou (Semi-arid)
CEER
Nanyang (Semi-Humid)
Jinzhou (Semi-Humid)
Huhot (Arid)
Chenzhou (Humid)
Ji’an (Humid)
CEER
CEER
ETc = Kc ETo
CEER
Coeficiente dual del cultivo
coeficiente de base, Kcb,
coeficiente de evaporación del agua de suelo, Ke,
Kc medio (temporal) K
c K cb K e
CEER
Valores del coeficiente único del cultivo, Kc, y alturas medias máximas de las plantas
para cultivos no estresados y bien manejados en climas sub-húmedos
(HRmin ≈ 45%, u2 ≈ 2 m s-1) para usar con la FAO Penman-Monteith ETo.
CEER
Valores del coeficiente único del cultivo, Kc, y alturas medias máximas de las plantas
para cultivos no estresados y bien manejados en climas sub-húmedos
(HRmin ≈ 45%, u2 ≈ 2 m s-1) para usar con la FAO Penman-Monteith ETo.
CEER
Valor promedio de Kc ini relacionado con el nivel de ETo y el intervalo de
tiempo entre riegos o lluvias significativas durante la etapa inicial de
crecimiento, para cualquier tipo de suelo, cuando los eventos de
humedecimiento sean de ligeros a medianos (3-10 mm por evento)
CEER
Ajuste (aditivo) al valor de Kc med de el Cuadro 12 para diferentes alturas
del cultivo y valor promedio diario de la velocidad del viento (u2) para
diferentes condiciones de humedad
CEER
Selección del Kc end
CEER
Valores del coeficiente único del cultivo, Kc, y alturas medias máximas de las plantas
para cultivos no estresados y bien manejados en climas sub-húmedos
(HRmin ≈ 45%, u2 ≈ 2 m s-1) para usar con la FAO Penman-Monteith ETo.
CEER
Curva de Kc para alfalfa destinada para heno
CEER
Balance hídrico
CEER
T max
T min
Field
data
RH
R s or n
u2
ET o
Irrigation
options
Crop Kc,
h, Zr, Ky
Pe
Modelo
WinISAREG
u2
Soil
FC, WP,
depth
Agronomic Data
T max , T min)
Meteorological Data
RH min
Water
Restrictions
GW
data
Irrigation modes
EVAP56
Program
Kc ini, Kc mid, Kc end
SOIL WATER BALANCE
Setting an
Irrigation
Schedule
Irrigation
Requirements
Evaluating a
given irrigation
Schedule
CEER
RAW
TAW
CEER
CEER
Testing WinISAREG for wheat in China using weather data from
daily weather forecasts in a nearby station: 1. weather estimates
CEER
Testing WinISAREG for wheat when weather data results from
daily weather forecasts in a nearby station: 2. Soil water balance
CEER
Improving irrigation scheduling
of cotton in Fergana, UZ, with
consideration of capillary rise
1. Model testing comparing
observed and simulated soil
water data
CEER
2. Improved schedules
&
capillary rise
CEER
3. Assessment of alternative schedules for cotton in
relation to climatic demand
CEER
El suceso en las simulaciones está en:
1. Definir las fechas de los periodos de crescimiento de
ls cultivos según la realidad observada
2. Usar los aportes reales de agua de riego y lluvia
3. Inicializar el agua de suelo conforme la realidad
CEER
Valores del coeficiente único del cultivo, Kc, y alturas medias máximas de las plantas
para cultivos no estresados y bien manejados en climas sub-húmedos
(HRmin ≈ 45%, u2 ≈ 2 m s-1) para usar con la FAO Penman-Monteith ETo.
CEER
Design and Operation of Farm Irrigation Systems
(2nd Edition), ASABE, St. Joseph, MI, pp. 208-288
CEER
O limite superior de Kc, condicionado pela energia disponível,
corresponde a condições em que a vegetação corresponde a coberto
completo ou quase completo. Tal limite superior, Kc max, é definido
como o máximo valor para Kc a seguir a uma chuvada ou irrigação.
O valor de Kc diminui quando a densidade da vegetação ou a área
foliar são inferiores à cobertura total, ou para LAI, < 3.
Kc tende a diminuir em proporção à quantidade de vegetação pelo
que Kcb, que se relaciona particularmente com a quantidade de
vegetação visto representar essencialmente a transpiração, se pode
exprimir em função de um coeficiente de densidade, Kd,
genericamente :
CEER
CEER
CEER
Factor Densidade Kd
a equação para Kd baseia-se na fração de solo coberto (ou
ensombrado ao meio dia) pela vegetação e na altura média das
plantas
Kd
fc eff
h
ML
min
1
1, ML fc eff , fc eff 1 h
fração do solo efectivamente coberta ou ensombrado
ao meio dia pela vegetation (0 to 1.0)
altura média das plantas, m
multiplicador de fc eff para impôr um limite superior à
transpiração relativa por unidade de área (1.2 to 2.0)
Allen et al., 2007
CEER
Factor Densidade Kd
estimado com ML = 1.5
para várias fracções de
cobertura da superfície e
várias alturas de plantas
Allen et al., 2008
CEER
Kd
coeficiente de densidade, função da fracção fc ou do LAI
Kcb full Kcb para o período de maior desenvolvimento em
condições de quase completa cobertura do solo (ou LAI > 3)
Kc min valor mínimo de Kcb para solo nu (Kcb min ~ 0.15 em
condições agrícolas típicas ou Kcb min ~ 0.0 a 0.15 para
vegetação natural, dependendo da frequência da chuva).
Para pomares e vinhas com solo coberto com vegetação activa
Kcb cover
Kcb da cobertura do solo na ausência de folhagem das
árvores referindo-se à cobertura do solo por vegetação
O 2º termo refere-se aos impactos do sombreamento
da cobertura superficial
CEER
Estas Equações podem ser usadas para estimar um coeficiente Kcm
simples para qualquer período em que a vegetação seja inferior a
cobertura completa tomando em conta o efeito de evaporação a partir
das áreas de solo expostas entre a vegetação (à semelhança do uso
de Kcb + Ke :
Ksoil
Kcm
valor médio de Kc realtivo à fracção não vegetada (exposta)
da superfície do solo, reflectindo o impacto da frequência dos
humedecimentos, o tipo de solo e a ETo durante o mesmo
período a que correspondem Kd e Kc full.
representa um Kc médio que toma em conta o impacto da
evaporação do solo
CEER
Para áreas suficientemente grandes (> 500 m2), Kcb full pode
estimar-se em função da altura média das plantas, Ajustando ao clima
resulta:
Kc full can pode estimatar-se como igual a Kcb full ou Kcb full + 0.05
Fr é um factor de ajustamento relativo ao controlo estomatal da
cultura. Fr ≤ 1.0 se a vegetação exibe um controlo stomatal maior do
que o controlo típico das culturas agrícolas anuais (caso de várias
árvores e vegetação natural). Quando se usa a Eq. FAO-PM
rl
resistencia foliar média da vegatação [s m-1]
CEER
Tabela com valores indicativos de Kcb full, Kc min e de Kcb cover
CEER
Kcb para hortícolas Kcb = Kc min + Kd (Kcb full − Kc min )
CEER
Kc e Kcb em função da cobertura do solo e densidade de plantação
Allen & Pereira, 2009
CEER
Kc e Kcb em função da cobertura do solo e densidade de plantação
Allen & Pereira, 2009
CEER
Kcb mid or Kc mid estimated using Kd versus Kcb mid or Kc mid as reported
for various orchard and grape measurements in the literature for midseason
Allen & Pereira, 2009
CEER
Values for Kc ini, Kc mid, Kc end, Kcb ini, Kcb mid and Kcb end for a standard
climate of RHmin = 45% and u2 = 2 m s-1 as expanded from FAO-56 for a range
of values for fc during midseason. Many of the values for fc and Kc mid are
compared to values reported in specific literature (after Allen et al., 2007).
CEER
Values for Kc ini, Kc mid, Kc end, Kcb ini, Kcb mid and Kcb end for a standard
climate of RHmin = 45% and u2 = 2 m s-1 as expanded from FAO-56 for a range
of values for fc during midseason. Many of the values for fc and Kc mid are
compared to values reported in specific literature (after Allen et al., 2007).
CEER
Kc e Kcb em função da cobertura do solo e da densidade de plantação
CEER
Weather data
Compute ETo
RHmin
u2
Crop data
Kcb, Zr, p
h, fc, ML
Kcb adjustments to:
climate and density
Irrigation
options
Water
restrictions
Deep
percolation
Active
ground cover
Extentions
No
Capillary
rise
Irrigation modes
ETo
θFC, θWP,
layer depth,
TEW, REW
Yes
Runoff
Irrigation
system
Agronomic Data
Soil data
Meteorological Data
ETo data
available?
Prec
Mulches
Field representation
Kcb ini, Kcb mid, Kcb end
Kcb daily calculation
Modelo SIMDualKc
Ke daily calculation
SOIL WATER BALANCE
(root zone)
Calibration/validation
Computing
(soil water dynamics, crop
transpiration, soil evaporation,
crop evapotranspiration)
Irrigation
Requirements
Irrigation
Scheduling
Water balance in evaporation layer
Adjusting Kcb to water stress
Evaluation
of a given
Irrigation
Schedule
Water balance terms
(actual ET, runoff,
percolation, capillary rise,
soil water content)
CEER
Modelo SIMDualKc
CEER
300
250
150
Validation (full irrigation)
100
300
50
0
08-06
250
25-06
12-07
29-07
15-08
01-09
18-09
Calibration (rainfed)
200
ASW (mm)
ASW (mm)
200
150
100
50
0
08-06
25-06
12-07
29-07
Maize (includes GW computation), Coruche - Portugal
15-08
01-09
CEER
18-09
1.20
90
1.00
70
60
50
0.60
40
0.40
30
20
0.20
Full irrigated maize,
Coruche
10
0.00
0
08-06 18-06 28-06 08-07 18-07 28-07 07-08 17-08 27-08 06-09 16-09
1.2
Kcb
Ke
Adjusted Kcb
Prec. (mm)
G flow (mm)
Irrig (mm)
4
3.5
3
0.8
2.5
0.6
2
1.5
0.4
Rainfed maize,
Coruche
1
0.2
0.5
0
08-06 18-06 28-06 08-07 18-07 28-07 07-08 17-08 27-08 06-09 16-09
0
CEER
Kcb
Ke
Adjusted Kcb
Prec. (mm)
G flow (mm)
Precipitation, GW (mm)
1
Kcb, Ke
Kcb, Ke
0.80
Precipitation, Irrigation, GW (mm)
80
b
Good of fitting indicators
Calibration (Rainfed)
Validation (Deficit irrigation)
Validation (Full irrigation)
All experiments
Good of fitting indicators
Rainfed
Deficit irrigation
Full irrigation
All experiments
R2
RMSE
AAE
(mm)
EF
dIA
(mm)
ARE
(%)
1.00
0.96
1.04
1.00
0.91
0.89
8.6
12.0
10.7
8.8
6.8
5.7
8.1
10.7
9.4
0.98
0.83
0.80
0.99
0.96
0.95
1.00
0.94
10.7
6.9
9.5
0.94
0.98
b
R2
RMSE
AAE
(mm)
EF
dIA
(mm)
ARE
(%)
9.0
12.2
21.1
15.7
8.5
6.9
12.7
9.6
8.2
10.9
20.0
13.7
0.98
0.83
0.23
0.87
0.99
0.96
0.84
0.97
0.99
0.96
1.12
1.03
1.00
0.92
0.92
0.89
250
Goodness of fit using (maize)
calibrated parameters (above) or
standard parameters (below)
Simulated ASW (mm)
200
150
100
50
0
0
50
100
150
Observed ASW (mm)
200
250
CEER
300
250
TAW
150
RAW
100
50
1.20
200
12-04 27-04 12-05 27-05 11-06 26-06 11-07 26-07 10-08
25-08 09-09 24-09 09-10
1.00
160
140
0.80
120
0.60
100
80
0.40
60
40
0.20
20
0.00
0
12-04 27-04 12-05 27-05 11-06 26-06 11-07 26-07 10-08 25-08 09-09 24-09 09-10
Kcb
Ke
Adjusted Kcb
Irrig (mm)
CEER
Prec. (mm)
Precipitation, Irrigation (mm)
180
0
Ke , Kcb
ASW (mm)
200
Cotton, Fergana
Valley (calibration)
Maize, goodness of fit, calibrated parameters
Good of fitting indicators
Fergana
Calibration (2001)
Validation (2003)
All experiments
Fedchenko
Testing (2003)
Karasuu
Testing (2003)
b
R2
RMSE
AAE
(mm)
EF
dIA
(mm)
ARE
(%)
1.01
1.00
1.01
0.87
0.86
0.87
10.3
9.3
9.8
7.8
5.8
6.7
7.7
6.8
7.2
0.84
0.85
0.86
0.95
0.96
0.96
0.99
0.99
6.2
18.6
5.4
0.99
0.99
1.00
0.96
7.6
6.0
6.5
0.96
0.99
Maize, goodness of fit, standard parameters
Good of fitting indicators
Fergana
2001
2003
All experiments
Fedchenko
2003
Karasuu
2003
b
R2
RMSE
AAE
(mm)
EF
dIA
(mm)
ARE
(%)
1.02
0.99
1.00
0.86
0.84
0.85
10.7
10.0
10.3
8.3
6.5
7.3
8.3
7.7
8.0
0.83
0.83
0.85
0.95
0.96
0.96
0.87
0.98
19.0
23.2
16.2
0.92
0.98
0.98
0.92
12.1
9.2
10.5
0.90
0.98
CEER
El suceso de simular con parametros standard está en:
1. Definir las fechas de los periodos de crescimiento de ls
cultivos según la realidad observada
2. Usar los aportes reales de agua de riego y lluvia
3. Usar valores reales para las fracciones cubierta y
mojada
4. Inicializar el agua de suelo y evaporable conforme la
realidad
Un modelo requier observaciones de terreno
CEER
Testando o modelo SIMDualKc contra a evapotranspiração
de um pomar de pessegueiros medida por eddy covariance,
fluxo de seiva e microlisímetros (evaporação do solo)
•Solo
-Solo arenoso
-Profundidade = 1 m
-TAW = 70 mm/m
-TEW = 13 mm
-REW = 3 mm
•Cultura
-Fracção de extracção da água em conforto hídrico (p) = 0.4
-Profundidade radicular = 1m
-Altura média das árvores = 3m
-Kcb para condições de cobertura total (Kcbfull) = 1.2
-Grau de cobertura do pomar de pessegueiros (fc) = 30 %
-Kcb ajustado para o grau de cobertura (Kcb_adj = Kcmin + Kd.(Kcbfull - Kcmin) = 0.509
•Sistema de rega
-Gota a gota
-Fracção molhada = 6,4 %
CEER
Transpiração
3,5
2,5
2,0
Eddy cov.
Kc Dual
1,5
1,0
0,5
0,0
163 167 171 175 179 183 187 191 195 199 203 207 211 215 219 223 227 231 235 239 243 247 251 255 259
Julian day
y = 0,992x + 0,294
R² = 0,725
4
Transpiração - Kc Dual (mm)
Transpiração (mm/dia)
3,0
3
2
1
0
0
1
2
3
Transpiração - Eddy cov (mm)
4
CEER
Evaporação do solo
1,20
1,00
modelo
Paço
Kc Dual
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
163 167 171 175 179 183 187 191 195 199 203 207 211 215 219 223 227 231 235 239 243 247 251 255 259
Julian day
1,4
Evaporação - Kc Dual (mm)
Evaporação do solo (mm/dia)
1,40
y = 1,008x + 0,028
R² = 0,759
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Evaporação - T. Paço(mm)
1,2
1,4
CEER
Evapotranspiração actual (ETa)
4,5
4,0
3,5
ETa (mm/dia)
3,0
Eddy cov.
2,5
Kc Dual
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
163 167 171 175 179 183 187 191 195 199 203 207 211 215 219 223 227 231 235 239 243 247 251 255 259
Julian day
y = 1,037x + 0,239
R² = 0,776
ETa - Kc Dual (mm)
4
3
2
1
0
0
1
2
3
ETa - Eddy cov (mm)
4
CEER
Sensitivity of the fraction of ground cover (fc) on the: a) Kcb values
adjusted for crop density (Kcb adj); b) Kcb values adjusted and
corrected for water stress (Ks Kcb adj); c) evaporation coefficient (Ke);
d) actual evapotranspiration (ETa) summed over the midseason period
CEER
Muchas gracias
http://ceer.isa.utl.pt/cms/
CEER