Estimation of actual evapotranspiration by numerical modelling of water flow in the unsaturated zone

The objective of this paper is to present a model to estimate actual evapotranspiration ETA from reference evapotranspiration ET0 by numerical modelling of water flow in the unsaturated zone of the soil. Water flow is described by the highly non-linear Richards equation with a sink term representing the root water uptake. Evaporation is included in the model as a Neumann boundary condition at the soil surface. Richards equation is solved in a one-dimensional domain using a mixed finite element method. The values of ETA are obtained by applying a water stress factor to ET0 to account for soil moisture changes during simulation period. The proposed numerical model is used to estimate ETA in an experimental plot located in a flatland area in Buenos Aires (Argentina). Numerical results show that the proposed model is a useful tool for evaluating evapotranspiration under different scenarios.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica

Geocientíficos sin fronteras en Argentina

En el año 2010 el acceso al agua potable ha sido declarado por las Naciones Unidas como un derecho humano básico (Resolución 64/292). Más recientemente la Corte Suprema de la Nación también reconoció este derecho en un fallo relacionado con los altos niveles de arsénico detectados en el agua suministrada en el partido de 9 de Julio (causa K.42.XLIX “Kersich, Juan Gabriel y otros c/ Aguas Bonaerenses y otros s/ amparo”, 2/12/2014). El agua ha dejado de considerarse como un bien de consumo pues el acceso a este vital elemento reduce significativamente la mortalidad infantil y aumenta la esperanza de vida de los pobladores. Existen numerosos estudios que indican que el gran salto en la esperanza de vida de la humanidad (que a principios del siglo XIX se estimaba en 35 años) se debió principalmente al saneamiento urbano y al acceso al agua potable. Si bien en nuestro país existen numerosos acuíferos de buena calidad, existen zonas donde el acceso al agua sigue siendo una cuestión pendiente como en la localidad de Miraflores en el Impenetrable chaqueño.Facultad de Ciencias Económica

A Simple Hysteretic Constitutive Model for Unsaturated Flow

In this paper, we present a constitutive model to describe unsaturated flow that considers the hysteresis phenomena. This constitutive model provides simple mathematical expressions for both saturation and hydraulic conductivity curves, and a relationship between permeability and porosity. The model is based on the assumption that the porous media can be represented by a bundle of capillary tubes with throats or “ink bottles” and a fractal pore size distribution. Under these hypotheses, hysteretic curves are obtained for saturation and relative hydraulic conductivity in terms of pressure head. However, a non-hysteretic relationship is obtained when relative hydraulic conductivity is expressed as a function of saturation. The proposed relationship between permeability and porosity is similar to the well-known Kozeny–Carman equation but depends on the fractal dimension. The performance of the constitutive model is tested against different sets of experimental data and previous models. In all of the cases, the proposed expressions fit fairly well the experimental data and predicts values of permeability and hydraulic conductivity better than others models.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica

Geocientíficos sin fronteras en Argentina

En el año 2010 el acceso al agua potable ha sido declarado por las Naciones Unidas como un derecho humano básico (Resolución 64/292). Más recientemente la Corte Suprema de la Nación también reconoció este derecho en un fallo relacionado con los altos niveles de arsénico detectados en el agua suministrada en el partido de 9 de Julio (causa K.42.XLIX “Kersich, Juan Gabriel y otros c/ Aguas Bonaerenses y otros s/ amparo”, 2/12/2014). El agua ha dejado de considerarse como un bien de consumo pues el acceso a este vital elemento reduce significativamente la mortalidad infantil y aumenta la esperanza de vida de los pobladores. Existen numerosos estudios que indican que el gran salto en la esperanza de vida de la humanidad (que a principios del siglo XIX se estimaba en 35 años) se debió principalmente al saneamiento urbano y al acceso al agua potable. Si bien en nuestro país existen numerosos acuíferos de buena calidad, existen zonas donde el acceso al agua sigue siendo una cuestión pendiente como en la localidad de Miraflores en el Impenetrable chaqueño.Facultad de Ciencias Económica

Geocientíficos sin fronteras en Argentina

En el año 2010 el acceso al agua potable ha sido declarado por las Naciones Unidas como un derecho humano básico (Resolución 64/292). Más recientemente la Corte Suprema de la Nación también reconoció este derecho en un fallo relacionado con los altos niveles de arsénico detectados en el agua suministrada en el partido de 9 de Julio (causa K.42.XLIX “Kersich, Juan Gabriel y otros c/ Aguas Bonaerenses y otros s/ amparo”, 2/12/2014). El agua ha dejado de considerarse como un bien de consumo pues el acceso a este vital elemento reduce significativamente la mortalidad infantil y aumenta la esperanza de vida de los pobladores. Existen numerosos estudios que indican que el gran salto en la esperanza de vida de la humanidad (que a principios del siglo XIX se estimaba en 35 años) se debió principalmente al saneamiento urbano y al acceso al agua potable. Si bien en nuestro país existen numerosos acuíferos de buena calidad, existen zonas donde el acceso al agua sigue siendo una cuestión pendiente como en la localidad de Miraflores en el Impenetrable chaqueño.Facultad de Ciencias Económica

Analytical study of hydraulic and mechanical effects on tide-induced head fluctuation in a coastal aquifer system that extends under the sea

Head response to sea level fluctuations has been extensively used for characterizing coastal aquifers. When the aquifer is semiconfined and extends for a certain distance . D under the sea, head response results from the superposition of two types of effects: hydraulic (i.e., ground water flow connection through aquifer and aquitard) and mechanical (induced by tidal loading onto the sea floor). Solutions are available for this problem that has been analyzed before, but only for . D zero or infinity. These solutions do not allow analyzing aquifer systems that extends for a finite . D, or identifying them, which is critical for coastal aquifer management. We derive an exact analytical solution that describes separately the mechanical and hydraulic effects. The proposed analytical solution is a generalization of most of existing analytical solutions. A simpler approximate analytical solution is also obtained for soft aquitards with low permeabilities. We find that the impact of the hydraulic component of the aquitard and the mechanical effects in the total head fluctuation at the shoreline is significant, but not very sensitive to the properties of the aquitard. The amplitude of these fluctuations relative to that of the sea tide ranges approximately between 1 (small . D) and 0.5 (large . D). This implies that aquifer penetration under the sea can indeed be identified if it is below a certain threshold, beyond which the system responds as if . D was infinity. Surprisingly, the time lag is close to zero regardless of hydraulic parameters of the aquifer system.Fil: Guarracino, Luis. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; ArgentinaFil: Carrera, Jesús. INSTITUTO DE DIAGNÓSTICO AMBIENTAL Y ESTUDIOS DEL AGUA (IDAEA);Fil: Vázquez Suñé, Enric. INSTITUTO DE DIAGNÓSTICO AMBIENTAL Y ESTUDIOS DEL AGUA (IDAEA)

Determining hydraulic connectivity of the coastal aquifer system of La Plata river estuary (Argentina) to the ocean by analysis of aquifer response to low-frequency tidal components

Seawater intrusion occurs in almost all coastal aquifers that are subject to human pressure. Its effects could be reduced by avoiding pumping in those wells better hydraulically connected to the sea. This paper presents a methodology to assess hydraulic connection to the sea of a well from its response to sea-level fluctuations. Head fluctuations in a well result from the superposition of hydraulic and hydro-mechanical responses. The hydraulic response requires a good hydraulic connection to the sea, whereas a hydro-mechanical response suggests a poor connection. Sea level fluctuates with a broad range of harmonics, which allows identification of the hydraulic and hydro-mechanical responses based on the harmonic frequency. It is shown that the response to low-frequency harmonics is essentially hydraulic and the response to high-frequency harmonics is mainly hydro-mechanical. The proposed methodology facilitates the discrimination of both responses with the aim to study qualitatively the hydraulic connection to the sea. This methodology is applied to the aquifer system of La Plata river estuary in western Argentina. Surprisingly, the hydraulic response of the deepest aquifer (Paraná) is less damped than the response of the overlaying aquifer (Puelches). This finding suggests that the Paraná aquifer is better connected to the sea than the Puelches.Fil: Alcaraz, Mar. Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires. Instituto de Hidrología de Llanuras "Dr. Eduardo Jorge Usunoff". - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil. Instituto de Hidrología de Llanuras "Dr. Eduardo Jorge Usunoff". - Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Instituto de Hidrología de Llanuras "Dr. Eduardo Jorge Usunoff"; ArgentinaFil: Carrera, Jesús. Institute of Environmental Assessment and Water Research; EspañaFil: Cuello, Julián Eduardo. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas. Departamento de Geofísica Aplicada; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; ArgentinaFil: Guarracino, Luis. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas. Departamento de Geofísica Aplicada; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; ArgentinaFil: Vives, Luis. Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires. Instituto de Hidrología de Llanuras "Dr. Eduardo Jorge Usunoff". - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil. Instituto de Hidrología de Llanuras "Dr. Eduardo Jorge Usunoff". - Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Instituto de Hidrología de Llanuras "Dr. Eduardo Jorge Usunoff"; Argentin

Numerical modeling of actual evapotranspiration of a coffee crop

The evapotranspiration estimation has great importance to crop productivity and agricultural water management. In this study, evapotranspiration is analyzed in a coffee (Coffea arabica L.) crop located in Piracicaba, state of São Paulo (Brazil) using a numerical method based on the simulation of both water flow and crop activity in the unsaturated zone of the soil. Actual evapotranspiration is estimated from potential evapotranspiration using water stress functions, meteorological data, soil hydraulic parameters, crop coefficients and leaf area index values. Crop transpiration and soil evaporation are individually quantified improving the analysis of the evapotranspiration process. The numerical procedure can predict periods of crop water stress and becomes an attractive tool to analyze the effect of non-standard conditions on coffee crops and to design efficient irrigation schedules. Simulated evapotranspiration values are in good agreement with experimental values determined in the study site.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica

Modelado de la evaporación en suelos mediante una condición de borde no lineal en la ecuación de Richards

La cuantificación de la evaporación en suelos resulta de interés en numerosos problemas agronómicos, hidrogeológicos y ambientales. Entre ellos podemos citar el diseño de estrategias de riego eficiente, la estimación de la recarga de acuíferos y el estudio de la salinización de suelos en regiones semiáridas. La evaporación tiene lugar en los primeros centímetros del suelo e involucra procesos tanto de la atmósfera como de la zona no saturada del suelo. En este trabajo la evaporación se modela mediante una condición de borde no lineal en la ecuación de Richards que describe el flujo de agua en suelos parcialmente saturados. La condición de borde propuesta es función de la evaporación potencial y de un factor de stress hídrico que tiene en cuenta el estado de humedad del suelo en superficie. La evaporación potencial representa el valor máximo de evaporación cuando el suelo se encuentra en condiciones óptimas de humedad y se calcula mediante fórmulas semiempíricas que dependen de variables meteorológicas tales como la temperatura, humedad del aire e intensidad del viento. La ecuación de Richards se resuelve en un dominio unidimensional mediante un método mixto de elementos finitos. Para tratar las no linealidades de la ecuación y de la condición de borde superior se implementa un método de Picard modificado. Los resultados numéricos son validados mediante la comparación con los valores estimados a partir del modelo propuesto por Boesten y Stroosnijder (J. Boesten y L. Stroosnijder, Neth J Agric Sci, 34: 75-90 (1986)) utilizando datos experimentales correspondientes a dos texturas de suelo distintas. Finalmente, se presenta un ejemplo numérico del cálculo de la evaporación empleando datos diarios de la estación meteorológica de la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas de La Plata. Los resultados obtenidos ilustran las potenciales aplicaciones de la herramienta computacional desarrollada en el análisis de la evaporación bajo diferentes condiciones atmosféricas y de humedad del suelo.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica