9. Drenaje Agricola Lorena Loaiza

DRENAJE AGRÍCOLA 1. DRENAJE DE TIERRAS REGABLES Parte del agua de riego o de lluvia que se infiltra en el suelo quedará almacenada en los poros y será utilizada por los cultivos y otra parte, se perderá por percolación profunda originando la elevación del nivel freático. Cuando el nivel freático alcanza la zona radicular, las plantas pueden sufrir daños debido al anegamiento. Para eliminar el agua en exceso de la zona radicular y las sales disueltas del suelo se utiliza el drenaje subterráneo, que permite el flujo de agua freática hacia los drenes. En muchos proyectos de irrigación debido al anegamiento y salinización de los suelos, se obtiene rendimientos muy bajos de los cultivos. 1.1

Problemas de drenaje en el Ecuador

En nuestro país, los problemas de drenaje son cada vez más agudos, producto de un inadecuado manejo de las aguas en las zonas de riego, por excesos de lluvia en áreas de alta pluviosidad o por dificultad de drenaje en las zonas de topografía muy plana. Porvincias con problemas de drenaje de Los Ríos, Guayas y El Oro en donde se practica extensivamente el cultivo de banano. Para el año 2012, existían en el país 221.760 hectáreas sembradas de banano, de las cuales, 160.000 hectáreas aproximadamente, tienen riego. Desgraciadamente, el problema del drenaje agrícola en Ecuador, ha sido muy descuidado, tanto en superficies regadas como en zonas húmedas, lo que, en el primer caso, ha causado efectos de degradación de los suelos (salinización) como en Santa Elena, Loja (Catamayo), Imbabura (Salinas de Ibarra), y, en el segundo caso, limitaciones severas de aprovechamiento de áreas productivas, especialmente en la costa y amazonía, por razones climáticas como exceso de precipitaciones, o los niveles freáticos (altos), la calidad de los suelos (poco permeables) y la topografía del terreno (plana). En ambos casos, la consecuencia ha sido la disminución significativa de los rendimientos de los cultivos o su pérdida total. 1.2 Necesidades de drenaje El drenaje está unido al riego en todo proyecto de transformación en regadío, debido a tres razones fundamentales: a) La necesidad de evacuar el exceso de agua, b) impedir el riesgo de salinización del suelo c) asegurar unas condiciones de humedad adecuadas para el desarrollo de los cultivos y el tránsito de maquinaria requerido para el manejo de la tierra. Gran parte de las tierras de regadío necesitan un control de la capa freática para evitar problemas de encharcamiento y salinización. La necesidad de un drenaje artificial en un suelo bajo riego se deduce de la consideración del balance de agua. Los factores que intervienen en el balance de agua son fundamentalmente los siguientes (Figura 1):

Figura 1. Balance de agua de un P = precipitación ET = evapotranspiración

W = humedad del suelo en la zona no saturada I

= riego

Sr = escorrentía superficial R = percolación profunda que recarga la capa freática G = elevación capilar Sp = filtraciones laterales o profundas Dr = drenaje natural o artificial h = altura de la capa freática sobre un nivel de referencia μ = espacio poroso drenable El balance de agua en la zona radicular de un suelo regado en un tiempo considerado es P + I + G = ET + Sr + R + ΔW 1.3

Relación entre las producciones de los cultivos y la posición de la capa freática

Para que el sistema radicular de los cultivos tenga un desarrollo adecuado, es necesario que el suelo tenga una buena aireación y un contenido de humedad óptimo entre capacidad de campo y punto de marchitez. Las condiciones de los suelos húmedos van acompañadas de una deficiencia de oxígeno que causa una reducción de la respiración radicular. Además la mineralización de los elementos nutritivos del suelo por la actividad microbiológica sobre la materia orgánica requiera la presencia de oxígeno. Por lo tanto, una reducción de la actividad microbiana por aireación deficiente, hace decrecer el abastecimiento de NH4 + y NO3-, por lo que en suelos encharcados, existe en general una deficiencia de nitrógeno. La profundidad de la capa freática no tiene una influencia directa sobre el crecimiento de los cultivos, pero indirectamente determina las condiciones de humedad de la zona radicular y por lo tanto influye en el suministro de agua, en las condiciones de aireación y en las propiedades térmicas de los suelos. Los suelos arenosos se requiere una profundidad mínima de una capa freática de 60 a 90 centímetros y en suelos arcillosos de 100 a 150 cm. Cuadro 1 RELACIÓN ENTRE LAS PRODUCCIONES DE LOS CULTIVOS Y LA PROFUNDIDAD DE UNA CAPA FREÁTICA PERMANENTE (WILLIAMSON Y KRIZ, 1970)

1.4

Factores que contribuyen al exceso de agua en el suelo

Textura del Suelo, Estructura del Suelo, Permeabilidad del Suelo, La Topografía, La Formación Geológica, La Compactación y La Precipitación. 1.4.1

Textura del Suelo

Los suelos de texturas finas generalmente retienen bien el agua, pero tienen un mal drenaje. Por el contrario, los suelos de texturas gruesas drenan bien pero son malos retenedores de agua. 1.4.2

Estructura del Suelo

Una estructura granular ayuda a mejorar el movimiento de agua en el suelo, pero una estructura masiva generalmente disminuye el movimiento del agua. 1.4.3

Permeabilidad

La permeabilidad es la facilidad relativa con la que el agua se puede mover a través de un perfil de suelo. La permeabilidad del suelo es afectada por la textura, estructura, por la preparación del suelo hecha por el hombre y por otros factores. 1.4.4

Topografía

La forma y la pendiente del terreno pueden generar condiciones de suelo húmedo, especialmente alrededor de depresiones donde el agua se tiende a acumular. Sin una salida natural, el agua podría drenarse muy lentamente. 1.4.5

Formación geológica

La formación geológica subyacente de un suelo, puede impactar el drenaje de agua de un suelo. Por ejemplo, un suelo tiene propiedades de textura y estructura beneficiosas para el movimiento del agua pero, si la formación geológica subyacente de este suelo consiste en arcilla densa o roca sólida, se podría restringir el movimiento descendente del agua, causando que el suelo encima de la formación permanezca saturado durante ciertas épocas del año. 1.4.6

Compactación

Las actividades humanas pueden crear problemas de exceso de agua. Por ejemplo, los equipos que operan sobre un suelo húmedo pueden compactar el suelo y destruir su estructura. La capa de suelo que esta compactada generalmente no tiene estructura, y la mayoría de vacíos en esta capa habrán sido eliminados. Los vacíos son espacios abiertos entre las partículas de suelo que se pueden llenar con agua, aire o una combinación de ambos. El agua del suelo tiende a acumularse por encima de la capa compactada debido a que el movimiento de agua a través de la capa compactada está severamente restringido. Si la capa compactada se localiza en la superficie del suelo muy poca agua entrara al suelo y se generará escorrentía que crearía un riesgo enorme de erosión y/o inundación. 1.4.7

Precipitación

Los suelos pueden aceptar ciertos niveles de precipitación, sin que se produzca escorrentía y/o inundaciones, sin embargo el exceso de precipitación, frecuentemente produce exceso en las condiciones de agua del suelo. Además, las tormentas frecuentemente resultan en escorrentía debido a que la tasa de precipitación es mayor a la tasa de infiltración de agua en el suelo. 1.5

Consecuencias del mal drenaje de los suelos agrícolas

es el daño a la productividad agrícola. Por ejemplo, se considera que para que el cultivo de banano no sufra una disminución significativa de su productividad (ILRI 1978), el nivel freático ideal, debe estar a 1,2 metros de profundidad a la distancia media entre dos drenes a las 24 horas.

2

DISEÑO DE UN SISTEMA DE DRENAJE DE TIERRAS AGRÍCOLAS

Los elementos interdependientes son: -

Tipo de sistema de drenaje (superficial o subterráneo). Topografía, si es que se elige el sistema de drenaje superficial. Tipo de drenaje de campo, es decir zanjas, tuberías o pozos, si es que se elige el sistema de drenaje subterráneo. Trazo de sistema Capacidad y la profundidad de los drenes. Cuadro 2. Consecuencias del mal drenaje

Las decisiones que se tomen deben ser basadas en criterios técnicos a fin de lograr una red de drenaje de óptimo funcionamiento. Sin embargo, debido a la gran variedad y complejidad de los factores naturales involucrados, es una tarea de alta ingeniería desarrollar criterios específicos para proyectar un sistema de drenaje perfecto. 2.1 Definición de Drenaje "eliminación del exceso de agua y sales de las tierras cultivables". Influyen en este proceso, no sólo el suelo y sus características (permeabilidad, topografía, profundidad, etc.) sino también las condiciones climatológicas del área a estudiar. También y en relación al exceso de agua, tendrá particular importancia el origen de la misma, pues puede proceder del desbordamiento de los cauces que la surcan, del agua de lluvia caída sobre el propio terreno, o de los mantos de agua que se mueven en el subsuelo (mantos freáticos). Hay que señalar que el drenaje ha de ser debidamente ponderado, ya que si bien el exceso de humedad es perjudicial, un exceso del mismo puede traer consigo una excesiva extracción de las aguas del suelo en los períodos secos, produciendo la marchitez de la vegetación. Este proceso ha de ser controlado con mayor rigor en los suelos sujetos a cultivos de secano que en los de riego, pues en estos últimos siempre existirá la posibilidad de suplementación de agua, aunque no sea aconsejable por la economía de la explotación. existen dos clases de excesos que pueden ser perjudiciales para las plantas: uno es el del agua y el otro es de las sales, aunque es frecuente que se presenten conjuntamente. 3

PRESENCIA DE SALES

La presencia de sales en los suelos proviene de dos fuentes completamente diferentes; - o bien pertenecen a la roca madre de la cual se formaron los suelos en cuestión o,

- por el contrario, han sido transportadas por las aguas, ya sean las propias de riego o las que mojaron los suelos durante su formación. Estas sales pueden ser solubles, en cuyo caso se eliminan muy fácilmente durante el drenaje, o no serlo, (cuando el sodio está adsorbido a los coloides del suelo) y en este caso es preciso efectuar operaciones previas a las de drenaje con objeto de conseguir transformarlas en sales solubles que puedan ser arrastradas por el agua. 3.1

Agua de lavado

Es esencial a la hora de considerar las características de la red correspondiente, cual es la “dosis de lavado"; es decir, aquella que es necesario proporcionar a los terrenos, en forma adicional a la dosis que requiere el cultivo, con objeto de resolver el problema del exceso de sales. 3.2

Capa freática

Debe tenerse en cuenta que el exceso de agua que no se drena convenientemente produce una elevación de la capa freática natural que, en el peor de los casos, alcanza el nivel de las zonas de las raíces de las plantas y produce, además de los efectos físicos anteriormente reseñados, la presencia de sales solubles que pueden llegan a inutilizar el suelo, en cuanto se refiere a la capacidad del suelo para sostener un cultivo. 3.3

Ventajas e inconvenientes del drenaje

Ventajas 3.3.1 Aireación del suelo. Las raíces de las plantas no solo necesitan la presencia del agua como elemento de transporte de los nutrientes, sino que es imprescindible la presencia de aire para la respiración. Si el suelo está totalmente saturado de agua, esto es, si los poros o canalillos están rellenos por el agua, el aire no podrá circular y por tanto no podrá ponerse en contacto con las raíces y la consecuencia será la podredumbre de aquéllas, que si es permanente traerá la destrucción de la planta y si es circunstancial la disminución de la cosecha. Además, esta falta de aireación influye de forma básica sobre el desarrollo de los microorganismos que viven en el suelo y que son fundamentales para las funciones de movilización de los elementos nutritivos necesarios para la alimentación de la planta. Por lo tanto, el drenaje beneficia no sólo la propia vida de la planta, sino también a los procesos biológicos, físicos y químicos del suelo. (Procesos biogeoquímicos). 3.3.2

Modificación de la constitución física del suelo.

En los suelos bien drenados la permeabilidad del suelo aumenta, al producirse un mayor desarrollo radicular, tanto en volumen como en longitud, lo que proporciona un mejor arraigo mecánico de la planta y un mayor volumen de aprovechamiento del suelo. Por otra parte, los organismos que viven en estas condiciones proliferan, construyendo galerías que son vías de entrada de aire. 3.3.3

Intensificación de la actividad bacteriana

La actividad bacteriana de un suelo bien drenado es más intensa sobre todo los procesos de nitrificación, que contribuyen de manera importante en la producción. Se produce asimismo reducción de Fe, Mn y S. Cuando existe un exceso de humedad, el Fe y el Mn al solubilizarse producen efectos tóxicos. 3.3.4

Evacuación de sales perjudiciales

El drenaje permite el arrastre y evacuación al exterior de las sales perjudiciales para las plantas, como el ClNa (Cloruro de sodio), ClK (Cloruro de Potasio), SO4NH3 (Sulfato de amonio), procedentes del suelo, del agua de riego y de los fertilizantes. 3.3.5

Calentamiento del suelo

Mientras el agua enfría el terreno, la circulación del aire lo calienta, anticipando el nacimiento de las semillas y el desarrollo de las plantas y, como consecuencia, las cosechas obtenidas serán mejores. 3.3.6

Facilitación de labores

Las labores son más fáciles. Los suelos húmedos ofrecen mayor resistencia al movimiento de los implementos de trabajo (arado, subsolados, gradas, etc.), que los suelos secos. El ahorro en potencia para una labor, cuando ésta se realiza en suelo con humedad óptima, es sensible. 3.3.7

Reducción de enfermedades criptogámicas

El exceso de humedad en el suelo favorece el desarrollo de enfermedades criptogámicas por humedad excesiva.

Inconvenientes El drenaje si no se realiza en debidas condiciones, puede producir graves inconvenientes, como son: 3.4.1

Desecación del suelo

Un exceso de drenaje deseca en exceso el terreno y por ello la planta puede encontrarse con carencia de agua en alguna fase de su ciclo vegetativo y si se trata de regadío aumentan los volúmenes consumidos con el aumento en los costes de producción. 3.4.2

El agua arrastra nutrientes

En general, la descalcificación es significativa, por lo que las enmiendas calizas son recomendables en los terrenos drenados, para compensar las pérdidas. Vemos por la enumeración anterior que si bien existen algunos inconvenientes, éstos son mínimos en relación a las ventajas, sobre todo si el estudio de la red se realiza con la debida ponderación y su calibrado es lo más estricto posible. 4. DRENAJE Y SANEAMIENTO DEL SUELO El drenaje y saneamiento de los suelos anegados constituye el conjunto de operaciones que se deben realizar con el objetivo de controlar, disminuir o eliminar el excedente de humedad presente en el suelo por el aporte de aguas exteriores e interiores por efecto de inundaciones, derrames, desbordamientos, condiciones inadecuadas en el suelo, malas condiciones de infiltración, etc. 4.1

El agua exterior, interior y freática

Se considera corno "agua exterior" al conjunto aportado a una zona que se desea drenar por el desbordamiento de los ríos o arroyos que la cruzan, esto es, que el agua exterior es una consecuencia de la lluvia y la escorrentía superficial; El "agua interior" es la caída directamente sobre el predio que tratamos de sanear y, finalmente, corno "agua freática" la que se mueve en el interior del suelo como consecuencia de la permeabilidad de este. 4.2

Drenaje Superficial

El drenaje superficial trata de eliminar el exceso de agua de superficie que llega a la parcela ya sea a través del riego propiamente dicho o de la lluvia; este tipo de drenaje es, excepto en lugares de topografía relativamente accidentada, prácticamente necesario en cualquier zona regable. Aunque tanto su planificación como la construcción de las redes de drenaje correspondientes son mucho menos complicadas que las del drenaje subterráneo es preciso tener en cuenta su inevitabilidad , ya que si el agua en exceso no se elimina rápidamente pasara a aumentar las reservas subterráneas y, en definitiva, a elevar el nivel de la capa freática; como se verá posteriormente, este nivel es precisamente lo que se trata de controlar con el drenaje subterráneo y puesto que el drenaje superficial es, generalmente, mucho

más barato, no cabe duda de que cuanto antes se eliminen las aguas sobrantes mas se minimizara el problema del drenaje subterráneo y más fácil y económico será el drenaje total de la zona. 4.3

Drenaje Subterráneo o subsuperficial

El drenaje subterráneo se refiere al control del nivel de la capa freática y de las sales del terreno mediante la eliminación del exceso de agua subterránea; el ascenso o descenso del nivel de la capa freática en una zona regable, depende de numerosos factores adicionales a las características físicas del subsuelo (profundidad, estratificación, impermeabilidad, etc.) como son el esquema de percolación del agua y la geomorfología del terreno que incluye la profundidad, situación y características de los canales de salida o aliviaderos naturales del subsuelo. Un tratamiento científico de los problemas de drenaje en los proyectos de riego tiene que aclarar, previamente, los siguientes temas: I. Límites admisibles de la capa freática y de los niveles de salinidad en el suelo para permitir el crecimiento adecuado de los cultivos previamente seleccionados. II. Evolución del flujo del agua subterránea. III. Cantidades de agua que se añaden al embalse subterráneo, volúmenes de agua que se drenan de forma natural y, en consecuencia, los que deben ser eliminados por procedimientos artificiales. 4.4

Identificación de los problemas de drenaje

Los datos que hay que tomar en cuenta son: 4.5

Origen del agua y cantidad Problemática ocasionada Volúmenes de agua a desalojar Tipo y permeabilidad del suelo Pendiente del suelo Estabilidad estructural de los diferentes horizontes del perfil del suelo Tipo de agricultura a realizar ¿Cómo y a dónde se va a desalojar el agua? Pasos para el diseño de un proyecto de drenaje

4.6

reconocimiento del campo, investigación, jerarquización de los problemas, evaluación de las probables medidas correctoras, implementación de la solución y evaluación de la misma. Reconocimiento de campo

-

Localización y capacidad de los drenajes naturales. Localización y condiciones de las salidas. Prácticas de riego empleadas (sistemas de riego, eficiencia, etc.) Determinación del nivel freático actual e información relacionada con su fluctuación. Cultivo actual y tendencia futura. Tipo, espaciamiento, localización, profundidad y efectividad de los drenes en el área problema y/o en áreas vecinas. Marcas de alturas de crecidas que puedan ser usadas para evaluar su probable efecto. Salinidad del suelo de la finca, del agua de riego, o de la zona en estudio.”

5.

CARACTERÍSTICAS DE LOS DOS TIPOS DE DRENAJE AGRÍCOLA.

5.1

Sistema de drenaje superficial.

Son obras o acciones que se realizan sobre la superficie del terreno, para propiciar el escurrimiento por gravedad de los excesos de agua a velocidades no erosivas y que tampoco cause problemas de sedimentación, así como para interceptar y desviar el agua que se dirige hacia la parcela desde terrenos colindantes más altos.

Figura 2. Parámetros de drenaje por zanjas abiertas Las condiciones que generalmente se presentan para que ocurra este tipo de problemas, son: -

Precipitaciones de alta intensidad,

-

Baja velocidad de infiltración del agua en el suelo, inferior a la intensidad de la precipitación.

-

Poca pendiente de los suelos que no propicia el escurrimiento.

5.1.1

Componentes básicos de un sistema de drenaje superficial

En un sistema de drenaje se puede distinguir: Dren principal, cuya función es de transportar el agua fuera de la zona a drenar (Predio). Drenes primarios, cuya función es la de recoger el agua de los drenes de parcela y transportarla al dren principal (colector). Drenes secundarios o de parcela, que son aquellos cuya misión es de controlar la profundidad del agua freática. 5.1.2 El sistema de recolección del agua puede ser uno o componerse de varias de las siguientes obras: -

Nivelación, emparejamiento o “conformación” de la superficie del terreno, con el fin de suprimir las hondonadas o depresiones que acumulen agua o bien dando pendientes suaves al terreno para propiciar el escurrimiento del agua.

-

Surcos profundos y con pendiente continúa hacia una zanja conectada con los colectores de drenaje.

-

Zanjas, canales o desagües, ya sean para interceptar, captar y desalojar el agua o para unir las partes bajas de los terrenos con los colectores de drenaje.

-

Bordos para protección o encauzamiento del agua hacia las zanjas colectoras.

-

Se puede complementar con drenes “topo” o con drenaje subterráneo entubado.

-

Colectores de drenaje.

-

Pozos de absorción o drenaje vertical.

-

Una combinación de los anteriores.

5.1.3 -

Los canales, zanjas, bordos y drenes subterráneos pueden construirse de tres formas: En paralelo en terrenos casi planos con topografía uniforme.

Figura 3. Sistema paralelo -

Con pendiente cruzada que siguen el contorno de la pendiente en terrenos moderadamente inclinados de topografía irregular (espina de pescado).

Figura 4. Espina de pescado -

Localizado para drenar las depresiones donde existen encharcamientos en terrenos relativamente planos de topografía ondulada.

Figura 5.

Sistema localizado

Fuente: Types of relief drainage systems (SCS-USDA: Drainage of Agricultural Land (1973) 5.2

Sistema de Drenaje Subterráneo o subsuperficial

Consiste en el conjunto de obras que se construyen bajo la superficie del suelo, para captar y desalojar excesos de agua derivados de filtraciones o de niveles freáticos elevados. Pueden ser drenes interceptores colocados perpendicular o transversalmente a las líneas de corriente para recoger los flujos de agua libre y drenes colectores o de desagüe, orientados según las líneas de pendiente para conducir el agua fuera de la parcela. Estos a su vez, también deben desembocar a drenes superficiales colectores Hay cuatro tipos de drenaje subterráneo: -

Zanjas abiertas profundas

-

Zanjas profundas cubiertas con filtros de grava, arena, etc.

-

Drenes internos cilíndricos o tubulares sin revestimiento:

-

Drenes topo.

-

Drenes internos cilíndricos revestidos o drenaje entubado, que es el más común en la actualidad. Figura 6. Sistema de drenaje confluyente

5.3. Diseño del sistema de drenaje subsuperficial En un sistema de drenaje subsuperficial de zonas llanas, hay que distinguir entre los siguientes tipos de drenes (Fig. 7): -

Drenes laterales o drenes de parcela, cuya función es controlar la capa freática. En zonas llanas son generalmente paralelos. Drenes colectores, cuya función es recoger el agua de los laterales y conducirla a los drenes principales. Drenes principales, cuya función es evacuar el agua fuera de la zona drenada.

Los drenes colectores pueden ser canales primarios, secundarios, etc., según su relación con el dren principal. Los laterales pueden ser zanjas abiertas o más comúnmente drenes de tubería. Los colectores son generalmente zanjas abiertas, en los llamados sistemas de drenaje simples. Cuando los colectores son de tubería, los sistemas de drenaje se llaman compuestos.

Figura 7. Esquema de un sistema de drenaje típico En el proyecto de un sistema de drenaje el primer paso es el diseño de los drenes laterales mediante ecuaciones de drenaje que relacionan los criterios de drenaje con las propiedades hidrológicas de los suelos. El diseño de colectores y drenes principales se basa en las características hidráulicas requeridas para transportar el flujo de drenaje. Los parámetros que hay que calcular en el diseño de los laterales son los siguientes (Fig. 8.): -

Espaciamiento entre drenes (L) Profundidad de los drenes (P) Radio de los drenes (ro) o sección y talud de las zanjas abiertas. Pendiente de los drenes (J) Además hay que determinar los materiales de drenaje y filtros a emplear como drenes laterales.

Co mo el espaciamiento entre drenes no solo es función de los criterios de drenaje y de las propiedades de los suelos, sino también de la profundidad de los drenes, se fija inicialmente el nivel de drenaje de diseño teniendo en cuenta los siguientes factores: -

La permeabilidad y espesor de las diferentes capas del perfil de suelo drenable La cota disponible para drenar por gravedad, siempre que sea posible Las necesidades agronómicas (criterios de drenaje). La disponibilidad de máquinas de drenaje

El espaciamiento entre drenes es por consiguiente el primer parámetro de drenaje que hay que calcular en el diseño de un sistema de drenaje subsuperficial. 6.

TUBERÍAS DE DRENAJE, ACCESORIOS Y ESTRUCTURAS AUXILIARES

Durante muchos años se utilizaron predominantemente tubos de cerámica y hormigón hasta la actual oferta de tubos de drenaje de plástico liso y corrugado que son actualmente las más utilizadas. Los tubos de cerámica, hormigón o plástico dan resultados satisfactorios si reúnen las normas de calidad establecidas y se instalan correctamente. Para diámetros superiores a 200 mm, las tuberías de plástico son antieconómicas. 6.1

Tuberías de drenaje de plástico

La principal ventaja de las tuberías de plástico respecto a los tubos de cerámica y hormigón es su menor peso por unidad de longitud, con la consiguiente reducción del coste de transporte e instalación. Las tuberías de plástico corrugado disponibles desde 1963 han dado buenos resultados y han sustituido a los tubos de cerámica y hormigón.

Figura 9 . Sistemas de acople para tubería de drenaje corrugada Las paredes de la tubería corrugada le dan flexibilidad a la tubería y la hace más resistente a la compresión que la tubería lisa. Esta tubería flexible es muy adecuada para instalación mecánica y por tanto los costes de instalación se reducen considerablemente. Además, la tubería corrugada ha facilitado el desarrollo de técnicas de instalación sin apertura de zanja. El acceso de agua se facilita porque el área perforada es mayor y está distribuida más uniformemente. Su revestimiento con materiales envolventes es más fácil. La ejecución de obras es más adecuada al no haber uniones demasiado anchas ni defectos de alineación. Las medidas de esta tubería se refieren al diámetro externo, siendo 40, 50, 65, 80, 100, 125, 160 y 200 mm los diámetros estándar. El agua entra en las tuberías corrugadas a través de perforaciones hechas en el valle de las corrugaciones. Son frecuentes aberturas longitudinales o «ranuras» pero también orificios circulares. Las perforaciones pueden tener un diámetro o una anchura de ranura que varía de 0,6 a 2 mm. La longitud de las ranuras es aproximadamente 5 mm pero en tuberías de mayor diámetro puede ser mayor. 6.2

Materiales de Drenaje Subterráneo

En la actualidad se usan materiales de drenaje que comprenden tuberías de drenaje y sus accesorios, envolturas y estructuras auxiliares de drenaje. Cuando se instala un dren subterráneo en ciertos suelos puede ser necesario tomar ciertas medidas para proteger la tubería de drenaje de la entrada de partículas de suelo. Pueden entrar partículas o agregados de suelo en la tubería a través de las perforaciones de su pared, debido a la fuerza de arrastre del agua. Este proceso nunca puede impedirse completamente pero puede reducirse substancialmente o incluso paralizarse mediante el uso de material externo poroso colocado alrededor de la tubería. El medio poroso diseñado con este fin se denomina «envoltura de dren» aunque erróneamente se ha llamado con frecuencia «filtro de dren». El funcionamiento de un filtro es tal que al retener el material de suelo puede llegar a obturarse o causar la obstrucción del suelo circundante. Al contrario, una buena «envoltura de dren» restringe la entrada de sedimentos, proporciona material de alta conductividad hidráulica y estabilidad estructural en torno al dren, y no se obstruye con el tiempo. Las envolturas convencionales pertenecen a la primera generación de envolturas, son de grava, conchas trituradas, o materiales orgánicos sueltos como residuo de turba. El manejo y la colocación de grava alrededor de una tubería de drenaje es una operación engorrosa que origina altos costes de instalación.

Actualmente existen materiales más livianos sustitutivos de envolturas de grava. Generalmente, los materiales envolventes alternativos constaban de fibras orgánicas como las que se encuentran en residuos de cultivos. Con el fin de reducir el coste de sistemas de drenaje y simplificar su instalación mecánica, la segunda generación de envolturas, que incluye materiales envolventes en forma de tiras, ha reemplazado gradualmente a los materiales orgánicos sueltos. Un rollo de estos materiales puede transportarse en un tractor con zanjadora y colocarse sobre una tubería mientras se instala. Entre estos materiales se tienen la turba fibrosa, paja de lino y fibras de coco. También se fabrican láminas de fibra de vidrio, fáciles de manejar y accesibles económicamente. La última y tercera generación de envolturas, las sintéticas, ha ganado popularidad bastante rápidamente, estas son tiras de geotextiles que revisten una tubería de drenaje o coberturas de fibras sintéticas sueltas. La mayor parte de las envolturas de fibra sintética se fabrican a partir de material reciclado, como son las fibras residuales de polipropileno procedentes de fabricar alfombras. 7. FORMULAS PARA EL CALCULO DE ESPACIAMIENTO DE DRENES Según las hipótesis establecidas, las fórmulas de drenaje se pueden clasificar en las dos clases siguientes: - Fórmulas de régimen permanente o estacionario - Formulas de régimen no permanente o no estacionario 7.1

Régimen permanente y no permanente

En el régimen permanente, se supone que la recarga de agua (R) a un área es constante, y la salida de agua (Q) por el sistema de drenaje también es constante, e igual a la recarga; permaneciendo la tabla de agua en forma estacionaria; es decir, que no asciende ni desciende de nivel. Este estado ocurre generalmente en zonas húmedas, donde la precipitación es más o menos constante durante un largo período y sus fluctuaciones no son amplias. En la práctica no se da esta situación; sin embargo, la aplicación de las correspondientes fórmulas suele dar resultados aceptables. (Villón Béjar, 2015) Las fórmulas para el régimen permanente, son las de Donnan, Hooghoudt, Ernst, Kirkam, Toksoz, Dagan y muchos otros. En los de régimen no permanente, se supone que la recarga de agua (R) a un área no es constante, lo mismo que la salida de agua (Q) por el sistema de drenaje, e incluso cuando la descarga es menor que la recarga. Eso ocasiona la elevación del nivel freático mientras dure la recarga, para luego ir descendiendo y, posteriormente, volver a elevarse al comenzar el próximo riego o lluvia. Este estado ocurre en zonas con riego periódico o altas intensidades de lluvia. Las fórmulas para el régimen no permanente son las de Glover-Dumm, Knaijenhoff van de LeurMaasland, Jenab y otros. Villón Béjar, 2015). Figura 10. Régimen permanente Régimen no permanente

7.1

ESPADREN. Sofware para el cálculo de espaciamiento de drenes terciarios

Figura 11.

Actualmente, a escalas nacional e internacional, es escaso el tipo de software en el campo del drenaje, concretamente para el cálculo de espaciamiento de drenes. Por tal razón, con el fin de llenar este vacío, este trabajo de investigación se orienta al Desarrollo de un software para el cálculo de espaciamiento de drenes terciarios (ESPADREN). Se pretende que ESPADREN sea una herramienta que simplifique los cálculos laboriosos que se requieren para el cálculo del espaciamiento de drenes terciarios, a fin de que el especialista en drenaje utilice más el tiempo en análisis, que en los cálculos para diferentes alternativas, con lo cual pueda optimizar, técnica y económicamente, sus diseños. Drenaje agrícola El objetivo del drenaje agrícola es prevenir la presencia de un nivel freático alto y así evitar una excesiva humedad en la zona radicular, la cual, directa e indirectamente, afecta al crecimiento de los cultivos (3). Ecuaciones para el cálculo de espaciamiento de drenes En el diseño de un sistema de drenaje, uno de los factores más importantes es el espaciamiento de los drenes. Para calcular este espaciamiento, diferentes investigadores, basándose en los principios de flujo de agua subterránea, han desarrollado fórmulas. En las de régimen permanente, se supone que la recarga de agua (R) a un área es constante, y la salida de agua (Q) por el sistema de drenaje también es constante, e igual a la recarga; permaneciendo la tabla de agua en forma estacionaria; es decir, que no asciende ni desciende de nivel. Este estado ocurre generalmente en zonas húmedas, donde la precipitación es más o menos constante durante un largo período y sus fluctuaciones no son amplias.Entre los investigadores que han desarrollado fórmulas para este tipo de régimen, se pueden mencionar a: Donnan, Hooghoudt, Ernst, Kirkam, Toksoz, Dagan En los de régimen no permanente, se supone que la recarga de agua (R) a un área no es constante, lo mismo que la salida de agua (Q) por el sistema de drenaje, e incluso cuando la descarga es menor que la recarga. Eso ocasiona la elevación del nivel freático mientras dure la recarga, para luego ir descendiendo y, posteriormente, volver a elevarse al comenzar el próximo riego o lluvia. Este estado ocurre en zonas con riego periódico o altas intensidades de lluvia. Entre los principales investigadores que han desarrollado fórmulas para el régimen no permanente se tienen a:Glover-Dumm, Knaijenhoff van de Leur-Maasland, Jenab y otros. Tipos de flujo En los sistemas de drenaje, el flujo de agua se descompone en tres formas: Flujo horizontal, flujo vertical y flujo radial. La predominancia de un flujo sobre otro depende de la profundidad a la cual se encuentra la capa impermeable con respecto al nivel de los drenes, con lo que, el flujo vertical es, por lo general despreciable con respecto a los otros flujos. Ecuaciones de drenaje para régimen permanente Fórmula de Donnan La fórmula más sencilla es la de Donnan. Sus puntos de partida son los siguientes (4): • El flujo hacia los drenes es permanente. • El flujo es solamente horizontal. • El suelo es más o menos homogéneo en toda su profundidad hasta la capa freática. • Hay un sistema de drenes paralelos infinito en ambas direcciones.

• La recarga es distribuida uniformemente. La fórmula presentada por Donnan es la siguiente: donde: L = Espaciamiento de los drenes (m) R = Recarga por unidad de superficie (m/día) q = Descarga de los drenes por unidad de superficie (m/día) K = Conductividad hidráulica del suelo (m/día) B = Altura de la capa freática respecto a la capa impermeable, en el punto medio entre dos drenes (m) D = Altura del nivel del agua en los drenes respecto a la capa impermeable = espesor del acuífero por debajo del nivel de los drenes (m) Fórmula de Hooghoudt Los puntos de partida de Hooghoudt son los siguientes (4): • El flujo hacia los drenes es permanente • El flujo es horizontal y radial • El suelo esta constituido por dos estratos, encontrándose los drenes en la interfase de los dos estratos. • La recarga es distribuida homogéneamente. La fórmula general de Hooghoudt, es:

donde: L = Espaciamiento de drenes (m) K1 = Conductividad hidráulica arriba del nivel de los drenes (m/día) K2 = Conductividad hidráulica abajo del nivel de los drenes (m/día) h = Carga hidráulica en el punto medio entre drenes (m) d = Espesor del estrato equivalente de Hooghoudt, que depende de L, D, y r (radio de los drenes) (m).

R = Cantidad de agua que hay que drenar o descarga normativa (m/día) Estrato equivalente Con el parámetro d, espesor del estrato equivalente, Hooghoudt en su fórmula introdujo el factor de la resistencia radial que ocurre en la zona cercana al dren, la cual se calcula mediante la fórmula aproximada:

en esta fórmula, p es el perímetro mojado del dren, que para tuberías, es p = π Fórmula de Ernst La ecuación de Ernst se utiliza en suelos con dos estratos, y ofrece una mejora sobre las fórmulas anteriores, pues el límite entre los dos estratos puede estar por encima o por debajo del nivel de los drenes (3).

El principio fundamental de la solución de Ernst es el de considerar tres componentes en el flujo: una vertical, una horizontal y una radial. Estas componentes dan un esquema bastante completo, del sistema total de flujo que está basado directamente en la analogía entre las leyes de Darcy y Ohm. Este concepto implica que la pérdida de carga hidráulica tiene también tres los cuales pueden ser calculados separadamente, teniéndose por superposición la carga total, h: h = h v + hh + hr donde: h = Pérdida total de carga hidráulica (m) hv = Pérdida de carga hidráulica debida a la componente vertical del flujo (m) hh = Pérdida de carga hidráulica debida a la componente horizontal del flujo (m) hr = Pérdida de carga hidráulica debida a la componente radial del flujo (m)

Siendo: donde: R = Descarga normativa (mm/día) Dv = Espesor de la zona de movimiento vertical (m) Kv = Conductividad hidráulica de la zona de movimiento vertical (m/ día)