MANUAL DE RIEGO
Índice Introducción 1. Métodos de riego 1.1 Inundación 1.2 Aspersión 1.2.1 Aspersores fijos 1.2.2 Carros de riego 1.2.2.1 Riego con carrete para la manguera 1.2.2.2 Sistema de riego por pivot 1.2.2.3 Sistemas de riego paralelos 2. Disponibilidad de agua 2.1 Agua subterránea 2.1.1 Limitaciones de suministro 2.1.2 Problemas del agua subterránea 2.1.3 Desgaste de la bomba 2.1.4 Obstrucción 2.1.5 Bombeo excesivo 2.2 Agua en superficie 2.2.1 Diseño de la estructura de entrada 2.2.1.1 Canal de asentamiento 2.2.2 Temporadas de sequía 2.2.2.1 Inyección a las orillas 2.2.2.2 Reducción del nivel de agua por otros usuarios 2.2.3 Destrucción del equipamiento por inundación 2.2.4 Riesgo de robo (en zonas públicas) 2.3 Aguas pluviales & NEWater (filtro purificador) 2.3.1 Recogida de aguas pluviales 2.3.1.1 Capacidad 2.3.2 NEWater o purificación del agua 2.3.3 Mejora de las fuentes de baja calidad
2.4 Almacenamiento de agua 2.4.1 Cubeta abierta 2.4.2 Tanque de agua o sala sumergida 2.4.3 Grupos de presión en paralelo 3. Cultivos y agua 3.1 Cantidad anual de aguas pluviales 3.1.1 La necesidad de regar 3.1.2 Recopilación de datos 3.2 Necesidades de agua para el cultivo 3.2.1 El clima 3.2.2 El tipo de cultivo 3.2.3 Etapa de crecimiento 3.2.4 Precipitaciones efectivas 3.3 Otras aplicaciones 3.3.1 Control del polvo 3.3.2 Prevención de incendios 4. Calidad del agua de riego 4.1 Filtros de membranas 4.2 Carbonización 4.3 Fertilización directa 4.4 Intercambio iónico 4.5 Ajuste del pH 5. Drenaje 6. Catálogo de bombas 6.1 Factores que se deben considerar Productos Grundfos SP / SP A / SP-G SQ / SQ-N / SQE / SQE-N CR / CRI /CRN NB / NK BM / BMB DME / DMS 7. Acerca de Grundfos Introducción Como se suele decir, la naturaleza es realmente asombrosa. Con la combinación correcta de sol, suelo, temperatura y agua se desarrolla la vida vegetal. A veces, sin embargo, podemos echarle una mano a la naturaleza. La adición de agua mediante el riego es una técnica que se ha venido practicando durante miles de años. El riego puede mejorar tanto la calidad como la cantidad de las cosechas. Puede hacerse incluso en áreas donde las lluvias son suficientes para mantener la agricultura. Respecto a las actividades recreativas, el riego mantiene las áreas de juego verdes y atractivas. Se auxilia a hacer selecciones más cualificadas. En este manual se presentan algunos fundamentos de la técnica de riego: desde los diseños de instalación hasta nuestras recomendaciones sobre las bombas más adecuadas para los distintos sistemas de riego. Ello le permitirá ofrecer a sus clientes selecciones y soluciones más cualificadas. Como siempre, antes de tomar su decisión, recomendamos consultar Grundfos WinCAPS, nuestra propia herramienta electrónica de cálculo y selección de bombas. 60 años de experiencia
La experiencia de Grundfos en el campo de las bombas de suministro de agua se remonta a nuestra primera época. De hecho, la primera bomba que creamos fue una bomba de suministro de agua. Nuestra cartera de productos actual incluye bombas sumergibles, en línea y grupos de presión para todo tipo de necesidades. Presencia internacional Grundfos está allí donde usted se encuentre, compartiendo nuestro conocimiento sobre los mercados locales respecto a ventas, servicio y asistencia técnica. Nuestras operaciones a escala mundial comprenden actividades en más de 40 países, en los que una de nuestras metas principales es mantener un estrecho contacto con nuestros clientes. 1. Métodos de riego Una vez tomada la decisión sobre el método de riego a utilizar en una zona, han de tenerse en cuenta además otras consideraciones básicas. Entre ellas: · Qué cultivos se van a plantar · Cuáles son las condiciones climáticas · De cuánta agua se dispone · Cómo es esa agua de accesible · Si el terreno es llano o accidentado · Si el terreno es arcilloso o arenoso · Cuántos meses al año hace falta regar · Cómo se selecciona la bomba de riego · Las consecuencias si el riego falla durante un cierto periodo de tiempo. Estas consideraciones se tratan en otros capítulos de este libro. La suma de estas consideraciones respaldará la decisión sobre qué método de riego se debe utilizar. Lo primero y más importante, sin embargo, consiste en conseguir un permiso de las autoridades locales que le permitirá hacer uso de cierta cantidad de agua por año y que no se debe exceder. Las autoridades locales pueden utilizar enfoques diferentes para controlar el uso, y pueden necesitar diferentes tipos de equipos: caudalímetro, contador de agua, temporizador, etc.
1.1 Inundación El método más sencillo de riego es la inundación, y normalmente no requiere el uso de bombas. El tipo más común de inundación es el riego con surcos, donde el agua se dirige o bombea hacia una serie de surcos que se inundan. Esta tecnología requiere cierta inclinación del terreno, para que el agua pueda fluir fácilmente de un extremo a otro del surco, sin desbordarse por los lados. La misma cantidad de agua debe llegar a cada zona de los surcos. El riego por inundación requiere una gran cantidad de agua y su eficacia no es muy alta ya que la mayoría del agua no se puede extraer directamente en las raíces de
las plantas. Por lo tanto se suele utilizar en zonas en que se dispone de gran cantidad de agua. Además, la zona a inundar debe ser llana, si no es el caso, la zona se allana formando terrazas, algo que podemos ver en diversas zonas del mundo. La inundación se suele utilizar en las zonas tropicales. 1.2 Aspersión Los aspersores dominan el riego tanto en la agricultura como en los jardines de todo el mundo. Gran cantidad de fabricantes los suministran y se utilizan para todo tipo de aplicaciones. Para un funcionamiento correcto, cada aspersor necesita un mínimo de presión y de caudal, por lo que hace falta una bomba. Los aspersores de gran tamaño se denominan lanzas de riego, ya que pueden distribuir más de 100 m3 por hora en un radio de hasta 70 m. Los aspersores pueden ser giratorios o fijos. Los más sencillos son simples boquillas que “pulverizan” el agua hacia la tierra. La mayor ventaja para el usuario es el bajo coste y la ausencia de piezas móviles en la boquilla. Sin embargo, tenga en cuenta que las boquillas necesitan un mínimo de presión para funcionar correctamente, siendo necesario utilizar una bomba en la instalación. La boquilla vaporizadora se suele utilizar cuando la necesidad de agua es relativamente baja, y cuando es importante evitar grandes gotas de agua que podrían dañar las cosechas y ensuciarlas. Las boquillas vaporizadoras alcanzan un radio de unos 5 m. Debido a su funcionalidad, no son recomendables en entornos expuestos al viento. El riego en invernaderos es un tipo de aplicación típica para las boquillas vaporizadoras ya que no hay viento y las plantas suelen ser frágiles (por ejemplo PHB). Los aspersores giratorios se activan con la presión del agua y pueden girar sobre los ejes verticales con un ángulo ajustable predeterminado. Así resulta más sencillo controlar la cantidad de agua en una zona específica. Los aspersores giratorios suelen activarse por impacto o mediante un engranaje interno. Los aspersores se pueden fijar de forma permanente o instalar sobre equipos Móviles. 1.2.1 Aspersores fijos Estos aspersores se instalan en la tierra a lo largo de la temporada. Un cierto número de aspersores por hectárea garantizan que cada metro cuadrado de terreno recibe una cantidad mínima de agua. Este enfoque requiere el uso de muchos aspersores, y el agua no se distribuye uniformemente por los cultivos. Los aspersores fijos se suelen utilizar en terrenos inclinados y accidentados en que los sistemas de riego rodantes están restringidos. El aspersor emergente es un tipo de aspersor fijo que se oculta bajo la superficie cuando no está funcionando, y emerge al utilizarlo. La presión del agua los hace emerger, funcionando como el resto de aspersores. Esta función los convierte en la solución ideal para el riego de zonas de recreo. 1.2.2 Carros de riego Los aspersores montados en equipos móviles se denominan carros de riego. Estas unidades móviles pueden regar gran variedad de áreas. 1.2.2.1 Riego con carrete para la manguera El tipo más flexible de carro de riego es el carro con carrete para la manguera, que se puede colocar en un campo y desde allí conectarse al suministro de agua. Este sistema sólo dispone de un aspersor. Suele ser una lanza de riego capaz de cubrir una zona extensa.
1.2.2.2. Sistema de riego por pivot Un tipo de carro de riego muy popular para grandes áreas es el sistema de riego por pivot. Esta máquina gira alrededor del punto central y puede tener un diámetro de hasta 2 km. Estos sistemas giran en torno a un centro y no se pueden trasladar a otra ubicación sin desmantelarse totalmente para su transporte. Los sistemas de riego por pivot están disponibles con un brazo (un radio del círculo) o con 2 brazos (un diámetro del círculo). Para garantizar una cantidad de agua uniforme por m2,se suele equipar a este sistema con reguladores de presión para cada aspersor, que también varían en tamaño. Cuanto mayor sea la distancia entre el aspersor y el centro, mayor será el aspersor y más presión se necesitará. Los sistemas de riego por pivot sólo se pueden utilizar en terrenos totalmente llanos. 1.2.2.3. Sistemas de riego paralelos Los sistemas de riego paralelos suelen tener la misma construcción técnica que el sistema de riego por pivot, pero en lugar de girar en torno a un centro recorren toda la franja en paralelo de un extremo a otro del campo. Pueden regar una zona rectangular en lugar de circular, y por lo tanto resultan más efi caces cuando es necesario regar cada metro cuadrado. También son más sencillos de trasladar que el sistema de riego por pivot porque no dependen de la disponibilidad de un pivot central especial. La desventaja es que sólo la zona central del campo obtiene una cantidad de agua a intervalos regulares, mientras que a los extremos del campo llega más o menos el doble de agua con un intervalo menor. La única forma de compensar este hecho es controlar la cantidad de agua y/o controlar la velocidad a la que se mueve el aspersor. Los sistemas de riego paralelos también necesitan un terreno llano para funcionar correctamente.
Riego por goteo Este método (también conocido como microrriego) está ganando popularidad en todo el mundo, sobre todo por su gran eficacia. Con este método apenas se pierde agua por evaporación o por desbordamiento. Al no haber piezas móviles para transportar el agua, no se desborda por la superficie, de modo que el riego por goteo es ideal para terrenos inclinados y accidentados. La desventaja es que se trata de equipos cuya instalación requiere una gran inversión económica y temporal. Además necesita un control muy preciso de la presión del agua, lo que supone un gasto añadido a la inversión.
2. Disponibilidad de agua Identificar las características de su tipo de agua es vital para la calidad del riego y por supuesto, los diferentes tipos deben tratarse de forma diferente. El rendimiento de la bomba depende en gran medida de un análisis sistemático del tipo de agua, y de la selección adecuada del equipo en base a estos datos. 2.1 Agua subterránea El agua subterránea supone una fuente notable de agua para el riego en todo el mundo. Posiblemente se trate del tipo de agua más fiable de que disponemos. No obstante, es importante utilizarla de forma inteligente. Debemos garantizar el suministro de agua para el futuro y proteger el entorno tan frágil en el que vivimos. El caudal de agua en superficie es relativamente fácil de comprender, porque se puede observar y medir, en cambio el caudal de agua subterránea va oculto, y su medición resulta más complicada. Las restricciones más comunes en cuanto al suministro de agua subterránea son: · Limitaciones de suministro · Problemática del agua subterránea · Desgaste de la bomba · Obstrucción · Bombeo excesivo Esta sección incluye algunas soluciones a estos problemas. 2.1.1 Limitaciones de suministro El bombeo excesivo de un pozo puede provocar un funcionamiento en seco, pudiendo dañar seriamente la bomba. El tiempo de parada resultante es costoso, tanto por los costes de reparación como por la escasa productividad. Para proteger el sistema de bombeo del funcionamiento en seco, es sumamente importante analizar cuánta agua puede suministrar el pozo. A partir de ahí, podrá estimar la disponibilidad en función de la demanda máxima. Antes de realizar un análisis fiable del pozo, deberá: · Instalar una bomba con la capacidad adecuada · Leer el descenso del nivel de agua con diferentes caudales · Medir el caudal en diferentes posiciones de estrangulación de gases de la válvula de descarga-regulación. Procedimiento de prueba 1. Arranque la bomba con la válvula cerrada. Registre la profundidad del nivel de agua estática. 2. Abra la válvula de regulación a aproximadamente 1⁄4 de la demanda de carga máxima. 3. Mida la profundidad desde la superficie hasta el nivel de agua dinámica. 4. Llene una jarra de 1 litro con agua de la parte inferior del tubo de descarga. 5. Tape la jarra; etiquétela con 1⁄4. 6. Realice la prueba con un 1⁄4 de la demanda máxima durante otros 15 minutos. Vuelva a comprobar la profundidad a nivel del agua dinámica. 7. Si ha descendido, anote cuánto. 8. Repita el proceso para 1⁄2, 3⁄4, y 1/1 (demanda de carga máxima). Después de aproximadamente una hora, tendrá cuatro relaciones diferentes entre el caudal y la profundidad del nivel de agua bombeada. También dispondrá de cuatro muestras de agua: 1⁄4, 1⁄2, 3⁄4, 1/1. 9. Abra la válvula reguladora completamente. Registre la capacidad de la bomba y la profundidad a nivel del agua bombeada.
10. Llene la jarra número 5, tápela y anote la capacidad real de la jarra. 11. Deje que la instalación continúe funcionando. Active todas las instalaciones de bombeo posibles en un radio de 1,5 km. 12. Al volver al sitio de prueba, anote el rendimiento y la profundidad a nivel del agua con el mismo rendimiento. 14. La prueba ha finalizado. Detenga la bomba y guarde las cinco muestras de modo que no se vean afectadas por vibraciones, el calor o la luz solar directa. Análisis de los resultados de la prueba: Examine los datos de la prueba al día siguiente. Es importante que no toque las jarras, sólo obsérvelas. Debe establecer si hay arena en la parte inferior de las muestras. 1. Examine la muestra 1⁄4. ¿Hay arena en el fondo? Calcule la capacidad específica del pozo a 1⁄4 de la demanda máxima: 2. Examine la muestra 1⁄2. ¿Hay arena en el fondo? Calcule la capacidad específica del pozo a 1⁄2 de la demanda máxima: 3. Realice el mismo proceso para 3⁄4 de la demanda de carga máxima y para el caudal completo (1/1). Comparando los cálculos de las capacidades de bombeo específicas podrá decidir si extraer la capacidad con los mismos m3/h por metro de descenso de nivel. 2.1.2 Problemática del agua subterránea
2.1.3 Desgaste de la bomba La selección errónea del material de la bomba y el desgaste resultante es un problema muy común que reduce la capacidad del pozo. La selección de las
bombas adecuadas con componentes vitales de bronce o de acero inoxidable desde el principio garantizará una solución de bombeo de agua subterránea fiable, rentable y sin necesidad de mantenimiento. El óxido de las bombas de fundición se crea en el impulsor, que se oxida por el contacto con el oxígeno del agua. Al girar el impulsor, el agua que sale a gran velocidad (5-15 m/s) arrastra el óxido de la superficie del impulsor. Este proceso de corrosión/erosión hace que se desgaste el material del impulsor. Al gastarse este material, la capacidad y la eficacia también se reducen. Repase los siguientes factores antes de seleccionar el impulsor y la bomba: Consejo: Seleccione la bomba en función de los siguientes criterios. Tenga en cuenta que se trata de pautas generales.
Comprobación del sistema: La capacidad insuficiente suele producirse por periodos de inactividad. Por lo tanto, es importante comprobar el rendimiento del equipo al reanudar la actividad de un sistema de bombeo y todos los años antes de la puesta en marcha. Con la maquinaria de riego en funcionamiento, calcule la eficacia del equipo de bombeo. Use la siguiente fórmula:
Selección del material de la bomba Las bombas sumergibles están sujetas al desgaste igual que las demás bombas. Pero su ubicación bajo tierra dificulta la visión de este desgaste. Este diagrama le permite calcular: · ¿Cuándo debo revisar mi bomba sumergible? · ¿Cuánta eficacia ha perdido desde la última revisión? · ¿Cuánto costaría renovar la bomba (aprox.)? Hay una serie de factores a determinar de antemano, entre ellos: · La velocidad del agua en el componente que desea probar. · Las condiciones relativas al material de la bomba y al entorno de bombeo. · La presencia o ausencia de sólidos o dióxido de carbono agresivo. 1. Vea el punto 1 en la Curva A. El material de la bomba y las condiciones del medio son los indicados. 2. Trace una línea paralela hacia la derecha. La pérdida de material del impulsor es de aproximadamente 0,18 mm por cada 1.000 horas de funcionamiento (punto 2). 3. Siga la línea paralela hasta llegar a la línea de diferenciación que corresponde al CO2 agresivo y al material del componente. Tenga en cuenta las condiciones en nuestro ejemplo (punto 3). 4. Vaya directamente hacia abajo (90o). El contenido de CO2 agresivo ha incrementado la pérdida de material hasta 0,25 mm. Tenga en cuenta el nivel de
salinidad del agua (punto 4). Trace una línea horizontal por este punto, y continúe hacia la izquierda y lea los resultados. 5. Intervalos de servicio recomendados para su bomba: cada 6.000 horas de funcionamiento (punto 5). 6. Pérdida de rendimiento: Aproximadamente el 18% (punto 6). 7. Coste aproximado de renovar la bomba: 75% del precio de la bomba nueva (punto 7).
2.1.4 Obstrucción Las tuberías que tienen arena, barro u óxido pueden producir algunos de los problemas Siguientes: · Consumo excesivo de energía · Capacidad de agua insuficiente · Desgaste de la bomba El empleo de uno o más de los elementos siguientes puede evitar la obstrucción; · Malla ciclón para arena o filtro de membranas: Estos filtros evitan que la arena, el barro o el óxido penetren en el sistema de tuberías. · Recursos abiertos/estanque: Se pueden utilizar cuando el tamaño de las partículas es demasiado pequeño para las mallas ciclón y los filtros de membranas. El barro desciende al fondo y el agua para el riego se coge de la parte superior. Nota: Al introducir el recurso de asentamiento abierto/estanque, la bomba de agua subterránea debe funcionar solamente a media altura. Las bombas de distribución desde el embalse/estanque produce la presión de la boquilla, superando la pérdida de fricción en las tuberías. Como la demanda puede estar relacionada con la velocidad del impulsor y de la cuenca, una solución de asentamiento en el fondo reduce la boca de la bomba de
agua subterránea. Además, esta solución suele prolongar los intervalos de servicio de la bomba de agua subterránea.
2.1.5 Bombeo excesivo A veces la capacidad con la máxima demanda provoca un bombeo excesivo del pozo hasta el nivel con presencia de arena. Se pueden evitar los daños instalando uno o más de los elementos siguientes: · Separador de arena o sección de filtrado: Se reducirá así la cantidad de barro y de arena en el agua. Al retrasar la entrada de estas partículas en la bomba también se eliminará el desgaste resultante. · Un retraso de 3 segundos para un arranque/parada suave: Si se arranca la bomba de agua subterránea con un volumen acuífero completo se producirá un rendimiento excesivo durante los primeros segundos de funcionamiento. Este arranque de gran capacidad eleva/libera arena y barro en el acuífero, arrastrándolo a la bomba. Esta potente succión se elimina con un arranque/parada suave con un retraso de 3 segundos. Notas especiales: · Si se introduce un VFD (variador de frecuencia), recuerde ajustar la frecuencia de arranque a 25 Hz y auméntela a partir de ahí. Los motores sumergibles vienen equipados con sistemas de rodamientos deslizantes lubricados con agua que no se lubrican por debajo de los 25 Hz. · Seleccione el equipo de bombeo con una obturación del cierre del eje mecánico Sic/Sic en el motor para protegerlo contra la entrada de arena/barro en el rodamiento del motor. La instalación de una camisa refrigerante con una velocidad de refrigeración de más de 1 m/s evitará la acumulación de barro en el motor.
2.2 Agua en superficie El agua en superficie incluye manantiales, lagos y ríos. Si la capacidad del agua en superficie satisface la demanda máxima, ésta suele ser igual de buena para el riego que el agua subterránea. El caudal de agua en superficie es relativamente fácil de comprender, porque podemos observarlo y medirlo. No obstante, hay ciertas características del suministro de agua en superficie que debe tener en cuenta antes de seleccionar el sistema de bombeo. La conexión de la entrada de riego a un caudal de agua natural exige una mayor atención en cuanto al: · Diseño de la estructura de entrada · Temporadas de sequía · Reducción del nivel de agua por otros usuarios (suministro público de agua) · Destrucción del equipamiento por inundación · Riesgo de robo (en zonas públicas) 2.2.1 Diseño de la estructura de entrada Al diseñar la estructura de entrada, es importante comprender que el agua en superficie en temporada de lluvias/nieve lleva una gran cantidad de lodo, barro y materiales en suspensión. La construcción de un canal de asentamiento delante de la bomba de succión puede evitar que estos materiales penetren en el sistema y lo desgasten. 2.2.1.1 Canal de asentamiento Para permitir el asentamiento de las partículas, el canal debe medir al menos seis metros de largo y tener un nivel de agua que reduzca la velocidad del canal hasta un máximo de 0,015 m/s al bombear con el caudal establecido. Si la longitud de la sección de reposo del canal es inferior a seis metros, el viento y las ondas, además del tamaño de la bomba pueden evitar que se produzca el asentamiento. W x H = 0,015 x Q/2826 Q = caudal establecido en m3/h W = anchura en metros
H = altura en metros Notas adicionales: · La anchura del canal debe permitir la retirada mecánica de los sedimentos. Antes de comenzar la temporada de riego, el canal debe limpiarse de barro para garantizar un funcionamiento correcto. · Durante el verano, el crecimiento de seres marinos como mejillones, larvas, plantas acuáticas, etc. puede causar problemas. Cubra el canal para evitar que el sol y la luz del día alimenten este crecimiento orgánico.
2.2.2 Temporadas de sequía Si existe la posibilidad de que sus recursos de agua en superficie se sequen durante la temporada de sequía, debe equipar el canal de entrada con un pozo de inyección. Este diseño se denomina inyección a las orillas. 2.2.2.1 Inyección a las orillas En épocas de lluvia, cuando el nivel del río es alto, la estructura de entrada toma grandes cantidades de agua del río en los acuíferos. Durante las épocas secas, Cuando los niveles del río se reducen, la bomba sumergible en el pozo de inyección recupera el agua del río inyectada de debajo de la tierra. 2.2.2.2 Reducción del nivel de agua por otros usuarios (suministro público de agua) Si comparte su fuente de agua con otros usuarios (como un sistema municipal) durante la temporada seca, deberá tenerlo en cuenta. Este problema se puede solucionar de dos formas: · Construya instalaciones de almacenamiento como un tanque o una sala subterránea · Aumente la profundidad de sus instalaciones de almacenamiento actuales 2.2.3 Destrucción del equipamiento por inundación Si existe riesgo de inundaciones, debe instalar bombas sumergibles en lugar de bombas de motor en seco. Las superestructuras para pozos como las que se muestran en la ilustración no son estancas a la inmersión. La bomba y el motor internos se destruirán si la inundación alcanza el nivel que alcanzó hace varios años. 2.2.4 Riesgo de robo (en zonas públicas) Si su equipo corre el riesgo de que lo roben, Grundfos recomienda una construcción especial. Aquí, las bombas sumergibles cerradas pueden formar parte de la construcción. Se necesitan equipos muy especiales para poder extraer la bomba y sus accesorios.
2.3 Aguas pluviales & NEWater (filtro purificador) Cuando no se dispone de agua subterránea ni en superficie o éstas no satisfacen las demandas de riego, se pueden utilizar otras fuentes. Entre ellas: · Recogida de aguas pluviales. · Mejora de fuentes de baja calidad (NEWater/reciclado) · Importación de agua para el riego con camiones 2.3.1 Recogida de aguas pluviales La recogida de aguas pluviales supone simplemente la recogida de agua de superficies donde llueve y su almacenamiento para el riego. Normalmente, el agua se recoge de los tejados de los edificios y se almacena en tanques para el agua de lluvia. No obstante, también se puede recoger del agua de lluvia que cae y se estanca. Las superficies de recolección de lluvia, también denominadas zonas de captación, son: · Tejados · Carreteras · Zonas pavimentadas 2.3.1.1 Capacidad Para garantizar un suministro de aguas pluviales suficiente para el riego, se debe calcular el tamaño de la zona de captación. Se deben tener en cuenta los factores siguientes: · Demanda máxima. · Media de lluvia mensual en la zona. · El tamaño de las cisternas o tanques cuando se almacena el agua de lluvia recogida. En función del presupuesto para el suministro de agua, deberá adaptar el tamaño de la zona de captación y de los tanques de almacenamiento a la demanda de riego.
2.3.2 NEWater o purificación del agua NEWater es agua usada que es tratada y pasa por un proceso de purificación con microfiltración y ósmosis inversa. La calidad de la tecnología de membranas ha mejorado mucho con el paso de los años. Ahora es posible convertir agua del mar en agua potable con un consumo energético de menos de 3 kWh/m3. Este bajo
consumo convierte a la ósmosis inversa en un proceso aceptable para el riego de grandes cosechas. Las membranas de ósmosis inversa tienen una vida de unos cinco años. Este factor mejora constantemente a medida que aumenta la durabilidad. Para conocer las tecnologías de ósmosis inversas más recientes, se recomienda contactar con: Affordable Desalination Coalition Point Hueneme, CA, USA Tel: +1-650-283-7976 E-mail:
[email protected] 2.3.3 Mejora de las fuentes de baja calidad El principal factor de coste al mejorar el agua para el riego es el consumo energético necesario para tratar y suministrar el volumen de agua adecuado con la presión necesaria. Para cosechas de escaso valor, el riego sólo es factible si se dispone de la cantidad adecuada de agua en superficie o agua subterránea de calidad Recientemente, la eficacia energética de la tecnología de membranas ha mejorado hasta lograr un consumo por debajo de los 3 kWh pr. m3 de agua de riego. Esto hace que sea rentable mejorar (reciclar) aguas de desecho de baja calidad de casi cualquier tipo, y para grandes cosechas, se puede recurrir incluso a la desalinización de agua salobre y agua del mar.
2.4 Almacenamiento de agua Si con los recursos de agua de que dispone no puede cumplir con la demanda máxima, se puede optar por crear un embalse. Esta agua se bombeará durante los periodos de máxima demanda. La instalación de un embalse que iguale la diferencia entre la reserva de agua y la demanda máxima implica el cálculo del tamaño del embalse. Use la fórmula siguiente para conocer el volumen de almacenamiento necesario:
2.4.1 Cubeta abierta El agua se puede almacenar en una cubeta abierta construida con un moderno tipo de láminas como obturadores/membranas. Así se reducirá el nivel de fugas de la cubeta. Ventajas:
· Su construcción es económica · Su retirada es económica Desventajas: · Pérdida por evaporación en climas calurosos · Crecimiento de algas y musgo · Concentración salina debido a la evaporación. · Destrucción de membranas por el ganado y por sabotajes · Ocupa un espacio no productivo en tierra cultivable · Riesgo de ahogo (Humanos y ganado) 2.4.2 Tanque de agua o sala sumergida Grundfos recomienda métodos de almacenamiento alternativos si las desventajas citadas se consideran inviables. Su construcción requerirá varios niveles de inversión. Tanque de agua: Se puede construir con acero corrugado o con elementos de hormigón prefabricados. Sala sumergida: Se construye un tanque y se cubre con tierra cultivable. Ventajas: · Escasa pérdida por evaporación · Escaso crecimiento de algas y musgo · Baja concentración salina gracias al bajo nivel de evaporación · Protegida de la contaminación de la vida animal y vegetal · Se puede cubrir con un tejado y utilizar con otros fines · No hay riesgo de ahogo Desventajas: · Su construcción es costosa · Su retirada es costosa 2.4.3 Grupo de presión en paralelo Al diseñar el sistema de bombas de distribución para una cubeta de almacenamiento, conviene seleccionar grupos de presión en paralelo, ya que esta solución requiere tamaños de motor más reducidos. Otras ventajas son: · Reducción de los amperios de arranque · Reducción de los golpes de ariete durante el arranque/parada · Introducción de la adaptación gratuita del caudal dependiendo del tipo de cosecha y de la demanda de riego.
3. Cultivos y agua Todos los cultivos necesitan nutrientes, agua, aire y luz solar para crecer. El equilibrio adecuado entre ellos contribuye al éxito de la cosecha. Grundfos puede ayudarle con la provisión de agua donde y cuando lo necesite.
Confiar en las precipitaciones naturales es quizás la forma más sencilla de llevar el agua a los cultivos. No obstante, cuando se necesita más agua, el riego es la solución perfecta para cubrir las necesidades. Un factor importante a tener en cuenta es que la cantidad de agua de riego necesaria depende de tres elementos principales: · La cantidad de agua presente de forma natural (agua de la lluvia) · La cantidad de agua necesaria para el cultivo · Las condiciones climáticas. Todos estos puntos se tratan en este capítulo. La combinación adecuada de los mismos es una de las claves para que el funcionamiento del sistema de riego sea efectivo y eficiente. 3.1 Cantidad anual de aguas pluviales
La cantidad de agua de riego necesaria depende de la cantidad anual de agua de lluvia y de su distribución. Existen varias divisiones del clima relacionadas con la cantidad de lluvia. · Húmedo: más de 1.200 mm de lluvia anual. Esta cantidad cubre las necesidades de agua de muchos cultivos. El riego no suele ser necesario, pero la producción puede aumentar notablemente en algunos años. · Subhúmedo y semiárido: entre 400 y 1.200 mm de lluvia anual. Esta cantidad no es suficiente para muchos cultivos. El riego aumenta la producción anual, permitiendo también la producción en la época seca. · Semiárido, árido y desiertos: menos de 400 mm de lluvia anual. El riego es indispensable.
3.1.1. La necesidad de regar
El riego es necesario cuando no hay suficientes precipitaciones. Incluso en zonas en las que la media de lluvia anual es suficiente para cubrir la evapotranspiración media, en algunos periodos se necesitará regar. Por ejemplo, esta situación tiene lugar cada año en zonas áridas y semiáridas, como en la zona del Mediterráneo. En zonas húmedas y semihúmedas, como el norte de Europa, hay escasez de precipitaciones algunos años y solamente habrá necesidad de regar de forma temporal en la temporada de cosecha
3.1.2. Recopilación de datos Las necesidades de los cultivos y del agua de riego son conocidas en algunos países, y el Departamento de Riego, el Ministerio de Agricultura u otras autoridades locales se encargan de su distribución. Si no es posible, deben calcularse los datos sobre la marcha. La fórmula básica para calcular las necesidades de agua de riego es la siguiente:
3.2 Necesidades de agua para el cultivo Las raíces de las plantas toman agua de la tierra para su crecimiento y supervivencia. No obstante, la mayoría de esta agua se escapa en forma de vapor por las hojas de las plantas a través de la transpiración. Desde una superficie abierta de agua, que se puede encontrar tanto en la tierra como en las hojas de las plantas, el agua escapa directamente por evaporación. La necesidad de agua de un cultivo se conoce como “evapotranspiración”, donde se suman la transpiración y la evaporación. Esta necesidad de agua se suele expresar en mm/día, mm/mes o mm/temporada. Para los cultivos, el agua utilizada y la pérdida por evapotranspiración es esencial para lograr buenos cultivos de calidad. Este caudal de agua permite que el cultivo: · Utilice la luz del sol para producir materia estructural a través de la fotosíntesis · Obtenga nutrientes importantes de la tierra · Controle la temperatura de sus superficies Ejemplo de agua necesaria para un cultivo Tomamos un cultivo en un entorno cálido y soleado con una necesidad de agua de 10 mm/día. Tenga en cuenta que estos 10 mm no tienen por qué suministrarse todos los días, se pueden aplicar 50 mm de agua de riego cada 5 días. La zona de las raíces almacenará el agua hasta que la planta lo necesite. Los tres factores principales que determinan el agua necesaria para un cultivo son: · El clima: los cultivos con un ambiente caluroso necesitan más agua por día que en ambientes nublados y fríos · El tipo de cultivo: el arroz o la caña de azúcar necesitan más agua que las zanahorias o las olivas · La etapa de crecimiento: los cultivos ya desarrollados necesitan más agua que los de plantación reciente. 3.2.1 El clima Los cultivos que crecen en un ambiente soleado y caluroso, obviamente, necesitan más agua al día que los que crecen en un ambiente nublado y frió. La humedad y la velocidad del viento también influyen.
3.2.2 El tipo de cultivo Dos factores que afectan a las necesidades de agua están relacionados con el tipo de cultivo. Uno tiene que ver con el tamaño que alcanza el cultivo; el otro con la duración de la temporada de crecimiento. · Tamaño físico: las plantas de maíz necesitarán mucho más agua que el trigo. · Duración de la temporada de crecimiento: una duración breve como la de los guisantes es de 90 – 100 días; una duración más larga como la de los melones es de 120 – 160 días. Mientras que, por ejemplo, la cantidad de agua que necesitan los melones puede ser inferior a la que necesitan los guisantes, la necesidad de agua temporal de los melones será mayor que la de los guisantes porque la duración total de la temporada de crecimiento es mucho mayor.
Una vez transcurrida media temporada, algunos cultivos ya no necesitarán más la cantidad máxima de agua. Los cultivos recolectados frescos como la lechuga, los tomates y los melones, por otro lado, necesitan la cantidad máxima hasta el momento de la recolección. Las influencias del tipo de cultivo tanto en la necesidad de agua diaria como para toda la temporada se tratan en las secciones siguientes. 3.2.3 Etapa de crecimiento La evapotranspiración es la transpiración de la planta combinada con la evaporación de la tierra y de la superficie de la planta. Los cultivos más pequeños requieren menos agua que los ya maduros. Por otro lado, la evaporación de la tierra es mayor si los cultivos son más pequeños, al haber más tierra expuesta al sol y al viento. Tenga en cuenta que los propios cultivos normalmente necesitarán aproximadamente el 50% del agua que necesitan durante la mitad de la temporada al florecer y durante la aparición de las semillas. Esta necesidad máxima se produce al comienzo de la mitad de temporada. Es el punto en que más agua se necesita. Recuerde que se deben calcular las dimensiones de los sistemas de riego para cumplir con estos periodos de demanda.
De nuevo, el clima juega un papel muy importante en la necesidad de agua de los cultivos. Observe las diferencias entre los mismos cultivos plantados en climas diferentes.
3.2.4 Precipitaciones efectivas Al contrario de lo que cabría pensar, no todo el agua de la lluvia se puede utilizar para las plantas. Parte del agua traspasa la superficie; parte se desborda. La zona de las raíces almacena el agua de lluvia restante. Esto se conoce como precipitaciones efectivas. El clima, la textura y estructura de la tierra y la profundidad de la zona de las raíces afectarán a la cantidad de precipitaciones efectivas. Cuando llueve mucho, gran parte del agua se pierde por filtración y por desbordamiento ya que la tierra saturada simplemente no puede absorber más agua. Otro factor a tener en cuenta a la hora de calcular las precipitaciones efectivas es la variación de las precipitaciones a lo largo de los años. Especialmente en climas con escasas precipitaciones, la poca lluvia que cae suele ser poco fiable; un año puede ser relativamente seco y el siguiente relativamente húmedo. Las precipitaciones efectivas se estiman en base a un cálculo mensual, con datos de las precipitaciones medidas y con información local si la hubiera. Si las precipitaciones efectivas fueran insuficientes, los minerales y sales del agua de riego aumentarán en la tierra. Aumentará la salinidad y los cultivos se verán afectados negativamente
3.3 Otras aplicaciones 3.3.1. Control del polvo Para mejorar la calidad del aire en las grandes ciudades, los gobiernos, especialmente en Asia, están estableciendo cinturones verdes de árboles y arbustos
para crear barreras antitormenta alrededor de las ciudades. Estos cortavientos reducen el polvo y redirigen el viento, mejorando las condiciones medioambientales o el microclima en la zona protegida. Al mismo tiempo, al mantener el polvo acorralado se previene la desertización, recuperando la vegetación cerca de las zonas desérticas. Para garantizar el crecimiento de la vegetación y una defensa suficiente contra la amenaza de la arena y el polvo en las ciudades, se necesitan sistemas de riego adecuados, especialmente durante los periodos de sequía. 3.3.2. Prevención de incendios Un sistema de riego de control de incendios no extingue incendios. Lo que hace es garantizar que las zonas verdes alrededor de hospitales, escuelas, etc, se mantienen húmedas y por lo tanto sirven como zonas de amortiguación del fuego o espacios de defensa frente a los incendios. Las hierbas y árboles muertos y el césped seco son combustibles peligrosos que ni ralentizan ni detienen la propagación del fuego. Sin embargo, el césped especialmente verde y los olivares han demostrado ser muy resistentes al fuego, Siempre que se rieguen adecuadamente, estén lo suficientemente espaciados y tengan un contenido de humedad alto.
4. Calidad del agua de riego El agua para el riego suele provenir de las siguientes fuentes: · Aguas pluviales · Agua en superficie · Agua subterránea En cada caso, el agua ha absorbido una serie de materiales, minerales, sales, patógenos y biocidas por el camino. Su eliminación antes de la aplicación del agua es por lo tanto muy importante. Para hacerlo se pueden emplear varios métodos. 4.1 Filtros de membranas Este sistema de filtrado mecánico y biológico elimina los materiales disueltos, sales, patógenos y biocidas presentes en el agua. La permeabilidad de la membrana que seleccione debe estar directamente relacionada con la materia que debe eliminar. La clasificación en micras de cada membrana se basa en el tamaño de las aperturas cuadradas del enrejado que se forman en el proceso de ondulación. Cuanto menor sea la clasificación, más pequeñas deberán ser las partículas para traspasar el filtro. Por lo tanto obtendremos un filtrado más fi no.
El primer filtro elimina la suciedad más gruesa, la sedimentación, aceites, etc. Todas las membranas clasificadas en micras pueden eliminar materiales disueltos, en un proceso similar a la ósmosis inversa. Si el agua es ácida, alcalina, gaseosa o agresiva se debe tratar con el filtrado tradicional y estabilizarse químicamente. Para este proceso se recomiendan los sistemas de tanques abiertos con una aireación efectiva. 4.2 Carbonización En algunas tierras con humus, la carbonización de las gotas de agua mejora el crecimiento de la planta en un 10 – 20%. Se añade C02 y/o CO3 desde los cilindros de gas comprimido. 4.3 Fertilización directa Algunos de los nutrientes necesarios para el crecimiento de las plantas se puede mezclar directamente en el agua de riego. Esta fertilización a través del riego reduce los costes de mano de obra y hace que la limpieza del fertilizador durante las lluvias fuertes pase a un segundo plano.
4.4 Intercambio iónico Un alto contenido de sal puede representar un problema para el crecimiento y la salud de las plantas. Instalar un sistema de intercambio iónico para desalinizar el agua es una manera de resolver este problema. Se pueden añadir productos químicos al agua de riego, como urea (46 % de nitrógeno) y microminerales, entre los que se incluyen Ca++ y Mg++, haciendo que las plantas se vean menos afectadas por el contenido de sal elevado. El intercambio iónico se puede utilizar también para ablandar el agua. La forma más eficaz de tratar el agua calcárea para el uso doméstico es instalando un ablandador de resina de intercambio iónico. Este equipo ablandador funciona mejor cuando el pH está entre 7,0 y 8,0 y la temperatura del agua es inferior a 32°C. Cuando el agua dura pasa a través del ablandador, el calcio y el magnesio son sustituidos por sodio de la resina de intercambio. 4.5 Ajuste del pH El valor de pH de su sistema de riego afecta directamente a la disponibilidad de la mayoría de los elementos, en particular a los micronutrientes. · Un pH demasiado bajo puede originar un aumento de micronutrientes que ocasione respuestas fitotóxicas en algunas especies vegetales. · Un pH demasiado alto bloqueará algunos elementos que no podrán pasar a las plantas. Problemas asociados a un pH inadecuado: El pH bajo provoca: · Toxicidad por hierro (Fe), manganeso (Mn), zinc (Zn) y cobre (Cu). · Deficiencia de calcio (Ca) y magnesio (Mg). El pH alto provoca:
· Deficiencia de hierro (Fe), manganeso (Mn), zinc (Zn) cobre (Cu) y boro (B). Por ejemplo, un pH demasiado alto podría provocar una falta de disponibilidad de hierro. Aunque nuestra solución nutriente tuviera un contenido ideal de hierro, sus plantas no serían capaces de absorberlo, lo que ocasionaría una deficiencia de hierro. Ello provocaría que hojas de las plantas se volvieran amarillas y débiles.
Las distintas cosechas requieren rangos de dureza del agua específicos. (ver ejemplos.
Si su suministro de agua no tiene el valor de pH adecuado, se puede ajustar añadiendo un agente corrector del pH directamente en el agua de riego. Se pueden emplear los siguientes productos: Para elevar el pH: Lechada de cal, sosa cáustica Para bajar el pH: Ácido nítrico. 5. Drenaje Para los cultivos, la absorción de agua y la evapotranspiración es esencial para lograr un alto rendimiento con la mejor calidad posible. Es más, las plantas utilizan la evapotranspiración, la luz solar y el CO2 para producir materias estructurales a partir de los nutrientes de la tierra o del agua de riego. Además, la superficie de la planta se mantiene a la temperatura óptima para el crecimiento. La evapotranspiración, la fotosíntesis y la regulación de temperatura son más difíciles si se acumulan metales, sales o minerales en la textura de la tierra alrededor de la zona de las raíces. Para la mayoría de los cultivos en agricultura, el contenido de sal máximo permitido es de aproximadamente el 0,1 %. Adición de sal: El riego con 100 mm de agua con un contenido de sal del 0,1% supone un incremento de sal de 1.000 kg/ha. Salvo que el contenido de sal adicional se filtre a través de precipitaciones naturales durante los periodos sin riego, la productividad de la tierra se verá reducida notablemente. Si este filtrado natural no tiene lugar durante los periodos sin riego, el contenido máximo de sal recomendado es del 0,05%, dependiendo de: · El tipo de tierra · El cultivo a plantar · El método de riego Algunos cultivos como el algodón, pueden tolerar un contenido de sal de hasta el 0,3%, 3.000 T.D.S. Saturación
El contenido de nutrientes puede caer drásticamente si la textura de la tierra permanece saturada durante largos periodos de tiempo. Cubrir la tierra es una forma de evitar la saturación, aunque puede haber efectos secundarios como la perforación de la tierra o procesos digestivos de textura de la misma. Estos efectos secundarios surgen cuando la tierra se ve privada de aire. Un drenaje eficiente es por lo tanto fundamental para garantizar los máximos efectos del riego.
El nivel de drenaje depende del tipo de tierra.
6. Catálogo de bombas Este capítulo contiene información básica acerca de las bombas utilizadas habitualmente por Grundfos para sistemas de riego. Tenga en cuenta que estas bombas representan únicamente una pequeña fracción de la cartera de productos de Grundfos. No obstante, antes de realizar su selección final le recomendamos que consulte siempre el programa de cálculo de bombas Grundfos WinCAPS o que contacte con su representante local de Grundfos para recibir información detallada del producto y sus aplicaciones. Afortunadamente, la selección de una bomba no es tan complicada como la ciencia aeroespacial. Sin embargo, para elegir la bomba correcta hay que tener en cuenta algunos factores. Antes de elegir su bomba debería considerar los parámetros que se relacionan a continuación. 6.1 Factores que se deben considerar 1) Diseño del sistema de riego adecuado El sistema de riego debe: · Adecuarse a las necesidades de agua de la cosecha y · Optimizar la eficacia del riego Dividir el área a regar en zonas con distintas necesidades de riego le ayudará a resolver esta situación. Puede elegir realizar una división por tipos de cosecha o quizá por la exposición al sol y al viento, si es posible. Para determinadas cosechas puede seleccionar zonas umbrías o en pendiente. 2) Equipo de riego Distintos equipos de riego requieren distintas cantidades de agua y presión. Por ello, el equipo se deberá seleccionar antes que la bomba.
No se debe pasar por alto el cuadro de control. Este dispositivo controla el rendimiento de la bomba, incluso encendiéndola y apagándola en periodos predeterminados. Si no riega en periodos con luz solar directa o con fuertes vientos ahorrará agua. Un cuadro de control Grundfos puede programarse para optimizar el funcionamiento, respetando tanto la cosecha como el ahorro de agua. Apagando la bomba durante un tiempo se consigue que el suelo absorba el agua de riego. Encendiéndola más tarde mejorará la absorción y reducirá el consumo de agua. 3) Fuente de suministro de agua El origen del agua de riego influye en la bomba que se va a seleccionar. Las bombas sumergibles en pozos profundos están especialmente diseñadas para bombear agua desde varios cientos de metros bajo tierra. Para bombear agua de superficie puede usar distintos modelos de bombas.
4) Consumo energético Las bombas y los motores presentan eficacias diferentes, y la eficacia total se debe calcular siempre antes de realizar la selección final. La factura de la luz depende de cuántos kW absorbe el motor. Sólo tiene que comparar el caudal y el tope que produce la bomba con el consumo de kW del motor. Se puede calcular como sigue: Rendimiento % = Q x H x 100 365 x P1 Q = caudal en m3/h H = head (pressure from pump inmetres) H = altura (presión desde la bomba en metros) P1 = kW requeridos por el motor. No deben confundirse con la salida en kW que aparece estampada en la placa del motor. La mayoría de los fabricantes de bombas pueden suministrar todos los datos relevantes, para poder calcular la eficacia con precisión. 5) Caudal Hay dos elementos básicos que son cruciales: · La disponibilidad de agua · Las necesidades de agua del cultivo Al utilizar agua subterránea, solemos recomendar usar más de un pozo para minimizar el descenso de nivel del agua. También se recomienda emplear varias bombas pequeñas en lugar de una grande. Algunas ventajas son: · Fácil activación/desactivación de las bombas en función de la demanda de caudal · Minimización de las fugas producidas por la presión excesiva del sistema · Se reduce el consumo energético, al limitar la altura · Se evitan las influencias negativas en el acuífero.
6) Presión La presión del sistema debe mantenerse lo más baja posible. Los motivos son: · Se reducen las fugas. · Se conserva el agua · Se reduce el consumo energético No obstante, se suele necesitar una presión mínima específica para un funcionamiento correcto. Sin ella, el rendimiento que anuncia el fabricante no será posible. 7) Consideraciones adicionales Las bombas sumergibles ofrecen dos ventajas principales al obtener agua de un embalse o lago: · Se mejora la protección antirrobo cuando las bombas están sumergidas · Se reduce el ruido únicamente al ruido de los tubos y las válvulas Tenga en cuenta que en una instalación horizontal en un embalse o lago, se necesita un manguito para garantizar la refrigeración adecuada del motor. 8) Rendimiento variable de la bomba La regulación de la velocidad es el modo más eficaz de adaptar el rendimiento de la bomba en función de la demanda de salida. Se pueden arrancar y detener bombas adicionales en consecuencia. Grundfos dispone de una serie de bombas con control de velocidad variable, y puede suministrar bombas de presión embaladas con controles simples. Algunos fabricantes de equipos de riego también diseñan controladores, que están optimizados para bombas y equipos de riego por separado. 9) Protección de la bomba Grundfos dispone de una amplia gama de dispositivos de protección frente a los problemas más comunes como la sobrecarga, el exceso o la falta de tensión, el desequilibrio de fases, y la refrigeración insuficiente.
Grundfos SP / SP A / SP - G - Bombas sumergibles de 4”, 6”, 8”, 10” y 12” Alta eficacia de bombeo La gama Grundfos de bombas sumergibles todas de acero inoxidable es idónea para el riego en horticultura y agricultura. La
gama SP se caracteriza por el control permanente de la energía y por los bajos costes de instalación y mantenimiento. Ejemplo: Precio por kWh: 0,10 € Agua bombeada: 200 m3/h con un tope de 100 m Periodo: 10 años La selección de una bomba con un 10% más de eficacia puede ahorrarle 60.000 €.
Curvas de rendimiento Grundfos SQ / SQ-N / SQE / SQE-N - Bombas sumergibles de 3” Instalación y manejo sencillo La bomba SQ de Grundfos es un modelo estándar de la serie de bombas sumergibles de 3”. La SQ es ideal para sistemas de riego más pequeños, donde la instalación y el manejo sencillos son fundamentales. Paquete SQE El paquete de presión constante SQE es una solución completa que no necesita unidades de control ni conexiones adicionales. Todo lo que necesita para instalar la bomba se incluye en el paquete: unidad de control, tanque de presión, sensor de presión, cable, manómetro, válvula y la bomba sumergible.
Grundfos CR / CRI / CRN - Bombas centrífugas multicelulares Adición de una presión constante al sistema El mantener una presión constante suficiente en el sistema de riego puede ser vital para garantizar un riego uniforme. Si su bomba sumergible no puede suministrar una presión constante por culpa de la pérdida de presión en las tuberías, por diferencias de altura o por tuberías largas o curvadas, la gama CR de Grundfos le garantiza exactamente el caudal y la presión que necesita. La gama CR de Grundfos es sumamente fiable y de bajo consumo. Y a pesar de la larga vida de la bomba, prácticamente no necesita mantenimiento.
Grundfos NB / NK - Bombas centrífugas de aspiración axial Presión constante para sistemas a gran escala Las bombas de aspiración axial Grundfos son especialmente adecuadas para la distribución de agua en sistemas de riego a gran escala. Los sistemas multiusos de alto rendimiento ofrecen un volumen extremo y un funcionamiento fiable bajo condiciones de trabajo severas. Además, la construcción horizontal de la bomba permite el desmantelamiento sencillo de la misma y su diseño de “back pull-out” (extracción posterior) garantiza un mantenimiento sencillo.
Curvas de rendimiento
Grundfos BM / BMB - Módulos de presión de 4”, 6” y 8” Una presión excepcional en todos los aspectos Porque cada uno de los componentes de la bomba BM de Grundfos va integrado en un manguito de acero inoxidable de gran calidad, totalmente a salvo de posibles elementos dañinos. En consecuencia, el módulo de presión se puede enterrar en al tierra o instalar al aire libre, dependiendo de sus necesidades concretas. Aisladas de cualquier influencia externa, las bombas de la gama BM de Grundfos nunca están expuestas al desgaste y por tanto no necesitan mantenimiento. Esto implica un funcionamiento fiable y de bajo consumo, una vida útil sumamente larga y ausencia total de fugas gracias a la ausencia de obturadores en el eje. Curvas de rendimiento
Grundfos DME / DMS - Bombas dosifi cadoras de diafragma Curvas de rendimiento Fertilización ajustada La aplicación de nutrientes a través de los sistemas de riego se denomina “fertilización”. El nutriente que se aplica con más frecuencia es el nitrógeno. Otros elementos aplicados con menos frecuencia son el fósforo, potasio, sulfuro, cinc y hierro.
La gama de dosificación de diafragma Grundfos es idónea para este sistema ya que es resistente a productos químicos altamente corrosivos y al mismo tiempo es capaz de inyectar cantidades sumamente precisas de fertilizante. Además, una solución dosificadora Grundfos garantiza la mezcla óptima de fertilizantes en el agua, y no se ve afectada por los cambios en la presión del agua, lo cual, combinado con precisión, garantiza un riego preciso y uniforme.
7. Acerca de Grundfos Con fábricas a lo largo de todo el mundo y una producción anual de más de 10 millones de bombas, Grundfos es uno de los fabricantes de bombas más grandes del mundo. Ayuda experta Se puede prestar ayuda durante todas las etapas del proceso de riego: desde las etapas de planeamiento iniciales pasando por la instalación y puesta en marcha hasta el servicio técnico y mantenimiento. Nosotros somos especialistas: nuestro negocio consiste en conocer todo acerca de los sistemas de bombeo. Además, nuestro conocimiento especializado nos proporciona una amplia visión para detectar las posibles soluciones. Procuramos que todas las soluciones sean energéticamente eficientes y mecánicamente fables y, a menudo, personalizadas de acuerdo con necesidades específicas. Proveedor de una gama completa Además de nuestra amplia gama de bombas de calidad para riego, también ofrecemos soluciones de protección contra incendios, calefacción, aire
acondicionado, suministro de agua, procesos sanitarios, aguas residuales, dosificación y aplicaciones industriales. Presencia global Grundfos cuenta con una organización de profesionales de venta, soporte y servicio técnico altamente eficiente a lo largo de todo el mundo. Con más de 13.000 empleados en 67 compañías Grundfos instaladas en 40 países, nunca estamos lejos. Donde quiera que se encuentre, siempre podrá contactar con nosotros para aconsejarle y ayudarle, y los recambios estarán siempre disponibles. El Grupo Grundfos realiza fuertes inversiones en I+D con el fi n de poder lanzar constantemente productos que marquen tendencia con más capacidades y un funcionamiento de alta calidad. La calidad es el componente clave en todos los productos Grundfos, lo cual implica centrarse constantemente en la construcción, diseño y elección de los materiales y procesos. Las compañías Grundfos cumplen con los estándares de medio ambiente de la norma ISO 14001 y la Europea EMAS. Si desea más información, por favor visite: www.grundfos.es
CLASIFICACIÓN Y SELECCIÓN DE LOS SISTEMAS DE RIEGO Ing. Ignacio Germán García Casillas
Los sistemas de riego se pueden clasificar en tres principales grupos de métodos para irrigar. Los riegos por superficie, los de aspersión y los de riego localizado o microirrigación. Sistemas de riego por superficie Los sistemas de riego por superficie pueden clasificarse en dos grandes grupos: los que cubren completamente la superficie con agua, como es el caso del riego en melgas, o cuando ésta se cubre sólo parcialmente, como es el caso de riego en surcos. Los métodos que incluyen el cubrir toda la superficie del suelo son el riego de inundación de campo a partir de un canal y el riego por melgas. En el riego por surcos o cubrimiento parcial del suelo, el agua al infiltrarse en el suelo se mueve tanto lateralmente como hacia abajo con el fin de humedecer la zona radicular de las plantas.
1. Método de inundación de campo El método de riego más antiguo es sin duda el de inundación de campo. El agua se aplica directamente al campo a partir de un canal sin más trazo que algunos bordos a nivel para controlar el flujo del agua. 2. Método de riego por melgas Consiste en regar controlando la inundación de la superficie. El campo es dividido en franjas (melgas) mediante bordos paralelos creando un canal ancho de poca profundidad. El agua es introducida en la cabeza superior y progresivamente cubre la superficie completa. Existen principalmente dos tipos de riego por melgas: Abiertas, y a nivel o cerradas. 3. Método de riego por surcos Con este método, pequeños canales a surcos son usados para conducir el agua sobre la superficie del suelo en flujos pequeños, individuales y paralelos. Este método es todavía muy común en cultivos en hileras a través del mundo. Las corrugaciones a pequeños surcos son frecuentemente usados en cultivos de siembra densa. Este método es especialmente bueno para suelos de baja velocidad de infiltración o que sus partículas se dispersan cuando se inundan formando costras duras cuando se secan. Los surcos en contorno facilitan el riego en terrenos con pendientes más pronunciadas sin crear problemas potenciales de erosión. La adaptabilidad, sus limitaciones y ventajas de cada método de riego por superficie son presentadas en la Tabla 1. Los sistemas de riego por aspersión Los sistemas de riego por aspersión pueden ser clasificados de varias formas, una es de acuerdo al grado de portabilidad (Fry y Gray, 1971) la cual parece ser especialmente útil. 1. Sistema de riego por aspersión completamente portátil. Estos sistemas emplean líneas de conducción principales, líneas laterales y aspersores que son todos portátiles. 2. Sistemas de riego por aspersión semiportatiles. Los sistemas de este tipo cuentan con líneas de conducción principales fijas y laterales con aspersores portátiles. 3. Sistemas de riego por aspersión fijos. Los sistemas fijos de riego por aspersión cuentan con todos sus componentes fijos en una sola posición durante su funcionamiento al irrigar el campo. Otra forma de clasificar los sistemas de riego por aspersión es de acuerdo a la naturaleza de sus movimientos (continuo, en línea, pivoteo, movimiento alto). De hecho, el método mas apropiado para la clasificación de este tipo de sistemas depende del objeto para lo cual se pretenda clasificarlos.
El grado de mecanización es también objeto de clasificación importante en este tipo de sistemas de riego. Así, los sistemas de movimiento manual, movimiento mecanizado y automáticos son reconocidos frecuentemente también. Los sistemas de riego por microirrigación A medida que el agua disponible para riego disminuye, los sistemas de riego por microirrigación o riego localizado, se han hecho más populares; sin embargo no es solamente su eficacia en el uso del agua lo que ha hecho que cada día más agricultores y profesionales del riego vean a estos métodos de riego como la mejor opción en la mayoría de los cultivos en hileras. Estos sistemas de riego han evolucionado mucho en las últimas dos décadas y quedan bajo este grupo desde los originales riegos por goteo y posterior surgimiento de los sistemas de riego por microaspersión hasta los riego por cintilla de goteo hoy ampliamente usados en muchos cultivos por hileras. 1. Los sistemas de riego por goteo.
Estos sistemas de riego emplean emisores para depositar el agua sólo en la superficie de suelo próxima a la planta. Generalmente aplicando pequeños gastos de agua pero lo suficiente para reponer la humedad del suelo de la zona radicular, ésto bajo la condición de riegos muy frecuentes casi en base diaria. El riego por goteo también se caracteriza por gastos usualmente de 2 a 4 lph 2. Los sistemas de riego por microaspersión Se desarrollaron para mejorar la distribución del agua de riego donde el gotero no garantizaba el cubrir adecuadamente la zona radicular como era el caso de los suelos arenosos. Estos temas de riego muy populares e en riego de huertos y los emisores pueden ser tipo rociador, los cuales distribuyen el agua siguiendo un patrón de rociado en finas líneas de agua; mientras que los de tipo de riego con dispersor dinámico cuentan con un dispositivo que asperja el agua en una lluvia fina. Ambos tipos de microaspersor descargan gastos desde 25 a 160 lph y tienen un alcance con un radio de mojado frecuentemente no mayor a los 2.5 mts.
3. Los sistemas de riego por cintilla Estos sistemas de riego son cada vez más ampliamente usados y representan la respuesta viable del riego por goteo para muchos cultivos estacionales. Las cintillas se clasifican por el espesor de su pared de polietileno que van desde la más ligera de tan sólo 4 mil milésimas de pulgada hasta las más gruesas que son de 20 mil. Sus descargas se miden en litros por hora/metro. En estos sistemas de riego de cintilla, la línea lateral y el emisor están integrados en una sola unidad. Sus puntos de goteo a lo largo de la cintilla van desde 10, 20, 30 y 40 centímetros dando así la posibilidad de muy variados usos. Sus descargas fluctúan desde las cintas de bajo flujo de 2.0 lph/m hasta los de alto flujo de hasta 7.0 lph/m. En síntesis, se puede mencionar que los sistemas de riego por microirrigación tiene componentes comunes que los hacen que se integren en un mismo grupo. Es frecuente ver en ellos los sistemas de fertilización, los sistemas de filtración y el diseño de sus redes de tuberías basadas en procedimientos muy parecidos.
Selección del sistema de riego La selección del sistema de riego más adecuado y que mejor se adapte a las condiciones del sitio es un proceso donde se combina la experiencia y el análisis de los siguientes factores: Las condiciones del sitio, los aspectos económicos y la disponibilidad de los materiales y equipos que conforman el sistema de riego. A continuación se presentan algunos factores que favorecen la elección de un determinado método de riego. a) Factores que favorecen el riego por superficie Los siguientes factores usualmente favorecen la instalación de un sistema de riego por superficie. No se dispone de capital para hacer una inversión inicial en otros tipos de sistemas más sofisticados. La mano de obra y el agua son relativamente baratos para operar un sistema de superficie. La topografía de la superficie es tal que sólo requiere muy poca preparación adicional para la implementación de un riego por superficie. El gasto de agua es relativamente grande; pero sólo se dispone de él por cortos períodos. El cultivo tiene requerimientos especiales de agua, tales como el arroz, que necesita para su crecimiento estar cubierto en gran parte por el agua. b) Factores que favorecen a un sistema de riego por aspersión Los siguientes factores que se listan a continuación son aquellos que usualmente favorecen la instalación de un sistema por aspersión. Los suelos son muy porosos ó variables para obtener una buena distribución por métodos de superficie. Los suelos son muy poco profundos para ser apropiadamente nivelados. Los costos de nivelación son excesivos. El suelo es fácilmente erosionado El gasto de agua disponible es pequeño, pero puede obtenerse siempre que sea requerido. No se dispone de mano de obra capacitada y hábil para manejar un sistema de riego de superficie. Solamente se requiere de una irrigación complementaria Una pequeña pero constante aplicación de agua es requerida. Ventajas adicionales que se adjudican a los sistemas por aspersión 1. La cantidad de agua aplicada es fácilmente medida. 2. Existe una mínima interferencia con el resto de las operaciones agrícolas. 3. Una alta eficiencia en la aplicación del agua es posible de lograr. 4. Los aspersores pueden ser usados para proveer protección contra la congelación y el calor excesivos. c) Factores que favorecen un sistema de riego por goteo
Algunos de los factores que favorecen al riego por aspersión también favorecen al de goteo. Los suelos son muy porosos y variables para permitir una buena distribución del agua por métodos de superficie. Los suelos son muy poco profundos para ser apropiadamente nivelados. Los costos de nivelación son excesivos. El suelo es fácilmente ocasionado. El gasto es pequeño, pero disponible cuando se le requiere. Lo siguiente puede ser agregado a lo anteriormente expuesto: El suministro de agua es limitado. El costo de la mano de obra es alto. El costo del fertilizante es elevado. BIBLIOGRAFíA CriddIe, W.D. y T.C. Kalisvaart. 1967. Surface irrigation system. Capítuto 45. Hagan R.M., H.R. Haise y TA Edminister (editores), Irrigation of Agricultura[ lands. American Society of Agronorny, Monograph No. 11. Kang, S.T. 1972 Irrigation in Ancient Mesopotarnia Water Resources Buftetin 83: 619-624, June. Iraelsen, OA , y V.E. Hansen, 1967. Irrigation Principles and Practices. 3rd edition, Jonh Wey and Sons, New York.
Riego El riego tiene dos objetivos principales: - Suministrar la humedad esencial para el crecimiento de la planta, el cual incluye el transporte de los nutrientes esenciales. - Lavar o diluir las sales en el suelo. El riego provee un número de beneficios secundarios, tales como el calentamiento del suelo y la atmósfera, para crear un ambiente más favorable para el crecimiento de la planta. El riego complementa el suministro de agua recibida de la precipitación y de otros tipos de agua atmosférica, como el agua proveniente de crecientes y el agua subterránea. El método de riego y la duración del mismo tienen efectos significativos en la producción de los cultivos. Los cultivos anuales pueden no germinar si el riego genera la creación de una costra sobre el lecho de la semilla. Una vez establecida, la tensión creada por las fuerzas de la humedad del suelo pueden frecuentemente afectar severamente los rendimientos, si ellos ocurren durante períodos críticos. En consecuencia, mientras que el primer objetivo del riego es llenar el almacenamiento de humedad del suelo, el método y su manejo son consideraciones importantes. Las sales están contribuyendo al riego mediante dos procesos principales: - la concentración de sal - el intemperismo químico. Los efectos de la concentración de la sal en el suelo se presentan debido a la remoción del agua por el uso consuntivo de los cultivos y por la vegetación natural. El riego junto con la exportación de agua de alta calidad entre cuencas y la evaporación de las superficies de agua de corrientes y lagos son las causas principales del incremento en los niveles de salinidad, generados por efectos de concentración. Las sales también se pueden acumular en el suelo por el efecto químico del clima en el suelo y en el sustrato, por el agua de riego y por los flujos naturales subsuperficiales. Otro problema ambiental serio asociado con la agricultura bajo riego es la erosión del suelo superficial y de los nutrientes del suelo, por la entrada del agua a los embalses, canales y laterales generada por usuarios que se encuentran aguas abajo. La sedimentación reduce la capacidad de los canales de riego y drenaje, resultando en programas de mantenimiento costosos y de gran escala y la instalación
de estructuras costosas para su remoción. La vida útil de las represas y embalses es calculada frecuentemente en términos de la tasa de sedimentación. En vista de las necesidades de riego para incrementar la producción de alimentos y fibra con todas la consecuencias asociadas a la estabilidad de una sociedad, también como el potencial por los efectos ambientales adversos, la tecnología de riego es más compleja de lo que muchas personas no profesionales aprecian. Es importante que el alcance de la ingeniería de riegos no se limite solamente a la derivación del agua y al sistema de conducción hacia el terreno irrigado, más bien lo que el "ingeniero de riegos" debe integrar, son los subsistemas de entrega, finca, y drenaje, en una disciplina cohesiva. La administración del riego es hecha frecuentemente para maximizar eficiencias y minimizar las necesidades de capital y obras para un sistema de riego particular, manteniendo un ambiente favorable para el crecimiento de la planta. Algunas decisiones administrativas dependen del tipo de sistema de riego y del diseño del sistema. Por ejemplo el grado de automatización, el tipo de sistema (aspersión, goteo, o riego superficial), la reutilización del agua a la salida del terreno, el tipo de suelo, las variaciones topográficas del campo o la finca, y la existencia y localización de herramientas administrativas tales como estructuras de medida de flujo y control de agua, pueden influenciar el proceso de toma de decisiones administrativas. Sin embargo, las decisiones administrativas que son comunes para todos los sistemas, sin importar el tipo, son la frecuencia de riego, la profundidad de agua a ser aplicada y las medidas para incrementar la uniformidad de la aplicación, tales como la nivelación o conformación del terreno. Además, los sistemas individuales pueden ser manipulados para aumentar enormemente la eficiencia de la aplicación. Por ejemplo, en el riego por surcos algunos cultivadores usarán dos sifones por surco al comienzo del riego (fase de avance) y cuando el agua ha alcanzado el final del surco es retirado un tubo (fase de humedecimiento). Esto incrementa la eficiencia disminuyendo la escorrentía a la salida del terreno, pero requiere de una decisión para realizar un trabajo adicional. SELECCIONANDO UN METODO DE RIEGO Hay una gran cantidad de consideraciones que deben ser tenidas en cuenta en la selección de un sistema de riego. Estos factores variarán en importancia de lugar en lugar y de cultivo a cultivo. Brevemente, estas consideraciones incluyen la compatibilidad del sistema con otras operaciones agrícolas, factores económicos, limitaciones topográficas, propiedades del suelo y varias influencias agronómicas y externas. Compatibilidad del riego El riego para un campo o una finca debe ser compatible con las demás operaciones existentes en la finca, tales como la preparación de la tierra y las prácticas de cultivo y cosecha. Por ejemplo, el uso de maquinaria grande más eficiente requiere de terrenos más largos y anchos, y quizás aún un riego portátil. Consideraciones Económicas El tipo de sistema de riego seleccionado es también una decisión económica. Algunos tipos de sistemas de aspersión tienen costos altos por hectárea y su uso es por lo tanto limitado a cultivos de alto valor. Otros sistemas tienen requerimientos de mano de obra altos y algunos tienen costos de operación muy altos. Algunos sistemas tienen limitaciones con respecto al tipo de suelo o a la topografía en la cual ellos pueden ser usados. La vida útil esperada del sistema, los costos fijos y los costos de operación anual (energía, depreciación del agua, preparación de la tierra, mantenimiento, mano de obra, impuestos, etc.) deben ser incluidos también en el análisis cuando se esté seleccionando un sistema de riego. Cuando se está considerando la economía de un sistema de riego se debe tener en cuenta que el sistema que produce la ganancia más alta, compromete los cuatro recursos de mano de obra, agua, tierra y capital. Dentro de algunos límites, cada recurso puede ser cambiado por otro, con solo un cambio marginal en la ganancia total de los sistemas. Por lo tanto, el agua puede ser ahorrada en un sistema de riego superficial, si es usada más mano de obra o mano de obra más calificada para aplicar el agua. Limitaciones Topográficas que se pueden encontrar para el riego Las restricciones en la selección del sistema de riego debidas a la topografía, incluyen los niveles de agua subterránea, la ubicación y elevación relativa de la fuente de agua, los límites del terreno, el tamaño de cada campo, la localización de carreteras y gas natural, líneas de electricidad y agua y otras obstrucciones, la forma del campo y la pendiente del campo (las cuales pueden variar dramáticamente dentro de un mismo campo). También deben ser consideradas las condiciones de la superficie del campo tales como la rugosidad relativa y drenajes. La pendiente del terreno es muy importante. Algunos tipos de aspersores pueden operar en pendientes hasta del 20% o más, pero el riego por surcos o por piscinas desniveladas está limitado usualmente a una pendiente máxima de alrededor del 2 al 6%. El riego por goteo puede ser usado en pendientes hasta de 60%. La forma de un campo también determina el tipo de riego. Por ejemplo, las piscinas niveladas, los surcos, los aspersores en bloque o movidos a mano, el riego subsuperficial, los diques perimetrales o
los sistemas de riego por goteo, pueden ser ajustados para llenar casi cualquier forma de terreno; mientras que un aspersor de pivote central debe tener campos de forma aproximadamente cuadrada. Características del suelo El tipo de suelo, la capacidad del suelo para mantener la humedad, la tasa de toma de agua y la profundidad efectiva del suelo también son criterios que entran en la selección del tipo de sistema. Por ejemplo, los suelos arenosos tienen una tasa alta de toma de agua y aceptarán aspersores de volumen alto, los cuales serían inaceptables en un suelo arcilloso compactado. La capacidad de retención de humedad influenciará el tamaño de los aparatos de riego y la frecuencia de las irrigaciones, como es evidente en un suelo arenoso con una capacidad de retención de humedad baja, el cual requiere de aplicaciones de agua pequeñas y frecuentes. Un aspersor de pivote central o de rodamiento lateral o aún un sistema de riego por goteo se comportaría satisfactoriamente en este caso. También otras propiedades del suelo son factores significativos cuando se está considerando el tipo del sistema del riego que será más ventajoso en una sistuación particular. El encostramiento y la erodabilidad deben ser considerados en cada diseño de sistema de riego y la distribución espacial de las propiedades del suelo puede ser una limitación importante en algunos métodos de aplicación de agua para riego. Fuente de agua para el riego Las características de calidad, cantidad y distribución temporal de la fuente del agua para riego tienen una importancia significativa en la práctica del riego. Las demandas de agua para cultivos son esencialmente contínuas durante la etapa de crecimiento, aunque varían en magnitud. Un suministro de agua disponible permanente y pequeño, es utilizado mejor en un sistema de riego de capacidad pequeña, el cual tenga en cuenta aplicaciones frecuentes. Las profundidades de agua aplicadas en cada evento de riego son por lo tanto pequeñas en comparación con sistemas que tienen disponible una descarga grande menos frecuentemente. La calidad del agua junto con la frecuencia de riego debe ser evaluada. La salinidad es generalmente el problema más significativo, aunque otros elementos tales como el boro, pueden ser importantes. En este caso, un suministro de agua altamente salina puede ser aplicado más frecuentemente y en cantidades más grandes, que agua de buena calidad. Factores relacionados con el cultivo Algunos de los factores relacionados con los cultivos en crecimiento, los cuales influencian la selección de un sistema de riego y su eventual administración, son resumidos por Corey y Hart (1974): 1. La tolerancia del cultivo a la salinidad del suelo durante el desarrollo y la maduración, la aireación y varias sustancias como el boro; 2. La magnitud y la distribución temporal de las necesidades de agua para obtener la máxima producción; y 3. El valor económico del cultivo. La inversión permitida en el sistema y los cultivos que pueden ser irrigados por un sistema específico, son afectados por estos factores relacionados con el cultivo, en cada caso. Influencias Externas A veces, la selección de un método de riego puede ser definida por consideraciones que de alguna manera pueden no estar relacionadas con la agricultura. El proyecto de riego puede estar diseñado desde el embalse hasta la entrega del agua sin tener en cuenta lo que se necesita en la finca y por lo tanto forza a los granjeros a utilizar un método de riego. Asuntos nacionales acerca del intercambio con el extranjero y consultas con residentes por fuera del país, pueden limitar la importación de tecnologías alternativas y las capacidades de manufactura local pueden no ser adecuadas. En consecuencia, es fácil encontrar países donde el riego por goteo podría ser utilizado con beneficios económicos, pero es un obstáculo debido a una norma. Algunos métodos pueden estar culturalmente arraigados y son usados sin tener en cuenta su conveniencia. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL RIEGO SUPERFICIAL El término "riego superficial" se refiere a una clasificación amplia de métodos de riego, en el cual el agua es distribuída en un campo por un flujo de agua por gravedad, con superficie libre. Un flujo es introducido en un punto alto o a lo largo de un borde alto del terreno donde le sea permitido cubrir el campo con un flujo sobre el terreno. La tasa de cubrimiento depende casi totalmente de las diferencias cuantitativas entre el caudal de entrada y la infiltración acumulada. Factores secundarios incluyen la pendiente del campo y la longitud, así como también la rugosidad superficial. La práctica del riego superficial tiene miles de años y representa colectivamente con mucha ventaja, la actividad de riego más común hoy en día. Los suministros de agua más fáciles para desarrollar han sido los cursos de los ríos o corrientes, los cuales requirieron solamente de un dique simple y un canal para proveer de agua a los terrenos adyacentes. Estos suelos que permanecen bajos, típicamente tenían un alto contenido de arcilla y sedimentos y tuvieron relativamente pequeñas pendientes. Una comparación de los métodos de riego en varias coyunturas históricas llevarían a diferentes conclusiones, pero algunas ventajas y desventajas generales del riego superficial pueden ser esquematizadas. Como se refirió anteriormente, los sistemas de riego superficial pueden ser desarrollados con una inversión de capital mínima, aunque estas inversiones pueden ser muy grandes si el suministro de agua y los terrenos a irrigar están distantes. A nivel de la finca y aún a los niveles de conducción y
distribución, los sistemas de riego superficial no necesitan equipo complicado y costoso. Las necesidades de mano de obra para el riego superficial tienden a ser mayores que para los sistemas de tipo presurizado, pero la mano de obra todavía no necesita ser mucha a menos que se busquen eficiencias máximas. Sin embargo, cuando las fuentes de agua son escasas los granjeros han desarrollado prácticas altamente habilidosas con las cuales se logran altas eficiencias. Con la variedad de sistemas de riego en uso hoy en día, es difícil concluir si los costos de operación y mantenimiento son necesariamente más bajos con los métodos superficiales. Generalmente, los costos de energía son sustancialmente más bajos, pero la ineficiencia puede reversar bastante este factor. Por el lado negativo, el riego superficial es típicamente menos eficiente en la aplicación del agua que un riego por aspersión o riego por goteo. Dado que muchos sistemas están situados en terrenos bajos con suelos más compactados, los sistemas superficiales tienden a ser más afectados por problemas de inundación y salinidad. La necesidad de usar la superficie del terreno como un elemento de conducción y distribución requiere que los campos estén bien nivelados. Los costos de nivelación de tierra son altos, por lo que la práctica del riego superficial tiende a ser limitada a tierras que ya tienen algo o poca pendiente.
¿Por qué es importante el riego? Dr. Enrique Palacios Vélez Importancia del agua en las plantas El agua es uno de los más importantes componentes de todos los organismos vivientes. Específicamente en las plantas, es el principal constituyente, ya que representa 80% o más del peso de las plantas herbáceas y alrededor de un 50% de las leñosas. Además de ser una parte fundamental, constituye el medio de transporte de los nutrientes que provienen del suelo y en el proceso fotosintético, el agua se combina con el bióxido de carbono para constituir la biomasa, es decir la planta misma. A pesar de que el agua es parte de la planta, como ya se ha dicho, el consumo mayor de este elemento no es en la formación de los tejidos vegetales, sino en el proceso de transpiración. Se estima que en la mayoría de los cultivos el agua evapotranspirada durante su desarrollo representa más del 95% del consumo de este elemento. La transpiración de las plantas constituye un importante proceso en su desarrollo, el cual se puede describir brevemente en la siguiente forma: El agua almacenada en el suelo, dentro de la zona de exploración de las raíces de las plantas, penetra a éstas por los pelillos absorbentes de la raíz, debido a diferencia del potencial hídrico o diferencia de presión, la cual generalmente es mayor en el suelo que en la planta. Posteriormente se mueve por el xilema de la planta, también por diferencia de potencial, hasta llegar a las hojas y sale por las estomas (pequeños orificios que abundan principalmente en el envés), de donde se evapora por efecto de la energía radiante. Parte del agua almacenada en el suelo, se evapora directamente de éste, principalmente cuando la cubierta vegetal no lo cubre en su totalidad, por esta razón se dice que los cultivos evapotranspiran. La cantidad de agua que evapotranspira un cultivo depende de varios factores, como se explicará con más detalle en el siguiente capítulo; sin embargo, se puede adelantar que el flujo de agua del suelo a la atmósfera depende de la demanda, que por una parte establecen los factores atmosféricos, como son la radiación solar, la temperatura del aire, su contenido de vapor de agua y la velocidad del viento, y por otra, de la oferta de agua que depende del contenido de humedad en el suelo, de sus características físicas y de las características morfológicas y fisiológicas de las plantas. Es conveniente señalar que cuando la velocidad de salida del agua por las hojas supera a la de entrada por la raíz, la planta toma agua de sus tejidos y empieza a mostrar signos de marchitamiento, el cual puede ser irreversible si continúa este desbalance; sin embargo, como defensa a esta situación adversa, reduce la apertura estomatal, con lo cual se reduce la velocidad de salida del líquido. Cuando sucede esta situación, se dice que la planta sufre de un déficit de humedad, porque la demanda de agua supera al abastecimiento. Se ha visto que hay una íntima relación entre el agua que transpiran las plantas y la cantidad de biomasa que se fotosintetiza. Según una teoría establecida por el profesor Holandés De Wit (1958), la cantidad de bióxido de carbono que entra a la planta depende de la apertura estomatal, de la cual también depende la cantidad de agua que sale de la planta en el proceso de transpiración, de tal manera que hay una relación lineal entre la cantidad de agua transpirada y la biomasa generada; es decir, a más transpiración más producción de biomasa o de materia seca de las plantas. Las funciones que permiten calcular la tasa de transpiración y de fotosíntesis por unidad de área foliar, en base al gradiente de presión de vapor y al gradiente de bióxido de carbono, son las siguientes:
(1.1)
(1.2) Donde: t = transpiración de la planta en kg de agua por metro cuadrado de área foliar, por segundo, q = materia fotosintetizada en kg por metro cuadrado de área foliar, por segundo, Δe = gradiente de la presión de vapor entre las hojas y el aire adyacente, ΔCO2 = gradiente de la concentración de bióxido de carbono entre las hojas y el aire, y ra, rs, rm = resistencia a la difusión de vapor de agua: (a) capa fronteriza laminar, (s) estomas, (m) mesófilo Los r' corresponden a la resistencia a la difusión de CO 2 y hay una relación entre ambos tipos de resistencias y sus respectivos coeficientes de difusión (D): C = constante para la conversión entre concentración de vapor y presión del mismo
Dividiendo la fórmula 1.2 entre la fórmula 1.1 se tiene:
(1.3) Bajo el supuesto de que la cantidad de CO2 en el aire circunvecino a la planta, varía relativamente poco, puede considerarse sin gran error, que la cantidad dentro del paréntesis rectangular es una constante, a la que se le puede asignar el valor de A, luego: Considerando que hay una tasa de transpiración máxima a la cual se supone que corresponde una máxima cantidad de biomasa fotosintetizada, de la fórmula 1.4 se deduce que:
(1.5) Donde el subíndice (p) indica el valor máximo potencial; por lo que dividiendo la fórmula 1.4 entre la fórmula 1.5 y transformando la relación de constantes, incluyendo las de (e), en otra denominada B, se tiene:
(1.6) Considerando que toda el área foliar, en un período de tiempo dado, sintetiza una cierta cantidad de biomasa que puede expresarse como materia seca (Ms), y como función de la transpiración acumulada (T) en ese mismo tiempo, se tiene finalmente:
(1.7) De aquí se puede despejar el valor de la biomasa (Ms), suponiendo además que la relación de biomasa potencial a transpiración potencial, para un sitio y condiciones dadas es constante y que dicha transpiración potencial puede expresarse en función de algún factor del clima que mida la demanda evapotranspirativa de la atmósfera, como puede ser la evaporación medida en tanque; esto es: Por lo que de la fórmula 1.7 se tiene:
(1.8) Donde b será la relación de B/k. La ecuación 1.8 es la función reportada por De Wit y muestra que la cantidad de biomasa que produce un cultivo, es directamente proporcional a su transpiración acumulada e inversamente proporcional a la demanda evapotranspirativa de los factores de clima, estimada por la evaporación medida en la tina. Por otra parte, Norero (1974), parte de la ecuación 1.7 para demostrar que la relación de producción de biomasa, actual a potencial, también es una función lineal de la evapotranspiración, que es más
fácil de medir que la transpiración, suponiendo que la constante "b" es igual a la unidad y que la evaporación potencial de la superficie del suelo, depende de la cantidad de radiación neta que recibe dicha superficie. La función final a la que llega es:
(1.9) Donde:
Donde: ET = evapotranspiración del cultivo ETX = evapotranspiración máxima del cultivo K = coeficiente de extinción de radiación solar F = índice de área foliar Por otra parte, Doorenbos y Kassam de la FAO (1979), proponen una metodología general para estimar rendimientos en base al déficit evapotranspirativo de los cultivos, la cual se basa en los trabajos realizados en la Universidad de California en Davis por Stewart y asociados (Stewart y Hagan, 1973; Stewart, et al., 1975). Este método propone calcular el rendimiento relativo al máximo de los cultivos, como una función del déficit evapotranspirativo, mediante la siguiente fórmula empírica:
(1.10) Donde además de las variables ya explicadas, se tiene que Y es el rendimiento actual del cultivo, Yx es el máximo potencial ky es un factor de proporcionalidad. Es fácil demostrar que esta fórmula es idéntica a la fórmula 1.9 de Norero, ya que puede expresarse también como:
De donde se infiere que (C+1) = Ky En el Centro de Hidrociencias del Colegio de Postgraduados se hizo un experimento en invernadero con el cultivo de frijol (Cumpa et al., 1984) y se encontró la siguiente función empírica similar a la fórmula 1.9:
Con R2 = 0.99 Se deduce que el valor de C es aproximadamente 0.05; la diferencia observada con el término independiente y la pendiente de esta función, seguramente se debe a errores en la medición (figura 1.1).
Figura 1.1 Relación de evapotranspiración – biomasa En conclusión, de lo que se ha presentado se deduce que el rendimiento en materia seca de la mayoría de los cultivos, depende de la cantidad de agua transpirada y, por lo mismo, se infiere que al presentarse déficit hídricos, los cultivos producirán menos materia seca; sin embargo, debe hacerse notar que la producción de frutos de los cultivos no siempre sigue esta relación lineal; es más, la mayoría de las veces se requiere que el cultivo sufra un cierto nivel de déficit hídrico para que se concentren los azúcares o almidones y se logre un fruto de mayor peso y calidad. Por otra parte, es importante diferenciar el efecto de los déficit, al presentarse en diferentes etapas del desarrollo de los cultivos, por lo que amerita un estudio de más detalle la relación entre déficit hídricos y rendimiento en fruto de las plantas. La respuesta en el rendimiento de los cultivos, cuando éste se mide en la producción de frutos, con respecto a las variaciones de la disponibilidad de agua en el suelo, la mayoría de las veces no es lineal. En efecto, cultivos como el fríjol o el cártamo, son muy sensibles tanto a déficit como a excesos de humedad en el suelo y aún cultivos como el maíz, trigo o sorgo, reducen su rendimiento cuando no hay suficiente agua en el suelo y llegan a la máxima evapotranspiración. En muchos experimentos realizados en el Centro de Hidrociencias del Colegio de Postgraduados, se ha observado que los rendimientos máximos en fruto se presentan cuando los cultivos tienen un consumo de agua entre un 75% y un 85% de la evapotranspiración máxima. Las razones de la disminución del rendimiento a niveles máximos de evapotranspiración, pueden ser varios, entre los que son de mencionarse: la lixiviación de nutrientes, principalmente nitrógeno, la falta de aereación en la zona radicular, así como un ambiente que favorece el desarrollo de hongos y bacterias que pueden ser perjudiciales a los cultivos y condiciones poco favorables para la concentración de almidones y azúcares que requiere el fruto; no obstante, se carece de una buena hipótesis para fundamentar esta reducción en cantidad y calidad de los frutos. De los datos obtenidos en los experimentos a que se ha hecho referencia se encontró, un mejor ajuste a una función cuadrática que a una línea recta (ver figura 1.2); para la recta se obtuvo un coeficiente de determinación menor de 0.5 y para la cuadrática de 0.62; la función referida es:
(1.11) En la figura 1.2, se muestra la relación que hay entre el rendimiento relativo R/Rx en algunas gramíneas y la cantidad de agua evapotranspirada. Se hace notar que la relación entre el rendimiento en grano y la cantidad de agua consumida por los cultivos no es lineal, ya que la máxima producción se presenta cuando la evapotranspiración es del orden de un 75 a 80% de la máxima; esto es más cierto cuando los cultivos se riegan por gravedad o por aspersión, y que en el caso del riego localizado, como el goteo o la microaspersión, el efecto no es tan notable.
Figura 1.2 Relación de valor relativo rendimiento – Evapotranspiración En general se ha observado que los efectos cuadráticos de la variable relacionada con el consumo de agua, son estadísticamente significativos, por lo que puede inferirse que las relaciones no son lineales como en el caso del rendimiento en materia seca.
Experimentos de diferentes niveles de complejidad que se han llevado a cabo en muchos lugares del mundo, demuestran que hay una relación muy íntima entre los rendimientos de los cultivos y la cantidad de agua que disponen, principalmente para satisfacer la demanda evapotranspirativa; además, se ha demostrado que en algunas etapas de su desarrollo vegetativo, las plantas son más o menos sensibles a déficit de agua. En general se puede asegurar que conforme las plantas sufren más déficit de agua, menores serán sus rendimientos y si estos déficit se presentan en etapas críticas de desarrollo, como lo es el inicio de la floración, los abatimientos en los rendimientos son más significativos. Resumiendo, el desarrollo y finalmente el rendimiento de los cultivos depende, no sólo de la cantidad de agua que reciben, sino de cómo se distribuye. Como se verá más adelante, esta forma de distribución depende de las características físicas de los suelos donde se encuentren dichos cultivos y de cómo reciben el agua los suelos. El efecto del riego en la producción agrícola En general, la agricultura de riego es más productiva que la de temporal o secano. De acuerdo a las estadísticas agrícolas nacionales, la productividad media de la tierra en las zonas de riego es 2.8 veces mayor que en las de temporal o secano. La razón de esta diferencia es que en las zonas regadas se obtienen mejores rendimientos en las cosechas y los productos generalmente son de mejor calidad. Esta situación no prevalece solamente en México, en los Estados Unidos de América, también se notan incrementos substanciales en los rendimientos, en donde en promedio las áreas con riego son 3.5 veces más productivas que las de temporal, diferencia mayor que la observada en México; así, en una encuesta realizada en 22 estados de este país, se observan aumentos hasta de más de 400% en los cultivos regados (Turner y Anderson, 1980). En la figura 1.3, se muestran los promedios de aumento para 14cultivos, reportados en dicho trabajo. Las razones por la que los rendimientos aumentan cuando los cultivos se riegan apropiadamente son varias, entre las que destacan al menos cuatro: (1) seguridad de un buen desarrollo de los cultivos sin déficits hídricos, (2) pueden crecer más plantas por hectárea, (3) un uso más eficiente de los fertilizantes, y (4) pueden utilizarse mejores variedades, las cuales se han desarrollado para la agricultura de riego. En relación a la primera razón, ya se informó anteriormente la importancia de que las plantas no padezcan de déficit; adicionalmente, la nacencia de las plantas se asegura cuando se siembra en un terreno con la humedad apropiada, sin el riesgo de que por falta de humedad se pierda la semilla. Respecto a las mayores densidades de semilla que pueden sembrarse en la agricultura de riego, en el mismo estudio de Turner y Anderson (1980), se muestra el efecto en varias localidades de los E.U.A. de las densidades de siembra bajo condiciones deriego y de temporal; en la figura 1.4 se puede ver muy claramente dicho efecto en el cultivo del maíz. También en la figura 1.5 se puede observar como el número de riegos en la caña de azúcar es proporcional al rendimiento, habiéndose encontrado en Veracruz, que de 12 a 13 riegos permiten rendimientos hasta de más de 250 t/ha.
Figura 1.3 Aumentos en rendimiento debidos al riego
Figura 1.4 Efecto en rendimiento en maíz por número El mejor aprovechamiento de los fertilizantes en la agricultura de riego es obvio, ya que estos pasan a las plantas diluidos en el agua que entra por las raíces. Pero en la agricultura intensiva que utiliza riego presurizado, el fertilizante se proporciona a los cultivosmediante sistemas de riego, en las cantidades y con la frecuencia apropiada a las necesidades de los cultivos. Esta práctica, reduce la pérdida de nutrientes de mucha movilidad como lo es el nitrógeno.
Figura 1.5 Relación rendimiento – número de riegos Gran parte de la investigación agrícola se lleva a cabo en condiciones de riego y por esta razón, muchas de las nuevas variedades de semillas de cultivos, están adaptadas para este tipo de agricultura. Finalmente, debe agregarse que además de esperarse mayores rendimientos en la agricultura de riego, también se espera una mejora considerable en la calidad y uniformidad de sus productos. Los resultados de muchas investigaciones muestran cómo puede mejorarse la calidad de los productos
agrícolas con el riego; así, el algodón tiene una fibra más larga, las nueces llenan mejor, la papa logra mayor tamaño y uniformidad, etc. Otros beneficios del riego que deben mencionarse son: el control de algunas plagas, la reducción del peligro de heladas, el control de la fecha de cosecha y en fechas relativamente recientes y la aplicación de diferentes agroquímicos mediante los sistemas de riego presurizados que permiten reducir su desperdicio y que consecuentemente mitigan la contaminación ambiental. Modelos uso agua-producción de cultivos La administración de sistemas de riego para lograr los beneficios más altos, requiere de una comprensión de muchos factores físicos, biológicos, técnicos, y socioeconómicos implicados en la producción de los cultivos. A mayor información que los administradores del agua tengan, y a una mejor calidad de dicha información, serán mejores las decisiones que ellos pueden tomar. Durante los pasados 25 años, el desarrollo y la aplicación de computadoras en el manejo de modelos han permitido describir los aspectos principales de los procesos relacionados con el crecimiento de los cultivos y su rendimiento final, como un efecto de la disponibilidad de agua. El desarrollo de los modelos, se ha debido a una mejor comprensión de procesos en el sistema suelo-planta-atmósfera y a la expansión rápida del uso de las computadoras personales. Sin embargo, sólo unos pocos de los modelos se han aplicado, con un relativo éxito. Las limitaciones de la mayoría de los modelos se ha debido a que solamente se enfocan a un sólo aspecto del manejo del riego, o que se han programado para un simular sistema específico de riego, o que la complejidad de su manejo no concuerda con las habilidades de los usuarios. El desarrollo de las herramientas de simulación con computadora se han enfocado hacia las aplicaciones para modelar varios aspectos del manejo o de la administración del riego. Los modelos de "uso de agua-cultivo" aplicados a nivel de producción de cultivo en parcelas, han sido probablemente el desarrollo más importante en el área de la administración del riego, como se muestra en los modelos presentados de Pereira et al. (1992, 1995). La modelación del riego puede ser considerada en tres niveles, según el alcance técnico del detalle y tipo de aplicación: los modelos para calendarizar el riego, los modelos de simulación de crecimiento de cultivos, y los modelos para la administración del riegoa nivel de sistema (Pereira et al. 1992). El primer grupo de modelos hace énfasis primero en la calendarización del riego. La calendarización del riego proporciona información que se puede usar para desarrollar estrategias de manejo para diferentes tipos de cultivos bajo diferentes condiciones delsuelo y de clima. Estas estrategias se pueden definir utilizando datos obtenidos en el largo plazo, que representan condiciones medias o con factores estacionales, basados en la información en tiempo real para predicciones a corto plazo. Hay disponibles varias técnicas asistidas con computadora que están disponibles para la calendarización del riego, basadas en el método del balance de agua en el suelo (Clarke et al. 1992). Los programas de cómputo generalmente generan calendarios de riego de tal manera que éste se lleve a cabo cuando la humedad estimada en el suelo en la zona de raíz, ha llegado hasta un cierto nivel límite. Las relaciones "agua-suelo" son descritas por sencillas funciones de respuesta del rendimiento de los cultivos a los niveles de humedad del suelo, para predecir la pérdida del rendimiento con base en la relación: evapotranspiración relativa calculada a la evapotranspiración potencial simulada. Algunos de estos modelos se utilizan actualmente en la práctica de campo, mediante la comunicación interactiva con los usuarios en tiempo real. En general, estos modelos se usan a nivel de parcelas para cultivosregados; sin embargo, los procedimientos usualmente se pueden aplicar a una más amplia escala. Adicionalmente, este tipo de modelos para la calendarización del riego, no se han hecho para un tipo específico de cultivos y pueden usarse con diferentesmétodos de riego. Un segundo grupo de modelos incluye los modelos que apuntan a una descripción más detallada de los flujos del agua y solutos en el suelo y/o a una simulación más sofisticada del crecimiento de los cultivos y la formación del producto. Así, estos modelostienen más variables del estado que los modelos anteriores, pero varían considerablemente en nivel de detalle. Estos modelos requieren datos sobre las características específicas del suelo y de los cultivos para una descripción más detallada de cada proceso físico y biológico. Consecuentemente, los modelos desarrollados en este nivel se usan en su mayor parte en investigación y aplicaciones especiales (Pereira et al. 1992, 1995). En México también se hicieron algunos modelos de este tipo, como el descrito por M. A. Rojas y E. Palacios V. (1979) denominado "modelo de simulación digital del sistema suelo-planta atmósfera para estimar rendimiento de cultivos" el cual fue calibrado y probado en Zacatecas y San Luis Potosí, con resultados muy aceptables y que posteriormente fue validado en Puebla en otra tesis. Los sistemas de producción de cultivos son altamente complejos. Los cultivos en el campo son afectados por las condiciones meteorológicas, por los factores fisicoquímicos del suelo, por los insectos, por las enfermedades, por las malas hierbas, y por las interacciones entre estos factores. Una clasificación de sistemas de producción de cultivos, basados en factores restrictivos del crecimiento, ha sido propuesta por de Wit (Penning de Vries et al., 1982). La mayor parte de los modelos de
simulación de crecimiento de cultivos son una mezcla de empirismo y mecanismo, e incluso la mayoría de los modelos mecanistas utilizan el empirismo en algún nivel jerárquico. Un modelo mecanista de producción de cultivos generalmente se considera que se basa en los procesos fisiológicos y físicos y considera la causa y el efecto en el nivel del proceso. Los materiales (el carbón, el nitrógeno, el agua) y el balance energético se incluyen generalmente en este tipo de modelos. Sin embargo, los modelos más útiles para estudiar el manejo del riego de cultivos bajo varias condiciones meteorológicas y de suelos, han sido los modelos ampliamente funcionales. El término dinámico se usa para significar que el modelo de producción de cultivos responde a los cambios diarios (o con mayor frecuencia aún) del medio ambiente. En las décadas pasadas, mucho esfuerzo de investigación ha sido dedicado al desarrollo de modelos de crecimiento de cultivos (Jones, J. W. y J. T. Ritchie, 1990). El CERES (Sing, U., et al. 1988,1993) y las familias de GRO (Hoogenboom, G. et al.1992) de este tipo de modelos están entre los más extensamente usados. Estos modelos simulan el crecimiento de los cultivos, su desarrollo, y su rendimiento para genotipos específicos, y toman en cuenta las condiciones dinámicas de los factores meteorológicos, del agua, así como el del nitrógeno en el suelo, de una manera mecanista. Debido a que estos modelos se basan en conceptos fisiológicos y biológicos junto con datos experimentales, se cree que mediante el proceso de simulación que llevan a cabo, se genera una estimación razonable de las relaciones entre condiciones meteorológicas, el manejo del cultivo, y su efecto en el rendimiento. Un grupo de modelos de crecimiento de cultivos, se han diseñado para optimizar el uso y manejo del agua y del nitrógeno sobre un largo período con datos históricos (Hood, C. P. et al. 1987, Aggarval, P.K. et al. 1994). Los modelos usados para este propósito se basan en el hecho de que el agua y el nitrógeno estarán disponibles a la escala que recomienden. Estos esfuerzos de optimización pueden sugerir la mejor estrategia a largo plazo, para definir las aplicaciones de agua y nitrógeno (a menudo dependiente de etapa de crecimiento) y también demostrar que estas estrategias de optimización del rendimiento de los cultivos, pueden llevarse a cabo solo si se dispone de información adicional como el pronóstico meteorológico. Adicionalmente, a la fenología, la materia seca y los datos del rendimiento final de los cultivos, los modelos SOYGRO (Wilkerson, G. G. et al. 1983, Jones, J.W. et al. 1989), CERESmaíz (Jones, C. A. et al. 1986, Ritchie, J. T. et al. 1989), y CERES-trigo (Ritchie, J. T. and S. Otter, 1984) simulan los valores diarios del índice del área foliar; longitud de las raíces, densidad de la biomasa de los tallos, del grano, y de las raíces; el número de hojas; el contenido de humedad del suelo: evapotranspiración; evapotranspiración potencial; transpiración; los componentes del rendimiento; así como el estrés hídrico. Estos modelos incluyen procesos que describen el desarrollo de la estructura reproductiva, de la fotosíntesis, de la respiración, y de senescencia de los tejidos. Los componentes relacionados con de la administración del riego en estos modelos, permiten que los usuarios escojan las estrategias para mejorar el manejo de los cultivos, como las fechas y las cantidades de agua que se deben aplicar en los riegos para el logro de máximos rendimientos. Los modelos de crecimiento de cultivos tienen ventajas sobre las funciones de la respuesta, dado que éstos son diseñados para ser más robustos en estimaciones ya que consideran las variaciones meteorológicas, incluyendo además, la posibilidad de estudiar las decisiones para el manejo del riego en combinación con otras decisiones de manejo del cultivo, tales como las fechas de siembra, el espaciado de surcos, y el uso de abono de nitrogenado. Sin embargo, todo modelo tiene ciertas limitaciones, porque no consideran todos los parámetros y la influencia que representa el medio biofísico. Además, requieren de una calibración y la validación locales. Estos modelos no son una panacea para todos los problemas agrícolas y solamente deben ser usados como parte de los estudios en investigaciones más amplias, como apoyo para normar criterios de decisión. No obstante, se han hecho esfuerzos para mejorar las facilidades para su uso y su confiabilidad para facilitar el diseño o el manejo de sistemas de riego(Pereira et al. 1995). Otro tipo de modelos de simulación, con bases similares a los descritos, son los que hacen énfasis en la evaluación del impacto del manejo agrícola en la degradación del suelo. Entre estos modelos son de mencionar el EPIC. El sistema simulador denominado "Erosion-Productivity Impact Calculator" (EPIC) (Williams et al., 1984) se desarrolló para valorar el efecto de la erosión del suelo en la productividad de tierra. Se usó con este propósito y con fines de análisis como parte del mandato del Congreso de los EEUU en el Acta de Conservación de Recursos (ACR) de 1985 (Como base el Acta de la Conservación de los Recursos agua-suelo de 1977). Desde la aplicación de ACR, el modelo se ha mejorado y ha sido refinado para permitir la simulación de muchos procesos importantes en el manejo agrícola (Sharpley y Williams, 1990). El EPIC es un modelo continuo de simulación que se puede usar para determinar el efecto de una estrategia de manejo de la producción agrícola y de los recursos suelo y agua. El área de drenaje considerada por EPIC es generalmente una área de hasta 100 ha (aspectos meteorológicos, de suelos, y sistemas de administración se asumen que son homogéneos). Los componentes más importantes en
el EPIC son la simulación meteorológica, hidrológica, erosión-sedimentación, ciclaje de nutrientes, el uso de pesticidas, el crecimiento de la planta, la temperatura del suelo, la labranza, la economía, y el control del ambiente de la planta. Es interesante señalar que con base en este complejo modelo, se han elaborado otros, entre los que destaca el denominado "Garden with Insight", construido con fines estrictamente didácticos, incluso para niños mayores de 12 años. Este sistema usa losmodelos meteorológicos, de agua-suelo, y del crecimiento de la planta basado en la investigación por el Servicio de Investigación Agrícola del Departamento de Agricultura de los EEUU (USDA). Incluye información en sobre 1000 climas y sobre 700 tipos de suelos en los Estados Unidos. Los usuarios pueden considerar también sus propios tipos de plantas, suelos, y climas de una región específica, si se proporcionas los respectivos datos. Los modelos de crecimiento de cultivos pueden incluir también procedimientos de optimización para permitir que la computadora busque automáticamente las estrategias de riego que permitan llevar al máximo la utilidad económica o satisfacer otras funciones objetivo objeto de la optimización. Estas otras funciones objetivo pueden incluir opciones para mejorar el uso de la energía, para eficientar el uso del agua, para reducir la pérdida de nitrógeno por lavado, y para superar las limitaciones en la disponibilidad de agua. Varios de los modelos desarrollados consideran limitaciones en el uso del suelo y el agua en casos de salinidad. Como producto se tienen que definir prácticas de manejo acorde a los niveles de salinidad de los suelos para minimizar los daños a los cultivos. La selección de estas prácticas apropiadas para el control de la salinidad requiere de la evaluación del movimiento de las sales y el agua en el suelo, la respuesta del cultivo a los niveles de salinidad del agua y del suelo, y cómo las condiciones ambientales y de manejo afectan a estas interacciones. Hay un gran número de estudios y modelos de manejo reportados en la literatura científica, que tratan del movimiento de agua y solutos. Los modelos estacionales asumen condiciones estabilizadas en la respuesta de loscultivos (Letey, J. A. et al. 1985). Sin embargo; estos modelos no son adecuados para definir el mejor manejo del agua y suelo en condiciones de salinidad (Bresler, E. y G. J. Hoffman. 1986). El modelo DSSAT "Decision Support System for Agrotechnology Transfer" es un modelo de simulación que ha sido desarrollado por la Universidad del Estado de Hawai, con participación de otras universidades de los EEUU para servir como una herramienta analítica para el estudio del efecto del manejo de sistemas de cultivos en la productividad y en el medio ambiente. Este modelo es un sistema modular, relativamente sencillo, que ha servido como base para el desarrollo de modelos más complejos y más específicos, como los mencionados CERES y GRO. Los programas fuentes pueden obtenerse de la red INTERNET. Al final de este capítulo, se darán varias direcciones o URL para obtener más información sobre los modelos descritos. Para finalizar este interesante tema, es conveniente mencionar que varias universidades de los EEUU han estado contribuyendo al desarrollo de modelos de simulación de cultivos, entre las que se pueden mencionar la Universidad de Michigan, la Universidad de Florida y la Universidad de Hawaii que han formado un consorcio internacional para el desarrollo y prueba de este tipo de modelos, denominado "International Consortium for Agricultural System Applications" (ICASA) ubicado en el campus de la universidad de Hawaii. Direcciones en la red con información sobre modelos de producción de cultivos: http://www.agen.ufl.edu/csml Universidad de Florida http://www.bioclim.grigno.inra.fr/ecobilan/cerca/source.html Programas gratuitos de modelos http://www.brc.tamus.edu/epic/ Universidad Texas A&M, modelo EPIC http://www.kurtz-fernhout.com/help100/00000243.html Garden with Insight http://www.icasanet.org/ Desarrollo de modelos Bibliografía Cumpa J. S., E. Palacios y A. Exebio. 1988. Efectos del déficit de humedad y características físicas del suelo en el desarrollo del fríjol. AGROCIENCIA No 73, 195-215. De Wit C. T. 1958. Transpiration and crop yields en Versl. Lamdkundig Onderz., 64-6 Pudoc Wageningen. Doorembos J. Y A. H. Kassam. 1980. Efectos del agua sobre el rendimiento de los cultivos. Series Riego y Drenaje No 33. FAO. Roma. Norero A. 1974. Fórmula para estimar la influencia de la humedad del suelo en la productividad de los cultivos. CIDIAT, Mérida, Venezuela. Orive A. 1970. La irrigación en México. Ed. Grijalvo, S.A. México. Turner J. H. y C. L. Anderson. 1980. Planning for an irrigation system. Ed. AAVIM and U.S.S.C.S. Stewart J. I. y R. M. Hagan. 1973. Functions to predict effect of crop water deficits. PROC. AM. SOC. CIV. ENG. Journal of Irrig. and Drainage. 95 (IRI) 91:104. Stewart J. I., R. D. Misra, O. Pruitt y R. M Hagan. 1975. Irrigation of corn and grain sorghum with a deficient water supply. TRANSACTION OF ASAE. 8(2): 270-280.
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MANEJO DEL RIEGO Eduardo Salgado * 1. INTRODUCCIÓN
Como es bien sabido, la disponibilidad de agua es uno de los factores que más estrecha y directamente condicionan el crecimiento y desarrollo, la productividad y la calidad de la producción de las plantas cultivadas. En la mayoría de los frutales, dicha disponibilidad afecta además de la cosecha del año, a otros procesos fisiológicos, que sin ser visibles y aparentes determinan en alguna medida los parámetros de producción de la temporada siguiente. Un ejemplo de lo anterior es la inducción floral, que dimensionará la capacidad productiva del próximo período. Cuando se analiza el problema del riego en cualquier especie cultivada, y en particular en frutales, aparecen a lo menos 3 grandes interrogantes , que a su vez plantean numerosas incógnitas , que el agricultor y /o el profesional debe resolver atendiendo a algunas premisas básicas , como las siguientes: 1. La práctica del riego debe ser realizada de un modo tal que maximice los beneficios netos . Esto quiere decir en otras palabras, que los costos de establecer un sistema de riego o, de mejorarlo, cualquiera que ellos sean, incluyendo las amortizaciones de capital necesarias, deben producir aumentos en las utilidades de la empresa. 2. El riego debe estar sujeto a un diseño técnico tal, que evite las pérdidas de suelo por erosión, disminuya los riesgos de diseminación de enfermedades y malezas, evite las pérdidas de agua, lo que además de ser antieconómico en sí, puede provocar problemas como condiciones de mal drenaje en (*) Ing. Agrónomo. Ph. D. Profesor Faq. Agronomía. Universidad Católica de Valparaíso. Casilla 4-D, Quillota, Chile.
otros terrenos, salinización y otros. El diseño de un sistema de riego bajo estas premisas es un problema complejo , pero que en general requiere dar respuestas a al menos 3 aspectos globales, conocidos, para los cuales se tratará de dar respuestas en su aplicación al riego en paltos, de acuerdo al conocimiento actualmente disponible : Cuánto regar . Cuándo regar . Como regar . 2. REQUERIMIENTOS HIDRICOS DEL PALTO Determinar los requerimientos hídricos del palto, equivale a responder cuánto regar. Sin embargo, lo anterior no puede separarse completamente de cuándo regar. Como es sabido las plantas obtienen agua desde el suelo , a través de sus sistemas radiculares, ésta asciende por los vasos conductores del xilema y es distribuida en las hojas. Allí se produce el cambio de estado de líquido a vapor, y en esta condición es liberada a la atmósfera a través de los estomas. Este es el proceso fisiológico de la transpiración, cuya ¿función es enfriar la planta que se encuentra expuesta al sol y que de otro modo podría alcanzar temperaturas incompatibles con la vida vegetal. Se sabe que aproximadamente un 99% del agua es eliminada por transpiración, quedando sólo alrededor de un 1% para otros procesos fisiológicos de la planta. De acuerdo a lo anterior la cantidad de agua requerida para satisfacer la transpiración depende de las condiciones ambientales, temperatura, humedad relativa, viento. Por esta razón, la mayoría de las técnicas para determinar los requerimientos hídricos de las plantas cultivadas, se basan en tratar de evaluar las condiciones del medio ambiente atmosférico a través de instrumentos e indicadores, que representen de la manera más análoga posible, la situación que deben enfrentar las plantas. 2. 1 Evaporímetro de Bandeja Clase A: Gran éxito han tenido en los últimos años , el uso de evaporímetros, entre los cuales el más conocido es la bandeja Clase A. Aun cuando ésta desde luego no posee los mecanismos fisiológicos ni las estructuras de las plantas, por años se ha intentado calibrar este instrumento con precisas mediciones en las plantas , de modo de encontrar las
correspondlentes equivalencias. El uso de la bandeja Clase A, como indicador de riego, debe ser muy cuidadoso debido a que la validez de sus mediciones depende de una serie de factores, entre los que se cuentan: el material de fabricación de la bandeja, el color, las dimensiones, la localización dentro del predio y el tipo de instalación, entre otros. Para estimar el consumo de agua por los paltos, utilizando este método, es necesario conocer 2 coeficientes. El llamado coeficiente kp, que representa las condiciones de instalación y localización de la bandeja y, cuyo valor promedio es de 0.75. Las variaciones en torno a este valor dependen de la magnitud de la vegetación en el suelo vecino a la bandeja, y de las condiciones predominantes de humedad relativa y viento. El segundo coeficiente que es necesario conocer es el llamado kc, o coeficiente del cultivo. Este depende de la especie vegetal de interés, de la época del año y de la edad y estado fenológico de las plantas. Hasta la fecha, en Chile, no ha sido posible determinar, con suficiente precisión, este coeficiente para paltos. Investigaciones en curso en la Facultad de Agronomía de la Universidad Católica de Valparaíso sugieren que estos árboles regados por el sistema de microaspersion, podrían requerir cantidades bajas de agua de entre 3.500 y 4.500 m 3 /ha , lo que representaría coeficentes kc de entre 0.7 y 0.9. Sin embargo no se ha establecido hasta ahora, cómo varían estos valores en la temporada de riego y si sus resultados son sostenibles en el tiempo. Algunos autores han relacionado directamente la evapotranspiración de los cultivos con la evaporación de la bandeja clase A. Esto equivale a estimar un coeficiente kb, que corresponde al producto kp*kc. Este procedimiento es de utilización mas localizada pues no permite evaluar separadamente los efectos de instalación de la bandeja (kp) y de las plantas (kc). Algunos resultados se presentan en el Cuadro 1, en que se comparan S coeficientes para riego por goteo . Además en dicho Cuadro se comparan resultados obtenidos con diferentes sistemas de riego , para un coeficiente de bandeja.
CUADRO 1. Efecto de 2 coeficientes de bandeja (kb) y 2 sistema de riego, aplicados por un período de 5 años, en algunos parámetros de productividad de paltos (cv. Fuerte). En general el coeficiente (Kb ) 0.46, produce mejores resultados que el de 0.64, excepto para peso promedio de frutos, en que éste último provoca un incremento de un 2%, respecto al primero cuando se utiliza riego por goteo (Cuadro 1) . Por otra parte, al comparar riego por goteo con riego por aspersión, bajo el coeficiente de bandeja de 0.64, se observa que a excepción del peso promedio de frutos, el riego por goteo produce menores índices que por aspersión (Cuadro 1). Sin embargo, es importante considerar el alza de un 12% en el peso promedio de frutos, que eventualmente podría llegar a compensar el resultado económico.
2.2 Tensiómetros: Este es un instrumento que mide el estado energético del agua en el suelo. Cuanto más agua exista presente en el suelo, ésta es retenida con menos energía y en consecuencia el tensiómetro indica una lectura igual o cercana a cero. A medida que el suelo pierde humedad, el agua que permanece en éste es retenida con mayor energía y entonces el tensiómetro marca lecturas mayores . La energía con que el agua es retenida por el suelo es medida en centibar (cb). Se estima que la capacidad de campo de los suelos varía entre 20 y 30 cb, rango que representa el balance más adecuado entre agua y aire para el normal desarrollo de las plantas y la aireación de sus sistemas radiculares. Para la utilización de estos aparatos existen varios aspectos con los que se debe ser ciudadoso de modo de obtener lecturas válidas. En primer lugar es necesario cuidar las condiciones de instalación. Teniendo en cuenta que la cápsula del tensiómetro (el elemento más importante del aparato) es pequeña y su medición sólo abarca una esfera de suelo de aproximadamente 30 cm de diámetro, el o los aparatos que se instalen en una estación de tensiómetros deben colocarse en las condiciones más representativas del sector al cual sirven de indicador. Si el huerto posee más de un tipo de suelo o más de una pendiente o árboles de diferentes variedades, edades, sistemas de riego, etc., deben colocarse el mismo número de estaciones de tensiómetros. Por otra parte debe evitarse todo lugar, subsector o árbol, que presente condiciones especiales. Es conveniente enfatizar que para escoger el sitio de instalación más representativo es necesario considerar el suelo en su profundidad y que no basta una apreciación de la sola superficie. Como un segundo punto es preciso cuidar que al poner el tensiómetro en el suelo, la cápsula de cerámica debe quedar en estrecho contacto con el suelo formando un continuo entre el agua contenida en el suelo y la del interior del aparato. Aire atrapado en este lugar evita dicho contacto y en consecuencia las lecturas que se obtienen no representan las condiciones del suelo. Además antes de su colocación, el tensiómetro debe ser saturado por un período de 24 a 48 horas y en el momento de la colocación debe quedar sin burbujas de aire en su interior. Este es otro aspecto decisivo para la obtención de lecturas correctas. El aire como es expansivo no es capaz de trasmitir la tensión que se está registrando en la cápsula hacia el manómetro ubicado en la parte superior. Respecto de este mismo punto, es necesario tener
presente que los tensiómetros pueden medir tensiones entre 0 y 85 cb. Con tensiones mayores entra aire al interior del aparato y se "corta" el continuo de agua. Si esto ocurre se debe llenar nuevamente , extraer las burbujas de aire y re iniciar un nuevo ciclo de lecturas. Para huertos de paltos se recomienda que cada estación esté constituida por un conjunto de 2 tensiómetros ubicados a 30 y 60 cm de profundidad. Con esto se obtiene una estimación de la humedad del suelo desde la superficie y hasta una profundidad de 75 cm. Por otra parte el primer aparato situado a 30 cm de profundidad representa las condiciones hídricas de la estrata de suelo donde se localiza el 50% de las raices activas, y el segundo a 60 cm de al menos un 30% de dichas raíces. En plantaciones nuevas el primer tensiómetro (30 cm) debe colocarse al centro del bulbo de raíces y el segundo (60 cm) inmediatamente bajo el bulbo. A medida que los árboles crecen la estación de tensiómetros debe ser desplazada hacia afuera hasta alcanzar una distancia de 1 a 1.5 metros del tronco al cabo de 3 a 4 años. Las lecturas deben realizarse 3 veces a la semana, excepto cuando se usa riego por goteo en cuyo caso las lecturas deben realizarse diariamente. En general para evitar problemas de aireación, como se ha establecido antes, no debe regarse con tensiones inferiores a £0 cb. Con riego superficial se recomienda el riego con tensiones de entre 40 y 50 cb medido en el tensiómetro superficial. Si el riego es aplicado por microaspersión, éstos deben realizarse cuando se registre una tensión de entre 30 y 40 cb. Para riego por goteo dicho límite debe bajarse a tensiones de entre £0 y 30 cb. Sin embargo en condiciones de temperaturas extremadamente altas es conveniente iniciar la aplicación de agua antes, con tensiones menores, de 15 a 20 cb. Por otra parte, en este mismo sistema de riego es adecuado incorporar un exceso de agua cada 5 o 6 riegos, de modo de provocar la lixiviación de las sales que se acumulan en los bordes de los bulbos mojados (Cuadro 2).
CUADRO 2. Interpretación aproximada de las lecturas del tensiómetro. El segundo aparato ubicado a &0 cm de profundidad se usa COMO un indicador de la llegada a esa zona del suelo del "frente de humedecimiento". De este modo la utilidad de este tensiómetro es que proporciona una medida del tiempo de riego. No es necesario que esta tensión llegue a ser cero, ya que representaría la saturación de agua a esa profundidad y como secuela una pérdida de agua y eventualmente de energía, más una serie de problemas de aireación y propensión a enfermedades. El riego debe continuarse hasta que este segundo tensiómetro comience a registrar un cambio en su tensión. Luego el agua es redistribuida lentamente en el perfil. 3. MÉTODOS DE RIEGO 3.1 Uniformidad de Riego: Los objetivos del riego son básicamente, aportar el agua requerida por las plantas en cantidad suficiente y en el momento oportuno. Sin embargo, no se cumplen adecuadamente si no se asegura que los riegos se apliquen en forma uniforme. Esto quiere decir que todas las plantas sean provistas de la misma cantidad de agua. Aquí aparece el concepto de diseño del sistema de riego, que es válido tanto para los riegos de tipo gravitacional como para los del tipo presurizado. El diseño de la forma de distribución del agua a cada una de
las plantas, debe considerar los elementos de la topografía del terreno a regar, las características del suelo, y la disponibilidad de agua en el predio. En las secciones siguientes se incluyen algunas medidas prácticas que permiten mejorar la uniformidad. 3.2 Riego Superficial o Gravitacional: De acuerdo a la forma de cultivo de los paltos, y otros frutales, lo tradicional es utilizar el riego por surcos. El diseño en este caso consiste en determinar el largo , espaciamiento y pendiente de dichos surcos. 3.2.1 Largo de Surcos: Si los surcos son muy largos en relación a la textura del suelo y pendiente, entra más agua en el cabezal del surco que en la parte final . Por otra parte , si los surcos son demasiado cortos, se pierde terreno en acequias cabeceras y desagües además de hacer más largo, engorroso y en definitiva más caro el riego . Esta situación se puede controlar o atenuar adecuando el diseño de los surcos a las condiciones que presenta el suelo. En el Cuadro 3 se indican algunos valores recomendados de largo de surcos, de acuerdo a la textura del suelo, pendiente y lámina de agua a aplicar en cada riego.
CUADRO 3. Largos de Surcos Utilizados según Textura, Pendiente y Lámina de Riego (metros). 3. 2.2 Espaciamiento: El agua que infiltra en el suelo presenta un movimiento , dentro del perfil, principalmente en sentido vertical, hacia abajo . Sin embargo , en todos los suelos existe algún grado de movimiento lateral. Este movimiento lateral es mayor en suelos de texturas finas y práctaicamente insignificante en suelos de texturas gruesas. El distanciamiento de los surcos debe estar relacionado con esta característica del suelo con el objeto de , en primer lugar no sobresaturar el suelo en el momento del riego , lo que finalmente significa mayores pérdidas de agua por escurrimiento superficial y por percolación profunda, y por otra parte , utilizar el mínimo de surcos posibles , aprovechando las características del suelo , de modo de facilitar, hacer más eficiente y al final más económica su aplicación . Es común que en suelos de texturas finas el espaciamiento de surcos pueda alcanzar hasta 1.20 -1.40 metros y que en suelos arenosos éste no sobrepase los 50 - 60 cm.
3.2.3 Velocidad de Infi1tracion del Suelo: Por último, la cantidad de agua que realmente penetra en el suelo , no depende de la que se haga correr por sobre el suelo , sino de las propiedades de éste ; de la llamada velocidad de infiltración. Los suelos más arenosos absorben el agua mucho más rápido que los arcillosos. En la práctica, esto quiere decir que en los arcillosos se requieren riegos mucho más largos y con poca agua para permitir que ésta penetre suficientemente sin provocar erosión. En los suelos mas arenosos, los riegos pueden ser de menor duración y con caudales mayores . En el Cuadro 4 se presentan valores promedios de velocidad de infiltración del suelo, según la textura . Adicionalmente se incluyen los caudales recomendados en litros por segundo por cada 100 metros de largo del surco. Una modificación del método de riego por surcos es utilizar tazas dobles de riego . El diámetro de éstas depende nuevamente de la textura. En suelos más arenosos las tazas deben ser de mayor diámetro , considerando que el agua presentará un menor movimiento lateral . En este caso las tazas pueden tener, para plantas adultas, entre 2 y 3 metros, considerando siempre la distancia de plantación . En los suelos más arcillosos , las tazas pueden ser de menor diámetro. Las tazas son especialmente recomendables en huertos recién plantados o muy jóvenes, debido a que las plantas no han
desarrollado un sistema radical tan extenso. En plantas adultas es más sencillo utilizar surcos rectos, considerando que en este caso las raíces se han extendido lo suficiente para entrar en contacto con el agua. Otra situación en que las tazas son especialmente recomendables es cuando no se dispone del tiempo necesario para dar un riego lento y largo, como se ha indicado antes. En este caso estas estructuras hacen las veces de pequeños estanques de acumulación, que se pueden llenar rápidamente y que entregan el agua al suelo de acuerdo a su velocidad de infiltración. Un detalle importante en este tipo de riegos es cuidar que el fondo de la entrada de la taza no esté mas alto que el fondo del surco. De otro modo se hace escurrir una parte del agua en los surcos que no tiene ninguna probabilidad de entrar en las tazas y sólo contribuye con agua para los desagües y aumentos de la erosión. 3.2.4 Sifones: Un aspecto importante no mencionado, es el control del caudal de alimentación en el riego por surcos. El objetivo, como puede desprenderse de las discusiones anteriores , es uniformar el caudal de agua que ingresa a los surcos . Existen una serie de dispositivos hidráulicos que se pueden utilizar entre los que se cuentan sifones, tubos con ventanillas graduables (riego californiano portátil ) y mangas plásticas con evacuadores, entre otras. El uso de sifones, para que resulten en un adecuado funcionamiento, requiere conocer la relación entre la carga de agua que se encuentra disponible en la acequia cabecera y el caudal que entregan los sifones de acuerdo a su diámetro (Cuadro 5).
CUODRO 5. Caudales (l/s) de sifones para riego, según carga de agua y diámetro. 3.3 Riego Presurizado: En términos generales estos sistemas de riego presentan las ventajas del máximo ahorro de agua , incrementos de productividad y gran uniformidad cuando se han diseñado adecuadamente. El diseño debe estar orientado a lograr las características de eficiencia enunciadas, aprovechando al máximo la capacidad de bombeo y la potencia eléctrica instalada . Por otra parte , es necesario minimizar los diámetros de las tuberías instaladas y conseguir que los sectores y subsectores sean lo más homogéneos posible. Debido a sus altos costos, estos métodos pueden recomendarse especialmente cuando: exista limitada disponibilidad de agua, de mano de obra , en terrenos con mucha pendiente y , en terrenos con microrrelieve en los que las obras de nivelación sean muy costosas. Estos métodos de riego permiten en promedio ahorrar entre un 30% y un 50% de agua, respecto de los de tipo superficial. En cuanto a los requerimientos de mano de obra, en la mayoría de los casos el riego puede ser manejado por 1 o 2 personas entrenadas. 3.3.1 Selección del Método de Riego Presurizado: La decisión puede tomarse considerando los siguientes aspectos y teniendo presente que el árbol, cuando adulto, presenta un sistema radicular muy extendido en el espacio
entre las plantas. En suelos con muy baja capacidad de absorción de agua, es más adecuado utilizar goteo, sin embargo se requiere un gran número de emisores por árbol. Esto también es válido para suelos arenosos, en que el agua aplicada con microaspersión, a mayor velocidad que en goteo, podría percolar con cierta facilidad. En el caso de estos últimos suelos, sin embargo, es indispensable operar varios goteros alrededor de cada árbol, por cuanto en estos suelos el movimiento lateral del agua, como ya se ha indicado, es muy escaso. En suelos de textura media, probablemente es donde mejor se adapta el riego por microaspersión, ya que un emisor moja uniformentemente una superficie significativa en torno a la planta. Este sistema incluye el mojamiento del tronco, que bajo ciertas circunstancias podría dar origen al desarrollo de enfermedades en el cuello de la planta y además al mojar un área más extensa, promueve el desarrollo de malezas. 3. 3. 2. Operación de Sistemas de Riego Presurizados: La utilización de estos sistemas de riego implica una entrega del agua en forma extremadamente dosificada. Lo anterior significa que fallas que restrinjan total o parcialmente el abastecimiento de agua, pueden tener consecuencias muy importantes para las plantas afectadas, que inmediatamente presentan los síntomas y daños del déficit hídrico. Esto exige mantener los equipos funcionando en óptimas condiciones en forma permanente en la temporada de riego, vale decir con un coeficiente de uniformidad adecuado de acuerdo a los valores del Cuadro 6. Las medidas de control incluyen, en primer lugar una estrecha vigilancia del funcionamiento del sistema, a nivel de sectores, subsectores y cada uno de los emisores; la observancia del sistema de filtrado, las aplicaciones de productos químicos para la eliminación de algas y crecimientos orgánicos y, el control de los depósitos salinos en las salidas de los emisores. En este sentido adquiere también importacia la medición periódica del coeficiente de uniformidad del sistema (Cuadro 6).
CUADRO 6. Valores recomendados del Coeficiente de Uniformidad. 3.3.3 Mantención de Equipos de Riego Presurizados: Algunos de los principales problemas que más comunmente se presentan y que deben ser prevenidos son los siguientes: Obstrucción de Emisores Esto puede ocurrir por partículas sólidas, precipitados químicos y/o precipitados biológicos. Los primeros se controlan con filtros de malla de 100 a 200 mesh; con filtros de arena, que deben tener una altura mínima de arena de 45 cmy un caudal de 800 litros por minuto y por metro cuadrado; y con lavado de las tuberías "flushing". Los precipitados químicos deben controlarse mediante la aplicación de ácidos o metafosfatos en la red de riego, en forma periódica, especialmente cuando se utilizan aguas con alto contenido salino. Las precipitaciones de tipo biológico, constituidas por
algas, hongos y otros microorganismos, deben controlarse con aplicaciones frecuentes de cloro en dosis de 3 a 10 ppm, por al menos 45 minutos, comprobando que en el emisor más alejado se obtenga una concentración de cloro de entre 1 a 3 ppm. Obstrucción de Filtros Es indispensable mantener el sistema de filtrado limpio y en todo caso asegurando que la caída de presión provocada por el filtro no exceda los 5 m. Desajuste de Válvulas Cuando se opera un sistema de riego presurizado, es necesario tener presente en todo momento que la descarga de agua por los emisores está regulada por un equilibrio hidráulico entre los diámetros de las tuberías matrices, secundarias y laterales, el número de emisores por línea, el tamaño de los bloques y sectores de riego, los compensadores de presión y el sistema de válvulas, manuales y eléctricas, que configuren el diseño. Considerando lo anterior es sencillo apreciar que cualquier desajuste, voluntario o accidental, de la red hidráulica, afecta drásticamente al caudal descargado por los emisores y en consecuencia el abastecimiento uniforme de agua a las plantas. De este modo es conveniente practicar una revisión completa de los equipos al final de cada temporada de riego, para verificar su ajuste estricto al diseno original. 4. EFECTO DEL MÉTODO DE RIEGO EN EL RENDIMIENTO DE PALTOS Aun cuando no se cuenta con información suficiente respecto de efectos específicos del método de riego sobre los parámetros productivos del palto, en el Cuadro 7 se presenta una comparación entre los métodos de riego por aspersión y goteo, éste último aplicado con diferentes frecuencias de riego, resultados de un experimento de 2 años de duración, realizado en Israel, en un huerto maduro, plantado a 6x6 m.
CUADRO 7. Rendimiento de paltos (Kg./ha) bajo riegos por aspersión y goteo con distintas frecuencias de aplicación. Se aprecia en el Cuadro 7 que el riego por goteo produce mejores rendimientos que aspersión aplicado con una frecuencia de 10 días, en todos los casos. Sin embargo, cuando en el cultivar Hass la mejor frecuencia es el riego diario, en el cultivar Navel el mejor resulta ser el riego por goteo cada 10 días. Esto último podría explicarse por una mayor sensibilidad de este último cultivar al intercambio gaseoso restringido que podría esperarse indicador de la llegada a esa zona del suelo del "frente de humedecímiento". De este modo la utilidad de este tensiómetro es que proporciona una medida del tiempo de riego. No es necesario que esta tensión llegue a ser cero, que representaría la saturación de agua a esa profundidad y como secuela, pérdida de agua y eventualmente de energía , más una serie de problemas de aireación y propensión a enfermedades. El riego debe continuarse hasta que este segundo tensiómetro comience a registrar un cambio en su tensión. Luego el agua es redistribuida lentamente en el perfil. NECESIDADES DE AGUA DE LOS CULTIVOS Jorge Jara R., Ing. Agrónomo Ph.D. Alejandro Valenzuela A., Ing. Agrónomo Ph.D. Dpto. Riego y Drenaje, Facultad de Ingeniería Agrícola Universidad de Concepción
“DESARROLLO DE SISTEMAS DE RIEGO EN EL SECANO INTERIOR Y COSTERO.
COMPONENTE NACIONAL: CAPACITACIÓN Y DIFUSIÓN DE TECNOLOGÍAS DE RIEGO” El Departamento de Proyectos de la Comisión Nacional de Riego y el Departamento de Riego y Drenaje de la Facultad de Ingeniería Agronómica de la Universidad de Concepción, Campus Chillán, presentan esta Cartilla Divulgativa, correspondiente a una serie de publicaciones de este tipo realizadas con financiamiento del Programa “Desarrollo de Sistemas de Riego en el Secano Interior y Costero. Componente Nacional: Capacitación y Difusión de Tecnologías de Riego”. PREÁMBULO
El aprovechamiento de las ventajas de cualquier sistema de riego depende en gran medida del conocimiento de la cantidad de agua que consumen los cultivos y del momento oportuno para aplicarla, con el objetivo de no perjudicar su rendimiento.
Es importante para los técnicos y agricultores conocer cuáles son los períodos sensibles del cultivo al déficit hídrico, con el objeto de planificar la aplicación de agua, especialmente en períodos de escasez de ella, ya que cuando ésta es escasa o no se aplica oportunamente, el cultivo detiene su crecimiento y afecta su productividad. Esta cartilla aporta una metodología de estimación de las necesidades de agua de los cultivos y algunos valores de evapotranspiración de un amplio sector del secano interior y costero de la zona central de Chile que contribuirá a optimizar el diseño, elaboración y operación de sistemas de riego. Luego de este primer paso, se debe avanzar en la optimización del uso del agua mediante puesta en operación de estaciones agrometeorológicas automatizadas y el establecimiento de un sistema de información que permita a los agricultores tener una estimación más precisa de los requerimientos hídricos del cultivo. El Departamento de Proyectos de la Comisión Nacional de Riego, ante el desafío de lograr mejorar la eficiencia en la utilización de los recursos hídricos en Chile, está realizando diversas acciones en el plano de la capacitación y difusión que complementan la aplicación de la Ley de Fomento al Riego y la realización de estudios integrales de riego, gestionados por la Comisión. ERNESTO SCHULBACH BORQUEZ Secretario Ejecutivo Comisión Nacional de Riego EL AGUA EN EL SUELO El objetivo primario y esencial de la agricultura es producir alimentos para los individuos que trabajan en el campo, como también para la sociedad. Para ello, dispone de cuatro elementos: la tierra, el
trabajo, la energía del sol y ocasionalmente, el agua. Cualquiera de éstos que falte aún en parte, repercutirá en la producción agrícola que no logrará ser la óptima que se espera. El suelo agrícola es una capa fina de material, que está en la superficie de los continentes del globo terráqueo. Esta capa se ha formado por el efecto del agua y del aire sobre las rocas. Está formada por tres partes: una sólida, la otra líquida y la gaseosa. La parte sólida, está formada por pequeñas partículas que se han separado del material original (rocas) y una pequeña proporción de material orgánico, que ha generado la vegetación que existió en tiempos recientes. Estas partículas dejan espacios libres que están ocupados, sea por agua o por aire, según la estación en que nos encontremos. La suma de los espacios huecos en un suelo seco, se llama porosidad del suelo, cuando se expresa en relación al volumen de las partículas sólidas. Aquellos poros que se encuentran vacíos, se llenan con agua luego de una lluvia o riego. La porosidad total de los suelos arcillosos es mayor que la de los suelos arenosos por el siguiente hecho: como el material arcilloso es más fino que las arenas, disponen de una mayor cantidad de poros pequeños, en comparación a las arenas que son partículas más grandes y por tanto, dejan huecos de tamaño mayor pero menos numerosos. Por otra parte, el movimiento del agua libre es mayor en los arenosos que en los arcillosos. Sin embargo, la retención de agua es mayor en los suelos arcillosos que en los arenosos. Las arcillas son partículas muy finas (coloides) y por tanto, poseen algunas propiedades físicoquímicas, tales como la capacidad de absorber agua e hincharse. Esta propiedad, además de poseer en su superficie una gran concentración de cargas eléctricas desbalanceadas, las hace comportarse como láminas absorbentes de moléculas de agua, por tener este elemento cargas diferentes positivas y negativas por efecto de su composición molecular. Esto, a su vez, produce un potencial para atraer moléculas de agua y retenerla con la fuerza suficiente para evitar que sean atraídas por la aceleración de gravedad. Además, la porosidad que deja libre es extremadamente fina y se comporta en la práctica como un gran número de tubos capilares, produciendo otro impedimento al movimiento del agua. El agua es atraída, entonces, por tales partículas del suelo y se conoce esta atracción como fuerza matricial. La energía del agua cuando está retenida por el suelo, implica efectuar un trabajo para sustraerla de su ambiente. Este ambiente es la matriz del suelo. En tanto más seco se encuentre el suelo, mayor será el trabajo que tendrá que ejercer la planta para extraer el agua desde el suelo. Es interesante, entonces, conocer la energía con que el agua es retenida por el suelo. Esta varía según sea el contenido de humedad del suelo en ese momento. El potencial de retención del agua, se expresa comúnmente en unidades de medida de metros de columna de agua, m.c.a. (energía por cantidad unitaria de peso), en kPa, bar o centibar (energía por cantidad unitaria de volumen), o en Joule∗kg1 (energía por cantidad unitaria de masa). La siguiente Tabla de equivalencias es útil para convertir una unidad en otra. Tabla 1. Equivalencia para expresar el potencial de agua en el suelo
Unidad
1 1 1 1
bar ≈ 100 kPa ≈ 1 atm bar bar bar
Equivalencia
100 Joule/kg 10 m.c.a. 100 centibar
Curvas de retención de humedad Desde el punto de vista de la planta, interesa conocer cuál es la energía con que un volumen de agua está retenido por el suelo, información de mayor interés que la humedad que tiene ese suelo. La relación que existe entre el contenido de humedad del suelo y el potencial o energía con que está retenida esa humedad, se llama curva de desorción o retención de humedad (Figura 1). Estas curvas de retención, se confeccionan en laboratorios de suelos o riego que cuenten con olla de presión (Universidades o Institutos de Investigación). El contenido de humedad del suelo, en porcentaje base peso seco o gravimétrico (θ % bps), expresa la cantidad de agua presente en una muestra y se define como el cuociente entre la masa de agua y la masa de suelo seco. Así: masa.agua θ % bps = ∗ 100 Ec. N° 1 masa.suelo.seco
Figura 1. Curva de retención de agua en el suelo para diferentes texturas. De este modo, el contenido de humedad gravimétrico de una muestra de suelo húmedo, se mide pesando una muestra de suelo húmedo, secándola posteriormente en un horno de 105°C por 24 horas y volviendo a pesar la muestra. Tal como se puede apreciar en la Figura 1, los contenidos de humedad del suelo a una misma energía de retención son diferentes según textura. Asimismo, se puede observar que los rangos de humedad del suelo entre dos energías de retención (por ejemplo, 1/3 y 15 bar) difieren también según textura. Este antecedente resulta de sumo interés cuando se desea precisar la cantidad de humedad o agua aprovechable en el suelo (HA), desde un punto de vista agrícola. Para calcular la humedad aprovechable de un suelo, en términos de una altura de agua, se puede utilizar la siguiente expresión: CC – PMP Dap H.A. = ∗ ∗ P Ec. N° 2 100 DH2O donde:
H.A. = Altura de agua aprovechable para el cultivo (mm). (Un milímetro de altura corresponde a un litro de agua por metro cuadrado de terreno).
CC = Contenido de humedad de suelo, expresado en porcentaje base peso seco, a una energía de retención que oscila entre 1/10 a 1/3 de bar. Indica el límite superior o máximo de agua útil para la planta que queda retenida en el suelo contra la fuerza de gravedad. Se conoce como Capacidad de Campo. PMP = Contenido de hu8medad del suelo, expresado en porcentaje base peso seco, a una energía de retención que oscila entre 10 y 15 bar. Indica el límite inferior o mínimo de agua útil para la planta. Se conoce como Punto de Marchitez Permanente. Dap = Densidad aparente del suelo (g/cc). DH2O = Densidad del agua. Se asume normalmente un valor de 1 (g/cc). P = Profundidad representativa de la muestra de suelo analizada (mm).
Al aplicar esta expresión a los valores normales encontrados en los diferentes tipos texturales de suelos, se encuentra la situación descrita en la Figura 2, en donde suelos arcillosos retienen una mayor cantidad de agua útil o aprovechable para la planta que suelos arenosos. Dado que los suelos rara vez son homogéneos en profundidad, será necesario el determinar los valores de contenido de humedad a Capacidad de Campo y Punto de Marchitez Permanente para las diferentes estratas del suelo. Así, para un suelo de la serie Arrayán se determinaron las siguientes propiedades hídricas.
Figura 2. Disponibilidad de agua para las plantas según textura de suelo. Tabla 2. Características hídricas de contenido de humedad a capacidad de campo (CC), punto de marchitez permanente (PMP), densidad aparente (Dap) y altura de agua aprovechable (HA) de un suelo de la serie Arrayán
Profundidad (cm) (cm)
CC (%)
PMP (%)
Dap (g/cc)
HA
0-31 39 21 0,93 5,19 31-50 44 26 1,15 3,93 50-90 35 23 1,09 5,23 Total 14,35 El valor total de agua útil aprovechable para la planta de 143,5 mm indica que, en los 90 cm de profundidad del suelo, la planta dispone de 143,5 litros de agua por metro cuadrado de terreno o, que es lo mismo, de 1.435 m3 ∗ ha-1. Medición de humedad a CC y PMP La obtención del valor de HA resulta de primordial interés para el diseño, planificación y manejo de sistemas de riego. Si no se dispone de los servicios de un laboratorio de suelos para la determinación de los contenidos de retención de humedad de suelo a Capacidad de Campo y Punto de Marchitez Permanente, una buena aproximación a estos valores puede obtenerse de la siguiente manera: 1. Inmediatamente después de un riego o lluvia intensa que haya saturado el suelo, seleccione un sector representativo del potrero y cúbralo con un lona o plástico impermeable, que evite la evaporación desde el suelo. 2. 24 a 48 horas después del evento, extraiga muestras de suelo de entre 100 a 200 g en cada estrata. Deposítelos en una cápsula hermética o en una bolsa plástica sellada. 3. Pese las muestras en una balanza de lectura de décimas de gramo, sin abrir o destapar la muestra. Registre la lectura como PSH + PE (Peso del suelo húmedo más Peso de envase). 4. Una vez pesada la muestra, déjela en un horno a 105°C por 24 horas y pese la muestra seca. Si utilizó bolsas plásticas previamente, asegúrese de extraer la totalidad de la muestra de suelo de la bolsa antes de ponerla en el horno, pesando el envase plástico (PE) y el envase nuevo utilizado en el horno de secado. En cualquier caso, debe existir absoluta certeza del peso del envase, debido a que este valor se debe restar al peso de suelo. 5. Obtenga el valor de contenido de humedad del suelo a Capacidad de Campo (θcc). (PSH + PE) – (PSS + PE) θcc = ∗ 100 Ec. N° 3 PSS
De este modo, la Ec. N° 3 indica la relación porcentual en el contenido de agua en una muestra de suelo, quedando expresada como: (Peso.agua.en.la.muestra)
θcc = PSS donde: PSH = Peso del suelo húmedo (g). PE = Peso del envase al momento de pesar (g). PSS = Peso del suelo seco (g).
∗ 100
Ec. N° 4
Así, la muestra de suelo y envase recién extraída pesaba 250 g (P SH + PE), y una vez seca era de 200 g (PSS + PE), pesando el envase 20 g (PE). Entonces el contenido de humedad sería: 250 – 200
θcc = ∗ 100 = 27,8% Ec. N° 5. 200 - 20 6. Para obtener el contenido de humedad de una muestra de suelo a Punto de Marchitez Permanente, es necesario someterla a un plato de presión a 15 atmósferas y luego determinar su contenido de humedad. Otra forma de obtener el contenido de humedad a Punto de Marchitez Permanente sería multiplicar el valor de humedad a Capacidad de Campo por 0,55, es decir: θPMP = 0,55 ∗ θcc Ec. N° 6 De este modo, en el ejemplo anterior, el valor aproximado de θPMP sería de un 15,3%.
¿CUÁNDO REGAR?
Una de las preguntas más frecuentes en la agricultura de riego, es determinar cuándo regar (frecuencia de riego). Así, diferentes métodos son usados para este propósito y se pueden clasificar como: 1. Técnica de balance de agua. 2. Indicadores de suelo. 3. Indicadores de la planta. 1. Técnica de balance de agua
Está basada en aspectos meteorológicos del suelo y de la planta. Tres aspectos deben considerarse previamente. El primero, consiste en determinar un criterio de riego (CR) el cual señala el porcentaje tolerable de disminu8ción del agua aprovechable del suelo (HA). En general, se sugiere un valor de cincuenta por ciento (CR = 0,5) asignándose valores de CR del 30% (CR = 0,3) para cultivos sensibles a un déficit de agua y valores de CR = 0,6 para cultivos que soportan de mejor manera un estrés hídrico (Tabla 3). El segundo aspecto tiene que ver con la profundidad de raíces del cultivo (Tabla 3). En cultivos anuales, dicha profundidad cambia rápidamente con el tiempo, a partir, de emergencia a madurez fisiológica. Por tanto, una adecuada programación del riego, requiere el conocimiento de la profundidad efectiva de raíces en cada período de tiempo analizada. Así, este valor determinará la profundidad P del suelo desde donde se extrae agua. En otras palabras, si el suelo tiene 1,80 m de profundidad, pero el cultivo está en una etapa temprana de desarrollo (30 cm de profundidad de raíces, por ejemplo), el valor P a considerar en la Ec. N° 2 debe ser de 30 cm. Similar criterio debe mantenerse para especies frutícolas, antes que alcancen un desarrollo completo de plena producción. En general, se establece que la planta alcanza el 90% de su profundidad radical efectiva, cuando su desarrollo fenológico corresponde al 50%, acorde al modelo mostrado en la Figura 3.
Tabla 3. Criterios de riego (CR) y profundidad radical efectiva para diferentes cultivos
Profundidad radical
Cultivo (cm)
Ají Ajo Alcachofa Alfalfa Arveja
CR
0,5 0,5 0,50 0,65 0,6
efectiva
60 60 100 180 60
Brócoli Cebolla Coliflor Damascos Duraznos Espárragos Empastadas Fréjol Frutilla Habas Lechugas Maíz Manzanos Melón Menta Papas Perales y ciruelos Pimiento Repollo Sandía Trigo invierno Trigo primavera Vid Zanahoria Zapallo
0,5 0,50 0,5 0,65 0,65 0,5 0,65 0,50 0,5 0,6 0,40 0,65 0,65 0,5 0,35 0,30 0,65 0,5 0,5 0,5 0,65 0,65 0,65 0,5 0,5
60 60 60 180 180 180 60 90 60 80 60 120 180 90 60 60 180 60 60 120 100 90 180 90 120
Figura 3. Evolución de la profundidad radical acorde al desarrollo fenológico del cultivo. El tercer aspecto, se refiere al conocimiento de la cantidad de agua que el cultivo y el ambiente extraen desde el suelo (Evapotranspiración del cultivo, ETC). Esta cambia con la edad del cultivo, clima y ubicación geográfica. Por tanto, debe recurrirse a una fuente de información o metodología confiable de cálculo que considere los aspectos reseñados. De este modo, la frecuencia de riego (FR) o el cada cuántos días debiera regarse nuevamente para no perjudicar el rendimiento del cultivo, se determinará por: HA ∗ CR FR = Ec. N° 7 ETC
Así, del ejemplo del suelo Arrayán de 90 cm de profundidad y con las raíces de un cultivo de maíz en enero explorando la totalidad del perfil, un CR = 0,5 y ETc = 6 mm/día. 143,5 mm ∗ 0,5 FR = = 12 días 6 mm/día El resultado anterior, indica que el cultivo debiera regarse aproximadamente 3 veces en el mes. 2. Indicadores del suelo Esta metodología considera la determinación del contenido actual de humedad o agua del suelo, comparándolo con un valor predeterminado mínimo de contenido de humedad, regando cada vez que se alcance dicho valor. El contenido mínimo de humedad varía, con el estado fenológico del cultivo y sensibilidad a déficit hídrico de la planta. El contenido de humedad del suelo puede medirse o estimarse directamente, o bien inferirse a partir de otros parámetros del suelo. La Tabla 4 señala las ventajas y desventajas de estos indicadores. Tabla 4. Indicadores del suelo de cuándo regar (James, 1988)
Parámetro observado o medido
Instrumental o procedimiento
Apariencia y tacto
Visual
Ventajas
Simple
Desventajas
Demandante de tiempo
aproximado. Requiere entrenamiento para adquirir habilidades interpretativas
Gravimetría Barreno, cápsulas balanza y horno secado de la muestra
Simple y exacto Destructivo; no instantáneo dado los requerimientos de
Resistencia Block de yeso Da lecturas indirectas Calibración individual de eléctrica del contenido de agua cada block de yeso. del suelo Requiere instalación cuidadosa en terreno y numerosas repeticiones. Baja durabilidad (1-2 años). No adecuado en suelos de textura gruesa.
Potencial matricial Tensiómetro Permite medir direc- Requiere mantención, insde agua en el suelo ción del movimiento talación cuidadosa y numedel agua en el suelo, rosas repeticiones. Lectue indirectamente, el ras frecuentes. contenido de humedad de él.
Dispersión de Neutrómetro y Permite sucesivas neutrones tubos de acceso mediciones en el mismo punto; precauciones especiales en rápido y exacto su manejo y almacenamiento; calibración afectada por cambios en materia orgánica.
Propiedades TDR No destructivo, dieléctricas rápido y exacto, sin riesgo de radiaciones suelos rocosos o pedregosos. 3. indicadores de la planta
Equipo de alto costo que requiere calibración y
Alto costo, limitada resolución espacial. No apto en
Dado que el objetivo de riego es reestablecer el agua de la planta, el método más directo de cuándo regar es monitorear la planta directamente. Diferentes técnicas y procedimientos pueden utilizarse, señalándose en la Tabla 5 sus ventajas y desventajas. Tabla 5. Indicadores de la planta cuándo regar (James, 1988)
Parámetro observado o medido
Instrumental o procedimiento
Ventajas
Apariencia Visual cambios de color y otros cambios requieren experiencia. Aún así, los rendimientos ya han sido afectados.
Simplicidad
Temperatura de la hoja.
Mediciones a distancia.
Termometría infrarroja.
Desventajas
La detección temprana en
Metodología de aplicación bien desarrollada. Problemas
de sensibilidad en climas húmedos.
Potencial de agua Cámara de presión, Grado de deshidrata- Grandes variaciones durante en la hoja. psicrómetro de ción; integra el efecto el día; demandante de tiempo; termocupla. del ambiente en la requiere personal calificado; planta; lecturas se destructivo. correlacionan con los procesos metabólicos; indicador del flujo del agua.
Resistencia Porómetro de Mide resistencia de la Semejante a potencial de estomática. difusión. hoja a la pérdida de agua en la hoja. vapor de agua. EVAPOTRANSPIRACIÓN DEL CULTIVO, ETC La cantidad de agua removida desde el suelo y la planta se denomina evapotranspiración. Esta agua, debe reponerse periódicamente al suelo para no dañar el potencial productivo de la planta. Diversas metodologías se han propuesto para su determinación, debiendo considerarse siempre que la evapotranspiración depende, entre otros aspectos, de las condiciones climáticas, tipo y estado de desarrollo del cultivo, y de la disponibilidad de agua del suelo. La evapotranspiración del cultivo (ETC) puede determinarse a partir de la evapotranspiración potencial,l ETP (o evapotranspiración del cultivo de referencia), según la expresión: ETC = ETP * KC Ec. N° 8 en donde KC es un coeficiente de cultivo adimensional que varía con el cultivo y su desarrollo vegetativo. Las unidades comunes de medida de ETC y ETP suelen ser mm/día, mm/mes o mm/temporada. La evapotranspiración potencial ha sido determinada para diversas localidades del país (CNR-CIREN, 1997). En las tablas 6 y 7 se entrega la ETP promedio mensual para lugares representativos del secano interior y costero de la VI, VII y VIII regiones del país. Estos valores son promedios de varias temporadas y deben, por tanto, ser utilizadas en ese contexto. Los valores de KC se muestran en la Tabla 8, son una recopilación de diferentes fuentes bibliográficas. En general dichos valores han sido obtenidos para condiciones de no restricción de humedad en el suelo y para cultivos sin problemas fitosanitarios. El rango de valores de K C señalados son efecto de la variabilidad inherente a cada especie y a la metodología de obtención de K C por parte de los diferentes autores. Tabla 6. Evapotranspiración potencial mensual (mm/mes) para diversas comunas del secano interior de las VI, VII y VIII regiones del país1 ETP Comuna Ene. Feb. Mar. Abr. May. Jun. Jul. Ago. Sep. Oct. Nov. Dic. (mm/año)
Las Cabras 196 153 119 Chépica 196 153 119 Santa Cruz 196 153 119 Pumanque 186 146 113 Palmilla 196 153 119 Peralillo 196 153 119 Litueche 178 139 108 Marchigüe 196 153 119 Molina 179 141 109 Sagrada Familia 179 141 Hualañé 179 141 109 Rauco 179 141 109 Talca 193 151 118 Maule 196 153 119 Empedrado 172 135 105 Parral 196 153 119 Retiro 196 153 119 San Javier 196 153 119 Cauquenes 196 153 119 Nacimiento 195 153 118 Cabrero 196 153 119 Yumbel 187 146 113 San Rosendo 189 148 115 San Nicolás 196 153 119 Quellón 181 142 110
72 72 72 68 72 72 65 72 66 109 66 66 71 72 63 72 72 72 72 71 72 68 69 72 66
42 42 42 40 42 42 38 42 39 66 39 39 42 42 37 42 42 42 42 42 42 40 41 42 39
28 28 28 27 28 28 26 28 26 39 26 26 28 28 25 28 28 28 28 28 28 27 27 28 26
32 32 32 31 32 32 29 32 30 26 30 30 32 32 28 32 32 32 32 32 32 31 31 32 30
47 47 47 45 47 47 43 47 44 30 44 44 47 47 42 47 47 47 47 47 47 45 46 47 44
72 72 72 69 72 72 66 72 66 44 66 66 71 72 66 72 72 72 72 72 72 69 70 72 67
110 144 184 110 144 184 110 144 184 104 137 175 110 144 184 110 144 184 99 131 167 110 144 184 101 132 169 66 101 132 101 132 169 101 132 169 108 142 182 110 144 184 97 127 162 110 144 184 110 144 184 110 144 184 110 144 184 109 143 183 110 144 184 105 137 176 106 138 178 110 144 184 102 133 171
1.200 1.200 1.200 1.139 1.200 1.200 1.088 1.200 1.100 169 1.100 1.100 1.100 1.184 1.200 1.056 1.200 1.200 1.200 1.200 1.194 1.200 1.143 1.156 1.200 1.111
Quirihue 176 138 107 64 Ninhue 181 142 110 66 Ranquil 179 141 109 66 Contulmo 154 121 94 56 Santa Juana 165 130 101 61 Florida 172 134 104 63 1 Valores derivados de CNR-CIREN,
38 26 29 43 65 39 26 30 44 67 39 26 30 44 66 33 22 26 37 57 36 24 27 40 61 37 25 28 42 63 1997.
99 129 165 1.077 102 133 171 1.111 101 132 169 1.100 87 114 145 947 93 122 156 1.014 96 126 161 1.051
Tabla 7. Evapotranspiración potencial mensual (mm/mes) para diversas comunas del secano costero de las VI, VII y VIII regiones del país1 ETP
Comuna
Ene. Feb. Mar. Abr. May. Jun. Jul. Ago. Sep. Oct. Nov. Dic. (mm/año)
Pichilemu 135 110 91 61 42 31 34 46 61 85 104 130 Paredones 142 115 96 64 44 33 35 48 64 90 109 136 Licantén 156 127 106 70 49 36 39 53 71 99 120 150 Vichuquén 147 120 100 66 46 34 37 50 67 93 113 142 Constitución 141 114 95 63 44 33 35 48 64 89 108 135 Curepto 152 123 102 68 47 35 38 51 69 96 116 146 Pelluhue 143 116 96 64 44 33 36 48 65 90 109 137 Chanco 143 116 96 64 44 33 36 48 65 90 109 137 Cobquecura 141 115 95 63 47 33 35 48 64 89 108 136 Tirúa 125 102 85 56 39 29 31 42 57 79 96 120 Cañete 131 106 88 59 41 30 33 44 59 83 100 126 Los Álamos 131 106 88 59 41 30 33 44 59 83 100 126 Lebu 131 106 88 59 41 30 33 44 59 83 100 126 Arauco 138 112 93 62 43 32 34 47 62 87 105 132 Hualqui 145 118 98 65 45 34 36 49 66 92 111 139 Tomé 140 113 94 62 43 32 35 47 63 88 107 134 1 Valores derivados de CNR-CIREN, 1997. Tabla 8. Coeficientes de cultivo Kc para diversas especies vegetales y diferentes estados de desarrollo1
930 976 1.076 1.015 968 1.042 980 980 971 862 900 900 900 946 997 959
Porcentaje de la estación de crecimiento 0% 20% 40% 60%
80%
Establecimiento Desarrollo Media Inicio Cultivo inicio del cultivo
100%
Madurez estación madurez
fisiológica
Alfalfa 0,3 – 0,4 ------------------------------ promedio 1,10 -----------------------------Avena-Trigo primavera 0,3 – 0,4 0,70 – 0,80 1,00 – 1,15 0,6 – 0,7 0,20 – 0,25 Empastada 0,3 – 0,4 ------------------------------ promedio 1,00 -----------------------------Remolacha 0,25 – 0,4 0,60 – 0,70 0,90 – 1,10 0,90 – 1,10 0,80 – 0,90 Papas 0,40 – 0,50 0,70 – 0,80 1,00 – 1,20 0,95 – 1,00 0,65 – 0,75 Tabaco 0,30 – 0,40 0,70 – 0,90 1,00 – 1,20 0,90 – 1,00 0,75 – 0,85 Maíz 0,30 – 0,50 0,70 – 0,85 1,00 – 1,20 0,80 – 0,95 0,50 – 0,60 Frejol verde 0,30 – 0,40 0,65 – 0,75 0,95 – 1,05 0,90 – 0,95 0,85 – 0,95
Frejol grano 0,30 – 0,40 0,70 – 0,80 1,05 – 1,20 0,65 – 0,75 0,25 – 0,30 Vid 0,30 – 0,50 0,60 – 0,80 0,80 – 0,90 0,6 – 0,8 0,5 – 0,7 Frutales hoja caduca 0,40 – 0,50 0,75 – 0,85 1,10 – 1,20 1,10 – 1,20 0,7 – 0,90 Cítricos y paltos 0,60 – 0,70 0,60 – 0,70 0,80 – 0,90 0,80 – 0,90 0,60 – 0,70 Frutales c/cubierta verde ----------------------------------------- promedio 1,00 ----------------------------------------Arveja verde 0,40 – 0,50 0,70 – 0,85 1,05 – 1,20 1,00 – 1,15 0,95 – 1,05 Pimentón 0,30 – 0,40 0,60 – 0,75 0,95 – 1,10 0,95 – 1,10 0,80 – 0,90 Cebolla guarda 0,40 – 0,50 0,60 – 0,80 0,95 – 1,15 0,80 – 1,00 0,70 – 0,80 Cebolla verde 0,40 – 0,50 0,60 – 0,75 0,95 – 1,10 0,95 – 1,10 0,95 – 1,10 Tomates 0,30 – 0,40 0,60 – 0,80 1,10 – 1,25 0,80 – 1,00 0,60 – 0,80 Sandía 0,40 – 0,50 0,70 – 0,80 0,95 – 1,05 0,80 – 0,95 0,65 – 0,75 Melón, zapallo 0,40 – 0,50 0,60 – 0,75 0,95 – 1,05 0,70 – 0,80 0,60 – 0,70 Hortalizas arraigamiento superficial 0,30 – 0,40 0,60 – 0,75 0,90 – 1,10 0,90 – 1,10 0,80 – 0,90 1 Valores derivados de CNR-CIREN, 1997. REQUERIMIENTOS DE AGUA (Goteo-Cinta) Existen varias aproximaciones para determinar los requerimientos de huertos frutales, hortalizas, u otros cultivos regados por goteo o cinta. La siguiente relación es comúnmente utilizada, para predecir la evapotranspiración del cultivo ET C:
1 ETC = ETP ∗ KC P + (1 – P) Ec. N° 9 2 donde: ETP = Evapotranspiración potencial (Tabla 6 y 7) (mm/día) KC = Coeficiente del cultivo (Tabla 8) P = Factor de cobertura o sombreo al medio día (0 < P < I) La expresión anterior es válida para valores de cobertura o sombreamiento mayores al 50% (P > 0,5). Si P < 0,5, o bien para árboles pequeños de entre uno a tres años y con el propósito de considerar el efecto de microadvección producido en el entorno de la planta, se recomienda: ETC = ETP ∗ P Ec. N° 10 Sabiendo que un mm de altura de agua es equivalente a un volumen de un litro por metro cuadrado (1 mm = 1 lt/m2), los valores de ETC, en mm/día, se transforman en lt/planta/día considerando el marco de plantación o siembra, lo que corresponde al volumen de agua requerido por árbol/día, Va, en donde: Va = ETC ∗ Sp ∗ Sh Ec. N° 11 siendo: Sp = espaciamiento de los árboles o cultivo en la hilera (m). Sh = espaciamiento entre hileras (m). Así, para la zona de Las Cabras, en enero, se registra una ET P de 196 mm/mes (Tabla 6), equivalente a 6,3 mm/día. Si se riegan naranjos de 5 años, en un marco de plantación de 2 ∗ 3 m, con una cobertura del 70% (P = 0,7), el coeficiente de cultivo obtenido de la Tabla 8 es K C = 0,8, entonces:
1 ETC = 6,3 ∗ 0,8 0,7 + 2
(1 – 0,7) = 4,3 mm/día Ec. N° 9
y Va = 4,3 mm/día ∗ 2 m ∗ 3 m = 25,8 lt/día/árbol Ec. N° 11 Considerando que los métodos de riego no permiten aplicar el agua con una eficiencia del 100%, el volumen total a aplicar por árbol (Vt) será: Va Vt = Ec. N° 12 Ea en donde Ea es la eficiencia de aplicación del agua de riego (0 < Ea < 1). Así, para el ejemplo anterior y considerando una eficiencia del 90% (Efa = 0,9). 25,8 lt/día/árbol Vt = = 28, 7 lt/día/árbol
0,9 Si cada árbol fuese regado por cuatro goteros de un caudal de 4 lt/hora por gotero, entonces será necesario un funcionamiento del equipo de 108 minutos por día (1,8 horas) para suplir los requerimientos hídricos diarios del naranjo. Si se regara cada dos días, entonces se requerirán 216 minutos para reponer el agua extraída por árbol. Así, el tiempo de riego se puede expresar como: Vt TdeR = Ec. N° 13 qg ∗ Ng donde: TdeR = Tiempo de riego o de aplicación del agua para reponer el déficit (horas). Vt = Volumen total de agua a aplicar por árbol, en cada riego (litros/árbol). qg = Caudal de cada gotero (litros/hora). Ng = Número de goteros por árbol. Si el cultivo fuese coliflor regado por cinta, con un marco de plantación de 0,40 ∗ 0,70 m, un porcentaje de cobertura P = 0,6, un coeficiente de cultivo KC = 0,9 (Tabla 8, hortalizas de arraigamiento superficial) para el mes de abril, y una ETP para la comuna de Las Cabras de 72 mm/mes (Tabla 6), que equivalen a 2,4 mm/día, entonces:
1 ETC = 2,4 ∗ 0,9 0,6 +
(1 – 0,6) Ec. N° 9
2
ETC = 1,73 mm/día y el volumen de agua requerido por planta es: Va = 1,73 mm/día ∗ 0,4 m ∗ 0,7 m Ec. N° 11 Va = 0,48 lt/día/planta Considerando una eficiencia de aplicación del 80%, entonces el volumen total a aplicar por planta sería: 0,48 lt/día/planta Vt = Ec. N° 12 0,8 Vt = 0,60 lt/día/planta Si en 10 metros de longitud hay 25 plantas de coliflor (en 1 m habrían 2,5 plantas), entonces una cinta que arroje un caudal de 5 lt/hr por metro deberá funcionar 18 minutos para arrojar el volumen de agua de 1,5 lt por metro que requieren las plantas para ese día. Esto se puede escribir como: Vcm = Vt ∗ N° pl. pm Ec. N° 14 donde: Vcm = volumen de agua que se debe entregar por metro lineal de cinta (lt/día/m). Vt = volumen total a aplicar por planta (lt/día/planta). N° pl. pm = número de plantas por metro lineal. entonces: Vcm = 0,6 lt/día/planta ∗ 2,5 plantas/m Vcm = 1,5 lt/día/m. El tiempo de riego, TdeR, con cinta se determina a partir de: Vcm TdeR = Ec. N° 15 Qcm donde: TdeR = Tiempo de riego con cinta (horas). Vcm = Volumen de agua diario que se debe entregar por metro lineal de cinta (lt/día/m). Qc = Caudal que entrega la cinta (lt/hr/m). Así del ejemplo anterior: 1,5 lt/día/m TdeR = = 0,3 horas de riego/día = 18 minutos de riego diario 5 lt/hr/m DÉFICIT HÍDRICO Y PRODUCCIÓN
Es un aspecto conocido que, todo déficit de agua, producirá una disminución en los rendimientos. Sin embargo, hay etapas o estados fenológicos en el desarrollo de un cultivo, en donde el efecto detrimental de un estrés hídrico es mayor. Dichos estados corresponden a una fase de activo crecimiento o división celular donde, en un breve período de tiempo, ocurren grandes cambios de tamaño en algún componente de producción de la planta. Así, déficit hídricos suaves que hubiesen producido una disminución leve en el rendimiento final en otros estados fenológicos del cultivo, causan grandes detrimentos en la producción si ocurren en algún período crítico al déficit hídrico. De este modo, el resultado de numerosas investigaciones confirman que el efecto de la falta de humedad en el suelo sobre el rendimiento final de los cultivos, depende del estado fenológico de la planta al momento del déficit hídrico. Stewart y Nielsen (1990), y Millar (1993), entregan información de períodos críticos de algunos cultivos al déficit hídrico, los cuales son resumidos en la Tabla 9. Tabla 9. Períodos críticos de algunos cultivos al déficit hídrico
Cultivos
Espiga Cereales
Trigo Cebada Avena Arroz Centeno Maíz
Períodos críticos
Encañado hinchada
Grano Grano Espigadura Floración lechoso
********* ********* ********* *********
********* *********
**** ****
********* ********* ********* ********* *********
pastoso
Leguminosas Anuales
Frejol Haba Arveja Soya
Botón
Floración
Formación vaina
*********** *********** *********** *********** *********** *********** *********** *********** ***********
Vaina verde
Vaina madura
Hortalizas
Arveja Berengena Brócoli Cebolla (bulbos)
Comienzo de floración y durante hinchamiento del capi. Floración y desarrollo del fruto. Desarrollo del pan o pella. Durante la formación del bulbo.
Cebolla (semilla) Floración. Coliflor Requiere riegos frecuentes desde siembra a cosecha, especialmente durante el desarrollo del pan. Espárrago Comienzo de emisión de follaje. Lechuga Requiere riego durante todo su período vegetativo, en especial durante formación de la cabeza. Melón Floración y desarrollo del fruto. Papas Desde floración a cosecha, especialmente a inicios de la formación del tubérculo. Pepino Desde floración a cosecha. Pimentón y ají Desde floración a cosecha. Rabanito Formación y crecimiento de la raíz. Repollo Requiere riego durante todo su período vegetativo, en especial durante formación de la cabeza. Tomate Floración a crecimiento rápido de los frutos. Zanahoria Alargamiento de la raíz. Zapallo Desarrollo del brote y floración.
Frutales y hortofrutícolas Cerezos y duraznos Período de crecimiento rápido del fruto que antecede a la madurez. Cítricos Floración y formación del fruto. Damascos Floración y desarrollo de los botones florales. Frutillas Desarrollo del fruto a madurez. Olivos Previo a floración, durante el crecimiento del fruto y último período de madurez de los frutos. Vides Comienzo del crecimiento en primavera hasta pinta del fruto.
Otros cultivos Alfalfa (semilla) Alfalfa y otras recomienda empastadas Maravilla Remolacha primeros
Inicio período de floración. A través de todo su período de crecimiento; en especial se aplicar agua inmediatamente después de un corte o talajeo. Desde formación de flor a madurez de semilla. No existe indicación clara. Aparentemente durante los dos
(producción de raíces) meses después de emergencia. Remolacha (semilla) Durante floración y desarrollo de la semilla. Tabaco No existe indicación clara, dada la compleja interrelación con calidad de la hoja. La utilidad de conocer los períodos sensibles del cultivo al déficit hídrico, radica en su uso como una herramienta en la toma de decisiones. De este modo, es posible administrar el recurso hídrico en períodos de escasez, asignando el agua acorde al estado fenológico de los diferentes cultivos, de manera de minimizar los daños de la producción. BIBLIOGRAFÍA CNR-CIREN. 1997. Cálculo y Cartografía de la Evapotranspiración Potencial en Chile. Comisión Nacional de Riego y Centro de Información de Recursos Naturales (CORFO). Santiago, Chile. 54 p. James, Larry G. 1988. Principles of Farm Irrigation –System Design. John Wiley and Sons, Inc. USA. 543 p. Millar, Agustín A. 1993. Manejo de Agua y Producción Agrícola. Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura. Oficina en Chile. 556 p. Stewart, B.A. y Nielsen, D.R. 1990 (Ed.). Irrigation of Agricultural Crops. ASA, CSSA, SSSA Publishers. Monograph N° 30. Madison, Wisconsin, USA. 2118 p. Método de Clément
MÉTODO DE CLÉMENT Clément (1966) consideraba que la garantía de suministro (GS) sigue una distribución normal, que todas las bocas de riego eran iguales y siempre que funcionaban lo hacían con la máxima dotación. En este caso, la aleatoriedad del riego considera boca de riego totalmente abierta (probabilidad p) o totalmente cerrada (1 - p). La probabilidad que en un momento dado estén x bocas abiertas de un total de n se puede determinar considerando una distribución binomial: (6) siendo la media y desviación típica: (7) (8) Si se considera que el número de bocas de riego es muy grande, la función de distribución se aproxima a una normal. En este caso, x será: (9) donde U es la variable tipificada de la distribución normal. Se determina según la garantía de suministro (Granados, 1990). El caudal circulante por el tramo será, según la ecuación (9): (10) Si las bocas de riego alimentan a superficies diferentes, la ecuación anterior se puede expresar como: (11) la cual constituye la conocida "primera fórmula de Clément". http://www.api.uniovi.es/aeipro/finder/archivos/HB-02.html Modelos uso agua-producción de cultivos La administración de sistemas de riego para lograr los beneficios más altos, requiere de una comprensión de muchos factores físicos, biológicos, técnicos, y socioeconómicos implicados en la
producción de los cultivos. A mayor información que los administradores del agua tengan, y a una mejor calidad de dicha información, serán mejores las decisiones que ellos pueden tomar. Durante los pasados 25 años, el desarrollo y la aplicación de computadoras en el manejo de modelos han permitido describir los aspectos principales de los procesos relacionados con el crecimiento de los cultivos y su rendimiento final, como un efecto de la disponibilidad de agua. El desarrollo de los modelos, se ha debido a una mejor comprensión de procesos en el sistema suelo-planta-atmósfera y a la expansión rápida del uso de las computadoras personales. Sin embargo, sólo unos pocos de los modelos se han aplicado, con un relativo éxito. Las limitaciones de la mayoría de los modelos se ha debido a que solamente se enfocan a un sólo aspecto del manejo del riego, o que se han programado para un simular sistema específico de riego, o que la complejidad de su manejo no concuerda con las habilidades de los usuarios. El desarrollo de las herramientas de simulación con computadora se han enfocado hacia las aplicaciones para modelar varios aspectos del manejo o de la administración del riego. Los modelos de "uso de agua-cultivo" aplicados a nivel de producción de cultivo en parcelas, han sido probablemente el desarrollo más importante en el área de la administración del riego, como se muestra en los modelos presentados de Pereira et al. (1992, 1995). La modelación del riego puede ser considerada en tres niveles, según el alcance técnico del detalle y tipo de aplicación: los modelos para calendarizar el riego, los modelos de simulación de crecimiento de cultivos, y los modelos para la administración del riegoa nivel de sistema (Pereira et al. 1992). El primer grupo de modelos hace énfasis primero en la calendarización del riego. La calendarización del riego proporciona información que se puede usar para desarrollar estrategias de manejo para diferentes tipos de cultivos bajo diferentes condiciones delsuelo y de clima. Estas estrategias se pueden definir utilizando datos obtenidos en el largo plazo, que representan condiciones medias o con factores estacionales, basados en la información en tiempo real para predicciones a corto plazo. Hay disponibles varias técnicas asistidas con computadora que están disponibles para la calendarización del riego, basadas en el método del balance de agua en el suelo (Clarke et al. 1992). Los programas de cómputo generalmente generan calendarios de riego de tal manera que éste se lleve a cabo cuando la humedad estimada en el suelo en la zona de raíz, ha llegado hasta un cierto nivel límite. Las relaciones "agua-suelo" son descritas por sencillas funciones de respuesta del rendimiento de los cultivos a los niveles de humedad del suelo, para predecir la pérdida del rendimiento con base en la relación: evapotranspiración relativa calculada a la evapotranspiración potencial simulada. Algunos de estos modelos se utilizan actualmente en la práctica de campo, mediante la comunicación interactiva con los usuarios en tiempo real. En general, estos modelos se usan a nivel de parcelas para cultivosregados; sin embargo, los procedimientos usualmente se pueden aplicar a una más amplia escala. Adicionalmente, este tipo de modelos para la calendarización del riego, no se han hecho para un tipo específico de cultivos y pueden usarse con diferentesmétodos de riego. Un segundo grupo de modelos incluye los modelos que apuntan a una descripción más detallada de los flujos del agua y solutos en el suelo y/o a una simulación más sofisticada del crecimiento de los cultivos y la formación del producto. Así, estos modelostienen más variables del estado que los modelos anteriores, pero varían considerablemente en nivel de detalle. Estos modelos requieren datos sobre las características específicas del suelo y de los cultivos para una descripción más detallada de cada proceso físico y biológico. Consecuentemente, los modelos desarrollados en este nivel se usan en su mayor parte en investigación y aplicaciones especiales (Pereira et al. 1992, 1995). En México también se hicieron algunos modelos de este tipo, como el descrito por M. A. Rojas y E. Palacios V. (1979) denominado "modelo de simulación digital del sistema suelo-planta atmósfera para estimar rendimiento de cultivos" el cual fue calibrado y probado en Zacatecas y San Luis Potosí, con resultados muy aceptables y que posteriormente fue validado en Puebla en otra tesis. Los sistemas de producción de cultivos son altamente complejos. Los cultivos en el campo son afectados por las condiciones meteorológicas, por los factores fisicoquímicos del suelo, por los insectos, por las enfermedades, por las malas hierbas, y por las interacciones entre estos factores. Una clasificación de sistemas de producción de cultivos, basados en factores restrictivos del crecimiento, ha sido propuesta por de Wit (Penning de Vries et al., 1982). La mayor parte de los modelos de simulación de crecimiento de cultivos son una mezcla de empirismo y mecanismo, e incluso la mayoría de los modelos mecanistas utilizan el empirismo en algún nivel jerárquico. Un modelo mecanista de producción de cultivos generalmente se considera que se basa en los procesos fisiológicos y físicos y considera la causa y el efecto en el nivel del proceso. Los materiales (el carbón, el nitrógeno, el agua) y el balance energético se incluyen generalmente en este tipo de modelos. Sin embargo, los modelos más útiles para estudiar el manejo del riego de cultivos bajo varias condiciones meteorológicas y de suelos, han sido los modelos ampliamente funcionales. El término dinámico se usa para significar que el modelo de producción de cultivos responde a los cambios diarios (o con mayor frecuencia aún) del medio ambiente.
En las décadas pasadas, mucho esfuerzo de investigación ha sido dedicado al desarrollo de modelos de crecimiento de cultivos (Jones, J. W. y J. T. Ritchie, 1990). El CERES (Sing, U., et al. 1988,1993) y las familias de GRO (Hoogenboom, G. et al.1992) de este tipo de modelos están entre los más extensamente usados. Estos modelos simulan el crecimiento de los cultivos, su desarrollo, y su rendimiento para genotipos específicos, y toman en cuenta las condiciones dinámicas de los factores meteorológicos, del agua, así como el del nitrógeno en el suelo, de una manera mecanista. Debido a que estos modelos se basan en conceptos fisiológicos y biológicos junto con datos experimentales, se cree que mediante el proceso de simulación que llevan a cabo, se genera una estimación razonable de las relaciones entre condiciones meteorológicas, el manejo del cultivo, y su efecto en el rendimiento. Un grupo de modelos de crecimiento de cultivos, se han diseñado para optimizar el uso y manejo del agua y del nitrógeno sobre un largo período con datos históricos (Hood, C. P. et al. 1987, Aggarval, P.K. et al. 1994). Los modelos usados para este propósito se basan en el hecho de que el agua y el nitrógeno estarán disponibles a la escala que recomienden. Estos esfuerzos de optimización pueden sugerir la mejor estrategia a largo plazo, para definir las aplicaciones de agua y nitrógeno (a menudo dependiente de etapa de crecimiento) y también demostrar que estas estrategias de optimización del rendimiento de los cultivos, pueden llevarse a cabo solo si se dispone de información adicional como el pronóstico meteorológico. Adicionalmente, a la fenología, la materia seca y los datos del rendimiento final de los cultivos, los modelos SOYGRO (Wilkerson, G. G. et al. 1983, Jones, J.W. et al. 1989), CERESmaíz (Jones, C. A. et al. 1986, Ritchie, J. T. et al. 1989), y CERES-trigo (Ritchie, J. T. and S. Otter, 1984) simulan los valores diarios del índice del área foliar; longitud de las raíces, densidad de la biomasa de los tallos, del grano, y de las raíces; el número de hojas; el contenido de humedad del suelo: evapotranspiración; evapotranspiración potencial; transpiración; los componentes del rendimiento; así como el estrés hídrico. Estos modelos incluyen procesos que describen el desarrollo de la estructura reproductiva, de la fotosíntesis, de la respiración, y de senescencia de los tejidos. Los componentes relacionados con de la administración del riego en estos modelos, permiten que los usuarios escojan las estrategias para mejorar el manejo de los cultivos, como las fechas y las cantidades de agua que se deben aplicar en los riegos para el logro de máximos rendimientos. Los modelos de crecimiento de cultivos tienen ventajas sobre las funciones de la respuesta, dado que éstos son diseñados para ser más robustos en estimaciones ya que consideran las variaciones meteorológicas, incluyendo además, la posibilidad de estudiar las decisiones para el manejo del riego en combinación con otras decisiones de manejo del cultivo, tales como las fechas de siembra, el espaciado de surcos, y el uso de abono de nitrogenado. Sin embargo, todo modelo tiene ciertas limitaciones, porque no consideran todos los parámetros y la influencia que representa el medio biofísico. Además, requieren de una calibración y la validación locales. Estos modelos no son una panacea para todos los problemas agrícolas y solamente deben ser usados como parte de los estudios en investigaciones más amplias, como apoyo para normar criterios de decisión. No obstante, se han hecho esfuerzos para mejorar las facilidades para su uso y su confiabilidad para facilitar el diseño o el manejo de sistemas de riego(Pereira et al. 1995). Otro tipo de modelos de simulación, con bases similares a los descritos, son los que hacen énfasis en la evaluación del impacto del manejo agrícola en la degradación del suelo. Entre estos modelos son de mencionar el EPIC. El sistema simulador denominado "Erosion-Productivity Impact Calculator" (EPIC) (Williams et al., 1984) se desarrolló para valorar el efecto de la erosión del suelo en la productividad de tierra. Se usó con este propósito y con fines de análisis como parte del mandato del Congreso de los EEUU en el Acta de Conservación de Recursos (ACR) de 1985 (Como base el Acta de la Conservación de los Recursos agua-suelo de 1977). Desde la aplicación de ACR, el modelo se ha mejorado y ha sido refinado para permitir la simulación de muchos procesos importantes en el manejo agrícola (Sharpley y Williams, 1990). El EPIC es un modelo continuo de simulación que se puede usar para determinar el efecto de una estrategia de manejo de la producción agrícola y de los recursos suelo y agua. El área de drenaje considerada por EPIC es generalmente una área de hasta 100 ha (aspectos meteorológicos, de suelos, y sistemas de administración se asumen que son homogéneos). Los componentes más importantes en el EPIC son la simulación meteorológica, hidrológica, erosión-sedimentación, ciclaje de nutrientes, el uso de pesticidas, el crecimiento de la planta, la temperatura del suelo, la labranza, la economía, y el control del ambiente de la planta. Es interesante señalar que con base en este complejo modelo, se han elaborado otros, entre los que destaca el denominado "Garden with Insight", construido con fines estrictamente didácticos, incluso para niños mayores de 12 años. Este sistema usa losmodelos meteorológicos, de agua-suelo, y del crecimiento de la planta basado en la investigación por el Servicio de Investigación Agrícola del Departamento de Agricultura de los EEUU (USDA). Incluye información en sobre 1000 climas y sobre
700 tipos de suelos en los Estados Unidos. Los usuarios pueden considerar también sus propios tipos de plantas, suelos, y climas de una región específica, si se proporcionas los respectivos datos. Los modelos de crecimiento de cultivos pueden incluir también procedimientos de optimización para permitir que la computadora busque automáticamente las estrategias de riego que permitan llevar al máximo la utilidad económica o satisfacer otras funciones objetivo objeto de la optimización. Estas otras funciones objetivo pueden incluir opciones para mejorar el uso de la energía, para eficientar el uso del agua, para reducir la pérdida de nitrógeno por lavado, y para superar las limitaciones en la disponibilidad de agua. Varios de los modelos desarrollados consideran limitaciones en el uso del suelo y el agua en casos de salinidad. Como producto se tienen que definir prácticas de manejo acorde a los niveles de salinidad de los suelos para minimizar los daños a los cultivos. La selección de estas prácticas apropiadas para el control de la salinidad requiere de la evaluación del movimiento de las sales y el agua en el suelo, la respuesta del cultivo a los niveles de salinidad del agua y del suelo, y cómo las condiciones ambientales y de manejo afectan a estas interacciones. Hay un gran número de estudios y modelos de manejo reportados en la literatura científica, que tratan del movimiento de agua y solutos. Los modelos estacionales asumen condiciones estabilizadas en la respuesta de loscultivos (Letey, J. A. et al. 1985). Sin embargo; estos modelos no son adecuados para definir el mejor manejo del agua y suelo en condiciones de salinidad (Bresler, E. y G. J. Hoffman. 1986). El modelo DSSAT "Decision Support System for Agrotechnology Transfer" es un modelo de simulación que ha sido desarrollado por la Universidad del Estado de Hawai, con participación de otras universidades de los EEUU para servir como una herramienta analítica para el estudio del efecto del manejo de sistemas de cultivos en la productividad y en el medio ambiente. Este modelo es un sistema modular, relativamente sencillo, que ha servido como base para el desarrollo de modelos más complejos y más específicos, como los mencionados CERES y GRO. Los programas fuentes pueden obtenerse de la red INTERNET. Al final de este capítulo, se darán varias direcciones o URL para obtener más información sobre los modelos descritos. Para finalizar este interesante tema, es conveniente mencionar que varias universidades de los EEUU han estado contribuyendo al desarrollo de modelos de simulación de cultivos, entre las que se pueden mencionar la Universidad de Michigan, la Universidad de Florida y la Universidad de Hawaii que han formado un consorcio internacional para el desarrollo y prueba de este tipo de modelos, denominado "International Consortium for Agricultural System Applications" (ICASA) ubicado en el campus de la universidad de Hawaii. Direcciones en la red con información sobre modelos de producción de cultivos: http://www.agen.ufl.edu/csml Universidad de Florida http://www.bioclim.grigno.inra.fr/ecobilan/cerca/source.html Programas gratuitos de modelos http://www.brc.tamus.edu/epic/ Universidad Texas A&M, modelo EPIC http://www.kurtz-fernhout.com/help100/00000243.html Garden with Insight http://www.icasanet.org/ Desarrollo de modelos Bibliografía Cumpa J. S., E. Palacios y A. Exebio. 1988. Efectos del déficit de humedad y características físicas del suelo en el desarrollo del fríjol. AGROCIENCIA No 73, 195-215. De Wit C. T. 1958. Transpiration and crop yields en Versl. Lamdkundig Onderz., 64-6 Pudoc Wageningen. Doorembos J. Y A. H. Kassam. 1980. Efectos del agua sobre el rendimiento de los cultivos. Series Riego y Drenaje No 33. FAO. Roma. Norero A. 1974. Fórmula para estimar la influencia de la humedad del suelo en la productividad de los cultivos. CIDIAT, Mérida, Venezuela. Orive A. 1970. La irrigación en México. Ed. Grijalvo, S.A. México. Turner J. H. y C. L. Anderson. 1980. Planning for an irrigation system. Ed. AAVIM and U.S.S.C.S. Stewart J. I. y R. M. Hagan. 1973. Functions to predict effect of crop water deficits. PROC. AM. SOC. CIV. ENG. Journal of Irrig. and Drainage. 95 (IRI) 91:104. Stewart J. I., R. D. Misra, O. Pruitt y R. M Hagan. 1975. Irrigation of corn and grain sorghum with a deficient water supply. TRANSACTION OF ASAE. 8(2): 270-280. Aggarval, P.K., and N. Kalza. 1994. Analyzing the limitations set by climatic factors, genotype, and water nitrogen availability on productivity of wheat; II. Climatically potential yields and management strategies. Field Crop Res. 38:93-103. Bresler, E., and G. J. Hoffman. 1986. Irrigation management for soil salinity control: Theories and tests. Soil Sci. Soc. Am. J. 5:1552—1560. Clarke, N., C.S. Tan, and J. A. Stone. 1992. Expert system for scheduling supplemental irrigation for fruit and vegetable crops in Ontario. Can. J. Agric. Eng. 34:27-31.
Hood, C. P., R. W. Mcledon, and J. E. Hook. 1987. Computer analysis of soybean irrigation management strategies. Trans. ASAE 30:417-423. Hoogenboom, G., J. W. Jones, and K. J. Boote. 1992. Modeling growth, development, and yield of grain legumes using SOYGRO, PUNTGRO, and BEANGRO. A review. Trans. ASAE 35:2043-2056. Jones, C. A., J. R. Kinzy. 1986. CERES-Maize: Assimilation Model of Maize Growth and Development. College Station: Texas A&M Univ. Press. Jones, J. W., and J. T. Ritchie. 1990. Crop growth models. Management of Farm Irrigation Systems. Simulation Monographs. Wageningen. The Netherlands: Pudoc. Letey, J., A. Dinar, and K. C. Knapp. 1985. Crop-water production model for saline irrigation waters. Soil Sci. Soc. Am. J. 49:1005—1009. Penning de Vries, F. W. T. and H. H. Van Laar (eds). 1982. Simulation of Plant Growth and Crop Production. Simulation Monographs. Wageningen, The Neantherlands: Pudoc. Pereira, L. S., A. Perrier, M. Ait Kadi, and P. Kabat (Eds.). 1992. Crop Water models. ICID Bull. 41 (Special Issue):1-200. Pereira, L. S., G. Van de Broek, P. Kabat, and R. G. Allen. 1995. Crop-Water Simulation Models in Practice. Wageningen. The Netherlands; Wageningen Press. Ritchie, J. T., B. S. Jonhson, S. Otter-Nacke, and D. G. Godwin. 1989. Development of Barley Yield Simulation Model. Proc. Final Progress Rept. USDA No. 86-CRSR-2-2867. East Lansing, MI: Michigan State Univ. Ritchie, J. T., and S. Otter. 1984. CERES-WHEAT: A user-oriented wheat yield model. Preliminary documentation. Agristar Publ. No. YM-U3-04442-JSC-18892. Rojas M. A. y E. Palacios V. 1979. "modelo de simulación digital del sistema suelo-planta-atmósfera para estimar rendimiento de los cultivos". Agrociencia Vol 38, 17-34. Sing, U., D. C. Godwin, J. T. Ritchie, G. Alagarswamy, S. Otter-Näke, C. A. Jones, and J. R. Kiniry. 1988. Version 2 of the CERES models for wheat, maize, sorghum, barley and millet. Agronomy Abstracts. Madison, WI: American Society of Agronomy. Sing, U., J. T. Ritchie, and D. C. Godwin. 1993. A user´s guide to CERES-Rice. Ver. 2.10. Int. Fert. Dev. Centre. Muscle Shoals, Al. Pp. 86. Wilkerson, G. G., J. W. Jones., K. J. Boote, K. T. Ingram, and J. W. Mishoe. 1983. Technical documentation. Gainsville, FL: Agricultural Engineering Dept., University of Florida. Williams, J. R., C. A. Jones and P. T. Dyke. 1984. A modeling approach to determine the relationship between erosion and soil productivity. Transactions of the ASAE 27(I)1:129-144.
El efecto del riego en la producción agrícola El efecto del riego en la producción agrícola En general, la agricultura de riego es más productiva que la de temporal o secano. De acuerdo a las estadísticas agrícolas nacionales, la productividad media de la tierra en las zonas de riego es 2.8 veces mayor que en las de temporal o secano. La razón de esta diferencia es que en las zonas regadas se obtienen mejores rendimientos en las cosechas y los productos generalmente son de mejor calidad. Esta situación no prevalece solamente en México, en los Estados Unidos de América, también se notan incrementos substanciales en los rendimientos, en donde en promedio las áreas con riego son 3.5 veces más productivas que las de temporal, diferencia mayor que la observada en México; así, en una encuesta realizada en 22 estados de este país, se observan aumentos hasta de más de 400% en los cultivos regados (Turner y Anderson, 1980). En la figura 1.3, se muestran los promedios de aumento para 14cultivos, reportados en dicho trabajo. Las razones por la que los rendimientos aumentan cuando los cultivos se riegan apropiadamente son varias, entre las que destacan al menos cuatro: (1) seguridad de un buen desarrollo de los cultivos sin déficits hídricos, (2) pueden crecer más plantas por hectárea, (3) un uso más eficiente de los fertilizantes, y (4) pueden utilizarse mejores variedades, las cuales se han desarrollado para la agricultura de riego. En relación a la primera razón, ya se informó anteriormente la importancia de que las plantas no padezcan de déficit; adicionalmente, la nacencia de las plantas se asegura cuando se siembra en un terreno con la humedad apropiada, sin el riesgo de que por falta de humedad se pierda la semilla. Respecto a las mayores densidades de semilla que pueden sembrarse en la agricultura de riego, en el mismo estudio de Turner y Anderson (1980), se muestra el efecto en varias localidades de los E.U.A. de las densidades de siembra bajo condiciones deriego y de temporal; en la figura 1.4 se puede ver muy claramente dicho efecto en el cultivo del maíz. También en la figura 1.5 se puede observar como el número de riegos en la caña de azúcar es proporcional al rendimiento, habiéndose encontrado en Veracruz, que de 12 a 13 riegos permiten rendimientos hasta de más de 250 t/ha.
Figura 1.3 Aumentos en rendimiento debidos al riego
Figura 1.4 Efecto en rendimiento en maíz por número El mejor aprovechamiento de los fertilizantes en la agricultura de riego es obvio, ya que estos pasan a las plantas diluidos en el agua que entra por las raíces. Pero en la agricultura intensiva que utiliza riego presurizado, el fertilizante se proporciona a los cultivosmediante sistemas de riego, en las cantidades y con la frecuencia apropiada a las necesidades de los cultivos. Esta práctica, reduce la pérdida de nutrientes de mucha movilidad como lo es el nitrógeno.
Figura 1.5 Relación rendimiento – número de riegos Gran parte de la investigación agrícola se lleva a cabo en condiciones de riego y por esta razón, muchas de las nuevas variedades de semillas de cultivos, están adaptadas para este tipo de agricultura. Finalmente, debe agregarse que además de esperarse mayores rendimientos en la agricultura de riego, también se espera una mejora considerable en la calidad y uniformidad de sus productos. Los resultados de muchas investigaciones muestran cómo puede mejorarse la calidad de los productos agrícolas con el riego; así, el algodón tiene una fibra más larga, las nueces llenan mejor, la papa logra mayor tamaño y uniformidad, etc. Otros beneficios del riego que deben mencionarse son: el control de algunas plagas, la reducción del peligro de heladas, el control de la fecha de cosecha y en fechas relativamente recientes y la aplicación de diferentes agroquímicos mediante los sistemas de riego presurizados que permiten reducir su desperdicio y que consecuentemente mitigan la contaminación ambiental. Propiedades y características físicas del suelo relacionadas con el riego Uno de los aspectos que hace diferente a los suelos es su capacidad de almacenamiento de agua, la cual está relacionada directamente con sus propiedades y características. Dentro de las más importantes se tienen las siguientes: Textura
Es la proporción relativa de arena, limo y arcilla. Conociendo esta propiedad se pueden inferir otras que permitan estimar la cantidad de agua que se le puede aplicar a un suelo o la frecuencia de los riegos. Los diámetros de las partículas del suelo fluctúan entre menos de 0.002 y 2.0 mm clasificándola en diferentes tipos de arenas, limos y arcillas, según sea la clasificación americana o internacional. Ver cuadro 2.7 y figura 2.3. Cuadro 2.6 Directrices para interpretar la calidad de las aguas para el riego1 PROBLEMA POTENCIAL
Salinidad (afecta disponibilidad de aguapara el cultivo)2 ECa (o) TSS Infiltración (reduce infiltración; evaluar usando a la vez la ECa y el RAS)3 RAS = 0-3 y Eca = = 3-6 y Eca = = 6-12 y Eca = = 12-20 y Eca = = 20-40 y Eca =
UNIDADES
dS/m mg/L
GRADO DE RESTRICCIÓN DE USO NINGUNA
LIGERA A MODERADA
SEVERO
<0.7 <450
0.7-3.0 450-2000
>3.0 >2000
>0.7 >1.2 >1.9 >2.9 >5.0
0.7-0.2 1.2-0.3 1.9-0.5 2.9-1.3 5.0-2.9
<0.2 <0.3 <0.5 <1.3 <2.9
Toxicidad de Iones Específicos (Cultivos Sensibles) Sodio (Na)4 Riego por superficie Riego por aspersión Cloro (Cl)4 Riego por superficie Riego por aspersión Boro (B) Oligoelementos
RAS me/L me/L me/L me/L
<3 <3 <4 <3 <0.7
3-9 >3 4.0-10 >3 0.7-3.0
>9 >10 >3.0
Varios (afecta cultivos sensibles) Nitrógeno (NO3-N)5 Bicarbonato (HCO3-N) (Aspersión foliar únicamente) pH
mg/L me/L
<5 <1.5 Amplitud
5.0-30 1.5-8.5 Normal: 6.5-8.4
>30 >8.5
1. Fuente: University of California Committee of Consultants 1974. 2. ECa, es la conductividad eléctrica del agua; medida de la salinidad, expresada en decisiémenes por metro a 25ºC (dS/m), o en milimhos por centímetro a 25ºC (mmhos/cm). Las dos medidas son equivalentes. TSS, es el total de sólidos en solución, expresado en miligramos por litro (mg/l). 3. RAS, es la relación de adsorción de sodio, algunas veces representada como RNa. Para un valor determinado del RAS, la velocidad de infiltración aumenta a medida que aumenta la salinidad. Evalúese el problema potencial de infiltración utilizando el RAS y la ECa. Fuente: Rhoades 1977 y Oster y Schoroer 1979. 4. La mayoría de los cultivos arbóreos y plantas leñosas son sensibles al sodio y al cloro; en el caso de riego por superficie úsese los valores indicados. La mayor parte de los cultivos anuales no son sensibles. 5. NO3–N es el nitrógeno en forma de nitrato, expresado en términos de nitrógeno elemental (en el caso de aguas residuales incluir NH4–N y el N- orgánico) Cuadro 2.7 Límites de los diámetros de las partículas del suelo (en mm) para las clasificaciones americana e Internacional CLASIFICACIÓN FRACCIONES
AMERICANA (mm)
INTERNACIONAL (mm)
Arena muy gruesa
2.000 – 1.000
2.00 – 0.200
Arena gruesa
1.000 – 0.500
Arena media
0.500 – 0.250
Arena fina
0.250 – 0.100
Arena muy fina
0.100 – 0.050
Limo
0.050 – 0.002
0.02 – 0.002
Arcilla
menos de 0.002
menos de 0.002
0.20 – 0.020
Figura 2.3 Triángulo de texturas de las diferentes clases de suelo Existen varias maneras de estimar y determinar la textura, siendo el más utilizado el método de Bouyoucos, con el cual se obtienen los porcentajes de arena, limo y arcilla y entrando al triángulo de texturas se define el nombre correspondiente. Para la descripción detallada del método de Bouyoucos, consultar a Aguilera y Martínez, (1996)[1]. Densidad aparente
Es la relación que existe entre el peso de suelo seco y el volumen total del suelo, incluyendo los poros. (2.13) Donde: Da = densidad aparente, g/cm3 Pss = peso de suelo seco, g Vt = volumen total, cm3 La determinación de la Da puede hacerse por diferentes métodos, con muestras alteradas e inalteradas. Entre ellos se puede mencionar: • Métodos de campo utilizando plástico. • Utilizando barrenas o cilindros de volumen conocido (método de campo). • Método del terrón y parafina (laboratorio). Para la descripción con detalle de estos métodos consultar a Aguilera y Martínez (1996). humedad del suelo
En riego es necesario conocer el contenido de humedad que tiene el suelo, el cual se utiliza para calcular la lámina de riego consumida, en combinación con otros parámetros, o bien para definir el cuándo regar. La humedad del suelo se puede expresar con respecto al peso de suelo seco y se calcula con la expresión 2.14. (2.14) Donde:
Ps
= contenido de humedad, % = peso de suelo húmedo, g Pss = peso de suelo seco, g El contenido de humedad también puede expresarse en porcentaje de volumen de agua respecto al volumen total de suelo. Psh
(2.15) Donde: Pv = contenido del agua en el suelo expresado como volumen, % Va = volumen de agua, cm3 Vt = volumen total de suelo, cm3 Las expresiones 2.14 y 2.15 se relacionan de la siguiente manera: (2.16) Da = mismo significado que en ecuación 2.13 Los principales métodos, que se utilizan para determinar o estimar la humedad del suelo se describen a continuación. MÉTODO GRAVIMÉTRICO Este método se considera directo y para determinar la humedad del suelo se extraen muestras de suelo del campo (en el sitio deseado), mediante barrena y se colocan en botes de aluminio, los cuales se pesan con la muestra húmeda (Psh) antes de meterlo a una estufa para secarlos durante 24 horas a 105-110 ºC hasta que el peso sea constante (Pss). El contenido de humedad se obtiene mediante la ecuación 2.14. TENSIÓMETRO Es un aparato que estima la humedad del suelo indirectamente, midiendo la tensión con que el suelo retiene el agua. Está compuesto por una copa de cerámica (arcilla porosa) conectada en un tubo delgado de vidrio, el cual se llena de agua y se tapa el extremo superior del tubo formando un sistema cerrado en el que hay contacto con el suelo únicamente a través de la copa porosa y por otro lado con un vacuómetro o a un tubo con mercurio. Las lecturas que se obtienen en el tensiómetro deberán ser calibradas con el método gravimétrico para transformarlos a % de humedad del suelo (ver figura 2.4).
Figura 2.4 Tensiómetro para estimar el contenido de humedad del suelo BLOQUES DE IMPEDANCIA Estima la humedad del suelo de manera indirecta, para lo cual mide la resistencia eléctrica entre dos electrodos que son cubiertos con un material poroso (yeso o arcilla, por ejemplo) formando un bloque y colocándolo a la profundidad en el suelo donde se desea conocer la humedad. (Ver figura 2.5).
Figura 2.5 Bloques de impedancia y medidor de resistencia eléctrica A la superficie del suelo sale un alambre duplex, el cual se conecta a un aparato que mide resistencia eléctrica, por lo que si el suelo tiene mucha humedad se medirá una baja resistencia y viceversa. Para calibrar estas lecturas se relacionan resistencia yhumedad del suelo. ASPERSOR DE NEUTRONES Es un aparato más complejo, que cuenta con una fuente de poder radioactiva. Primeramente se coloca en el suelo un tubo metálico de 1 a 1.5 m de largo y 5 cm de diámetro que se instala de manera vertical, generalmente de forma permanente. Por la abertura superior se deja deslizar en su interior una pequeña fuente de radioactividad, a la profundidad promedio que se desea medir la humedad; junto a la fuente emisiva se introduce un detector, conectado por un cable a un preamplificador, registrador y amplificador de pulsaciones en la superficie del suelo. Los neutrones atraviesan las paredes del tubo metálico y penetran en el suelo disminuyendo su velocidad cuando chocan con un núcleo de bajo peso molecular, tal como el hidrógeno del agua, disminuyendo la velocidad y reintegrándolos al detector, el cual envía una pulsación eléctrica por el cable al contador que está en la superficie del suelo, donde se registra el número de neutrones que llegan amortiguados al detector, relacionados con la humedad del suelo mediante una calibración.
Infiltración del agua en el suelo
Infiltración del agua en el suelo La infiltración es la entrada de agua al suelo y el movimiento tiene componentes laterales y verticales. En riego por surcos, melgas y aspersión interesa medir la componente vertical, de tal manera que los movimientos laterales se desprecian. Las maneras en las que se expresa la infiltración son las siguientes: • velocidad de infiltración (I). Es la relación que existe entre la lámina que se infiltra y el tiempo que tarda en hacerlo, en cm/h, mm/h, cm/min y en general [L/T]. • velocidad de infiltración básica (Ib). Es el dato que se tiene cuando la velocidad de infiltración se vuelve prácticamente constante [L/T]. • infiltración acumulada o lámina infiltrada (Z). Es la integración de la velocidad de infiltración, en unidades de lámina de riego (L). Factores que afectan la infiltración
La infiltración puede ser afectada, en algunas ocasiones fuertemente, si se modifican los siguientes factores: • Características físicas del suelo (porosidad, estructura, agentes cementantes, entre otros). • Características del perfil del suelo. La infiltración será gobernada por las capas menos permeables. • Humedad del suelo. La variación en la humedad del suelo afecta directamente a la infiltración. • Método de riego y manejo del agua. Hay métodos de riego en los cuales se inunda totalmente la superficie del suelo y otros en que se moja parcialmente, por lo tanto la entrada del agua al suelo es diferente. • Otros factores. Entre estos se tiene la viscosidad del agua, relacionada con la temperatura de la misma y su tensión superficial, así como el aire atrapado, entre otros. Obtención de datos de campo para determinar la velocidad de infiltración
Existen dos métodos para determinar la velocidad de infiltración en campo, dependiendo si el riego es por melgas o surcos. MÉTODO DEL DOBLE CILINDRO Es utilizado cuando el riego es por melgas, ya que trata de simular el tirante que se queda en la melga antes de entrar al suelo; con algunos ajustes, este método se puede utilizar para riego por aspersión. MÉTODO DE ENTRADAS Y SALIDAS
Se prefiere este método cuando el riego se programa realizarlo por surcos, ya que la prueba se realiza con agua en movimiento dentro de un surco. Para conocer la descripción completa de los dos métodos se remite al libro de Aguilera y Martínez (1996). Modelos que representan la infiltración
De las pruebas de campo de infiltración, por cualquiera de los métodos referidos, se obtienen finalmente datos de velocidad de infiltración (I) relacionados con el tiempo acumulado (T), por lo que si estos datos se ponen en una gráfica de I vs T, se puede obtener la tendencia de la velocidad de infiltración a través del tiempo. Sin embargo, para ajustar mejor los datos de campo se ha optado por proponer algunos modelos empíricos que representan la infiltración. Aquí sólo se presentan tres de ellos. MODELO DE KOSTIAKOV (2.17) Donde: I = velocidad de infiltración, en cm/h T = tiempo acumulado, en minutos Kyn = parámetros obtenidos por regresión Para obtener la infiltración acumulada o lámina infiltrada (Z) se integra la ecuación 2.17 respecto al tiempo. Después de integrar y ajustar unidades (horas a minutos) queda:
(2.18) Donde: Z = en cm T = tiempo, en minutos MODELO DEL USDA (2.19) Donde: B = parámetro que representa la velocidad de infiltración Básica Para obtener Z se integra y ajusta unidades. MODELO DE PHILIP (2.20) Donde: Z = en cm T = tiempo, en minutos S = sortividad (obtenido mediante regresión) b = transmisibilidad (obtenido mediante regresión)
Eficiencia de Riego
Eficiencia de Riego En una zona de riego, la eficiencia de Riego (E) es igual al producto de la eficiencia de Conducción (Ec) y eficiencia de aplicación (Ea). (2.21) Donde: Ec = eficiencia de conducción, decimal. Es la relación entre el agua que llega a la toma de la parcela (Vp) y el agua que sale de la fuente de abastecimiento, o sea que define el agua que se pierde en la red de distribución Ea = eficiencia de aplicación, en decimal eficiencia de aplicación
Es la relación que existe entre el agua que se requiere en la zona de raíces (Vr) y el agua total que se deriva a la parcela (Vt) expresión 2.22. Ver figura 2.6. (2.22)
Figura 2.6 eficiencia de requerimiento o almacenamiento
Cuando el agua total aplicada (Vt) a una parcela no es requerida en la zona de raíces (Vr) y se aplica la ecuación 2.22 para calcular Ea, el valor resultará mayor que el 100%, lo cual no da una información correcta de lo que está pasando (ver figura 2.7). Cuando esto suceda se sugiere utilizar el término Er que se calcula así:
Figura 2.7 Patrón de mojado con déficit de riego (2.23) eficiencia de distribución o coeficiente de uniformidad
Se usa indistintamente cualquiera de los dos términos y muestra la uniformidad con la cual el agua se distribuye en los diferentes puntos de la parcela. Para esto se toman las láminas o volúmenes de riego aplicados en diferentes puntos del sitio en que se quiere conocer el CU y con estos datos se aplica la siguiente ecuación, propuesta por Christiansen:
(2.24) Donde: Li = lámina de riego de cada uno de los puntos muestreados, en cm n = número de datos tomados en la prueba = lámina media, en cm Evapotranspiración
La mayor parte de agua que utiliza la planta, y su área aledaña es la evapotranspiración, concepto que se interpreta como el consumo de agua por las plantas, despreciando el agua que se utiliza en la formación de tejidos por ser muy pequeña (1%). Evapotranspiración potencial
Este concepto es usado ampliamente y se define como "la pérdida de agua que ocurriría en un terreno que estuviera cubierto totalmente de vegetación verde de unos 8 a 15 cm de altura y que en ningún momento hubiera deficiencia de agua en el suelo para el uso de la vegetación". La FAO utiliza el término evapotranspiración de referencia (ETo) y su definición es muy semejante a la de ETp. Evapotranspiración real
Es el consumo de agua que realizan los cultivos en las condiciones específicas de humedad, suelo y clima. El cálculo de la ETr, generalmente se hace en función de la ETp o ETo afectándolo por un coeficiente, que incluye los factores que influyen (expresión 2.25). (2.25) Donde: K = coeficiente que representa el efecto de las relaciones agua-suelo-planta Tomando en cuenta que el clima es el factor más importante en el cálculo de la ETr, se considera que este efecto queda incluido en la ETp. La K, generalmente se obtiene considerando la variable planta tomando como constante el agua-suelo y se le denomina coeficiente de cultivo (Kc). Métodos para determinar y estimar la evapotranspiración
Los procedimientos para determinar y estimar la evapotranspiración pueden clasificarse como: directos e indirectos. DIRECTOS Son los que proporcionan directamente el consumo total de agua requerida, utilizando para ello aparatos e instrumentos para la determinación. Con estos métodos se puede obtener la ETr o la ETp (ETo), además sirve a la vez para ajustar los parámetros de los métodos empíricos o indirectos. Dentro de estos métodos se encuentran los siguientes: • Gravimétrico • Lisimétrico • Evapotranspirómetro de Thornthwaite Para la descripción con detalle de estos métodos se puede consultar a Aguilera y Martínez (1996). INDIRECTOS Con estos se estima el consumo de agua a través de todo el ciclo vegetativo, mediante la utilización de fórmulas empíricas que se basan en diferentes variables climáticas y que son calibrados con algún método directo. En este escrito se desarrollarán 5 métodos, algunos de ellos recomendados por la FAO. • Método del Evaporímetro de tanque tipo A. • Método de Penman modificado. • Método de la Radiación. • Método de Blaney - Criddle modificado por Phelan. • Método de Blaney - Criddle propuesto por la FAO. A. Método del evaporímetro de tanque tipo A Este método consiste en medir la evaporación en un tanque de características especiales en la forma y la instalación. Se considera que las medidas de la evaporación integran los efectos de los diferentes factores meteorológicos que influyen en laevapotranspiración, por lo tanto la ETp (ETo) puede ser estimada con más precisión por este método.
Figura 2.8 Tanque tipo A Para estimar la Evapotranspiración de referencia (ETo), semejante a la ETp, se utiliza la siguiente fórmula: (2.26) Donde: ETo = en mm/día Ev = evaporación medida en el tanque A, en mm/día Kp = coeficiente de ajuste, adimensional El coeficiente Kp, se obtiene de una tabla, utilizando la siguiente información: definir si el tanque está o no rodeado de pasto, humedad relativa, velocidad del viento y distancia del tanque a la cubierta vegetal o a la tierra seca, según sea el caso. Ver cuadro 2.8.
Cuadro 2.8 Coeficiente de ajuste Kp para estimar la ETo como función de la evaporación medida en tanque tipo A TANQUE RODEADO DE PASTO VERDE Humedad relativa % prom Viento km/día Ligero <175
Moderado 175-425
Fuerte 425-700
Muy fuerte >700
Baja <40
Media 40-70
TANQUE RODEADO DE TIERRA SECA Alta >70
Distancia a la vegetación (m)
Baja <40
Media 40-70
Alta >70
Distancia a la vegetación (m)
0
0.55
0.65
0.75
0
0.70
0.80
0.85
10
0.65
0.75
0.85
10
0.60
0.70
0.80
100
0.70
0.80
0.85
100
0.65
0.65
0.75
1000
0.75
0.85
0.85
1000
0.50
0.60
0.70
0
0.50
0.60
0.65
0
0.65
0.75
0.80
10
0.60
0.70
0.75
10
0.55
0.65
0.70
100
0.65
0.75
0.80
100
0.50
0.60
0.65
1000
0.70
0.80
0.80
1000
0.45
0.55
0.60
0
0.45
0.45
0.50
0
0.60
0.65
0.70
10
0.55
0.55
0.60
10
0.50
0.55
0.65
100
0.60
0.60
0.65
100
0.45
0.50
0.60
1000
0.65
0.60
0.65
1000
0.40
0.45
0.55
0
0.40
0.45
0.50
0
0.50
0.60
0.65
10
0.45
0.55
0.60
10
0.45
0.50
0.55
100
0.50
0.60
0.65
100
0.40
0.45
0.50
1000
0.55
0.60
0.65
1000
0.35
0.40
0.45
Para que el coeficiente Kp se pueda utilizar, el tanque tipo A deberá tener las siguientes características: construido de fierro galvanizado sin puntas, circular de 122 cm (48") de diámetro y de 25.4 cm 10") de profundidad, expuesto y montado sobre un marco de madera construido de tal forma que deje moverse al aire libremente por debajo del tanque. Se llena de agua hasta una profundidad de 20 cm y se vuelve a llenar cuando el tirante ha descendido a 18 cm. La evaporación se calcula como la diferencia entre dos lecturas diarias consecutivas, haciéndose ajustar por cualquier precipitación medida en un pluviómetro adyacente. B. Método de Penman Modificado El Método de Penman original requiere bastante información agroclimática y/o tablas para estimarlos, de tal manera que la FAO propone una fórmula que se sustenta en los mismos principios, sólo que se han suprimido algunos términos que no afectan fuertemente los cálculos. La ecuación de Penman tiene dos términos, el de la energía (radiación) y el aerodinámico (viento y humedad). La fórmula utilizada en este método es la siguiente: (2.27) Donde: ETo = en mm/día W = factor de ponderación relacionado con la temperatura y la altitud, cuyos valores están dados en el cuadro 2.9 Rn = radiación neta en equivalente de evaporación, en mm/día f(u) = función relacionada con el viento es = presión del vapor a saturación promedio, diaria en mb. Valor en cuadro 2.10 ed = presión del vapor real o actual promedio diaria, en mb. Ver cuadros 2.11a, 2.11b y 2.12 C = factor de corrección. Se obtiene del cuadro 2.13 donde se entra con la relación que existe entre la velocidad de viento en el día (Udía) y la velocidad del viento en la noche (Unoche), la humedad relativa y la radiación solar de onda corta (Rs) Donde: (2.28) Cuadro 2.9 Valores del factor de ponderación W para los efectos de la radiación sobre ETo, a diferentes temperaturas y altitudes TEMPERATURA (ºC) 2
4
6
8
10 12
14 16
18 20
22 24
26 28
30 32
34 36
38 40
W a una Altitud en m de: 0
0.43 0.46 0.49 0.52 0.55 0.58 0.61 0.64 0.66 0.68 0.71 0.73 0.75 0.77 0.78 0.80 0.82 0.83 0.84 0.85
500
0.45 0.48 0.51 0.54 0.57 0.60 0.62 0.65 0.67 0.70 0.72 0.74 0.76 0.78 0.79 0.81 0.82 0.84 0.85 0.86
1000
0.46 0.49 0.52 0.55 0.58 0.61 0.64 0.66 0.69 0.71 0.73 0.75 0.77 0.79 0.80 0.82 0.83 0.85 0.86 0.87
2000
0.49 0.52 0.55 0.58 0.61 0.64 0.66 0.69 0.71 0.73 0.75 0.77 0.79 0.81 0.82 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88
3000
0.52 0.55 0.58 0.61 0.64 0.66 0.69 0.71 0.73 0.75 0.77 0.79 0.81 0.82 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.89
4000
0.55 0.58 0.61 0.64 0.66 0.69 0.71 0.73 0.76 0.78 0.79 0.81 0.83 0.84 0.85 0.86 0.88 0.89 0.90 0.90
Cuadro 2.10 TEMPERA- 0 TURA (ºC) fes (mb) Rs
Presión de vapor a saturación (es) en mbar en función de la temperatura media del aire en ºC 2
4
6
8
10 12
14 16
18 20
22 24
26 28
30 32
34 36
11.0 11.4 11.7 12.0 12.4 12.7 13.1 13.5 13.8 14.2 14.6 15.0 15.4 15.9 16.3 16.7 17.2 17.7 18.1
= radiación de onda corta, en mm/día
(2.29) Donde: n = horas de sol reales, en h N = horas del sol posibles, en h. Ver cuadro 2.14 Ra = radiación extraterrestre, en mm/día. Ver cuadro 2.15 α = albedo o relación existente entre la cantidad de radiación solar o radiación visible reflejada por una superficie y la cantidad incidente sobre ella. Varía entre 0.20 y 0.25 para los cultivos Rnl = radiación termal (de onda larga) de regreso a la atmósfera, en mm/día
(2.30) (Presión 20
12.0 9.0 6.8 4.6 2.6
0.9
18
16.2 13.2 10.4 8.0 5.8
3.8 2.1 0.6
16
20.7 17.3 14.3 11.5 9.1
6.9 4.9 3.2 1.6 0.2
14
25.6 21.8 18.4 15.4 12.6
10.2 8.0 6.0 4.3 2.7
1.3 0.1
31.0 26.8 23.0 19.6 16.6
13.8 11.4 9.2 7.2 5.5
3.9 2.5 1.3 0.3
41.8 36.7 32.1 24.1 20.7
17.7 14.9 12.5 10.3 8.3
6.6 5.0 3.6 2.4 1.4
0.4
43.0 37.9 33.3 29.1 25.3
21.9 18.9 16.1 13.9 11.5
9.5 7.8 6.2 4.8 3.6
2.6 1.6 0.7
49.8 44.1 39.0 34.4 30.2
26.4 23.0 20.0 17.2 14.3
12.6 10.6 8.9 7.3 5.9
4.7 3.7 2.7 1.8 1.0 0.0
57.1 50.9 45.2 40.1 35.5
31.3 27.5 24.1 21.1 18.3
15.9 13.7 11.7 10.0 8.4
7.0 5.8 4.8 3.8 2.9 2.1
2
65.2 58.2 52.1 46.4 41.3
36.7 32.5 28.7 25.3 22.3
19.5 17.1 14.9 12.9 11.2
9.6 8.2 7.0 6.0 5.0 4.0
0
73.8 66.3 59.4 53.2 47.5
42.4 37.8 33.6 29.8 26.4
23.4 20.6 18.2 16.0 14.0
12.3 10.7 9.3 8.1 7.1 6.1
Seco 40.0 38.0 36.0 34.0 32.0 (ºC)
30.0 28.0 26.0 24.0 22.0
20.0 18.0 16.0 14.0 12.0
10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0
bulbo húmedo 12 (T en 10 ºC), altitud: 8 1000- 6 2000 m 4
Term.
22
6.0
20
10.1 7.3 4.9
18
14.4 11.4 8.6 6.2 4.0
(Presión 16 bulbo 14 húmedo 12 (T en ºC), 10 altitud: 8 0-1000 6 m 4
19.2 15.8 12.7 10.0 7.5
5.3 3.4 1.6
24.3 20.5 17.1 14.0 11.3
8.8 6.7 4.7 2.9 1.4
29.8 25.6 21.8 18.4 15.4
12.6 10.2 8.0 6.0 4.3
2.7 1.4
35.8 31.1 26.9 23.2 19.8
16.7 14.0 11.5 9.3 7.4
5.6 4.1 2.7 1.5
42.2 37.1 32.6 28.3 24.5
21.1 18.0 16.3 12.6 10.6
8.7 6.9 5.4 4.0 2.8
1.7 0.8
49.2 43.6 38.4 33.8 29.6
25.8 22.4 19.4 16.6 14.2
12.0 10.0 8.3 6.7 5.3
4.1 3.1 2.1 1.6 0.8 0.0
56.8 50.5 44.9 39.8 35.1
30.9 27.2 23.8 20.1 18.0
15.5 13.3 11.4 9.6 8.1
6.7 5.5 4.4 3.4 2.8 2.0
2
64.9 58.1 51.9 46.2 41.1
36.5 32.3 28.5 26.1 22.0
19.3 16.8 14.6 12.7 10.9
9.4 8.0 6.8 5.7 4.8 4.0
0
73.8 66.3 59.4 53.2 47.5
42.4 37.8 33.6 29.8 26.4
23.4 20.6 18.2 16.0 14.0
12.3 10.7 9.3 8.1 7.1 6.1
Cuadro 2.11a Presión del vapor (ed) en mbar, calculada a partir de datos de termómetro seco y húmedo en ºC (psicrómetro ventilado) 22 20 18 16 (Presión 14 bulbo húmedo (T 12 en oC), 10 altitud:10008 2000 m 6
Term. (Presión bulbo húmedo (T en oC), altitud: 01000 m
18.9 15.5 12.5 9.7 7.3
5.1 3.1 1.4
34.1 20.3 16.9 13.9 11.1
8.7 6.5 4.5 2.8
29.6 25.4 21.2 18.2 15.2
12.4 10.0 7.8 5.8 4.1
2.5 1.1
35.6 31.0 26.8 23.0 19.6
16.6 13.8 11.4 9.2 7.2
5.5 3.9 2.5 1.3 0.3
42.0 36.9 32.3 28.1 24.3
20.9 17.9 15.1 12.7 10.5
8.5 6.8 5.2 3.8 2.6
1.6 0.6
49.1 43.4 38.3 33.7 29.5
25.7 22.3 19.3 16.5 14.1
11.9 9.9 8.2 6.6 5.2
4.0 3.0 2.0 1.1 0.3
4
56.7 50.5 44.8 39.7 35.1
30.9 27.1 23.7 20.7 17.9
15.5 13.3 11.3 19.6 8.0
6.7 5.4 4.4 3.4 2.5 1.7
2
64.9 58.0 51.8 46.1 41.0
36.4 32.2 28.4 25.0 22.0
19.2 16.8 14.6 12.6 10.9
9.3 7.9 6.7 5.7 4.7 3.8
0
73.8 66.3 59.4 53.2 47.5
42.4 37.8 33.6 29.8 26.4
23.4 20.6 18.2 16.0 14.0
12.3 10.7 9.3 8.1 7.1 6.1
Seco 40.0 38.0 36.0 34.0 32.0 (ºC)
30.0 28.0 26.0 24.0 22.0
20.0 18.0 16.0 14.0 12.0
10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0
22
3.0 0.6
20
7.4 4.6 2.2
18
12.0 9.0 6.2 3.8 1.6
16
17.0 13.6 10.6 7.8 5.4
3.2 1.2
14
22.4 18.6 15.2 12.2 9.4
7.0 4.8 2.8 1.1
12
28.2 24.0 20.2 16.8 13.8
11.0 8.6 6.4 4.4 2.7
1.1
10
34.4 29.8 25.6 21.8 18.4
15.4 12.6 10.2 8.0 6.0
4.3 2.7 1.4 0.1
8
41.2 36.0 31.4 27.2 23.4
20.0 17.0 14.2 11.8 9.6
7.6 5.9 4.3 3.0 1.7
0.7
6
48.4 42.8 37.6 33.0 28.8
25.0 21.6 18.6 15.8 13.4
11.2 9.2 7.5 5.9 4.6
3.3 2.3 1.5 0.9
4
56.2 50.0 44.4 39.2 34.6
30.4 26.6 23.2 20.2 17.4
15.0 12.8 10.8 9.1 7.5
6.1 4.9 3.9 2.9 2.3 1.5
2
64.7 57.8 51.6 45.9 40.8
36.2 32.0 28.2 24.8 21.8
19.0 16.6 14.4 12.4 10.9
9.1 7.7 6.5 5.5 4.5 3.7
0
73.8 66.3 59.4 53.2 47.5
42.4 37.8 33.6 29.8 26.4
23.4 20.6 18.2 16.0 14.0
12.3 10.7 9.3 8.1 7.1 6.1
Cuadro 2.11b Presión del vapor (ed) en mbar, calculada a partir de datos de termómetro seco y húmedo en ºC (psicrómetro no ventilado) Cuadro 2.12 Presión de vapor (ed) en mbar calculada a partir de la temperatura en el punto de rocío TEMPERATURA 0 (ºC) ed (mbar)
2
4
6
8
10
12 14 16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
6.1 7.1 81 9.3 10.7 12.3 14 16 18.2 20.6 23.4 26.4 29.8 33.6 37.8 42.4 47.5 53.2 59.4 56.3 73.8
Cuadro 2.13
Factor de corrección C en la ecuación de Penman
Rs mm/día
RHmáx 30%
RHmáx 60%
RHmáx 90%
3
6
9
12
3
6
9
12
3
6
9
12
0.86 0.79 0.68 0.55
0.90 0.24 0.77 0.65
1.00 0.92 0.87 0.78
1.00 0.97 0.93 0.90
0.96 0.92 0.85 0.76
0.98 1.00 0.96 0.88
1.05 1.11 1.11 1.02
1.05 1.19 1.19 1.14
1.02 0.99 0.94 0.88
1.06 1.10 1.10 1.01
1.10 1.27 1.26 1.16
1.10 1.32 1.33 1.27
0.86 0.76 0.51 0.46
0.90 0.81 0.68 0.56
1.00 0.88 0.81 0.72
1.00 0.94 0.88 0.82
0.96 0.87 0.77 0.67
0.98 0.96 0.88 0.79
1.05 1.06 1.02 0.88
1.05 1.12 1.10 1.05
1.02 0.94 0.86 0.78
1.06 1.04 1.01 0.92
1.10 1.18 1.15 1.06
1.10 1.28 1.22 1.18
0.86 0.69 0.53 0.37
0.90 0.76 0.61 0.48
1.00 0.85 0.74 0.55
1.00 0.92 0.84 0.76
0.96 0.83 0.70 0.59
0.98 0.91 0.80 0.70
1.05 0.99 0.94 0.84
1.05 1.05 1.02 0.95
1.02 0.89 0.79 0.71
1.06 0.98 0.92 0.81
1.10 1.10 1.05 0.96
1.10 1.14 1.12 1.06
0.86 0.64 0.43 0.27
0.90 0.71 0.53 0.41
1.00 0.82 0.68 0.59
1.00 0.89 0.79 0.70
0.96 0.78 0.62 0.50
0.98 0.86 0.70 0.60
1.05 0.94 0.84 0.75
1.05 0.99 0.93 0.87
1.02 0.85 0.72 0.62
1.06 0.92 0.82 0.72
1.10 1.04 0.95 0.87
1.10 1.05 1.00 0.96
Udía/Unoche = 4.0 0 3 6 9 Udía/Unoche = 3.0 0 3 6 9 Udía/Unoche = 2.0 0 3 6 9 Udía/Unoche = 1.0 0 3 6 9 Donde: (2.31) Los valores de f(T) se pueden ver en el cuadro 2.16. Los valores de f(ed) se pueden calcular con la expresión 2.32 para climas húmedos y con la 2.33 para climas secos. Cuadro 2.14 latitudes
(2.32) Duración máxima diaria media de las horas de fuerte insolación N en diferentes meses y
LAT. NORTE
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
LAT. SUR
JUL AGO SEP OCT NOV DIC ENE FEB MAR ABR MAY JUN
50 48 46 44 42 40 35 30 25 20
8.5 10.1 8.8 10.2 9.1 10.4 9.3 10.5 9.4 10.6 9.6 10.7 10.1 11.0 10.4 11.1 10.7 11.3 11.0 11.5
11.8 11.8 11.9 11.9 11.9 11.9 11.9 12.0 12.0 12.0
13.8 13.6 13.5 13.4 13.4 13.3 13.1 12.9 12.7 12.6
15.4 15.2 14.9 14.7 14.6 14.4 14.0 13.6 13.3 13.1
16.3 15.9 14.5 16.0 15.6 14.3 15.7 15.4 14.2 15.4 15.2 14.0 15.2 14.9 13.9 15.0 14.7 13.7 14.5 14.3 13.5 14.0 13.9 13.2 13.7 13.5 13.0 13.3 13.2 12.8
12.7 12.6 12.6 12.6 12.6 12.5 12.4 12.4 12.3 12.3
10.8 10.9 10.9 11.0 11.1 11.2 11.3 11.5 11.6 11.7
15 10 5 0
11.3 11.6 11.6 11.8 11.8 11.9 12.1 12.1
12.0 12.0 12.0 12.1
12.5 12.3 12.2 12.1
12.8 12.6 12.3 1.21
13.0 12.9 12.6 12.7 12.6 12.4 12.4 12.3 12.3 12.1 12.1 12.1
12.2 12.1 12.1 12.1
11.8 11.8 12.0 12.1
(2.33) Valores de f(ed) también se pueden ver en cuadro 2.17.
Los valores de
se pueden ver en el cuadro 2.18 y los valores de N se obtienen del cuadro 2.14.
(2.34) Donde: f(u) = función relacionada con el viento U2 = velocidad del viento a 2 m de la superficie del suelo, en km/día
(2.35) 18. 18. 18. 18. 18. 18. 18. 18. 18. 18. 18. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 16. 16. 16. 16. 16. 15. 15. 15. 14. DIC 2 2 3 3 3 3 3 2 2 1 1 9 8 7 6 4 1 8 6 5 2 0 7 4 1 8 NO 16. 16. 16. 16. 16. 16. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 16. 17. 16. 16. 16. 16. 15. 15. 15. 14. V 5 6 7 7 8 9 0 0 1 2 3 2 2 1 0 0 8 7 5 4 2 0 8 5 2 8 OC 12. 13. 13. 13. 14. 14. 14. 14. 14. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. T 9 2 4 7 0 2 4 6 9 1 3 4 5 6 7 8 8 8 8 8 9 8 7 6 5 4 SE 10. 10. 11. 11. 11. 12. 12. 12. 13. 13. 13. 13. 13. 14. 14. 14. 14. 14. 14. 15. 15. 15. 15. 8.9 9.3 9.7 P 2 6 0 4 7 0 4 7 0 2 4 7 9 1 3 5 7 8 9 0 1 2 3 AG 10. 10. 10. 11. 11. 12. 12. 12. 12. 13. 13. 13. 14. 14. 14. 14. 5.5 6.0 6.5 6.9 7.4 7.9 8.3 8.8 9.2 9.6 O 1 4 9 2 6 0 3 6 9 2 5 7 0 3 5 8 HEMISFERIO SUR
JUL3.5 4.0 4.4 4.9 5.4 5.9 6.3 6.8 7.2 7.7 8.1 8.6 9.1 9.5
10. 10. 10. 11. 11. 12. 12. 12. 13. 13. 13. 14. 0 4 8 2 6 0 4 7 1 4 7 1
JU 10. 10. 10. 11. 11. 12. 12. 12. 13. 13. 13. 3.1 3.5 4.0 4.4 4.9 5.3 5.8 6.3 6.8 7.3 7.8 8.2 8.7 9.1 9.6 N 0 4 8 2 6 0 4 8 2 5 9 MA 10. 10. 11. 11. 11. 12. 12. 12. 13. 13. 13. 14. 14. 4.2 4.7 5.2 5.7 6.1 6.6 7.1 7.5 8.0 8.5 8.9 9.3 9.7 Y 2 6 0 4 7 1 5 8 1 4 8 1 4 AB 10. 10. 10. 11. 11. 12. 12. 12. 13. 13. 13. 13. 14. 14. 14. 14. 14. 15. 15. 7.0 7.5 7.9 8.4 8.8 9.2 9.6 R 1 6 9 3 6 0 3 6 0 2 5 7 0 2 4 7 9 1 3 MA 10. 11. 11. 11. 12. 12. 12. 13. 13. 13. 14. 14. 14. 14. 14. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. R 9 2 5 9 2 5 8 2 5 8 0 3 4 6 8 0 1 2 3 4 5 5 6 6 7 7 FE 14. 14. 15. 15. 15. 15. 15. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 15. 15. 15. B 7 9 1 3 5 7 8 0 1 2 4 4 4 5 5 5 5 4 4 3 3 1 0 8 7 5 EN 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 16. 16. 16. 16. 16. 15. 15. 15. 15. E 5 6 7 8 8 9 9 9 8 8 8 7 6 5 4 3 1 9 7 6 4 1 8 5 3 0 LA 50. 48. 46. 44. 42. 40. 38. 36. 34. 32. 30. 28. 26. 24. 22. 20. 18. 16. 14. 12. 10. 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 T. 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
HEMISFERIO NORTE
DIC3.2 3.7 4.3 4.7 5.2 5.7 6.1 6.6 7.2 7.6 8.3 8.8 9.3 9.7
10. 10. 11. 11. 12. 12. 12. 13. 13. 14. 14. 14. 2 7 1 6 0 5 9 3 7 1 4 8
NO 10. 10. 11. 11. 12. 12. 12. 13. 13. 13. 14. 14. 14. 15. 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 9.9 V 3 7 1 6 0 4 8 3 6 9 2 5 8 1 OC 10. 10. 10. 11. 11. 12. 12. 12. 13. 13. 13. 13. 14. 14. 14. 14. 15. 15. 15. 15. 7.4 7.8 8.3 8.7 9.1 9.6 T 0 6 8 2 6 0 3 6 0 3 6 9 1 4 7 8 0 1 3 4 SE 10. 11. 11. 11. 12. 12. 12. 13. 13. 13. 13. 14. 14. 14. 14. 14. 14. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. P 9 2 5 9 2 5 8 1 4 6 9 1 3 5 6 8 9 0 1 2 3 3 3 3 3 3 AG 14. 14. 14. 14. 16. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 14. 14. O 1 3 5 7 0 2 3 4 5 6 7 7 7 8 8 9 8 7 7 6 5 4 2 1 9 8 JUL16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 15. 15. 15. 15. 15. 14. 14. 14. 14.
4
5
6
6
7
7
7
7
8
8
8
7
6
5
4
3
1
9
7
5
3
1
9
6
3
1
JU 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 17. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 15. 15. 15. 15. 15. 14. 14. 14. 13. N 1 2 2 2 3 3 2 2 1 0 0 8 7 6 4 4 1 9 7 5 3 0 7 4 2 9 MA 15. 15. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 16. 15. 15. 15. 15. 15. 14. 14. 14. Y 8 9 0 1 2 4 4 4 5 5 5 5 4 4 3 3 1 0 8 7 5 3 1 9 6 4 AB 12. 13. 13. 13. 14. 14. 15. 14. 14. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. R 7 0 3 7 0 3 5 7 8 0 2 3 3 4 5 6 6 6 7 7 7 6 4 5 3 3 MA 10. 10. 11. 11. 11. 12. 12. 12. 13. 13. 13. 13. 14. 14. 14. 14. 14. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 15. 9.4 9.8 R 2 6 0 4 8 1 4 8 1 4 7 9 2 4 6 7 9 1 3 3 4 5 6 7 FE 10. 10. 11. 11. 11. 12. 12. 13. 13. 13. 13. 14. 14. 14. 15. 15. 15. 6.1 6.6 7.1 7.6 8.1 8.6 9.0 9.4 9.8 B 2 7 1 5 9 3 7 0 3 6 9 2 5 8 0 3 5 EN 10. 10. 11. 11. 12. 12. 12. 13. 13. 13. 14. 14. 15. 3.8 4.3 4.9 5.3 5.9 6.4 6.9 7.4 7.9 8.3 8.8 9.3 9.8 E 2 7 2 6 0 4 8 2 6 9 3 7 0 Cuadro 2.15 La radiación extraterrestre Ra expresada en equivalente de evaporación en mm/día Cuadro 2.16 T °C
0
f(T) tK4 11.0 Cuadro 2.17 ed(mb)
Corrección para la temperatura f(T) con respecto a la radiación de onda larga Rnl 2
4
6
8
10
12
14
16
18
11.4
11.7
12.0
12.4
12.7
13.1
13.5
13.8
14.2
Corrección para la presión del vapor f(ed) con respecto a la radiación de onda larga Rnl 5
8
10
12 14
16 18
20 22
24 26
28 30
32 34
36 38
40
f(ed) = 0.56-0.079(ed)1/2 0.37 0.34 0.31 0.29 0.26 0.24 0.23 0.21 0.19 0.17 0.16 0.14 0.13 0.11 0.10 0.09 0.07 0.06 f(ed) = 0.34-0.004(ed)1/2 0.23 0.22 0.20 0.19 0.18 0.16 0.15 0.14 0.13 0.12 0.12 0.11 0.10 0.09 0.08 0.08 0.07 0.06 Cuadro 2.18 Corrección para la relación entre las horas reales de fuerte insolación y las máximas posibles f(n/N) con respecto a la radiación de onda larga Rnl n/N
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00
f(n/N) = 0.10 0.15 0.19 0.24 0.28 0.33 0.37 0.42 0.46 0.51 0.55 0.60 0.64 0.69 0.73 0.78 0.82 0.87 0.91 0.96 1.00 0.1+0.9 n/N Donde: ed = presión de vapor a saturación promedio, en mb. Valor en el cuadro 2.10 HRm = humedad relativa media, en % C. Método de la radiación En aquellas zonas en las que los datos climáticos disponibles se refieren a la insolación, a la nubosidad o a la radiación y a la temperatura del aire, pero no al viento y la humedad, se sugiere el método de la radiación para predecir los efectos del clima sobre las necesidades de agua de los cultivos. La fórmula utilizada en este método es la siguiente: (2.36) Donde: ETo = evapotranspiración de referencia, en mm/día Rs = radiación solar de onda corta. Ver ecuación 2.29 W = igual que en la ecuación 2.27. Ver cuadro 2.9 a y b = coeficientes, cuyos valores están integrados en la figura 2.9, la cual requiere como datos de entrada WxRs D. Método de Blaney - Criddle modificado por Phelan La fórmula de Blaney - Criddle, es usada ampliamente en diferentes partes del mundo, en la cual se hacen intervenir la temperatura media mensual y el porcentaje de horas luz por mes con respecto al total anual. Originalmente los autores diseñaron el método para estimar la evapotranspiración real (ETr) total de los cultivos mediante la siguiente fórmula. (2.37) Donde: ETr = evapotranspiración, en cm KG = coeficiente total de ajuste que depende del cultivo y de la ubicación de la zona de estudio. Ver cuadro 2.19 F = equivalente a la ETp o ETo, global (todo el ciclo vegetativo)
(2.38) fi
= valores de ETp mensuales, en cm
(2.39) T = temperatura media mensual, en ºC P = porcentaje de horas luz del mes con respecto al total anual, en %. Ver datos en cuadro 2.20 Phelan, propuso una corrección a cada una de las fi mensuales. Se multiplica por un coeficiente Kti, el cual está en función de las temperaturas medias mensuales (T). (2.40)
Figura 2.9 Relación para obtener la EToa partir de valores calculados de WxRs y un conocimiento general de la humedad relativa media y de los vientos diurnos Cuadro 2.19 Coeficientes globales de uso consuntivo (KG) para diferentes cultivos CULTIVO
PERIODO DE CRECIMIENTO COEFICIENTE GLOBAL (CICLO VEGETATIVO) KG
Aguacate
Todo el año
0.50 a 0.55
Ajonjolí
3 a 4 meses
0.8
Alfalfa
Entre heladas
0.80 a 0.85
En invierno
0.6
Algodón
6 a 7 meses
0.60 a 0.65
Arroz
3 a 5 meses
1.00 a 1.20
Cacahuate
5 meses
0.60 a 0.65
Cacao
Todo el año
0.75 a 0.80
Café
Todo el año
0.75 a 0.75
Camote
5 a 6 meses
0.6
Caña de Azúcar
Todo el año
0.75 a 0.80
Cártamo
5 a 8 meses
0.55 a 0.65
Cereales de granos pequeños (Alpiste, Avena, Cebada, Centeno y Trigo)
3 a 6 meses
0.75 a 0.85
Cítricos
7 a 8 meses
0.50 a 0.65
Chile
3 a 4 meses
0.6
Espárrago
6 a 7 meses
0.6
Fresa
Todo el año
0.45 a 0.60
Frijol
3 a 4 meses
0.60 a 0.70
Frutales de hueso y pepita (hoja caduca)
Entre heladas
0.60 a 0.70
Frutales establecidos de clima tropicales y subtropicales (Hoja decidua)
Todo el año
donde: ETA = Evaporación del tanque tipo A. f = Factor de luminosidad y temperatura. Garbanzo
4 a 5 meses
0.60 a 0.70
Girasol
4 meses
0.50 a 0.65
Gladiola
3 a 4 meses
0.6
Haba
4 a 5 meses
0.60 a 0.70
Hortalizas
2 a 4 meses
0.6
Jitomate
4 meses
0.7
Lechuga y Col
3 meses
0.7
Lenteja
4 meses
0.60 a 0.70
Lino
7 a 8 meses
0.70 a 0.80
CULTIVO
PERIODO DE CRECIMIENTO (CICLO VEGETATIVO)
Maíz
4 a 7 meses
Mango
Todo el año
Melón
3 a 4 meses
Nogal
Entre heladas
Papa
3 a 5 meses
Palma Datilera
Todo el año
Palma de coco
Todo el año
Papaya
Todo el año
Plátano
Todo el año
Pastos de gramíneas
Todo el año
Trébol ladino
Todo el año
Remolacha
6 meses
Sandía
3 a 4 meses
Sorgo
3 a 5 meses
Soya
3 a 5 meses
Tabaco
4 a 5 meses
Tomate
4 a 5 meses
Zanahoria
2 a 4 meses
Fuente: Posadas (1969). Nota: Los valores de KG corresponden a las regiones húmedas y los valores máximos a las zonas de clima árido. Donde: T = en ºC Para conocer los ETr de cada mes, el producto fi(Kti) se multiplica por un coeficiente de desarrollo mensual del cultivo que se trate, cuya obtención se explicará en el punto 2.6.2. E. Método de Blaney-Criddle propuesta por la FAO Con este método se obtiene la ETo en mm/día, para cada mes, que es el valor promedio diario de todo el mes considerado. Si se requiere conocer la f de todo el mes en mm, habrá que multiplicar ese valor por el número de días de cada mes. El procedimiento que sigue según este método, es el siguiente: (2.41) Donde: Cuadro 2.20 Tabla de porcentajes de horas luz o insolación en el día para cada mes del año en relación al número total en un año (Pi) LAT. NTE.
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
15° 16° 17° 18° 19° 20° 21° 22° 23° 24° 25° 26° 27° 28° 29° 30° 31° 32°
7.94 7.37 8.44 7.93 7.35 8.44 7.86 7.32 8.43 7.83 7.30 8.42 7.79 7.28 8.41 7.74 7.26 8.41 7.71 7.24 8.40 7.66 7.21 8.40 7.62 7.19 8.40 7.58 7.17 8.40 7.53 7.13 8.39 7.49 7.12 8.40 7.43 7.09 8.38 7.40 7.07 8.39 7.35 7.04 8.37 7.30 7.03 8.38 7.25 7.00 8.36 7.20 6.97 8.37
8.45 8.98 8.46 9.01 8.48 9.04 8.50 9.09 8.51 9.11 8.53 9.14 8.54 9.18 8.56 9.22 8.57 9.24 8.60 9.30 8.61 9.32 8.64 9.38 8.65 9.40 8.68 9.46 8.70 9.49 8.72 9.53 8.73 9.57 8.75 9.63
8.80 9.03 8.83 8.83 9.07 8.85 8.87 9.11 8.87 8.92 9.16 8.90 8.97 9.20 8.92 9.00 9.23 8.95 9.05 9.29 8.98 9.09 9.33 9.00 9.12 9.35 9.02 9.20 9.41 9.05 9.22 9.43 9.08 9.30 9.49 9.10 9.32 9.52 9.13 9.38 9.58 9.16 9.43 9.61 9.19 9.49 9.67 9.22 9.54 9.72 9.24 9.60 9.77 9.28
8.27 8.26 8.27 8.24 8.27 8.22 8.27 8.21 8.28 8.19 8.29 8.17 8.29 8.15 8.30 8.13 9.30 8.11 8.31 8.09 8.31 8.08 8.31 8.06 8.32 8.03 8.32 8.02 8.32 8.00 8.33 7.99 8.33 7.95 8.34 7.95
7.75 7.72 7.69 7.66 7.63 7.59 7.54 7.50 7.47 7.43 7.40 7.36 7.36 7.22 7.24 7.19 7.15 7.11
7.88 7.83 7.80 7.74 7.71 7.66 7.62 7.55 7.50 7.46 7.41 7.35 7.31 7.27 7.20 7.14 7.09 7.05
Fuente: Castilla (1965) T = es el promedio de las temperaturas máxima y mínima en el mes considerado, en ºC p = porcentaje diario medio de horas diurnas anuales, calculadas a partir del cuadro 2.21, en relación con un mes y latitud dado La ETo, en mm/día, se obtiene en el eje de las ordenadas de la figura 2.9. Los datos requeridos para entrar a esta figura son: El valor de f calculado con la ecuación 2.40, datos generales de humedad relativa (baja, media y alta), información sobre vientos (débiles, moderados y fuertes), la relación entre n/N (baja, media y alta), donde n el número de horas de sol reales y N son las horas de sol disponibles. Requerimiento de riego El requerimiento de riego de los cultivos se define como la suma de la evapotranspiración real (ETr) y el requerimiento de lavado (RL), menos la precipitación efectiva (Pe), expresadas todas en las mismas unidades (cm). (2.42) En el caso de no tener problemas de sales se puede eliminar el término RL, quedando: Cuadro 2.21 Porcentaje diario medio (p) de horas diurnas anuales a diferentes latitudes LAT. NORTE
ENE JUL
FEB AGO
MAR SEP
ABR OCT
MAY NOV
JUN DIC
JUL ENE
AGO FEB
SEP MAR
OCT ABR
NOV MAY
DIC JUN
SUR1 60° 58° 56° 54° 52°
0.15 0.16 0.17 0.18 0.19
0.20 0.21 0.21 0.22 0.22
0.26 0.26 0.26 0.26 0.27
0.32 0.32 0.32 0.31 0.31
0.38 0.37 0.36 0.36 0.35
0.41 0.40 0.39 0.38 0.37
0.40 0.39 0.38 0.37 0.36
0.34 0.34 0.33 0.33 0.33
0.28 0.28 0.28 0.28 0.28
0.22 0.23 0.23 0.23 0.24
0.17 0.18 0.18 0.19 0.20
0.13 0.15 0.16 0.17 0.17
50° 48° 46° 44° 42°
0.19 0.20 0.20 0.21 0.21
0.23 0.23 0.23 0.24 0.24
0.27 0.27 0.27 0.27 0.27
0.31 0.31 0.30 0.30 0.30
0.34 0.34 0.34 0.33 0.33
0.36 0.36 0.35 0.35 0.34
0.35 0.35 0.34 0.34 0.33
0.32 0.32 0.32 0.31 0.31
0.28 0.28 0.28 0.28 0.28
0.24 0.24 0.24 0.25 0.25
0.20 0.21 0.21 0.22 0.22
0.18 0.19 0.20 0.20 0.21
40° 35° 30° 25° 20° 15° 10° 5° 0°
0.22 0.23 0.24 0.24 0.25 0.26 0.26 0.27 0.27
0.24 0.25 0.25 0.26 0.26 0.26 0.27 0.27 0.27
0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27
0.30 0.29 0.29 0.29 0.28 0.28 0.28 0.28 0.27
0.32 0.31 0.31 0.30 0.29 0.29 0.28 0.28 0.27
0.34 0.32 0.32 0.31 0.30 0.29 0.29 0.28 0.27
0.33 0.32 0.31 0.31 0.30 0.29 0.29 0.28 0.27
0.31 0.30 0.30 0.29 0.29 0.28 0.28 0.28 0.27
0.28 0.28 0.28 0.28 0.28 0.28 0.28 0.28 0.27
0.25 0.25 0.26 0.26 0.26 0.27 0.27 0.27 0.27
0.22 0.23 0.24 0.25 0.25 0.26 0.26 0.27 0.27
0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 0.25 0.26 0.27 0.27
1
Latitudes Sur: aplíquese 6 meses de diferencia, según se indica
(2.43) La ETr puede calcularse multiplicando el valor del coeficiente de cultivo (Kc) por la ETo del período considerado (mes, 1/2 mes, 10 días, etc.). 2.6.1 Precipitación efectiva
Es la proporción de la precipitación que puede llegar a estar disponible en la zona ocupada por las raíces de las plantas.
Figura 2.10 Predicción de la ETo a partir del factor f de Blaney – Criddle, para diferentes condiciones de humedad relativa mínima, horas de insolación diarias y vientos diurnos Se consideran como lluvias no aprovechables o inefectivas tanto aquellas que son muy pequeñas, que se pierden rápidamente por evaporación, como aquellas que son muy grandes, de tal manera que rebasa la capacidad de almacenamiento de la zona de raíces. Hay varios métodos, para estimar la Pe, los cuales se pueden consultar en Aguilera y Martínez (1996). En este escrito se presentará el cálculo presentado por Ogrosky y Mockus, utilizada con datos mensuales:
(2.44) Donde: P = precipitación observada mensual, mm o cm Cp = coeficiente de corrección 2.6.2 Coeficientes de desarrollo del cultivo
El Departamento de Conservación de Suelos del USDA, ha obtenido el coeficiente de desarrollo del cultivo (Kc) para varios cultivos, a partir de datos experimentales, los cuales se presentan en el cuadro 2.22. Esta información es proporcionada en % del ciclo vegetativo de cada cultivo, pudiendo graficarlos en un papel milimétrico y dependiendo de los meses que dure el ciclo vegetativo obtener los valores de Kc para cada mes a partir de la gráfica. Ver figura 2.11. Cuando el cultivo en cuestión no se tiene en los cuadros señalados anteriormente, Grassi y Christiansen proponen un cuadro semejante, (ver cuadro 2.23); pero en lugar de entrar con los nombres de los cultivos se entra con el valor de KG, utilizado en la formula de Blaney – Criddle y que se tiene en el cuadro 2.19. Ejemplo Determinar el requerimiento de riego con la siguiente información: cultivo: Trigo Lugar: Valle del Mayo, Sonora Latitud: 27° 00' Norte Fecha de siembra: 1 de diciembre Fin de ciclo vegetativo: 15 de abril Método de cálculo de Etr: Blaney – Criddle modificado por Phelan Los resultados se muestran en el cuadro 2.24 Cuadro 2.22 Coeficiente de desarrollo Kc para el uso en el cálculo de usos consuntivos cultivoS ANUALES % de Maíz Trigo Algodón Sorgo Cártamo Soya Arroz Frijol Ajonjolí Garbanzo Cebada Jitomate Linaza Chile Papa desarrollo 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
0.42 0.45 0.48 0.51 0.60 0.65 0.70 0.80 0.90 1.00 1.05 1.07 1.08 1.07 1.05 1.02 1.00 0.95 0.90 0.87 0.85
0.15 0.20 0.30 0.40 0.55 0.70 0.90 1.10 1.25 1.40 1.50 1.57 1.62 1.61 1.55 1.45 1.30 1.10 0.95 0.80 0.62
0.20 0.22 0.25 0.28 0.32 0.40 0.50 0.62 0.89 0.90 0.98 1.00 1.02 1.00 0.95 0.87 0.80 0.75 0.65 0.55 0.50
0.30 0.35 0.40 0.48 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.08 1.07 1.05 1.00 0.95 0.90 0.82 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55
0.14 0.16 0.18 0.22 0.27 0.35 0.44 0.54 0.64 0.76 0.88 0.97 1.07 1.07 1.08 1.02 0.96 0.86 0.76 0.60 0.45
0.51 0.45 0.41 0.45 0.51 0.51 0.51 0.52 0.55 0.57 0.60 0.63 0.66 0.68 0.70 0.70 0.69 0.63 0.56 0.43 0.31
0.45 0.50 0.55 0.65 0.72 0.80 0.85 0.90 0.92 0.93 0.93 0.93 0.92 0.90 0.85 0.80 0.68 0.63 0.58 0.55 0.47
0.50 0.54 0.60 0.65 0.73 0.80 0.90 0.97 1.05 1.10 1.12 1.12 1.10 1.05 1.02 0.95 0.87 0.80 0.72 070 0.62
0.30 0.35 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.87 0.95 1.00 1.10 1.20 1.28 1.30 1.32 1.29 1.25 1.10 1.00 0.90 0.80
0.30 0.35 0.40 0.50 0.55 0.65 0.70 0.75 0.78 0.80 0.82 0.85 0.85 0.82 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0.50 0.40
0.15 0.20 0.30 0.40 0.55 0.70 0.90 1.10 1.25 1.40 1.50 1.57 1.62 1.61 1.55 1.45 1.30 1.10 0.95 0.80 0.62
0.43 0.43 0.43 0.45 0.45 0.50 0.55 0.65 0.75 0.85 0.95 1.00 1.03 1.02 0.98 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70
0.30 0.35 0.40 0.50 0.55 0.70 0.90 1.00 1.10 1.15 1.20 1.28 1.30 1.35 1.30 1.28 1.25 1.10 0.95 0.80 0.60
0.48 0.50 0.55 0.65 0.75 0.80 0.90 0.93 0.95 1.03 1.05 1.05 1.05 1.03 1.00 0.97 0.90 0.85 0.80 0.70 0.60
0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.60 0.70 0.82 0.97 1.05 1.06 1.25 1.30 1.35 1.38 1.38 1.35 1.33 1.30 1.25 1.20
Fuente: Palacios (1977) MES
CAÑA
ALFALFA
PASTO
VID
CÍTRICOS
FRUTALES DE HOJA CADUCA
FRUTALES DE HOJA PERENNE
1 2 3 4 5 6 7 8 9
0.30 0.35 0.50 0.60 0.77 0.90 0.98 1.02 1.02
0.65 0.75 0.85 1.00 1.10 1.13 1.12 1.08 1.00
0.48 0.60 0.75 0.85 0.87 0.90 0.90 0.87 0.85
0.20 0.23 0.30 0.50 0.70 0.80 0.80 0.75 0.67
0.65 0.67 0.69 0.70 0.71 0.72 0.72 0.71 0.70
0.20 0.25 0.35 0.65 0.85 0.95 0.98 0.85 0.50
0.60 0.75 0.85 1.00 1.10 1.12 1.12 1.05 1.00
10 11 12
0.98 0.90 0.78
0.90 0.80 0.65
0.80 0.65 0.60
0.50 0.35 0.25
0.68 0.67 0.65
0.30 0.20 0.20
0.85 0.75 0.60
Fuente: Palacios (1977)
Figura 2.11 Coeficiente de desarrollo del trigo según USDA Cuadro 2.23 Coeficientes periódicos de evapotranspiración en función del ciclo vegetativo de acuerdo con Grassi-Christiansen Ciclo Vegetativo % 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Cuadro 2.24
KG = 0.35
KG = 0.40
KG = 0.45
KG = 0.50
KG = 0.55
KG = 0.60
KG = 0.65
KG = 0.70
KG = 0.75
KG = 0.80
KG = 0.85
KG = 0.90
KG = 0.95
Kc
Kc
Kc
Kc
Kc
Kc
Kc
Kc
Kc
Kc
Kc
Kc
Kc
0.158 0.255 0.333 0.391 0.430 0.450 0.458 0.431 0.393 0.336
0.181 0.292 0.380 0.447 0.492 0.514 0.515 0.493 0.450 0.384
0.204 0.328 0.428 0.503 0.553 0.578 0.579 0.555 0.506 0.432
0.226 0.365 0.475 0.559 0.615 0.643 0.643 0.616 0.562 0.480
0.249 0.401 0.523 0.615 0.676 0.707 0.708 0.678 0.618 0.528
0.272 0.438 0.571 0.671 0.738 0.771 0.772 0.774 0.674 0.576
0.294 0.474 0.618 0.727 0.799 0.836 0.837 0.801 0.731 0.624
0.317 0.511 0.666 0.783 0.861 0.900 0.901 0.863 0.787 0.720
0.340 0.547 0.713 0.839 0.922 0.964 0.965 0.925 0.843 0.720
0.362 0.584 0.761 0.895 0.984 1.028 1.030 0.986 0.899 0.768
0.385 0.620 0.809 0.951 1.045 1.093 1.094 1.048 0.956 0.816
0.407 0.657 0.856 1.006 1.107 1.157 1.158 1.109 1.012 0.864
0.430 0.693 0.904 1.063 1.168 1.221 1.222 1.171 1.068 0.912
Cálculo de requerimiento de riego del trigo en el Valle del Mayo, Sonora
MES DURACIÓ T T+17. P (%)f i Kt N (MES) (ºC) 8 21.8 (cm)
F x kt Kc Et Et' Et' P Pe* RR RR (cm) (cm) (cm) ACUM MENSUA MENSUA MENSUA ACUM. . (cm) L (cm) L (cm) L (cm) MENSUA L (cm)
(1)
(2)
(3) (4)
(5)
(6)
DIC ENE FEB MAR ABR
1 1 1 1 0.5
16.8 1.59 15.8 1.54 16.8 1.59 18.4 1.66 21.2 1.79
7.31 7.43 7.09 8.38 8.65
11.62 0.76 8.83 0.36 3.18 3.35 3.35 11.44 0.73 8.35 1.00 8.35 8.81 12.16 11.27 0.76 8.57 1.52 13.03 13.75 25.91 13.91 0.81 11.27 1.32 14.88 15.70 41.62 7.74 0.90 6.97 0.81 5.65 5.96 47.57
SUMA
55.98
(7) (8)
(9) (10) (11) (12)
45.09
(13)
(14)
(15)
(16)
2.47 2.98 0.25 0.68 0.00
1.28 2.26 0.00 0.00 0.00
2.07 6.55 13.75 15.70 5.96
2.07 8.62 22.37 38.07 44.03
KG = 0.85 * Para el cálculo de la precipitación efectiva se utilizó el método de Ogrosky y Mockus
Programa de riego para un cultivo Con este programa se pretende definir el cuándo y cuánto regar un cultivo, para lo cual se relacionan las condiciones meteorológicas de la zona y la precipitación efectiva, con la capacidad de almacenamiento del suelo, con el fin de llegar al cálculo de requerimiento de riego. El control de los riegos complementa la programación de los mismos. Se explicarán 3 métodos para el cálculo de un programa de riego de un cultivo: • método gráfico. • método analítico. • método del balance agroclimático. método gráfico
Para explicar mejor este método se partirá de los datos del cuadro 2.23, donde se calcula el requerimiento de riego para un cultivo de trigo en el Valle del Mayo, Sonora, de tal manera que al final de la exposición se tiene el programa de riego. Para ello se procede como sigue: 1. Utilizando una hoja de papel milimétrico se dibuja en un sistema de coordenadas rectangulares el requerimiento de riego (en cm) en el eje de las ordenadas y el tiempo transcurrido durante el ciclo vegetativo (en días) en el eje de las abscisas. Ver figura 2.12.
Figura 2.12 Programación del riego por el método gráfico 2. Se establecen las condiciones en las cuales se pretenden aplicar los riegos. Para este ejemplo se considerarán los siguientes: • Se aplicará un riego de presiembra cuando el suelo está al punto de marchitamiento permanente (PMP) hasta llevarlo a capacidad de campo (CC). Esta lámina es la necesaria para humedecer toda la profundidad radicular hasta CC y será la lámina que se tenga que consumir después del último riego. Según las características físicas del suelo propuesto en el ejemplo, esta lámina es de 12.15 cm (en una profundidad de 60 cm). • Los riegos subsecuentes se aplicarán cuando se haya consumido el 60% de la capacidad de almacenamiento (punto crítico), para una profundidad de 60 cm, quedando el valor siguiente: • Se considera el mismo punto crítico durante todo el ciclo vegetativo. • Al final del ciclo vegetativo el suelo deberá quedar en PMP. 3. Para calcular el número de riegos subsecuentes (de auxilio) Nr, a la lámina de requerimiento de riego se le resta la lámina aplicada en el primer riego y el resultado se divide entre la lámina de consumo permisible. •
Como no se puede dar fracciones de riego, en este caso se darán 4 riegos y por lo tanto se hace el ajuste a la lámina de riego original de 7.29 cm. 4. Para conocer las fechas del 2o. al 5o. riego se utiliza la gráfica de requerimiento de riego vs. tiempo, figura 2.12. En el eje de las ordenadas se entra con el valor 7.97 cm y se traslada de manera horizontal, paralela al eje de las abscisas hasta tocar la curva. De allí se baja verticalmente hasta tocar el eje de las abscisas donde se tiene la fecha de riego. Para los demás riegos se sigue un procedimiento semejante, de tal manera que para cada riego se va fijando la fecha, tal como se ilustra en la figura 2.12. Con los valores obtenidos y a partir de la figura 2.12 se obtiene el cuadro 2.24, que es el resumen del cuánto y cuándo regar. Cuadro 2.25 Programa de riegos y cálculos de lámina por aplicar a partir del método gráfico RIEGO NÚM. FECHA DELRIEGO
INTERVALO DERIEGO (días)
lámina DE REPOSICIÓN
EFICIENCIA DE APLICACIÓN (Ea) (decimal)
lámina CORREGIDA POR Ea (cm)
1 2 3 4 5
-60 22 14 13
12.15 7.97 7.97 7.97 7.97
0.75 0.75 0.75 0.75 0.75
16.2 10.63 10.63 10.63 10.63
01/dic 29/ene 20/feb 08/mar 21/mar
método analítico
Este método consiste en establecer un balance de las entradas, que son los riegos y las salidas representados por el requerimiento de riego (donde ya considera la precipitación) y el cambio de almacenamiento del agua en el suelo, a la profundidad radicular del cultivo. Como información se requiere el requerimiento diario del cultivo. En caso de tenerse datos mensuales, se dividen los valores de cada mes entre el número de días que tiene el mes correspondiente. Se debe definir a partir de la investigación o en base a la experiencia, la profundidad del suelo donde están las raíces y el consumo permisible para aplicar el 2o. riego en adelante. El método analítico es muy versátil, ya que se pueden establecer cualquier tipo de condiciones. Para ilustrar se utilizará el mismo ejemplo que se resolvió con el método gráfico, estableciendo dos valores de consumo permisible, (ver cuadros 2.26 y 2.27). En estos cuadros se puede apreciar que (como una comprobación) se tiene como resultados adicionales el número de días transcurridos del ciclo vegetativo acumulado y el consumo de agua acumulado. método del balance agroclimático Consiste en estimar la humedad almacenada (HAi), en la penteta i (período de 5 a 6 días), mediante un balance hídrico que se expresa matemáticamente así: (2.45) Donde: HAi-1 = humedad almacenada en la penteta anterior (i-1), en mm Pi = precipitación ocurrida en la penteta i, en mm Eti = evapotranspiración en la penteta i, en mm Ri = riego de penteta i, en mm En la ecuación 2.45 se considera que hay deficiencia cuando: Y exceso cuando: Cuadro 2.26 Secuela de cálculo del programa de riego para el Distrito de Riego núm. 38, Río Mayo, Sonora calculado por el método Analítico para un consumo permisible = 7.3 cm Requerimiento de riego del cultivo de trigo = 44.03 cm Fecha de siembra = 1o. de diciembre Fin del ciclo vegetativo = 15 de abril Ciclo vegetativo = 136 días Profundidad del suelo considerada = 60 cm PROFUNDIDAD (cm)
CC (%)
PMP (%)
00-30
33.9
17.4
30-60
34.3
17.2
Period Consu Consu Req. Ciclo o mo en Consumo Signo mo Me lámina al diario vegetati mens el acum./riego comparat permisi s mac. (cm) de riego( vo ual periodo (cm) ivo ble cm) (días) (días) (cm) (cm)
Consu lámina Alma no Intervalo Riego de c. acum. de riego(d no. reposici Final Total ías) ón (cm) (cm) (cm)
(1) (2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
Dic . Dic . En e. 0.00 En 12.15 e. 10.08 Fe 12.15 b. 10.88 Fe 12.15 b. 12.15 Ma 12.15 r. 12.15 Ma 11.64 r. Ma r. Abr .
0.000 0.067 0.211 0.211 0.491 0.491 0.506 0.506 0.506 0.397
0 31 25 6 13 15 15 15 1 15
0 31 56 62 75 90 105 120 121 136
0.00 2.07 5.28 1.27 6.38 7.37 7.60 7.60 0.51 5.96
0.00 2.07 7.35 1.27 7.60 7.37 7.60 7.60 0.51 6.47
0.00 7.30 7.30 7.30 7.30 7.30 7.30 7.30 12.15 12.15
0.00 2.07 7.35 8.62 15.00 22.37 29.97 37.57 38.08 44.04
1 -2 -3 4 5 6 ---
-56 -19 15 15 15 ---
12.15 -7.35 -7.65 7.37 7.60 7.60 ---
12.15 10.08 12.15 10.88 12.15 12.15 12.15 12.15 11.64 5.68
< > < > > > > < <
SUMA
49.72
Comprobación: Consumo acum. total + Almac. Final = lámina total de reposición 44.04 + 5.68 = 49.72 Cuadro 2.27 Secuela de cálculo del programa de riego para el Distrito de Riego núm. 38, Río Mayo, Sonora calculado por el método Analítico para un consumo permisible = 7.3 cm Requerimiento de riego del cultivo de trigo = 44.03 cm Fecha de siembra = 1o. de diciembre Fin del ciclo vegetativo = 15 de abril Ciclo vegetativo = 136 días Profundidad del suelo considerada = 60 cm PROFUNDIDAD (cm)
CC (%)
PMP (%)
00-30
33.9
17.4
30-60
34.3
17.2
Period Consu Consu Req. Ciclo o mo en Consumo Signo mo Me lámina al diario vegetati mens el acum./riego comparat permisi s mac. (cm) de riego( vo ual periodo (cm) ivo ble cm) (días) (días) (cm) (cm)
Consu lámina Alma no Intervalo Riego de c. acum. de riego(d no. reposici Final Total ías) ón (cm) (cm) (cm)
(1) (2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
Dic 0.00 . 12.15 Dic 11.52 . 12.15 En 11.52 e. 12.15 En 5.77 e. 12.15 Fe 12.15 b. 6.58 Fe b.
0.000 0.067 0.211 0.211 0.491 0.491 0.506 0.506 0.506 0.397
0 31 258 3 15 13 4 16 11 15
0 31 59 62 77 90 94 110 121 136
0.00 2.07 5.91 0.63 7.37 6.38 2.02 8.10 5.57 5.96
0.00 2.07 7.98 0.63 8.00 6.38 8.40 8.10 5.57 11.53
0.00 7.97 7.97 7.97 7.97 7.97 7.97 7.97 12.15 12.15
0.00 2.07 7.98 8.61 15.98 22.36 24.38 32.48 3.05 44.01
1 -2 -3 -4 5 ---
< > < > < > > < <
(11)
(12)
(13)
-59 -18 -17 16 ---
12.15 -7.58 -8.00 -8.40 8.10 ---
12.15 10.08 12.15 11.52 12.15 5.77 12.15 12.15 6.58 0.62
Ma r. Ma r. Ma r. Abr . SUMA
44.63
Comprobación: Consumo acum. total + Almac. Final = lámina total de reposición 44.01 +0.62 = 44.63 Donde: AMS = capacidad máxima de almacenamiento del suelo, lo cual se obtiene así:
(2.46) Donde: AMS = en mm CC = capacidad de campo, en % PMP = punto de marchitamiento permanente, en % Da = densidad aparente, en g/cm3 Pm = profundidad de mojado, en mm Este método se tiene resuelto con computadora y su explicación se dará en clase. Diseño agronómico En el diseño agronómico de un sistema de riego se debe de considerar el suelo, la planta y el clima. Consiste en determinar o definir la lámina de riego que se debe aplicar o bien el tiempo de riego, el intervalo de riego y con estos el número de emisores por planta o espacio de riego para llegar finalmente a conocer la capacidad requerida del sistema; en caso de no coincidir con la capacidad disponible realizar los ajustes correspondientes. Riego por aspersión
Los pasos para un diseño agronómico en riego por aspersión son los siguientes: PASO 1. Conocer el almacenamiento máximo del suelo (AMS). Para esto se requiere conocer algunos parámetros y características del suelo, usado en la ecuación 2.46. PASO 2. Definir el punto crítico o de manejo del riego (K). Este punto se define en base a experimentos de campo o con la experiencia. Es el porcentaje que se permite disminuir el (AMS). PASO 3. Calcular la lámina neta (Ln). Es la lámina que se debe reponer al suelo, después que se llega al punto crítico. (2.48) PASO 4. Determinar la eficiencia de aplicación (Ea). La eficiencia de aplicación se determina en base a experimentos o se propone la Ea que se espera o se requiere. PASO 5. Calcular la lámina bruta (Lb). Es la relación entre la lámina neta y la eficiencia de aplicación, o sea es la lámina utilizada para calcular la capacidad del sistema.
(2.49) PASO 6. Calcular el intervalo de riego (lr). Es la relación entre la lámina neta (Ln) y la evapotranspiración o uso consuntivo máximo (Etpico) durante el ciclo del cultivo.
(2.50) PASO 7. Determinar la capacidad del sistema (Q). Para calcular la capacidad del sistema, se utilizan las variables A, Lb, F y H y en caso de que el Q disponible sea menor, se tendrá que realizar modificaciones hasta igualar el Q requerido con el Q disponible.
(2.51) Donde: Q = caudal del sistema, en GPM (L/m) A = superficie, en acre (ha) Lb = lámina bruta, en pulgadas (mm)
F = número de días para completar un riego puede ser igual o menor al intervalo de riego (lr) H = número de horas que opera el sistema durante el día C = factor de conversión de unidades: C = 453 para unidades inglesas C = 166.7 para unidades métricas Riego Localizado
Para el diseño agronómico del riego localizado se requiere información y cumplir con ciertas relaciones como a continuación se explica. Información requerida. Los datos de partida para el diseño agronómico son: • Dosis neta de riego en el periodo pico (Dp), expresada en litros/planta o en mm/día. • Porcentaje de suelo mojado (P), propuesto. • Profundidad esperada de raíces para el suelo y cultivo de que se trate. En casi de que la profundidad de raíces sea muy grande no es conveniente considerarla en su totalidad para cálculos, por lo que es necesario proponer una profundidad de mojado. • Intervalo mínimo y máximo entre riegos (I) que se desea, expresado en días. • Resultados de la prueba de campo de un emisor, indicando radio (o diámetro) y profundidad de mojado para diversos volúmenes de agua. En caso de no tener datos de pruebas, se puede seleccionar la separación entre goteros y laterales en base a tablas. • Necesidades de lavado. Cálculos. Con estos datos se puede iniciar una serie de tanteos que permitan llegar a definir las incógnitas del diseño agronómico. La proposición que se acepta es la que satisface las siguientes relaciones, tratando de seguir el orden en que se presentan. • Profundidad de mojado = profundidad de raíces x K; variando el valor de K de 0.9 a 1.2. • Área que se desea mojar por planta = área que moja un emisor x número de emisores por planta (para el caso de hortalizas o cultivos intensivos se sustituye planta por m2). El área que moja un emisor se obtiene de la prueba de campo o bien de la experiencia. • Necesidad de agua, en litros por planta por día o en mm/día (N) x intervalo entre riegos, en días (T) = volumen de agua aplicado por emisor, en litros (Ve) x el número de emisores por planta o por m2 (e). • Disposición de laterales. Del diseño agronómico se obtiene una disposición de laterales y acomodo de las hileras de los cultivos (principalmente en hortalizas). Esto se hace apegándose a las condiciones ya señaladas, las cuales permiten cumplir con los requerimientos de la planta. Para un mismo lote se pueden proponer diferentes soluciones que cumplan con el aspecto agronómico, quedando como elemento de decisión el costo de las alternativas propuestas. EJEMPLO DE RIEGO POR GOTEO EN FRUTALES DATOS: Gotero de 4 lph DATOS DE CULTIVO (FRUTALES) Marco de plantación 6x 6m Dosis de riego en periodo pico (Dp) (litros/planta/día) = 120 Profundidad de raíces (Pr) = 80 cm Porcentaje de suelo mojado (P) ≥ 40% Intervalo de riego (I) 1 a 3 días Necesidades de lavado = 0% MODELO DEL GOTERO: Los datos de la prueba de campo del gotero de 4 lph, en suelo de textura media son los siguientes: VOL. APLICADO PROF. DE mojado RADIO DE mojado (L) (cm) (cm) 2
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125
24
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140
SOLUCIÓN (RIEGO POR GOTEO) EN FRUTALES 1. Profundidad de mojado (Pm) = (0.9 a 1.2) x Pr (80) = 72 cm
Pr = 0.9 1.2 (80) = 96 cm.
2. Cálculo del número de emisores/árbol. De la prueba de campo se propone una Pm = 81 cm; con un Ve = 12 litros y un r = 80 cm Ame = 2.01 m2. Área que se desea mojar/árbol con P = 50% : 0.5 x 6 x 6 =18 m2
emisores/árbol Se = 1.4 m con el fin de que haya traslape 3. Comprobar si P > 40%
se acepta 4. Intervalo de riego (I)
RESUMEN DE RIEGO POR GOTEO EN FRUTALES Número de goteros/árbol (e) =9 Caudal del gotero (q) = 4 lph Separación entre goteros (Se) = 1.4 m Coef. de uniformidad (CU) = 94% Dosis total por aplicar (Dp) = 127.66 1/planta/día Intervalo de riego (I) = 1día Cuando I = 1 día el tiempo de riego (t) = 3.55 h Cuando I = 2 días el tiempo de riego (t) = 7.09 h. En éste caso, de acuerdo a prueba de campo del emisor se presentarán pérdidas por percolación (no recomendable). EJEMPLO DE RIEGO POR GOTEO EN HORTALIZAS DATOS: Gotero de 4 lph DATOS DE CULTIVO (HORTALIZAS) Marco de plantación 0.5 x 1.20 m Dosis de riego en periodo pico (Dp) (mm/día) =5 Profundidad de raíces (Pr) = 40 cm Porcentaje de suelo mojado (P) ≥ 40% Intervalo de riego (I) 1 a 3 días Necesidades de lavado = 0% Coeficiente de uniformidad (CU) = 90% MODELO DEL GOTERO: Los datos de la prueba de campo del gotero de 4 lph, en suelo de textura media son los siguientes: VOL. APLICADO PROF. DE mojado RADIO DE mojado (L) (cm) (cm) 2
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SOLUCIÓN (RIEGO POR GOTEO) EN HORTALIZAS 1. Profundidad de mojado (Pm) = (0.9 a 1.2) x Pr Pr = 0.9 (40) = 36 cm 1.2 (40) = 48 cm. 2. Cálculo del número de emisores/m2. De la prueba de campo se propone una Pm = 38 cm; con un Ve = 5 litros y un r = 39 cm Ame = 0.47 m2. Área que se desea mojar/árbol con P = 50% : 0.5 x 6 x 6 =18 m2
3. Intervalo de riego (I)
4. Disposición de los laterales. El ancho de la franja mojada, según prueba de campo, es de 78 cm; de tal manera que para mojar 1 m2/emisor, es necesario que la separación entre emisores (Se)= 1.3 m. Sin embargo, se requiere un traslape entre bulbos demojado para evitar salinidad. Además se debe revisar los datos de la prueba de campo para seleccionar la separación entre goteros apropiada, ver figura 2.13. Considerando lo anterior la separación entre emisores adoptada será de 0.7 m (ver figura 2.13). Se = 0.7 m 5. Porcentaje de área humedecida
Figura 2.13 Representación de la distribución de goteros y patrón de mojado
6. Tiempo de riego (t)
2.8.2.3 Ejemplo de cinta de riego en tomate DATOS: Gotero de 4 lph DATOS DE CULTIVO (HORTALIZAS) Marco de plantación 0.5 x 1.2 m Dosis de riego en periodo pico (Dp) (mm/día) =5 Profundidad de raíces (Pr) = 40 cm Porcentaje de suelo mojado (P) ≥ 40% Intervalo de riego (I) 1 a 3 días Necesidades de lavado = 0% Coeficiente de uniformidad (CU) = 90% Longitud del lateral = 100 m SOLUCIÓN (CINTA DE RIEGO) EN TOMATE 1. Profundidad de mojado (Pm) = (0.9 a 1.2) x Pr (40) = 36 cm 1.2 (40) = 48 cm. 2. Se utiliza cinta de riego T-Tape, con una pendiente (s) = 1% (subiendo) N = 5 mm/día = 5 l/m2/día
Pr = 0.9
Si 1 m2 requiere 5 litros 15.25 m2 - x x = 76.25 litros/100´ (20.1 galones/100´) Entrando al catálogo de T-Tape (figura 2.14) Pendiente = S = + 1% (subiendo) 8" (20 cm) - LOW FLOW - 20 GPH (0.33 GPM)/100' @ 8 PSI (5.6 m) y CU = 85% Se obtiene una longitud = 325´ = 99.06 m ≈ 100 m Tiempo de aplicación = 1 h/día
Figura 2.14 Hoja de catálogo de T-Tape 2.8.2.4 Ejemplo de riego por microaspersión en frutales DATOS: Microaspersor 8,955; 8,933 Boquilla color violeta (diámetro = 0.8 mm) Presión de operación (He) = 20 m Caudal de operación (Qe) = 35 lph Diámetro ext. recomendable de tubería lateral = 16 - 25 mm Número de emisores por lateral (para Se = 6 m) Lateral de 16 mm 11 emisores Lateral de 20 mm 17 emisores
Lateral de 25 mm 26 emisores (ver figura 2.15) Ecuación de microaspersor Donde: Q en lph H en m DATOS DE CULTIVO (FRUTALES) Marco de plantación 6x6m Dosis de riego en periodo pico (Dp) (litros/planta/día) = 120 Profundidad de raíces (Pr) = 80 cm Porcentaje de suelo mojado (P) ≥ 40% Intervalo de riego (I) 1 a 3 días Necesidades de lavado = 0% Coeficiente de uniformidad (CU) = 94% SOLUCIÓN Diámetro de mojado = 5 m Área de mojado = 19.6 m2
emisor/árbol Se propone I = 1 día
Verificando P:
Dosis total por aplicar
litros/árbol
Figura 2.15 Hoja de catálogo de microaspersión MANUAL PARA DISEÑO DE ZONAS DE RIEGO PEQUEÑAS CAPÍTULO I TECNIFICACIÓN DEL RIEGO INTRODUCCIÓN En México, los métodos de riego más utilizados para aplicar el agua a las parcelas son los de gravedad y los presurizados. El riego parcelario presurizado ocupa aproximadamente el 10% (600,000 ha) de la superficie bajo riego en el país, mientras que el 90% (5,400,000) restante se riega por gravedad. Los métodos de riego por surcos y melgas son los más comunes en el riego parcelario por gravedad, en tanto que el goteo, la micro- aspersión y la aspersión, son los que predominan en el riego parcelario presurizado.Para tecnificar el riego parcelario es necesario conocer el suelo y las necesidades hídricas de los cultivos. En este capítulo, se presentan un método rápido para caracterizar el suelo con fines de riego y una metodología para estimar la cantidad de agua que debe aplicarse, oportunamente, a los cultivos para obtener los máximos rendimientos. En el diseño y la evaluación de operación de zonas de riego pequeñas, así como de los métodos de riego parcelario, es importante estimar las pérdidas de agua.
En este capítulo se definen y muestran los conceptos de eficiencia más utilizados en el diseño y en la operación, que permiten describir las diferentes pérdidas de agua. Para tecnificar el riego por gravedad y obtener rendimientos altos es indispensable nivelar las parcelas, por lo que se presentan las metodologías tradicionales y la conocida como "láser". Uno de los objetivos de la tecnificación de riego por gravedad es aplicar uniformemente la lámina de riego deseada a lo largo del surco o de la melga, lo cual se logra diseñando correctamente el sistema de riego por gravedad. En el presente capítulo se muestra también una metodología para el diseño del riego por gravedad basada en la simulación con modelos, para lograr ese resultado. En la tecnificación del riego presurizado, además de aplicar uniformemente la lámina de riego, es muy importante tener bajos consumos de energía. Ambas cosas se logran diseñando adecuadamente dicho riego. Aquí se presenta una metodología de diseño simplificada para elaborar proyectos con altas eficiencias y bajo consumos de energía. Por último, siendo las plantas de bombeo una parte importante de los sistemas de riego presurizado, se presentan, asimismo, la descripción y el diseño de las mismas. 1.1 Caracterización mínima del suelo con fines de riego E n la realización de un proyecto de riego parcelario es necesario comprender el proceso de infiltración, ya que es el mecanismo para aportar el agua al suelo en la cantidad que demandan los cultivos. La infiltración se define como la entrada de agua a través de la superficie del suelo. La teoría de infiltración que se utiliza en este manual de diseño, es la propuesta por los químicos australianos Green y Ampt en 1911. Por supuesto existen proposiciones más recientes basadas en principios físicos más sofisticados, como la teoría de Parlange y sus colaboradores (1982,1985,1990) que contiene, como caso particular, la teoría de Green y Ampt que se menciona. Sin embargo, para fines de diseño mantenemos la teoría de Green y Ampt por las dos ventajas siguientes: a) además de ser sencilla, describe con precisión aceptable el proceso de infiltración, y b) los parámetros que en ella intervienen pueden estimarse de manera gruesa a partir de la información textual de los suelos, generalmente disponible en los distritos de riego. Los valores estimados a partir de las propiedades de textura de los suelos, nunca podrán sustituir los valores deducidos a partir de pruebas de infiltración o de riego. 1.1.1 Relaciones volumétricas en el sistema agua-suelo 1.1.1.1 Contenido de agua en el suelo Es conveniente expresar el contenido de agua que en un momento dado contiene el suelo, en términos relativos. Es bastante común expresar el contenido de agua como una fracción gravimétrica (ω), es decir, como la razón de la masa de agua (MW) y la masa del suelo seco (MS):
Nótese que las unidades de ω son [M/M], Esta fracción puede multiplicarse por cien para expresar el contenido gravimétrico de agua en porcentaje. Para el proceso de infiltración es, sin embargo, más conveniente expresar el contenido de agua como una fracción volumétrica (θ), es decir, como la razón del volumen de agua (VW) y el volumen total del suelo (Vt):
Las unidades del contenido volumétrico de agua (θS) son [L3/L3]. La relación entre los contenidos gravimétrico y volumétrico de agua se establece fácilmente. Por una parte, la masa y el volumen del agua están relacionados por: (MW = pW VW), en donde (pW) es la densidad del agua [M/L3]. Por otra, la masa y el volumen total del suelo están relacionados por: Ms = pt Vt, en donde p, es la densidad aparente del suelo [M/L3]. Con estas dos relaciones y las ecuaciones (1-1) y (1-2) se deduce:
Algunas veces, la razón de densidades pt/pw es llamada densidad aparente relativa o, simplemente, densidad aparente del suelo y se denota por Da. El contenido volumétrico de agua máximo se alcanza, en principio, cuando el volumen de agua es igual al volumen total de los poros del suelo. Este valor de θ se denomina contenido volumétrico de agua a saturación y se denota por θs. En ausencia de aire atrapado, θs coincide con la porosidad volumétrica total del suelo definida a continuación. 1.1.1.2 Porosidad volumétrica total La porosidad volumétrica total del suelo (ε) [L3/L3], se define como el volumen total de los poros del suelo (Vv), relativo al volumen total del suelo (Vt):
Si se denota por p0 la densidad real del suelo, definida de suerte que la masa del suelo seco se obtenga a partir del volumen que ocupa la fracción sólida: Ms = p0 \/s, entonces la porosidad volumétrica total se calcula con la expresión siguiente:
Cuando sólo se conoce la densidad aparente (pt), la densidad real se puede considerar como: po = 2.65 g/cm3. Si ambas densidades son desconocidas, la porosidad puede estimarse según el triángulo de texturas mostrado en la lámina 1.1.1a. Para fines prácticos, se puede aceptar que cuando el suelo se satura no queda aire atrapado, es decir, se acepta la igualdad entre el contenido volumétrico de agua a saturación y la porosidad volumétrica total del suelo: 0s= ε. 1.1.1.3 Capacidad de campo La capacidad de campo se define generalmente como el contenido de agua que permanece en el suelo una vez que ha drenado por la acción de la gravedad, después de un riego por inundación. Es común asimilar este valor al contenido de agua correspondiente a una tensión del agua en el suelo de 1/3 bar. Con el triángulo de texturas mostrado en la lámina 1.1.1b, se puede estimar el contenido volumétrico de agua a capacidad de campo (θcc). 1.1.1.4 Punto de marchitamiento permanente El punto de marchitamiento permanente se define como el contenido de agua en el suelo que la planta no puede extraer. Normalmente, se acepta que esta cantidad de agua está retenida por el suelo a una tensión de 15 bar. La utilización del triángulo de texturas mostrado en la lámina 1.1.1c, permite estimar el contenido volumétrico de agua a marchitamiento permanente (θpmp)-
Lámina 1.1.1a Propiedades volumétricas del suelo: porosidad total. (c, cm3/cm3). (Adaptado de Rawls. y Brakensiek, 1983).
Lámina 1.1.1b Propiedades volumétricas del suelo: capacidad de campo. (θcc, cm3/cm3), 1/3 bar. (Adaptado de Rawls y Brakensiek, 1983). Lámina 1.1.1c Propiedades volumétricas del suelo: punto de marchitamiento permanente. (8 , cm3/cm3), 15 bar. (Adaptado de Rawls y Brakensiek, 1983). 1.1.1.5 Lámina de riego aprovechable En el cálculo de la lámina de riego es necesario tomar en consideración la profundidad del suelo que se quiere humedecer, generalmente la profundidad de las raíces (Pr), el contenido volumétrico inicial de agua (θo) y el contenido volumétrico a que se quiere llevar el suelo después del riego; este contenido superior es casi siempre la capacidad de campo (θcc). La lámina de riego (Lr) se estima con la fórmula siguiente:
Cuando el contenido de agua inicial es igual al punto de marchitamiento permanente, la lámina de riego es denominada lámina de riego aprovechable (La) y se estima como sigue:
El procedimiento para estimar el contenido de agua inicial óptimo para los diferentes cultivos se discute en la sección 1.2. El riego eficiente se obtiene cuando, una vez aportada el agua al suelo, todas las plantas disponen de la misma lámina de agua. 1.1.2 Infiltración del agua en el suelo 1.1.2.1 Ley de Darcy La ley de Darcy (1856) es ampliamente aceptada en física de suelos para estudiar el movimiento del agua en un medio poroso, tal como el suelo, precisamente. Esta ley establece que el flujo (q) o velocidad media (gasto por unidad de área, [L/T]) en un medio poroso es proporcional al gradiente hidráulico (ÑH) [L/L]: en donde K es un coeficiente de proporcionalidad, función del contenido de humedad, denominado conductividad hidráulica [L/T]; H es el potencial hidráulico o carga hidráulica [L], igual a la suma del potencial de presión (Y) o presión del agua en el suelo y el potencial gravitacional. La presión del agua en el suelo es negativa en la zona no saturada y positiva en la zona saturada; esta presión se expresa como una altura equivalente de agua o carga de agua [L]. Si el potencial gravitacional se asimila a la coordenada espacial (z), positivamente orientada hacia abajo [L], la carga hidráulica es definida por: H = Y - z. El estudio del movimiento del agua en un suelo parcialmente saturado, se realiza con la combinación de la ley de Darcy y la ecuación de continuidad:
1.1.2.2 Ecuación de Green y Ampt Green y Ampt (1911) toman como base la ley de Darcy con objeto de deducir una ecuación simple para la infiltración vertical, con las siguientes hipótesis (ver lámina 1.1.2): a) El perfil de humedad inicial en una columna de suelo es uniforme: θ = θ0. b) La distribución de la presión del agua es hidrostática. En especial en la superficie del suelo: Y = h ³ 0, donde h es el tirante de agua. c) Existe un frente de humedecimiento bien definido caracterizado por una presión negativa: Y = Yf < 0; Yf es denominado presión en el frente de humedecimiento. d) La región entre la superficie del suelo y el frente de humedecimiento (Zf) está completamente saturada (flujo en pistón): θ = θS y K = Ks, donde Ks es la conductividad hidráulica a saturación; es decir, el valor de la conductividad hidráulica de la ley de Darcy correspondiente al contenido volumétrico de agua a saturación. La hipótesis (d) combinada con la ecuación (1-9) implica que la velocidad de Darcy (q) es constante en todo el pistón, e igual a la velocidad de infiltración (v) que ocurre en la superficie del suelo. Esta hipótesis y las tres restantes permiten escribir la ley de Darcy de la manera siguiente:
Lámina 1.1.2 La infiltración según Green y Ampt (1911). en donde H0 y Hf son las cargas hidráulicas evaluadas respectivamente en la superficie del suelo y en el frente de humedecimiento, es decir: a) H0 = h y b) Hf = -hf –zf, en donde hf = Yf < 0 es la succión en el frente de humedecimiento. Según la lámina 1.1.2, el volumen infiltrado acumulado por unidad de superficie de suelo (I) [L] o lámina infiltrada es dado por:
Puesto que la velocidad de infiltración es la derivada de la lámina infiltrada con respecto al tiempo, la combinación de las ecuaciones (1-10) y (1-11) conduce a la expresión siguiente:
La integración de la ecuación (1-12) con la condición inicial I = 0 en t = 0, considerando que h es constante, permite establecer la ecuación de Green y Ampt bajo la forma siguiente:
Debido a que en el modelo de Green y Ampt el suelo es asimilado a una columna semi-infinita, la lámina infiltrada crece indefinidamente con el tiempo; además, la velocidad de infiltración tiende a un
Es común denominar velocidad de infiltración básica al valor a que tiende la velocidad de infiltración en los tiempos muy largos. En el caso de una columna semi-infinita, según el análisis precedente, la velocidad de infiltración básica es igual a la conductividad hidráulica a saturación. Si existe una capa impermeable en el perfil del suelo, la velocidad de infiltración tiende a cero. En otras palabras, la velocidad de infiltración básica no es, en general, una propiedad intrínseca del suelo, como la conductividad hidráulica a saturación. La ecuación (1-13) sugiere los siguientes comentarios: a) el tiempo está definido de manera explícita en función de la lámina infiltrada, b) la lámina infiltrada está definida de manera implícita en función del tiempo; así, para calcular la lámina infiltrada para un tiempo dado, es necesario proceder por tanteos, lo cual puede simplificarse si se utiliza un algoritmo eficiente; existe también la posibilidad de calcular la lámina gráficamente, y c) el parámetro X puede
actualizarse en función del tirante de agua sobre la superficie del suelo y del contenido volumétrico de agua inicial; se sabe que un suelo seco acepta mayor cantidad de agua que un suelo húmedo. 1.1.2.3 Estimación de los parámetros de infiltración Los parámetros hf y Ks de la ecuación de Green y Ampt pueden obtenerse a partir de los datos experimentales de la lámina infiltrada en función del tiempo. Si esta información no está disponible, los parámetros se pueden estimar de manera gruesa con la utilización de los triángulos de texturas mostrados en las láminas 1.1.3 y 1.1.4 (Rawls y Brakensiek, 1981; Rawls et al., 1982). Es de notarse que las láminas 1.1.3 y 1.1.4 incluyen variaciones de los parámetros hf y Ks, cuando se presentan cambios en la porosidad del suelo. La selección de los valores adecuados depende de las condiciones del suelo en el momento de aplicar el agua. Por ejemplo, es común que la porosidad sea mayor que su valor normal cuando se prepara el suelo para la siembra; para este caso, se recomiendan los valores de hf y Ks correspondientes a un aumento de la porosidad de 10% para el primer riego. Se debe insistir, sin embargo, que los valores estimados a partir de los triángulos de textura nunca podrán sustituir los valores obtenidos a partir de una prueba de infiltración o de una prueba de riego. 1.1.3 Ejemplo Para un grupo de lotes de 80 ha, ubicado en el lateral que nace en el km 11+410 del canal principal margen derecha del distrito de riego 085 La Begoña, Guanajuato: a) obtener aproximadamente las propiedades del suelo para fines de riego, y b) ilustrar la evolución en el tiempo de la lámina infiltrada en el primer riego, si el contenido de agua inicial es igual al punto de marchitamiento permanente. De acuerdo con los planos agrológicos, el suelo predominante en los lotes de esta zona son de textura franco arcillosa con los siguientes valores medios: a) 30% de arena, b) 35% de arcilla y c) 35% de limo.
Lámina 1.1.3a Succión en el frente de humedecimiento (hf), cm. Valor base. (Adaptado de Rawls y Brakensiek, 1983). Lámina 1.1.3b Succión en el frente de humedecimiento (hf), cm. + 10% en cambio de porosidad. (Adaptado de Rawls y Brakensiek, 1983).
Lámina 1.1.3c Succión en el frente de humedecimiento (hf), cm. -10% en cambio de porosidad. (Adaptado de Rawls y Brakensiek, 1983).
Lámina 1.1.4a Conductividad hidráulica a saturación (Ks), cm/h. Valor base. (Adaptado de Rawls y Brakensiek, 1983).
Lámina 1.1.4b Conductividad hidráulica a saturación (Ks), cm/h. + 10% de cambio en la porosidad. (Adaptado de Rawls y Brakensiek, 1983) Lámina 1.1.4c Conductividad hidráulica a saturación (Ks), cm/h. Valor base. (Adaptado de Rawls y Brakensiek, 1983).
b) De la lámina 1.1.3 se deduce el valor de la succión en el frente de humedecimiento (primer riego): hf = 30 cm c) De la lámina 1.1.4 se obtiene el valor de la conductividad hidráulica a saturación:
La selección de los valores de ht y Ks depende de la experiencia del diseñador. d) Contenido volumétrico inicial y la lámina de riego.
Puesto que 0O = 6pmp, la lámina de riego para una profundidad de raíces Pr = 70 cm se calcuEl contenido volumétrico inicial al punto de marchitamiento permanente: la con la ecuación (1-7) (lámina de riego aprovechable):
e) Evolución de la lámina infiltrada en el tiempo, según la ecuación de Green y Ampt (1-13) Para calcular el parámetro X de la ecuación de Green y Ampt es necesario proporcionar el tirante de agua, (h). En la sección del diseño de riego por gravedad se muestra que h es una función de gasto de riego: en las melgas, h es igual al tirante de agua sobre la superficie y, en los surcos, h es aproximadamente igual al radio hidráulico. Con fines ilustrativos se toma h - 0 cm para calcular a a partir de la ecuación (1-13):
La ecuación de infiltración que resulta es la siguiente:
Como se mencionó con anterioridad, para calcular la lámina infiltrada para un tiempo dado se debe proceder por tanteos, lo cual puede ser agilizado con un algoritmo numérico o gráficamente. El tiempo en función de la lámina infiltrada se obtiene mediante despeje:
Lámina 1.1.5 Curva aproximada de la lámina de agua infiltrada acumulada en función del tiempo en un grupo de lotes de 80 ha ubicado en el lateral km 11 + 410 del canal principal margen derecha del Distrito de Riego 085. La Begoña, Guanajuato. De este modo, se proponen valores de I y se calcula el tiempo correspondiente. La gráfica se muestra sobre la lámina 1.1.5. En particular, se puede calcular el tiempo en que el agua debe permanecer sobre la superficie del suelo para que se infiltre la lámina de riego deseada:
Diseño de zonas de riego requerimiento de riego de los cultivos 1.1 REQUERIMIENTOS DE RIEGO DE LOS CULTIVOS Waldo Ojeda Bustamante, Leonardo Hernández Barrios, Ignacio Sánchez Cohén 1.2.1 Introducción La disponibilidad de agua para riego constituye la limitante principal para asegurar una producción agrícola comercial en zonas áridas y semiáridas. Al incrementarse la población, la competencia por el agua se intensifica, siendo necesarios su conservación y uso eficiente mediante el mejoramiento de métodos e instrumentos, tanto para distribuir, aplicar y evaluar el riego aplicado, como para conocer los requerimientos de riego de los cultivos. El conocimiento de los requerimientos de riego de los cultivos facilita un mejor acoplamiento entre el riego y las demandas de los cultivos ya que estas últimas pueden ser altas en los días de mayor insolación, con vientos fuertes o con baja humedad ambiental. Una subestimación de los requerimientos de riego genera condiciones estrés hídrico en los cultivos, afectado la productividad del cultivo, con una producción menor tanto en cantidad como calidad. Los requerimientos de riego se expresan usualmente en términos de lámina de agua por unidad de tiempo, por ejemplo mm por día, o en volumen por unidad de área, por ejemplo millares de m3 por hectárea. Una variable esencial en el diseño de sistemas de riego es la estimulación de la cantidad de agua que debe aplicarse a lo largo del ciclo de un cultivo y más específicamente cual es la demanda máxima o pico para dimensionar la red hidráulica en condiciones críticas. Un deficiente conocimiento de las necesidades hídricas de los cultivos puede producir un sobre dimensionamiento de dicha red con un incremento innecesario en los costos del sistema, o un sub dimensionamiento de la red con problemas para cumplir con las demandas hídricas de los cultivos en el periodo de máxima demanda de los cultivos. Existe una relación directa entre la lámina y el intervalo del riego. A medida que la frecuencia aumenta o el intervalo del riego se acorta, la lámina de riego requerida también disminuye, ya que el periodo de consumo de agua de los
cultivos considerado es menor. El tipo de suelo y sistema de riego también restringe el rango de las láminas de riego aplicables. Por ejemplo, la aplicación de pequeñas láminas bajo riego por gravedad es difícil e ineficiente por los tiempos requeridos para llegar al final del surco o melga. La estimación de los requerimientos de riego es una tarea difícil ya que depende de la combinación de varios factores relacionados con el suelo, cultivo, clima, sistema de riego, agua de riego, y servicio de riego. Un factor asociado a los requerimientos de riego es la fecha de siembra. La lámina 1.2.2 presenta la variación de evapotranspiración del maíz para diferentes fechas de siembra y su correspondiente duración a madurez fisiológica para la zona de riego de Los Mochis, Sinaloa, para el ciclo de otoño- invierno usando datos climáticos promedio de la estación Taxtes de la red agrometeorológica del Valle del Fuerte. Los resultados indican que la variación en la fechas de siembras (de octubre a enero) genera cambios en la duración del ciclo feno- lógico del maíz en un rango de 142 a 176 días para alcanzar madurez fisiológica (una diferencia de 34 días). Los correspondientes valores de la evapotranspiración del cultivo del ciclo variaron de 330 mm a 467 mm (una diferencia de 137 mm). Lo anterior implica que cambios en la acumulación del tiempo térmico durante el ciclo fenológico de los cultivos provocará cambios en la duración del ciclo y en consecuencia de las necesidades hídricas del cultivo. En consecuencia, definir los requerimientos de riego de una zona de riego está en función de un patrón de cultivos con superficies y fechas de siembra a establecer.
Lámina 1.2.1 Evapotranspiración del maíz y duración a madurez fisiológica en función de la fecha de siebra para el ciclo otoño-invierno en Los Mochis, Sin. (Adaptado a partir de datos de Ojeda et al., 2006). La evapotranspiración de los cultivos y la precipitación son los dos principales componentes para estimar los requerimientos de riego. La metodología para estimarlos o medirlos es conocida y ha sido probada y aplicada desde hace varias décadas en México y en el mundo. Sin embargo, con la aparición y mejoramiento continuo de las computadoras se han facilitado y automatizado los métodos y cálculos asociados a dicha estimación. También, se han desarrollado sensores y sistemas de adquisición de datos, nuevos o mejorados, para monito- rear el estado ambiental e hídrico de los cultivos. Se han establecido y se encuentran en operación varias redes de estaciones meteorológicas en diversas regiones agrícolas del país con la capacidad de monitorear el ambiente en tiempo "casi" real en el área de influencia de los cultivos. Actualmente es posible acceder a datos de redes de estaciones meteorológicas de varias partes del mundo a través de la red Internet, que proporcionan información de la variación horaria de las variables meteorológicas como temperatura y humedad ambiental radiación solar, velocidad y
dirección del viento, y precipitación. Es posible realizar el procesamiento de dichas variables y calcular los requerimientos de riego y evapotranspiración de los cultivos casi de manera automática. El conocimiento del estado hídrico a través del monitoreo del suelo, cultivo o ambiente es ahora posible en virtud del desarrollo de sensores automatizables que proporcionan un indicador del estrés hídrico de los cultivos. La calenda- rización científica del riego ha permitido responder con oportunidad a las necesidades hídricas de los cultivos lo que ha generado una mayor producción de los cultivos bajo un esquema eficiente en el uso del agua. El propósito de esta sección es proporcionar a los usuarios del riego, técnicos y personas interesadas en los procedimientos y criterios existentes y probados, con un lenguaje sencillo pero práctico, para estimar los requerimientos de riego con fines de diseño de sistemas de riego para pequeñas zonas de riego, resaltando la importancia de estimar los requerimientos y capacidad del sistema durante el periodo de máxima demanda de los cultivos. La base teórica del presente trabajo se concentra principalmente en cuatro fuentes bibliográficas, la sección equivalente de la edición anterior del manual para diseño de zonas de riego pequeñas (Quiñones, 1997), el libro de calendarización de riego del principal autor (Ojeda, et al., 2004), el manual 56 de la FAO (Alien, et al., 2006) y la última edición del libro sobre diseño y operación de sistemas de riego parcelario de la ASABE (Alien, et al., 2007). 1.2.2 Requerimientos de riego (RR) 1.2.2.1 Ecuación general
Los requerimientos de riego netos (RRn), expresados usualmente en mm o cm, se definen como la lámina de agua que ha perdido un cultivo, cultivado bajo condiciones óptimas y sin restricciones de suelo y agua, por medio de la evapotranspiración y que no ha sido restituida por aportaciones naturales de agua a su zona de raíces. La ecuación general para estimar los requerimientos de riego para un intervalo de tiempo definido es la siguiente:
En el proceso de cálculos mediante la ecuación anterior, es común que no se consideren los componentes de lavado de suelo y ascenso capilar para estimar los requerimientos de riego de un cultivo. La ecuación anterior es la base de los paquetes computacionales comerciales para estimar los requerimientos de riego a nivel diario usando el método del balance hídrico. Entre los paquetes usados en México se encuentra el CropWat desarrollado por la FAO, el RASPAWIN desarrollado por la UACH y el SPRITER desarrollado por el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Aunque se pueden realizar los cálculos de los requerimientos de riego en forma diaria o aún horaria, con fines de diseño o planeación de sistemas de riego el periodo es de una semana o mes. En ausencia de lluvias e ignorando
aportaciones menores, se toman los requerimientos de riego como la evapotranspiración real acumulada en el periodo de cálculo.
Los requerimientos de riego estimados con la ecuación 1-14 son conocidos como requerimientos de riego netos (RRn), y cuando son ajustados por la eficiencia global del sistema de riego y las necesidades de lavado del suelo se conocen como requerimientos de riego brutos (RRb).
1.2.2.2 Evapotranspiración potencial del cultivo (ETcp) La evapotranspiración potencial del cultivo (ETcp) define la máxima tasa evapotranspirativa de una superficie extensiva, mas de 4 ha, de un cultivo específico cultivado bajo condiciones óptimas de manejo e insumos, sin restricciones de fertilización y sanidad, y en la calidad del suelo y agua (Alien, et al, 2007). El valor ETcp es un valor límite de la evapotranspiración real del cultivo (ETcr), algunas veces llamada actual, de un cultivo. Conocer la evapotranspiración real de un cultivo es una tarea compleja ya que depende de varios factores. El valor máximo de ETcr, es un caso particular, conocido como Evapotranspiración potencial de los cultivos (ETcp), ETcrs ETcp, bajo condiciones óptimas y en donde no existen limitaciones de humedad. Posteriormente se analiza a detalle estos términos y su procedimiento de cálculo (ver sección 1.2.3). 1.2.2.3 Precipitación efectiva (Pe) La precipitación efectiva es la fracción de la precipitación que se almacena en la zona de raíces, la cual no incluye el agua percolada, interceptada, escurrida o evaporada que al precipitarse no llega a la zona radical. Su estimación ha estado sujeta a una diversidad de estudios, sin embargo debido a su complejidad en su estimación sólo han sido de utilidad algunas relaciones empíricas, la mayoría válidas para periodos de un mes y de utilidad para fines de diseño. Es importante considerar la precipitación efectiva para riego de baja frecuencia, donde el intervalo de riego mínimo es mayor de siete días. Para riego de alta frecuencia, donde el intervalo de riego mínimo es de un día, se considera que la precipitación efectiva es cero. Lo anterior obedece a que es altamente probable que no llueva durante un día en la época de máxima demanda de los cultivos. Una ecuación general para evaluar la precipitación efectiva tiene la forma siguiente:
A continuación se describen cada uno de los términos de la ecuación anterior.
Donde: Kp, es un factor de ajuste; P, es la precipitación observada. Ogrosky y Mockus (1964) presentaron un método de estimación del coeficiente Kp para evaluar la precipitación efectiva con la siguiente forma:
Donde: P: Precipitación observada (cm ó mm) ETr: Evapotranspiración real acumulada (cm ó mm) desde el último evento de lluvia o riego A continuación se muestra un ejemplo de aplicación de la formula anterior. Calcular el valor de la precipitación efectiva con los siguientes datos: La evapotranspiración real de un cultivo desde la última precipitación es de 30 mm, la precipitación observada es de 10 mm. y el factor Kp es de 0.763. Usando la ecuación 1 -17 y sustituyendo los valores en la ecuación 1-16 se obtiene Pe=7.63 mm.
Existen otras formas para evaluar la precipitación efectiva (Ojeda y Carrillo, 2002): Donde P es la precipitación observada, K1 y K2 son coeficientes que dependen de la magnitud de la lluvia.
Una de las ecuaciones empíricas para estimar la Pe, implantadas en el sistema CropWat de la FAO, es la siguiente: Otro método para estimar la Pe con fines de pla- neación, se conoce como el método del Servicio de Conservación de Suelos del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA SCS) por sus siglas en inglés, que utiliza el siguiente par de ecuaciones:
1.2.2.4 Aportación del manto freático (Am)
Un porcentaje de los requerimientos hídricos de los cultivos puede ser aportado por el ascenso de agua de mantos freáticos someros. El porcentaje de aportación depende de los siguientes factores (Ojeda, et al., 2004): · Profundidad de la zona de raíces · Profundidad del manto freático · Propiedades fisicoquímicas del agua freática · Propiedades hidrodinámicas y químicas del suelo · Cantidad y frecuencia del riego Hargreaves y Samani (1992) mencionan que si la parte inferior de las raíces están en contacto con un manto freático somero (1.5 a 2 m), estas pueden absorber de 20 a 50% de sus requerimientos diarios del manto freático dependiendo de las propiedades hidrodinámicas del suelo. Estimar la aportación del manto freático a los requerimientos de riego de los cultivos es una tarea difícil y fuera de los alcances de este trabajo, por lo que en caso de presentarse un manto freático somero al alcance de la zona radical debería considerarse dicha aportación en la estimación de los requerimientos de riego consultando bibliografía especializada. 1.2.2.5 Cambio de humedad en la zona de raíces (A6) El cambio de humedad, en la forma de ganancia o pérdida entre dos riegos consecutivos debería considerarse durante los cálculos de los requerimientos. Sin embargo, usualmente se asume que a excepción del primero y último riego dicho cambio es casi constante por lo que se pueden despreciarse de los cálculos. Con fines de programación o planeación, para el cálculo de los requerimientos de riego pueden asumirse que el contenido de humedad inicial del suelo es similar al contenido de humedad al final del ciclo del cultivo. En caso que el ciclo finalice con un mayor contenido de humedad del inicial, esta ganancia de humedad debería considerarse en los requerimientos de riego como lo indica la ecuación 1-14. 1.2.2.6 Profundidad radical (Pr) Un parámetro requerido para la programación de riego es la profundidad radical del cultivo. Las plantas extraen el agua que se encuentra en el área de influencia de las raíces. La extracción continua de agua por las raíces es crítica durante el desarrollo de un cultivo. El flujo extractivo de las raíces responde al flujo transpirativo de las hojas. Ante una disminución en la reserva hídrica del suelo, los estomas se cierran, pudiendo afectar irreversiblemente el desarrollo normal de un cultivo que finalmente puede resultar en una disminución de su rendimiento. La profundidad radical de los cultivos define teóricamente la profundidad máxima de mojado del riego. La tabla 1.2.1 presenta como referencia la profundidad efectiva máxima (Pr.max) de exploración de las raíces (cm) con fines de programación de riego para varios cultivos en función de la textura del suelo. Tabla 1.2.1 Profundidad efectiva máxima (Pr.max) de exploración de las raíces (cm) de acuerdo a la textura del suelo (Palacios y García, 1998).
PROFUNDIDA RADICAL (CM)
CULTIVO
TEXTURA
LIGERA
MEDIA
PESADA
Algodón
120
90
78
Cacahuate
80
60
50
Calabaza
100
75
60
Cebada
100
75
60
Cebolla
50
40
35
Col
90
60
50
Espárrago
250
170
130
Fresa
110
85
70
Fríjol
100
75
60
Jitomate
110
85
70
Lechuga
50
40
30
Maíz
120
90
75
Melón
130
100
70
Papa
120
90
75
Pepino
90
60
50
Sorgo
100
75
60
Soya
100
75
60
Tabaco
120
90
75
Trigo
100
75
60
Alfalfa
250
180
150
Caña de azúcar
110
85
70
Cítricos
180
140
110
Frutales
240
180
160
260
200
170
Nogal
300
250
220
Pastos
110
80
65
Vid
120
90
75
(caducifolios)
Frutales
(perennes)
1.2.2.7 Fracción de lavado (FL) El riego irremediablemente concentra sales solubles en la zona de raíces dependiendo del clima, suelo y calidad del agua de riego. En consecuencia los requerimientos de riego deben considerar una lámina de lavado (Llav) adicional, requerida por suelos o aguas de riego con alta salinidad. Para el agua de riego con alto contenido de sales, con valores de la conductividad eléctrica mayor de 0.7 dS/m, se requiere de la aplicación de láminas de lavado para controlar el contenido de sales en la zona de raíces y mantenerlo en el rango deseable para los cultivos, tabla 1.2.2. Láminas de lavado no son requeridas para una conductividad eléctrica del extracto de saturación menores de 0.7 dS/m y donde las pérdidas de agua por percolación profunda son mayores al 15% de los requerimientos de riego netos de los cultivos, (FAO, 1980). Bajo estas condiciones, el agua percolada puede ser insuficiente para mantener un contenido adecuado de sales en el suelo. La lámina de lavado (Llav) a aplicar a un cultivo está dada por la siguiente ecuación:
Donde FL es la fracción de lavado requerida, RRn son los requerimientos de riego netos estimados con la ecuación 1-14, y Llaves la lamina de riego requerida. Para estimar la fracción de lavado bajo condiciones riego de baja frecuencia (gravedad y aspersión), Doorenbos y Pruitt (1977) propusieron la siguiente relación:
Donde CEr y CE¡ son las conductividades eléctricas del extracto de saturación del suelo en la zona de percolación de la zona de raíces y del agua de riego, respectivamente, expresadas en decisiemen por metro (dS/m). La relación para riego de alta frecuencia (micro- irrigación) es:
Donde (CEr)máxse refiere a la conductividad máxima tolerable por el cultivo (que produce un rendimiento nulo) obtenido del extracto de saturación del suelo. Tabla 1.2.2 Conductividad eiectrica del suelo máxima tolerable por el cultivo obtenida a partir del extracto de saturación del suelo (CEr)max (adaptado de Ayers y Westcot, 1976).
CULTIVO
(CEr)max
dS/m
Aguacate
6
Alfalfa
16
Algodón
27
Brécol i
14
Cebolla
8
Frijol
7
Fresa
4
Lechuga
9
Limón
8
Maíz
10
Manzano y pera
8
Melón
16
Naranja
8
Papa
10
Rábano
9
Sorgo
18
Soya
10
Tomate
13
Trigo
20
Vid
12
Zanahoria
8
Lámina 1.2.2 Niveles de recorrido del agua de la fuente de abastecimiento a la zona de raíces.
1.2.2.8 Eficiencia global del sistema de riego (eg) La aplicación del riego a una parcela implica el recorrido del agua de la fuente de distribución a la zona de raíces con las correspondientes pérdidas intrínsecas, tal como se muestra en la lámina 1.2.2. Las pérdidas que ocurren de la fuente de abastecimiento a la cabecera de la parcela se llaman pérdidas por conducción. Las pérdidas de agua que se presentan a nivel parcelario por restricciones de un sistema de riego para aplicar uniformemente el riego se llaman pérdidas por aplicación. Las correspondientes eficiencias se llaman eficiencias por conducción (ec) y de aplicación (e ). La eficiencia global de riego se calcula con la siguiente ecuación:
Una eficiencia global del 60% indica que solamente el 60% del agua que se extrae de la fuente de abastecimiento se aplica a la zona de raíces. La diferencia (40%), se "pierde" durante la conducción del agua a la parcela y dentro de la parcela.
La eficiencia de conducción se estima con la siguiente ecuación:
Donde Vp es el volumen que llega a la parcela, Vz es el volumen que sale de la fuente de abastecimiento. La eficiencia de conducción también se puede expresar en términos de gasto o lámina. Una eficiencia de conducción del 80% indica que del gasto que se extrae de la fuente de abastecimiento, solamente llega el 80% a la cabecera de la parcela, el resto se pierde durante la conducción. Durante el diseño, los gastos o volúmenes se van calculando de la zona de raíces a la fuente de abastecimiento. El volumen demandado en la fuente de abastecimiento se calcula con la siguiente relación:
No toda el agua aplicada se infiltra uniformemente en el suelo debido a limitaciones físicas durante el movimiento del agua sobre y bajo la superficie del suelo, existe además una variabilidad en los niveles de humedad en el suelo y las inevitables pérdidas de evaporación por la acumulación del agua en el suelo y hojas. La eficiencia de aplicación (Ea) es un indicador que permite evaluar si un evento de riego cumplió con las expectativas de aplicar la lámina requerida en cada unidad elemental de acuerdo con la siguiente ecuación:
La lámina de riego neta (Ln) se define como la lámina requerida para reponer la humedad que es fácilmente aprovechable por los cultivos en la zona de raíces (Pr).
La tabla 1.2.3 presenta el rango de las eficiencias de aplicación potenciales para los principales sistemas de aplicación del riego. Durante el diseño de un sistema se evalúa la lámina neta a partir de los requerimientos de riego, para posteriormente estimar la lámina bruta, a nivel fuente de abastecimiento, con la siguiente relación:
Tabla 1.2.3 Eficiencias de aplicación (Ea) típicas para diferentes sistemas de riego y láminas brutas requeridas para aplicar una lámina neta de 1 cm (Ojeda et al., 2004).
Sistema de riego
Eficiencia de
Cantidad de agua requerida
aplicación (%)
(cm) para poner un centímetro
en la zona de raíces
GRAVEDAD
Surcos
35-85
1.2-2.8
Surcos corrugados
30-55
1.8-3.8
Melgas a nivel
60-85
1.2-1.7
Melgas en pendiente
55-75
1.3-1.8
Inundación sin control
15-35
2.8-6.7
Impulsos
50-85
1.2-2.0
Lateral estacionario o portátil (side roll)
60-85
1.2-1.7
Lateral fijo
60-85
1.2-1.7
Cañón viajero
55-80
1.2-1.8
Cañón estacionario
50-75
1.3-2.0
Pivote central de alta presión
65-85
1.3-1.5
Pivote central de baja presión
75-90
1.1-1.3
Lateral de avance frontal movimiento lineal
80-90
1.1-1.2
Goteo
80-95
1.05-1.2
Microaspersión
75-90
1.1-1.3
ASPERSIÓN
MICROIRRIG ACIÓN
Nota: Bajo condiciones de viento y amplio espaciamiento entre aspersores, los sistemas por aspersión presentan menores eficiencias que las mostradas en la tabla anterior. La Lámina bruta ahora es estimada a nivel fuente de abastecimiento. 1.2.3 Evapotranspiración del cultivo 1.2.3.1 Definición de términos Es difícil separar los procesos de transpiración del cultivo y la evaporación del suelo ya que se presentan de manera simultánea, por lo que son colectivamente referenciados como evapotranspiración del cultivo (ET). Al inicio del ciclo la evaporación constituye el principal componente de la evapotranspiración, sin embargo, a medida que se desarrolla el cultivo y aumenta el área foliar, la transpiración pasa a ser el principal proceso de pérdida de agua de un cultivo. El uso consuntivo de los cultivos incluye tanto a la evapotranspiración como al agua que se encuentra en los órganos del cultivo. Muchas veces se toma el uso consuntivo del cultivo como equivalente en numérico a su evapotranspiración, por ser el agua constitutiva muy pequeña en relación al agua liberada a la atmósfera como evapotranspiración, Idealmente solamente sería necesario estimar la evapotranspiración real del cultivo bajo condiciones de campo, que llamaremos ETcr, sin embargo su medición directa y aún su estimación es difícil por la gran cantidad de factores que gobiernan los procesos de evaporación de una superficie, ya sea vegetal o edáfica. Existen dos métodos para estimar la evapotranspiración de un cultivo, en función de la forma como el coeficiente de cultivo es calculado.
i) Método de Kc promedio. Con fines de planea- ción del riego interesa estimar la evapotranspiración potencial del cultivo (ETcp), que asume que el cultivo se encuentra en condiciones óptimas de manejo, sanidad y humedad. El método del Kc promedio no es recomendable con fines de calendariza- ción del riego en tiempo real donde los cálculos y datos se requieren para intervalos de tiempo del orden de un día. Para estimar la evapotranspiración potencial del cultivo (ETcp) se requiere obtener la evapotranspiración de referencia (ETo) y el coeficiente de cultivo (Kc) como se muestra en la lámina 1.2.3. Posteriormente se presenta a detalle el método de cálculo de la ETo y Kc y se explica el concepto del coeficiente del cultivo Kc.
ii) Método del Kc dual. Uno de los retos actuales de la ingeniería de riego es estimar la evapotranspiración real de un cultivo (ETcr) bajo condiciones de campo. El método asume que existe un coeficiente de cultivo basal (Kcb) para cada cultivo que debería ajustarse por otros factores de estrés cuando las condiciones de humedad del suelo no son óptimas (factor Kh) y donde se promueve la evaporación del suelo cuando existe humedad o lamina de agua en el suelo (factor Ke). La lámina 1.2.4 presenta las variables para estimar la ETor por medio del método del Kc dual. Posteriormente se presenta a detalle el método de cálculo de la ETo y Kc.
1.2.3.2 Calculo de la evapotranspiración potencial de los cultivos (ETcp) Estimar la evapotranspiración potencial de un cultivo (ETcp) usando el método del Kc promedio involucra realizar los siguientes dos pasos: 1. Estimar la tasa de referencia, conocida como evapotranspiración de referencia (ETo), con especificaciones en el suministro de agua y tipo de cultivo bien definido (ETo). El cultivo de referencia es usualmente pasto o alfalfa.
2. Escalar la tasa de referencia al tomar en cuenta las características del cultivo, usando el coeficiente de cultivo promedio, para obtener la evapotranspiración potencial del cultivo (ETcp) por medio de la ecuación siguiente:
1.2.3.3 Calculo de la evapotranspiración real del cultivo (ETcr) La estimación precisa del coeficiente de cultivo bajo condiciones no estándares es difícil, por lo que puede usarse la siguiente ecuación para calcular el valor del coeficiente de cultivo bajo condiciones no estándares. La ecuación considera que el cultivo puede estar bajo estrés hídrico (factor Kh) por lo que la evapotranspiración del cultivo es menor que la potencial, también puede estimar la contribución de la evaporación del suelo cuando existe humedad o lamina de agua en la superficie del suelo (factor Ke). De esta manera el coeficiente de cultivo se estima a través de la ecuación siguiente:
Donde Kcb es el coeficiente basal del cultivo (sin déficit hídrico y de cualquier otra restricción que afecte el crecimiento normal de un cultivo), Kh es el factor de reducción de Kcb debido al estrés hídrico por humedad deficiente en el suelo, y Ke es el factor que permite estimar la contribución de la evaporación del agua de la superficie del suelo. De esta manera la ecuación general para estimar la evapotranspiración real del cultivo es la siguiente:
1.2.3.4 Estimación de la evapotranspiración de referencia (ET0) En virtud de la dificultad para estimar directamente la evapotranspiración real de un cultivo (ETr), está se separa en dos componentes uno para indicar la contribución de las condiciones ambientales o climática a través de la evapotranspiración de referencia (ETo) y otro para caracterizar la demanda hídrica del cultivo, a través del coeficiente de cultivo (Kc). La evapotranspiración de un cultivo de referencia (ETo) define un cultivo definido bajo condiciones óptimas de humedad. La estimación periódica de la ET0 en una zona de riego constituye la base para estimar la evapotranspiración de un cultivo de acuerdo a las ecuaciones 1-29 y 1-31. El considerar un cultivo de referencia permite aislar las demandas evapotranspirativas de la atmósfera de otros factores como prácticas de manejo, tipo y etapa de cultivo. La evapotranspiración de referencia es la evapotranspiración potencial de un cultivo con características específicas (de referencia), usualmente pasto o alfalfa, que tiene sentido físico ya que su evapotranspiración se puede estimar directamente a través de estimaciones directas de los cambios en peso de un tanque lisimétrico. Un lisimétro es un recipiente con suelo y cultivo que permite monitorear cambios en el consumo de agua
de los cultivos. Es necesario definir el cultivo de referencia, ya sea pasto o alfalfa, ya que existen diferencias en su evapotranspiración. En este trabajo se asume que el pasto es el cultivo de referencia. Aunque existen métodos directos para estimar con buena precisión la evapotranspiración de referencia, en los últimos 50 años, se han desarrollado una gran variedad de métodos semiempíricos para estimar la ET0 a partir de datos meteorológicos. Existe una diversidad de métodos para estimar la evapotranspiración de referencia con diferentes requerimientos de datos y grado de precisión. Algunos requieren datos mensuales, otros diarios, horarios y los más precisos del orden del segundo. Para algunos métodos se requiere de mediciones de cuatro variables meteorológicas (humedad, temperatura ambiental, radiación solar y velocidad del viento) relacionadas con la evapotranspiración mientras que otros sólo requieren de alguna combinación de las cuatro variables. Los métodos más interesantes son los físicamente basados que pueden aplicarse a localidades diferentes de donde han sido generados y calibrados, a diferencia de los empíricos que solamente son válidos para los lugares donde fueron desarrollados. Con fines de planeación de sistemas de riego, el intervalo de tiempo de los datos meteorológicos puede ser un día típico de una semana o un mes. La ecuación de Penman-Montieth para estimar la evapotranspiración de referencia a partir de datos climáticos promedio diarios ha sido tomada como base por la FAO desde la aparición de su manual 24 (Doorenbos y Pruitt, 1977), ahora actualizado como manual 56 de la FAO (Alien, etal., 2006). La evapotranspiración de referencia para pasto se define como la tasa transpirativa de una superficie extensiva de pasto verde con una altura uniforme de 8 a 15 cm, en desarrollo activo, sin restricción de agua y cubriendo completamente la superficie del suelo (Doorenbos y Pruitt, 1977).
Aunque existe variantes de la ecuación de Pen- man-Monteith (PM), la versión simplificada de la FAO (Alien, et ai., 2006), usando como referencia el cultivo de pasto, usando datos promedio diario tiene la siguiente estructura:
Con datos diarios promedio de temperatura, humedad relativa, y velocidad de viento, así como valores acumulados de la radiación solar global, muchos sistemas computacionales facilitan los cálculos involucrados en la ecuación 132 para la estimación de la evapotranspiración de referencia. Otro método muy usado para estimar la ETo es el método del tanque evaporímetro, dicho método es el más simple de los métodos para estimar la ETo. Al medir la evaporación de una superficie de agua, el método integra indirectamente las condiciones óptimas de medición. La ecuación para estimar la evapotranspiración de referencia tiene la siguiente forma:
Donde el coeficiente de tanque Kt es requerido ya que la evaporación del agua en un tanque es generalmente mayor que la evaporación en el suelo o aún en cuerpos de agua. El valor de Kt varía durante el año dependiendo de las condiciones atmosféricas y de cobertura vegetal alrededor del tanque, con un promedio anual entre 0.7 y 0.8. Para evitar problemas en la construcción e instalación del tanque evaporímetro, se ha normalizado lo que se conoce como tanque evaporímetro tipo A, que consiste en un tanque cilindrico de lámina galvanizada con un espesor de 0.8 mm, un diámetro de 120.65 cm y una altura de 25.4 cm, que se coloca en el suelo sobre apoyos de madera. El fondo del tanque debe quedar 15 cm arriba de la superficie original del suelo.
Frevert et al., (1983) presentó una ecuación para evaluar Kt cuyos parámetros fueron obtenidos por la técnica de regresión usando los datos experimentales tabulados por Doorenbos y Pruitt (1977) para tanques evaporímetros tipo A, los cuales fueron simplificados por Cuenca y Jensen (Cuenca, 1989) resultando en una ecuación con la siguiente estructura: Donde U2 es la velocidad del viento a 2 m de altura en km d_1, HRm es la humedad relativa media diaria en %, y d es la cobertura vegetal alrededor del tanque en metros del lado del barlovento, esto es en la dirección del viento con respecto al tanque (d < 1000 m). Los parámetros promedio de la ecuación son obtenidos para el periodo de análisis. Una ecuación empírica alternativa a la anterior es presentada por Alien et al., (1989) para estimar el valor de Kt de un tanque tipo A rodeado de pasto:
Donde U es la velocidad del viento a 2 m de altura en m s -1. Para el caso de evaporímetros tipo A sobre suelo desnudo (sin pasto), Alien et al., (1989) presentaron la siguiente ecuación:
Donde U2 es la velocidad del viento a 2 nn de altura en m s_1.
Un problema común en la estimación de la evapotranspiración de referencia es la disponibilidad de los datos que demandan las ecuaciones tipo Pen- man. Como en México usualmente se tienen datos diarios de las temperaturas máximas y mínimas, la ecuación de Hargreaves (Hargreaves y Samani, 1985) es una excelente alternativa con fines de pla- neación de zonas de riego. La ecuación de Hargreaves tiene la siguiente estructura.
Lámina 1.2.5 Variación del coeficiente de cultivo basal (Kc) en función del ciclo fenológico con la curva real y la curva aproximada por interpolación lineal del método usado por la FAO. 1.2.3.5 Estimación del coeficiente de cultivo 1.2.3.5.1 Coeficiente de cultivo promedio (Kc) El coeficiente de cultivo promedio o único (Kc), es la representación cuantitativa normalizada de la evapotranspiración de un cultivo (ETcp) en relación con la evapotranspiración de referencia (ET0) a lo largo del ciclo fenológico de un cultivo.
Gran esfuerzo se ha centrado en obtener los coeficientes de cultivo de los diferentes cultivos agrícolas en cada etapa fenológica. Existen valores de Kc en función del tiempo reportados para varios cultivos agrícolas. Para cultivos anuales, existe una variación distinguible de acuerdo con la etapa fenológica, La lámina 1.2.5 muestra la variación de Kc para las cuatro fases fenológicas (inicial, desarrollo, intermedia, maduración) en las que se suele dividir el ciclo de un cultivo. A continuación se describen las principales etapas del ciclo fenológico que definen la variación del coeficiente de cultivo: . Inicial - Desde la germinación hasta el crecimiento temprano cuando la cobertura vegetal es baja (menor del 10%). Desarrollo del cultivo - Desde el final de la etapa inicial hasta que se alcance una cobertura vegetal efectiva del 70 80%. . Intermedia o crítica. - Desde el final de la etapa de desarrollo hasta el inicio de la maduración. En la etapa intermedia se presentan los requerimientos hídricos máximos de los cultivos, presentándose valores mayores o cercanos a los del cultivo de referencia por lo que Kc > 1, tal como se muestra en la lámina 1.2.5. . Maduración Desde el inicio de la maduración a cosecha.
La tabla 1.2.4 presenta, como referencia, los valores de los tres valores requeridos para caracterizar la curva de Kc de acuerdo a la metodología de la FAO presentada en la lámina 1.2.5 (Alien et al., 2006). Tabla 1.2.4 Valores del Coeficientes de cultivo (Kc) de los principales cultivos bajo riego en México (Alien, et al., 2006).
CULTIVO
COEFICIENTE DE CULTIVO
PROMEDIO (Kc)
INICIAL
INTERMEDIO
FINAL
(Kc1)
(Koz)
(Kc3)
Arroz
1.05
1.20
0.9-0.6
Caña de azúcar
0.4
1.25
0.75
Cítricos
0.8
0.8
0.8
Frijol ejote
0.5
1.05
0.9
Frijol grano
0.5
1.15
0.35
Jitomate
0.6
1.15
0.7-0.9
Maíz
0.7
1.2
0.6-0.35
Papa
0.5
1.15
0.75-0.35
Sorgo
0.7
1.0-1.1
0.55
Soya
0.5
1.15
0.5
Trigo grano
0.7
1.15
0.4-0.25
Vid mesa, pasa
0.2
1.15
0.9
Vid vino
0.2
0.8
0.6
1.2.3.5.2 Coeficiente de cultivo dual
Coeficiente de cultivo basa! (Kcb) El coeficiente de cultivo dual para estimar la evapotranspiración real de un cultivo tiene la siguiente forma:
Cuando la humedad aprovechable está cercana al 100%, las plantas se encuentran con el mínimo estrés (Ke =1), a medida que la humedad aprovechable se aproxima a cero, el estrés de la planta se incrementa y por ende la planta reduce su transpiración potencial y el factor Ke se aproxima a cero. La diferencia entre los valores de Kc (ecuación 1- 38) para estimar la evapotranspiración potencial y los valores de Kcb para estimar la evapotranspiración real (ecuación 1-39) radica que los primeros considera la evaporación promedio del suelo húmedo y los segundos asumen una superficie de suelo seca, para tener una evaporación reducida del agua de la superficie del suelo, pero con suficiente humedad en el zona de raíces para mantener al cultivo bajo transpiración completa (Alien, et al., 2007). Por lo tanto los valores de Kc de la ecuación 1-29 son mayores que los de Kcb de la ecuación 1-30. Tabla 1.2.5 Valores del Coeficientes de cultivo basal (Kcb) de los principales cultivos bajo riego en México (Alien, etal., 2006).
CULTIVO
COEFICIENTE DE CULTIVO
PROMEDIO (Kc)
INICIAL
INTERMEDIO
FINAL
(Kc1)
(Kc2)
(Kc3)
Arroz
1.0
1.15
0.70-0.45
Caña de azúcar
0.15
1.20
0.70
Cítricos
0.15
0.75
0.80
Frijol ejote
0.15
1.00
0.50
Frijol grano
0.15
1.10
0.25
Jitomate
0.15
1.10
0.80-0.60
Maíz
0.15
1.15
0.50-0.15
Papa
0.15
1.10
0.65
Sorgo
0.15
1.05-0.95
0.35
Soya
0.15
1.10
0.30
Trigo grano
0.15
1.10
0.30-0.15
Vid
0.15
0.70
0.70
Coeficiente de estrés hídrico del suelo (Kh) Existen varias propuestas para estimar el coeficiente de estrés hídrico del suelo Kh de la ecuación 1 -39, Ritchie (1973) utilizó una relación lineal para evaluar dicho coeficiente por medio de fracciones, representando la relación entre la humedad aprovechable (HA) y la humedad aprovechable crítica (HAC), de acuerdo a las siguientes expresiones lineales:
Donde HAC, es el valor crítico de la humedad aprovechable en porcentaje que representa la tolerancia a la sequía del cultivo. Un valor pequeño (25%-50%) implica un cultivo tolerante a la sequía mientras que un valor alto (75% 100%) representa un cultivo sensible a la sequía. Jensen et al., (1970) propuso una ecuación logarítmica empírica que relaciona la Kh en función de la humedad aprovechable disponible (HAD) de acuerdo a la siguiente relación:
La humedad aprovechable disponible en % es evaluada de acuerdo a la siguiente expresión:
Donde D, es el déficit de humedad (en %) presente en el suelo y HA es la humedad aprovechable (en %) en la zona radical que depende del tipo del suelo. Cuando HAD = 100% se tiene Kh = 1, lo cual indica que el cultivo no se encuentra bajo estrés hídrico y cuando HAD = 0% se tiene un factor de estrés hídrico Kh = 0, que indica que el cultivo se encuentra totalmente estresado. La lámina 1.2.6 muestra una representación gráfica de ambos métodos para evaluar Ke, para la relación lineal se presentan dos valores de HAC (40 y 80%). Existen también otras ecuaciones alternativas para estimar el factor de estrés hídrico del suelo (Kh) propuestas por varios autores como Palacios y García (1992) y Tanner (1967).
Estimar la evapotranspiración real de un cultivo requiere de una metodología para estimar la parte que corresponde a la evaporación del suelo, des- pues de un evento de riego o lluvia, sobretodo bajo riego por superficie o por aspersión donde una parte importante del agua aplicada se almacena en el estrato superrior de suelo. Para una discusión detallada para el cálculo del coeficiente Ke se puede consultar a Alien, et al., 2006 o Alien, et al., 2007. 1.2.4 Programación del riego
Lámina 1.2.6 Variación del factor de estrés hídrico del suelo (Kh) de acuerdo a dos modelos: lineal y logarítmico. Hasta ahora se ha presentado la metodología para estimar los requerimientos de riegos netos y brutos de los cultivos. El siguiente paso es programar la aplicación del riego, definiendo la fecha y cantidad del riego. La programación del riego involucra actividades de planeación en las que el diseñador de un sistema de riego debe involucrarse para di- mensionar la red de distribución del sistema antes de instalar u operar el sistema. La programación del riego es el proceso para estimar la oportuna aplicación del agua en las cantidades de riego necesarias a lo largo del ciclo fenológico de un cultivo para reponer el agua del suelo que se ha perdido, antes de causar daño fisiológico debido al estrés hídrico. El proceso de programación del riego es una tarea tediosa, que se complica al incrementar la superficie de riego, el numero de cultivos y las fechas de siembra, ya que involucra varios factores que varían espacial y temporalmente: la tasa evapotranspirativa de los cultivos, la precipitación, la capacidad de retención y transmisión de la humedad de los suelos, el tipo y capacidad de los sistemas de suministro del riego y el tipo de sistema de aplicación del riego. A continuación se presentan los conceptos teóricos para programar el riego. 1.2.4.1 Plan de cultivos de diseño La primera etapa para programar el riego de una zona de riego es definir un plan de cultivos de diseño que define el padrón de cultivos que se planea sembrar en la zona de riego definido en función del clima, tipo de suelo, ciclo agrícola, latitud y altitud del lugar, etc. El tipo y la variedad propuesta para cada cultivo del plan definirán la cantidad de agua requerida por el sistema de riego. El traslape de los ciclos fenológicos de los cultivos permitirá definir la época de máxima demanda, de gran importancia en el diseño del sistema. Conocer a detalle el plan de cultivos permitirá acoplar la oferta del sistema de riego con las demandas de los cultivos y así reducir el riesgo de estrés hídrico de los cultivos al subestimar la capacidad del sistema. Una sobreestimación del sistema también es negativa en términos de costos y operación, al sobres- timar las capacidades de los componentes del sistema de riego. 1.2.4.2 Capacidad de almacenamiento de humedad del suelo
El suelo es un material poroso, como una esponja, capaz de retener agua. Cada suelo tiene constantes de humedad que son necesario conocer antes de programar el riego de un cultivo. Las dos constantes de humedad más importantes son: Contenido de humedad a capacidad de campo (θCC). Expresa el estado del suelo cuando un suelo se satura y se deja que el agua drene libremente hasta alcanzar su capacidad máxima de retención. Cualquier cantidad de agua adicional a la capacidad de campo es fácilmente drenable por efecto de la fuerza gravitacional. Contenido de humedad a punto de marchitamiento permanente (θPMP). Expresa el estado con la mínima humedad permisible que el suelo puede alcanzar, sin tener un efecto detrimental irreversible para la planta. Existe un regla empírica, que a falta de un valor experimental puede ser útil para estimar 0PMP dividiendo el valor de θCC entre 1.8. Una mejor estimación se logra al dividir θCC entre 1.7 para el caso de las arcillas y entre 2 para el caso de las arenas (Hargreaves y Samani,1992). Humedad Aprovechable (HA). Expresa la diferencia entre 8CC y 6PMP. La humedad aprovechable es generalmente expresada en porcentaje volumétrico.
Factor de abatimiento máximo de humedad (f). Fracción de la humedad aprovechable asociada a un tipo y etapa de un cultivo. Dicha fracción es mínima durante las etapas fenológicas críticas de los cultivos. El valor de la fracción de abatimiento (f) para riegos con alta frecuencia (riego por goteo) varía generalmente entre 0.2 y 0.6, para riegos con baja frecuencia (riego por gravedad) varia entre 0.4 y 0.8 a medida que la profundidad de raíces se incrementa, el valor de f se incrementa, el caso excepcional se presenta en cultivos con poca profundidad radical como el cultivo de la papa donde el valor de f puede ser de 0.4 o aún menor, principalmente durante la época de formación del tubérculo. Humedad Fácilmente Aprovechable (HFA). Parte de la humedad aprovechable (HA) que puede ser absorbida por las plantas sin causar problemas de estrés hídrico. Los rendimientos se reducen cuando el contenido de humedad se acerca al punto de marchitamiento permanente.
De esta manera en lugar de considerar la humedad aprovechable (HA) como el rango utilizable por las plantas, se utiliza solamente una fracción, a esta fracción se le conoce como fracción o factor de abatimiento o déficit máximo de humedad permisible (f). La humedad fácilmente aprovechable a la profundidad radical define la humedad existente en el suelo disponible para las raíces. Por lo que el conocimiento de la profundidad radical de los cultivos es otro parámetro requerido para programar el riego en los cultivos. 1.2.4.3 Lamina de riego
La siguiente ecuación permite calcular la lámina de riego (Lr) para incrementar el contenido de humedad volumétrico, expresado en forma decimal, de un valor inicial 0! a un valor final 02 con una profundidad Pr
La lámina de riego de un suelo completamente seco puede ser aproximada con la siguiente ecuación:
La lámina de riego (Lr) se define como la cantidad de agua en unidades lineales (usualmente centímetros) o carga de agua que se aplica sobre la superficie del suelo para cumplir con los requerimientos de riego de un cultivo. La siguiente relación permite estimar la lámina de riego en función del volumen (V) aplicado sobre un área (A): 1.2.4.4 Número de riegos (NR)
Lámina 1.2.7 Variación temporal de los requerimientos de riego netos acumulados. La anterior ecuación define la lámina de riego que llevaría el suelo de una humedad a punto de marchitamiento permanente (θPMP) a capacidad de campo (θCC) a una profundidad radical (Pr). 1.2.4.4 Número de riegos El número de riegos (NR) es el total de riegos requeridos durante el ciclo fenológico del cultivo y puede ser estimado usando la siguiente ecuación:
1.2.4.5 Requerimientos de riego diarios de diseño (RRdd) Para diseñar un sistema de riego se requiere el requerimiento de riego de diseño diario (RRdd) el cual define el RR diario que el sistema debe suministrar para proporcionar una cantidad adecuada de riego durante el periodo de máxima demanda. Grandes valores de RRriri están relacionados con los sístemas de riego de alta frecuencia, con cultivos de sistema radical poco profundo sensitivos al estrés hídrico y con grandes consumos de agua. También se tienen grandes valores de RRdd en lugares con bajas precipitaciones y altas temperaturas. La lámina 1.2.7 presenta en forma gráfica la variación de los requerimientos de riego acumulados en función de los días después de la siembra para el cultivo de la papa regada por gravedad en Los Mochis, Sinaloa, sembrada a principios de noviembre. Para fines de diseño, lo más importante a considerar del calendario de riegos mostrado en la lámina 1.2.7 es: el intervalo de riego crítico y la humedad disponible para consumo por las plantas. Por lo tanto, los requerimientos diarios de riego para fines de diseño serán:
En la lámina anterior, el valor de RRdd = 3.9 mm/día es menor que el correspondiente para goteo donde el intervalo de riego critico que obtendría directamente de los requerimientos de riego calculados por día tiene un valor de RRdd = 4.8 mm/día. La diferencia radica en que el intervalo de riego crítico para gravedad es de diez días mientras para goteo es de sólo un día. Usualmente, a menor intervalo de riego mayor es el valor de RRdd. Es difícil estimar RRdd ya que requiere conocer el valor de RR durante el intervalo de riego de máxima demanda, por lo que se recurre al uso de ecuaciones empíricas calibradas localmente.
Si se tiene más de un cultivo el valor de los requerimientos diario de riego de diseño de la zona de riego (RRdd)ZRse calcula usando el promedio ponderado de los valores por cultivo con respecto con su superficie A, usando la siguiente ecuación:
Donde A¡ es la superficie del cultivo i, n es el número total de cultivos a sembrar en la zona de riego, (RRdd)¡ es el requerimiento de riego de diseño para el cultivo i, AT es la superficie total de la zona de riego 1.2.4.6 Capacidad del sistema de riego La capacidad requerida de un sistema para satisfacer las demandas de riego de una zona agrícola se le conoce como capacidad del sistema (Qs), y se define como el gasto que el sistema de riego debe suministrar en la temporada de máxima demanda. Para poder satisfacer los requerimientos de riego de los cultivos, un sistema de riego debe proveer del caudal necesario, conocido como la capacidad del sistema (Qs), expresada en unidades de volumen/tiempo. La ecuación general para calcular la capacidad del sistema (Qs) en l/s para una zona de riego es:
1.2.4.7 Coeficiente unitario de riego (Qu) El valor correspondiente de la capacidad del sistema por hectárea, asumiendo una operación del sistema de 24 hrs, se conoce como coeficiente unitario de riego, algunas veces referenciado como CUR, y puede ser calculado con la siguiente ecuación:
1.2.4.8 Estimaciones del intervalo y la lámina de riego El intervalo de riego depende de los requerimientos de riego de los cultivos, de la capacidad almacenamiento de humedad de los suelos en la zona radical, del sistema de riego y de la sensitividad del cultivo al estrés hídrico. El primer riego se aplica para llevar el espesor de suelo de un contenido de humedad inicial (θ¡), que corresponde a profundidad radical máxima del cultivo (Pr.max), a un contenido de humedad a capacidad de campo (θCC), usualmente asumido al punto de marchitamiento del suelo (θPMP).
Lámina 1.2.8 Representación gráfica de las variables que intervienen en la estimación del momento del riego. La lámina 1.2.8 muestra el primer riego como R! que incrementa la humedad del suelo de un valor de θPMP a un valor de θCC Para aplicar el siguiente riego primeramente se estima la humedad fácilmente aprovechable para cada día, en términos de lámina de riego, en la zona de raíces con la siguiente ecuación:
A partir del día del último riego se estiman los requerimientos de riego diarios (RR¡) y el siguiente riego será el día n cuando los requerimientos de riego acumulados se aproximen a la humedad total fácilmente aprovechable en la zona radial para el día n (ver lámina 1.2.8).
El intervalo de riego (IR) está dado por los n-días transcurridos desde el riego anterior. 1.2.5 Ejemplo de cálculos Para ejemplificar los conceptos presentados en esta sección se presenta un ejemplo detallado para obtener la capacidad de un sistema de riego por gravedad, que suministrará la demanda de riego de una zona de riego de Los Mochis, Sinaloa, México con una superficie de 300 ha. La tabla 1.2.6 presenta el plan anual propuesto con cuatro cultivos anuales (fríjol, jitomate, maíz, y papa) y un cultivo perenne (caña de azúcar). La lámina 1.2.9 presenta gráficamente el plan de cultivos durante el periodo de máxima de agua de los cultivos que correspondería a los meses de diciembre a febrero.
CULTIVO
FS
FC
DC
(CM) Pr
AREA
(DÍAS)
(DÍAS)
INICIAL
MÁXIMA
HA
%
Caña de azúcar
1/01
31/12
365
120
120
100
33
Jitomate
13/10
25/02
135
25
70
10
3
Fríjol
21/11
10/03
110
30
80
20
7
Maíz
25/10
17/04
175
30
100
120
40
Papa
27/11
12/03
105
30
70
50
17
300
100
TOTAL
Tabla 1.2.6 Distribución de las fechas de siembra (FS), cosecha (FC), duración del ciclo (DC), Profundidad de Raíces (P ), y superficie (A) para el plan de cultivos propuesto.
Lámina 1.2.9 Plan de cultivos de diseño en los meses de máxima demanda hidrica. 1.2.5.1 Estimación de la evapotranspiración de referencia Para calcular la ET0 usando la ecuación de Pen- man-Montieth en la forma de la ecuación 1-32 se requieren los siguientes datos diarios promedios: Tabla 1.2.8 Datos promedios para un día típico del mes para la estación de los Mochis, Sinaloa, México
Tmax
Tmin
HR
R
°c
°c
%
MJ m V1
hr
m/s
15/01
27
12.8
74
12.9
6
2.4
15/02
28.4
13.5
70
15.4
6.6
2.4
15/03
30.6
15.1
66
18.7
7.4
2.2
15/04
32.3
15.9
61
19.7
6.9
2.0
15/05
34.1
18.2
62
21.7
7.8
1.8
15/06
35.1
21.3
65
21
7.3
1.8
15/07
36
23.9
74
19.4
6.3
1.9
15/08
35.7
23.8
78
19.1
6.4
1.9
15/09
35.4
23.6
79
17.8
6.4
1.8
15/10
34.5
20.9
76
17
7.3
1.7
15/11
30.3
16.5
72
14.3
6.9
1.8
15/12
26.9
13.4
75
12.1
5.9
2.2
DÍA
s
u2
· Temperatura maxima del día · Temperatura mínima del día · Humedad relativa promedio del día · Radiación global acumulada · Velocidad del viento promedio del día Los datos geográficos de la estación "Los Mochis" usada como referencia para los cálculos del ejemplo se presentan en la tabla 1.2.7. Tabla 1.2.7 Datos geográficos de la estación meteorológica.
La tabla 1.2.8 presenta los promedios diarios históricos de los meses para la estación Los Mochis, Sinaloa, México. Los valores estimados de la evapotranspiración diaria mensual de referencia para un día típico usando la ecuación de Penman-Montieth a partir de datos climáticos de la tabla 1.2.8 se presentan en la tabla 1.2.9. Los procedimientos y cálculos usados para estimar ETo se encuentran en Alien, et al., (2007). El software CropWat de la FAO realiza dichos cálculos de manera automática a partir de datos cli máticos, como los presentados en la tabla 1.2.8. La precipitación acumulada promedio para la zona del ejemplo se presenta en la tabla 1.2.10.
Tabla 1.2.9 Valores diarios típicos mensuales de ETo (mm/dia) para Los Mochis, Sinaloa.
Mes
ENE
FEB
MAR
ABR
MAY
JUN
JUL
AGO
SEP
OCT
NOV
DIC
ETo (mm/dia)
3.18
3.88
4.72
5.25
5.64
5.61
5.25
4.98
4.57
4.2
3.38
2.89
Tabla 1.2.10 Precipitación mensual acumulada promedio (mm) y diaria (mm/dia) observada para Los Mochis, Sinaloa.
Mes
ENE
FEB
MAR
ABR
MAY
JUN
JUL
AGO
SEP
OCT
NOV
DIC
Precip (mm)
13.1
18.6
8.4
1.3
5.9
10.4
43.2
90
90.4
33.7
39.3
36.6
Precip (mm/dia)
0.42
0.66
0.27
0.04
0.19
0.35
1.39
2.90
3.01
1.09
1.31
1.18
1.2.5.2 Parámetros para la programación de riego Cultivos
Tabla 1.2.11 Parámetros para la programación del riego en la zona de riego de Los Mochis, Sinaloa.
CULTIVO
FASES
INICIAL
DESARROLLO
INTERMEDIA
f
Kc
ídías)
f
Kc ídíasl
f
Kc
Caña de azúcar
0.80
0.3
70
-
105
0.60 1
110
Jitomate
0.60
0.5
30
-
25
0.40 1
Fríjol
0.70
0.4
40
-
20
Maíz
0.80
0.4
45
-
Papa
0.70
0.3
25
-
FINAL
(días) f
Kc
PROMEDIO
(días)
f
Kc
(días)
0.80 0.9
80
0.70
0.7
365
55
0.60 0.6
25
0.50
0.6
135
0.40 0.9
20
0.70 0.4
30
0.50
0.7
110
40
0.60 1
60
0.80 0.4
30
0.70
0.7
175
30
0.40 1.15
30
0.70 0.7
20
0.50
0.9
105
La siguiente tabla presenta los parámetros requeridos por etapa fenológica para programar el riego: factor de abatimiento, coeficiente de cultivo y duración. Los datos de la tabla 1.2.11 han sido calibrados para riego por gravedad en la región de los Mochis, Sinaloa. En caso de que no se tengan los parámetros calibrados de parámetros calibrados en campo, una primera fuente de consulta es el manual 56 de la FAO (Alien etal., 2006.) o el sistema CropWat (Smith, 1992) que contiene una base de datos para varios cultivos. Sin embargo, es necesario realizar un ajuste de dichos parámetros, sobretodo para la duración de cada etapa, para ajusfarlos a las condiciones locales de interés. Suelos Las constantes de humedad de los suelos son datos requeridos para estimar la humedad aprovechable y programar el riego de los cultivos. Para el Valle del Fuerte de Los Mochis, Sinaloa los datos del suelo se presentan en la tabla 1.2.12.
Tabla 1.2.12 Parámetros promedio de los suelos del Valle del Fuerte, Sinaloa.
PARÁMETRO
VALOR
Fracción de Arcilla
50 %
Fracción de Limo
30 %
Fracción de Arena
20 %
Materia orgánica
0.8 %
Densidad aparente
1.2 g/cm3
θCC (capacidad de campo)
0.44 cm3/cm3
θpmp (Punto Marchitamiento)
0.29 cm3/cm3
HA (Humedad aprovechable)
0.15 cm3/cm3
Profundidad máxima del suelo
300 cm
Sistema de riego Se asumirá para el ejemplo de cálculos un sistema de riego por surcos con una eficiencia global del 50%. 1.2.5.3 Requerimientos y programa de riego de los cultivos Para fines de diseño los datos climáticos usual- mente están dados en la forma de valores promedio por un periodo de tiempo que puede ser una semana, una decena o un mes. Para poder realizar los cálculos se tienen que realizar interpolaciones. Para el ejemplo, los datos están dados para un día típico del mes, por lo que por facilidad se asume para todos los días del mes el mismo valor promedio diario (expresado en mm/dia) tanto para ETo como precipitación dado por los datos de las tablas 1.2.9 y 1.2.10. Requerimientos de riego y capacidad del sistema para la papa A continuación se presentan los requerimientos de riego para el cultivo de papa. La tabla 1.2.13 presenta los requerimientos de riego para periodos de 10 días. La columna 1 define el inicio de cada periodo de cálculo. La columna 2 define el periodo de cálculo en días que para el ejemplo es de 10 días. La columna tres define la ETo acumulada para el periodo de 10 días. La columna 4 define el valor del Kc promedio en el periodo. La columna 5 calcula la ETpc como producto de ETo por Kc. La columna 6 es la precipitación acumulada en el periodo. La columna 7 es la precipitación efectiva en el periodo. La columna 8 son los requerimientos de riego en el periodo (RR-Pe). Por
ultimo, la columna 9 define el coeficiente unitario de riego (Qu) en Ips/ha para el cultivo de papa con fines de diseño de sistemas de riego. De acuerdo a la tabla 1.2.13 el coeficiente unitario máximo de riego del sistema de riego para un solo cultivo (papa) es de 0.88 Ips/ha. Programa de riego para la papa La tabla 1.2.14 presenta el programa de riegos para el cultivo de papa de acuerdo a los datos del ejemplo, asumiendo una eficiencia de riego global del 50%. Tabla 1.2.14 Programa de riego para el cultivo de papa con fecha e intervalo de riego, y requerimientos de riego netos y brutos.
Tabla 1.2.13 Requerimientos de riego para el periodo y capacidad del sistema de riego para la papa.
1
2
3
FECHA
PERIODO
ET
8
9
Precipitación Pe
RR
Qu
dias
mm
mm
mm
mm
mm
Ips/ha
27-Nov
10
30.86
0.3
9.26
12.32
11.58
0
0
07-Dlc
10
28.9
0.3
8.67
11.81
11.13
0
0
17-Dic
10
28.9
0.34
9.9
11.81
11.13
0
0
27-Dic
10
30.35
0.6
18.24
8.02
7.63
10.61
0.25
06-Ene
10
31.8
0.88
28.01
4.23
4.13
23.88
0.55
16-Ene
10
31.8
1.12
35.67
4.23
4.13
31.54
0.73
26-Ene
10
34.6
1.15
39.79
5.19
5.05
34.74
0.8
05-Feb
10
38.8
1.15
44.62
6.64
6.43
38.19
0.88
15-Feb
10
38.8
1.12
43.31
6.64
6.43
36.88
0.85
25-Feb
10
43.84
0.91
39.83
4.28
4.18
35.65
0.83
07-Mar
5
23.6
0.74
17.58
1.35
1.34
16.24
0.75
Total
105
362.3
294.9
76.5
73.2
227.7
Fecha
IR
RR
n
RRb
dias
mm
mm
27/11
0
39.1
78.2
17/1
51
44.5
89.0
30/1
13
43.0
86.0
11/2
12
46.1
92.2
24/2
13
50.1
100.2
o
4
5
6
Kc
ETCP
7
Lámina 1.2.10 Variación de la humedad del suelo para el cultivo de papa.
La lámina 1.2.10 presenta gráficamente la distribución de los riegos del cultivo de papa de la tabla 1.2.14. Se presenta también como referencia la humedad disponible, la humedad aprovechable y la humedad fácilmente aprovechable en la zona de raíces. Requerimientos de riego de la zona de riego Para el cálculo de los requerimientos de riego diarios se asume una hectárea con las siguientes fracciones para los cultivos del plan propuesto. Los requerimientos de riego de diseño diarios (RRdd) son de 3.02 mm/dia tal como se presentan en la tabla 1.2.15. Capacidad del sistema Las contribuciones de cada cultivo al coeficiente unitario global (Qu) de la zona de riego, con un valor de 0.7 Ips/ha, se presenta en la tabla 1.2.16. La variación estacional de cada cultivo al Qy global se presenta en la lámina 1.2.11.
La capacidad del sistema de riego será de 251.7 Ips de acuerdo a la ecuación 1-51, asumiendo 20 horas de operación del sistema de acuerdo a los siguientes cálculos:
Lámina 1.2.11 Contribución de los cultivos al Qu para ¡a zona de riego del ejemplo. Tabla 1.2.15 Requerimientos de riego pico para el plan de cultivos propuesto.
CULTIVO
Caña de azúcar
SUPERFICIE
RR
(ha)
mm
0.33
0.38
Jitomate
0.03
0.0
Fríjol
0.07
0.16
Maíz
0.4
1.78
Papa
0.17
0.7
Total
1
3.02
Tabla 1.2.16 Coeficiente unitario de riego para
la zona de riego.
CULTIVO
SUPERFICIE
Qu
(ha)
Ips/ha
Caña de azúcar
0.33
0.09
Jitomate
0.03
0.0
Fríjol
0.07
0.04
Maíz
0.4
0.41
Papa
0.17
0.16
Total
1
0.7
El coeficiente unitario (Qu) de riego es de 0.7 Ips/ha, por lo tanto otra manera de estimar la capacidad del sistema es (0.7)(300)(24/20)=252 Ips. Al cambiar el plan de cultivos cambian sus requerimientos de riego. En el ejemplo anterior, los requerimientos de riego máximos de la caña de azúcar no se traslapan con los demás cultivos, por lo tanto el coeficiente unitario de riego es bajo. Cambiando la fecha de siembra de la caña a inicios de octubre se incrementaría sustancialmente la
capacidad del sistema de riego y los requerimientos de riego de la zona. La lámina 1.2.12 presenta la nueva variación de las contribuciones de los cultivos al Qu global cuando se cambia la fecha de siembra de la caña. El nuevo coeficiente unitario de riego es 0.9 Ips/ha un incremento de casi el 30%, tal como se presenta en la tabla 1.2.17 y la lámina 1.1.12. La contribución de la caña de azúcar al coeficiente unitario de riego se incrementó de 0.09 a 0.29 Ips. Tabla 1.2.17 Coeficiente unitario de riego para la zona de riego.
Cultivo
SUPERFICIE
Qu
(ha)
Ips/ha
Caña de azúcar
0.33
0.29
Jitomate
0.03
0.0
Fríjol
0.07
0.04
Maíz
0.4
0.41
Papa
0.17
0.16
Total
1
0.90
Lámina 1.2.12 Contribución de los cultivos al Qu para la zona de riego del ejemplo con cambio en la fecha de siembra de la caña de azúcar. 1.2.6 Cálculo de los requerimientos de riego de los cultivos utilizando CropWat El sistema computacional CropWat desarrollado inicialmente para el sistema operativo MsDOS por la FAO (Smith, 1992) estima los requerimientos de riego de los cultivos con fines de planeación de zonas de riego. Dicho sistema ha sido referente para el cálculo de requerimientos de riego de zonas de riego. Los cálculos se basan en la estimación de la evapotranspiración potencial de los cultivos a partir de la evapotranspiración de referencia calculada por el método de Penman-Monteith con datos climáticos diarios mensuales. Esta estimación es utilizada para calcular los requerimientos de riego de los cultivos, usada posteriormente para la programación del riego de acuerdo a un plan de cultivos de una zona de riego. Los archivos de instalación de sistema CropWat están disponibles libre de costo en la pagina de la FAO (www.fao.org). Algunas diferencias entre el sistema CropWat en su versión windows 4.2, desarrollado por Clarke, 1998, con la versión 7.0 para MsDos (D7.0) son las siguientes: ■ CropWat W4.2 presenta los resultados tanto en forma tabular como gráfica. ■ CropWat W4.2 puede calcular los requerimientos de riego para una zona de riego de hasta 30 cultivos simultáneamente. ■ La programación de riego puede ser calculado para cada cultivo o varios cultivos, además de que se puede seleccionar el intervalo de tiempo para los cálculos, por ejemplo diariamente, semanalmente y mensualmente. ■ Se pueden imprimir los gráficos en color o escala de grises, de los resultados que se han obtenido durante el proceso de cálculo de las necesidades de agua de los cultivos ya que mantiene un formato estándar de Windows. ■ Se pueden almacenar los resultados en disco para su uso posterior, lo anterior facilita la generación y comparación de diferentes escenarios bajo diferentes alternativas de manejo del riego, clima, suelo y cultivos. ■ CropWat W4.2 utiliza solamente datos climáticos mensuales, en cambio CropWat D7.0 puede utilizar datos diarios y mensuales. ■ CropWat W4.2 no puede calcular los requerimientos de riego de algunos cultivos especiales como el arroz. A continuación se describe el CropWat en su versión Windows v4.2: 1.2.6.1 Pantalla principal de sistema La pantalla principal de CropWat para Windows se muestra en la lámina 1.2.13. Para facilitar la descripción de la pantalla se muestran cuatro números en la lámina. El menú principal desplegable, con las opciones del sistema, se muestra a la izquierda del número 1. El numero 2 indica la posición de los iconos de la barra de herramientas que permiten acceder y activar directamente a las opciones del menú principal. El número 3 muestra la ventana que indica el estado de los cálculos del escenario activo en el sistema y también indica si los datos están completos para obtener los requerimientos y programación de riego de los cultivos. Finalmente el número 4 muestra la barra de información con mensajes sobre estado del sistema y opción activa.
A manera de ejemplo, la lámina 1.2.14 muestra dos pantallas que indican el estado de los archivos de datos, en la primera ventana (de izquierda a derecha) se indica el estado de los datos cuando se accede por primera vez a CropWat y no se han cargado los archivos de datos necesarios para calcular los requerimientos y programación de riego de los cultivos, la segunda ventana, muestra el estado de los archivos de datos cuando estos han sido cargados, en este caso la pantalla muestra los archivos que corresponden al ejemplo de la sección anterior para la zona de riego de los Mochis, Sinaloa. Siguiendo con el ejemplo para obtener los requerimientos y la programación del riego de los cultivos, se muestra a continuación el proceso secuencial de cada una de las pantallas hasta obtener los re-
Lámina 1.2.14 Ventanas del estado de los archivos necesarios para calcular las necesidades de agua de los cultivos y programación del riego en el ejemplo de la zona de riego de los Mochis. sultados de las necesidades de riego de agua de los cultivos.
de ETo, y el tipo "*.CRM" para almacenar datos de precipitación. Los archivos son almacenados en la directorio "CROPWAT/CLIMATE" donde reside el sistema en el disco de la computadora. 1.2.6.2 Datos climáticos Para estimar los requerimientos de riego de los cultivos en CropWat es necesario introducir los DATOS CLIMÁTICOS de estaciones meteorológicas. Para capturar e introducir los datos se utilizan los iconos que se muestran en la lámina 1.2.15. En el primer icono de izquierda a derecha se introducen los datos climáticos mensuales de la estación de Los Mochis. Los datos que se introducen son promedios diarios mensuales y corresponden a los valores de las temperaturas máximas y mínimas, humedad del aire, velocidad del viento y horas con insolación. Una vez que se han introducido los datos anteriores se pueden guardar en un archivo de datos con la extensión *.PEM. Introducidos los datos climáticos, CropWat calcula automáticamente el valor de la ETo para el mes o meses de los cuales se han introducido los datos climáticos. Estos datos pueden visualizarse activando el segundo icono de color verde que despliega los datos calculados de la evapotranspiración de referencia (ETo). En el tercer icono (nube pequeña) se introducen los datos mensuales de la precipitación y CropWat calcula automáticamente la precipitación efectiva. Los datos capturados se graban con una extensión diferente dependiendo del tipo de datos, por ejemplo, los archivo del tipo "*.PEM" para almacenar datos climáticos, tipo "*.PMM" para almacenar datos 1.2.6.3 Cultivos La captura de los parámetros de cultivo se activa con el icono que representa el cultivo (fruto en color rojo). Los datos de cultivos son (lámina 1.2.16): la fecha de siembra, los coeficientes y la duración de las etapas fonológicas del cultivo, la profundidad de raíz y el factor de abatimiento. Una vez que se han capturado los datos del cultivo se puede almacenar un archivo del tipo "*.CRO" que se almacena el directorio "CROPWAT /CROPS". En la lámina 1.2.16 se muestra del lado derecho la ventana para capturar el plan de cultivos en el sistema. Se pueden considerar hasta 30 cultivos para una misma parcela o zona de riego, previamente se deben de tener los archivos con los parámetros de los cultivos que se han de considerar con la extensión *.CRO. Los archivos de datos ya existenten se pueden cargar (opción Retrieve) al sistema. En el caso de que existan varios cultivos en una misma zona de riego, se debe especificar la superficie ocupada por cada cultivo (del total del área sembrada). Finalmente, cuando se hayan seleccionado todos los cultivos de los que se desean obtener las necesidades de agua y la programación del riego, se puede guardar el archivo asignando un nombre con la extensión *.CPT. Este archivo tendrá la información del plan de cultivos para la zona de riego para su uso posterior.
1.2.6.4 Suelos
Los datos del suelo se capturan en la ventana que se activa a través del último icono a la derecha de la lámina 16. Los datos requeridos son: el total de la humedad disponible en el suelo, tasa infiltración máxima, profundidad máxima de raíz y el valor de la humedad inicial disponible en el suelo. El archivo generado se puede guardar en un archivo con la extensión "*.SOI".
1.2.6.5 Requerimientos y programación del riego Una vez que se han definido los datos del clima, suelo y cultivos, se pueden estimar los requerimien tos de riego de acuerdo al plan de cultivos definido. Aunque se pueden asumir las opciones de programación del riego que el sistema considera por omisión, es necesario conocerlas. La lámina 1.2.17 muestra los diversos criterios disponibles asociados a los cálculos de la ETo, precipitación y precipitación efectiva, y programación del riego. Cuando se han introducido todos los datos climáticos de la zona de estudio y se han ajustado los métodos de cálculo, el sistema CropWat está listo para mostrar los datos activos y los resultados de los cálculos ya sea por medio de TABLAS o por GRAFICAS. La lámina 1.2.18 muestra las tablas que contienen los datos climáticos, los requerimientos de riego del cultivo y el programa de riegos para el ejemplo de la zona de Los Mochis. Los requerimientos y programa de riego se pueden visualizar para el año agrícola para cada cultivo o para todos los cultivos del plan de la zona de riego. La lámina 1.2.19 muestra las graficas de las VARIABLES CLIMÁTICAS, como son la temperatura, humedad relativa, velocidad del viento y la evapotranspiración del cultivo de referencia para la estación meteorológica del ejemplo usado para la zona de riego de los Mochis.
La lámina 1.2.20 muestra las graficas de la lluvia total y efectiva, el porcentaje del área total sembrada de cada uno de los cultivos; los requerimientos de riego (o necesidades de agua) de los cultivos, la grafica de la programación del riego y el déficit de humedad del suelo para cada cultivo o todos los cultivos considerados para el año agrícola. Para mostrar los resultados obtenidos durante el proceso de cálculo, CropWat puede desplegarlos o exportarlos a un archivo tipo "*.txt". Por ejemplo, en la tabla 1.2.18, se muestran los resultados (en un archivo *.txt) con los requerimientos de riego para la zona agrícola de Los Mochis, Sinaloa. Con la información obtenida en la tabla anterior, se pueden tomar decisiones con fines de planea- ción y diseño de pequeñas zonas de riego. Para la planeación de las zonas de riego es necesario conocer los requerimientos de riego pico de la zona de acuerdo a un plan de cultivos, esto es con la finalidad, entre otras cosas, para diseñar la infra-
Lámina 1.2.19 Graficas de la temperatura, humedad de! aire, velocidad del viento y evapotranspiración de referencia para una estación meteorológica de los Mochis, Sinaloa. estructura hidráulica de riego, para el caso de Los Mochis los valores máximos se presentan cuando todos los cultivos se encuentran en desarrollo y ocupan entre un 90 y 100% del área sembrada de la zona de riego, el valor mas alto de los requerimientos de riego de los cultivos se presentan en la decena que inicia el 2 de marzo con un valor de 28.79 mm/decena y un coeficiente unitario de riego de 0.7 Ips/ha. Los valores promedio durante el año agrícola, para satisfacer los requerimientos de riego son de 498.4 mm/decena, con un coeficiente unitario promedio de riego de 0.32 Ips/ha, considerando una eficiencia del 50% para el sistema de riego.
Lámina 1.2.20 Graficas de la lluvia y lluvia efectiva, porcentaje del área sembrada, necesidades de agua de los cultivos y el déficit de humedad de agua en el suelo para cada cultivo. Tabla 1.2.18 Reporte de las necesidades de agua de los cultivos Todos los Cultivos: Caña, Jitomate, Fríjol, Maíz, Papa Intervalo de cálculo 10 días Eficiencia de riego 50%
FECHA
ET0
AREA
COEFICIENTE
EVAPOTRANS
MM/
PLANTADA
DE CULTIVO
PIRACIÓN
PERIODO
%
KC
(ETM)
01-Ene
31.8
100
0.63
19.88
11-Ene
31.8
100
0.75
23.75
21-Ene
31.8
100
0.79
25.04
31-Ene
38.1
100
0.78
29.9
10-Feb
38.8
100
0.77
29.97
20-Feb
39.64
98.5
0.73
28.78
02-Mar
47.2
96.3
0.66
31.37
12-Mar
47.2
73
0.51
23.9
22-Mar
47.2
73
0.47
21.95
01-Abr
52.5
73
0.41
21.37
11-Abr
52.5
61
0.31
16.06
21-Abr
52.5
33
0.2
10.45
01-May
56.4
33
0.22
12.47
11-May
56.4
33
0.24
13.71
21-May
56.4
33
0.27
14.95
31-May
56.13
33
0.29
16.11
10-Jun
56.1
33
0.31
17.34
20-Jun
56.1
33
0.33
18.39
30-Jun
52.86
33
0.33
17.44
10-Jul
52.5
33
0.33
17.33
20-Jul
52.5
33
0.33
17.33
30-Jul
50.34
33
0.33
16.61
09-Ago
49.8
33
0.33
16.43
19-Ago
49.8
33
0.33
16.43
29-Ago
46.93
33
0.33
15.49
08-Sep
45.7
33
0.33
15.08
18-Sep
45.7
33
0.33
15.08
28-Sep
43.11
33
0.33
14.23
08-0ct
42
34.5
0.34
14.15
18-Oct
42
48
0.39
16.32
28-Oct
37.08
76
0.5
18.42
07-Nov
33.8
76
0.49
16.67
17-Nov
33.8
80.2
0.51
17.29
27-Nov
30.86
100
0.58
17.76
07-Dic
28.9
100
0.6
17.21
17-Dic
28.9
100
0.66
19.02
27-Dic
14.45
100
0.73
10.57
TOTAL
1629.6
684.26
*ET0 los promedios mensuales son tomados como valores diarios. * Lluvia. Los promedios mensuales son tomados como valores diarios. Referencias bibliográficas
1.4 NIVELACIÓN DE TIERRAS Francisco Raúl Hernández Saucedo J. Rafael Sánchez Bravo Han transcurrido 10 años desde que apareció la primera edición de este Manual. Durante este tiempo ha aumentado el número de equipos de nivelación de rayo láser, así como la superficie nivelada en las áreas de riego de México.
Por otra parte, el desarrollo tecnológico ha permitido a las empresas del ramo agrícola, ofertar sistemas de nivelación láser más avanzados y una nueva tecnología: los equipos de nivelación controlados por Sistemas de Posicionamiento Global (GPS, por sus siglas en inglés). Lo anterior refleja un interés creciente por la tecnificación del riego por gravedad, sin duda explicado por un desequilibrio cada vez mayor, entre la demanda de agua que genera una población creciente, y la existencia de una oferta limitada de este recurso. En este contexto, el tema de nivelación de tierras agrícolas sigue siendo de actualidad y de alto impacto en el rescate de volúmenes de agua de riego, que sin esta práctica de mejoramiento físico, se perderían irremediablemente (entre un 20 y 30 %). La tecnología de nivelación que más se utiliza actualmente en México, es sin duda la tecnología láser. Atrás ha quedado la llamada nivelación tradicional, y sus esquemas de estacado y marcado en el campo, que eran tardados, tediosos y altamente demandantes de mano de obra, pero prácticamente indispensables, para guiar a los operadores del equipo y para ayudar en el control de los datos de construcción (espesores de corte y relleno). Paralelamente, y aunque lentamente, los sistemas de nivelación de de tierras de control GPS, se están po- sicionando en el mercado. En consecuencia, el material que ahora se presenta, ha sido actualizado en cuatro aspectos, en relación a la primera edición de este manual: i) se eliminó el tema de nivelación tradicional1, ya que raramente se practica en la actualidad y menos aún se recomienda, en razón de la mayor disponibilidad de equipos de nivelación con tecnología láser; ii) se presenta una metodología para elaborar proyectos ejecutivos de nivelación de tierras, con herramientas modernas, que ha demostrado su efectividad en áreas de riego con alto grado de pulverización de la tenencia de la tierra; iii) se hace mayor énfasis en los sistemas de nivelación con rayo láser, describiendo los modelos más avanzados que ahora se ofrecen en el mercado; y iv) se hace una introducción a los conceptos y sistemas de nivelación de control con GPS, considerados como una tecnología emergente. Se considera sin embargo, muy conveniente, insistir y enfatizar sobre la justificación, alcances, beneficios y conceptos, de la nivelación de terrenos agrícolas, que fundamentan científicamente esta práctica de ingeniería agrícola y garantizan su fac- tibilidad técnica, financiera y social. En este manual se hace referencia a la nivelación tradicional, sólo con fines comparativos y para destacar las ventajas de las tecnologías avanzadas (láser y gps). 1.4.1 Justificación, alcances, beneficios y conceptos de la nivelación de terrenos agrícolas Uno de los principales problemas que enfrentan los productores agrícolas en las áreas de riego por gravedad en México y en el mundo, es la baja eficiencia y deficiente uniformidad con que se aplica el agua. El primer aspecto repercute en desperdicio de este recurso vital, considerado ya limitante para el desarrollo sustentable de la humanidad, y por supuesto, en la rentabilidad de la empresa agrícola, sobre todo en las regiones donde el agua es extraída del subsuelo mediante equipos de bombeo. El segundo aspecto, impacta negativamente en el desarrollo adecuado de los cultivos, causando bajos rendimientos y mala calidad de las cosechas, lo cual también repercute en bajos ingresos económicos para el productor agrícola. La situación anterior, puede revertirse sin embargo, eliminando uno de los principales factores que causan estos problemas, que es sin duda, la irregularidad topográfica de los terrenos, mediante la nivelación apropiada de éstos.
Efectivamente, el mejoramiento territorial de los terrenos agrícolas, mediante los trabajos de nivelación, es una práctica indispensable y, quizá la más impactante para lograr el uso racional del agua en el riego por gravedad. Los beneficios potenciales de esta práctica de mejoramiento territorial podrían repercutir en una superficie del orden del 90 % de la superficie de riego del país y un 80 % de la superficie de riego mundial, la cual se riega por métodos superficiales. La nivelación de tierras se justifica en cualquier proyecto de irrigación, ya que generalmente se invierten sumas considerables en obras de captación, conducción y distribución y, comparativamente, se hacen inversiones bajas en la parcela, que es donde se refleja la bondad de todo un complejo sistema de irrigación. Los beneficios principales de la nivelación son: a) Aumento de la eficiencia de aplicación y de la uniformidad del riego (con diseño y manejo adecuado del riego). b) Ahorro de agua, mano de obra y energía. c) Mejoramiento del drenaje superficial. d) Control de la erosión. e) Mayor eficiencia en el uso de fertilizantes. f) Operación más eficiente de la maquinaria. g) Mayor eficiencia en casi todas las prácticas de manejo del cultivo. Técnicamente, el proyecto de nivelación de tierras es equivalente al diseño de laterales y distribuidores en el riego por aspersión y goteo, donde los diámetros de tubería deben seleccionarse de tal forma que las variaciones de presiones y gastos caigan dentro de límites preestablecidos, para garantizar uniformidad en la distribución del agua. Las necesidades de nivelación pueden ser muy variables, dependiendo del relieve del terreno y del método de riego que se seleccione o que ya se utiliza, lo que da lugar a los diferentes grados de nivelación. Sin embargo, los volúmenes a mover no deben ser excesivos, para garantizar la rentabilidad del proyecto. Existen dos criterios principales en el diseño de la nivelación: a) Seleccionar la pendiente que maximice la efectividad de un sistema de riego existente o que se esté planeando adoptar. b) Seleccionar la pendiente que minimice el movimiento de tierras. Una solución combinada entre ambos criterios es lo más razonable y congruente con el concepto clásico: "la nivelación de terrenos agrícolas es una práctica de acondicionamiento físico, que consiste en la remoción de tierras de las partes altas y su acarreo y depósito en las bajas, a fin de dejar una superficie plana que se ajuste, hasta donde sea posible, a las pendientes naturales del terreno y que facilite las labores agrícolas, especialmente la aplicación del agua de fie§é\
El proyectista debe tomar en cuenta, además del método de riego y las pendientes naturales del terreno, otros factores como el espesor de suelo disponible, las intensidades de lluvia que podrían causar erosión y la posición y elevación de canales y drenes. Todos estos factores introducen restricciones que no deben soslayarse, a riesgo de llevar al fracaso el proyecto. Por otra parte, el principal inconveniente de la nivelación es su alto costo, por lo que la decisión de recomendar su ejecución siempre debe ir precedida de una valoración o revaloración de la adaptabilidad del terreno y otras condiciones para el riego superficial, complementándolo con un análisis económico que justifique la rentabilidad del proyecto. La serie de operaciones que se recomiendan seguir para efectuar una nivelación, y que se discuten posteriormente, lleva implícita la aceptación técnico-económica del proyecto. 1.4.2 Planeación de los trabajos Antes de iniciar cualquier acción para nivelar un terreno para riego por gravedad, es preciso comprobar si se ha elegido el método adecuado de riego y cuáles son los requisitos de pendiente que exige su implementación. Existen siete condiciones que pueden hacer imposible o antieconómico el riego por gravedad y por consiguiente los trabajos de nivelación de tierras: a) Suelos excesivamente permeables. Los suelos arenosos o gravosos y los suelos que tienen gran cantidad de materia orgánica, se caracterizan por una alta capacidad de infiltración. Si la infiltración básica excede 7.5 cm/h, se puede asumir que el riego de gravedad ocasionará importantes pérdidas por percolación profunda y podrá causar problemas de drenaje y salinidad en suelos aledaños de menor cota y menor permeabilidad. Por lo tanto, a menos que sea económico hacerlo en un caso particular, sería un error nivelar tales terrenos. b) Suelos someros. Un suelo poco profundo puede ser arable e irrigable y, no obstante no tener suficiente profundidad que permita la nivelación necesaria para el riego por gravedad. Este es el caso en el cual la profundidad de corte requerida para la nivelación de tierras excede la profundidad límite del suelo con el resultado de que piedras y otros materiales indeseables sean llevados a la superficie donde permanentemente reducirán el rendimiento de los cultivos. La exposición del subsuelo, sin embargo, generalmente no presenta problemas o únicamente puede requerir la aplicación de fertilizantes nitrogenados.
Tabla 1-22 Pendientes* mínimas, máximas e ideales para diferentes variantes de riego por gravedad.
MÉTODO
PENDIENTE
PENDIENTE MÁXIMA (%)
DE RIEGO
MÍNIMA
ZONAS
ZONAS
(%)
ÁRIDAS
Melgas
0.05
Surcos
Corrugaciones
PENDIENTE
ZONAS
ZONAS
IDEAL
SEMI-ÁRIDAS SUBHÚMEDAS
HÚMEDAS
(%)
4
3
2
1.0
0.5
0.05
3
2
1
0.5
0.4
1.00
6
4
2
No recomen.
2.0
" Se refiere a las pendientes en la dirección del riego. La pendiente transversal en melgas se recomienda que sea nula o menor de 0.5%. En surcos pueden tolerarse pendientes transversales de hasta 10% en zonas áridas y de 6% en zonas lluviosas.
c) Topografía muy ondulada. Las ondulaciones pronunciadas en el relieve del terreno, determinan en gran medida el costo de la nivelación. Este factor limita con frecuencia la preparación de la tierra para riego. Salvo raras excepciones, los trabajos que requieren mover más de 600 m3/ha se consideran demasiado costosos para emprenderlos. d) Pendientes fuertes. En los terrenos con pendientes fuertes, el agua produce encauzamien- tos, provocando una severa erosión. Además, generalmente conduce a mayor dificultad para humedecer el suelo, sin poder evitar que se
tengan importantes pérdidas por coleo. Las pendientes máximas permisibles para el riego por gravedad se establecen en la tabla 1-22. e) Problemas de drenaje subsuperficial. Algunas veces, un problema de drenaje difícil de resolver impide el uso del riego por gravedad y, por lo tanto, limita la conveniencia de nivelar el terreno. Un ejemplo de esta condición son las áreas que consisten de terrenos planos y porosos con un nivel freático bastante alto y que se encuentran en cuencas cerradas. Para obtener buenas cosechas en estas condiciones, es necesario aplicar el riego con precisión, en láminas pequeñas para evitar el elevamiento del nivel freático a niveles peligrosos. Como el riego por gravedad no permite en general esta condición, la nivelación de tierras no es recomendable. f) Caudal disponible pequeño. Si se usa un caudal reducido para regar por gravedad, los resultados no serán de gran impacto. En estos casos el mejor aprovechamiento del agua se obtiene adoptando alguna variante de riego localizado, sin ser ya necesaria la nivelación de tierras. En relación a los requisitos de pendiente en los métodos de riego por gravedad, la tabla 1-22 indica valores mínimos, máximos e ideales para las variantes más importantes de estos métodos de riego.
Lámina 1.4.1 Topografía que requiere nivelación de primer grado. Otra de las decisiones importantes previas a los trabajos de nivelación de tierras es seleccionar la época adecuada para realizar los trabajos. Con el fin de hacer económico el movimiento de tierras y evitar dañar físicamente al suelo, la nivelación debe efectuarse en el período libre de lluvias. Cuando los terrenos estén bajo explotación debe, en principio hacerse la nivelación entre ciclos agrícolas o, en todo caso, durante el ciclo en se obtengan menos beneficios. Debe tomarse en cuenta que de acuerdo al volumen de tierra a mover, a las distancias de acarreo y al tipo de equipo que se utilice, un operador experimentado podrá nivelar de 2 a 5 ha/día. En caso de que haya más terreno del que se puede nivelar en el período seco o entre ciclos
agrícolas, entonces deberá pensarse en usar equipos adicionales o dejar parte del área para nivelarse en otra ocasión. Debe considerarse también en la programación de los trabajos, que toda cubierta vegetal y esquilmos de cosecha tienen que ser cortados e incorporados uniformemente en el área bajo proyecto o bien ser sacados fuera del área que se nivelará. Así mismo, debe tomarse en cuenta que los trabajos de nivelación requieren de la obtención de las condiciones topográficas actuales del terreno y de un proyecto, lo cual disminuirá el tiempo disponible para ejecutar los trabajos. Las necesidades de nivelación están determinadas por la variante de riego que ya se utilice o se pretenda adoptar y por la condición topográfica original del terreno a nivelar. Existen tres grados de nivelación con base en la topografía del terreno, las cuales se describen enseguida. Nivelación de primer grado: Corresponde a los terrenos en los que la disposición de las curvas de nivel muestran una topografía semejante y bastante uniforme, y en donde con dos o tres pasos de la niveladora se logra proyectar un buen trazo de riego (lámina 1.4.1). En este tipo de nivelación no se efectúan cálculos previos de plano y cotas proyecto, y no se modifican las pendientes naturales del terreno. Nivelación de segundo grado: Se refiere a topografías en su mayor parte similares al caso anterior, pero con irregularidades aisladas, como pequeñas elevaciones o depresiones. En este caso, debe utilizarse equipo de movimiento de tierras, lo que implica operaciones de corte, acarreo y depósito y, posterior a ello, realizar una operación de afine con niveladora como la que se muestra en la lámina 1.4.2. En este tipo de nivelación es obligatorio efectuar un proyecto cuidadoso de los cortes a realizar y de los volúmenes a mover, pero para conservar su carácter de nivelación de segundo grado, no deben hacerse modificaciones a las pendientes naturales del terreno.
Lámina 1.4.3 Topografía que requiere nivelación de tercer grado Lámina 1.4.2 Topografía que requiere nivelación de segundo grado. Nivelación de tercer grado: Es la que se requiere efectuar en aquellos terrenos cuya topografía es bastante irregular, en donde es necesario mover tierra en todo el lote mediante equipos diseñados para cortar, acarrear y depositar la tierra a distancias apreciables. También en este caso se requiere una operación posterior de alisado o afine para dejar la superficie adecuada para el riego por gravedad (lámina 1.4.3). En este caso, con frecuencia se tiene que modificar, al menos en la dirección del riego, la pendiente natural del terreno. Toda vez que las nivelaciones de primer grado requieren un mínimo de apoyo técnico, sólo se hará referencia de aquí en adelante a las nivelaciones de segundo y tercer grado, mismas que generalmente se llevan a cabo donde existe o se planea establecer alguna variante de riego por gravedad. 1.4.3 Sistemas de nivelación de control láser La palabra láser proviene del idioma inglés y corresponde a las iniciales de las palabras que describen este fenómeno: Light Amplification by Sti- mulated Emission of Radiations, lo que significa "Amplificación de la luz mediante emisión estimulada de radiaciones". La luz láser que se emplea en las aplicaciones de la industria de construcción y en la agricultura, se genera por el paso de una corriente eléctrica de alta tensión, a través de una atmósfera de una mezcla de helio y neón, confinada en un tubo cilindrico de cristal, dotado de espejos en sus extremos. La luz obtenida por la estimulación, es reflejada por una serie de espejos, para finalmente salir por una ventana giratoria que le permite generar un plano de luz, bien sea horizontal o con pendiente, en una o dos direcciones, según el diseño del equipo y la aplicación que se le pretende dar.
La luz láser así generada es monocromática y tiene tres características que la hacen ideal para los propósitos de nivelación de tierras: a) El haz conserva su diámetro original, sin mostrar tendencia a abrirse, a pesar de viajar grandes distancias. b) Pierde poca intensidad al viajar por la atmósfera, por lo que puede alcanzar grandes distancias. c) No se mezcla con otras clases de luz y puede ser detectada por receptores adecuados. 1.4.3.1 Componentes y funcionamiento de los sistemas láser Un sistema típico de rayo láser para la nivelación de tierras, con capacidad para levantamientos topográficos y para controlar automáticamente el movimiento de tierras, tiene tres componentes principales (lámina 1.4.4): Un emisor de rayo láser, que se acopla a un trípode o torre colocada sobre el terreno. El segundo componente del sistema consiste en un receptor o detector, unido a un mástil instalado cerca o sobre la cuchilla del implemento de corte. El tercer componente es una caja de control que se coloca en un tablero, frente al operador del tractor y que permite establecer diversas formas de funcionamiento del sistema. En los últimos años, a nivel internacional se han efectuado alianzas, fusiones o incorporaciones estratégicas entre las empresas que fabrican y comercializan equipos topográficos, sistemas de control láser y sistemas de posicionamiento geográfico, para ofertar productos y servicios cada vez más integrales. Actualmente, estas grandes empre sas internacionales como Trimble (Norteamericana), TopCon (Japonesa) y Leica Geosystems (Suiza), ofertan sus productos en México, a través de subsidiarias, representantes o distribuidoras de carácter regional o local. No obstante, algunos productos que en México se han posicionado en el campo, conservan parcial o totalmente los nombres comerciales de las empresas de origen.
Lámina 1.4.4 Sistema de nivelación de tierras de control láser.
Lámina 1.4.7 Emisor AGL modelo EAGL 3. Lámina 1.4.5 Emisor Lámina 1.4.6 Emisor Spectra precisión láser Láser Alignment modelo GL720. modelo LB-4. A. Emisor Consiste en un tubo de gases helio-neón y de los mecanismos electrónicos necesarios para operarlo. Un sistema óptico define el rayo y los mecanismos de control y lo orientan en la posición necesaria. La velocidad de giro puede ajustarse de 300 a 2,000 revoluciones por minuto. Los emisores de rayo láser están equipados con mecanismos electrónicos que lo autonivelan y garantizan mantener el nivel establecido dentro de márgenes muy reducidos, dependiendo de la marca y el modelo. En las láminas 1.4.5, 1.4.6 y 1.4.7 se muestran tres modelos de emisores. Para el mejor control de la maquinaria, el emisor se monta sobre un trípode o una torre, con altura suficiente para librar la maquinaria u otros obstáculos que pudieran bloquear la señal. El emisor giratorio es capaz de emitir la señal en un plano horizontal (sin pendiente), con pendiente en un eje, y con pendiente compuesta (en dos ejes). El operador sólo oprime teclas del emisor para seleccionar las pendientes deseadas. El mecanismo de autonivelación electrónico mantiene la(s) pendiente(s) que fue(ron) seleccionada^), independientemente de cambios térmicos del trípode o torre. Si el emisor es momentáneamente movido por accidente (por equipo pesado pasando cerca de él o por fuertes vientos por ejemplo), la luz se apagará y se restablecerá una vez que el emisor se haya renivelado. Si el emisor fue movido más allá del rango de autonivelación, será necesario volverlo a nivelar manualmente.
Lámina 1.4.8 Receptor Trimble Lámina 1.4.9 Receptor Láser Lámina 1.4.10 Receptor AGL. modelo LR410. Alignment. B. Receptor o detector Consiste esencialmente de una fotocelda con una receptividad de 360° de amplitud (omnidireccional). Este componente se instala sobre un mástil, que a su vez se coloca sobre la cuchilla de corte del implemento de movimiento de tierras (láminas 1.4.8, 1.4.9 y 1.4.10). El detector puede registrar el rayo láser aún cuando este último incida por fracciones de segundo, y está diseñado de modo tal que solamente la luz láser puede penetrar a la fotocelda. Con esto se evita que otras luces brillantes, como la del sol, produzcan señales. El receptor, debidamente instalado y en conexión con la caja de control, tiene la capacidad de moni- torear al rayo láser. Cuando registra la señal, la envía a la caja de control, desde donde se gobiernan diversas acciones, según el modo de trabajo seleccionado. C. Caja de control Este componente, instalado en un tablero frente al operador de la maquinaria, es el cerebro de todo el sistema y tiene diversos interruptores para seleccionar modos de trabajo o realizar acciones específicas. Dependiendo de la firma comercial y modelo, también tiene diversas ventanillas que muestran información digital relacionada con la operación que realiza (cotas topográficas, cortes o rellenos, etc.), así como el despliegue de algunas señales luminosas que orientan al operador de la maquinaria en la toma de decisiones durante los trabajos de nivelación (láminas 1.4.11, 1.4.12 y 1.4.13). Los modelos más avanzados de estas firmas poseen las características antes descritas; permiten, además, realizar dos funciones básicas: levantamiento topográfico y control de la nivelación. También permiten elegir entre dos opciones de operación: manual y automática. Eligiendo el modo de operación manual, el operador podrá subir o bajar la cuchilla, independientemente de la señal recibida
Lámina 1.4.11 Caja de control Trimble. Lámina 1.4.12 Caja de control Láser Alignment.
Lámina 1.4.13 Caja de control AGL en el detector, lo cual resulta conveniente cuando el equipo transite por zonas muy altas, donde la magnitud de los cortes exija una gran potencia del tractor. Cuando se selecciona el modo de operación automática, las válvulas electrohidráulicas se activan por las señales provenientes de la caja de control (en respuesta a la señal láser monitoreada por el receptor), y hacen los ajustes automáticamente de acuerdo con la función básica que en ese momento se esté realizando (topografía o control). Lámina 1.4.14 Trípode para instalación de emisores.
D. Componentes complementarios y accesorios Además de estos componentes principales, existen otros complementarios y accesorios que permiten la instalación apropiada e interconexión necesaria, o bien, proveer de capacidades opcionales que tienden a hacer más sencilla y eficiente la operación del sistema. En una operación típica de levantamiento topográfico o de control de la nivelación, el emisor debe instalarse en el lugar más conveniente, a una altura que permita hacer llegar el láser al receptor, ubicado por arriba de la maquinaria, para garantizar que no haya interferencia del mismo. Para lograr esto, el emisor debe montarse sobre una trípode con patas extensibles y dotarse de una base elevadora (lámina 1.4.14), o bien sobre una torre especialmente diseñada para este fin y con posibilidades de ser remolcada (lámina 1.4.15). Los modelos más avanzados de emisores tienen como accesorio opcional una mira telescópica que les permite una alineación precisa de las direcciones de las pendientes, en concordancia con el plano proyecto.
Para lograr una comunicación en las diferentes funciones y modos de operación del sistema, es indispensable una interfase. Ésta consiste de válvulas
Lámina 1.4.15 Emisor láser instalado sobre una torre en el campo.
Lámina 1.4.16 Válvula de control y accesorios de interfase AGL. de control, cables eléctricos, mangueras y conecto- res, que están diseñados para conectar mecánica, hidráulica y eléctricamente a la caja de control con el equipo de movimiento de tierras (lámina 1.4.16). E. Maquinaria e implementos para el movimiento de tierras Se pueden usar escrepas para afine (también llamadas palas de arrastre), jaladas por un tractor agrícola (lámina 1.4.17), para el movimiento de tierras y afine, en terrenos agrícolas relativamente planos con topografías que requieren nivelación de primer y segundo grado, con movimientos de tierra menores a los 300 m3/ha. También pueden usarse escrepas de carga de hasta 3 m3 de capacidad, jaladas por tractores agrícolas de 80 a 100 hp de potencia. Cuando se requiere mover volúmenes entre 300 y 600 m3/ha, se recomienda el uso de escrepas de carga con capacidad entre 4 y 6 m3, jaladas con tractores con 140 a 180 hp. Cuando los volúmenes a mover rebasen los 600 m3/ha, se justifica el uso de dos o más escrepas de carga en tándem (lámina 1.4.18), jaladas con un tractor de doble rodada, con la potencia adecuada, o bien, el uso de motoescrepas (mototrailas).
Lámina 1.4.17 Tractor con pala de arrastre (afine) para la nivelación de tierras.
Lámina 1.4.18 Escrepas de carga en tándem. 1.4.4 Nivelación con rayo láser -vs- nivelación tradicional La nivelación tradicional consiste en: a) Determinar las condiciones topográficas actuales del terreno, estableciendo una cuadrícula en el campo empleando tránsito, cinta y nivel fijo, dejando estacas permanentes en el campo para ayudar a la ejecución de los trabajos. A un lado de cada estaca, se establece un trompo a ras del suelo, al cual se le determinará la cota con nivel fijo y sirve como nivel de referencia, durante el control del movimiento de tierras. b) Efectuar el cálculo del plano proyecto por alguna variante del principio de mínimos cuadrados. c) Calcular datos de construcción (espesores de cortes y rellenos) y utilizar un sistema de señalamiento de éstos en el campo, auxiliándose de las estacas colocadas en el inciso a). d) Realizar el movimiento de tierras con equipos e implementos de tracción mecánica, llevando un control de los datos de construcción (cortes y rellenos), auxiliándose con personal de apoyo, para garantizar que los cortes y rellenos resultantes correspondan a los datos de proyecto (con alguna tolerancia preestablecida). e) Quitar las estacas y dar un alisado final con niveladora ("land plañe"), cuando el trabajo de movimiento de tierras grueso ha sido aceptado. La nivelación con equipo láser consiste en: a) Obtener las condiciones topográficas actuales del terreno, utilizando un equipo emisor y otro receptor de rayo láser, que puede ser el mismo sistema láser descrito anteriormente, previamente configurado para esta función. b) Efectuar el cálculo de las pendientes proyecto, ya sea en forma simplificada o por alguna variante del principio de mínimos cuadrados.
c) Realizar el movimiento de tierras, guiado por el sistema láser previamente configurado para efectuar esta función. Las ventajas comparativas de la nivelación con equipo láser con respecto a la nivelación tradicional son: a) El levantamiento topográfico con equipo láser se realiza en menor tiempo, con menos personal y con menos posibilidades de cometer equivocaciones. b) La nivelación con equipo láser no requiere de un estacado en cuadrícula, como lo requiere la nivelación tradicional. c) La nivelación con equipo láser no requiere el establecimiento de un sistema tedioso y tardado de control de los datos de construcción en el campo. d) La nivelación con equipo láser permite realizar, tanto el movimiento grueso de tierras como el afine, con una gran eficiencia y precisión, característico de un sistema automático y electrónico, lo cual se traduce en un acabado perfecto. 1.4.5 Levantamiento topográfico Antes de hacer cualquier operación con el emisor, sobre todo si está recién desempacado de fábrica, no ha estado recientemente bajo el cuidado del operador actual o después de un período grande de uso, se recomienda verificar su calibración. El procedimiento para realizar la calibración puede diferir según la marca y modelo del emisor, por lo que es indispensable tener a la mano el instructivo de operación correspondiente. Existen dos métodos que pueden utilizarse para el levantamiento topográfico con equipo de rayo láser: el levantamiento topográfico simple o perimetral, recomendado para terrenos con pocas irregularidades topográficas y, el levantamiento topográfico en cuadrícula rectangular, recomendado cuando el terreno presenta irregularidades topográficas importantes. Independientemente de cual método de levantamiento topográfico se elija, deben realizarse las siguientes operaciones iniciales: 1. Instalar el emisor en su trípode o torre, ya sea en el centro del terreno o en una de sus esquinas, dependiendo de las dimensiones del mismo y del alcance del emisor. 2. Encender el emisor, seleccionando el modo de nivelación automática (AUTO) y esperar a que se nivele con 0.000 % de pendiente en ambos ejes. De esta forma se obtiene un plano horizontal de luz láser, que sirve de referencia continua durante el levantamiento. 3. Llevar el tractor con su pala de arrastre y receptor instalados, hacia una de las esquinas del terreno, de preferencia a la esquina más elevada. En este punto, encender la caja de control y seleccionar la función de levantamiento topográfico (SUR VE Y, INDICATE o SEEK, según la firma comercial de su equipo). Elevar la escrepa a su punto más alto usando el modo manual. Enseguida, localizar la señal láser con el movimiento del mástil (sin que se mueva la cuchilla), utilizando el botón MAST y conservando esa posición. Es importante dejar una referencia en este sitio (como un trompo clavado hasta el ras del suelo), para posibles verificaciones. 4. Con el botón apropiado, colocar la lectura 5.000 en la ventanilla del contador digital de la caja de control. El sistema está ahora preparado para recorrer el terreno y obtener las lecturas que corresponden a la elevación del mismo. Esta operación, dependiendo del modelo de sistema láser disponible, puede realizarse de varias maneras.
El procedimiento convencional consiste en detener el tractor en puntos previamente señalados en el terreno, ubicados con cierta equidistancia (generalmente de 20 o 30 m), y en esa posición mover el mástil (botón MAST) hasta centrar la señal del láser y, enseguida, tomar la lectura correspondiente. Una forma práctica de medir las distancias a medida que se recorre el terreno, es poner una marca de pintura en una de las llantas delanteras del tractor y calcular el número de vueltas que utiliza para recorrer la equidistancia que se desea usar en el levantamiento. Algunos modelos tienen la capacidad de automatizar el proceso de captura a intervalos regulares de tiempo. El registro es en forma electrónica, lo que permite obtener promedios por hilera. Algunos modelos permiten transmitir la información a una microcomputadora para obtener las pendientes proyecto y un plano de cortes y rellenos. 1.4.5.1 Levantamiento Topográfico Simple Pensando en que el propio operador de la maquinaria sea quien tome decisiones en el proyecto de la nivelación (obtención de las "pendientes proyecto"), a menudo los distribuidores de los sistemas láser recomiendan un método simple (aunque aproximado) de levantamiento topográfico a través de los linderos del terreno como se muestra de manera esquemática en la lámina 1.4.19. Debe enfatizarse que en el terreno con topografía muy irregular el procedimiento anterior puede conducir a proyectos más caros, aunque las bondades del control automático durante el movimiento de tierras, conduce a un acabado igual de preciso, en cualquier caso. 1.4.5.2 Levantamiento Topográfico en Cuadrícula Si se pretende apartarse lo menos posible de las pendientes naturales, para minimizar los costos del movimiento de tierras y afectar lo menos posible al terreno, debe realizarse un levantamiento topográfico en cuadrícula, tal y como se hace en la nivelación tradicional, pero por supuesto, sin colocar las estacas ni trompos. El tamaño o longitud de los lados de los cuadros, conocido como módulo de cuadrícula (L), debe fijarse de acuerdo con la topografía del terreno por nivelar. Así, cuando existen pocos accidentes topográficos, se remienda utilizar módulos de 30 m y para topografías muy accidentadas se recomienda usar 20 m. En la práctica, la distancia más común es de 30 metros.
Para lograr un proyecto más adecuado, se debe tratar hasta donde sea posible, garantizar igual re- presentatividad de todos los puntos de la cuadrícula, aunque esto último no siempre puede lograrse, aún en lotes rectangulares, ya que el módulo se elige de acuerdo a la topografía. Se recomienda iniciar colocando la primera hilera o columna paralela a uno de los linderos, empezando por la esquina del terreno cuyos linderos se aproximen más a un ángulo recto, y a una distancia desde el lindero del terreno igual a la mitad del módulo de cuadrícula elegido (lámina 1.4.20).
Note que el origen del sistema de referencia (ejes x, y, z), se considera que está a una distancia L de la primera hilera y de la primera columna de estacas. Con los datos de campo se elabora un plano a una escala de 1:1,000 a 1:2,000 dependiendo de la superficie por nivelar y se interpola para obtener curvas de nivel con equidistancia de 0.20 a 1.00 m en función de las pendientes generales originales del terreno. El plano obtenido permite dividir el área por nivelar, de acuerdo con su topografía, en secciones que pueden nivelarse por separado y así reducir los costos de nivelación tal como se ilustra en la lámina 1.4.21, en la que el terreno esquematizado se ha divido en 8 secciones. En esta etapa es necesario tomar en cuenta que las secciones de nivelación tengan pendientes generales acordes con los distintos métodos de riego que puedan implantarse y tratar de obtener secciones de forma rectangular; asimismo, se debe prever el abastecimiento de agua y el drenaje superficial. 1.4.5.3 Levantamiento Topográfico de puntos aleatorios x, y, z Los instrumentos topográficos de estación total permiten actualmente el levantamiento en tres dimensiones (planta y elevación) de puntos del terreno, de manera rápida, segura y con precisión milimétrica. Pueden por tanto emplearse con ventaja estos instrumentos, para elaborar proyectos ejecutivos de nivelación de tierras.
Lámina 1.4.21 Definición de secciones que deben nivelarse por separado.
Lámina 1.4.22 Predio agrícola levantado con estación total. Para aprovechar las ventajas de programas especializados en proyectos de nivelación de tierras como SINIVET, NE4, cuya información debe suministrarse en cuadrícula, es posible deducir una malla cuadricular utilizando el programa SURFER, en combinación con la extensión CivilCAD de AutoCAD, tal como se explica en un apartado posterior. La lámina 1.4.22 muestra el esquema de levantamiento de un predio agrícola con equipo de estación total. Los números de puntos corresponden a los almacenados en la memoria del equipo, todos ellos conteniendo triadas de valores x, y, z.
Lámina 1.4.23 Lote con cotas topográficas que se usarán en el ejemplo. 1.4.6 Proyecto de nivelación de tierras por el método simple El proyecto se ilustrará empleando el método simple (aproximado) en un terreno de forma rectangular en el que se obtuvieron las cotas sobre el perímetro del terreno a cada 30 m, según se ilustra en la lámina 1.4.23.
El procesamiento de la información es como sigue: Paso 1. Cálculo de las cotas promedio en cada uno de los linderos. Lindero Norte: Suma de cotas: 5.70 + 5.63 + 5.60 + 5.53 + 5.49 = 27.95 Cota promedio: 27.95/5 = 5.59 Lindero Sur: Suma de cotas: 5.62 + 5.53 + 5.50 + 5.46 + 5.44 = 27.55
Lls= longitud del terreno en el sentido Sur-Norte
Sustituyendo valores: ZSN= (5.59 - 5.51 )/90 = 0.08 m / 90 m = 0.000889 = 0.089 % Pendiente promedio Oeste-Este (S0E): De manera análoga, se obtiene: S0E= (5.48 - 5.69)/120 = -0.21 m /120 m = - 0.00175 = - 0.175 % Nótese que la pendiente resultó positiva (ascendente) en la dirección Sur-Norte y negativa (descendente) en la dirección Oeste-Este. Se considera que estas pendientes son apropiadas para riego por gravedad, por lo que se concluye el cálculo de las pendientes proyecto. 1.4.7 Ejecución y control de la nivelación Para realizar esta etapa de los trabajos de manera eficiente, se debe ajustar la elevación de la cuchilla de la escrepa, para que coincida con la elevación del plano proyecto. Esta operación puede hacerse sobre un punto del terreno en el que se conozca el espesor de corte o relleno, de preferencia en un punto de equilibrio (punto de corte o relleno nulo).
Lámina 1.4.24 Lote con "cotas topográficas" que se usarán en el ejemplo.
Muchas veces, sin embargo, es conveniente recorrer el terreno eligiendo la opción de levantamiento topográfico para realizar una inspección que, si se desea, puede culminar en la obtención de un plano de cortes y rellenos, e incluso, calcular el volumen de movimiento de tierra. Para esto, se procede de la siguiente manera: Paso 1. Establecer las pendientes resultantes del proyecto, utilizando los controles del emisor instalado, cuidando que coincida el sentido de las flechas marcadas en el emisor con el sentido real de las pendientes en el campo. Paso 2. Colocar de nuevo el tractor en la esquina del terreno seleccionada para iniciar los trabajos (localizando el trompo que se dejó como referencia), levantar la cuchilla hasta su punto más alto y localizar la señal láser moviendo el mástil del receptor (botón MAST). A continuación, volver a establecer la lectura 5.000 en el contador digital. Paso 3. Proceder a tomar lecturas de todo el terreno, siguiendo un patrón de cuadrícula como se ha esquematizado en la lámina 1.4.24. La toma de lecturas se hace en cada punto múltiplo del módulo de cuadrícula L, con el tractor parado y localizando la señal láser con el botón MAST y en el modo de operar SURVEY (levantamiento topográfico). Nótese que ahora el recorrido ya no se hace por los linderos, sino en un patrón de cuadrícula rectangular con puntos de la misma representatividad del terreno. Las "cotas topográficas" resultantes registradas para el ejemplo en la lámina 1.4.23, tienen ahora como referencia un plano inclinado con las pendientes proyecto, por lo que es posible obtener de manera muy sencilla los cortes y rellenos. Paso 4. Calcular la "cota promedio" de todo el terreno y restar este valor de cada una de la "cotas topográficas" registradas anteriormente. Los valores positivos resultantes son los espesores de corte y los negativos son los espesores de relleno. Continuando con el ejemplo, se tiene: "Cota promedio del terreno" = 67.12/12 = 5.60
El plano de cortes y rellenos resultante se muestra en la lámina 1.4.25. Finalmente, el volumen estimado de acarreo (cortes), aplicando el método de adición, resulta: Volumen de corte = L2 (Suma de cortes) = 900 m2 (0.34 m) = 306 m3 equivalente a 306 m3 /1.08 ha = 283.3 m3/ha. Suma de rellenos = -0.38 Suma de cortes =+0.34 La ejecución y control de la nivelación es sencilla y precisa. Después de haber obtenido el plano de cortes y rellenos, el emisor quedó en posición para realizar esta etapa del trabajo. Bastará ahora establecer la lectura correspondiente a la cota promedio del terreno en el contador de la caja de control, utilizando el botón MAST. Con esta lectura fija se recorre el terreno hasta que se active la señal de la caja de control correspondiente a la posición ON GRADE (señal láser localizada), y ahí se detiene el tractor; en este punto se procede a bajar la cuchilla con el botón manual; enseguida, se localiza de nuevo la señal láser moviendo el mástil. Una vez hecho esto se establece nuevamente la elevación promedio en la pantalla de la caja de control. Antes de continuar con el movimiento de tierras se recomienda dejar un nivel de referencia (banco de nivel) fuera del área de trabajo, para verificaciones posteriores. Este punto de referencia servirá como apoyo para ajustar la posición de la cuchilla, cada vez que se tengan dudas o al inicio de cada jornada de trabajo. El movimiento de tierras se realiza con el modo de control automático. Durante este proceso, el mástil permanece fijo, de manera que la distancia entre el plano de luz y la cuchilla de corte del implemento permanezca constante, debido a que el sistema sube o baja la cuchilla automáticamente. Conforme la escrepa se desliza sobre el terreno, las señales del receptor ocasionan que la cuchilla de corte se mantenga en la posición del plano proyecto, enviando las señales a la caja de control, y ésta, a su vez, hacia los controles hidráulicos de la escrepa. El operador sólo tiene que guiar al equipo para mover la tierra de las áreas de corte a las de relleno. La sorprendente precisión en el acabado de la nivelación surge del hecho de que, cada vez que el rayo láser pasa por el receptor, se comprueba y corrige la posición de la cuchilla del implemento.
Lámina 1.4.26 Identificación y digitalización de las parcelas con el apoyo de los usuarios. 1.4.8. Proyectos ejecutivos de nivelación de tierras
Con alguna frecuencia todavía en México, se invita o convoca a empresas consultoras o proyectistas, a elaborar proyectos ejecutivos de nivelación de tierras, para que en otro momento, los ejecuten empresas especializadas en movimiento de tierras. Las empresas proyectistas, deben entregar, además de las pendientes proyecto y volúmenes a mover, planos topográficos que muestren las condiciones previas y después de la nivelación, así como un plano con los datos de construcción (cortes y rellenos). Tales proyectos pueden desarrollarse ventajosamente, utilizando equipo topográfico de estación total y una serie de programas informáticos especializados como el programa SURFER, la extensión CivilCAD para AutoCAD, el programa SINIVET y el AutoCAD. En estas condiciones, tanto el trabajo de campo como el de gabinete se agilizan de manera importante, permitiendo integrar a los proyectos planos de calidad profesional. Más aún este esquema de trabajo puede emplearse ventajosamente en el proyecto de áreas compactas de predios con tenencia de la tierra muy fraccionada, como los que prevalecen en muchos distritos de riego del centro y sur del México, ya que debe generarse un proyecto para cada parcela. El esquema metodológico ha sido aplicado con éxito en el Distrito de Riego 033 Estado de México, donde el promedio de tenencia de la tierra es del orden de 0.3 ha por usuario. La serie de pasos que se utilizaron en esa experiencia y que se recomienda en situaciones similares, se esboza a continuación
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Lámina 1.4.27 Levantamiento topográfico con estación total. 1.4.8.1 Levantamiento planimétrico
El levantamiento planimétrico de las parcelas se efectuó mediante el uso de ortofotos elaboradas por el INEGI y con la participación de los usuarios para identificar plenamente cada una de las parcelas, toda vez que en muchos casos no existen linderos físicos establecidos en el campo (lámina 1.4.26). 1.4.8.2 Levantamiento topográfico altimétrico Esta etapa de los trabajos se llevó a cabo con equipo de estación total con aproximación angular de 5" y aproximación lineal de 3mm + 3 ppm, dejando establecido en el campo al menos un banco de nivel (lámina 1.4.27). El trabajo consistió en determinar suficientes triadas de valores X, Y, Z, en cada una de las parcelas o grupos de parcelas, para permitir generar, en otra etapa del trabajo, una malla deducida de cotas topográficas con equidistancia horizontal de 10 m. 1.4.8.3 Preparación de la información para el cálculo del proyecto La elaboración de la malla requerida para el proyecto de la nivelación, se obtuvo con el software SURFER 7.0 de Golden Software, Inc., el software CivilCAD 2000.7/6.7 de ArqCOM y Auto CAD 2000 de Autodesk (lámina 1.4.28). 1.4.8.4 Proyecto de la nivelación El proyecto de la nivelación que incluye calcular las pendientes proyecto, las cotas proyecto, los espesores de corte y relleno y los volúmenes a mover, se llevó a cabo con el software SINIVET 2.0, de la Universidad Autónoma Chapingo. Este programa de cómputo utiliza el método de mínimos cuadrados para la obtención de la ecuación del plano proyecto, con lo que se obtiene el diseño de costo mínimo (lámina 1.4.29). 1.4.8.5 Elaboración de planos Para cada una de las parcelas o grupos hasta de dos parcelas, se obtuvieron los planos de configuración actual del terreno (curvas de nivel antes de la nivelación), la configuración del terreno correspondiente al plano proyecto (curvas de nivel después de la nivelación) y el plano de corte y rellenos en cada nodo de la cuadrícula deducida. Todos ellos generados por el programa de cómputo SINIVET Ver. 2.0, interactuando con el Programa de cómputo Surfer Ver. 4.15, y mejorados e impresos en el ambiente de trabajo de AutoCAD Ver. 2000 (láminas 1.4.30, 1.4.31 y 1.4.32).
1.4.9. Introducción a los sistemas de nivelación agrícola de control GPS Estos sistemas que se empiezan a utilizar en México, han reemplazado el control analógico convencional a base de rayo láser, que controla realmente una sola dimensión del plano proyecto (la elevación, z), por un control tridimensional (3D), basado en la tecnología GPS, que posiciona con precisión la cuchilla de la escrepa, en tiempo real, en cualquier lugar del campo. Un sistema típico de nivelación de tierras agrícolas de control GPS, consiste de una Caja de Control, un receptor GPS y una antena GPS (láminas 1.4.33 y 1.4.34). Los diversos componentes se unen entre sí mediante cables. Los cables hacen posible la comunicación entre la Antena GPS, la Caja del Receptor, la Caja de Control y las Válvulas Hidráulicas. El receptor GPS envía información de posición y elevación a la Caja de Control. La Caja de Control compara la posición real frente a las posiciones deseadas. En caso que sea necesaria una corrección, la Caja de Control envía una señal a la válvula hidráulica, la cual eleva o baja el equipo hasta que alcance el nivel requerido.
Lámina 1.4.30 Plano topográfico del terreno (antes de la nivelación).
Lámina 1.4.31 Plano topográfico del terreno (plano proyecto).
Lámina 1.4.32 Plano de cortes y rellenos. La precisión milimétrica requerida para el control vertical, se obtiene al incorporar al sistema anterior, una Estación Base (Transmisor/Receptor Base); esta combinación brinda tanto a la Caja de Control como al Operador mediciones Cinemáticas en Tiempo Real (RTK). La Caja de Control procesa las mediciones en tiempo real para calcular la elevación así como la información para el despliegue gráfico. La Estación Base (láminas 1.4.35 y 1.4.36) envía correcciones de posición al receptor GPS que se encuentra en la máquina. Al ser un sistema remoto, un número ilimitado de máquinas puede utilizar el Transmisor Base. La Caja de Control, instalada en el tablero del tractor, a un lado del operador, se conecta al receptor GPS y a la antena, controlando la elevación del equipo. La Caja de Control recibe las señales del receptor GPS y determina si la cuchilla se encuentra encima, debajo o al nivel deseado. En caso que sea necesario corregir el nivel, la Caja de Control envía una señal a la válvula de control para elevar o bajar el equipo hasta que se encuentre en la posición requerida.
El operador siempre tiene el control total del sistema, siendo posible un control automático o manual. Los cambios en elevación también pueden realizados desde la Caja de Control, al igual que muchas otras funciones operativas y de desempeño, entre las que se incluyen: • Levantamiento topográfico del terreno • Obtención del(os) planos(s) que mejor se ajusten a las pendientes deseadas. • Generación de un plano de corte/relleno en la pantalla • Control del equipo • Importación de diseños de campo creados en aplicaciones informáticas especializadas Como interfaz principal del operador con el sistema, la caja de control:
• Muestra la posición y orientación de la máquina, así como la distancia entre el borde cortante y el nivel de acabado.
• Convierte los datos ingresados por el usuario en comandos de sistema. • Se comunica con sensores del sistema; procesa información. • Envía señales de corrección al sistema hidráulico de la máquina. • Se comporta como una "computadora personal" y soporta datos digitales. Los sistemas de nivelación de tierras de tecnología GPS, presentan una serie de ventajas son respecto a la tecnología láser entre las que destacan:
En control tridimensional en tiempo real, los hace muy útiles en los proyectos de superficies que han de nivelarse con distintos planos proyecto, toda vez que la conformación de estos planos proyecto no demandan reubicación física de alguna línea de referencia, como en el caso de la nivelación con rayo láser. La intervisibilidad entre los componentes no es una limitante para la operación adecuada del sistema. El uso de la tecnología RTK GPS le permite un mayor rango de operación que un rayo láser y sin límites en el rango de control vertical. Se han desarrollado aplicaciones informáticas que intercambian datos y resultados de proyectos, permitiendo diseños óptimos y con alto grado de productividad y efectividad. Como desventajas de esta tecnología puede mencionarse: Los sistemas que hoy se ofrecen en el mercado cuestan del orden del doble que los sistemas de control láser. La precisión en el control con tecnología GPS, si bien milimétrica, todavía no iguala a la precisión del control con rayo láser. Si un productor o empresa niveladora, desea emigrar del sistema de control láser al control GPS, no puede utilizar ningún componente del sistema láser. Las ventajas y desventajas comparativas de ambas tecnologías, hoy en día, no favorecen la emigración masiva de los usuarios de rayo láser hacia los sistemas de control GPS. Sin embargo, no hay duda que la tecnología GPS es la tecnología del futuro, o al menos será una tecnología alterna tanto desde el punto vista técnico como económico.
1.5 DISEÑO DEL RIEGO POR GRAVEDAD Luis Rendón Pimentel Carlos Fuentes Ruiz Gustavo Magaña Sosa El riego por gravedad es la forma que más se utiliza para aplicar el agua en los distritos y unidades de riego en México, sobresaliendo los métodos de riego por melgas y surcos. Una melga es una franja de terreno, generalmente de forma rectangular, delimitada por dos bordos longitudinales paralelos y dos bordos transversales. La melga tiene una pendiente longitudinal que coincide con la dirección del riego, y una transversal que es nula o muy pequeña (generalmente menor de 0.1%). El surco puede considerarse como un caso particular de la melga en donde el ancho es muy pequeño. El surco tiene una pendiente longitudinal, que, como en el caso de la melga, coincide con la dirección del riego, y, a diferencia de la melga, puede ser trazado sobre terrenos con pendientes transversales fuertes. Las melgas y los surcos están limitados aguas arriba por la regadera o tubería de abastecimiento y aguas abajo por una zanja de desagüe. El agua de riego se introduce aguas arriba y por un gradiente de energía se mueve hacia aguas abajo y se infiltra en el suelo. El objetivo del riego por gravedad es aplicar la lámina de riego, calculada previamente, de manera uniforme a lo largo de la melga o del surco. En el caso de la melga, esto puede realizarse siempre y cuando las pendientes sean uniformes y además la transversal sea nula o muy pequeña, lo cual se logra nivelando o emparejando el terreno. En el caso del surco, la pendiente transversal del terreno no es importante, pues su ancho es muy pequeño y cada surco es independiente de los otros, por lo que únicamente se requiere que la pendiente longitudinal sea uniforme. 1.5.1 El diseño El diseño del riego por gravedad consiste en a selección de la longitud, el ancho de la melga o el es- paciamiento del surco y la pendiente longitudinal, así como la dirección y el gasto de riego, que permitan distribuir uniformemente la lámina de riego previamente calculada. Los terrenos aptos para regarse por melgas presentan dos pendientes, una de las cuales es muy pequeña o nula. La dirección del riego se selecciona haciéndola coincidir con la dirección de la máxima pendiente.
Los surcos se pueden utilizar para regar terrenos que presentan una pendiente pequeña y la otra muy grande. Cuando este es el caso, la dirección del riego se selecciona en la dirección de la pendiente pequeña para no tener problemas de erosión del suelo. Para la pendiente longitudinal de la melga o del surco se elige la pendiente natural del terreno, pues modificarla implica aumentar el volumen de tierra por moverse y, por lo tanto, los costos de nivelación, además de que se aumenta la profundidad de los cortes, lo cual no es recomendable desde el punto de vista agronómico, ya que se elimina la capa fértil del suelo. El rango de pendientes recomendadas en la práctica, de 0.05% a 0.5%, no influye significativamente en el diseño. La longitud es un submúltiplo del lado de la parcela que coincide con la dirección del riego. En la práctica los productores prefieren melgas y surcos largos, por lo que generalmente la longitud es igual a la longitud del lado de la parcela que coincide con la dirección del riego. Sin embargo, para obtener altas eficiencias no se recomiendan longitudes mayores de 400 metros. Con base en lo anterior se puede concluir que la dirección, la pendiente y la longitud son parámetros de diseño, puesto que no se pueden seleccionar libremente. En el caso del riego por melgas las variables de diseño son el ancho y el gasto de riego. En cambio, en surcos, la única variable de diseño es el gasto de riego, dado que el espaciamiento depende del cultivo. donde Qg [L3T-1] es el gasto de riego de la melga o del surco y p [L] es el perímetro mojado de la melga o del surco. Para el caso de la melga se puede considerar el perímetro mojado igual al ancho de la melga, B [L], pero en surcos depende de la sección transversal y del espaciamiento, E [L],
En resumen, se puede asentar que el diseño del riego por gravedad consiste en la selección del gasto de riego unitario, Qu, que permita distribuir uniformemente la lámina de riego a lo largo de la melga o del surco. En melgas, una vez obtenido el gasto de riego unitario, el ancho se puede obtener fácilmente como:
donde Qa [L3T_1] es el gasto de riego que maneja el usuario en su parcela, el cual puede variar entre 20 y 120 l/s. Es evidente que en este caso Qa = Qg. En surcos, el gasto de riego, Qg, se obtiene directamente de la expresión (1-86):
Con respecto al ancho de la melga (B), en cereales de grano pequeño como trigo, arroz, cebada y avena, no existe ninguna restricción si el terreno está bien nivelado y la pendiente transversal es nula o muy pequeña. En este caso la única limitante es el gasto de riego disponible. Sin embargo, no se recomiendan en la práctica anchos mayores de 50 metros. Si el terreno no está bien nivelado la pendiente transversal no es muy pequeña, se recomienda que el ancho sea menor de 20 metros. En algunos cultivos de corte, como la alfalfa, se recomienda que el ancho sea un múltiplo del ancho de la cosechadora. 1.5.2 Metodologías de diseño Para el diseño del riego por gravedad se pueden utilizar dos métodos: a) pruebas de riego y b) modelos matemáticos físicamente fundamentados. 1.5.2.1 Pruebas de riego Las pruebas de riego consisten en hacer experimentos de campo en donde las variables experimentales son el gasto de riego unitario, la longitud de la melga o del surco y el tipo de suelo. Con base en los resultados de los experimentos, para cada tipo de suelo se obtiene una tabla o una relación empírica en donde se representan las combinaciones gasto de riego unitario-longitud que permitan aplicar uniformemente una cierta lámina de riego.
Las pruebas de riego tienen la desventaja de que son tardadas, costosas y se requieren muchas. Ésta es la razón por la que los autores de esta sección las recomiendan sólo para calibrar los métodos de diseño. 1.5.2.2 Modelos matemáticos En el riego por gravedad pueden considerarse cuatro fases: a) avance b) almacenamiento c) consumo d) recesión La fase de avance inicia con la introducción del agua en el surco o en la melga y termina cuando alcanza el extremo de los mismos. La fase de almacenamiento comienza a partir de que el agua llega al extremo del surco o de la melga y culmina cuando se "corta" la aplicación del riego. La fase de consumo se define como el tiempo que transcurre entre el "corte" de la aplicación del riego y la desaparición del tirante de agua en el inicio del surco o de la melga. La fase de recesión comienza a partir de que el tirante de agua desaparece en el inicio del surco o de la melga y termina cuando el tirante desaparece en el otro extremo de los mismos. Con mucha frecuencia los agricultores "cortan" el riego antes de que el agua alcance el extremo del surco o de la melga. Cuando este es el caso se presentan las fases de avance y recesión simultáneamente. En el riego por gravedad se presentan dos escu- rrimientos: a) superficial, que puede considerase horizontal y b) subterráneo, considerado generalmente vertical. El escurrimiento superficial es no permanente y si se asume gradualmente variado, puede ser representado por las ecuaciones de Barré de Saint -Ve- nant (1871). El escurrimiento subterráneo se puede representar por la ecuación de Richards (1931). Un tratamiento matemático riguroso del riego por gravedad consiste en la solución simultánea de las ecuaciones de Barré de Saint-Venant y de Richards mediante un procedimiento iterativo. Sin embargo, este procedimiento requiere de un programa de cómputo que no es sencillo de elaborar, además de que necesita una gran capacidad de memoria y tiempo de computadora por los numerosos cálculos involucrados. Algunos autores han propuesto simplificaciones a las ecuaciones de Barré de Saint-Venant y de Richards. Una de estas simplificaciones consiste en presentar de manera integral la ecuación de conservación de la masa, que, de acuerdo con la lámina 1.5.2 para la fase de avance, se escribe como:
donde S [L] es la posición del frente de avance en el tiempo T, x [L] es la distancia a lo largo de la melga o del surco medida a partir de la cabecera aguas arriba, Ah[L2] es el área hidráulica de la sección transversal del escurrimiento superficial y Ai [L2] es el área de la sección transversal del escurrimiento subterráneo. La ecuación 1-90 expresa que el volumen de agua introducido en la melga o al surco es la suma del volumen superficial y el volumen infiltrado. Si se considera que el área hidráulica del escurrimiento superficial es constante en el espacio y en el tiempo, y que el suelo es homogéneo, entonces la ecuación 1-90 se escribe:
Lámina 1.5.2 Representación esquemática de la fase de avance del riego por gravedad. donde Ah representa un valor medio del área hidráulica, To el tiempo de infiltración definido como To=T-Tx, siendo Tx el tiempo que tarda el frente de avance en llegar al punto situado a la distancia x. Si se divide la ecuación 1-91 entre el perímetro mojado, se obtiene:
donde hn es el tirante normal para régimen permanente. El tirante normal se estima con la ecuación de Manning, que para el caso de una melga de ancho unitario (perímetro mojado unitario), se define como:
Estos mismos autores validaron el modelo utilizando datos experimentales de pruebas de riego, llegando a la conclusión de que, pese a las simplificaciones, el modelo representa satisfactoriamente el riego por melgas y es una herramienta útil para ayudar a diseñar el riego por melgas. En cuanto a la función de infiltración (escurrimiento subterráneo), Rendón et al. (1991) utilizan la ecuación propuesta por Green y Ampt (1911) presentada en el inciso 1.1. El modelo se puede generalizar para el riego por surcos aceptando que la función de infiltración de Green y Ampt (1911) es válida para este caso. Estrictamente hablando, ésta es válida únicamente para el fondo del surco. Sin embargo, López
Lámina 1.5.3 Geometría cosenoidal del surco. (1995), a través de un análisis matemático de la infiltración bidimensional en surcos, llega a la conclusión de que la lámina infiltrada en la melga es similar a la del surco, cuando el tirante es aproximadamente igual a la profundidad. Este autor supone que la sección del surco se representa por la función:
De acuerdo con la lámina 1.5.3, Y [L] es la distancia en la dirección vertical, Z [L], la distancia en la dirección horizontal, P [L], la profundidad y E [L], el espaciamiento entre surcos. Como puede observarse en la lámina 1.5.3, la geometría cosenoidal representa adecuadamente la sección transversal de los surcos que se construyen en la práctica. En la tabla 1.5.1 se presentan valores del perímetro mojado para diferentes espaciamientos, profundidades y tirantes en el surco. En esta tabla se puede observar que para valores pequeños del tirante, el perímetro mojado es menor que el espaciamiento; pero, conforme el valor del tirante aumenta, el perímetro mojado aumenta hasta llegar a ser igual que el espaciamiento. Nótese que cuando el tirante es igual a la profundidad, el perímetro mojado es mayor que el espaciamiento. Los valores del perímetro mojado fueron calculados con:
Tabla 1.5.1 Valores del perímetro mojado, p (m), para diferentes espaciamientos, E, profundidades, P, y tirantes, Y, en el surco.
Profundidad
Tirante
Espaciamiento (m)
(m)
(m)
0.06
0.75
0.90
1.05
1.20
0.15
0.05
0.26
0.31
0.37
0.43
0.48
0.10
0.42
0.50
0.59
0.67
0.76
0.15
0.68
0.82
0.96
1.10
1.25
0.05
0.23
0.27
0.32
0.37
0.42
0.10
0.37
0.43
0.50
0.57
0.64
0.15
0.51
0.59
0.68
0.77
0.86
0.20
0.74
0.87
1.00
1.14
1.28
0.05
0.21
0.25
0.29
0.33
0.37
0.10
0.34
0.39
0.45
0.51
0.57
0.15
0.47
0.53
0.60
0.68
0.75
0.20
0.60
0.68
0.76
0.85
0.95
0.25
0.81
0.93
1.05
1.18
1.32
0.05
0.20
0.23
0.27
0.30
0.34
0.10
0.32
0.37
0.42
0.47
0.52
0.15
0.44
0.50
0.56
0.62
0.68
0.20
0.56
0.62
0.69
0.77
0.85
0.25
0.68
0.76
0.84
0.93
1.03
0.30
0.88
0.99
1.11
1.24
1.37
0.20
0.25
0.30
Estrictamente hablando, la lámina infiltrada a lo largo del perímetro mojado es diferente, pero en la práctica se puede considerar igual a la que ocurre en el fondo, por lo que para fines de diseño del riego por surcos se puede considerar el perímetro mojado, igual a espaciamiento. Esto es compatible con los criterios agronómicos, que suponen que las raíces de los cultivos que se siembran en surcos cubren toda la superficie del terreno. Estos supuestos permiten generalizar el programa RIMEL para el riego por surcos. Con un nombre diferente, RIGRAV, se propone para el diseño del riego por gravedad (surcos y melgas). 1.5.3 El diseño con el programa RIGRAV Para poder utilizar el programa Rigrav se requiere conocer el coeficiente de rugosidad y la pendiente longitudinal, así como la función de infiltración. El coeficiente de rugosidad de Manning varía entre 0.02 y 0.04 s/m 1/3 para un suelo sin cultivo (Chow, 1973). Sin embargo, el modelo es poco sensible a los errores de su selección (Rendón, 1987). Para llevar a cabo el diseño puede suponerse un valor conservador de 0.03 s/m 1/3. En cuanto a la pendiente longitudinal, los autores han observado en pruebas de riego y en el riego de parcelas comerciales, que las pendientes entre 0.05% y 0.5%, no tienen mucha influencia en el diseño del riego por gravedad. Los parámetros de la función de infiltración de Green y Ampt (1911) pueden estimarse a partir de la información de textura del suelo, siguiendo la metodología presentada en el inciso 1.1, "Caracterización mínima del suelo con fines de riego" de este manual. En la tabla 1.5.2 se presentan parámetros medios de la ecuación de infiltración para utilizarse en el diseño del riego por gravedad. El valor del contenido de humedad volumétrico inicial 0o se obtuvo a partir del contenido volumétrico a capacidad de campo (0cc) y a punto de mar- chitez permanente (6pmp), mediante la siguiente expresión:
9 o = Bpmp + 0.3 (Bcc - 6pmp) ............ 0 "98)
Tabla 1.5.2 Parámetros medios de la ecuación de infiltración de Green y ampt (1911) utilizados para hacer el diseño del riego por gravedad, en función del tipo del suelo.
Textura del suelo
Parámetros
e„
9s
hr
Ks
(cm3/cm3)
(cm3/cm3)
(cm)
(cm/h)
Arena
0.07
0.41
2
15
Arena franca
0.09
0.42
4
10
Franco arenoso
0.16
0.46
12
2.9
Franco
0.20
0.46
25
1.5
Franco limoso
0.17
0.55
30
1.0
Limo
0.14
0.50
35
0.8
Franco arcillo arenoso
0.18
0.42
12
2.0
Franco arcilloso
0.25
0.48
38
0.4
Franco Arcilla limoso
0.26
0.49
60
0.15
Arcilla arenosa
0.25
0.42
25
0.5
Arcilla limosa
0.32
0.48
100
0.05
arcilla
0.36
0.49
100
0.05
El programa RIGRAV se puede utilizar directamente para obtener el gasto de riego unitario que garantiza una eficiencia del requerimiento de riego de 1, y una eficiencia de aplicación de 0.9. A esta manera se le llama diseño directo. RIGRAV también se puede utilizar para generar tablas de gasto de riego óptimo y utilizarlas para hacer diseños simplificados. 1.5.3.1 El diseño directo Para ejemplificar el procedimiento, se escogió la parcela número 1 del lote de 70 ha del distrito de riego 076, Valle del Carrizo, Sin., en el cual se hizo el diseño de la red interparcelaria con tubería de baja presión. El croquis de esta red se muestra en la lámina 1.3.1. Las dimensiones de la parcela son 290 m x 290 m, las pendientes naturales son 0.4% en la dirección hacia la parcela 2 y 0.3% en la dirección perpendicular, el gasto de riego que maneja el usuario (Qa) es de 80 l/s y la textura del suelo es franco arcillosa. Se considera el coeficiente de rugosidad de 0.03 s/m 1/3. • Dirección del riego. En esta parcela sus dos pendientes naturales son adecuadas para el riego por gravedad. Sin embargo, la dirección del riego se selecciona haciéndola coincidir con la pendiente mayor, para que en caso de que se decida regar por melgas, la transversal sea mínima. • Pendiente longitudinal (So). Se selecciona la pendiente natural en la dirección del riego e igual a 0.4 porciento. • Longitud del riego (D). La longitud se selecciona igual que la longitud del lado de la parcela que coincide con la dirección del riego, que para este ejemplo es de 290 metros. • Lámina de riego neta (Ln). La lámina de riego neta se obtiene con la expresión 1-6:
Para el cálculo de Ln se supuso una profundidad de raíces (Pr) de 50 cm; el contenido de humedad inicial (8o ) igual a 0.25 cm3/cm3 se obtuvo de la tabla 1.5.2, y el contenido de humedad a capacidad de campo (0cc) se obtuvo de la lámina 1.1.1b e igual a 0.39 cm3 / cm3. Sustituyendo estos valores en la expresión se obtiene:
• Lámina de riego bruta (Lb). Para garantizar una eficiencia del requerimiento de riego de 1 y una eficiencia de aplicación de 0.9 es necesario aplicar una lámina de riego bruta de:
• Volumen de riego unitario (Vru). Este valor se obtiene con la expresión:
• Procedimiento iterativo para seleccionar el tiempo y el gasto de riego unitario. El procedimiento consiste en proponer un gasto de riego unitario (Qu) y calcular el tiempo de riego con la expresión:
• Riego por surcos. Si el agricultor riega por surcos con un espaciamiento de 0.9 m y se considera que el perímetro mojado es igual al espaciamiento; el gasto de riego (Qg) se obtiene multiplicando el gasto unitario (Qu) por el perímetro mojado, obteniéndose Qg = 1 .08 l/s. Dividiendo el gasto de riego disponible entre el gasto de riego por surco se obtiene el número de surcos por regar simultáneamente, en este caso 74 surcos. Para regar los 322 surcos en cinco "puestas" de riego se propone y acepta regar simultáneamente 64 surcos con un gasto de riego por surco de 1.25 l/s durante 274.92 min (Tr). En la misma lámina 1.5.4 se muestra un esquema del diseño del riego por surcos. Se ejecuta RIGRAV con estos valores y se continúa con el procedimiento hasta encontrar el Qu que proporciona una eficiencia del requerimiento de riego (Er) de 1, una eficiencia de aplicación (Ea) de 0.9 y un coeficiente de uniformidad (CUC) igual o mayor que 0.8. Para este caso se obtuvo Qu=1.2 l/s/m, Tr=313.27 min, Er=1, Ea=0.9 y CUC=0.97. • Gasto máximo no erosivo. Una vez obtenido el gasto de riego unitario se calcula el gasto máximo no erosivo con la expresión propuesta por el USDA (1956):
Donde Qmax está dado en l/s ySo en %. Si Qu> Qmax la longitud de riego se disminuye a la mitad, por lo que es necesario tener dos "tiradas" de riego. Para este ejemplo, Qmax=1.88 l/s > Qu = 1 .2 l/s, por lo que se acepta la longitud de riego de 290 metros. • Riego por melgas. Si el agricultor decide regar por melgas, el ancho (B) se obtiene dividiendo el gasto disponible (Qa = 80 l/s) entre el gasto unitario (Qu = 1 .2 l/s/m), obteniéndose B = 66.67 m. En la práctica se recomienda
construir melgas del mismo ancho y menor que 50 m, razón por la cual se propone un ancho de 29 m. En resumen, para regar eficientemente se deben construir diez melgas de 29 m de ancho por 290 m de largo, aplicando un gasto de riego (Qg) de 40 l/s a cada melga durante 273.3 min (Tr), por lo que se regarán dos melgas simultáneamente con el gasto disponible (Qa) de 80 l/s. En la lámina 1.5.4 se muestra un esquema del diseño del riego por melgas. 1.5.3.2 El diseño simplificado En la actualidad muchos técnicos de campo no tienen disponible una computadora para ejecutar el programa RIGRAV y hacer, el "diseño directo" del riego por gravedad, tal y como se describió anteriormente. Esta es la razón por la cual se fundamenta y se presenta un método de "diseño simplificado" del riego por gravedad. En la lámina 1.5.5 se grafica el coeficiente de uniformidad (CUC), la eficiencia del requerimiento de riego (Er) y la eficiencia de aplicación (Ea), en función del gasto de riego unitario (Qu) para aplicar una lámina de riego neta (Ln) de 7 cm en tres longitudes de riego (D): 100, 200 y 300 metros. Para generar estas gráficas se ejecutó el programa RIGRAV considerando los valores de los parámetros de infiltración y las características del riego utilizados en el diseño directo. En esta lámina se puede apreciar que para las tres longitudes, el gasto que maximiza los valores de las tres eficiencias (CUC, Er y Ea) es único. Nótese que para las tres longitudes el CUC es el más sensible a las variaciones de Qu. Las gráficas de Ea y Er son muy aplanadas, por lo que el gasto de riego óptimo se puede aumentar en promedio 47% y las eficiencias de aplicación y del requerimiento de riego sólo disminuyen de 0.9 a 0.82 y de 1 .0 a 0.91, respectivamente. Estos resultados son sumamente importantes en la práctica del riego por gravedad, pues implican que los errores en la estimación del gasto de riego no afectan considerablemente las eficiencias de aplicación y del requerimiento de riego. Es importante resaltar que cuando la longitud de riego (D) de 100 m se duplicó, el gasto de riego unitario óptimo de 0.41 l/s/m se duplicó también, mientras que cuando ésta se triplicó, el gasto de riego unitario óptimo se triplicó, manteniéndose para las tres longitudes el mismo tiempo de riego de 316.17 minutos y las mismas eficiencias de aplicación (0.9) y del requerimiento de riego (1.0).
De acuerdo con estos resultados, se concluye que para un suelo y una cierta lámina de riego neta dados, el tiempo de riego para aplicarla con las máximas eficiencias de uniformidad (CUC), de aplicación (Ea) y del requerimiento de riego (Er) es constante y por lo tanto independiente de la longitud del riego. Esto quiere decir que para cada suelo y una lámina de riego neta dada existe un gasto óptimo Qo [L3T1] para regar un perímetro mojado unitario de una longitud de riego unitaria con las máximas eficiencias (CUC, Ea y Er), definido por:
Con la finalidad de simplificar el diseño del riego por gravedad, RIGRAV fue utilizado para la determinación del gasto óptimo para cada grupo textu- ral de suelo y algunas láminas de riego netas. Los resultados pueden sintetizarse en un cuadro en donde se presenten la textura del suelo, la lámina de riego neta, el gasto óptimo (Qo), el tiempo de avance (tiempo que tarda en llegar el agua al extremo del surco o la melga, Ta), el tiempo de riego (Tr) para obtener una eficiencia de aplicación de 0.9, una eficiencia del requerimiento de riego de 1.0 y el coeficiente de uniformidad esperado.
Lámina 1.5.5 Variación del coeficiente uniformidad (CUC), la eficiencia del requerimiento de riego (Er) y la eficiencia de aplicación (Ea) en función del gasto de riego unitario (Qu) para tres lingitudes de riego (D) y una lámina de riego neta de 7 centímetros. Para obtener el cuadro de diseño se ejecutó RIGRAV para cada textura de suelo con los valores medios de los parámetros de infiltración que aparecen en la tabla 1.5.2, considerando una longitud de 100 m, pendiente longitudinal de 0.1%, rugosidad de 0.03 slm1"3 y láminas de riego netas de 6,8,10 y 12 centímetros. Para cada lámina de riego neta se obtuvo el gasto de riego por área unitaria (perímetro unitario por longitud unitaria) que oermite obtener una eficiencia de aplicación de 0.9, -na eficiencia del requerimiento de riego de 1 .0 y e¡ máximo coeficiente de uniformidad. En la tabla ' 5.4 se presenta el cuadro del diseño del riego por gravedad. E diseño simplificado consiste en determinar la :extura del suelo y la lámina de riego neta por ac icar. Con estos dos parámetros se utiliza el :-adro de diseño para obtener el gasto Qo. El gasto de riego unitario, Qu, se obtiene multiplicando Qo por la longitud de riego. Para ejemplificar este procedimiento, se escogió a oarcela número 3 del lote de 70 ha del distrito de riego 076, Valle del Carrizo, Sin. El croquis de este lote se muestra en la lámina 1.3.1. Las dimensiones de la parcela son 220 m x 302 m, las pendientes naturales son 0.32% en la dirección hacia las parcelas 5 y 6 y 0.23% en la dirección perpendicular, el gasto de riego que maneja el usuario (Qa) es de 80 l/s y la textura del suelo es franco arcillosa.
• Dirección del riego. En esta parcela sus dos pendientes naturales son adecuadas para el riego por gravedad. Sin embargo, la dirección del riego se selecciona haciéndola coincidir con la pendiente mayor, para que en caso de que se decida regar por melgas la transversal sea la más pequeña. • Pendiente longitudinal, So. Se selecciona la pendiente natural en la dirección del riego e igual a 0.32 porciento. • Longitud del riego, D. La longitud se selecciona igual a la longitud del lado de la parcela que coincide con la dirección del riego, que para este caso es de 220 metros.
Tabla 1.5.3 Cuadro de diseño del riego por gravedad para 0.05%.
Textura del suelo
6
8
Lámina de riego neta (cm)
12
10
Qo
Ta
Tr
(lps/m2)(min) (min)
CUC Qo
Ta
Tr
(ips/m2)(min) (min)
59.6
74.1
CUC Qo
Ta
Tr
(lps/m2)(min) (min)
0.95 0.018 73.1
CUC Qo
Ta
Tr
CUC
(lps/m2)(min) (min)
Franco arenoso
0.027 37.1 41.2
0.85 0.02
102.9 0.96 0.017 82.6
130.7 0.96
Franco
0.015 67.3 74.1
0.96 0.013 86.5
114.0 0.96 0.011 120.8 168.4 0.97 0.011 120.8 202.0 0.96
Franco limoso
0.015 66.0 74.0
0.91 0.012 95.2
123.5 0.96 0.01
Limo
0.012 82.9 92.6
0.96 0.01
Franco arcillo arenosa
0.0135 70.8 82.3
0.96 0.012 89.6
133.5 185.2 0.98 0.009 165.5 246.9 0.98
113.0 148.2 0.97 0.009 137.3 205.8 0.96 0.008 173.2 277.8 0.96
123.5 0.97 0.011 109.1 168.4 0.96 0.01
138.5 222.2 0.97
Franco arcillosa 0.005 153.1 222.2 0.91 0.004 235.6 370.4 0.95 0.004 235.6 463.0 0.92 0.003 451.2 740.7 0.97
Franco arcillo limosa
0.023 342.3 483.1 0.98 0.002 452.6 740.7 0.95 0.0016 730.5 1557.4 0.97 0.0015 833.2 1471.7 0.97
Arcillo arenosa
0.004 181.1 227.8 0.93 0.0034 270.1 442.2 0.97 0.003 358.5 617.3 0.98 0.003 358.5 740.7 0.96
Arcillo limosa
0.0009 768.7 1234.6 0.94 0.0007 1297.7 2116.4 0.99 0.0006 1756. 3035.8 0.97 0.0006 1756.8 3643.0 0.94 8
Arcilla
0.0008 811.9 1388.9 0.92 0.0006 1501.4 2469.1 0.99 0.0006 1501. 3086.4 0.93 0.001 522.23 2222.2 0.95 4
• Lámina de riego neta, Ln. La lámina de riego neta se obtiene con la expresión: Para el cálculo de Ln se supuso una profundidad de raíces (Pr) de 40 cm; el contenido de humedad inicial (8o ) igual a 0.25 cm3/cm3, se obtuvo de la tabla 1.5.2 y el contenido de humedad a capacidad de campo (8cc) se obtuvo de la lámina 1.1.1b e igual 0.39 cm3/cm3. Sustituyendo estos valores en la expresión anterior se obtiene: Ln (0.39 - 0.25) 40 = 5.6 » 6 cm • Gasto de riego óptimo, Qo. Con la textura del suelo franco arcillosa y el valor de la lámina de riego neta de 6 cm, se entra a la tabla 1.5.3 y se obtiene Qo=0.005 l/s/m2. • Gasto de riego unitario, Qu. El gasto de riego unitario se obtiene multiplicando Qo por la longitud del riego, que para este caso es Qu = 1 .1 l/s/m. • Gasto máximo no erosivo. Este gasto se obtiene con la expresión:
Como Qmax = 2.34 l/s > Qu = 1 .1 l/s se acepta la longitud de riego de 220 m. Si Qu > Qmax, la longitud de riego se debe disminuir a la mitad, por lo que sería necesario tener dos "tiradas de riego". • Riego por melgas. Si se decide regar por melgas, el ancho, B, se obtiene dividiendo el gasto disponible (Qa=80 lis), entre el gasto unitario (Qu), obteniéndose B=72.7 metros. Como se mencionó anteriormente, en la práctica se recomienda construir melgas del mismo ancho y menor que 50 m, razón por la cual se propone un ancho de 37.75 m. En resumen, para regar eficientemente se deben construir ocho melgas de 37.75 m por 220 m, aplicando un gasto de riego (Qg) de 40 l/s a cada melga durante 230.7 min (Tr), por lo que se regarán dos melgas simultáneamente con el gasto disponible (Qa) de 80 l/s. En la lámina 1.5.6 se muestra un esquema del diseño del riego por melgas.
• Riego por surcos. Si se riega en surcos con un espaciamiento de 0.9 m y se considera que el perímetro mojado es igual al espaciamiento, al multiplicar el gasto de riego unitario (Qu) por el perímetro mojado, se obtiene el gasto de riego Qg = 1.0 l/s, que se debe dar en cada surco. Dividiendo el gasto disponible (Qa=80 l/s) entre el gasto de riego (Qg) se obtiene el número de surcos (Ns) para regarse simultáneamente en cada tendido de riego, es decir, Ns=80 surcos. Para regar los 336 surcos, de que consta la parcela, en cuatro "puestas" de riego se propone y acepta regar simultáneamente 84 surcos con un gasto de riego por surco (Qg) de 0.95 l/s durante 232.7 min (Tr). En la misma lámina 1.5.6 se muestra un esquema del diseño del riego por surcos. 1.5.3.3 Ajuste del diseño en el campo Los valores de los parámetros de infiltración que se presentan en la tabla 1.5.2 pueden ser diferentes a los valores reales de una parcela dada de igual textura, por lo que el diseño de riego obtenido con el método directo o con el simplificado puede implicar que en la práctica el riego se aplique con eficiencias más bajas que las de diseño. Para aumentar estas eficiencias se debe ajustar el diseño en el campo durante la primera "puesta de riego" del primer riego midiendo el tiempo de avance (Ta). El ajuste en campo es específico para melgas o para surcos. Si Ta, es mayor que el que aparece en la tabla 1.5.4 y si se está regando por melgas se debe reducir el ancho de la melga o viceversa. Es evidente que el cambio en el ancho se debe hacer en el siguiente ciclo agrícola para no destruir el cultivo, puesto que generalmente los agricultores siembran en seco, construyen las melgas y aplican el riego de germinación.
Lámina 1.5.6 Esquema del diseño del riego por gravedad con el método simplificado.
Si Ta es mayor que el que aparece en la tabla 1.5.4 y si se está regando por surcos se debe aumentar el gasto de riego (Qg) y disminuir el número de surcos por puesta de riego en la misma proporción o viceversa. Una vez ajustado el gasto de riego, se debe calcular el nuevo tiempo de riego (Tr) necesario para aplicar la lámina de riego bruta considerada, de acuerdo con la expresión (1-99). En los riegos posteriores la infiltración y la rugosidad cambian, por lo que es necesario ajustar el gasto y el tiempo de riego de manera similar. 1.5.4 Elaboración de cuadros de diseño en los distritos de riego Los distritos de riego debieran contar a mediano plazo con un cuadro de diseño del riego por gravedad, similar al que se presentó en la tabla 1.5.4, en donde en lugar de textura se tengan las parcelas. Esta tabla se puede generar con RIGRAV siempre y cuando se tengan los parámetros de infiltración de cada parcela, los cuales no están disponibles. Tratar de obtener estos valores a partir de pruebas puntuales de infiltración o de riego sería muy tardado y costoso, razón por la cual los autores de este inciso no lo recomiendan. En la mayoría de los distritos de riego se cuenta con un estudio agrologico en donde se definen y ubican con mucha precisión las diferentes series de suelos con la especificación de su textura. Con fines prácticos, para obtener este cuadro de diseño en cada distrito de riego se propone la siguiente estrategia: a) Seleccionar una parcela de un agricultor cooperante para cada serie de suelos. b) Para cada parcela hacer un diseño simplificado, tal y como se explicó en el inciso 1 .5.3.2. c) En cada una de las parcelas, durante el primer riego, medir el contenido de humedad inicial, el gasto y el tiempo de riego, el avance y la recesión. d) Calibrar RIGRAV, lo cual consiste en encontrar los valores de los parámetros Ks, hf y n que permiten representar los datos medidos de avance y recesión. e) Generar un cuadro similar al presentado en la tabla 1.5.4 con los valores obtenidos de Ks, hf y n, en donde en lugar de texturas se tengan las series de suelos. f) Iniciar un programa de tecnificación del riego por gravedad seleccionando parcelas de agricultores cooperantes ubicadas en las diferentes series de suelos. Para cada parcela seleccionada hacer el diseño simplificado utilizando el cuadro de diseño obtenido en el punto e, y hacer lo indicado en los puntos c y d. g) Generar una cuadro similar al presentado en la tabla 1.5.4 con los valores obtenidos de Ks, hf y n, en donde en lugar de texturas se tengan parcelas. 1.5.5 Utilización del programa RIGRAV El programa RIGRAV se encuentra en modo ejecutable y corre en ambiente DOS. Está diseñado para que usuarios con conocimientos elementales en ingeniería de riego por gravedad y en computación puedan realizar sus diseños de manera sencilla. Para ejecutarlo, un equipo de cómputo con 640 kb en RAM es suficiente. Para correr RIGRAV se realizan los siguientes pasos: a) Cambiarse a la unidad que aloja al RIGRAV, por ejemplo, si el programa se encuentra en un disco de 3.5" y la unidad de la computadora que lee el disco es A, entonces escribir A: y presionar la tecla de retorno.
b) Teclear RG y presionar retorno. c) Enseguida se presenta una pantalla que muestra la presentación del programa. Presionar cualquier tecla para continuar. d) El menú que aparece a continuación muestra las opciones que maneja RIGRAV. Estas opciones son: Archivo, Editar, Correr y Resultados. Para acceder a cualquiera de las opciones del programa, se selecciona con las flechas del teclado y se presiona la tecla de retorno. También se puede entrar a ellas presionando la tecla correspondiente a la primera letra de la opción. e) Opción Archivo. Al seleccionar "Archivo" se muestran tres opciones: Cargar datos, Guardar datos y Terminar. Con "Cargar" se leen datos de un archivo previamente creado. "Guardar" permite guardar los datos actuales en edición. "Terminar" finaliza la ejecución de RIGRAV. f) Opción "Editar". Esta opción permite ver y capturar los datos generales a partir de los cuales se realizará el diseño del riego. El programa presenta unos datos a manera de ejemplo. La información que se debe proporcionar es la siguiente: - Longitud del riego, en metros. - Pendiente del terreno en el sentido del riego, en porcentaje. - Gasto por ancho unitario, en litros por segundo. - Contenido volumétrico de humedad inicial en el suelo, en cm3/cm3. - Contenido volumétrico de humedad a saturación, en cm3/cm3. - Conductividad hidráulica del suelo a saturación, en cm/hora. - Tiempo de impresión de avance, en minutos. - Lámina de riego neta, en metros. - Coeficiente de rugosidad de Manning, m"1/3 segundos. - Parámetro hf de la ecuación de infiltración (succión en el frente de humedecimiento), en centímetros. Una vez capturados los datos anteriores, presionar la tecla Fi para regresar al menú principal. g) Opción Correr. Con esta opción se inicia el proceso de cálculo y se van mostrando los resultados en el monitor de la computadora. Los resultados que se muestran son los siguientes: - Datos generales introducidos. - Valores numéricos correspondientes a la fase de avance. - Gráfica de la fase de avance. - Valores numéricos correspondientes al perfil final en la fase de avance.
- Gráfica de la fase de almacenamiento. - Valores numéricos correspondientes al perfil final de la fase de almacenamiento. - Gráfica de la fase de consumo. - Valores numéricos correspondientes al perfil final de la fase de consumo. - Valores numéricos correspondientes de la fase de recesión. - Láminas infiltradas finales. - Gráfica de las láminas infiltradas finales. - Evaluación del riego. Al final de cada uno de estos resultados se debe presionar cualquier tecla para continuar, o bien presionar la tecla de Escape para suspender el cálculo. h) Opción Resultados. Ésta presenta dos opciones: Ver Gráficas e Imprimir. La primera de ellas muestra en pantalla las gráficas de las cuatro fases identificadas en riego por gravedad. La segunda permite mandar a la impresora los valores numéricos de los resultados. Para fines de diseño, debe ponerse especial atención a las láminas infiltradas al final del riego, las cuales deben ser lo más uniformemente posibles. Asimismo, en la evaluación del riego se deben buscar las máximas eficiencias de aplicación, de requerimiento de riego y de uniformidad posibles. Para lo anterior se sigue la siguiente estrategia: Para los datos del suelo, pendiente, longitud y para la lámina de riego definida, proponer un gasto de riego por ancho unitario. Ejecutar la opción "Correr', ver el comportamiento de las láminas infiltradas finales y observar las eficiencias. Si estas eficiencias son bajas y la lámina infiltrada se acumuló en el extremo aguas abajo, proponer otro gasto más pequeño. Si, por el contrario, se infiltró más agua en la entrada que al final, proponer un gasto de riego mayor. El proceso de diseño termina cuando se obtienen las máximas eficiencias de aplicación, requerimiento de riego y uniformidad. 1.6 TECNIFICACIÓN DE RIEGO PRESURIZADO Efrén Peña Peña Generalmente el riego presurizado se ha usado en México en las zonas de bombeo profundo, con las modalidades siguientes: aspersión en alfalfa, microaspersión en frutales y goteo en vid y hortalizas. Para hacer proyectos de riego presurizado tecnificado, deben usarse eficiencias de conducción del orden de 98%, eficiencias de distribución cercanas a 95%, eficiencias de aplicación del orden de 95% y coeficientes de uniformidad entre 80% y 90%. A continuación se describen los componentes de los sistemas de riego presurizado y algunos aspectos de su funcionamiento hidráulico, útiles para su diseño y operación. 1.6.1 Componentes
1.6.1.1 Emisores Los emisores son dispositivos hidráulicos para aplicar el agua a los cultivos. Son goteros, microaspersores, borboteadores y aspersores. Funcionan como orificios, microtubos cortos con flujo turbulento o transicional y se representan hidráulicamente de acuerdo con la ecuación de la relación carga-gasto y tablas de características, que se presentan en las tablas 1.6.1 y 1.6.2. Tabla 1.6.2 Características hidráulicas de emisores de riego por aspersión.
EMISOR
GASTO
(l/h)
Aspersores estándar
0.2-1.5
Aspersores gigantes
5-30
Tabla 1.6.1 Características hidráulicas de emisores de riego localizado.
EMISOR
GASTO
(l/h)
Goteros
0.25-8.00
Borboteadotes
10-500
Microaspersores
15-200
Los emisores al fabricarse quedan con pequeñas diferencias geométricas que originan variaciones en el gasto al operar a la misma presión y a la misma temperatura. Las variaciones de gasto en los emisores indican la calidad hidráulica de producción, por lo que se ha usado el coeficiente de variación estadístico para comparar y clasificar emisores. Se obtiene con:
Entre mayor es la sección transversal del flujo del agua en el cuerpo del emisor, menor es la posibilidad de obstrucción o taponamiento y los requerimientos de filtrado y prevención de precipitación de sales se reducen. Tabla 1.6.3 Coeficientes de variación del gasto para goteros.
TIPO DE EMISOR
RANGO DE CV
Emisor puntual Cintas de goteo
0.04 0.04-0.10 0.10-0.15 >0.15 0.10 0.10 - 0.20 >0.20
En la tabla 1.6.3 se muestra la clasificación de goteros de acuerdo con su calidad, representada por el coeficiente de variación del gotero. • Goteros. Los goteros pueden ser: orificios en la pared de la tubería, conductos de trayectoria larga con cambios de dirección, vórtices, combinaciones y otras formas geométricas para generar turbulencia en el flujo y pérdidas de energía. Los goteros pueden tener un dispositivo para regular la presión y suministrar gasto constante. Los goteros se usan generalmente en tuberías regantes para cultivos en hileras, formando franjas de humedecimiento a lo largo del cultivo. Las cintas plásticas de goteo se usan para cultivos de hortalizas o anuales, tienen duración de seis meses a tres años, mientras que las tuberías de polietileno de pared gruesa, con goteros insertados o construidos en la pared se usan para cultivos perennes y duran generalmente más de cinco años. Los goteros de gastos pequeños se usan en suelos franco-arcillosos y francos, y los de gastos grandes en los suelos franco-arenosos y arenosos. Se usan los de carga hidráulica menor para terrenos planos y a nivel, y los emisores de cargas hidráulicas mayores se usan en terrenos desnivelados o con pendientes no uniformes. Los goteros de flujo turbulento tienen ecuaciones con exponentes cercanos o iguales a 0.5. Son de gasto predecible de acuerdo con la presión de operación, porque la elevación en la temperatura del agua no afecta su caudal de descarga. Los goteros de flujo transicional tienen ecuaciones con exponentes que varían entre 0.6 y 0.9 y son afectados por los cambios de viscosidad cinemática del agua. Éstos se producen cuando el agua se calienta o enfría. Si la temperatura del agua es mayor que la de proyecto, el gasto emitido es mayor y viceversa. De dos emisores que trabajan con el mismo gasto, el que trabaja con la presión menor tiene la ventaja de originar costos menores de energía durante su operación. Si el sistema de riego es para la producción de hortalizas, puede convenir instalar un sistema de riego de vida útil corta. También deben considerarse los sistemas preventivos de taponamiento contra sólidos en suspensión, precipitación de sales y presencia de bacterias y algas que sean de vida útil corta o baratos. En cambio, si el cultivo es perenne conviene adquirir tuberías regantes con emisores de vida útil larga, con la mayor área hidráulica posible, con un sistema de filtrado adecuado y, además, considerar las técnicas preventivas necesarias, de acuerdo con la clase del agua y los riesgos de taponamientos locales. En la tabla 1.6.4 se presentan valores típicos de los coeficientes y exponentes de la ecuación 1 -102 para cuatro tipos de goteros y en la lámina 1.6.1 las gráficas correspondientes. Tabla 1.6.4 Coeficientes y exponentes de ecuaciones carga-gasto de goteros.
GOTERO
COEFICIENTE
K,
1
0.2043
2
0.2709
3
0.6617
4
1.3234
Borboteadores. Son emisores que funcionan como orificio, con área hidráulica mayor que en los goteros, por lo que suministran gastos mayores para presiones similares. Con baja presión producen un chorro que no alcanza a generar lluvia artificial. Los borboteadores se usan para regar áreas por medio de inundación con cajetes, como en frutales en suelos con texturas de francas a arcillosas y también en casos de problemas de taponamientos por precipitación de sales y sólidos en suspensión dentro del sistema de riego.
Lámina 1.6.1 Curvas características de goteros Existe poca información sobre este tipo de emisores; se considera conveniente no utilizar borboteadores de regulación manual. Microaspersores. Los microaspersores son orificios con deflectores para suministrar agua en forma de lluvia. Existen microaspersores con piezas fijas y móviles. Pueden tener dispositivo de regulación de presión para terrenos ondulados. Los patrones de mojado dependen del tipo de aspersor y deflector que se usen. Los microaspersores de piezas fijas pueden mojar círculos completos (360°) o sectores de círculo (270, 180 y 90°). Generalmente tienen una boquilla u orificio por el que se emite un chorro de agua. Éste, al chocar con el deflector, esparce el agua en forma de lluvia o de micro- chorros.
Los microaspersores con piezas móviles que generalmente tienen una boquilla fija y un deflector móvil que se mueve por acción del chorro generando la lluvia con patrón de mojado circular. Estos microaspersores son de gasto y radio de mojado mayores que los de piezas fijas. Los microaspersores se usan en cultivos de frutales, en floricultura, dentro de invernaderos y en almácigos. En la tabla 1.6.5 se muestran los coeficientes y exponentes de las ecuaciones de microaspersores y en la lámina 1.6.2 se presentan las curvas correspondientes. Tabla 1.6.5 Coeficientes y exponentes de ecuaciones carga-gasto de microaspersores.
MicroaspersorCoeficienteExponent e
K,
X
1
5.7821
0.4776
2
11.2020
0.5064
3
17.2404
0.4863
4
22.4217
0.5225
Lámina 1.6.2 Curvas características de microaspersores. Aspersores. Los aspersores son dispositivos que funcionan como orificios a presión. Lanzan el agua en forma de chorro, el cual al entrar en contacto con el aire se transforma en gotas generando lluvia artificial. Generalmente el
patrón de mojado es circular. Sin embargo, existen aspersores que pueden mojar sectores de círculo mediante un mecanismo de regulación. Los aspersores se pueden agrupar por el tipo de mecanismo que genera el movimiento de rotación para asperjar el agua como lluvia artificial. Hay aspersores de impacto y de rehilete. Los aspersores de impacto funcionan girando intermitentemente mediante un mecanismo formado por un martillo y un resorte. El chorro choca con un deflector que impulsa al martillo y lo hace girar contra la resistencia del resorte; luego el martillo, por acción del resorte, golpea el cuerpo del aspersor haciéndolo girar y lanzar el chorro en otra dirección. Los aspersores de rehilete giran por el impulso hidráulico que genera el cambio de dirección del agua en un conducto curvo de los chiflones del aspersor. Los aspersores también se pueden agrupar por su tamaño en aspersores estándar y gigantes, dependiendo del rango de gastos, presiones de operación y radio de mojado. En la tabla 1.6.6 se presentan los parámetros de las ecuaciones de aspersores típicos y en las láminas 1.6.3 y 1.6.4 se presentan las gráficas correspondientes. Tabla 1.6.6 Coeficientes y exponentes de ecuaciones carga-gasto de aspersores estandar y gigantes.
ASPERSORESCOEFICIENTEEXPONENTE X K,
Estandar 1
0.0757
0.4914
Estandar 2
0.1210
0.4819
Estandar 3
0.1674
0.5101
Gigante 1
0.8919
0.5434
Gigante 2
2.1487
0.4858
Gigante 3
3.4650
0.4950
Lámina 1.6.3 Curvas características de aspersores estandar.
Lámina 1.6.4 Curvas características de aspersores gigantes. 1.6.1.2 Tuberías Tuberías regantes. Las tuberías regantes son aquellas que tienen integrados los emisores para riego y suministran el agua a los cultivos. Se clasifican hidráulicamente como tuberías con salidas múltiples. Las pérdidas de carga en las tuberías con salidas múltiples se calculan con el gasto total que entra en la tubería y se le aplica el coeficiente de salidas múltiples correspondiente al número de emisores que tiene la tubería. Se considera que la diferencia de gastos, entre el primer y el último emisor, no debe ser mayor que el 10% del gasto del último emisor. En micro riego la diferencia debe ser entre el último emisor y el primero de la sección de riego. En tuberías con compuertas y en riego por aspersión debe ser entre el primer emisor y el último de la tubería regante. • Tuberías regantes en goteo. Las tuberías regantes hechas de cintas plásticas con emisores integrados en la pared, al funcionar hidráulicamente originan pérdidas de carga por fricción y, debido a que no tiene accidentes, no generan pérdidas de carga locales. Las tuberías con goteros insertados en o sobre la tubería generan pérdidas de carga por fricción y también por accidentes en cada inserción. Las tuberías regantes en riego por goteo generalmente son de polietileno de baja y media densidad.
En las tuberías de micro riego se generan flujos laminar, transicional y turbulento. En la práctica se considera como turbulento todo el flujo, para simplificar los cálculos y así poder usar las fórmulas de pérdidas de energía de Hazen Williams y Manning. • Tuberías regantes con compuertas. En los sistemas de riego con tuberías de conducción de agua a baja presión, se usan las tuberías portátiles con compuertas para aplicar el agua a los surcos o a las melgas. Estas se fabrican con aluminio o con cloruro de polivinilo (PVC), con pequeñas compuertas que pueden abrirse parcial o totalmente, para regular el gasto que se requiere por surco o melga. Funcionan con flujo turbulento. • Tuberías regantes en riego por aspersión. Las tuberías en sistemas de riego por aspersión generalmente son de aluminio y funcionan con flujo turbulento a alta presión. Los acoplamientos entre las tuberías y sus conexiones con los elevadores de los aspersores, generan pérdidas de carga localizadas. Las tuberías pueden ser portátiles o fijas, dependiendo del tipo de sistema de riego. Los acoplamientos de las tuberías portátiles son simples y de instalación rápida. ■ Tuberías distribuidoras o distribuidores. Los distribuidores son las tuberías que suministran el agua a las tuberías regantes y funcionan como tuberías con salidas múltiples. Tienen pérdidas de energía por fricción y localizadas en las uniones de las regantes y en las conexiones de tubos del distribuidor. De acuerdo con los sistemas de riego pueden ser de cloruro de polivini- lo (PVC) o aluminio. • Tuberías de conducción. Son el conjunto de tuberías que permiten conducir el agua desde la fuente de abastecimiento hasta las secciones de riego. Generalmente funcionan como tuberías simples, con pérdidas de carga por fricción y accidentes en accesorios. Para el diseño se toman en cuenta los desniveles del terreno, como carga hidráulica potencial. Las tuberías de conducción generalmente son de PVC (clases 100, 125 y 160), de fierro y asbesto cemento. 1.6.1.3 Sección de riego • Sección de riego. El conjunto de tuberías regantes, conexiones y distribuidores regulados por una unidad de control autónoma es una sección de riego. En la lámina 1.6.5 se presenta una sección de riego. Las secciones de riego deben suministrar el agua al cultivo con diferencias de gasto entre emisores, menor del 10%. Generalmente corresponde a una diferencia de presiones entre esos emisores, del 21 % de la carga de operación. En riego por aspersión una tubería regante funciona como sección de riego, debido a que este tipo de tubería generalmente opera de manera independiente, con una válvula de control de gasto y presión en la entrada. La pérdida total de energía en una sección de riego equivale a su carga de operación (Hos) [L] y es la suma de las pérdidas de cargas hidráulicas en: el último emisor (He) [L], la tubería regante (Hr) [L], la unión del distribuidor con la regante (Hu) [L], el distribuidor (Hd) [L] y la unidad de control autónoma (Huca) [L], además
Lámina 1.6.5 Sección de riego y unidad de control autónoma debe considerarse la ganancia o pérdida de carga potencial por posición (d) [L]. La carga de operación de una sección se calcula con la ecuación siguiente:
• Unidades de control autónomas. Las unidades de control autónomas consisten en accesorios y conexiones para supervisar y controlar la presión y el gasto de operación de una sección de riego. Deben funcionar independientes de las otras secciones. Los componentes son: ni- ples, codos, válvulas de cierre y de regulación de presión, manómetro y accesorios hidráulicos necesarios para su instalación. 1.6.1.4 Cabezal de control El cabezal de control tiene como funciones: a) Controlar y medir el gasto y la presión del sistema de riego; b) Dosificar los agroquímicos y c) Filtrar el agua. Para cumplir sus funciones, los cabezales de control se componen de bomba, dosificador de agroquímicos, filtro, medidores de gasto y presión, copies, niples, conexiones de diferentes tipos, reducciones y ampliaciones de tuberías. • Equipos de control. Los sistemas de riego presurizado tienen equipos de control formados con dispositivos para regular su funcionamiento hidráulico. Los dispositivos son: medidores de gasto, válvulas de control y seguridad, y manómetros. »Medidores de gasto. Son dispositivos que relacionan la velocidad del agua en la tubería y el área de paso, con el gasto hidráulico que pasa por ella. Cuentan con indicador numérico del gasto que pasa por la tubería. Estos medidores indican directamente el estado del funcionamiento del sistema de riego. Los medidores pueden ser de propela, de rotámetro, de placa de orificio y tipo venturi.
>Propela. Son medidores que tienen una hélice que gira al pasar el agua por el medidor, el número de vueltas de la hélice está relacionado con el volumen que pasa por la tubería. Puede tener indicador de gasto instantáneo e indicador volumétrico. Tienen pérdidas de carga del orden de 0.7 m para gastos máximos de operación. Se usa en tuberías principales. >Rotámetro. El rotámetro se instala en la tubería de manera que una pequeña parte del gasto del sistema pase por el rotámetro moviendo un indicador en un tubo con escala de gastos graduada. De acuerdo con el nivel del indicador se lee el gasto en la escala. Genera pérdidas de carga menores a un metro. Se usa en fertilizadores. >Piaca de orificio. Es una placa con orificio de diámetro menor que el de la tubería, se instala perpendicularmente al flujo del agua y está calibrada de acuerdo con las pérdidas de carga que genera el agua al pasar por el orificio. El indicador de pérdida de carga puede ser piezométrico o electrónico. En el último caso, se proporciona el gasto instantáneo y el volumen que pasa en cierto intervalo de tiempo. Puede generar pérdidas de carga del orden de uno a tres metros. Se usa en tuberías principales. >Tipo venturi. Son similares a los de placa de orificio, pero en lugar de la placa tienen reducción gradual del área de paso. »Válvulas. Son dispositivos de seguridad y control del agua que sirven para cerrar o abrir conductos. Puede regularse el gasto o la presión en una tubería cerrándolas y abriéndolas. Existen válvulas reguladoras automáticas, que se usan en sistemas de micro- rriego. >Válvulas de seguridad. Son dispositivos que permiten evitar riesgos o daños en el sistema. Las válvulas "check", cuando se cierra el paso del agua en una tubería, evitan que el golpe de ariete afecte al sistema de bombeo. Las válvulas de alivio permiten la fuga del agua o del aire cuando aumenta la presión sobre un límite preestablecido o permiten la salida de aire atrapado. Las válvulas de entrada de aire evitan el golpe de ariete o la succión que se origina en los emisores al detenerse los sistemas de bombeo. >Válvulas de control. Son válvulas de apertura y cierre parcial o total. Las válvulas de compuerta tienen un mecanismo de tornillo para abrir y cerrar, por lo que puede regularse su operación. Las válvulas de mariposa y de cuadro se usan para operar en posiciones fijas. »Reguladores de presión. Son dispositivos para regular el gasto que fluye por una tubería. Tienen diferentes mecanismos para generar pérdidas de carga. En general el procedimiento consiste en reducir el área de paso del agua al recibir presiones mayores. »Manómetros. Son dispositivos que sirven para medir la presión en diferentes puntos del sistema de riego. Tienen sensores que indican las presiones de operación y pueden ser de mercurio o mecánicos con carátula. No generan pérdidas de carga en las tuberías. Los sistemas de riego se deben supervisar con la presión de operación, debido a que para cada gasto del sistema debe corresponder una presión de operación • Dosificadores de agroquímicos. Son equipos que sirven para aplicar fertilizantes, fungicidas, herbicidas y soluciones para prevenir taponamientos en los goteros y en las tuberías. Pueden ser: bombas inyectoras, inyectores por succión e inyectores por dilución. Pueden emplear energía eléctrica o hidráulica. »Bombas fértilizadoras. Inyectan la solución al sistema de tuberías en un punto (a), donde la presión es menor que la generada por la bomba fertilizadora en el punto (b), como se ilustra en la lámina 1.6.6.
Para conocer el caudal inyectado se pone una escala (regla) en la pila o tanque de la solución fertilizadora. Al transcurrir el tiempo, se mide el desnivel en la escala y al multiplicar el área de la pila o tanque por el desnivel, se obtiene el volumen aplicado de solución. Para obtener el caudal inyectado instantáneamente se divide el volumen aplicado entre el tiempo transcurrido. También se puede usar un medidor de gasto en la tubería de inyección. «Inyectores por succión. Se instalan como se ilustra en la lámina 1.6.7. Al cerrar la válvula (1), se deriva un caudal de la tubería principal del sistema de riego en el punto (a), el agua derivada entra en un ramal de menor diáme- tro, en el que se Instala un dispositivo denominado "venturi" que consiste en una reducción y ampliación del área de paso del agua. Al pasar el agua aumenta su velocidad en el estrechamiento y luego se reduce al ampliarse. Al terminar el estrechamiento e iniciar la ampliación se conecta una entrada de agua o solución, ya que en ése punto se genera una succión que se aprovecha para aplicar soluciones de agroquímicos.
Lámina 1.6.7 Inyectores de succión. Con la válvula (1) se produce la pérdida de carga que genera la derivación de agua por el ramal. La solución fertilizadora entra a la tubería principal en el punto (b), que tiene menor presión que el punto (a). En la tabla 1.6.7 se presentan las características de un inyector de agroquímicos por succión, incluyendo: presión en la entrada, caudal de agua que debe pasar por el inyector, pérdida de carga y capacidad de succión. Tabla 1.6.7 Características de un inyector por succión.
CARGA EN LAGASTO DELGASTO DEPÉRDIDA DE
ENTRADA
VENTURI
SUCCION CARGA
(m)
(l/h)
(l/h)
(m)
20
650
220
6.0
30
830
200
9.0
40
950
190
12.0
50
1050
178
15.0
» Dosificadores de tanque. Los dosificadores de agroquímicos que diluyen las soluciones emplean el método del sistema anterior para aprovechar la energía hidráulica e inyectar los fertilizantes, lámina 1.6.8. Se emplea un tanque conectado aguas arriba de la válvula (1) de la tubería principal, parte del agua que fluye en la tubería principal (a) se desvía hacia el tanque por la tubería (b). Cuando las válvulas 2 y 3 se encuentran abiertas, el flujo entra en el tanque donde se encuentra la solución del agroquímico con una concentración inicial. Al entrar y salir agua mediante el flujo (c) se diluye continuamente, lo que permite que la solución fertilizadora salga cada vez más diluida por la tubería (d) y entre en la tubería principal aguas abajo de la válvula 1, para mezclarse con el flujo de la principal.
Lámina 1.6.8 Dosificador de tanque. • Decantadores. Son equipos o estructuras que permiten separar las partículas sólidas dispersas en un líquido, siempre que sean de mayor densidad que el líquido. » Decantador de tanque. Los tanques decantadores aprovechan la energía gravitacional para que las partículas se depositen.
Lámina 1.6.9 Tanque decantador. Los tanques reciben el agua de la fuente de abastecimiento con sólidos en suspensión, al entrar el agua en el tanque, se reduce su velocidad dando tiempo a que se depositen las partículas en el fondo. Estos sistemas permiten prevenir taponamientos. En la lámina 1.6.9 se observa un corte longitudinal de un tanque decantador. » Hidrociclón. Cuando se usa un hidrociclón se aprovecha la fuerza centrífuga para separar las partículas más densas que el agua. Como puede observarse en la lámina 1.6.10, el agua entra en el cuerpo del hidrociclón por una orilla de la parte superior (a) y forma un remolino de manera que las partículas más densas que el agua tratan de seguir una trayectoria tangencial a las líneas de corriente, por lo que se friccionan con la pared del hidrociclón, reduciendo su velocidad y, por la acción gravitacional, caen hasta un recipiente de almacenamiento de sólidos (c); el agua sale por el centro en la parte superior con un mínimo de sólidos en suspensión (b). Estos decantadores se usan para eliminar arenas.
Tabla 1.6.8 Características de hidrociclones.
DIÁMETRO DELDIÁMETRO DE RANGO DE GASTO
MODELO (CM) ENTRADA(MM)(M3/H)
40
101.6
30-80
50
152.4
40-120
60
152.4
70-220
• Filtros. Son dispositivos que sirven para retener partículas en suspensión que pueden taponar el sistema de riego. Consisten en una pared separadora cuyos poros o áreas de paso son más pequeños que las partículas que se deben separar. El agua, al pasar por el filtro, genera una pérdida de carga. Conforme se ensucia o se va acumulando material que no pasa por el filtro, se reduce el área de paso del agua y se aumenta la pérdida de carga. En la tabla 1.6.9 se presentan pérdidas de carga hidráulica de dos tipos de filtros, que funcionan limpios. «Filtro del malla. Generalmente son tanques que tienen una o dos mallas a través de las cuales debe pasar el agua. Tabla 1.6.9 Perdida de carga de dos filtros de malla.
GASTO m3/hPÉRDIDA DE CARGA (M)
Tipo 1
Tipo 2
20
0.3
1.3
30
0.8
3.0
40
1.3
-
50
2.0
-
La malla exterior tiene orificios más grandes que la malla interior, de manera que sirve como primer filtro, la segunda define el tamaño o la capacidad del filtrado. Algunos filtros tienen una válvula que los limpia mientras operan. En la lámina 1.6.11 se presenta esquemáticamente un filtro de mallas. El agua con sólidos en suspensión entra en la cámara (a), formada por la pared del filtro y la malla M-1, luego el agua pasa a la cámara (b) ya prefiltra- da. Esta cámara está formada por las mallas M-1 y M-2. De la cámara (b) pasa el agua ya filtrada a la cámara (c) y sale por (d) a la tubería de salida (e).
«Filtros de arena. Son tanques que tienen una o más capas de arena como medio poroso para retener partículas. La arena usada es de cuarzo. Generalmente se pone gravilla en la capa más baja. Los filtros de arena deben limpiarse por retro- lavado, lo que implica que deben usarse por lo menos dos (lámina 1.6.12). Aun con alto costo, son aceptados por su buen funcionamiento para retener limos, arcillas y algas. Accesorios. Son los dispositivos que sirven para hacer conexiones entre las partes del sistema de riego. Pueden ser: copies, niples, reducciones, ampliaciones, codos, tees, etc. Todos generan pérdidas localizadas de carga hidráulica.
1.6.2 Riego localizado En los sistemas de riego localizado, el agua se conduce por tuberías, a presión mayor que la atmosférica. El agua se suministra al suelo mediante emisores que la dispersan, humedeciendo la zona de las raíces. Estos emisores permiten aplicar la cantidad de agua requerida por el cultivo en intervalos de tiempo Cortos. En general, los sistemas de riego presurizados permiten la mecanización y automatización de las operaciones agrícolas como la aplicación de agroquímicos. Los sistemas de riego localizado, generalmente se usan de acuerdo con los cultivos y sus características de funcionamiento. Los sistemas de riego por goteo con goteros fabricados con molde o goteros compactos se usan en cultivos perennes como la vid. Los sistemas de riego por goteo de tipo de cinta se usan en cultivos de hortalizas. Los sistemas de riego por microaspersión y borboteo se usan en frutales. El riego localizado puede aplicarse debajo de la superficie del suelo y se le llama riego subsuperficial. Este método consiste en suministrar el agua al suelo, a una profundidad aproximada de 1 5 cm para que pueda distribuirse en la zona radical por capilaridad. Es muy empleado en hortalizas y consiste en aplicar el agua mediante tuberías de polietileno (cinta) con emisores integrados. 1.6.2.1 Tipos de sistemas Por el tipo de emisor empleado se tienen los siguientes sistemas de riego localizado: goteo, mi- croaspersión y borboteo. • Sistemas de goteo. Los sistemas de riego por goteo suministran el agua a los cultivos en forma de gotas, directamente al suelo, con láminas de riego pequeñas e intervalos de tiempo cortos.
Los sistemas de riego por goteo se pueden agrupar en dos grandes grupos, según su tipo de emisión: sistemas de emisión puntual (individual) y tubería de emisión continua (cinta regante). En los goteros puntuales o de molde, el patrón superficial de mojado consiste en una franja irregular humedecida de suelo. El espaciamiento entre emisores varía de 0.3 m a 1 .0 m, dependiendo del alcance capilar del agua en el suelo. Espaciamientos menores entre goteros aumentan mucho el costo de adquisición del sistema de riego. En los goteros de emisión continua o cintas regantes, el patrón de mojado tiende a ser una franja continua, ya que el espaciamiento entre emisores es muy pequeño, menor de 0.60 m. Los sistemas de riego por goteo deben estar diseñados para evitar encharcamientos. En caso de que éstos se presenten no deben ser mayores del 10% del área sembrada. Para evitar encharcamientos se deben utilizar goteros de gastos menores de 2 l/h en suelos de texturas francas, y mayores de 2 l/h en suelos de texturas franco-arenosas y arenosas. En terrenos planos se pueden usar goteros de carga baja de operación, menor de 8 m, en terrenos con topografía irregular o pendientes menores de 2 % goteros de cargas mayores de 8 m y, por último, en terrenos de lomeríos y con pendientes fuertes se deben utilizar goteros con compensador de gasto. Las secciones de riego por goteo pueden diseñarse con distribuidores con reguladores de presión en la entrada de las tuberías regantes o sin regulador, dependiendo del tamaño de la sección y de las condiciones topográficas. Sistemas de borboteo. Los sistemas de riego por borboteo suministran el agua a los cajetes o al área irrigada en forma de chorro irregular, sin llegar a formar lluvia artificial. Los sistemas de riego por borboteo generalmente tienen tuberías regantes con diámetros mayores que los de goteo y microaspersión, debido a la magnitud del gasto de los borboteadores. Generalmente se usa un borboteador por árbol. Sistemas de microaspersión. Los sistemas de riego por microaspersión suministran el agua a los cultivos en forma de lluvia artificial. La aspersión se aplica generalmente a cada árbol. Los difusores de los microaspersores tienen varias formas de asperjar el agua, como la lluvia en círculos o sectores de círculos, la nebulización y los chorros. Los microaspersores deben seleccionarse con gastos adecuados para evitar encharcamientos y escurrimientos de agua. Deben utilizarse láminas precipitadas horarias que no excedan la velocidad de infiltración del agua en el suelo. 1.6.3 Diseño de sistemas de riego localizado Los sistemas de riego localizado deben adaptarse a las condiciones del predio donde se pretenden instalar. Es necesario tomar en cuenta la información del suelo, agua, clima y cultivo para seleccionar el sistema de riego, el tipo de emisor, el equipo de fertilización, el filtro y otros dispositivos. Deben hacerse anteproyectos muy simples que conduzcan a una estimación de costos. 1.6.3.1 información necesaria A continuación se presenta la relación de información mínima necesaria para la selección y diseño de los sistemas de riego. • Requerimientos agronómicos
» Cultivo >Espaciam¡entos entre plantas y entre hileras de plantas. >Orientación de las líneas de plantas. >Gasto de aplicación de agroquímicos por medio del sistema de riego. >Espaciamiento entre llantas de la maquinaria agrícola. >Requerimiento diario máximo de riego. • Topografía » Plano topográfico con escala 1:1000 y con curvas de nivel a 1 m de equidistancia vertical o de las pendientes del terreno. • Características del suelo » Textura del suelo o velocidad de infiltración básica del agua en el suelo. • Características de la fuente de abastecimiento » Gasto de la fuente de abastecimiento. » Tipo: Superficial o subterránea. • Fuente de energía » Eléctrica o diesel. • Aspectos humanos. » Horarios de trabajo y días de descanso. 1.6.3.2 Método de cálculo El método de cálculo que se presenta a continuación considera: a) un coeficiente de rugosidad de Manning = 0.009, representativo de los materiales utilizados comercialmente; b) un coeficiente de salidas múltiples de 0.35. Las consideraciones anteriores permiten al diseñador obtener resultados rápidos y seguros, sin entrar en cálculos detallados. En el diseño de los sistemas de micro riego se efectúan cálculos hidráulicos para determinar las pérdidas de carga en: tuberías con salidas múltiples, tuberías simples, accesorios y equipos especiales. Los diseños deben llenar el requisito de alta uniformidad de aplicación del agua a través de los emisores. Por otra parte, se consideran las opciones que se presentan en la práctica: a) terrenos a nivel o con pendiente y b) con o sin reguladores de presión en las tuberías regantes. El método propuesto incluye los cálculos de los siguientes datos: Volumen bruto diario.
Tiempo de riego o de aplicación. Carga de operación del emisor. Pérdidas de carga permisibles en la sección, en la tubería regante y en el distribuidor. Número máximo de salidas en las tuberías. Ajuste del número de emisores en la regante y salidas en el distribuidor. Gasto en la tubería regante. Gasto en la última salida del distribuidor. Pérdidas de carga en tuberías con salidas múltiples. Gasto de la sección y número de secciones. Pérdidas de carga en la conducción. Pérdidas de carga en el cabezal control. Pérdidas de carga localizadas en el sistema de riego. Carga potencial de posición. Carga total de operación del sistema. Gasto total del sistema. Información para la selección de la bomba. • Volumen bruto diario El volumen bruto diario que se debe aplicar se calcula con la Ec (1-105). El numerador representa el volumen de agua neto por aplicar y el denominador la eficiencia de aplicación estimada a partir del coeficiente de variación del gasto del emisor (CVq). En la fórmula se utiliza el factor de superficie (F¡). Si se considera que el agua se evapotranspira en toda la superficie, se usa F¡ = 1; y si se considera que se consume sólo en la fracción humedecida del suelo, F¡ adquiere el valor de esa fracción. Por ejemplo, si se humedecen 3/4 partes, entonces F¡ = 0.75. También se usa el factor de tiempo de operación (F2). Si se riega todos los días F2 = 1; si se riega seis días a la semana, entonces F2 = 7/6 = 1.17.
en la cual: VBd [1] es volumen bruto diario; Ee [m] es el espaciamiento entre emisores; Er [m] es el espaciamiento entre regantes; ETp [mm] es la evapotranspiración máxima diaria; F¡ es el factor de ajuste por área; F2 es el factor de ajuste por días de operación y CVq [decimal] es el coeficiente de variación del gasto. • Tiempo de riego o aplicación. El tiempo de riego (Tr) [h] se calcula con el volumen bruto diario (VBd) [I] necesario y el gasto nominal o propuesto del emisor (Qe) [l/h]. Se usa la siguiente Ecuación
donde: He [m] es la carga hidráulica de operación del emisor; Qe [l/h] es el gasto del emisor; K1 es el coeficiente de la ecuación carga-gas- to, y x es el exponente de la ecuación carga- gasto. • Pérdidas de carga permisibles. Las pérdidas de carga permisibles consideradas en el diseño de los sistemas de riego son las correspondientes a: a) la sección de riego, b) la tubería regante y c) el distribuidor. Las pérdidas de carga permisibles Hp [L] se calculan en función de un coeficiente de pérdidas k2 y de la carga de operación del último emisor He [L] con:
»Pérdida de carga permisible en la sección (Hps) [L], La diferencia de presiones de operación entre los emisores con las condiciones más desfavorables en una sección de riego, no debe ser mayor del 21 % de la carga del último emisor para conservar la diferencia de gastos menor o igual al 10% del gasto del último emisor. Así k2=0.21 para la pérdida de carga permisible en la sección. En el diseño de las secciones de riego se presentan dos condiciones: a) cuando las tuberías regantes no tienen regulador de presión en su entrada; y b) cuando hay reguladores de presión en las entradas de las tuberías regantes. Cuando no hay reguladores de presión, la pérdida de carga permisible de la sección debe distribuirse entre las pérdidas de carga de la tubería regante y las pérdidas de carga del distribuidor. Cuando se utilizan reguladores de presión en las tuberías regantes, toda la pérdida de energía se puede disipar en las tuberías regantes, obteniéndose longitudes más grandes. »Pérdida de carga permisible en la tubería regante (Hpr) [L] a) Sin regulador de presión en las tuberías regantes. Para obtener secciones de riego grandes, con la misma pérdida de carga permisible en la sección (0.2IHe), se consideró el 30% de ésta, como la pérdida de carga permisible en la tubería regante (Hpr) [L]. Por lo que k2=0.063. b) Con regulador de presión. Se considera el 100% de las pérdidas de carga en la sección, como la pérdida de carga permisible en la tubería regante, por lo que k2=0.21. "Pérdida de carga permisible en el distribuidor (Hpd) [L] a) Sin regulador de presión en los regantes. Se considera el 70% de la pérdida de carga en la sección, como la pérdida permisible en el distribuidor (Hpd) [L], así k2=0.147.
b) Con regulador de presión. La pérdida de carga máxima permisible en el distribuidor, se limita a la generada en el distribuidor cuando en su primer tramo se diseña con la velocidad máxima del agua de 2.0 m/segundo. Número máximo de salidas en las tuberías. Las tuberías regantes y los distribuidores deben tener un número de salidas máximo permisible. Éste varía de acuerdo con la topografía del terreno y se presentan los casos siguientes: a) a nivel y b) con pendiente. El número máximo de salidas permisible en las tuberías (N), se calcula con:
En cada uno de los casos anteriores se pueden usar dos alternativas, primero, cuando se requiere diseñar la sección de riego sin reguladores de presión en las entradas de las tuberías regantes y, segundo, cuando se usan los reguladores de presión. donde: He [m] es la carga hidráulica del último emisor o salida; d [m] es el desnivel entre la primer salida de la tubería y la última; D [mm] es el diámetro interior de la tubería; Es [m] el espaciamiento entre salidas; Os [l/h] el gasto de la última salida, y k^ y k^ son constantes que dependen de la existencia de reguladores de presión en las tuberías regantes. En la tabla 1.6.10 se presentan los valores de las constantes de acuerdo con los casos específicos.
donde: S [m/m] es la pendiente del terreno; Es [m] es el espaciamiento entre emisores y N es el número de emisores calculado en una primera iteración con desnivel d=0. Se sustituye el valor de d obtenido con la Ec. 1 - 110 para obtener el valor de N con pendiente, tomando en cuenta el signo. Si la tubería sube, el signo debe ser (-) y cuando baja (+). Se itera hasta encontrar un número que difiera una o dos salidas del cálculo anterior. Cuando se tienen reguladores de presión, sin importar la pendiente, se calculan las pérdidas de carga para un número máximo de salidas en el distribuidor que genere velocidad del agua máxima de 2.0 m/s para evitar pérdidas de carga muy grandes. El número de salidas (N) se calcula con:
donde: D [mm] es el diámetro interior del distribuidor; Qsd [1/h] es el gasto de cada salida del distribuidor. Ajuste del número de emisores en la regante y salidas en el distribuidor. Generalmente la forma y el tamaño de cada lote influyen en la selección de las dimensiones de la sección de riego. Se deben escoger longitudes de tuberías regantes y distribuidoras submúltiplos de las dimensiones de los lotes, tratando de que todas las secciones de riego
sean del mismo tamaño y que se subdivida el gasto del sistema entre todas las secciones de riego sin afectar el gasto total de la bomba. Gasto en la tubería regante. Para calcular el gasto que entra en la tubería regante se requiere conocer el gasto medio de los emisores y se estima con:
donde: Qmed [L3T1] es el gasto medio de los emisores; Qe [L3T1] es el gasto del último emisor y k4 es el coeficiente de gasto. Se presentan los casos siguientes: a) Sin regulador de presión. Se utiliza el 30% de la pérdida de energía en la sección, por lo que debe utilizarse k4=1.0154; b) Con regulador de presión. Para aprovechar el 100% de la pérdida de energía en la sección, debe utilizarse k4= 1.0488.
Gasto de la última salida del distribuidor. Se determina de acuerdo con el tipo de sección de riego que alimenta. Si alimenta regantes de un sólo lado, queda:
• Pérdidas de carga en tuberías con salidas múltiples. Las pérdidas de carga corresponden a las pérdidas de carga en las tuberías regantes (Hr) o distribuidoras (Hd) y se calculan con:
donde: Hsm [m] es la pérdida de carga en la tubería de salidas múltiples y debe sustituirse por Hr o Hd, según sea el caso; k5 es el coeficiente de pérdidas de carga y tiene los valores déla tabla 1.6.11, según el caso que se trate; D [mm] es el diámetro interior de la tubería; N es el número de salidas en la tubería; Qs [1/h] es el gasto de la última salida de la tubería y Es [m] el espaciamiento entre salidas.
Después de calcular las pérdidas de carga en las tuberías, se comparan con las permisibles. Si son menores se aceptan; si son mayores, se reduce el número de emisores para ajustarías a las permisibles, si son menores se aceptan; si son mayores, se reduce el número de emisores para ajustarías a las permisibles. Tabla 1.6.10 Coeficientes de cálculo del número de salidas.
TIPO DE TUBERÍA
REGULADOR DE PRESIÓN EN LA REGANTE
K2
K2
Regante
Sin regulador
0.063 0.615
Regante
Con regulador
0.210 0.628
Distribuidor
Sin regulador
0.147 0.623
Distribuidor
Con regulador
■ Gasto de la sección de riego y número de secciones. Puede ser el gasto en la entrada del distribuidor o el doble si alimenta dos distribuidores. El gasto del distribuidor (Qd) [L3T"1] se obtiene con:
Cuando se trabaja con regulador de presión en las regantes y se alimenta sólo una regante, el gasto medio de cada salida del distribuidor coincide con el gasto de cada regante, así se obtiene Qsd=Qr. Si alimenta dos regantes de cada lado del distribuidor, se tiene que Qsd = 2Qr. El número de secciones que se riegan simultáneamente se obtiene dividiendo el gasto total del sistema de riego entre el gasto de la sección. Debe ajustarse para que se riegue un número de secciones con un gasto que sea prácticamente un submúltiplo del gasto del sistema.
• Pérdidas de carga en la conducción. Primero se determinan los gastos de operación necesarios por tramo de la conducción. Se calculan los diámetros máximo y mínimo con la expresión siguiente:
donde: D [m] es el diámetro interior de la tubería, k6 es el coeficiente de transformación de unidades y velocidad y Q [m3/s] es el gasto de la tubería. Se toma k6=1.19 para obtener el diámetro máximo y k6=0.8 para calcular el diámetro mínimo.
Se escoge el diámetro mínimo comercial que haya entre los límites obtenidos y se usa la fórmula 1-120 para calcular las pérdidas de carga por fricción para cada tramo. Q [m3/s] es el gasto del tramo y D [m] es el diámetro interior de la tubería. • Pérdidas de carga en el cabezal de control. Se deben considerar las pérdidas de carga nominales para los equipos que se instalen como son: decantador, dosificador de agroquímicos y filtros. La pérdida de carga máxima por filtro debe corresponder a cuatro m, que es la de operación estando sucio, debido a que es la condición crítica. • Pérdidas de carga localizadas en el sistema de riego. Todas las pérdidas de carga por accidentes que se presentan en las tuberías, unidades de control autónomo y por accesorios, se pueden calcular con las fórmulas tradicionales; sin embargo, para simplificar los cálculos se toma el 10 % de la suma de las pérdidas de carga en la sección de riego, en las tuberías de conducción y en el cabezal del sistema. • Carga potencial de posición. Los desniveles topográficos entre el equipo de bombeo y los diferentes sitios claves del sistema de riego, deben considerarse para aumentar la carga necesaria de bombeo cuando es desfavorable el desnivel, o reducirla en el caso de ser aprovechable hidráulicamente. • Carga total de operación del sistema. Se obtiene sumando todas las pérdidas de carga del sistema, tomando en cuenta la carga potencial de posición y la altura de bombeo. • Gasto del sistema. Cuando se seleccionan las secciones y las unidades de riego, se debe ajustar el gasto de las mismas al gasto de operación disponible en el equipo de bombeo. Se verifica el gasto del sistema (Qt) [L3T-1] con las ecuaciones siguientes: a) En función del gasto de las secciones:
Tabla 1.6.11 Coeficientes de cálculo del pérdida de carga.
TUBERÍA
REGULADOR DE PRESIÓN k5
Regante
Sin regulador
0.2324
Regante
Con regulador
0.2480
Distribuidor
Sin regulador
0.2489
Distribuidor
Con regulador
0.2254
Donde: So [ha] es la superficie que se riega simultáneamente; ETp [cm] es la evapotranspiración diaria; Nc es el número de días del ciclo de evapotranspiración; Nh es el número de horas de operación; Nd es el número de días de operación del sistema; CVq [decimal] es el coeficiente de variación del gasto del emisor y Ed [decimal] es la eficiencia de distribución. • Información para la selección de la bomba. Se requiere que la bomba y el motor generen la potencia y el gasto necesarios para que funcione correctamente el sistema de riego. En este tema se obtienen la carga total del sistema y su gasto de operación, que se utilizan en la selección de la bomba. En el tema de equipos de bombeo se trata detalladamente el procedimiento para la selección de la bomba. 1.6.3.3 Ejemplos a) Proyecto de riego por goteo puntual Se desea regar con un sistema de riego por goteo un predio plantado con cultivo de vid, que tiene forma rectangular, con 550 m de ancho y 725 m de largo. El terreno tiene pendientes en los dos linderos, S¡=1 % y S2=0.5 %. El agua se bombea desde un nivel dinámico de 35 m de profundidad.
Coeficiente de variación: CVq = 0.02. Diámetro interior del Dd = 0.075 m. distribuidor: Espaciamiento entre plantas: Ep = 1.5 m. Espaciamiento entre hileras: Eh = 3.0 m. Requerimiento de riego: ETp = 7 mm/día. Tiempo de operación: To = 6 días/semana.
■ Cálculo del volumen bruto diario. Se considera que se humedecerá el 80% del área total que corresponde a cada planta, por lo que Fí = 0.8
• Pérdidas de carga permisibles. No se usará regulador de presión en las tuberías regantes y se procede a calcular: » Pérdida de carga permisible en la sección. La carga hidráulica de operación del gotero es 10 m y se obtiene:
• Número máximo de goteros en la tubería regante. De acuerdo con la dirección de las hileras de plantas, se escoge que la tubería regante quede en la dirección de las hileras, en este caso el de la pendiente, 5 = 1 .0 porciento. Con los valores de: carga del último gotero He =10 m, diámetro interior de la tubería D = 0.013 m, espaciamiento entre emisores Ee = 0.75 m y gasto del último emisor Qe =4 l/h, se inicia la iteración. Primero se calcula el número máximo de goteros con la ec. 1-109, obteniendo lós valores de k2=0.063 y k3=0.615 en la tabla 1.6.10 y considerando el desnivel como cero; segundo, con la fórmula 1 -110 se obtiene el desnivel con el número calculado de salidas y la pendiente del terreno, y se vuelve a calcular el número de salidas y así sucesivamente. Se obtienen los valores de la tabla 1.6.12. Tabla 1.6.12 Resultados de las iteraciones para calcular N con la regante de bajada.
Iteración
d(m)
N
1
0.00
58
2
0.44
69
3
0.52
71
Como se obtuvo prácticamente el mismo número de emisores en la última iteración, se aceptan 71 goteros para la tubería regante de bajada. Calculando N con signo negativo para el desnivel, y considerando la tubería de subida, se obtienen los valores de la tabla 1.6.13. Tabla 1.6.13 Resultados de las iteraciones para N con la regante de subida.
Iteración
d(m)
N
1
0.00
58
2
0.44
39
3
0.29
47
4
035
44
5
0.33
45
Se toman 45 emisores para la tubería regante de subida.
Se verifican con la pérdida permisible, más el desnivel del terreno:
Se verifica con la pérdida de carga permisible, menos el desnivel del terreno.
• Cálculo de los números de salidas de los distribuidores. Primero se calcula el número máximo de salidas, considerando el desnivel como cero, luego se obtiene el desnivel con el número de salidas determinado y la pendiente del terreno y se vuelve a calcular el número de salidas y así, sucesivamente. Como la sección no tiene reguladores de presión en las regantes, el gasto de la última salida del distribuidor se obtiene de la manera siguiente: a) se calcula el gasto medio de los goteros, b) se obtiene el gasto de las regantes y c) se determina el gasto de la última salida del distribuidor.
Con la ecuación 1-109, obteniendo de la tabla 1.6.10 los valores k2=0.147 y k3=0.623 (para distribuidor con pendiente y sin regulador de presión en la regante), considerando el d=0 y sustituyendo He=10 m, D=75 mm, Es=3 m, pendiente 0.005 y el gasto obtenido, se calcula el número máximo de salidas de bajada con el proceso de iterar. Los resultados se muestran en la tabla 1.6.14. Tabla 1.6.14 Resultados de las iteraciones para N con el distribuidor de bajada.
Iteración
d(m)
N
1
0.00
44
2
0.66
50
3
0.75
51
Como se obtuvo prácticamente el mismo número de salidas en la última iteración, se aceptan 51 salidas en el distribuidor hacia abajo. Calculando N con signo negativo para el desnivel, se obtienen los valores de la tabla 1.6.15. Tabla 1.6.15 Resultados de las iteraciones para calcular N con el distribuidor de subida.
Iteración
d{m)
N
1
0.00
44
2
0.66
36
3
0.54
38
Se calcula la pérdida de carga del distribuidor con N = 38, que corresponde a la condición de suministro hacia arriba:
• Determinación del gasto de la sección y número de secciones. Como la sección no tiene reguladores de presión en las regantes, se calcula de la manera siguiente: a) se obtiene el gasto medio de las salidas del distribuidor, b) se determina el gasto de los distribuidores y c) se calcula el gasto de la sección.
El sistema trabajará con cuatro secciones de riego, operando simultáneamente con 12.5 l/s cada una. Se trazan las secciones en el plano para observar si hay problemas con las dimensiones. Ver el plano general del proyecto de riego por goteo tipo puntual, lámina 1.6.13 y las conexiones en la 1.6.14. Perdidas de carga en la conducción. Se define el trazo de la red, dividiendo el gasto lo más cerca posible de la bomba y separando al máximo las secciones de riego simultáneo. Se definen los gastos por tramo de la red y se define el camino crítico. En este caso, las tuberías de distribución funcionan con el gasto de la sección o con el doble. En el plano del proyecto se identifican los gastos de operación y con ellos se determinan los límites de diámetros, para su selección:
Considerando el gasto para dos secciones:
Diseño de zonas de riego carga hidráulica total necesaria CARGA HIDRÁULICA TOTAL NECESARIA Se requiere que la bomba sea capaz de bombear 50 Ips con la carga total del sistema. Ésta se obtiene sumando las pérdidas de carga del sistema, la carga potencial de posición y la altura de bombeo. Para calcular la carga potencial de posición, se toma en cuenta el desnivel topográfico a partir de la cota de la bomba hasta la parte más alta del sistema de riego. Cota de la base de la bomba 107.00 m
En el plano general del proyecto se determinan las longitudes de los tramos que deben considerarse para obtener el desnivel crítico y se tiene que: Tabla 1.6.18 Pérdida de carga hidráulica en el sistema.
CONCEPTO
H (M)
Pérdida de carga total
41.31
Desnivel del terreno
7.64
Altura de bombeo
35.00
TOTAL
84.01
b) Proyecto de riego por goteo de cinta Con un sistema de riego por goteo tipo cinta, se desea regar un predio plantado con cultivo de cebolla, que tiene forma trapecial. Las dimensiones se observan en el plano general del sistema de riego. El terreno está a nivel. Información complementaria:
El terreno tiene restricciones por la forma y el tamaño del terreno de acuerdo con el plano del proyecto. Se tiene altura de bombeo al nivel del terreno natural; se bombea de un cárcamo de bombeo. Cálculo del volumen bruto diario. Se considera que el área total se regará con el emisor, por lo que el factor de ajuste por área es F! = 1. Se tiene que se regarán seis de siete días, por lo que F2=7/6 = 1.17 es el factor de ajuste por tiempo de operación. El espaciamiento entre centros de hileras se tomó como espaciamiento entre regantes:
• Número máximo de goteros en la tubería regante. Con los valores de: carga del último gotero He=5.6 m, diámetro interior de la tubería D=0.016 m, espaciamiento entre emisores Ee=0.2032 m, gasto del último emisor Qe = 1 Iph, se inicia la iteración. Se calcula el número máximo de goteros con la ec. 1-109, obteniendo los valores de k2 = 0.63 y k3 = 0.615 en la tabla 1.6.10 y considerando el desnivel como cero. Se obtiene 270 goteros. Considerando el espaciamiento entre emisores, se obtiene la longitud de la tubería:
• Número máximo de salidas en el distribuidor. Como no se usa regulador, se calcula el gasto medio de los emisores de la siguiente forma: Con los valores de: carga del último gotero He=5.6 m, diámetro interior de la tubería D=0.1016 m, espaciamiento entre salidas Es=1.0 m, gasto de la última tubería Qe= 548.32 l/h, se inicia la iteración. Se calcula el número máximo de salidas con la ec. 1-109, obteniendo los valores de k2=0.147 y k3=0.623 en la tabla 1.6.10 y considerando el desnivel como cero.
De acuerdo con el plano en el lote se pueden colocar distribuidores que cubran anchos de:
Se considera que el sistema trabajará con tres secciones de riego, operando sólo una sección por turno de riego.
Pérdidas de carga en la conducción. En el
plano general se definen los gastos por tramo de la red y se define el camino crítico.
Se identifican los gastos de operación y con ellos se determinan los límites de diámetros para su selección Tabla 1.6.19 Características de las tuberías.
TRAMO L(M)
D (MM)
Q (L/S)
HF (M)N
A-B
108
153.4
19.0
0.72
B-C
108
153.4
19.0
0.72
C-D
236
153.4
19.4
1.56
TOTAL
452
En la tabla 1.6.19 se presentan las características hidráulicas de las tuberías. • Cálculo de pérdidas de carga en el control general del riego. Las especificaciones técnicas de los equipos de fertilización, filtrado y decantado, los proporciona el fabricante. Pérdida de carga por dosificador de agroquímicos. Seleccionando un venturi que succione 200 l/h de gasto para inyectar los fertilizantes al sistema, se pierden 9 m de carga hidráulica, pasando por el venturi 830 l/hora. Pérdida de carga por filtro. Se seleccionan los filtros de malla y de arena para que pasen 20 l/s por el sistema de filtrado; se considera que la pérdida de carga por filtros, funcionando sucios, no debe exceder 4 metros. • Pérdidas de carga localizadas en el sistema. Se suman las pérdidas de carga de todas las partes del sistema:
Las pérdidas de carga hidráulica en el sistema se presentan en la tabla 1.6.20. Pérdida de carga por hidrociclón. Para este caso se considera que la pérdida de carga es 0.5 m de acuerdo con las especificaciones del fabricante o del proveedor.
Tabla 1.6.20 Pérdida de carga hidráulica en el sistema.
CONCEPTO
H (M)
Gotero
5.6
Pérdida en la regante
0.3
Pérdida en el distribuidor
0.3
Pérdida de carga en la conducción
3.0
Pérdida en el fertilizador
9.0
Pérdida en el filtro
4.0
Pérdida en el hidrocición
0.5
Pérdida de carga localizadas
2.27
TOTAL
24.97
- Carga hidráulica total necesaria. Se requiere que la bomba sea capaz de bombear 20 l/s con la carga total del sistema. c) Proyecto de riego por microaspersión Información:
Tiempo de operación: To = 6 días/semana Pendiente del terreno: S = 2% • Cálculo del volumen bruto diario. Se considera que se humedecerá el 100% del área total que corresponde a cada árbol, por lo que el factor de ajuste por área de operación es: F1 = 1.0 Como el tiempo de operación es seis días a la semana, el factor de ajuste por tiempo de operación es F2 = 7/6 = 1.17
El espaciamiento entre centros de hileras se tomó como espaciamiento entre regantes: • Cálculo del tiempo de riego. El gasto del emisor recomendado fue 60 Iph con carga hidráulica de operación de 13.35 m, por lo que:
Se calcula el número máximo de salidas en el distribuidor. c) En el distribuidor las pérdidas de carga permisibles dependerán de que la velocidad • Pérdidas de carga permisibles. Se considera que se usará regulador de presión en las tuberías regantes, por lo que se tiene: del agua no sobrepase 2 m/s, y se calculen tomando en cuenta el gasto de las regantes, el cual debe ser constante, debido a los reguladores de presión.
Número máximo de emisores en la tubería regante. Se escoge que la tubería regante quede en la dirección con pendiente mínima, 5 = 0%. Carga del último emisor, He = 13.35 m. Espaciamiento entre emisores, Ee = 8 m. Gasto del último emisor, Qe = 60 Iph. Diámetro interior de la regante, Dr = 19 mm. Con la fórmula 1-109 se obtiene: N = 13 emisores Pérdidas de carga en las tuberías regantes. Se calculan las pérdidas de carga en la tubería regante: cuando la tubería regante tiene regulador de presión se usa la fórmula 1-116 para los datos de la regante: Hr = 2.38 m Se verifican con la pérdida permisible: Hperm = 2.80 m >hr = 2.38 m Se calculan las pérdidas de carga en el distribuidor. Cuando se usan reguladores de presión en las tuberías regantes, se determina el número máximo de salidas que genere velocidad media del agua, menor de 2 m/s para evitar generar pérdidas de carga muy grandes.
Se considera que el gasto promedio por salida es el gasto de la última regante, tomado dos veces, porque alimenta dos regantes en cada salida.
Se calculan las pérdidas de carga en el distribuidor: ciones. Como el TR = 8 h sólo puede haber tres unidades de riego. Cálculo de pérdidas de carga en la distribución. De acuerdo con el plano se define el trazo de la red, dividiendo el gasto lo más cerca posible de la bomba y separando al máximo las secciones de riego simultáneo. Se definen los gastos por tramo de la red y se define el camino crítico. En el plano de proyecto se identifican los gastos de operación y con ellos se determinan los límites de diámetros para su selección.
Considerando la colocación de las secciones de riego en el plano correspondiente al proyecto, se observa que los tramos de las tuberías que tienen las condiciones críticas son: 1-4 y 4-7, por lo que quedan: Se calculan los diámetros que se utilizarán: Tamaño de la sección. Tomando en cuenta que el Ne = 13 y el Nsd = 26, la sección de riego queda: En el sentido de la pendiente 2% la sección riega hacia los dos lados y tiene longitud de: L = 26x8x2 = 416m En el otro sentido el terreno está a nivel y se riega para los dos lados del distribuidor, por lo que el ancho de la sección queda: A=13x8x2 = 208 m La superficie de la sección de riego es:
S = 8.6528 ha.
Gasto de la sección de riego. Considerando que el distribuidor riega con 13 salidas en cada lado del distribuidor, queda:
Ahora, calculando las pérdidas de carga con la fórmula correspondiente, se tiene: Se pueden regar dos secciones simultáneamente y ajusfar el gasto del sistema a las 2 sec Cálculo de pérdidas de carga en el control general del equipo. Las especificaciones técni-
Tramo
L(m)
D (mm)
Q (Ips)
Hf (m)
0-3
520
200
50
5.79
0-6
624
160
25
5.71
Total
1144
Secciones
Turno de riego
1y4
I
2y5
II
3y6
III
11.50
Lámina 1.6.16a Plano general de riego por microaspersión.
! Lámina 1.6.16b Unidad de control general y cruceros en microaspersión. cas de los equipos de fertilización, decantación y filtrado los proporcionan los fabricantes. Pérdida de carga por dosificador de agroquí- micos. Seleccionando un venturi que succione 220 ph de gasto para inyectar los fertilizantes al sistema, se pierden 6 m de carga hidráulica, pasando por el venturi 650 litros por hora. Pérdida de carga por filtro. Se seleccionan los filtros de malla y arena para que pasen 50 l/s por el sistema de filtrado y se considera que la pérdida de carga, funcionando sucios, no debe exceder 4 metros. Pérdida de carga por hidrociclón. Para este caso se considera que la pérdida de carga es 1.0 m de acuerdo con las especificaciones del equipo.
■ Pérdidas de carga localizadas en el sistema.
Se suman las pérdidas de carga del sistema y se considera que el 10%, son las pérdidas de carga localizadas.
• Carga hidráulica total necesaria. Se requiere que la bomba sea capaz de bombear 50 l/s con la carga total del sistema. Si hay problemas de abatimiento del nivel de bombeo, se debe considerar el incremento de la altura de bombeo, por un lapso de cinco años o los necesarios para evitar la falta de capacidad en un tiempo corto. La cota de la base de la bomba es 100.00 y la tubería está a nivel. Sin embargo, las secciones de arriba requieren de presión para vencer el desnivel, por lo que se tiene que la longitud hacia arriba y hasta el extremo de los distribuidores, es 208 m y la pendiente es 2 porcien- to: d = 208 x 0.02 = 4.16 m Considerando una altura de bombeo de 40 m actual y un abatimiento de 1 .5 m por año, se tiene que en cinco años se bajaría el nivel 7.5 m. La altura de bombeo considerada es 47.5 metros
Lámina 1.6.17 Trazos de sistemas de riego por aspersión y movimiento periódico para diferentes condiciones topográficas. donde: A es la superficie factible de regarse, [L2]; Q es el gasto disponible en la bomba o en el la bocatoma del canal [L3T1]; Lb es la lámina bruta de riego, [L]; H es la fracción del número de horas del día que trabajará el equipo de riego, [TT1]; IR es el intervalo de riego, [7]; E son los días de descanso del sistema de riego entre cada intervalo de riego, [T],
La fuente de suministro de agua determinará la magnitud del gasto disponible. En un pozo el gasto será fijo, mientras que en un canal el gasto es variable, por lo que en un canal el gasto se podrá ajustar de acuerdo con las necesidades del diseño del sistema de riego. C. Selección del aspersor y determinación del espaciamiento entre aspersores y laterales Los aspersores se seleccionan considerando características tales como: presión de operación (baja, media o alta), radio de mojado, tamaño de la gota y ángulo de mojado.
El aspersor se selecciona por medio de tanteos, ejecutando los siguientes pasos: Proponer el tiempo de riego por posición, tr, con unidades de h/día. Se recomienda considerar de 6 a 11 horas. Calcular la velocidad de aplicación del aspersor, Va, con unidades de mm/h, donde Lb es la lámina bruta de riego (milímetros).
iii) Verificar que la velocidad de aplicación del aspersor (Va) sea menor que la infiltración básica del suelo (Va máx), (ver tabla 1.6.21).
Tabla 1.6.21 Velocidades máximas de aplicación (mm/h) para diferentes suelos y pendientes.
Pendientes (%)
TEXTURA DE SUELO 0-5
5-8
8-12
12-20 >20
Va máx
Arenas gruesas
50
40
30
20
12.5
Suelos ligeros francos
25
20
15
10
6
Franco limosos
13
10
8
5
3
Arcillas pesadas y
5
4
3
2
1
arenosos
francos arcillosos
Tabla 1.6.22 Espaciamiento máximo entre aspersores.
VELOCIDAD DEL VIENTO M/S
<2.7
Espaciamiento entre:
2.7 a 4.2
>4.2
Multiplicar el diámetro de mojado
por
aspersores
0.40
0.40
0.30
laterales
0.65
0.60
0.50
Seleccionar el aspersor que proporcione el gasto determinado en el paso y, anotando su marca, radio de mojado (rm), presión de operación (Pa) y carga de operación (Ha). Determinar la velocidad del viento a 2 m de altura sobre la superficie del suelo y obtener el espaciamiento máximo permisible, multiplicando el diámetro de mojado nominal del fabricante por el factor proproporcionado en la tabla 1.6.22. Los espaciamientos máximos deben ser mayores que los espaciamientos entre aspersores y líneas regantes. En caso contrario se selecciona otro aspersor y se regresa al paso vi. ix) Verificar que el tiempo de riego determinado en el paso i sea mayor que el calculado con la siguiente fórmula: Si esta condición no se satisface, disminuir el tiempo de riego por posición y regresar al paso ii En algunos cultivos, como el plátano, se deben utilizar aspersores de ángulo bajo.
D. Diseño de la tubería regante La longitud de la tubería regante (Li) se fija generalmente al trazar el sistema de riego. Para el diseño se selecciona el diámetro de la tubería regante que minimice las pérdidas por fricción, con el objeto de que todos los aspersores reciban casi la misma presión y proporcionen la uniformidad requerida. El número de aspersores (Na) se obtiene con: Tabla 1.6.23 Eficiencia de riego en diferentes climas.
CLIMA
EFICIENCIA
Desértico
65
Caliente y seco
70
Moderado
75
Húmedo o frío
80
Tabla 1.6.24 Valores típicos de C para ser usados en la ecuación de Hazen-Williams.
MATERIAL DEL TUBO
C
Plástico
150
Acero cubierto con epóxico
145
Asbesto cemento
140
Hierro galvanizado
135
Aluminio (con copies cada 30 ft)
130
Fierro nuevo
130
Fierro (15 años de uso) o concreto
100
En el caso de que Ni no resulte ser un número entero, se recomienda redondear N, y determinar el nuevo gasto con el cual se deberá operar el sistema de riego. La carga de operación de la bomba deberá ajustarse seleccionándose adecuadamente el diámetro del distribuidor. Otra opción es seleccionar otro aspersor que proporcione el gasto adecuado. El criterio para seleccionar el diámetro de la regante consiste en limitar las pérdidas de carga por fricción a un 20% de la carga de operación del aspersor, para que la variación del gasto entre los aspersores de una misma regante no sea mayor al 10 porciento. hfi perm < 0.2 Ha ± Hd (1 -131)
donde: hfi perm es la pérdida de carga por fricción permitida en el lateral, [L]; Hd es el desnivel de un extremo a otro de la regante; es negativo cuando el lateral está cuesta arriba y positivo, cuando está cuesta abajo, [L], La pérdida de carga por fricción de la regante se calcula con la ecuación de Hazen-Williams modificada por el coeficiente de salidas múltiples: Tabla 1.6.25 Coeficientes de salida múltiples, (CSM).
NÚMEROCSM
NÚMEROCSM
DE SALIDA (final)1 (mitad)2 DE
(final)1 (mitad)2
SALIDA
1
1.00
1.00
8
0.42
0.38
2
0.64
0.52
9
0.41
0.37
3
0.54
0.44
10-11
0.40
0.37
4
0.49
0.41
12-15
0.39
0.37
5
0.46
0.40
16-20
0.38
0.36
6
0.44
0.39
21-30
0.37
0.36
7
0.43
0.38
>31
0.36
0.36
El espaciamiento entre salidas en el mismo. La primera salida se encuentra a la mitad del espaciamiento. donde: Q es el gasto de la regante, l/s; C es el coeficiente de fricción que depende del material, tabla 1.6.24; CSM es el coeficiente de salidas múltiples, adimensional, tabla 1.6.25; D es el diámetro de la tubería regante, mm; K es el factor de homo- genización de unidades, K = 1.21 2*1012. La carga requerida a la entrada de la regante es proporcionada por la siguiente ecuación:
donde: H, en es la carga requerida a la entrada de la regante, [L]; He es la carga requerida para subir el agua a la altura del elevador, [L], • Pérdidas por fricción en tuberías telescopiadas.
El término telescopiado se utiliza para definir a la tubería que tiene más de dos diámetros sobre su longitud. Las tuberías se telescopian para economizar el diseño. Las pérdidas por fricción de estas tuberías se calculan comenzando del extremo final y terminando con el principio de la tubería; el procedimiento es el siguiente: «Primero se calcula la pérdida por fricción del extremo final de la tubería:
Segundo, se calcula la pérdida por fricción de L1+L2 como si toda la tubería fuera con diámetro D1,
Tercero, se calcula la pérdida por fricción de L2 como si ésta tuviera un diámetro D1, usando el gasto Q2:
El diámetro de la tubería de conducción se selecciona de manera que la velocidad del agua en la tubería no exceda 2 m/s para evitar el golpe de ariete. La fórmula de cálculo es la siguiente: En ocasiones el diámetro de la tubería de distribución se selecciona de tal manera que produzca una pérdida de carga para que la bomba opere en el punto deseado de la curva carga-gasto. (Para mayor detalle ver el inciso 1.7 de plantas de bombeo). Cuando el motor eléctrico no ha sido seleccionado se recomienda escoger el diámetro de menor costo, el cual se obtiene de la combinación que dé el mínimo de la suma de costos fijos y variables. F. Presión requerida a la entrada del sistema La carga total que requiere la bomba se calcula con: donde: Hac es la carga requerida en los accesorios (válvulas); Hp es la carga requerida en la tubería principal. H. Ejemplo: Diseñar un sistema de riego portátil, dada la siguiente información: Profundidad de raíces del cultivo de la papa: Pr = 70 cm Suelo de textura franco-arenosa: 6cc = 0.19 y 6 pmp = 0.07, pendiente 2% Fracción del agua del suelo fácilmente disponible para las plantas: f = 50 %
Lámina 1.6.18 Plano con la ubicación del pozo y las dimensiones del terreno. La lámina bruta se obtiene dividiendo la lámina de riego (Lr =4.2 cm) entre la eficiencia de riego (Ea = 0.7), resultando Lb = 6 centímetros. Finalmente, la velocidad de aplicación del aspersor, se calcula con la fórmula 1-124, resultando:
c) La velocidad máxima de aplicación del aspersor, según el tipo de suelo y de pendiente (Va máx = 25 mm/hr), (tabla 1 -46) Va < Va max 5.5 mm/hr < 25 mm/hr La velocidad de aplicación del aspersor es menor a la máxima permitida, por lo que se continúa con la secuencia. Clima caliente: Ea = 0.7. Tabla 1.6.23 Evapotranspiración potencial diaria máxima: ETd = 7.5 mm/día Velocidad del viento a 2 m de altura 5 km/hr = 1.4m/s
Gasto del pozo: Q = 22 l/s La ubicación del pozo y las dimensiones del terreno se presentan en la lámina 1.6.18. • Selección del aspersor Se propone un tiempo de riego por posición de 11 h/día para realizar dos posiciones por día. Cálculo de la velocidad de aplicación del aspersor, Va, mm/hora: La lámina de riego (Lr) se obtiene sustituyendo dcc = 0.19 y dpmp = 0.07, f=0.5, y Pr =70 cm en la ecuación 1 -31, resultando en 4.2 centímetros.
f) Seleccionar el aspersor del catálogo del fabricante que proporcione aproximadamente el gasto de 1.1 9 m3/h, anotando su marca, radio de mojado (rm) y presión de operación (Pa). El intervalo de riego se obtiene dividiendo la lámina de riego (Lr) entre la evapotranspiración de diseño (ETd). d) Escoger espaciamiento entre aspersores y laterales. Entre las tuberías comerciales se escoge: Espaciamiento entre aspersores: Ea= 12 m Espaciamiento entre laterales: Nota: Es posible escoger un aspersor que tenga un gasto de hasta 5.4 m3/h (1 .5 l/s) debido a que el suelo de textura franco arenosa permite una velocidad máxima de aplicación del aspersor de 25 mm/hora. Gasto = 1.22 m3/h. Marca ~ modelo X, diámetro de boquilla = 4.4 mm, boquilla sencilla y tapón, aspersor de impacto. Diámetro de mojado = 30 m Presión de operación = 3 ATM. Carga de operación (Ha) = 30 m (se convirtió de ATM a metros). gasto de la regante = 5.5 l/s (22/4) y gasto del aspersor = 0.34 l/s (5.5/1 6). La carga que se permite perder en la regante (hf perm) se calcula introduciendo la carga de operación del aspersor (Ha = 30) y considerando una pendiente de 0% en la ecuación 1-1 31, resultado hf perm = 6 metros. El diámetro de la regante se calcula despejando el diámetro de la ecuación 1-132, esto es:
g) Multiplicar el diámetro nominal del fabricante, por el factor de la tabla 1.6.22. (velocidad del viento 1 .4 m/s), se obtiene: Espaciamiento entre aspersores = 0.40 * 30 = 1 2 m Espaciamiento entre líneas regantes = 0.65 * 30 = 19.5 m
h) El espaciamiento máximo permisible es mayor que el espaciamiento entre el aspersor y la regante, por lo que se aceptan los espaciamientos propuestos y se continúa la secuencia. D = 60 mm = 75 mm Nota: Se escoge el diámetro inmediato superior, el cual es de 3 pulgadas, y tiene una pérdida por fricción del .8 m. La carga requerida en la entrada de la regante, considerando una altura de elevador de 70 cm, se calcula con la ecuación 1-133, esto es:
i) Verificar que el tiempo de riego determinado en el paso a sea mayor que el calculado, con la fórmula 1-127: Por lo tanto, se escoge este aspersor. • Selección de la regante El número de aspersores (Na) por línea regante se calcula con la introducción de Ea = 1 2 m y L1 =200 m en la ecuación 1-128, obteniéndose Na=16. El gasto de la regante (Q^ se obtiene de la ecuación 1-129 con los datos Na= 16 y qa = 1 .22 m3/h (0.34 l/s), resultando Q^ = 5.4 l/segundos.
El número de regantes (N,) que trabajarán simultáneamente se obtiene con la ecuación 2-1 30, utilizando los datos Q = 22 l/s y Q, = 5.4 l/s, obteniéndose N, = 4.1, por lo que se redondea a 4. Recalcu lando el gasto de la regante y del aspersor:
La tubería de conducción se telescopia con dos diámetros con la finalidad de abaratar costos. El diámetro de la primera parte de la tubería se calcula sustituyendo Q = 22 l/s en la fórmula 1-139, resultando D = 118 mm, por lo que se escoge un diámetro comercial de 5 pulgadas. El diámetro de la segunda parte de la tubería se calcula utilizando la misma fórmula con un gasto de 11 l/s, resultando un diámetro de 83 mm, por lo que se escoge un diámetro comercial de 4 pulgadas. La pérdida por fricción en una tubería de aluminio de dos diámetros y que alimenta a 4 regantes que utilizan 5.5 l/s cada una, se calcula con el siguiente procedimiento:
Datos:
La pérdida por fricción de la tubería telescopiada es de 9.4 metros. La carga que requiere la bomba es de:
Primero, se calcula la pérdida por fricción del extremo final de la tubería:
Nota: Se considera que se pierden 2 m en las válvulas y conexiones. El número de posiciones de riego o el número de cambios de la tubería regante se calcula de la siguiente manera:
El número de posiciones regadas en un día se calcula: Posiciones por día - 4 laterales * 2 posiciones/día, Posiciones por día = 8
Número de días requeridos para regar las 27 posiciones:
En cuatro días se riega aproximadamente todo el terreno. Este periodo es menor al intervalo de riego, por lo que se acepta el diseño.
La lista de partes del sistema de riego portátil es la siguiente:
1.6.4.2 Cañón viajero Este sistema de riego se adapta bien a terrenos de topografía ondulada y en zonas húmedas donde el riego es suplementario. Los aspersores aplican por lo menos 6.3 l/s, siendo normal aplicar 32 l/s con una presión de 56 m. Los aspersores tienen un diámetro de boquilla igual o mayor que 16 mm (5/8 in) y rotan debido al principio de impulso momento, mediante el cual se motiva un torque por la reacción que produce el agua al salir de la boquilla y que al impactarse sobre el brazo giratorio del aspersor lo mueve hacia atrás; un resorte lo regresa a su posición original. Los sistemas de cañón viajero están compuestos por la planta de bombeo, tubería de conducción, manguera flexible y aspersor, y se clasifican en sistemas portátiles y de movimiento continuo. Los sistemas portátiles generalmente se encuentran sobre una base con ruedas y se arrastran por medio del tractor. Los cañones de movimiento continuo tienen una manguera flexible de 75 a 1 30 mm de diámetro con una longitud de 400 m, pudiendo ser autopropulsados y guiados por un cable que les indica qué camino seguir, o bien, pueden ser tirados por una manguera flexible que se enrolla en un carrete (lámina 1.6.19). A. Trazo del sistema de riego Para el trazo del sistema de cañón viajero se deben considerar los siguientes puntos: Lámina 1.6.19 Trazo de riego de un cañón viajero jalado por cables. a) El sistema se debe diseñar para realizar uno o dos cambios por día como máximo, dejando 1 hora para hacer el cambio de posición.
Debido a que los márgenes del terreno reciben menos agua que el resto del terreno (aproximadamente 50% menos), el cañón se debe dejar un poco más de tiempo en esta posición, pero tratando de minimizar el desperdicio. Generalmente se recomienda comenzar y terminar el riego cuando las 2/3 partes del radio de mojado del aspersor estén dentro del margen del terreno. Los cañones deben transitar en el mismo sentido que las hileras de los cultivos; se recomienda regar perpendicularmente el terreno con pendientes empinadas. Debido a que las velocidades de aplicación de estos sistemas son altas, se recomienda que en suelos de permeabilidad baja se aumente el número de cañones y se reduzca el gasto por cañón. Los aspersores de los cañones pueden tener velocidades de aplicación de 7.5 a 1 5 mm/h para gastos de 20 a 60 l/segundo. Fijar el ancho del espaciamiento entre franjas de riego, considerando un pequeño traslape entre los radios de mojado de los aspersores (10% del radio). Área factible de regarse La capacidad del sistema de riego depende del gasto del pozo o del gasto de la toma del canal. La superficie regable se puede calcular con la ec. (1-123). Selección del aspersor Las características que se deben considerar para seleccionar el aspersor son: presión de operación, ángulo de trayectoria del chorro y tamaño de la boquilla del aspersor. Estas características dependen de la infiltración del suelo, del espaciamiento entre posiciones de riego, de las condiciones del viento y del cultivo. • Ángulo de inclinación del aspersor El ángulo de inclinación del aspersor varía entre 18 y 32°; para seleccionarlo se debe considerar la inclinación óptima para aumentar la cobertura de mojado y disminuir el impacto de las gotas sobre el suelo. En el caso de que se presenten vientos con velocidades mayores a 16 km/h, se recomienda utilizar ángulos pequeños para producir una Tabla 1.6.26 Gastos típicos y diámetros de mojado para cañones con un ángulo de 24°, operando sin viento.
PRESIÓN 20.3 DEL ASPERSOR
DIÁMETRO DE LA BOQUILLA, MM 25.4 30.4 35.6 Gasto y diámetro del aspersor
40.6
m
l/s
m
l/s
m
l/s
m
l/s
m
l/s
m
42.0
9.0
86.9
14.2
99.1
20.8
111.3
_
_
—
_
49.0
9.8
91.4
18.9
103.6
22.4
115.8
30.3
132.6
-
-
56.0
10.4
94.5
19.6
108.2
24.0
120.4
32.5
138.7
42.6
146.3
63.0
11.0
97.5
20.2
11.3
25.6
125.0
34.4
143.3
45.1
150.9
70.0
11.7
100.6
20.8
114.3
26.8
125.0
36.3
146.3
47.6
155.4
77.0
12.3
103.6
21.5
117.3
28.1
131,1
38.2
149.4
49.8
158.5
84.0
12.9
106.7
22.1
120.4
29.3
134.1
39.8
152..4
52.1
163.1
buena cobertura de mojado. Las inclinaciones pequeñas pueden afectar los cultivos robustos y crear erosión en suelos desnudos. Cuando la velocidad media del viento varía entre 2.7 y 4.2 m/s, se recomienda utilizar aspersores con ángulos de trayectoria entre 23 y 25°. Los gastos y diámetros típicos de un aspersor con un ángulo de 24°, se muestran en la tabla 1.6.26.
• Boquilla del aspersor Existen dos tipos de boquilla, la telescopiada y la de orificio. La boquilla telescopiada produce un chorro compacto y un mayor diámetro de mojado, lo que permite un espaciamiento grande entre franjas de riego. La boquilla de orificio produce gotas pequeñas, lo que es adecuado para el riego de cultivos frágiles.
Para seleccionar el aspersor, es importante verificar que la velocidad de aplicación del aspersor sea menor que la máxima velocidad de aplicación, (tabla 1.6.21).
La fórmula es la siguiente:
donde: Va es la velocidad media de aplicación del aspersor, [L/T]; qa es el gasto del aspersor, [L3/T]; re es el radio efectivo de mojado del aspersor, [L], re = 0.9 * radio proporcionado por el fabricante; coc es el sector del círculo que recibe el agua, [grados], (lámina 1.6.19). Esta ecuación utiliza 90% del radio para considerar 10% de traslape entre franjas regadas. Debido a que estos sistemas de riego producen gotas de agua más grandes, la velocidad máxima de aplicación se obtiene multiplicando la velocidad de aplicación proporcionada en la tabla 1.6.21 por 0.75. La velocidad del cañón viajero (Vc) se calcula con la siguiente fórmula: donde: Er es el espaciamiento entre líneas de recorrido del cañón [L]. El tiempo de recorrido del cañón (tr) se calcula con la siguiente expresión: D. Selección de la manguera Debido a que la fuerza requerida para arrastrar la manguera es proporcional al cuadrado de su diámetro, normalmente se utilizan mangueras pequeñas que conduzcan gastos grandes. Los diámetros recomendados para cada gasto y sus pérdidas por fricción, son proporcionados en la tabla 1.6.27. Tabla 1.6.27 Selección de la manguera del cañón viajero y pérdida por fricción estimada en m/100m.
16.3
3.7
9.5
7.9
3.2
12.6
12.9
5.5
15.8
8.3
2.2
18.9
11.8
3.1
1.4
25.2
5.3
2.9
31.5
8.1
4.8
2.5
37.9
11.3
6.1
3.7
44.2
8.2
4.9
50.5
10.5
6.2
68.8
7.9
63.1
9.7
Profundidad de raíces del cultivo de caña de azúcar: Pr = 80 cm Suelo franco arenoso (70% arena y 20% arcilla) con una pendiente del 5% en el sentido de la longitud de 400 metros. Fracción del agua disponible para la planta: f =0.5 Evapotranspiración potencial diaria máxima: ETd = 6 mm/día Eficiencia de aplicación: Ea = 70% La bomba deberá trabajar solamente 23 horas por día: H = 23/24 = 0.96. Determine el trazo de riego, gasto, número y tipo de aspersor y la presión requerida a la entrada de la manguera. SOLUCIÓN
Espaciamiento entre líneas de recorridos del cañón El espaciamiento entre recorridos determinará la uniformidad de aplicación del cañón. El espaciamiento entre aspersores depende de la velocidad del viento y del tipo de aspersor seleccionado. Para aspersores con ángulos de trayectoria entre 23 y 25°, se recomienda multiplicar el diámetro nominal de mojado del aspersor por el factor proporcionado en la tabla 1.6.28. Ejemplo Diseñar un sistema de riego de cañón viajero para un campo de 32 ha, con dimensiones de 800 m de longitud y 400 m de ancho, dada la siguiente información: Pozo situado en la margen superior izquierda del terreno.
Gasto de la bomba: El intervalo de riego se obtiene dividiendo la lámina de riego (Lr = 2.6 cm) entre la evapotranspiración de diseño (ETd = 5 mm/día), resultando IR = 5 días. La lámina bruta de riego se obtiene dividiendo la lámina de riego (Lr 2.6 cm) entre la eficiencia de riego (Ea = 0.7), dando como resultado Lb = 3.71 centímetros. El gasto requerido en la bomba se obtiene sustituyendo los valores de A = 32 ha, Lb = 3.25 cm, Ir = 4 días y H = 0.96, en la ecuación 1-64, obteniéndose Q = 31 .3 l/s. Debido a que el gasto requerido es menor al disponible, sí es factible regar las 32 hectáreas. • Selección del aspersor Si seleccionamos un solo cañón para regar las 32 ha, el gasto de cañón es de 35 l/s. El aspersor seleccionado de acuerdo con la tabla 1.6.12 para un gasto de 35 l/s, tiene un diámetro en la boquilla de 35.6 mm, un diámetro de mojado de 144 m, y opera con una carga de 65 metros. ■ Velocidad de aplicación del aspersor Con los datos de gasto (Q = 35 l/s), radio de mojado (rm = 72 m) y sector del círculo de mojado (c = 270), de acuerdo con la ecuación 1-1 41, la velocidad de aplicación del aspersor es igual a 1 2.7 mm/hora.
De acuerdo con la tabla 1.6.21 para un suelo franco arenoso y una pendiente del 5%, la velocidad máxima de aplicación es de 25 mm/h. La velocidad máxima de aplicación se disminuye en un 25%, resultando en 18.75 mm/h. Esta velocidad máxima de aplicación es mayor que la calculada en 12.7 mm/h, por lo que el aspersor seleccionado es adecuado.
Para velocidades de viento de 4 m/s se recomienda traslapar los diámetros de mojado, multiplicando el diámetro nominal proporcionado por el fabricante por el factor de 0.6 de la tabla 1.6.28. El espaciamiento entre recorridos, que resulta de los traslapes de los aspersores, es de 86.4 m (144*0.6 = 86.4). Si el ancho del terreno es de 800 m se podrían realizar 9,10, 11 o 12 recorridos. Resulta económico y práctico realizar 9 recorridos, debido a que el espaciamiento de 89 m se aproxima al calculado de 86.4 metros. • Tiempo de recorrido del cañón La velocidad del cañón viajero se calcula de acuerdo con la fórmula 1-142, con qa = 0.035 m3/s, Er = 89 m y Lb = 0.0325m, resultando 0.73 m/minuto. El tiempo requerido para recorrer 200 m se calcula sustituyendo la longitud = 200 m y Ve = 0.72 m/min en la fórmula 1 -143, resultando tr = 274 mm (4 h 34 mm). Si se utiliza 1 h 26 mm para cambiar de posición, el riego de todo el terreno se podría completar en aproximadamente 4.5 días. Debido a que este tiempo es menor al intervalo de riego se acepta este diseño. ' Carga requerida a la entrada de la manguera La pérdida de carga por fricción en 100 m de manguera para un gasto de 35 l/s, y un diámetro de 114.3 mm se obtiene de interpolar linealmente los valores de 4.8 y 6.1 de la tabla 1.6.27, resultando el valor de 5.5 por lo que hf manguera es igual a 11 metros. • Diámetro y carga requerida en la tubería principal El diámetro de la tubería de conducción se calcula con la fórmula 1-1 39, resultando un diámetro de 6 pulgadas. Las pérdidas por fricción para una tubería de PVC de 6 pulgadas se calculan de la siguiente manera:
COMPONENTE
PRESIÓN, m
Aspersor (operación)
63
Manguera (fricción)
11
Vehículo del cañón *
6
Elevador (altura) *
5
Total (en la manguera)
85
Tubería de conducción
19.8
Carga total
104.8
* Proporcionados por el fabricante La pérdida de carga de todos los componentes de sistema son las siguientes: El trazo del sistema de riego se muestra en la lámina 1.6.20, y la lista de partes requeridas para instalar el sistema de riego de cañón viajero son las siguientes:
CONCEPTO
NÚMERO
Hidrante de 6 pulgadas Válvula de acoplamiento rápido Cañón de 35 L/s
91 1
Tubería de PVC con 6 pulgadas de diámetro, resistencia de 200 PSI (140 m)
956.5
Lámina 1.6.20 Trazo esquemático de un sistema de riego de cañón viajero. 1 .6.4.3 Pivote central
Este sistema de riego consiste en una tubería regante que se mueve en círculo alrededor de un punto fijo que lo alimenta de agua. La tubería es soportada por torres metálicas y es movida por ruedas autopropulsadas mediante un motor eléctrico (o hidráulico). Las torres metálicas están espaciadas de 30 a 50 m; y el diámetro de la regante varía de 100 a 250 mm. Las longitudes de las regantes son variables, pero, debido a que el costo del sistema es proporcional a su longitud, se recomienda que éstas sean mayores a 400 m. Cuando la tubería regante es muy larga (mayor de 530 m), se producen altas velocidades de aplicación en las orillas del terreno, provocando escurrimientos en varios tipos de suelos. La línea regante se alinea por medio de un sistema de control que regula la velocidad de la torre. Si la alineación falla, debido al atascamiento u obstrucción de una rueda, el sistema suspende su funcionamiento. A. Trazo del sistema de riego Este sistema riega principalmente áreas circulares, aunque también puede regar áreas cuadradas si se le integra un equipo especial para regar las esquinas, pero esto elevará considerablemente su costo. En el caso de regar un terreno cuadrado con un pivote de 400 m de longitud, se podrán regar 50 ha, quedando 14 sin regar (el 20 porciento). B. Capacidad del sistema de riego El área factible de regarse con un gasto dado, se calcula:
donde: ETd es la evapotranspiración pico o de diseño, (mm/día); Q es el gasto suministrado, (l/s); A es la superficie factible de regarse, (ha); K es el factor de homogenización de unidades (K = 8.64); Ea es la eficiencia de aplicación del sistema. C. Velocidad de aplicación del aspersor El problema más común del pivote central es el escurrimiento, por lo que es vital que la velocidad de aplicación del aspersor sea menor a la velocidad de infiltración del suelo. La velocidad de aplicación varía con respecto a la distancia del punto pivote. Cerca de éste la velocidad de aplicación es pequeña y el tiempo de aplicación largo; lejos de éste, la velocidad de aplicación aumenta con el radio de la regante, mientras que el tiempo de aplicación disminuye, (lámina 1.6.21). La mayor velocidad de aplicación se tendrá en los últimos aspersores ubicados en la orilla de la regante, por lo que
Lámina 1.6.21 Velocidades de aplicación y tiempos de riego para aspersores ubicados en diferentes posiciones del pivote central. En la parte superior derecha se ubican los aspersores A, B y C. en el diseño se requiere que la velocidad de aplicación de este último aspersor no exceda la capacidad de infiltración del suelo.
Considerando un padrón de distribución de agua de forma elíptica, la velocidad de aplicación del último aspersor se calcula: donde: Va es la velocidad de aplicación del último aspersor, [LT-1]; Q es el gasto que entra al pivote, [L]; rm es el radio de mojado del aspersor, [L]; Rt es la distancia del pivote a la última torre, [L]. A partir de esta fórmula se observa que la velocidad de aplicación del aspersor dependerá del tamaño de sus boquillas, de su presión, del espaciamiento entre aspersores, de la longitud del lateral y del tipo de aspersor. En el caso de que la velocidad de aplicación del aspersor sea mayor a la velocidad de infiltración, se recomienda: reducir la longitud del lateral (capacidad del sistema de riego), obtener un aspersor que tenga el mismo gasto y que produzca un mayor radio de mojado, o bien, aplicar una lámina mas pequeña.
La lámina bruta promedio aplicada en cada revolución (Lb) se calcula con la siguiente fórmula:
La lámina de riego dependerá del tiempo que tarde el pivote en dar una revolución completa y se calcula: donde: 24 es un factor de homogenización de unidades, tr es el tiempo en horas que requiere el pivote central para completar una revolución o vuelta completa [T]; RT es la distancia del pivote a la última torre, [L]; vt es la velocidad de la última torre, m/s; ro es la velocidad angular de la última torre [L T"1]. Si el pivote tarda 3 días en dar una vuelta, entonces co = 2jt/3 dias = 8.73*10"2 rad/hora. D. Selección del aspersor Las principales variables que se consideran para seleccionar el paquete de aspersores son: el espaciamiento entre aspersores y el tipo de aspersor. Los espaciamientos más utilizados son: Espaciamiento uniforme. Los aspersores se espacian entre 9 y 1 2m y su gasto se incrementa en proporción directa con la distancia de éste al punto pivote. El diámetro de mojado también aumenta, pero no en proporción a su descarga.
Espaciamiento semiuniforme, donde la regante es dividida en tres segmentos, para utilizar diferentes espaciamientos. Descarga uniforme de los aspersores, en la que el espaciamiento es de 1 2 m cerca del pivote y va decreciendo a 1 . 5 m en las orillas. El espaciamiento del aspersor está en proporción inversa a la distancia radial del pivote, por lo que el espaciamiento por la distancia radial es constante. El espaciamiento uniforme es el más utilizado por su facilidad de fabricación e instalación, pero requiere de aspersores más grandes. Con el fin de evitar problemas con los aspersores grandes, frecuentemente se utiliza el espaciamiento semiuniforme, siendo común el espaciamiento de los aspersores a 1 2 m en la primera parte, a 6 m en la segunda y de 3 m al final. La estrategia general para seleccionar el aspersor y el tamaño de sus boquillas es: Determinar la distribución del gasto, considerando el gasto requerido por cada aspersor con el fin de lograr una buena uniformidad. Determinar la carga mínima de operación del aspersor. Determinar la distribución de presión o cargas a lo largo de la regante. Con la presión y el gasto seleccionar el diámetro de la boquilla. • Determinación de la distribución del gasto El gasto por aspersor se obtiene con la siguiente fórmula:
La ecuación (1-148) se utiliza para calcular el gasto del aspersor en cada posición del pivote central. • Distribución de presión
Para calcular la presión de operación de cada aspersor se utiliza la ecuación propuesta de Chu y Moe (1972).
donde: qc es el gasto del cañón, (l/s); Q es el gasto total del sistema considerando el cañón, (l/segundos). E. Diámetro de la tubería lateral El diámetro de la tubería lateral del pivote central se selecciona utilizando la regla de que las pérdidas de carga por fricción en el lateral no deben exceder el 20% de la carga de operación del aspersor, con el fin de que las variaciones del gasto entre el primer y el último aspersor no sobrepasen el 10%. Considerando esta regla, donde:
La pérdida de carga por fricción en una regante sin salidas se calcula con la siguiente fórmula:
donde: K= 1.21 2*1012; Q es el gasto del lateral, [l/s]; C es el coeficiente de fricción que depende del material [sin dimensiones]; D es el diámetro del lateral [mm]; L es la longitud del lateral [metros]. La pérdida por fricción en la tubería se calcula multiplicando la pérdida por fricción de la tubería como si ésta no tuviera salidas por el factor 0.543.
donde: hfL es la pérdida por fricción en el lateral considerando salidas. Carga requerida a la entrada de la tubería lateral La carga que se requiere en el lateral, es la suma de la pérdida de carga por fricción en el lateral más la carga de operación del aspersor. En el caso de que el pivote cuente con un cañón en la parte final, a la pérdida por fricción del lateral se le suma la máxima carga de operación, ya sea la del aspersor o la del cañón. Ejemplo Diseñar un sistema de riego para un terreno cuadrado de 64 ha y calcular el gasto, la presión y el tamaño de la boquilla de un aspersor que se localiza a una distancia de 1 50 m. El terreno se va plantar con maíz en un suelo franco arenoso (70% arena, 20% arcilla) con una pendiente del 2 porciento. Dimensiones del terreno: 800 * 800 m Evapotranspiración de diseño: ETd = 7 mm/día Clima caliente: Eficiencia de aplicación: Ea = 0.7
- Velocidad de la última torre a 388 m: Vt = 2m/min Si el Pivote se coloca en el centro del terreno, entonces el radio del pivote es de 400 m y 50.3 ha son regadas por el pivote (jt *(400)2 = 50.3 hectáreas). El gasto requerido por el pivote se calcula con la fórmula 1-144, sustituyendo los valores A = 50.3 ha, ETd = 7 mm/día y Ea = 0.7, resultando Q = 58.22 l/segundos.
El tiempo mínimo requerido para dar una revolución completa, se calcula con la fórmula 1-146, resultando tr = 20.3 h por revolución.
La lámina de riego que se aplica en una revolución se calcula sustituyendo la máxima evapotranspiración potencial diaria: ETd = 7 mm/día; la eficiencia de aplicación: Ea = 0.7; y el tiempo de 20.3 hr por revolución, en la fórmula 1147, resultando Lb 8.46 mm/revolución. El paquete de aspersores del pivote se selecciona considerando las siguientes características: Q = 58.22 l/s Material de aluminio (C = 120) Longitud del pivote = 402 m Carga al final del cañón = 45.5 m (65 PSI) Diámetro del lateral = 201.9 mm Espaciamiento entre aspersores = 6 m El procedimiento para seleccionar el aspersor que se ubica a una distancia de 150 m del pivote es el siguiente: a) Gasto del aspersor c) El diámetro de la boquilla del aspersor se selecciona del catálogo del fabricante, con base en el gasto (0.648 l/s) y en la presión de operación del aspersor (49.1 m), obteniéndose un diámetro de boquilla de 5.1 milímetros. La velocidad de aplicación del último aspersor se calcula sustituyendo el gasto: Q = 58.22 l/s; la distancia del pivote a la última torre: Rt = 388 m; y el radio de mojado del aspersor: rm = 20 m, en la ecuación 1-145, resultando Va = 34.4 mm/hora.
Diseño de zonas de riego redes pequeñas con tubería de baja presión Capítulo
Introducción Diseño de redes pequeñas con tubería de baja presión Gustavo Magaña Sosa Vicente Ángeles Montiel Introducción Uno de los retos más importantes en la modernización del riego en México es obtener altas eficiencias en el uso global del agua, así como conseguir la entrega oportuna del líquido para lograr altos rendimientos agrícolas. En este sentido, la infraestructura hidroagrícola juega un papel fundamental y para cumplir con su objetivo es necesario que tenga la capacidad suficiente para conducir el agua demandada y que su estado de mantenimiento sea bueno. Además es deseable que el costo por concepto de mantenimiento sea mínimo. Para lograr lo anterior existen varias alternativas. En este capítulo se presenta una de ellas, que consiste en proyectar pequeñas redes interparcelarias de riego a base de tubería de baja presión, para riego por gravedad. Esta opción se plantea para superficies entre 50 y 300 ha, aunque es válida y recomendable para superficies mayores. En países con experiencia en el manejo de este tipo de redes, éstas se proyectan para riego a la demanda, es decir, para que los usuarios puedan disponer del agua en el momento que estimen oportuno y durante el tiempo que deseen. En México este tipo de distribución no existe. El que predomina se basa en la demanda controlada, en la que el usuario hace su solicitud y cierto tiempo después se le entrega el agua. Es necesario que en el diseño se procure la máxima flexibilidad en el manejo de la red, entendiendo por flexibilidad la capacidad que el sistema tiene para poder entregar el agua a los usuarios en tiempos relativamente cortos. Lograr una mayor flexibilidad implica un ligero sobredimensionamiento de la red con respecto al riego por turnos, y por lo tanto, un mayor costo inicial. Con ello se busca que los sistemas de distribución interparcelarios puedan garantizar el suministro oportuno del agua y no constituyan una limitante a futuro en caso de que se modernicen los sistemas de distribución mayor. La red interparcelaria de riego se compone de canales o tuberías de baja presión que abastecen directamente a un grupo de dos o más parcelas, localizadas aguas debajo de una toma granja. La característica principal de un sistema de distribución a base de tubería de baja presión es su alta flexibilidad en el manejo del agua y su alta eficiencia de conducción. Si se compara con un sistema tradicional de redes de canales se tienen las siguientes ventajas: • Presenta pocas pérdidas de agua por filtración y evaporación, con lo que se incrementa significativamente la eficiencia de conducción. • Presenta una rápida respuesta, ya que la red generalmente permanece llena. • Su costo por mantenimiento es mínimo. • Es de operación sencilla. • Si se proyecta a la demanda, el usuario tiene gran libertad para la elección del momento de riego y de la cantidad de agua que quiera utilizar.
• Puede conseguirse una longitud menor de la red, debido a que su trazo no esta obligado a seguir los linderos, ni determinada pendiente. En redes mayores, una de las principales ventajas de este sistema de distribución radica en la facilidad para poder seguir las fluctuaciones de las demandas en forma prácticamente instantánea, sin la intervención manual de los operarios, haciendo uso de los avances tecnológicos en el campo de la transferencia de datos a través de estaciones remotas. A continuación se presenta el procedimiento para proyectar redes pequeñas de riego con tubería de baja presión, en dos partes. En la primera, se aborda el problema del trazo de la red y la determinación del gasto de diseño en cada tramo de la red. En la segunda, se discute el procedimiento para definir los diámetros económicos óptimos en cada tramo de la red. Finalmente se presenta un ejemplo. 2.1 Trazo y gasto de diseño de redes pequeñas 2.1.1 Información básica La información básica requerida para proyectar una red a base de tubería de baja presión es la siguiente: • Lámina bruta e intervalo crítico de riego durante el periodo de máxima demanda (ver subcapítulo 1.2). • Gasto por surco o por ancho unitario de melga que maximiza la eficiencia de aplicación del riego (ver subcapítulo 1.5). • Longitud máxima de riego. • Plano topográfico, en donde se muestren curvas de nivel y cada una de las parcelas que componen el área de riego que se va a beneficiar con sus respectivas dimensiones y sentido actual del riego. • Nivel normal de aguas en la toma del canal que suministra agua a la red. • Capacidad del canal o de la toma granja que suministrará agua a la red. • Se debe considerar la realización a futuro de una posible modernización de la red mayor de distribución que garantice una entrega del agua con mayor gasto y frecuencia. Es necesario considerar, además, preferencias y costumbres de los usuarios en el manejo del riego, entre las que para fines de diseño destacan: • Horario actual y futuro de riego. • Días que no se acostumbra regar. • Método de riego empleado (surcos, melgas). • Gasto que maneja el usuario en la parcela. • Forma de aplicar el riego (sifones, tubería de compuertas, etc.). 2.1.2 Proyecto de la red de distribución
El proyecto de la red consiste en definir el trazo mas adecuado, tanto en planta como en perfil, así como en definir el diámetro óptimo económico de cada tramo de la red. 2.1.2.1 Ubicación de las tomas o hidrantes Para definir la ubicación de las tomas o hidrantes se emplea el plano topográfico de la zona, en donde se indican las parcelas de los usuarios. Para la ubicación de las tomas se deben considerar dos modalidades en la aplicación del riego: a) Riego con sifones. Las tomas o hidrantes se ubican en la parte más alta de la parcela, de tal forma que se pueda regar toda la superficie. La toma que descarga en la regadera y la longitud de esta deberán ser lo más pequeñas posible para minimizar las pérdidas por conducción; por ejemplo, entre 100 y 200 metros. b) Riego con tubería de compuertas. En caso de utilizar tubería de compuertas en la aplicación del agua, las tomas no necesariamente deben ubicarse en la parte más alta de la parcela, lo que permite disminuir la longitud de la red de distribución. Generalmente la toma se localiza en la cabecera de la parcela y, en caso de que la longitud en el sentido del riego rebase la máxima permisible, se coloca otra línea regante a la mitad de la misma. Para la localización de las tomas se debe considerar que el riego se traza en el sentido de la máxima pendiente en cada parcela, de tal forma que en el sentido transversal del riego la pendiente sea mínima, con lo que se favorecen las condiciones para riego por melgas, siempre y cuando no se afecte al riego por surcos. Este criterio permite colocar la tubería de compuertas en el sentido de la mínima pendiente, condición necesaria para su mejor funcionamiento. Cuando la red se proyecta con tubería de baja presión es recomendable utilizar tubería de compuertas para una mejor distribución y aplicación del agua. 2.1.2.2 Gasto modular Se denomina gasto modular al gasto que maneja el usuario en cada toma parcelaria. Para el diseño de la red se puede adoptar el gasto modular que están acostumbrados a manejar los usuarios, o bien, estimar el gasto modular que haga eficiente la aplicación del riego en cada parcela, como a continuación se índica: A. Riego por surcos i) Se determina el número de surcos con la siguiente relación:
ii) Se determina el gasto requerido para regar todos los surcos simultáneamente
Una puesta de riego corresponde al número de surcos o melgas regadas simultáneamente con el gasto aportado por una toma parcelaria. El número de puestas elegido debe ser tal que el gasto modular que resulte se aproxime al gasto que soliciten o acostumbren los usuarios.
B. Riego por melgas. El gasto total para regar todas las melgas simultáneamente se obtiene directamente con la siguiente ecuación: De acuerdo con la tabla 1.5.3 del subcapítulo 1.5, el gasto por ancho unitario se obtiene multiplicando el gasto óptimo obtenido de dicha tabla, por la longitud en el sentido del riego. El gasto modular se obtiene a partir de la ec. (2-3). El ancho de una puesta de riego debe ser submúltiplo del ancho de la parcela y, a su vez, el ancho de la melga debe ser submúltiplo del ancho de una puesta de riego. El gasto modular así definido se determina para cada parcela, regada por melgas o surcos, según sea el caso. Si se riega con ambos métodos, seleccionar el mayor gasto. Para el diseño de la red se calcula el gasto modular medio ponderado por la superficie con la siguiente fórmula:
donde Qmi es el gasto modular de la toma i [L3T-1]; Si la superficie que domina la toma [L2]; St la superficie total [L2]; n el número de tomas. Es recomendable fijar el gasto modular promedio de 40 a 120 Ips, debido a que en la práctica, en los distritos de riego, el gasto en las tomas granja se entrega de manera constante, igual o múltiplo del gasto modular, para facilitar la operación.
2.1.2.3 Trazo de la red Con base en la ubicación de las tomas definidas, se propone el trazo de la red colectiva de riego de tal forma que todas las tomas queden conectadas a la fuente de alimentación. Para realizar el trazo existen varios métodos, entre los que destacan el trazo por lindes y el método de Girette. En la práctica generalmente se utiliza una combinación de ambos. Para el trazo de la red es conveniente seguir las siguientes recomendaciones: • El trazo se realiza de tal forma que los ramales se alejen lo más rápidamente posible del punto de cabecera. • Debe procurarse que el trazo de la red sea tal que el agua avance de los puntos topográficamente mas elevados hacia los más bajos. • Los ramales de mayor capacidad deben dirigirse hacia la zona de riego con mayor demanda de agua. • Las conexiones entre las tomas deben realizarse en forma ordenada. Puede partirse de una toma cualquiera, de preferencia de la cabecera, y a ella se le une la toma más próxima, a la que, a su vez, se le une la más cercana. El proceso se repite hasta que todas queden unidas. • El trazo que resulta puede corregirse para minimizar su longitud total, creando para ello nuevos nudos o bifurcaciones si es necesario. Cuando para abastecer a tres tomas adyacentes, los tramos de tubería que confluyen en un nudo, forman entre sí ángulos de 120° (lámina 2.1.1), la longitud de la tubería será mínima.
Lámina 2.1.1 Conexión de tres tomas con longitud mínima de tubería. • Una toma local que deba derivar de ramal principal de la red, se traza perpendicularmente. En el trazo que de esta forma resulte, se consideran factores sociales, topológicos, orográficos, etc., que en un momento dado pueden modificar el trazo original. En casos justificados se realiza un trazo por linderos. 2.1.2.4 Medición del perfil y longitud de la red Una vez definido el trazo, se determina en campo el perfil de cada una de las líneas trazadas indicándose las cotas del terreno natural a cada 20 o 50 m, en cada toma y al final de cada tramo, así como la longitud de cada tramo.
2.1.2.5 Cálculo de caudales para cada tramo El gasto que circulará en cada tramo de la red deberá corresponder al periodo de máxima demanda durante la época de riego. Donde GSmáx es la garantía de suministro máxima en la red, adimensional; nt el número total de tomas de la red; p la probabilidad de que una toma este abierta; I símbolo de la función factorial. Las dimensiones de la red están fuertemente influenciadas por la modalidad de aplicación de riego seleccionada, ya que, por ejemplo, si la red colectiva se proyecta a la demanda, esto implica un mayor costo de la infraestructura que si se proyecta a riego por turnos. El sistema se proyecta para lograr la máxima garantía de suministro, de acuerdo con el gasto disponible que abastece a la red. La garantía de suministro es la probabilidad de que los caudales circulantes por la red no superen a los de diseño. La red interparcelaria se diseña para obtener la máxima flexibilidad en el manejo del riego. El cálculo del gasto que circula en cada tramo de la red puede determinarse considerando la función de distribución probabilística binomial o con la distribución normal ajustada a partir de la binomial. A. Gasto de diseño calculado con distribución binomial El cálculo del gasto de diseño de cada tramo de la red, mediante el empleo directo de la función binomial se realiza de la siguiente manera: a) Máximo número de tomas abiertas. Se calcula el número máximo de tomas que pueden operar simultáneamente en toda la zona de riego.
donde xm es el número máximo de tomas abiertas simultáneamente; Qd, el gasto disponible total al inicio de la red [L3T-1]; Qm, el gasto modular promedio por toma [L3 -1
].
El valor de xm se redondea en el entero próximo. b) Número de tomas. Se determina el número total de tomas de la red.
c) Garantía de suministro máxima. Se determina la máxima garantía de suministro (GSmáx), a partir de la cual se determinará la capacidad de diseño de cada tramo de la red, mediante la siguiente ecuación:
La probabilidad p de que una toma este abierta, esta definida por la relación entre el tiempo que debe estar operando la toma para suministrar el agua requerida por las plantas en su superficie de dominio, y el tiempo que la red tiene disponible el agua para riego, de acuerdo con la siguiente ecuación:
donde St es la superficie total de la zona de riego, en hectáreas; Lr la lámina bruta de riego, en metros; le es el intervalo efectivo de riego, en días; Qm el gasto modular en Ips; k = 115.74074 (factor de conversión de unidades) El intervalo efectivo de riego es el intervalo crítico de riego de los cultivos, menos los días no laborables. La garantía de suministro adoptada para el diseño de la red interparcelaria deberá estar comprendida entre la máxima encontrada y la mínima que permita una aplicación de riego por turnos. El valor dependerá de qué tanto estén dispuestos a intervenir los usuarios en la red. En el diseño de una red interparcelaria en nuevas zonas de riego se adopta una garantía de suministro entre el 90 y 95% de acuerdo con la experiencia de los países donde se construyen este tipo de sistemas. d) Número de tomas que operan simultáneamente. Para cada tramo se calcula el número de tomas (Xa) que operan simultáneamente aguas abajo del mismo, aplicando para ello la siguiente ecuación:
donde GScal es la garantía de suministro calculada para un tramo dado, adimensional; Xa el número de tomas abiertas simultáneamente, aguas abajo del tramo en cuestión; nf el número de tomas que abastece el tramo; p la probabilidad de que una toma este abierta, definida por la ec. (2-8) Esta operación se realiza con un proceso iterativo, mediante la siguiente estrategia:
Es de observarse que en la ec. (2-9), GScal es la probabilidad de que operen xa o menos tomas. Para este valor xa la probabilidad real correspondiente no es exactamente igual a la garantía de suministro definida anteriormente (GSmáx). Esto se debe a que la ec. (2-9) es una función discreta, por lo que la garantía de suministro calculada debe ser mayor o igual a la garantía de suministro máxima.
e) gasto de diseño en cada tramo de la red. Finalmente se calcula el gasto de diseño de cada tramo como un producto de las xa tomas que operan simultáneamente, por el gasto modular.
donde Qtr es el gasto de diseño del tramo en cuestión Observación: Cuando el número de tomas es muy grande y se tienen problemas para obtener la función factorial, entonces considerar la conveniencia de aplicar la fórmula de Clement explicada en el siguiente inciso. B. Gasto de diseño calculado con distribución normal
Dentro de los métodos que más se emplean en los países con amplia experiencia en diseño de redes de riego a la demanda, en el cálculo del gasto de diseño en cada tramo de la red destaca la aplicación de la "primera fórmula generalizada de Clement". Dicha fórmula esta dada por ia siguiente expresión: donde Qtr es el gasto del tramo en cuestión [L3T1]: qi el gasto de cada una de las tomas aguas abajo del mismo tramo [L3T1]; pi la probabilidad de que la toma i este funcionando, adimensional; U el coeficiente que depende de la garantía de suministro, adimensional. La probabilidad pi se determina para cada una de las tomas mediante la siguiente relación:
donde Tri es el tiempo de operación correspondiente al tiempo que dura la toma en aplicar el agua a la superficie total que domina. Utilizar las misma unidades en los dos tiempos. El coeficiente U puede tomarse de tablas de distribución normal reportadas en la mayoría de los libros de estadística. Los valores de diseño más frecuentes se presentan en la tabla 2.1.1. Si el número de tomas que abastece un determinado tramo es pequeño, el valor de Qtr determinado en la ec. (2-11) generalmente es mayor que la suma directa de los gastos de las tomas abastecidas (Sqi), por lo que en el cálculo del gasto de diseño en dicho tramo se toma el menor que resulta entre Qtr y Sqi. Nótese que Sqi implica una garantía de suministro del 100 por ciento. La fórmula de Clement resulta de aplicar el teorema del Límite Central a la función de distribución binomial para ajustaría a una función normal. Se debe considerar que esta aproximación es confiable para un número de tomas mayor que 25 y para p = 0.5, o bien, cuando tanto np como n(1 - p) son mayores que 15, donde n es el número de tomas a las que abastece el tramo en cuestión.
Observación: De acuerdo con lo anterior, para determinar el gasto de diseño en cada tramo de redes pequeñas se recomienda aplicar directamente la función de distribución binomial, reservando la aplicación de la fórmula de Clement para redes con gran número de tomas. Por otro lado, con la fórmula generalizada de Clement se obtienen gastos en cada tramo de la red que no son múltiplos del gasto modular, lo cual resulta inconveniente para la operación de la red menor, ya que los gastos entregados en la toma granja son más o menos constantes y múltiplos del gasto modular, razón por la cual también se recomienda emplear directamente la función de distribución binomial. Tabla 2.1.1 Valor de U para diferentes garantías de suministro.
Garantía de suministro (%)
U
80
0.84
90
1.28
94
1.56
95
1.65
96
1.75
97
1.88
98
2.05
99
2.33
2.1.2.6 Presión requerida en la toma Cuando la toma descarga libremente a la regadera para riego con sifones, la carga debe ser suficiente para mantener el tirante necesario que puede estar alrededor de 20 cm. sobre el terreno natural. Cuando el agua se aplica por tubería de compuertas, la carga en cada toma se calcula de la manera siguiente:
• Se determina el número de salidas mediante la relación:
donde N es el número de salidas (compuertas que operan simultáneamente); Lt la longitud de la tubería por puesta de riego [L]; de la distancia entre compuertas de la tubería [L], • Se define el diámetro de la tubería con compuertas que se va a utilizar. El gasto que circulará por la tubería es igual al gasto modular (Qm) en caso de regar en una sola dirección, o igual a la mitad, en caso de regar en dos direcciones simultáneamente. • Se calculan las pérdidas de carga para una tubería con salidas múltiples usando Hazen-Williams, como enseguida se indica:
donde hf es la pérdida de carga por fricción en la tubería de compuertas, en metros; D el diámetro de la tubería con compuertas, en milímetros; Qc el gasto que entra a la tubería, en litros por segundo; lef longitud equivalente para pérdidas de carga por compuerta, en metros aproximadamente lef=0.1 metros; F es el coeficiente de salidas múltiples de Christiansen, adimensional; CHW el coeficiente que depende del material de la tubería, para PVC,
Para fines prácticos el coeficiente de salidas múltiples es: Se calcula la pérdida por fricción en la tubería ciega localizada entre la toma y la tubería de compuertas, en caso de ser necesario. Esto ocurre, por ejemplo, cuando la distancia entre la toma y el extremo en el ancho de la parcela es mayor que la longitud requerida para una puesta de riego. Dicha pérdida esta dada según Hazen-Williams por:
donde hf2 es la pérdida de carga por fricción en la tubería ciega, en metros; L2 la longitud de la tubería ciega, en metros; D2, el diámetro de la tubería ciega en milímetros. • Por último, se calcula la presión en la entrada (he) de la siguiente manera.
donde he es la carga media sobre la compuerta, en metros; S la pendiente del terreno en el sentido del riego expresada en por ciento, positiva si sube y negativa si baja; L la longitud desde la toma al extremo del ancho de la parcela, en metros (suma de Lt y L2).
Tabla 2.1.2 Caudal en Ips por compuerta duralon riego, en función de la carga sobre la compuerta.
Carga (m.c.a.)
Apertura de la compuerta
1/16
1/8
1/4
1/2
3/4
Abierta
0.07
0.04
0.14
0.31
0.65
1.06
1.33
0.15
0.05
0.20
0.43
0.92
1.47
1.87
0.30
0.07
0.28
0.60
1.30
2.06
2.62
0.45
0.09
0.33
0.73
1.59
2.50
3.20
0.60
0.10
0.38
0.83
1.83
2.87
3.68
0.75
0.11
0.43
0.93
2.04
3.19
4.11
0.90
0.12
0.47
1.01
2.24
3.48
4.50
1.20
0.13
0.54
1.16
2.58
4.00
5.17
m.c.a. = metros de columna de agua
La carga media sobre la compuerta para obtener el gasto deseado, se obtiene a partir de tablas que reporta el fabricante. En la tabla 2.1.2 se presenta una reportada por Tubos Flexibles, S. A. de C. V. A partir de los datos de la tabla 2.1.2 se puede utilizar la siguiente relación:
2.1.3 Rango de aplicación 2.1.3.1 Tipo de infraestructura El procedimiento presentado para el diseño de redes interparcelarias de tubería de baja presión, también es válido para definir caudales de diseño en cada tramo de la red, cuando esta se proyecta con canales. Las diferencias básicas entre estas dos opciones son: el trazo de la red, dimensiones de la misma y las pérdidas de carga por conducción por tramo. En la elección entre una u otra deben considerarse costos, facilidad en el manejo, disponibilidad de materiales y viabilidad técnica entre otras. 2.1.3.2 Restricción por gasto La metodología empleada puede aplicarse prácticamente para cualquier gasto. La limitante en este sentido está dada básicamente por la disponibilidad de materiales y accesorios en el mercado. La tecnología empleada en México ofrece tubería, conexiones y accesorios de PVC con capacidad de conducir a baja presión (1 kg/cm2) gastos hasta de 4 m3/s, en función de la topografía del terreno. 2.1.3.3 Restricción por velocidad Con respecto a la velocidad, la restricción de un sistema de tubería de baja presión se centra fundamentalmente en la carga disponible en la cabecera de la red, la cual, indirectamente, junto con la pendiente del terreno, fija los diámetros óptimos económicos en cada tramo de la red, y estos, a su vez, la velocidad del agua en la tubería. A manera de guía, en la tabla 2.2.3 se presentan velocidades máximas y mínimas permisibles en función del diámetro de la tubería, criterio adoptado en Francia para el diseño del riego en 72,000 hectáreas de riego. 2.2 Dimensionamiento de la red mediante un criterio óptimo económico 2.2.1 Evolución histórica El desarrollo de las redes de riego a presión es muy reciente, por lo que la evolución de las metodologías de dimensionamiento ha sido muy rápida. El dimensionamiento de las primeras redes se realizó mediante cálculos hidráulicos de tanteo y comprobación. Para poder efectuarlos había que determinar la cota piezométrica de cabecera, las cotas piezométricas mínimas exigibles
en las tomas de riego y el caudal circulante por cada tramo. Es evidente que un dimensionamiento así deja el problema indeterminado, lo que permite un gran número de soluciones, y, en no pocas ocasiones, con grandes diferencias de costo entre unas y otras. Lo anterior dio lugar a que se establecieran normas de diseño que lograban un mejor y más rápido ajuste de la red que los tanteos arbitrarios. A estas normas de diseño se les ha denominado Métodos Aproximados. Están basados, unos, en el establecimiento de criterios de velocidad recomendables y, otros, en la forma de ordenamiento del cálculo por arterias independientes o por zonas (efectuando el cálculo aisladamente en cada una de las partes desglosadas) y, finalmente, en otros, en el reparto uniforme a lo largo de cada arteria de la pérdida de carga disponible en la misma; con cualesquiera de ellos se logra un diseño hidráulico aceptable de la red. Los Métodos Aproximados fueron pronto abandonados para dar paso a otros, cuyo objetivo era la búsqueda de un diseño más económico. Para ello se siguieron distintas vías: condiciones de óptimo de Lagrange, programación lineal, programación dinámica, etc., jalonadas por los avances de investigación conseguidos por los especialistas en redes de riego. Entre estos especialistas hay que destacar a Ives Labye, por su importante contribución a los conocimientos sobre técnica de optimización de redes de riego a presión. 2.2.2 Topología de una red abierta Con la idea de unificar criterios se definen los siguientes conceptos: Tipos de energía: Los tipos de energía que se presentan en el movimiento de los líquidos son: energía cinética, energía de presión y energía potencial o de posición, que al ser consideradas en una corriente líquida por unidad de peso se les denomina cargas, dando lugar a la carga de velocidad, carga de presión y carga de posición respectivamente; las expresiones que las representan son las siguientes:
LG = línea geométrica que corresponde al eje longitudinal de la tubería y que representa en cada punto la carga de posición vinculada con un plano de referencia. LP = línea piezométrica que se determina uniendo los puntos que alcanzaría el fluido circulante en distintos piezómetros conectados a lo largo de la tubería. Analíticamente es la suma de las cargas de posición y de presión LE = línea de energía total que resulta de sumar en cada punto de la tubería las alturas piezométricas y la carga de velocidad. Expresa en cada punto la energía total del fluido. Tubería. Es cualquier conducto cerrado de desarrollo importante (longitud alrededor de 500 veces su diámetro) que transporta agua a presión. Tramo. Segmento de tubería (en que se mantiene constante el caudal) de longitud L variable que une dos nudos de bifurcación con servicio. Nudo. Es la unión de más de dos tramos o la unión de dos tramos y una o varias tomas de riego. Se denomina nudos de bifurcación a la unión de tres o más tramos, y nudos con servicio a aquellos en que existe servicio. En los nudos de bifurcación la única restricción que existe es que la carga de presión en el mismo sea mayor que cero. Esto es, considerando el nudo de bifurcación genérico /', se debe cumplir que:
En los nudos con servicio es necesario garantizar, por una parte, el caudal demandado Q por la toma, y, por otra, una carga de presión mínima de funcionamiento de la toma. Los nudos con servicio reciben también el nombre de nudos con restricción de caudal y carga de presión. En todo momento, se debe garantizar que las cargas de presión resultantes en todos los nudos con servicio de la red sean mayores o iguales a las cargas mínimas requeridas, es decir, si i representa un nudo con servicio genérico, se debe cumplir que:
Ramal. Conjunto de tramos enlazados sin ninguna derivación de tramos aguas abajo de cualquiera de ellos. Arteria. Trayecto principal en una agrupación de canales. Terminal. Final del tramo de cola de un ramal o de una arteria. Red abierta. Una red es abierta o ramificada cuando esta constituida por dos o mas arterias que se dividen en cierto nudo y no vuelven a unirse aguas abajo. En la lámina 2.2.1, una agrupación de ramales la constituyen los tramos 3, 5, 7 y 8. En esta, el trayecto principal o arteria sería, por ejemplo, la constituida por los tramos 2, 4, 6, y 8. Definida la arteria, los demás tramos, en este caso, 3, 5 y 7, son los ramales dentro de esta agrupación.
2.2.3 Datos necesarios para el dimensionamiento Los datos necesarios para el dimensionamiento de la red se pueden agrupar en dos tablas. Por un lado, una vez establecido el trazado de la red, se recomienda la elaboración de la tabla 2.2.1 donde se especifique la topología de la red y las condiciones de funcionamiento requeridas.
Tabla 2.2.1 Definición de la red.
No. de tramo
Longitud (m)
Caudal (m3/s)
Carga de presión mínima (m)
Cota de terreno (m)
1
Li
Q,
PA
CT,
2
L2
Q2
p2/y
ct2
N
Ln
Qn
Pn/Y
CTN
Los datos de caudal, carga de presión mínima y cota del terreno, en la tabla 2.2.1, se refieren al nudo final del tramo (que une al extremo aguas abajo del tramo). Por otro lado, en una segunda tabla (tabla 2.2.2) se especifican todos los diámetros comerciales de las tuberías que se pueden utilizar en el dimensionamiento de la red, así como su correspondiente costo por metro lineal, límites de velocidad permisible, presión y tipo de material. Tabla 2.2.2 Diámetros comerciales de tubería.
En relación con los valores de los conceptos manejados en la tabla 2.2.2, se pueden hacer los siguientes comentarios: a) El precio para cada diámetro, incluyendo el transporte, la colocación de la tubería y el relleno de las zanjas, variará por cualesquiera de las siguientes causas: tipo de material de la tubería, condiciones económicas del mercado local y época en la que se efectúen las adquisiciones y se ejecute la construcción del proyecto. b) Los límites de velocidad se basan en experiencias de campo y varían con el diámetro de las tuberías. Como una orientación, en la tabla 2.2.3 se presentan las velocidades máximas y mínimas permisibles en función del diámetro de la tubería. c) La presión nominal es la presión interna, para la cual se ha diseñado la tubería con un coeficiente de seguridad que puede mantenerse sin fallo durante su vida útil. La presión de trabajo es la presión interna a la que se puede estar sometido una tubería en servicio.
Diámetro
V
V
* mm
máx.
(mm)
(m/s)
(m/s)
1000
0.50
3.10
900
0.50
3.10
800
0.50
3.10
700
0.50
3.10
600
0.50
3.10
500
0.50
2.85
450
0.50
2.85
400
0.50
2.50
350
0.50
2.30
300
0.40
2.25
250
0.40
2.15
200
0.35
2.05
150
0.25
1.95
125
0.25
1.85
100
0.20
1.80
Fuente: Labye Y. 1988.
Tabla 2.2.3 Velocidades máximas y mínimas permisibles en tuberías. La presión de trabajo se corresponde con la presión nominal, a menos que la temperatura de funcionamiento sea diferente de la de diseño de la tubería, en cuyo caso la presión de trabajo se obtiene al multiplicar la presión nominal por un coeficiente corrector.
Para el caso que se está considerando, la carga de presión máxima a que estará sujeta la red se obtiene con la siguiente expresión:
visión máxima, la cual se puede transformar en un valor equivalente de presión de trabajo, se elige una clase de tubería cuya presión nominal sea mayor que la carga de presión máxima, pero lo más próximo a ésta. d) De acuerdo con el tipo de material de la tubería y con la formula que se utilice para calcular las pérdidas de carga por fricción, se obtendrán, de diagramas o tablas, los valores de los factores de fricción, los cuales manifiestan el efecto de las asperezas de la pared interna de la tubería sobre la perdida de carga producida en ésta. 2.2.4 Dimensionamiento óptimo económico El dimensionamiento óptimo económico consiste básicamente en seleccionar el diámetro más pequeño posible para cada tramo de la red; esto requiere que se realice un diseño hidráulico y la aplicación de alguna técnica de optimización para que en cada toma de riego se satisfagan los requisitos de carga de presión y de gasto a costo mínimo. A. Diseño hidráulico En general, el diseño hidráulico de la red tiene por objeto conseguir que la línea de energía esté siempre por encima de los puntos de control (tomas de riego y nudos intermedios en donde se exige una carga de presión mínima
disponible), pero lo mas cercano posible a ellos, ya que en caso contrario se estará desperdiciando carga; en consecuencia, para poder efectuar el diseño hidráulico es necesario evaluar las pérdidas de carga a partir de las cargas de presión y caudales que se precisan en las tomas de riego. Las pérdidas que se producen en al red se deben, por una parte, a la fricción del agua con las paredes de las tuberías y, por otra, a la acción de rejillas, codos, piezas especiales, cambios de sección, válvulas, tomas de riego, etc.: las primeras son continuas mientras que las segundas, localizadas. Tanto unas como otras se expresan como un porcentaje de la carga de velocidad. Existen muchas fórmulas publicadas y usadas para el cálculo de las pérdidas de carga por fricción. Para fines técnicos comúnmente se utilizan las siguientes:
hf = pérdidas de carga por fricción, en m f = coeficiente de fricción que depende del tipo de material y de la velocidad del agua en la tubería, así como de la viscosidad del agua. CHW = Coeficiente de Hazen-Williams que depende del material de la tubería, adimensional n = coeficiente de rugosidad de Manning que depende del material de la tubería, adimensional L = longitud de la tubería, en m D = diámetro de la tubería, en m v = velocidad media del agua en la tubería, en m/s g = aceleración de la gravedad, igual a 9.81 m/s2 Algunas veces es más conveniente expresar las pérdidas de carga por fricción en las tuberías en términos de gasto Q. Si en cualquiera de las tres fórmulas anteriores, por la ecuación general del gasto Q = A v, se reemplaza v por Q/A y computando A = jt D2/4, resulta una fórmula general para las pérdidas de carga por fricción cuya expresión viene dada por:
donde: W = constante de resistencia de la tubería m, b = exponentes Para el cálculo de las pérdidas de carga localizadas, existe para cada accesorio una expresión particular, a través de la cual se determina la pérdida provocada por éste. Sin embargo, dado que éstas son pequeñas, comparadas con las de la fricción, normalmente se expresan como un porcentaje de aquellas al efectuar el dimensionamiento de la red. B. Dimensionamiento económico El dimensionamiento económico consiste fundamentalmente en emplear una técnica de optimización (multiplicadores de Lagrange, programación lineal, método discontinuo de Labye) cuyo objetivo es minimizar el costo total de la red. Si se esta interesado en una explicación más amplia de estas técnicas, se recomienda consultar las siguientes referencias: Valverde 1990, para los multiplicadores de Lagrange; Granados 1990, para el sistema Granados y Labye 1988, para el método discontinuo de Labye. Cabe aclarar que las técnicas requieren de software especializado para su aplicación. 2.3 Ejemplo Con la finalidad de hacer más comprensible lo correspondiente a la determinación del gasto en redes interparcelarias y al diseño de las mismas con tuberías de baja presión, se presenta a manera de ejemplo la secuencia de cálculo de un proyecto ejecutivo desarrollado en el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. 2.3.1 Localización El proyecto se localiza en el predio "La Noria", del Ejido Roque 1, municipio de Celaya, en el Distrito de Riego 085, La Begoña, Guanajuato. Comprende una superficie de 80.3 hectáreas. 2.3.2 Necesidades de riego Para determinar la máxima demanda de agua se analizó el padrón de posibles cultivos en la zona, para las fechas de siembra ahí recomendadas. Se encontró que para fines de diseño de la red interparcelaria se obtuvo una lámina de riego de 10 cm. y un intervalo crítico de 9 días. 2.3.3 Manejo del riego De acuerdo con las encuestas realizadas se acordó diseñar la red de distribución considerando que no se regará durante los domingos, por lo que de manera práctica el intervalo efectivo de riego se redondeó en 8 días, es decir, el intervalo crítico de riego menos un día, o en otros términos se regará las 24 horas del día, con excepción de un día. La red de distribución interparcelaria se proyectó para obtener la máxima flexibilidad en su manejo, considerando el
gasto total máximo disponible. El riego se aplicará mediante tuberías de compuertas, con una separación entre compuertas de 0.75 m. 2.3.4 Gasto por ancho unitario El caso que hace referencia este ejemplo se proyectó para riego por melgas. El gasto por ancho unitario que maximiza la eficiencia de aplicación del riego se determinó a partir de las características del suelo, utilizando para ello el programa de cómputo RIGRAV. La ecuación que relaciona el gasto (qm) con la longitud de riego (LR), es la siguiente:
2.3.5 Fuente de abastecimiento El área considerada en el proyecto se abastece de agua mediante el canal lateral km 11+414.1, el cual se conecta al canal al canal principal margen derecha que conduce agua de la presa derivadora Soria, que a su vez, proviene de la presa Ignacio Allende. La capacidad normal de este lateral es de aproximadamente 200 litros por segundo, dominando una superficie de 157 ha, de las cuales 80.3 ha corresponden al presente proyecto. El gasto disponible para las 80.3 ha consideradas en el proyecto es de 180 litros por segundo. 2.3.6 Topografía Se realizó el levantamiento topográfico y se elaboró un plano con curvas de nivel a cada 20 cm., donde se indica el tamaño de las parcelas, pendientes en el sentido del riego y ubicación de canales, principalmente. 2.3.7 Ubicación de tomas De acuerdo con lo descrito en este capítulo, la localización de las tomas se muestra en la lámina 2.3.1. 2.3.8 Capacidad de las tomas Se determinó el gasto para regar toda la superficie que domina cada toma en una sola puesta de riego ec. (2-4). Después, el gasto total que resulta se dividió en una o mas puestas de riego, de tal manera que el gasto se aproxima al que los usuarios están acostumbrados a manejar, ec. (2-3). En este caso se consideró 60 l/s. En la última columna de la tabla 2.3.1 se muestra el gasto modular para cada una de las parcelas, y para el diseño de la red se consideró el promedio ponderado con la superficie, el cual resultó de 58.3 litros por segundo. Dicho gasto se redondeó en 60 litros por segundo. Tabla 2.3.1 Gasto modular requerido en cada lote y en cada toma.
2.3.9 Trazo de la red El trazo se realizó respetando los linderos entre parcelas. En algunos casos la red cruzó las parcelas con objeto de que fuera más económica y manteniendo el mismo grado de funcionalidad, realzándose en común acuerdo con los usuarios del proyecto. En la lámina 2.3.1 se muestra el trazo de la red. 2.3.10 Medición del perfil y trazo de la red Sobre el trazo definido y sobre el plano topográfico se determinó la cota al final de cada tramo, así como la respectiva longitud. Esto se recomienda hacerlo directamente en campo. Estos datos se usaron para realizar el dimensionamiento de la red, y se muestran en la tabla 2.3.5. 2.3.11 Cálculo de caudales en cada tramo Los resultados se muestran a continuación. 2.3.11.1 Máximo número de tomas abiertas De acuerdo con la ec. (2-6), el número máximo de tomas que en un momento pueden estar abiertas, es:
2.3.11.2 Número total de tomas Como se observa en la lámina 2.3.1, el número total de tomas en la red es 14. 2.3.11.3 Garantía de suministro máxima La probabilidad de que una toma esté operando según la ec. (2-8), y de acuerdo con la información básica, es:
En la ecuación anterior: - Superficie total: 80.3 hectáreas - Lámina bruta de riego: 0.1 metros - No. total de tomas: 14 - Intervalo efectivo de riego: 8 días - Gasto modular: 60 litros por segundo Sustituyendo en la ecuación 2-7 el número máximo de tomas que en un momento dado pueden operar (Xm = 3), el número total de tomas (nt = 14) y la probabilidad de operación encontrada (p = 0.1383), se obtiene GSmáx = 0.883, es decir, una garantía de suministro máxima del 88.3%. En la tabla 2.3.2 se muestra el desglose de la ec. (2-7) Tabla 2.3.2 Desglose de la ecuación (2-7).
En la misma tabla, GS es la ec. (2-7) para el valor de i sin la sumatoria; la última columna es GS acumulada. 2.3.11.4 Número de tomas abiertas en cada tramo de la red Para definir el número de tomas que tiene que abastecer cada tramo de la red, se utiliza la información hasta ahora obtenida: GSmáx = 0.883 y p = 0.1383. El número de tomas que domina cada tramo se obtiene de la lámina 2.3.1. Con estos parámetros se resuelve la ec. (2-9), de igual forma que en el caso anterior, hasta que se cumple la
condición planteada en el inciso (a.4). Por ejemplo, el tramo 8 de la red de la lámina 2.3.1 domina las tomas 11,12,13 y 14, es decir, se tiene un número total de 4 tomas (nt = 4). En la tabla 2.3.3 se muestra el desglose de la ec. (2-9) para el tramo 8. Tabla 2.3.3 Desglose de la ecuación 2-8 para el tramo 8.
En la tabla anterior se observa que la garantía de suministro con una toma abierta es del 90.5%. La garantía máxima que puede proporcionar la red es 88.3%, con lo que se cumple con la condición propuesta en el inciso (a.4), por lo tanto el tramo se diseña para suministrar agua a una toma. Siguiendo el mismo procedimiento se determinó el número de tomas que puede abastecer simultáneamente cada tramo de la red. En la cuarta columna de la tabla 2.3.4 se muestran los resultados. Tabla 2.3.4 Número de tomas que pueden operar para cada tramo y gasto de diseño.
TramoNo. Tomas Garantía de
Tomas que
Gasto
aguas abajosuministro (%)
operan simultáneamente(l/s)
1
11
94.6
3
180
2
5
97.9
2
120
3
4
90.5
1
60
4
3
90.5
1
60
5
1
100
1
60
6
1
100
1
60
7
5
97.9
8
4
90.5
120
1
60
9
3
94.8
1
60
10
2
98.1
1
60
11
1
100
1
60
12
1
100
1
60
13
2
96.8
1
60
14
1
98.4
1
60
15
1
99.8
1
60
Hay que hacer notar que en ocasiones la probabilidad de que no opere ni siquiera una toma para un tramo dado es alta, y esto se da generalmente cuando la probabilidad de operación es muy baja y el número de tomas que debe abastecer un tramo también es bajo. En casos como éste, el tramo se diseña con un gasto igual al modular. De acuerdo con los resultados de la misma tabla, en toda la red pueden estar operando tres tomas simultáneamente. 2.3.11.5 Gasto de diseño El gasto de diseño en cada tramo de la red se obtiene directamente multiplicando el gasto modular por el número de tomas que operan simultáneamente mostradas en la cuarta columna de la tabla 2.3.4. Los resultados se muestran en la última columna de la misma tabla 2.3.12 Carga requerida en cada toma La carga requerida en cada toma se determinó considerando las pérdidas de carga que se generan en la tubería lisa que abastece a partir del hidrante a la tubería con compuertas y las generadas en la propia tubería con compuertas. En la última columna de la tabla 2.3.5 se muestran las cargas mínimas requeridas en cada toma, calculadas siguiendo lo indicado en el inciso (2.1.2.6). La información de la cuarta columna se determinó sobre el plano, aunque se recomienda hacerlo directamente en campo. La longitud de la tubería con compuertas (quinta columna) es el ancho de la parcela (no necesariamente ortogonal al riego), dividido por el número de puestas de riego. A manera de ejemplo, obsérvese el lote 893, abastecido por la toma 11. De acuerdo con la información anterior se tienen los siguientes datos: - Longitud del ancho de riego: 160 metros - Número de puestas de riego: 2
- Longitud por puesta de riego: 80 metros (tubería de compuertas) - Longitud de la tubería lisa: 80 metros - Pendiente del terreno: 0% (en la cabecera de la parcela donde se colocará la tubería de compuertas) - Carga media sobre la compuerta: 0.03 m - Número de salidas ec. (2-12)
Tabla 2.3.5 Carga requerida en cada toma de la red.
No. de Toma
Usuario
Gasto en la Longitud de la toma al Longitud de toma (l/s) extremo de la parcela tubería con compuerta
Longitud de tubería lisa
Pendiente (%)
Carga (Ips) requerida en la toma (m)
1
869
126
25016.5
250
0.77
96.8
2.0
48.4
1
869
60
170
85.0
85.0
0.2
0.76
1.01
1
870
60
116
116.0
0.0
0.0
0.18
0.43
2
827
60
230
55.0
175.0
-0.1
0.66
0.91
2
871
60
126
63.0
63.0
0.1
0.43
0.68
2
872
60
128
64.0
64.0
0.0
0.39
0.64
3
870
60
78
78.0
0.0
0.0
0.13
0.38
3
871
60
126
126.0
0.0
0.0
0.39
0.64
4
897
60
195
97.5
97.5
-0.2
0.33
0.58
4
898
60
120
120.0
0.0
0.0
0.19
0.44
5
869
60
210
112.0
98.0
-0.1
0.50
0.75
5
897
60
160
80.0
80.0
0,1
0.60
0.85
5
898
60
100
100.0
0.0
-0.1
0.11
0.36
6
873
60
260
40.0
184.0
-0.2
0.57
0.82
6
891
60
184
92.0
92.0
-0.1
0.44
0.69
6
892
60
142
71.0
71.0
0.1
0.48
0.73
7
825
60
152
76.0
76.0
-0.2
0.23
0.48
8
875
60
270
72.4
197.6
-0.2
0.52
0.77
9
825
60
140
70.0
70.0
-0.1
0.36
0.61
10
896
60
130
86.7
43.3
0.0
0.33
0.58
11
893
60
160
80
80.0
0.0
0.48
0.74
11
894
60
190
110.7
79.3
0.0
0.52
0.77
12
876
60
226
120.0
106.0
0.0
0.69
0.94
12
889
60
290
102.7
187.3
-0.1
0.72
0.97
12
889
60
88
80.0
8.0
0.3
0.30
0.55
12
890
60
106
53.0
53.0
0.0
0.33
0.58
13
876
60
116
58.0
58.0
0.0
0.39
0.64
13
890
60
82
82.0
0.0
0.0
0.14
0.39
14
884
60
74
74.0
0.0
0.0
0.13
0.38
Como se observa en la lámina 2.3.1, la toma 11 también abastece al lote 894, y, de acuerdo con la tabla 2.3.5, en ese caso se requiere una carga de 0.77 metros. Para fines de diseño de la red, a la toma se le debe proporcionar la mayor carga requerida considerando las parcelas de dominio. Por lo tanto, en este caso, a la toma se le debe garantizar una carga mínima de operación de 0.77 metros.
