modelo leachm (leaching estimation and...

Jornadas sobre la Docencia en Edafología. Granada, 14 y 15 de mayo de 2008

MODELO LEACHM

(Leaching Estimation And

CHemistry Model)

I. Bautista, A. Lidón, C. Lull, J. V. LlinaresETSIA – UPV

Dpto. Química. U.D. de Edafología i Climatología

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1º

2º

Curso Asig. Agrónomos Asig. Montes

Suelo, agua, atmósfera

Geología1º cuatr.

2º cuatr.

Ecología

Química Agrícola y AmbientalEdafología y agroclimatologia

Clasificación y evaluación de suelos

Riegos y drenajes

2º

ciclo

Clasificación, evaluación, conservación y manejo

de suelos

Hidrología e hidrogeología

2


1º

2º

EPSG – UPV VERA – UPV

Edafología

Geología

5º

Curso Asig. Ciencias Ambientales

HidrologíaContaminación de

aguas3º

4º Gestión y Conservación de Recursos

Naturales Físicos

Evaluación de Impacto Ambiental

Contaminación atmosférica

Gestión y Conservación de

Recursos Naturales I

Contaminación de aguas

Hidrobiología

Hidrología

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OBJETIVO DE LA PRÁCTICA

transporte de agua ysolutos en el suelo

se utiliza como refuerzo de los conocimientos sobre

En 4º curso (EPSG – UPV) y en 5º curso (UPV) de la asignatura de Gestión y Conservación de Recursos Naturales Físicos de la Licenciatura

de Ciencias Ambientales

En Química Agrícola y Ambiental del 3º curso de Ingenieros Agrónomos

y para entender

el destino final de fertilizantes y pesticidas aplicados al suelo.

Que el alumno se de cuenta de la potencialidad de los modelos desimulación como herramienta predictiva del comportamiento del agua ylos solutos en el suelo en diferentes escenarios (clima, tipo de suelo,gestión del agua y de fertilizantes, etc).

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Modelo LEACHM

Modelo mecanicista determinístico, que describe elrégimen de agua y sales, y el transporte de solutos ensuelos no saturados o parcialmente saturados.

Los procesos de transporte están basados ensoluciones numéricas de la ecuación de Richard para elflujo de agua y la ecuación de convección-dispersiónpara el transporte de solutos.

Escrito en lenguaje Fortran

Bien documentado.

Poco tiempo de cálculo.

Estructurado en subrutinas que pueden modificarse.

LEACHM (Leaching Estimation And CHemistry Model)

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Principales componentes y procesos contemplados en el LEACHM

Lluvia yriego

Elementosquímicos

Crecimientoplantas

Extracción

Transpiración

Evaporación

Flujo aguaTransporte

solutos Lixiviación

Agua Solutos

Interaccionesquímicas y microbianas

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Flujo de agua y Transporte de solutos

Ley de Darcy + ecuación de la continuidad ecuaciónde Richard de flujo vertical transitorio:

tzUz

HK

zt,)(

θ → contenido volumétrico de agua (m3·m-3)H → potencial hidráulico (mm)K → conductividad hidráulica (mm·d-1)t → tiempo (d)z → profundidad (mm)U → sumidero: pérdidas por transpiración deagua por unidad de tiempo.

LEACHM por diferencias finitas obtiene el contenido de agua en elsuelo, los flujos entre capas y los potenciales en capa profundidad.

Requiere: conocer relaciones K-θ-h, valor inicial del potencial y lascondiciones de contorno (superficie y límite inferior).

),(),(),( tztzUqc

z

cqD

zt

s

t

c

Ecuación de Convección-Dispersión para el transporte de solutos

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Nudo

1

2

3

Prof

undidad i-1

i

i+1

k-2

k-1

k

Tiempo

jj-1 j+1

Δt Δt

Atmósfera

Superficie suelo

Límite inferior

1

2

Segmento

i-1

i

k-3

k-2

Δz1

Δz2

Δz3

Perfilbalance de masa

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Submodelos de LEACHM

LEACHM (Leaching Estimation And CHemistry Model)

LEACHM

LEACHW LEACHN LEACHP LEACHC

Agua Nitrógenoy fósforo

Pesticidas Sales Dinámica de poblacionesmicrobianas

LEACHB

Se eligen LEACHW para explicar el balance de agua y LEACHN

por la importancia de la contaminación por NO3- en la

CV y por la experiencia acumulada en su uso

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Ciclo del nitrógeno en LEACHN

Biomasa

Residuos plantaHumus

Biomasa

Estiércol

Planta

Amonio

Raíces perennesCosecha

NitratoUrea N gas

NH3

Natmosférico

Lixiviación

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Clima

Precipitación

Temperatura

Evapotranspiración

Perfil del

suelo

Textura

Corgánico

Densidad aparente

Parámetros

hidráulicos (a y b

Campbell; Ks)

Cultivo

PMP

Pot mín extracción raíz

% Cubierta vegetal

Distribución radicular

Extracción potencial N

Datos necesarios en LEACHW y LEACHN

Aportes N y

agua

Dosis

Frecuencia

Forma

Fecha aplicación

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PROCEDIMIENTO

* Se explica la estructura del programa LEACHM- ficheros de entrada: se parte de un fichero (DATOS)- ficheros ejecutables (.EXE): LEACHW, LEACHN- ficheros de salida: el programa asigna extensión .out

* El alumno debe elaborar sus propios ficheros de entrada de datosde acuerdo con el escenario elegido. Para cambiar un fichero deentrada o construir uno nuevo, se edita uno ya existente, semodifica y se guarda con otro nombre (QEDIT).

* Se le suministra al alumno datos de distintos tipos de suelos ycontenidos iniciales de humedad para que elijan su propio escenariode trabajo en LEACHW, y distintos tipos de agua de riego y aportesde N para trabajar con LEACHN.

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13


14


* El alumno al ejecutar la aplicación correspondiente (agua o nitrógeno) eintroducir el nombre del fichero de entrada de datos obtiene loscorrespondientes ficheros de salida (con el mismo nombre y extensión .out

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* Se pide la evolución en el tiempo de la evaporación, el contenidode agua y nitrógeno mineral en el perfil, el drenaje y la lixiviaciónde nitrato en los diferentes escenarios ensayados.

* A partir de los ficheros de salida, escritos en ASCII, los alumnosdeben exportar los datos a ficheros excel (.xls) para larepresentación gráfica de las variables seleccionadas.

* El alumno debe explicar la relación existente entre los resultadosde la simulación y las características de los escenarioscontemplados.

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0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

NO

3-m

g/m

2

dias

Contenido NO3- en el perfil

en el perf il drenaje evap/voltzn/cnv

0

50

100

150

200

250

300

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

Ag

ua (

mm

)

dias

Contenido de agua en el perfil

en el perf il drenaje evap/voltzn/cnv

0.472

0.393

0.3210.268

0.219

0.139

Saturado -3 kPa -10 kPa -30 kPa -100 kPa -1500 kPa

Curva caracteristica de humedad del suelo

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Conclusiones Docentes

• El alumno visualiza los procesos más importantes de transportede agua y solutos en el suelo y su relación con las propiedadesdel suelo.

• En concreto, se conceptualiza la importancia de la curvacaracterística de humedad como descriptora del transporte deagua en el suelo.

• El alumno utiliza datos reales y accesibles para construir losdiferentes escenarios, lo que facilita su aproximación a problemasconcretos.

Aspectos positivos

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Conclusiones Docentes

• Los ficheros de entrada y salida están escritos en inglés.

• La interfaz es de tipo MS-DOS, lo que implica el uso decomandos desconocidos por los usuarios acostumbrados aWindows. La mayor parte del tiempo se emplea en explicar elfuncionamiento del editor de texto que trabaja en ASCII.

• El fichero de salida es un fichero de texto y para tratarnuméricamente la información hay que convertirlo a un fichero dedatos en hoja de cálculo tipo Excel para la obtención de lasrepresentaciones gráficas demandadas.

Aspectos negativos

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