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CURSO RIEGOS Y DRENAJES

Introducción.

Colombia a lo largo de sus últimos 50 años ha vivido una degradación paulatina de los recursos naturales, motivada por los factores sociales adversos que ha vivido el país. Fenómenos como la deforestación y pérdida de la biodiversidad se han sucedido en la mayoría de nuestros ecosistemas, alterando la dinámica natural de los mismos y por ende la oferta de bienes ambientales. El Riego y el drenaje se plantean como los métodos que permiten aportar el agua necesaria a la planta para lograr su adecuado desarrollo. Para los profesionales del sector agropecuario, este conocimiento se está volviendo cada día más necesario debido a los cambios que está sufriendo el clima global debido al calentamiento. Es imprescindible pronosticar y predecir la oferta de recursos hídricos para el presente y futuro, para así poder tomar las previsiones necesarias mediante la planeación de las actividades agrícolas en las explotaciones asesoradas. El presente módulo está compuesto por tres unidades didácticas, las cuales agrupan tres capítulos cada una. Cada unidad trata un aspecto diferente del agua en la superficie terrestre, presentando conceptos claros y simples que le permitan al aprehendiente acceder a conceptos fundamentales que serán la base para la comprensión de temas avanzados que serán vistos en otros cursos. La primera unidad, trata los conceptos generales de la hidrología, mostrando una definición de la hidrología y de su historia. Se destaca la importancia del ciclo hidrológico y su relación con la cuenca hidrográfica, como unidad fundamental de análisis. Finalmente se presentan los parámetros hidrodinámicos usados en la planeación del riego. La segunda unidad habla de las fuentes superficiales como suministro principal del agua para riego. Se presentan las características físicas y químicas que definen la calidad del agua de riego y la posibilidad de su uso, y se dan los fundamentos básicos de hidráulica necesarios para el diseño de tuberías y canales. La tercera unidad presenta los principales métodos de riego y los criterios de diseño de los sistemas asociados a cada uno de ellos, así como los aspectos fundamentales del drenaje, su importancia para la productividad de las explotaciones agropecuarias, y los principales métodos y sistemas utilizados

Unidad I ASPECTOS GENERALES DE LA RELACIÓN AGUA - SUELO El conocimiento de la relación agua-suelo es esencial para la producción agrícola bajo riego. La cantidad de agua disponible en el suelo para los cultivos es un valor sumamente dinámico ya que es resultado del balance hídrico y depende también de las propiedades físicas del suelo.

Capitulo 1

Elementos básicos de Hidrología Durante su vida sobre la tierra el hombre ha sido testigo, muchas veces sin entenderlo, del desarrollo del ciclo del agua en la naturaleza. La distribución de los climas, la formación de las nubes y su inestabilidad, la producción de las lluvias, la variación de los niveles de los ríos, y el almacenamiento de agua en depósitos superficiales o subterráneos son temas en cuyo estudio se ha venido profundizando a lo largo de los años, conformando una rama de la física que se conoce como Hidrología.

Lección 1 Definición e historia de la Hidrología La Hidrología en su definición más simple es la ciencia que estudia la distribución, cuantificación y utilización de los recursos hídricos que están disponibles en el globo terrestre. Estos recursos se distribuyen en la atmósfera, la superficie terrestre y las capas del suelo. La hidrología proviene de las raíces hidro y logía que pueden expresarse como el estudio del agua o de las aguas. Sin embargo una de las definiciones más completas ha sido la suministrada por el ingeniero Chino Ven Te Chow fundador y editor en jefe de Handbook of Applied Hidrology(1964), quien dijo que la hidrología es la ciencia que estudia el agua en cuanto a su origen, distribución y circulación sobre la superficie terrestre, teniendo en cuenta sus propiedades, físicas, químicas y su relación con el medio ambiente. La hidrología como ciencia es relativamente antigua. Civilizaciones tan antiguas como la Griega, con su pensadores trataron de explicar el por que de la lluvia, por que los ríos fluían. Fue el filosofo griego Anaxágoras quien dio una explicación al proceso, donde intuyo que las lluvias provenían de la evaporación del agua de mar por parte del sol. Posteriormente Teofrasto y el romano Marco Vitruvio, basados en las ideas de Anaxágoras, definieron lo que hoy conocemos como ciclo hidrológico. Las civilizaciones asiáticas, generaron una aproximación más de medición, para lo cual llevaron registros sistemáticos de precipitaciones, caída de nieve y viento, llegando a una teoría sobre el ciclo hidrológico tal como la conocemos hoy, alrededor del 900 - 400 A.C., sin embargo por su poca comunicación con occidente, sus teorías no impactaron significativamente el conocimiento del resto del mundo.

Durante la edad media y el renacimiento el concepto de hidrología no avanzó en gran medida, hasta que Leonardo da Vinci realizó mediciones sistemáticas de velocidades en diferentes cauces, con lo que llegó a la conclusión que el agua es más rápida en la superficie que en el fondo. En la era moderna varios científicos aportaron sus teorías para la consolidación de lo que hoy conocemos como hidrología. Entre ellos tenemos: Dalton en 1802 describió un principio para la evaporación; Hagen y Poiseuille en 1839, describieron una teoría para el flujo laminar; Darcy en 1856 presento su ecuación para el flujo en medios porosos; Manning (1891) presentó su ecuación para el flujo en canales abiertos; Hazen en 1914 introdujo el análisis de frecuencia para los máximos de una creciente; Horton en 1933 desarrollo una aproximación a la infiltración y en 1945 presentó su descripción de las cuencas de drenaje (índices de Horton) y finalmente en 1941 Gumbel propuso la ley de valor extremo para estudios hidrológicos. Todas estas teorías independientes ayudaron a consolidar la naciente ciencia de la hidrología hasta que a mediados del siglo XX (70s) alcanzó un reconocimiento definitivo como disciplina. La hidrología como ciencia es relativamente antigua. Civilizaciones tan antiguas como la Griega, con su pensadores trataron de explicar el por que de la lluvia, por que los ríos fluían. Fue el filosofo griego Anaxágoras quien dio una explicación al proceso, donde intuyo que las lluvias provenían de la evaporación del agua de mar por parte del sol. Posteriormente Teofrasto y el romano Marco Vitruvio, basados en las ideas de Anaxágoras, definieron lo que hoy conocemos como ciclo hidrológico. Las civilizaciones asiáticas, generaron una aproximación más de medición, para lo cual llevaron registros sistemáticos de precipitaciones, caída de nieve y viento, llegando a una teoría sobre el ciclo hidrológico tal como la conocemos hoy, alrededor del 900 - 400 A.C., sin embargo por su poca comunicación con occidente, sus teorías no impactaron significativamente el conocimiento del resto del mundo. Durante la edad media y el renacimiento el concepto de hidrología no avanzó en gran medida, hasta que Leonardo da Vinci realizó mediciones sistemáticas de velocidades en diferentes cauces, con lo que llegó a la conclusión que el agua es más rápida en la superficie que en el fondo. En la era moderna varios científicos aportaron sus teorías para la consolidación de lo que hoy conocemos como hidrología. Entre ellos tenemos: Dalton en 1802 describió un principio para la evaporación; Hagen y Poiseuille en 1839, describieron una teoría para el flujo laminar; Darcy en 1856 presento su ecuación para el flujo en medios porosos; Manning (1891) presentó su ecuación para el flujo en canales abiertos; Hazen en 1914 introdujo el análisis de frecuencia para los máximos de una creciente; Horton en 1933 desarrollo una aproximación a la infiltración y en 1945 presentó su descripción de las cuencas de drenaje (índices de Horton) y finalmente en 1941 Gumbel propuso la ley de valor extremo para estudios hidrológicos. Todas estas teorías independientes ayudaron a consolidar la naciente ciencia de la hidrología hasta que a mediados del siglo XX (70s) alcanzó un reconocimiento definitivo como disciplina.

Lección 2 El ciclo hidrológico El ciclo hidrológico, representa el concepto fundamental en hidrología, ya que explica como es el comportamiento del agua a lo largo de la superficie terrestre. En la Tierra el agua, se mueve en el espacio llamado hidrósfera, que es la zona definida por la capa inferior de la atmósfera y la capa superior de la litósfera (Corteza terrestre). El ciclo del agua, o Ciclo Hidrológico, explica el campo de la aplicación de la hidrología y su relación con otras disciplinas como la Meteorología, la Oceanografía, la Hidráulica, la Geotecnia, las Ciencias Naturales, etc. El Ciclo comprende la circulación del agua desde los océanos hasta la atmósfera, luego a los continentes y nuevamente a los océanos. El ciclo hidrológico es un ciclo cerrado, es decir se repite indefinidamente, en el cual el agua contenida en los océanos y en la superficie terrestre es evaporada por la acción del sol y la respiración de las plantas y convertida en vapor de agua. Este vapor viaja por la atmósfera (en forma de nubes) hasta que se eleva lo suficiente para condensarse. En este punto retorna a la superficie terrestre en forma de lluvia o nieve. El agua que cae en la superficie terrestre puede tomar varios caminos: Puede ser interceptada por la vegetación (Hojas y tallos, plantas epifitas), convertirse en flujo superficial sobre el suelo (escorrentía) hasta llegar a un cuerpo de agua (Río, quebrada, lago o laguna) o puede infiltrarse hasta llegar a los acuíferos (agua subterránea). Es importante anotar que parte de esta agua, sobre todo la retenida en la vegetación y la de escorrentía se puede evaporar directamente por acción del sol, con lo que no regresa al mar. En la Figura 1, se presenta un esquema del ciclo hidrológico. De acuerdo con estimativos que fueron publicados por la UNESCO en 1978 el volumen total del agua que participa en el Ciclo Hidrológico del Globo Terrestre es de 1.386 millones de kilómetros cúbicos aproximadamente. El agua salada incluye los volúmenes almacenados en los océanos, en los acuíferos salados y en los lagos salados y constituye el 97.47% del total. El agua dulce no utilizable es la que no está disponible en forma líquida para su aprovechamiento inmediato en los proyectos de ingeniería. Está compuesta por los glaciares, la nieve y la humedad atmosférica. Representa el 1.76% del recurso hídrico. En el agua dulce superficial se consideran los volúmenes que pertenecen a los ríos, lagos y pantanos. Ocupa solamente el 0.0076% del total de agua que hay en el globo terrestre. Por último, el agua subterránea representa el 0.76% del volumen total, lo cual indica que la cantidad de agua subterránea es 100 veces mayor que la de agua superficial. La utilización plena del agua subterránea, sin embargo, depende de factores económicos y técnicos por cuanto más del 50% del total de agua subterránea está confinada en acuíferos por debajo de 800 m de profundidad. Estimativos recientes aportan información que indica que el agua en la superficie terrestre presenta aproximadamente la siguiente distribución.

Tabla 1. Distribución del agua superficial. Fuente Océanos Grandes capas de hielo (Glaciares – Iceberg) Nivel freático y humedad del suelo Lagos y ríos Atmósfera Fuente: www.uc.cl/quimica/agua/a_continentales.html

Porcentaje 97.389 2.01 0.58 0.02 0.001

Lección 3 Balance hídrico El agua no está distribuida uniformemente sobre la superficie del globo terrestre; existen factores de tipo meteorológico, astronómico, orográfico, geográfico y geológico que regulan el comportamiento de las variables del Ciclo Hidrológico. En 1900 el doctor Vladimir Koppen presentó una clasificación climatológica que está relacionada con la Temperatura y la Precipitación; la clasificación permite lograr una visión amplia acerca de la distribución cuantitativa del recurso hídrico sobre el globo terrestre. La clasificación de Koppen reduce a 5 grandes grupos las diferentes variedades de climas que se presentan en el mundo. Estos grupos son los siguientes:

a. climas húmedos tropicales. Característicos de zonas de alta precipitación, con temperaturas medias mensuales por encima de 18º C. b. Climas secos. Característicos de zonas semiáridas y áridas, en las cuales la Evaporación anual excede a la precipitación anual.

c. Climas húmedos mesotérmicos. En zonas lluviosas, con períodos cortos de invierno, y temperaturas medias mensuales que varían entre 0ºC y 18º C en los meses más fríos. d. Climas húmedos microtérmicos. En zonas lluviosas con períodos largos de invierno, y temperaturas medias menores de 0º C en los meses fríos y mayores de 10ºC en los meses cálidos.

e. Climas polares. No tienen estaciones cálidas. Los meses más calientes tienen temperaturas inferiores a 10ºC.

En términos hidrológicos es importante cuantificar o hacer un balance de agua que pasa por un sistema dado. El balance tiene en cuenta las entradas, las salidas y la variación en el almacenamiento del sistema. Las entradas están definidas por: Precipitación (P) en forma de Lluvia y/o nieve, agua de escorrentía (Qgin), agua superficial (Qin) y aguas subterráneas entrantes (Gin). Las salidas están definidas por: Evaporación (Es), transpiración (Ts), agua de escorrentía (Qgout), agua superficial (Qout), infiltración (I) y aguas subterráneas salientes (Gout). Ver Figura 2.

Figura 1. El ciclo hidrológico.

Fuente: www.planning.org/caces/graphics/Figura241

La variación en el almacenamiento está definida como la diferencia entre lo que entra y lo que sale y está definido por la ecuación (1), definido para un volumen de control, que se define como la porción de corteza terrestre a la cual se le va a determinar la variación en el almacenamiento .

(1) En esta ecuación / representa el cambio en el almacenamiento, I representa el total de las entradas y O el total de las salidas. Desglosando tenemos lo siguiente :

Agua superficial: P + Qin – Qout + Qgin – Qgout – Es – I = Agua subterránea: I - Gin – Gout – Ts =

Figura 2. Balance hídrico.

Fuente: Diego Hernández

Sumando y reagrupando términos tenemos:

P–Q–G–E–T=

(2)

El balance hídrico, como se observa en la ecuación anterior retoma toda el agua que atraviesa las barreras del volumen de control, o sea que tiene en cuenta tanto el agua superficial como la subterránea. Sin embargo, en términos prácticos lo que se hace normalmente es determinar el balance del agua superficial, es decir obtener valores de precipitación, evaporación, transpiración, escorrentía y de aguas superficiales para una zona dada.

Lección 4

Elementos del ciclo hidrológico 1 Precipitación. El proceso de la precipitación no es tan sencillo como parece. Hace falta una serie de condiciones previas en la atmósfera tales como la existencia de vapor de agua en grandes proporciones; este vapor debe ascender y condensarse en la altura formando nubes, y que las condiciones dentro de las nubes permita que las pequeñísimas partículas de agua y hielo aumenten de tamaño y peso, para caer desde la nube y llegar al suelo. A medida que el aire asciende se va enfriando, lo que genera una condensación del vapor de agua que lleva en el. Sin embargo para que se produzca condensación es necesario que el vapor de agua esté en contacto con una superficie sobre la cual se pueda desarrollar este fenómeno . Los núcleos de condensación más comunes están conformados por productos de combustión, óxidos de nitrógeno, polvo y partículas de sal. Las partículas de sal, provenientes de la evaporación de la espuma marina, son las mejores como núcleos de condensación dado que al tener propiedades iónicas atraen las partículas de agua por acción electrostática . Las gotas van aumentando paulatinamente de tamaño hasta que se hacen visibles, formando neblina, en cuyo caso la mayoría de “gotas” tienen un diámetro de alrededo r de 10 μm. Este es el tamaño máximo que la condensación puede generar, por esto la mayoría de las gotas están alrededor de los 10 μm de diámetro, sin embargo, variaciones en este tamaño son solo atribuibles al tamaño del núcleo de condensación, es decir, las gotas más grandes son las que se formaron sobre un núcleo de condensación más grande. Cuando se alcanzan los tamaños antes descrito, las gotas ya están sometidas a la fuerza de la gravedad y podrían eventualmente comenzar a caer, sin embargo no lo hacen por los vientos ascendentes que ocurren al interior de la nube que los mantienen suspendidos. Se ha determinado que velocidades tan bajas como 0.5 cm/seg, son suficientes para mantenerlos suspendidos . Las gotas al interior de esta corriente ascendente, pueden chocar unas con otras incrementando paulatinamente su tamaño hasta que alcanzan un diámetro de 0.1 mm, valor al cual comienzan a caer. Se ha determinado en forma experimental que el diámetro promedio de las gotas que abandonan la base de la nube está comprendido entre 0.1 y 3 mm. Si en la nube se presentan temperaturas muy bajas, las gotas se congelan y se agregan unas a otras por impacto, cayendo posteriormente en forma de granizo. En términos generales se puede llamar precipitación al agua proveniente de la atmósfera, que puede venir en cualquier fase (líquida como lluvia, sólida como nieve o granizo o en forma de vapor de agua como neblina) y que llega a la corteza terrestre y más concretamente a lo que llamamos suelo. Sin embargo, no toda el agua llega al suelo, ya que una parte puede quedar retenida o almacenada en la vegetación, de donde se evapora directamente, otra parte puede caer sobre cuerpos de agua de agua superficiales y por tanto no ser absorbida por el suelo. Más adelante profundizaremos en los conceptos de retención y almacenamiento, tanto en los vegetales como en el suelo y como esto afecta al balance hídrico de una región. Los factores que determinan el desigual reparto de las precipitaciones son múltiples y complejos, desde los de ámbito general hasta los regionaleso locales. Los factores de alcance general son los responsables de que en los climas ecuatoriales los climas sean fundamentalmente deconvecciones, y en los climas tropicales las estaciones lluviosas coincidan con los solsticios. Los factores regionales o locales determinan aspectos tales como la mayor humedad de las zonas costeras y la mayor frecuencia de lluvias en las barreras montañosas, en especial en su vertiente orientada al mar.

Figura 3. Precipitación.

Fuente: Diego Hernández. 2 Evaporación. La evaporación es un cambio progresivo del estado liquido al estado gaseoso. Se debe hacer claridad en este momento en la diferencia entre evaporación y ebullición. Los dos conceptos implican el paso de un líquido a gas. En el caso de la evaporación, este proceso se desarrolla en forma pausada y se produce solo en la superficie del líquido. En la ebullición en cambio, el vapor se forma dentro de la masa de líquido, escapando rápidamente a la superficie del mismo, por lo que el cambio de fase se produce en forma tumultuosa. La evaporación es un fenómeno importante e indispensable en el ciclo de la vida. El más conocido, el del agua, en el cual esta se transforma en vapor de agua que se convierte en nube y vuelve en forma de lluvia o nieve, cerrando el ciclo. Los líquidos al igual que todos los cuerpos están compuestos por moléculas. En los líquidos en particular, estás moléculas están atraídas unas a otras con menor fuerza que en los sólidos, por eso su energía cinética es mayor, es decir vibran o se mueven más rápidamente. Al agregar energía al líquido (que puede ser de varias formas como el calor o la presión), sus moléculas se moverán cada vez más rápido hasta que las que se encuentran en la superficie pueden “saltar” a la atmósfera que rodea el líquido, al saltar se formará una capa muy delgada sobre el líquido, en la cual las moléculas ejercerán una presión sobre la superficie del líquido llamada presión de vapor. La energía cinética de las moléculas depende de la velocidad media o promedia de las moléculas, velocidad que a su vez depende de la temperatura del líquido, siendo las dos directamente proporcionales, es decir cuando aumenta la una aumenta la otra. En el caso de la evaporación,

existirán moléculas que obviamente poseerán una velocidad mayor que la promedio, caso en el que si pasan cerca de la superficie del líquido, podrían saltar fuera del mismo gracias a esta. Al escaparse las moléculas más veloces, la velocidad promedio de las restantes disminuye, por lo que también lo hace su temperatura. Es por esto que la evaporación se define esencialmente como un proceso de enfriamiento, en este sentido, para evaporar 1 gr. de agua se necesitan aproximadamente 600 calorías. El salto de moléculas se da hasta que se produce un equilibrio entre las moléculas que saltan y las que son nuevamente recuperadas por la superficie del líquido, momento en el cual se habla de presión de vapor de saturación, el cual obviamente depende de la temperatura del líquido (o sea de que tan rápido se mueven sus moléculas). Esta presión de vapor de saturación se presenta en una pequeña capa sobre la superficie del líquido la cual es llamada capa límite. La capa límite se forma sobre todo líquido expuesto a la atmósfera, controlando la evaporación del mismo al generar un equilibrio entre las moléculas que se escapan del líquido y las que son nuevamente retenidas por el. De esto se deduce que para que un líquido se evapore no es necesario llevarlo hasta ebullición, sino solo aportar la energía necesaria para que las moléculas de la superficie den el salto a la atmósfera. El equilibrio en la evaporación se mantiene mientras la capa límite permanezca estable, es decir en cuanto la capa límite desaparezca o disminuya su espesor, nuevas moléculas saltarán del líquido para establecer un nuevo equilibrio. Lo anterior pone de manifiesto que la evaporación depende no solo de la energía cedida al líquido (normalmente por el sol) sino de otros factores que generalmente destruyen la capa límite, tales como el viento; la temperatura del aire, que aporta energía a las moléculas escapadas lo que puede hacerlas salir de la capa límite y finalmente la humedad del aire o humedad relativa, que influye el proceso de evaporación de una forma muy simple, dado que entre mayor sea el número de moléculas de agua en el aire, menor será la posibilidad de que nuevas moléculas salten desde la superficie del líquido. 3. Transpiración. Con el desarrollo de las raíces, hojas y los sistemas conductores (xilema y floema), las plantas solucionaron problemas básicos de un organismo pluricelular fotosintético de vida terrestre, al poder captar el agua junto con el alimento y repartirlos a todas las moléculas del vegetal. El sistema, xilema, transporta agua e iones desde las raíces hasta las hojas. El otro sistema, floema, transporta sacarosas en solución y otros productos de la fotosíntesis desde las hojas hacia las células no fotosintéticas de la planta. El proceso de transpiración de las plantas produce la presión que empuja al agua hacia arriba, a todas las células de la planta. Este proceso continúa hacia las raíces, donde el agua en los espacios extra celulares que rodean al xilema es empujada hacia adentro por las perforaciones de las paredes de los elementos de los vasos y las traqueidas. Este movimiento del agua hacia arriba y hacia adentro finalmente causa que el agua presente en el suelo se mueva hacia el cilindro vascular por ósmosis a través de las células endodérmicas. La fuerza generada por la evaporación del agua desde las hojas, transmitida hacia abajo por el xilema hacia las raíces, es tan fuerte que se puede absorber agua de suelos bastantes secos. La transpiración tiene efectos positivos y negativos. Los positivos le proporcionan la energía capaz de transportar agua, minerales y nutrientes a las hojas en la parte superior de la planta. Los negativos son la mayor fuente de pérdida de agua, pérdida que puede amenazar la supervivencia de la planta, especialmente en climas muy secos y calientes. Casi toda el agua se transpira por los estomas de las hojas y del tallo, por tanto una planta al abrir y cerrar sus estomas debe lograr un equilibrio entre la absorción de bióxido de carbono para la fotosíntesis y la pérdida de agua de la transpiración. El flujo de agua es unidireccional desde la raíz hasta la hoja porque sólo ésta puede transpirar.

El objetivo de la transpiración, es decir el determinar el porque la planta transpira, es algo que inquietado a los biólogos y científicos del área agrícola, los cuales después de muchos años de experimentar han propuesto una teoría muy interesante según la cual, la transpiración es el proceso por el cual la planta intercambia energía con su medio. Este intercambio se realiza a través de energía térmica y en esencia esta evaporación parece que contribuye a mantener una baja temperatura de la hoja, durante el día, en el cual se encuentra expuesta a la radiación solar. Nuevamente el sol es el encargado de suministrar la energía para el proceso, al calentar la superficie de la hoja, esta temperatura incrementa la oscilación de las moléculas de agua que llegan a sus espacios porosos y puede permitir que algunas salten a la atmósfera como vapor de agua. En el capítulo anterior habíamos hablado que este salto disminuye la velocidad promedio de las partículas que quedan y por tanto su vibración. Como esta vibración es directamente proporcional a la temperatura, la hoja experimenta un enfriamiento. Sin embargo, durante el día la hoja está expuesta a la acción de los rayos solares que aportan energía, por lo que este enfriamiento no es muy alto, sin embargo por mediciones realizadas se ha podido comprobar que la superficie de las hojas tienen una temperatura unos grados por debajo que la temperatura del aire que la rodea. 4. Evapotranspiración. La suma de la evaporación del suelo, de la superficie y la transpiración de las plantas se denomina evapotranspiración y representa el consumo de agua en una plantación dada. Más del 50% de la precipitación que llega a la superficie terrestre vuelve a la atmósfera por este medio. Para determinar las necesidades hídricas de los cultivos, se utiliza el concepto de evapotranspiración potencial ó uso consuntivo, que se define como la pérdida de agua de un terreno totalmente cubierto por un cultivo verde de poca altura a causa de la evaporación del suelo y la transpiración de las plantas sin que exista limitación de agua. Es decir, el agua total que consume un cultivo en particular y que utiliza para convertir en biomasa y para transpirar. La evapotranspiración potencial (E.T.P.) permite estimar el consumo de agua de los cultivos y es parte del llamado balance hídrico por medio del cual se determinan la disponibilidad hídrica de una zona o de un sitio en particular. La evapotranspiración depende de la temperatura, de la práctica de riego, de la duración del período de crecimiento, de las precipitaciones y de otros factores. Además la cantidad de agua transpirada por las planta depende, del agua que ésta tiene a su disposición, de la temperatura y la humedad del aire, de los vientos, luminosidad, desarrollo de su follaje de las características de sus hojas.

Lección 5 - Escorrentía En hidrología, la escorrentía es la lámina de agua que circula en una cuenca de drenaje, es decir la altura en milímetros de agua de lluvia escurrida y extendida uniformemente. Normalmente se considera como la precipitación menos la evapotranspiración real. Según la teoría de Horton se forma cuando la intensidad de la precipitación supera la capacidad de infiltración del suelo . La escorrentía es una fase de ciclo hidrológico. Recuérdese que el agua pasa de ser vapor de agua contenido dentro de las masas de aire de la atmósfera, para luego convertirse en precipitación o lluvia. A su vez, el agua se evapora directamente desde el suelo, o es liberada en forma de vapor a través de las plantas (evapotranspiración). Otra parte del agua es infiltrada a través del suelo para alimentar a las aguas freáticas o subterráneas. Las aguas que logran mantenerse en movimiento sobre la superficie se convierten entonces en agua de escorrentía . El agua de escorrentía crea sistemas de desagüe o de drenaje; éstos poseen la forma de la hoja de una planta, cuyas nervaduras se asemejan a la red de ríos y el pecíolo (palito que sostiene la hoja) al canal de desagüe. Dichos sistemas son un mecanismo de convergencia, donde los ríos más pequeños desembocan en ríos cada vez más grandes. Un sistema o una cuenca de drenaje puede delimitarse en un plano trazando una línea a lo largo de la divisoria de aguas. Una divisoria de agua es un límite natural desde donde el agua de escorrentía fluye en direcciones opuestas. Desde tiempos remotos, estas líneas imaginarias han servido de límites políticos entre estados, así como de linderos entre propiedades privadas. Es importante el trazado de las divisorias de agua en una región para el caso de estudios de climatología o de hidrología aplicada. Las aguas de escorrentía son de vital importancia para el hombre, puesto que sin este recurso las actividades humanas se ven seriamente restringidas. Así, por ejemplo, muchas de las antiguas civilizaciones se desarrollaron en torno a grandes ejes de drenaje, pues el agua corriente se utiliza para el riego de los cultivos; es útil en las actividades manufactureras; sirve para el consumo de las comunidades urbanas; por otra parte, la escorrentía alimenta los grandes embalses que son útiles para la generación de energía eléctrica; los grandes ríos sirven, además, para la navegación, convirtiéndose en especies de autopistas por donde circulan numerosas embarcaciones y son, al mismo tiempo, importantes para la pesca, por ser el hábitat de múltiples especies comestibles La escorrentía presenta tres vías claramente diferenciadas:

Escorrentía superficial. Se le denomina escurrimiento directo. Es la escorrentía que más rápidamente llega a la salida de la cuenca. Ya se dijo que esta depone de la infiltración básica, sin embargo, en campo se ha observado que suelos cubiertos con vegetación arbórea no presentan valores tan altos de escorrentía, mientras que los suelos cubiertos por pasturas y cultivos, presentan valores de escorrentía relativamente altos. La escorrentía superficial agrupa dos formas de escorrentía. La primera es aquella que se produce directamente sobre la superficie del suelo debido a sus propiedades físicas y volumétricas. La segunda es la que se produce cuando el agua escurrida llega a un cauce temporal (aquel que desaparece entre dos lluvias consecutivas). A este tipo de flujo se lo denomina flujo en canales. El flujo en canales, se denomina flujo lateral, dado que el agua al llegar a este canal comienza a fluir en forma casi perpendicular al flujo que traía anteriormente. Este flujo es un símil del que se produce en el talweg. El análisis de flujo en canales implica el uso de modelos y ecuaciones de hidráulica tales como la de Manning las cuales se apartan del contenido del curso. Si el estudiante desea profundizar en este aspecto, puede apoyarse en un texto de hidráulica de canales.

Cuando la pendiente del terreno es muy baja o el suelo es poroso, como aquellos que tienen textura arenosa, a medida que el agua circula por la pendiente se va infiltrando en el terreno, en este caso se dice que se presenta una escorrentía superficial con pérdidas. Figura 4. Escorrentía superficial.

Fuente: Diego Hernández Escorrentía subsuperficial. Se dice que se presenta escurrimiento subsuperficial cuando el agua que se infiltra en la superficie del suelo, se escurre lateralmente en forma casi paralela a la superficie del suelo. En este caso hablamos de un flujo en condiciones no saturadas, por lo que se cumple la Ley de Darcy para flujo en condiciones no saturadas, que tiene la siguiente forma:

(4) Donde V, es la velocidad del flujo en el medio poroso [cm/h]; H1 y H2, representa la carga hidráulica neta entre los puntos 1 y 2, o dicho de otra forma la energía potencial del agua [cm]; L, representa la distancia entre los puntos 1 y 2 medida a lo largo de la trayectoria de flujo [cm] y kc, es el valor de la conductividad hidráulica no saturada o conductividad capilar, la cual 3 depende de la humedad volumétrica del suelo [cm/h]; r, es la densidad del agua [gr/cm ]; h, es 2 la viscosidad del agua [N.seg/m ], estas dos propiedades dependen directamente de la 2

temperatura; g, es la fuerza de la gravedad [m/seg ] y volumétrica, expresado en decimal.

v, es el valor de la humedad

Figura 5. Escorrentía subsuperficial.

Fuente: Diego Hernández. El movimiento de la escorrentía subsuperficial, además de los aspectos edafológicos, se ve influenciado por los topográficos. Es decir, si el terreno es plano, el flujo será netamente vertical a lo largo del perfil del suelo, es decir flujo en zona no saturada, hasta llegar en algunos casos al nivel freático (flujo en zona saturada). Si el terreno es inclinado, el flujo tenderá a seguir una trayectoria oblicua, siguiendo casi la superficie del suelo, hasta llegar a un cauce. Por esto se le denomina flujo de retorno rápido, dado que llega relativamente rápido a los cauces, obviamente esta velocidad estará influenciada por la conductividad hidráulica del suelo, contando en términos generales que los suelos de textura pesada (arcillosos) presentan una velocidad de escorrentía subsuperficial mucho menor que los suelos de textura liviana (arenosos). En época de lluvias, este flujo es uno de los responsables de la aparición de corrientes intermitentes (es decir que solo aparecen en invierno).

Escorrentía subterránea. Se dice que hay escorrentía subterránea cuando el flujo de agua ocurre en forma casi vertical hasta llegar al nivel freático, por este motivo se la denomina flujo base. Este movimiento se cumple en condiciones de flujo no saturado, en la zona no saturada y en condiciones de saturadas al llegar al nivel freático. Por lo tanto se cumple la Ley de Darcy en todo momento. Esta escorrentía es muy importante debido a que es la responsable de la recarga de acuíferos, es decir de mantener la profundidad del nivel freático a un nivel constante. De lo expuesto anteriormente podemos deducir que para que el flujo llegue hasta el nivel freático, se necesita que el perfil de suelo ubicado sobre este, llegue a unas condiciones de saturación de microporos, es decir que el suelo se encuentre a capacidad de campo, para que paulatinamente los macroporos evacuen el exceso a estratos más profundos. En este sentido, la escorrentía subterránea está muy asociada a los procesos de infiltración y de percolación profunda. Figura 6. Escorrentía subterránea.

Fuente:Diego Hernández.

Capítulo 2

Elementos básicos de suelos El suelo es un medio muy complejo y heterogéneo con propiedades físico – químicas y biológicas que, por separado o con sus tantas interrelaciones, ejerce influencia sobre las relaciones agua – planta. Por tanto, es importante analizar el movimiento del agua en el suelo junto con sus propiedades físicas para obtener condiciones ideales para el crecimiento de las plantas.

Lección 6 Composición volumétrica del suelo El suelo procede de la interacción de dos mundos diferentes, la litosfera y la atmósfera, y la biosfera. El suelo resulta de la descomposición de la roca madre, por factores climáticos y la acción de los seres vivos. Esto implica que el suelo tiene una fracción mineral y otra biológica. Es esta condición de compuesto órgano mineral lo que le permite ser el sustento de multitud de especies vegetales y animales. El suelo es un cuerpo natural formado por materiales orgánicos y minerales desmenuzados y modificados atmosféricamente, que cubren la corteza terrestre y en la cual las plantas desarrollan sus raíces y toman los alimentos que le son necesarios para su nutrición. La descomposición de la roca madre (meteorización) puede hacerse por disgregación, o factores físicos y mecánicos, o por la alteración, o descomposición química. En este proceso se forman unos elementos muy pequeños que conforman el suelo, los coloides y los iones. Dependiendo del porcentaje de coloides e iones, y de su origen, el suelo tendrá unas determinadas características. Se tienen dos tipos de meteorización:  

Meteorización física. Se produce una desintegración mecánica del material original, la cual modifica su forma y tamaño pero no su composición química. Se generan arenas. Meteorización química. Descompone sustancias complejas en otras más simples, es decir, se cambia la composición química. Genera arcillas. Esta meteorización se puede generar en dos vías: Oxidación (presencia de oxígeno), básicamente se afectan los compuestos de hierro, formando óxidos ferrosos y férricos, que le imparten color rojo al suelo. Reducción (ausencia de oxígeno), generan colores azules, verdosos o grises en el suelo.

La materia orgánica procede fundamentalmente de la vegetación que coloniza la roca madre. La descomposición de estos aportes forman el humus bruto. A estos restos orgánicos vegetales se añaden los procedentes de la descomposición de los aportes de la fauna, aunque en el porcentaje total de estos son de menor importancia. La descomposición de la materia orgánica aporta al suelo diferentes minerales y gases: amoniaco, nitratos y fosfatos como los más importantes. En la mayoría de los casos generan un pH ácido. Estos son elementos esenciales para el metabolismo de los seres vivos y conforman la reserva trófica del suelo para las plantas, además de garantizar su estabilidad. De todo lo anterior puede inferirse que el suelo está conformado por tres fases: Loa primera es la sólida, conformada por minerales y materia orgánica, que corresponde a un 50% del total. La segunda la líquida, que en su gran mayoría está representada por agua, corresponde a un 25% del

total y finalmente la tercer fase la gaseosa, conformada por gases diversos, correspondiente a un 25% del total. Cabe anotar que estos valores son representativos, por lo que un suelo puede tener proporciones totalmente diferentes, de acuerdo a los factores que intervinieron en su formación.

Lección 7 Textura Para el uso adecuado y eficiente del agua de riego resulta especialmente importante el estudio de las propiedades físicas del suelo que tienen relación con la aptitud para retener el agua o para facilitar su movimiento. La textura es la proporción de los tamaños de los grupos de partículas que constituyen el suelo y está relacionada con el tamaño de las partículas de los minerales que lo forman. Esta propiedad ayuda a determinar la facilidad de abastecimiento de los nutrientes, y aire que son fundamentales para la vida de la planta. El termino textura se usa para representar la composición granulométrica del suelo. Cada termino textural corresponde con una determinada composición cuantitativa de arena, limo y arcilla. Las formas de las partículas del suelo dependen del proceso de meteorización que sufrieron, encontrándose que la meteorización química genera bordes redondeados y la física bordes angulares. Por facilidad de estudio las texturas se agruparon en clases de acuerdo a la composición relativa de arena limo y arcilla. Estas clases se llaman clases texturales y se presentan en la pirámide textural.

Fuente: http://ecoplexity.org/files/Soil_texture_triangle_span.gif

Lección 8 - Estructura Las partículas del suelo no se encuentran aisladas, forman unos agregados estructurales que se llaman peds, estos agregados (o terrones) por repetición dan lugar al suelo. Los agregados están formados por partículas individuales (minerales, materia orgánica y poros) y le confieren al suelo una determinada estructura. La estructura se refiere a la forma como se unen y ordenan las partículas primarias del suelo (arena, limo y arcilla). La agregación puede deberse a acción electrostática o por la acción cementante de la materia orgánica y las arcillas. Estas agregaciones se convierten en unidades separables más grandes que se repiten a lo largo del horizonte llamadas peds . La estructura se puede clasificar desde el aspecto morfológico la estructura del suelo se define por una forma, un tamaño y un grado de manifestación de los agregados. La más común es la clasificación según la forma que se presenta a continuación.

Figura 8. Estructura del suelo.

Fuente: http://www.uclm.es/users/higueras/mam/MAM4_archivos/image026.jpg Estructura según la forma. Es la tendencia a manifestarse con un determinado hábito, y se definen los siguientes tipos:  Columnar. Estructura en la que predomina el eje vertical sobre el horizontal, es decir son alargadas. Forma prismas con su cara superior redondeada. Estructura muy rara.  Prismática. Estructura que se presenta cuando los bloques se desarrollan en una dirección (vertical) más que en la horizontal. Presente en los horizontes más arcillosos, a veces horizontes B y en ocasiones en los horizontes C.



   

Bloque. En este caso los ejes vertical y horizontal, son muy similares, se presentan dos categorías: Angular, en la que se encuentran agregados de forma poliédrica, con superficies planas, de aristas vivas y con vértices. Las caras del agregado se ajustan muy bien a las de los agregados vecinos. Con agregados de forma poliédrica, con superficies no muy planas, de aristas romas y sin formación de vértices. Las caras del agregado se ajustan moderadamente a las de los agregados vecinos. Típicamente en los horizontes arcillosos, como los horizontes B. Granular. Agregados de forma redondeada, que no se ajustan a los agregados vecinos. Es similar a la migajosa pero con los agregados compactos. Típica de los horizontales A. Migajosa. Agregados porosos de forma redondeada (no se ajusta a los agregados vecinos. Típica de los horizontales A. Laminar.Se presenta cuando los agregados se desarrollan en dirección horizontal más que en la vertical. Típica de los horizontes arenosos. Sin estructura: .Cuando no hay desarrollo de agregados. Horizontes de partículas sueltas (pulverulentos) o masivos (endurecidos).

Lección 9 Densidad La densidad se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. De acuerdo a esto en el Sistema Internacional (S.I), la masa se mide en kilogramos (kg) y el volumen 3 en metros cúbicos (m ) por tanto, la densidad se medirá en kilogramos por metro cúbico 3 (kg/m ).Esta unidad de medida, sin embargo, es muy poco usada, ya que es demasiado grande, con lo que se estarían usando siempre números muy grandes. Para evitarlo, se suele emplear otra 3 unidad de medida: El gramo por centímetro cúbico (g/cm ). En suelos se presentan dos densidades, que se presentan a continuación -Densidad de los sólidos o real. Se define como la relación entre la masa de los sólidos y el volumen de los mismos.

(5) Donde, Dr, representa la densidad real del suelo 3 Volumen total de los sólidos del suelo [cm ].

[g/cm3]; ms, la masa de los sólidos [g] y Vs, el 3

La densidad de los suelos minerales oscila entre 2.6 y 2.7 g/cm , con un promedio en 2.65 3 3 g/cm . La densidad de los suelos orgánicos varía entre 1.3 y 1.5 g/cm . -Densidad aparente. Se define como la relación entre la masa de los sólidos y el volumen total. Indirectamente la densidad aparente da una relación entre los sólidos y los poros del suelo, es decir entre mayor sea el espacio poroso menor será su valor.

(6) 3

Donde, Da, representa la densidad aparente del suelo [g/cm ]; ms, la masa de los sólidos [g] y 3 VT, el Volumen total de los agregados del suelo [cm ]. 3

La densidad aparente de los suelos minerales es aproximadamente de 1.6 gr/cm , y la de los 3 orgánicos de 1.1 gr/cm . La densidad del suelo y más concretamente la densidad aparente puede ser modificada por el manejo del suelo (recordar que la densidad real no es modificable). Generalmente el mal manejo del suelo (riego, labranza, labores culturales, quemas, etc.) causa una compactación del mismo, lo que quiere decir una disminución de la porosidad. En este sentido se incrementa la densidad aparente a valores cercanos a la real, lo que trae como consecuencia una disminución de la velocidad de infiltración del agua y por ende mayor riesgo de escorrentía y menos penetración de raíces, incrementando por tanto la susceptibilidad la volcamiento del cultivo.

Lección 10 Porosidad La porosidad es un índice que indica la proporción relativa de poros en el suelo. Los poros son los elementos o espacios de un suelo ocupados por agua y aire, los cuales están determinados por la textura, estructura, penetración de raíces y la actividad de microorganismos. La porosidad en general se compone de poros de diversos tamaños. En el presente módulo se trabajará con la clasificación más simple: Macroporos y microporos. Los microporos, son espacios de menos de 2 µm de diámetro ubicados al interior de los peds (unidades estructurales de los suelos). Son responsables de la acumulación o almacenamiento de agua en el suelo. La capacidad de almacenamiento depende en gran medida de la textura del suelo, es decir de la proporción relativa de arena, limo y arcilla que lo componen. A pesar de la gran variabilidad que presentan los suelos de Colombia, se puede en términos generales afirmar que los suelos arcillosos presentan una mayor proporción de microporos que los arenosos y por tanto pueden almacenar más agua. Los macroporos, se definen como aquellos poros con diámetro mayor de 2 µm. Estos poros son formados por la estructura del suelo, es decir básicamente son generados por la separación entre unidades estructurales. Sin embargo, también pueden ser formados por la acción de macroorganismos como lombrices, hormigas y raíces de árboles . El conjunto de macroporos y microporos define la porosidad total del suelo. Si bien los microporos son los encargados de almacenar agua, los macroporos son los encargados de permitir su paso a través del perfil del suelo, es decir generan la infiltración del agua. En términos generales se puede afirmar que los suelos arcillosos presentan una menor proporción de macroporos que los arenosos y por tanto transportan con mayor dificultad el agua. Como se comentó la porosidad puede variar mucho dependiendo del manejo que se le da al suelo. Sin embargo, es posible dar unos valores indicativos de porosidad: Para suelos ligeros (Textura arenosa), la porosidad oscila entre 30 y 45%. Para suelos francos, entre 45 y 55%. Para suelos pesados (Textura arcillosa), entre 50 y 65% y para suelos orgánicos, entre 75 y 90% . La porosidad está muy relacionada con la densidad. De acuerdo a esto puede calcularse como sigue:

(7) Donde, e, representa la porosidad total del suelo [%]; Dr, representa la densidad real del suelo 3 3 [g/cm ] y Da, representa la densidad aparente del suelo [g/cm ]. Los poros son formados en el suelo principalmente debido a la agregación de sus constituyentes (arena, limo, arcilla y materia orgánica) en elementos estables al agua que son difíciles de separar, a esta agregación se le denomina estructura. Se ha encontrado que los poros más grandes se encuentran en los puntos de contacto entre agregados, siendo estos los que permiten en mayor medida el paso del agua a través del perfil del suelo. Los poros se pueden generar además por la acción de los microorganismos del suelo, los cuales generan como productos metabólicos de desecho, sustancia húmicas, que favorecen la agregación

del suelo. Otro factor importante, es la actividad de las raíces de las plantas, las cuales al crecer forman canales, los cuales quedan una vez ellas mueren y se descomponen. Esto nos indica que el suelo no es algo estable, sino algo dinámico que se modifica constantemente. El agua al llegar al suelo, penetra al suelo por los macroporos, sin embargo, también lo hace paulatinamente a los microporos o poros pequeños, los cuales son los encargados de almacenar el agua en el suelo, agua que después estará disponible para las plantas

Capítulo 3

El agua en el suelo El agua contenida en los microporos es muy importante desde el punto de vista de la producción agrícola, pecuaria y forestal, dado que en esta zona es donde se concentran la mayor proporción de raíces y de donde la planta absorbe la mayor cantidad de agua. Gran parte del agua retenida por el suelo es extraída por las plantas para su desarrollo, pero esta extracción requiere energía. Así al aumentar el agua en el suelo, el esfuerzo por su extracción disminuye y las plantas consumen energía para obtener el agua que necesitan .

Lección 11 Formas del agua en el suelo Desde que el hombre se interesó por el agua en el suelo, ha tratado de generar categorías que faciliten su estudio. Una de las primeras clasificaciones ampliamente utilizada fue la que se dio en función del uso y aprovechamiento que de ella hacían las plantas. En este caso, el agua del suelo puede presentarse en tres formas diferentes: Agua higroscópica. Es toda aquella agua absorbida directamente de la humedad de aire y retenida por las partículas del suelo. Se caracteriza porque las raíces de las plantas no tienen la fuerza necesaria para tomarla. Esta agua está retenida por la matriz del suelo con tensiones que oscilan entre 31 y 10000 bares. Está retenida en la superficie de las partículas del suelo y no se mueve por la influencia de la gravedad ni de fuerzas capilares. Es el agua que permanece adherida a las partículas del suelo cuando éste se seca completamente al aire y da al observador la apariencia de su total ausencia; por lo tanto, no posee actividad agrícola alguna como es fácil de comprender, por quedar firmemente retenida a las partículas del suelo mediante una finísima película de un grosor de 4 a 5 millonésimas de milímetro. Agua capilar. Se define como toda aquella agua retenida y almacenada en los microporos del suelo. Esta agua es la sobrante de las capas superiores que va descendiendo muy lentamente por acción de la fuerza de la gravedad, pero que es retenida por acción capilar. Se estima que esta agua está retenida por tensiones entre 0.33 y 31 bares por la matriz del suelo y puede ser aprovechada por las plantas. Es el agua sobrante de las capas superiores ya saturadas y que van pasando sucesivamente a las inferiores en virtud de su propio peso y de la presión que ejerce el agua de las capas superiores. El agua capilar es la que está por encima del agua higroscópica y que el suelo retiene debido a fuerzas de tensión superficial, contra la fuerza de gravedad. El agua capilar es el excedente de agua higroscópica que se encuentra en los poros del terreno y que se adhiere a las partículas del suelo en forma de finísima películas alrededor de las mismas, constituyendo el agua capilar interna. Agua gravitacional. Esta es el agua que ocupa los macroporos, la cual por efecto de la gravedad se percola (infiltra profundamente, hasta llegar en muchos casos al nivel freático) en el perfil del suelo. La fuerza de tensión que ejercen las partículas del suelo sobre esta agua, es muy baja, presentando valores que oscilan entre 0 y 0.33 bares. El agua de gravedad es el exceso de agua higroscópica y capilar por estar completamente saturados los espacios intersticiales de las partículas del suelo, con lo que tiende a descender a los horizontes inferiores por la fuerza de gravedad, hasta encontrar una capa impermeable que la

retiene y almacena. Por tal razón origina encharcamientos cuando esta capa se encuentra muy superficial, ocasionando daños a las plantas y por tanto debe ser eliminada gracias a la construcción de drenajes. El agua de gravitación puede ser útil para reponer el agua de capilaridad gastada, cuando la capa freática está situada inmediatamente debajo de la zona donde se desarrollan las raíces. No existe una clara separación entre estas tres clases de agua del suelo. La proporción en que se encuentran cada una de ellas depende de la textura, de la estructura, del contenido de materia orgánica, de la temperatura y del espesor del perfil del suelo considerado. En condiciones normales, el agua gravitacional drena rápidamente de zona radicular. El agua no disponible es retenida intensamente por la fuerza capilar y las raíces de las plantas no pueden tomarla. El agua drena del terreno bajo la atracción constante de la gravedad, más rápidamente en los suelos arenosos que en los arcillosos. Esto se explica porque el agua gravitacional viaja vía macroporos. Suelos con texturas arenosas desarrollan más macroporos que microporos, ocurriendo lo contrario con texturas arcillosas, donde predominan los microporos a los macroporos, por lo que el agua se mueve más lentamente al interior del perfil del suelo al no contar con muchos macroporos para desplazarse.

Lección 12 Potencial de agua en el suelo Las partículas del suelo que constituyen la fase sólida tienen la propiedad de absorber humedad en su superficie, formando una película que las envuelve. Este fenómeno es debido a fuerzas de adhesión y de cohesión. La adhesión consiste en la atracción entre moléculas de distinta naturaleza, debido a fuerzas eléctricas. Por este procedimiento, las partículas sólidas retienen enérgicamente una fina película de agua de solamente tres a cuatro moléculas de espesor. El agua adherida atrae otras moléculas de agua, mediante el fenómeno de cohesión, que consiste en la atracción entre moléculas de la misma naturaleza. La cohesión es igualmente debida a fuerzas eléctricas, y es posible debido el carácter bipolar de las moléculas de agua. De esta manera se forma una segunda capa rodeando las partículas, con un espesor de varios cientos de moléculas, que son retenidas más débilmente que las de la primera capa. Aunque esta clasificación da una explicación del agua contenida en el suelo, es decir en la zona no saturada, es importante conocer el estado energético (termodinámico) de la misma y no solamente su estado estático y cuantitativo, dado que esta diferencia de energía entre dos puntos, es lo que genera el movimiento del agua en el perfil. Debido a esto surge el concepto de potencial de agua en el suelo, el cual reemplazo a la clasificación en términos del uso por las plantas. Se define potencial del agua en el suelo como el trabajo necesario para llevar una unidad de agua desde una posición estándar (en equilibrio), hasta un punto determinado. El potencial total del suelo se denota por la letra griega Psi (Y) y está compuesto por cuatro potenciales diferentes. El potencial de agua en el suelo, se puede medir de diversas formas tales como por unidad de energía [J/kg, erg/g], por unidad de presión [milibares, centibares, atmósferas] o por unidad de peso, el cual es el más utilizado en campo y expresa los potenciales como el peso de una columna de agua, para lo cual se determina solo la lámina de la misma, es decir los potenciales se expresan en unidades de longitud [cm]. En el perfil del suelo se tienen dos niveles de referencia con respecto a los cuales dar la medida de la lámina. El primer nivel de referencia es la superficie del terreno y el segundo la superficie del nivel freático. En la práctica cada potencial se puede referenciar a uno de estos niveles, lo cual se verá más adelante. Potencial gravitacional (Yg). Este potencial está dado por la atracción gravitacional que ejerce el centro de la tierra sobre los cuerpos y se manifiesta físicamente como el peso. Esta atracción produce un movimiento vertical desde la superficie a las zonas más profundas del suelo. El potencial gravitacional de un punto del suelo está determinado por su elevación con respecto a un nivel de referencia. Si el punto en particular está por debajo del nivel de referencia el potencial gravitacional será negativo y si está encima positivo. Potencial de presión (Yp). El potencial de presión en un punto determinado se define como el peso de la columna de agua por encima del mismo.Esto quiere decir que el potencial de presión solo existirá en puntos por debajo de la superficie del nivel freático.

El potencial de presión se referencia siempre al nivel freático. Los puntos por debajo de este tendrán potencial de presión positivo y los ubicados en la superficie del nivel freático o encima de este tendrán potencial depresión 0. Potencial mátrico (Ym). El potencial mátrico del suelo, se define como el trabajo que debe realizarse para trasportar una cantidad de agua desde la superficie del nivel freático hasta un punto localizado por encima de este. Esto quiere decir que puntos por encima del nivel freático tienen potencial mátrico negativo y los que están en su superficie o por debajo tienen potencial mátrico igual a 0. El potencial mátrico se referencia siempre al nivel freático. El potencial mátrico es el resultado de la acción de las fuerzas de adsorción y capilaridad, es decir la fuerza con la fase sólida del suelo retiene y atrae el agua. Potencial osmótico (Yo). El potencial osmótico, se expresa como el movimiento del agua en el perfil del suelo causado por la diferencia en la concentración de sales. Este trabajo es importante desde el punto de vista de la fisiología vegetal, dado que condiciona el trabajo que debe ejercer laplanta para tomar el agua del suelo. En la práctica la diferencia de concentración de sales entre dos puntos del suelo es tan baja que puede despreciarse, es decir se toma al potencial osmótico como igual a 0. El potencial total en un punto del suelo está dado por la siguiente ecuación: (YT) = (Yp) + (Ym) + (Yg) + (Yo), pero en la práctica se tiene: (YT) = (Yp) + (Ym) + (Yg) Es importante hacer ver que si el potencial en todos los puntos del suelo es el mismo, el agua estará en equilibrio y por tanto no se moverá a lo largo del perfil. Por el contrario si es diferente, el agua se moverá de mayor potencial a menor potencial.

Lección 13 Cálculo del potencial de agua en el suelo En el siguiente ejemplo se presenta el cálculo del protencial total para un caso particular: Ejemplo 1. Se tiene un suelo con un nivel freático situado a 120 cm, no se produce flujo en ningún sentido, calcular los potenciales del suelo a 0, 30, 60, 80, 120 y 150. Tomar como referencia la superficie del terreno. Observamos que como el nivel de referencia es la superficie del terreno, todos los puntos van a estar por debajo del mismo. Esto quiere decir que los potenciales se calculan como sigue: El potencial gravitacional como se comentó, presenta valores negativos cuando los puntos están por debajo del nivel de referencia. El módulo del potencial corresponderá a la distancia medida entre el punto y el nivel de referencia, o sea la superficie del terreno. El potencial mátrico, presenta valores negativos en los puntos situados por encima del nivel freático. Su módulo corresponderá a la distancia medida entre el punto y el nivel freático. El potencial de presión, se referencia siempre al nivel freático, presentando valores positivos en los puntos por debajo del nivel freático. El módulo, corresponderá a la distancia medida entre el nivel freático y el punto. Finalmente, el potencial total, corresponderá a la suma de los potenciales para cada punto. La Tabla 2 presenta un resumen de los cálculos. De esta Tabla, observamos que el potencial total es igual para todos los puntos del suelo, esto quiere decir que no hay movimiento de agua dentro del perfil del suelo.

Tabla 2. Cálculo del potencial total, con respecto a la superficie del suelo.

Punto 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Potencial Potencial de mátrico presión -120 0 -100 0 -80 0 -60 0 -40 0 -20 0 0 0 0 20 0 40 0 60

Potencial Potencial gravitacional total 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 -160 -180

-120 -120 -120 -120 -120 -120 -120 -120 -120 -120

NOTA: Todas las medidas están en cm En el caso que el nivel de referencia fuera la superficie del nivel freático los potenciales se recalcularían teniendo en cuenta esta nueva condición, tal como se muestra en la Tabla 3.

Tabla 3. Cálculo del potencial total, con respecto a la superficie del nivel freático.

Punto 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Potencial Potencial de mátrico presión -120 0 -100 0 -80 0 -60 0 -40 0 -20 0 0 0 0 20 0 40 0 60

NOTA: Todas las medidas están en cm

Potencial Potencial gravitacional total 120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Lección 14 Constantes de humedad En la práctica, se utilizan las dos clasificaciones en términos de riego y drenaje. Es decir, se utiliza la clasificación de agua en términos del uso y aprovechamiento y en términos energéticos. La interfase entre estos grupos, genera unas constantes de amplio uso en la teoría de riegos y drenaje. La primera constante se llama capacidad de campo, la cual está comprendida en la interfase entre agua gravitacional y agua capilar. Está definido como el agua que retiene el suelo después que este ha sido saturado y se ha dejado fluir toda el agua gravitacional, lo que en la mayoría de los casos ocurre 1 o 2 días después de haberse saturado. En este estado los poros más pequeños del suelo retienen el agua contra las fuerzas de la gravedad y los poros mayores están en buena parte ocupados por aire. Esta situación es muy favorable al desarrollo de los cultivos, que encuentran en el suelo agua abundante retenida con una energía que es fácilmente superada por la de succión de las raíces, al mismo tiempo que el suelo está suficientemente aireado. Con objeto de evitar esa imprecisiones a la hora de determinar la capacidad de campo, se define el concepto de “humedad equivalente”, que es el agua retenida por el suelo cuando a una muestra del mismo se aplica una fuerza de extracción de 1/3 de atm (333 cm). La humedad equivalente es en realidad el coeficiente arbitrario que se define como el porcentaje de humedad que queda en una muestra de suelo de peso definido, después de que esta ha sido sometida a una fuerza centrífuga mil veces mayor que la fuerza de la gravedad, por un período determinado. La segunda constante se denomina punto de marchites permanente. Se define como el contenido de humedad de un suelo por debajo del cual las plantas no pueden extraer agua sin deteriorarse. Se denomina coeficiente de marchites, a la cantidad mínima de agua que aún contiene el suelo sin que pueda ser utilizada por las plantas. Una planta se marchitará cuando no es capaz de seguir obteniendo humedad suficiente para satisfacer sus necesidades hídricas. La tensión con que el agua es retenida en el suelo en el punto de marchites equivale más o menos 13.6 atmósferas que parecen estar en equilibrio con la máxima capacidad de succión de la mayoría de las plantas cultivadas. Cuando el suelo está sometido a una prolongada sequía llega un momento en que las fuerzas de atracción del suelo por el agua (potencial total) son superiores a la fuerzas de absorción desarrollada por las raíces, entonces las plantas ante la imposibilidad de utilizar el agua que aún permanece en el suelo, se marchitan. Este caso es característico del marchitamiento transitorio o temporal, en el cual las plantas se recuperan en la parte más fría o más fresca del día, generalmente durante la noche. En caso de persistir la escasez hídrica, se llega a la marchites permanente en la que las plantas mueren rápidamente. Aunque el coeficiente de marchitez no corresponde al mismo porcentaje de humedad para todas las plantas, en un mismo suelo, las diferencias que pueden existir resultan tan pequeñas, que justifican ampliamente el uso de este coeficiente. El coeficiente de marchitez se considera así como un punto, cuyo valor se ha asumido igual para todas las plantas dentro del mismo suelo. El coeficiente de marchitez se puede determinar de manera directa cultivando una planta cualquiera en un recipiente que contenga el suelo en estudio. Una vez que la planta haya desarrollado su sistema radicular se suspende el suministro de agua para provocar su marchitez. El contenido de humedad del suelo, en el que la planta marchita no revive en la atmósfera húmeda, representa el coeficiente de marchites. Se considera que una planta está

marchita permanentemente cuando no se recupera después de haber sido regado el suelo en el que se encuentra. Estas dos constantes, generan la tercera, que se define como agua útil, la cual es el agua aprovechable por las plantas para realizar sus funciones metabólicas. Se expresa como la diferencia del contenido de humedad del suelo a capacidad de campo y a punto de marchites permanente. Ver Figura 9

Figura 9. Agua en la zona no saturada.

Fuente: Diego Hernández.

Cada una de las constantes de humedad definidas anteriormente, puede expresarse en % que representa el contenido de humedad del suelo en un momento dado, éste puede medirse en forma gravimétrica o volumétrica. Para expresarlo en forma gravimétrica se pesa una muestra de suelo en estado húmedo y después en estado seco, haciendo el secado en estufa a 105oC hasta peso constante. El porcentaje de humedad de la muestra de suelo será la relación entre el peso del agua perdida por la muestra y el peso de la muestra seca multiplicado por cien. Para la determinación de la humedad volumétrica se deben tomar muestras con recipientes de volumen determinado.

Lección 15 Infiltración y conductividad hidráulica El movimiento cíclico del agua en el suelo comienza con su entrada en el perfil a través del proceso de infiltración, continúa con su almacenamiento temporal en la zona de raíces y termina con su remoción del suelo con el drenaje. La infiltración o entrada de agua en el suelo ocurre generalmente en la superficie del suelo y tiene dirección vertical hacia abajo . Para modelar la infiltración se han realizado varias investigaciones, dentro de los que se cuenta con el modelo de Horton quien en 1940, presento un modelo matemático al respecto, el cual ha sido de amplio uso en varias disciplinas.

i = ib+(io-ib)e-ct (7) Donde i, es la velocidad de infiltración [mm/h]; ib, es el valor de la infiltración básica [mm/h]; io, es la infiltración inicial; t, es el tiempo durante el cual se aplica agua al suelo y c, es una constante que depende del suelo y la vegetación. Kostiakov, en 1932 propuso una ecuación empírica que ha sido ampliamente aplicada en la práctica del riego, debido a su simplicidad.

(8) Donde I, es la lámina infiltrada [cm]; a, es el valor de la infiltración para el primer minuto [cm/min]; b, representa la tasa de infiltración (decrecimiento); t, es el tiempo durante el cual se aplica agua al suelo. Para la medición de la infiltración en campo el método más utilizado, debido a su simplicidad, es el de los cilindros concéntricos. Este método ideado por Musgrave en 1935 y que aun se utiliza sin mayores modificaciones, consiste en dos cilindros de acero con un diámetro de 32 y 50 cm, los cuales se clavan en el suelo a una profundidad de al menos 10 cm. Estos cilindros presentan un espesor de 3 mm, con una pestaña de aproximadamente 13 mm de longitud, en el extremo superior, para golpearlos más fácilmente al introducirlos en el suelo. El extremo inferior se hace afilado para facilitar la penetración. El terreno donde se realiza esta prueba debe estar nivelado, con su superficie libre de arvenses y residuos en general que obstaculicen el normal desarrollo de la prueba. Al colocar los cilindros, se debe buscar que estos no dañen demasiado la estructura del suelo, lo que se consigue asegurándose que estos están verticales al momento de clavarlos Ver Figura 10. Los cilindros deben quedar concéntricos. Para iniciar la prueba se llena con agua el espacio definido por los dos cilindros, para lo cual se deja infiltrar el agua 10 minutos. Pasado este tiempo se llena hasta una altura conocida el cilindro interno y se toman medidas de la lámina infiltrada a intervalos de tiempo regulares. Esta prueba en la mayoría de los casos presenta una duración cercana a las 4 horas. Como la velocidad de la infiltración es mayor cuando la prueba comienza, los intervalos de tiempo entre lecturas deben ser cortos. A medida que la prueba transcurre y la velocidad de infiltración disminuye, los intervalos de tiempo se harán más largos. Con estas parejas de datos se construye la gráfica Velocidad de infiltración Vs Tiempo, para obtener el valor de la infiltración básica. Es recomendable si el terreno es grande, ejecutar esta operación en varias partes para obtener un

promedio de las mediciones y así minimizar las variaciones en la infiltración debidas a la variabilidad del suelo

Figura 10. Instalación correcta y funcionamiento de los cilindros en campo.

Fuente: Diego Hernández Ejemplo 2. Construir la curva de velocidad de infiltración Vs Tiempo con los datos tomados mediante los cilindros concéntricos. En la siguiente Tabla se presentan los intervalos de tiempo que tradicionalmente se manejan en las pruebas de infiltración.

Tabla 4. Datos de una prueba de infiltración.

Tiempo min 1 1 5 5 10 10 30 30 60 60 60

Lámina Lámina tiempo infiltrada infiltrada acumulado acumulada mm min mm 15 1 15 12 2 27 11 7 38 8,5 12 46,5 8 22 54,5 7,5 32 62 6,2 62 68,2 5 92 73,2 4 152 77,2 4 212 81,2 4 272 85,2

Velocidad tiempo de acumulado infiltración min mm/h 1 341,71 2 207,21 7 83,90 12 56,86 22 36,71 32 28,01 62 17,38 92 13,07 152 9,10 212 7,16 272 5,98

Para construir la gráfica se deben tomar los tiempos y la infiltración acumulados. Para hacer esto, se inicia con el primer tiempo que en este caso es un minuto. Para obtener el segundo tiempo acumulado, se toma el segundo tiempo que es 1 minuto y se le suma al anterior, o sea el primer

tiempo, dando como resultado 2 y así sucesivamente hasta completar el acumulado de los tiempos y la lámina acumulada se hace de forma similar en una columna independiente. Con estos valores se construye una gráfica de lámina de infiltración acumulada contra el tiempo acumulado, utilizando una hoja de cálculo de Microsoft Excel, tomando las columnas tres y cuatro e insertando una gráfica de dispersión, la cual se muestra en la Figura 11. Si observamos la gráfica, veremos que la lámina de infiltración acumulada asciende en forma rápida al comienzo, y se va haciendo más lenta al final del tiempo, esto se explica ya que el suelo al irse saturando tiene menor capacidad de infiltración. Es importante determinar la ecuación de la curva, la cual se asemeja a una función logarítmica. En este caso graficamos las series de datos en un papel loglog, tal como se muestra en la Figura 12. La ecuación de la recta generada será de la forma.

I = C t m (9) Donde I, es la lámina de infiltración acumulada [mm]; C, es el intercepto sobre la ordenada (eje Y); m, representa la pendiente de la recta formada.Para obtener la ecuación de la curva de la lámina de infiltración (I) vs tiempo (t), en la gráfica de Excel (Figura 11) dando click derecho sobre un punto de la gráfica elegimos la opción agregar línea de tendencia y a continuación seleccionamos en tipo: potencial y en opciones: presentar ecuación en el gráfico. De esta manera obtenemos para este ejemplo la ecuación:

I = 20.464 t 0.2783 Figura 11. Lámina de infiltración en función del tiempo.

Fuente: Esperanza Nieto.

Figura 12. Logaritmo de lámina de infiltración en función del tiempo.

Fuente: Esperanza Nieto. A partir de la ecuación 9 de la lámina de infiltración es posible calcular la ecuación de la velocidad de infiltración (i), para esto sólo debemos derivar con respecto al tiempo, con lo que nos queda :

I=Ctm

i =dI /dt= d(C t m)/dt i = K t n (10) En el ejemplo se tiene:

i =dI /dt= d(20.464 t 0.2783)/dt i = 20.464*0.2783*60 t (0.2783-1)

i = 341.708 t (-0.7217) donde i es la velocidad de infiltración en mm/h, el factor 60 utilizado en la ecuación es para pasar de minutos a horas, y t es el tiempo en minutos. Con base en la ecuación anterior y tomando los tiempos acumulados columna 3 de la Tabla 4 y reemplazándolos en dicha ecuación se obtienen los valores de la velocidad de infiltración (columna 6). La gráfica correspondiente se muestra a continuación. Si observamos la gráfica, veremos que la velocidad de infiltración desciende en forma exponencial a medida que avanza el tiempo, hasta alcanzar un valor en el cual se estabiliza, éste es el valor de la infiltración básica.

i b = K tb n donde:

ib es la velocidad de infiltración básica tb es el tiempo básico correspondiente el cual se calcula como: tb= -10x(n) Para nuestro ejemplo podemos calcularlo como:

tb = -10*(-0.7217) = 7.22 horas = 433 min y reemplazando este tiempo básico en la ecuación de la velocidad de infiltración obtenemos:

i b= 341.708 t (-0.7217) i b = 341.708 (433 min) (-0.7217) i b = 4.26 mm/h el cual es el valor de la velocidad de infiltración básica para el suelo del ejemplo.

Figura 13. Velocidad de infiltración en función del tiempo.

Fuente: Esperanza Nieto.

El flujo en suelos saturados fue estudiado en detalle por el ingeniero Henry Darcy, quien luego de ser contratado por la ciudad de Paris para que diseñara un sistema de filtros de arena para purificar el agua de la misma, presentó una ecuación que describe el movimiento del agua en medios porosos.

(11) Donde V, es la velocidad del flujo en el medio poroso [cm/h]; H1 y H2, representa la carga hidráulica neta entre los puntos 1 y 2, o dicho de otra forma la energía potencial del agua [cm]; L, representa la distancia entre los puntos 1 y 2 medida a lo largo de la trayectoria de flujo [cm] y k, es el valor de la conductividad hidráulica [cm/h]. Es importante en este momento hacer claridad entre los conceptos de permeabilidad y conductividad hidráulica, los cuales en algunas ocasiones han sido utilizados como sinónimos, aunque en realidad no lo sean.

Permeabilidad. Se refiere a la propiedad que tiene todo medio poroso y en este caso el suelo, de dejar pasar fluidos y en particular agua, a través de el. Este valor se ha utilizado normalmente como un referente cualitativo. Conductividad hidráulica. Se define como la velocidad de infiltración que se presenta en un medio poroso saturado, la cual se expresa en forma cuantitativa. La conductividad hidráulica es una de las características del suelo más difíciles de evaluar en campo, debido a las variaciones que sufre este, tanto horizontal como verticalmente. Este valor es de amplio uso en la técnica del riego y drenaje, dado que condiciona el diseño de canales de riego y drenaje y la estimación de pérdidas de agua por infiltración. En laboratorio para la medición de la conductividad hidráulica, se utiliza el permeámetro, el cual consiste en un cilindro dentro del cual se introduce una muestra de suelo inalterada, luego de lo cual se hace pasar agua a través de el, tomando medidas del volumen de agua que pasa por intervalo de tiempo. El tipo más empleado es el permeámetro de cabeza constante, en el cual la altura del agua (carga hidráulica), sobre la superficie del suelo, permanece constante, tal como se muestra en la siguiente gráfica. Este tipo de permeámetros cumple la ley de Darcy

(12) Donde V, es la velocidad de escurrimiento [cm/h]; H, representa la carga hidráulica neta entre los puntos 1 y 2 [cm]; L, representa la distancia entre los puntos 1 y 2 medida a lo largo de la trayectoria de flujo [cm] y k, es el valor de la conductividad hidráulica [cm/h].

Figura 14. Permeámetro de cabeza constante.

Fuente: Diego Hernández. Reemplazando en la ecuación de Darcy la ecuación de continuidad tenemos:

(13) Sabiendo que además el caudal se representa como el cociente entre el volumen y el tiempo tenemos:

(14) 3

Donde k, es el valor de la conductividad hidráulica [cm/h]; v, es el volumen escurrido [cm ]; A, es el 2 área del cilindro [cm ]; t, es el intervalo de tiempo medido [seg]; H, representa la carga hidráulica neta entre los puntos 1 y 2 [cm]; L, representa la distancia entre los puntos 1 y 2 medida a lo largo de la trayectoria de flujo [cm].

Unidad II FUNDAMENTOS DE RIEGO Para regar adecuadamente debe humedecerse la zona radicular de las plantas de forma oportuna, por ello la cantidad de agua que se incorpore al suelo debe corresponder a la consumida por el cultivo. Además el riego debe realizarse mediante una técnica adecuada evitando excesos o déficits en la zona regada

Capítulo 4 Fuentes y calidad de agua para riego Para establecer un proyecto de riego se necesita contar con el agua necesaria, es decir asegurarse que la cantidad de agua disponible sea suficiente y además que sus cualidades físicoquímicas y bacteriológicas sean óptimas. El éxito de cualquier gestión agropecuaria con regadío se fundamenta en la suficiencia y seguridad del suministro de agua, en todas las épocas del año.

Lección 16 Generalidades del agua en la tierra La precipitaciones, la nieve los caudales y las aguas subterráneas constituyen las fuentes principales del agua de riego. También es utilizada en agricultura el agua sobrante de la industria y de las viviendas humanas y servidas. Sea cual fuera la fuente de agua para riego, lo que hay que establecer y determinar es el caudal de máximo consumo, teniendo en cuenta, incluso, las pérdidas inevitables, el cual puede ser inferior si se dispone de un depósito como presas, estanques o reservorios. Analizando ya el origen del agua y la cantidad requerida de manera permanente, se debe determinar su calidad estableciendo sus cualidades físicas, químicas y bacteriológicas en relación con las plantas de cultivo. Las diferentes fuentes de agua que hay en la naturaleza y que son objeto de utilización por parte del ser humano ya sea para su alimentación, la de sus animales, la de los cultivos, la industria u otras necesidades, tienen diferentes procedencia y se pueden clasificar así: Aguas que proceden a la precipitación como la lluvia, el rocío, la niebla, la nieve, granizo y escarcha. Aguas superficiales, entre las cuales se agrupan los mares, arroyos, ríos, quebradas, lagos, embalses y los reservorios. Siendo los más abundantes y utilizados para regar el terreno de cultivo, pero que aún no satisfacen las necesidades de las áreas de regadío, por lo que se debe almacenar el agua en invierno, para luego utilizarla en verano.

Aguas subterráneas, son grandes depósitos que pueden existir en el subsuelo a diferentes profundidades. Esta agua puede tener una salida o afloramiento natural de donde se pueden aprovechar o bien es necesario perforar pozos profundos para poderla extraer. Aguas freáticas, es el agua que se encuentra en el suelo a poca profundidad y que requiere de equipo de bombeo de alto volumen y poca altura.

Lección 17 Aguas superficiales Estas aguas provienen de diferentes orígenes y se busca conducirla a los lugares de utilización, por gravedad, bombeo o cualquier otro sistema. Dentro de esta clase se pueden agrupar las siguientes: Arroyos: Constituyen la parte superior o juvenil del río mayor. Generalmente tienen carácter torrencial, con predominio de la erosión y formación de cascadas . Quebradas:. Constituye el tramo intermedio entre el arroyo y el río, en la corriente. La erosión y la sedimentación están en equilibrio, pero se observa el transporte de materiales mayores .

Figura 15. Quebrada de alta montaña.

Fuente: Diego Hernández. Ríos: Son corrientes de agua unidireccionales bastante considerables, que desembocan en otras o en el mar. La mayoría de los ríos se forman en las montañas con el agua de arroyos y manantiales. Su caudal aumenta de manera progresiva por aporte de una red afluente que va a servir a una misma cuenca.

El hombre aprovecha el agua del río para el consumo, para el riego, para los animales, para la industria, como medio de transporte y en algunoscasos cuando deposita limo en sus riveras como medio de fertilización natural.

Figura 16. Río en su parte media.

Fuente: Diego Hernández. Lagos:Se puede definir lago como gran masa de agua rodeada de tierra, la cual es alimentada por arroyos, quebradas o ríos y por la lluvia. El lago es un medio biológico, donde, la flora y la fauna dependen de la forma, cantidad de sedimentos, clima y de la polución ocasionada por el hombre. Los lagos de llanuras son poco profundos y ricos en sedimentos, con abundante flora y fauna a diferencia de los lagos de montaña que son profundos y no poseen sedimento. El agua de los lagos es utilizada para riego derivándolo de allí para terrenos cultivados a través de canales con sus estructuras o compuertas de derivación, porque son embalses naturales abiertos que pueden ser una fuente confiable. Una ventaja de los lagos es que presentan menores variaciones en su nivel en comparación con ríos, quebradas y arroyos.

Figura 17. Lago.

Fuente: Diego Hernández. Presas: Son embalses artificiales abiertos para acumular el agua proveniente de la lluvia o de ríos quebradas o arroyos. Las presas se construyen con cemento, concretos o núcleos de tierra. En lo posible, debe evitarse la construcción de presas sobre manantiales viejos, terrenos de derrumbes, lugares pedregosos o rocosos porque estos dificultan la obra. Los embalses o presas se localizan lo más cerca posible de suelo con textura mediana, porque los suelos de textura fina arcillosa tienden a agrietarse cuando se secan. Para impedir las infiltraciones de agua en las presas, embalses, o estanques se deben usar materiales de revestimiento de polietileno, cemento o asfalto o cubiertas de paja empapada en brea o arcillas. En la Figura 18, se observa la parte posterior de una presa con revestimiento de concreto y parte del embalse generado con esta. Reservorios o estanques: Cuando los recursos naturales de agua son insuficientes para hacer frente a las necesidades de riego, se construyen los estanques y los reservorios con el fin de almacenar agua. Estos depósitos se construyen para retener el agua de invierno y luego utilizarla en períodos secos. La capacidad debe establecerse de acuerdo con las condiciones naturales del sitio de almacenamiento, la demanda de agua de la finca y los afluentes que la alimentan.

Figura 18. Embalse.

Fuente: Diego Hernández.

Figura 19. Estanque.

Fuente: Diego Hernández.

Lección 18 - Aguas subterráneas y pozos Las aguas subterráneas las integran los cauces naturales cerrados, constituidos por estratos acuosos, que resultan de infiltraciones verticales o a través de estratos permeables y de infiltraciones laterales o de estratos inclinados. El agua del subsuelo es la principal fuente de abastecimiento, especialmente en las zonas donde los veranos secos o las sequías prolongadas originan el agotamiento de los ríos, quebradas y arroyos. La fuente principal de alimentación de las aguas subterráneas es la precipitación. Las formaciones que contienen o transmiten agua del subsuelo se llaman acuíferos. Los acuíferos de mayor rendimiento específico están formados por arena y grava. Las capas de agua subterránea reciben el nombre de mantos. A las aguas subterráneas que tienen en su parte inferior un terreno impermeable y en su parte superior un terreno permeable se les llama aguas de manto libre. Esta agua no desaparece con el tiempo, puesto que el agua de la lluvia atraviesa el terreno permeable hasta alcanzar el manto libre, manteniendo su nivel a una altura casi constante. Cuando el manto libre de agua se encuentra al borde de una montaña, el agua se abre camino y sale al exterior libremente. Entonces se forma un manantial o una fuente, formando el inicio de los ríos, quebradas, caños y arroyos. Entre las fuentes de agua subterráneas, se encuentran las siguientes :

Aguas freáticas. Por lo general su profundidad es escasa, pero alcanzan en ciertos casos varias decenas de metros. Presentan las mismas ondulaciones que las de la superficie del suelo. La captación de capas freáticas cuando no están demasiado profundas se realiza, por galerías filtrantes, generalmente cuando la superficie por regar está más baja que la zona de captación . Se requiere un estudio hidrogeológico detallado, así como la perforación de pozos de prueba que permitan determinar la profundidad de la parte superior de la capa impermeable, el espesor de la capa de agua, y su posible caudal. Se excavan galerías en el sentido de la escorrentía o en una dirección ligeramente oblicua, éstas llevan a la superficie el agua captada. Son construidas a cielo abierto si la profundidad no es superior a 4 o 5 metros, si no se excava un túnel. Las dimensiones de las galerías de drenaje varían mucho, ya sean simples drenes de piedra o tubos agujereados. Aunque la clasificación de pozos es bastante amplia, se pueden agrupar en las siguientes clases :





Pozos ordinarios. Son perforaciones que se hacen en el suelo y llegan hasta el manto de agua libre. Los pozos ordinarios, según la forma en que reciban la lluvia, también pueden ser continuos o intermitentes. Continuos son los que siempre tienen agua, e intermitentes los que se secan en algunas épocas del año. El pozo ordinario o simple es el excavado a cielo abierto, que consiste en hacer una fosa o zanja hasta el nivel freático del agua. Con frecuencia se utiliza un revestimiento de concreto, piedra o ladrillo cocido como soporte a la excavación. Por la dificultad de cavar abajo del nivel freático, estos pozos no penetran hasta una profundidad suficiente para producir un alto rendimiento de agua. Se usan para el abastecimiento de fincas y zonas rurales. Pozo artesiano. Existen mantos de agua que se hallan aprisionados entre dos terrenos impermeables. Son los mantos cautivos, de los que el agua no puede

evaporarse. Al perforar estos mantos, en algunos lugares, se puede conseguir que el agua salga a presión formando un surtidor. A este tipo de pozos se les llama pozos artesianos. Siempre han de ser perforados por el hombre, en la zona de la tierra donde se calcule que puede haber agua almacenada . 

Pozos profundos. Este pozo es una excavación o perforación practicada en el suelo para captar el agua desde una fuente más o menos profunda . Antes de dar al servicio un pozo es necesario que el agua cumpla con todas las exigencias de calidad en relación con las características físicas, químicas y bacteriológicas. Los factores que se deben tener en cuenta antes de diseñar y construir un pozo profundo son las siguientes:

Localización. Se debe ubicar en lugares no inundables, buscando un sitio seco. Cuando la dirección del flujo subterráneo y su pendiente son conocidas, el pozo se debe localizar aguas arriba de las posibles aguas de contaminación. Ningún pozo se podrá localizar a menos de 30 metros de focos de contaminación tales como caños de aguas negras, letrinas, pozos sépticos, etc. Cuando en la finca se construyan o instalen establos, praderas, pastos de corte y circulación de animales cerca de los pozos, éstos se deben cercar en todo su contorno.

Protección. Los pozos no deben ser accesibles a ninguna clase de animal y deberán ser protegidos contra toda posible contaminación. No se aconseja el uso de recipientes para la extracción de agua de los pozos excavados, por su gran poder de contaminación. Se aconseja por tanto proveer a cada pozo de su respectiva bomba con sus filtros. La estación de bombeo y filtrado de agua se debe instalar en tal forma que no permita la entrada de agua exterior al pozo, es decir debe haber una caseta y el piso debe estar por encima del nivel de tierra de 30 a 40 centímetros.

Inspección o sondeo. Cuando se procede a establecer un pozo es necesario hacer tanteos, los cuales deben ser orientados por el tipo de vegetación, teniendo en cuenta que hay plantas indicadoras de la existencia de agua como el olivo, el caracolí, la guadua, el sauce llorón, berros, la cortadera y otras. El sitio debe perforarse en varios lugares para observar el nivel de agua en las zonas vecinas al pozo definitivo y determinar el gasto que estas excavaciones de prueba proporcionan.

Revestimiento. Todo pozo excavado debe tener una camisa impermeable, la cual debe hacerse con tubos de cemento gris, ladrillos, concreto o piedras. Debe ser completamente impermeable y debe ir hasta una profundidad mínima de 3.50 metros sobresaliendo 30 centímetros sobre la superficie del terreno.

Lección 19 Depuración de aguas salinas y residuales Las aguas salinas constituyen otra fuente de agua para riego. Anteriormente la recuperación de esta agua se efectuaba por el proceso natural de evaporación y su posterior condensación en forma de lluvia. Hoy la tecnología utiliza los recursos hidráulicos, depurando las aguas salinas, haciéndolas aptas para el consumo humano y animal, para el riego y el uso industrial. El agua no necesita ser pura para todas sus aplicaciones. Cuando se aplican las técnicas adecuadas de riego se puede utilizar de un modo permanente agua que contenga un elevado grado de salinidad. En los lugares con altas concentraciones de población, las aguas residuales o desperdicios líquidos se deben eliminar para mantener condiciones higiénicas de vida, incluyendo las aguas negras domésticas o sanitarias, desperdicios industriales de las fábricas y en muchas comunidades escurrimiento pluvial (aguas lluvias) de las calles y de otras superficies urbanas. Por lo general las aguas servidas están compuestas por agua y una pequeña cantidad de sólidos en suspensión, y contienen bacterias y otros elementos nocivos para las plantas y los animales y mucho más para los humanos. Las aguas negras son evacuadas a través del alcantarillado, el cual vierte ese material a las fuentes naturales de agua contaminándolas y convirtiéndolas en no aptas para uso humano, agrícola y pecuario, por lo tanto se deben tratar antes de hacer el vertimiento. En el tratamiento de las aguas salinas y servidas o aguas negras se emplean métodos físicos, químicos y biológicos, aunque es frecuente encontrar los combinados, ya que en las aguas residuales son muchos los elementos que participan como agentes contaminantes. -Métodos Físicos. Buscan separar los sólidos en suspensión de dimensiones grandes, medianas y pequeñas, grasas y aceites. Se utilizan para el tratamiento físico coladeras gruesas, medianas y finas; cajas y filtros de arena, tanques de remoción de aceites y grasas. Las coladeras o tamices gruesos o batidores se emplean para retirar los objetos grandes que flotan en las aguas negras. Se recomienda instalar estos equipos en la bocatoma de las bombas de aguas negras para evitar taponamientos. Las coladeras o tamices gruesos y medianos deben ser suficientemente grandes para mantener una velocidad de escurrimiento por sus aperturas que no reduzca la pérdida de carga ni el material retenido por las aberturas. Los tamices finos se utilizan para tratamientos previos de desechos industriales o para aliviar la carga sobre los tanques de sedimentación. Por lo regular un tamiz fino debe ir precedido de un tamiz grueso o por un triturador para eliminar los materiales más grandes. Las capas de arena tienen la función de retener arena y otros desechos pesados inertes. Se utilizan para proteger bombas y tuberías contra la abrasión y el taponamiento. Otro dispositivo común es la retención de desechos en el tanque retenedor de aceites y grasas, por lo general, provisto de un dispositivo de aireación que presiona aire a través de las aguas salinas y servidas.

-Métodos químicos y fisicoquímicos. Los tratamientos de desechos por métodos químicos son empleados para remover material coloidal, color y turbiedad, olor, ácidos, sales, metales pesados, aceites y grasas. Los reactivos químicos también pueden neutralizar ácidos y sales.

- Métodos biológicos. Los procesos biológicos se dividen en aerobios y anaerobios. En los primeros, la estabilización de los residuos se realiza mediante microorganismos aerobios y algunos facultativos, en presencia de oxígeno disuelto. Los microorganismos responsables de la descomposición de la materia orgánica se dividen en dos grupos, el primero convierte los compuestos orgánicos complejos en ácidos orgánicos simples y el segundo grupo transforma los ácidos orgánicos en gas metano y monóxido de carbono. En los métodos anaerobios de tratamiento, la descomposición de la materia orgánica e inorgánica se obtiene sin presencia de oxígeno molecular.La principal aplicación está en la digestión de ciertos residuos industriales de elevada carga orgánica y lodos de alcantarillado.

Desinfección de pozos, cisternas y manantiales. Después de construido y separado, todo pozo debe ser desinfectado y solo se dará al servicio después de que los análisis bacteriológicos consecutivos den resultados negativos para el grupo coliforme. Para la desinfección de pozos, se usan generalmente compuestos de cloro, siendo entre ellos el más usado el hipoclorito de calcio con una concentración de cloro disponible del 70%. Una vez calculada la capacidad del pozo y sabiendo que una parte por millón (1 ppm) equivale a un gramo de compuesto puro por un metro cúbico de agua, se puede determinar la cantidad de gramos necesarios para dosificar un volumen determinado de agua. Ejemplo 3. Calcular la cantidad de hipoclorito de calcio que se necesita para aplicar una dosis de 50 ppm al agua de un pozo, que tiene 0.70 metros de diámetro y una profundidad de agua de 10 metros. Se calcula primero el volumen del pozo con la ecuación del volumen de un cilindro:

3

El pozo tiene un volumen de 3.85 m o 3850 litros. La cantidad de hipoclorito de calcio necesaria para desinfectar este pozo, se calcula teniendo en cuenta que se necesita una dosis de 50 ppm equivalente a 50 gramos por metro cúbico de agua, de tal manera que la cantidad de gramos necesarios es:

Debido a que el hipoclorito de calcio comercial no es puro sino que tiene una concentración del 70% la cantidad verdaderamente requerida es:

Las aguas provenientes de pozos y manantiales, pueden sufrir contaminación debido principalmente a las siguientes causas: Por inundación o filtración en la parte superior del pozo o manantial, por infiltración de letrinas, tanques sépticos, alcantarillado y pozos sépticos, por arrastre de basura o suciedad sobre los pozos cubiertos y manantiales o por la extracción de aguas con empleo de cables, canecas, ollas y baldes.

Lección 20 Aforos y parámetros de calidad del agua de riego Aforar consiste en aplicar algunas técnicas que permiten determinar el caudal de agua que circula por algún medio de conducción (tubo, canal, lecho abierto (río-quebrada)) a presión o en superficie libre, o en un período determinado. El objetivo principal al determinar el caudal de agua que aporta un canal, una tubería, una fuente natural o un pozo es el de distribuirla adecuadamente y el uso futuro de la misma. La aplicación eficiente del agua, efectuada con un aforo previo, es el factor más importante para prevenir una escasez en el suministro, para reducir los problemas de drenaje cuando hay exceso de agua, lo mismo que para programar procesos de mantenimiento de pozos, motobombas y estructuras de derivación, conducción, distribución y aplicación. El caudal se mide en unidades de volumen por unidad de tiempo. En el sistema métrico, las unidades de caudal más usadas son el litro por segundo y el metro cúbico por segundo. Los métodos para medir el agua se pueden agrupar en las siguientes clases: Métodos directos. Entre los sistemas de aforo directos están los siguientes: a. Método volumétrico. El aforo volumétrico se emplea para canales pequeños y consiste en recolectar el agua en un recipiente de volumen conocido, tomando el tiempo transcurrido en su llenado. La capacidad del recipiente puede ser ampliamente variable . El caudal medido por este sistema se expresa por la siguiente ecuación.

(15) Donde Q, representa el caudal [l/s]; V, el volumen del recipiente [l] y t, el tiempo transcurrido para el llenado del recipiente [s]. b.Método gravimétrico. Es un sistema que sigue el mismo principio que el volumétrico con la única diferencia que el volumen se obtiene pesando el agua, en lugar de utilizar un depósito calibrado. El caudal medido por este sistema se expresa por la siguiente ecuación.

(16) Donde Q, representa el caudal [l/s]; W, el peso del agua dentro del recipiente [kg] y t, el tiempo transcurrido para el llenado del recipiente [s]. Recordar que el agua tiene una densidad de aproximadamente de 1 kg/l, razón por lacual puede aplicarse con buena aproximación este método.

Métodos indirectos o métodos de la velocidad y el área . Estos métodos se basan en la aplicación de la ecuación.

(17) 3

Donde Q, representa el caudal [m /s]; V, la velocidad de la corriente [m/s] y A, el área transversal 2 del cauce [m ]. Para averiguar el área transversal del cauce se coloca una cinta métrica que permita medir el ancho del mismo y sobre esta cinta se van tomando alturas a distancias preestablecidas . El sistema de aforo consiste en dividir el cauce del río en varias secciones, y luego se determina el área de cada sección y se suman para determinar el área transversal que al multiplicarla por la velocidad de agua se obtiene el caudal o volumen de agua que circula por un punto determinado en la unidad de tiempo. Para estimar la velocidad del agua del cauce se utilizan diferentes sistemas. Para obtener un valor preciso de la velocidad promedia del agua en el cauce sería necesario tomar la velocidad del agua en muchos puntos a lo largo de cada sección lo cual resultaría muy laborioso, por esta razón se han seleccionado las siguientes prácticas:

a.Uso de flotadores. Este consiste en dejar desplazar un objeto más liviano que el agua (una botella cerrada, un limón, un corcho, etc) desde un punto fijado aguas arriba del lugar donde se midió el área en distancias que oscilan entre 20 y 100 metros, tomando el tiempo que demora el flotador en recorrer este espacio, de donde se deduce el valor de la velocidad utilizando la ecuación.

(18) Donde V, representa la velocidad de la corriente [m/s]; d, la distancia definida [m] y t, el tiempo transcurrido en que el flotador recorra la distancia [s].

b.Colorantes. Para medir la velocidad del agua se utilizan colorantes los cuales se inyectan o aplican a las corrientes y se detectan aguas abajo del sitio seleccionado para aplicarlos. Los colorantes se pueden visualizar sobre el agua y los más utilizados son, la fluoresceína, el permanganato de potasio, el azul de metileno y violeta de genciana. Este tipo de aforos son relativamente prácticos, aunque suponen que el caudal del río no varía entre el punto de incorporación de la sustancia y el punto de medida, por lo que debe garantizarse que esta distancia no sea muy larga (en la práctica menos de 30 metros) para evitar el aporte de tributarios.

c.Métodos de aforos químicos. El primer tipo de aforo químico, implica el aporte constante de una pequeña cantidad del químico con una concentración determinada, midiendo aguas abajo la concentración de la sustancia luego de la dilución. Por la ecuación de continuidad, sabemos que el total de sustancia aplicada a la corriente permanece constante, solo varía su concentración, lo cual está dado en función del caudal total. El caudal se determina de la siguiente forma:

(19) Donde Q, es el caudal de la fuente; q, es el caudal de la sustancia agregada a la fuente; C o, es la concentración inicial y C1 la concentración final. El segundo tipo de aforo químico, consiste en el aporte único de una cantidad de la sustancia indicadora, midiendo luego a intervalos regulares de tiempo, la variación de la concentración aguas abajo. Esto requiere de fuentes turbulentas que permitan la dispersión de la sustancia en todo el caudal. El caudal total se determina de la siguiente forma:

(20) d.Molinete o correntómetro. Este dispositivo consta de un rotor montado sobre un eje vertical y provisto de copas que giran en virtud de la velocidad del agua. Las revoluciones del rotor son directamente proporcionales a la velocidad del agua y así se puede determinar la velocidad promedio. Para lograr un promedio exacto de la velocidad del agua, se ha demostrado experimentalmente que existen ciertos puntos donde la velocidad representa dicho promedio. Para la medición de la velocidad de la corriente, se divide el cauce en secciones, en lo posible, de igual ancho (en teoría por una sección en particular no debería pasar más del 10% del caudal total, pero a veces esto en la práctica no es posible). La velocidad se mide con el molinete a una profundidad de 0.2h, 0.6h y 0.8h, donde h representa la profundidad total de la sección. Se estima que para fuentes poco profundas, esto es, con menos de 60 cm, la velocidad se puede medir solamente a 0.6h, en la cual se encuentra la velocidad promedio de la corriente. Con estas mediciones, se calcula la velocidad promedio de la corriente en cada sección, obteniendo el caudal como el producto entre la velocidad y el área.

(21)

Ejemplo 4. Luego del trabajo de campo en una fuente de agua, se cuenta con datos de velocidad en cada una de las secciones en las que fue dividida. Estos datos están consignados en la Tabla 5. Las secciones se tomaron de 20 cm de ancho cada una. Obtenga el valor del caudal de la fuente. Lo que hacemos es calcular la velocidad promedio de cada sección. El área de la sección, se asemeja a un rectángulo y por tanto su área será base por altura. El caudal total se obtiene sumando los caudales parciales obtenidos para cada sección. En la Tabla 6 se presentan los cálculos correspondientes.

Tabla 5. Datos de aforo de una corriente.

#

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Distancia a Profundidad Altura [cm] la orilla sección 0.8 h 0.2 h 0.6 h izquierda [cm] Velocidad [m/s] [cm] 0 0 0 0 0 20 15 0.05 0 0.1 40 25 0.08 0.05 0.19 60 45 0.21 0.08 0.27 80 60 0.24 0.14 0.3 100 80 0.36 0.18 0.48 120 90 0.47 0.22 0.61 140 115 0.69 0.34 0.89 160 130 0.87 0.48 1.05 180 120 0.66 0.45 0.76 200 105 0.51 0.37 0.63 220 85 0.47 0.29 0.52 240 60 0.28 0.21 0.34 260 45 0.24 0.17 0.28 280 25 0.19 0.09 0.24 300 15 0.06 0.03 0.12 320 10 0.03 0 0.05 340 0 0 0 0

Tabla 6. Estimación del caudal de una corriente.

Sección 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

ancho [cm] 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 310 330 350 370

Profundidad Velocidad sección promedio [cm] [m/s] 2 15 25 45 60 80 87 94 99 102 93 89 85 75 25 15 10 4

Área [m2]

0.00 0.004 0.06 0.030 0.12 0.050 0.21 0.090 0.25 0.120 0.40 0.160 0.46 0.174 0.51 0.188 0.61 0.198 0.61 0.204 0.52 0.186 0.46 0.178 0.36 0.170 0.24 0.150 0.20 0.050 0.08 0.030 0.03 0.020 0.00 0.008 Caudal Total

Caudal [m3/s] 0.000000 0.001800 0.005833 0.018900 0.030400 0.063467 0.080620 0.096507 0.120120 0.123760 0.096100 0.081287 0.061200 0.036500 0.009833 0.002500 0.000667 0.000000 0.829493

Para la toma de las medidas de velocidad con molinete se tienen varias opciones en función del tamaño de la corriente que se quiera medir. Las más comunes son

-Vadeo del cauce. Para el efecto se coloca un cable transversal como guía. El operador que porta el correntómetro debe situarse unos 50 cm aguas abajo, para evitar el efecto de la turbulencia. Este sistema se restringe a cauces poco profundos.

-Cables o puentes. Se emplea este sistema en cauces muy grandes, y consiste en colocar un cable transversal, por donde se desliza una canasta o carro pequeño para el operador. El molinete se suspende con un cable, vertical, asegurado convenientemente al carro . -Botes o canoas. Las mediciones pueden hacerse desde un bote unido a lo largo de un cable transversal colocado rígidamente, cerca de la superficie del agua.

e.Métodos de las constricciones. Estos sistemas de aforo son los más utilizados, pues solo se requiere tomar una o dos medidas simples si las dimensiones del dispositivo son conocidas. Los principales tipos de constricciones son las siguientes :

Orificios. Son aberturas de forma regular hechos a través de un muro, por donde el agua circula haciendo contacto con todo el perímetro de dicha abertura. Vertederos. Son aberturas de forma regular hechas a través de un muro, por donde el agua circula haciendo contacto solamente con los bordes inferior y laterales de dicha abertura . Los vertederos presentan algunas ventajas para la medición de caudales entre las que se cuentan: Precisión de los aforos. Sencillez en la construcción de las aberturas. No son obstruidos por los materiales que flotan en el agua. La duración es bastante larga. La ecuación general para el cálculo del caudal que pasa por un vertedero es.

(22) 3

Donde, Q, representa el caudal que atraviesa el vertedero [m /s]; Cd, representa el coeficiente de descarga que es adimensional y depende de la geometría del vertedero; L, es el ancho de la cresta 2 del vertedero [m]; g, es la fuerza de la gravedad [m/s ] y H, representa la altura del agua sobre la cresta del vertedero [m]. A fin de obtener aforos precisos, el valor de H debe medirse a una distancia aguas arriba del vertedero, mayor que cuatro veces el valor de H (4H) y el ancho de vertedero (L) debe ser igual o mayor que 2H. Para el vertedero triangular la fórmula del caudal es.

(23) Figura 20. Vertedero triangular.

Fuente: Diego Hernández.

Para el vertedero trapezoidal o de Cipolletti la fórmula del caudal es:

(24) Para el vertedero rectangular la fórmula del caudal es:

(25)

Aforador parshall. Este medidor, es ampliamente utilizado para el aforo en canales abiertos. Su forma general semeja la de un venturi. El piso de la sección aguas arriba está nivelado, y sus paredes convergen hacia la garganta. Las paredes de la garganta son paralelas, y su fondo es inclinado en el sentido de la corriente; en la sección de aguas abajo, las paredes son divergentes y el piso es inclinado hacia arriba.

Figura 21. Aforador Parshall.

Fuente: www.fao.org/docrep/T0848S/t0848s18.gif. El tamaño del aforador está dado por el ancho de la garganta, y sus demás dimensiones están estrictamente especificadas, de tal manera que al construirlo, el caudal se representa por la ecuación general.

(26) Donde, 3 Q, representa el caudal que atraviesa el aforador [m /s]; K y n, son coeficientes experimentales que dependen de la geometría del aforador y Ha, representa la altura del agua en la entrada del aforador [m ].

Figura 21a. Características de un aforador Parshall.

Fuente: www.fao.org/docrep/T0848S/t0848s19.gif. Parámetros de calidad del agua de riego La calidad del agua para riego depende no sólo de su contenido en sales, sino también del tipo de sales. Los problemas más comunes derivados de la calidad del agua se relacionan con los siguientes parámetros: - Concentración de sales solubles. Hay varias formas de expresar los datos de sales disueltas. Una en términos de partes por millón, pero la forma más exacta es en términos de miliequivalentes por litro. Para expresar la concentración de las sales disueltas en aguas para irrigar, la conductividad eléctrica es más útil y puede determinarse más fácil y con exactitud . - Proporción relativa del sodio con respecto a otros cationes . Es importante saber la proporción de sodio con respecto a otros cationes especialmente calcio y magnesio para determinar la calidad de agua de riego. En la Tabla 7, se presentan algunos valores de referencia sobre la calidad de agua para riego.

Tabla 7. Valores indicativos de calidad de agua para riego. Problemas riego

potenciales

en el

Salinidad, afecta CEw a la disponibilidad de agua para los SDT cultivos. RAS = CEw: Permeabilidad, 0-3 afecta a la RAS = CEw: velocidad de 3-6 infiltración del RAS = agua en el CEw: 6-12 suelo. Se RAS = evalúa CEw: utilizando ECw y 12-20 RAS = RAS juntos. CEw: 20-40 Sodio (riego superficial) Sodio (riego con Toxicidad de aspersores) iones específicos, Cloro (riego afecta a los superficial) cultivos sensibles. Cloro (riego con aspersores) Boro

Grado de restricción en el uso Unidad Ligero a Ninguno Estricto moderado < 0,7 0,7-3,0 > 3,0 dS/m < 450

450-2000

> 2000

mg/l

≥ 0,7

0,7-0,2

< 0,2

dS/m

≥ 1,2

1,2-0,3

< 0,3

dS/m

≥ 1,9

1,9-0,5

< 0,5

dS/m

≥ 2,9

2,9-1,9

< 1,9

dS/m

≥ 5,0

5,0-2,9

< 2,9

dS/m

9

RAS

< 70

> 70

< 140

140-350

< 100

> 100

< 0,7

0,7-3

> 0,3

mg/l

5-30

> 30

mg/l

< 90

90-500

> 500

mg/l

< 1,0

1,0-5,0

> 5,0

mg/l

Nitrógeno (N total) < 5

mg/l > 350

mg/l mg/l

Bicarbonato Otros efectos, (aspersores afectarían a elevados) cultivos sensibles. Cloro residual (aspersores elevados) Acidez, afectaría cultivos sensibles.

a pH

Intervalo óptimo variable



CEw: conductividad eléctrica del agua de riego. Se utiliza como medida indirecta de la concentración en sólidos disueltos totales (SDT). Se expresa en deciSiemens por metro (dS/m).



SDT: sólidos disueltos totales. Para la mayoría de las aplicaciones agrícolas existe una relación directa entre los valores de conductividad eléctrica (CE) y los de SDT con una precisión en torno al 10 %. La conversión se realiza mediante la siguiente expresión:

SDT ≈ CE · 640 (mg/l) 

RAS ó SAR: relación de adsorción de sodio. Da una idea de la cantidad de sodio presente en el agua de riego en relación con otros cationes y se calcula mediante la siguiente ecuación:

RAS = Na / √(Ca + Mg) / 2 Fuente: www.miliarium.com/Paginas/Prontu/Tablas/Aguas/CalidadAguaRiego.htm.

Capítulo 5 Consumo de agua por las plantas Toda planta no sólo tiene un porcentaje elevado de agua en sus tejidos del 80 al 90% si no que para poder vivir necesita usar entre 500 y 1000 veces tanta agua como su peso seco, para poderlo producir. Todos los cultivos necesitan agua, pero unos más que otros; los cultivos consumen el agua que hay en el suelo provenientes de las lluvias o del riego, en cantidades diferentes, de acuerdo con su edad o estado de desarrollo, a la profundidad que tienen sus raíces y a su especie o variedad.

Lección 21 Uso consuntivo Toda esta agua se quiere para: Mantener las planta rígida, condición necesaria para que funcione como organismo viviente. Para el proceso de producción de tejidos que ocasiona su crecimiento y producción. Para poder producir con ella una corriente permanente de agua a través de la planta, con los alimentos o nutrientes disueltos en ella, desde las raíces hasta las demás partes de ella. En virtud de esto, las plantas toman agua del suelo por medio de sus raíces, la transportan a través de ellas y de sus tallos hasta las hojas, utilizando más o menos una parte de cada 100 que toma para formar combinaciones químicas para su crecimiento y producción y las 99 partes restantes las pasa a la atmósfera en forma de vapor. A este proceso se le denomina transpiración. Por otra parte de la superficie del suelo también pasa agua a la atmósfera en forma de vapor por el proceso de evaporación. Los dos procesos combinados, tal como ocurre en cualquier superficie de suelo cubierto parcial o totalmente con vegetación reciben el nombre de evapotranspiración, que depende del clima, del cultivo y del contenido de humedad que tenga el suelo. El consumo de agua por determinado cultivo, en determinado suelo, bajo las condiciones de clima y de humedad que ocurran. Se le llama evapotranspiración real. Se define evapotranspiración como el agua que pierde el suelo por la acción conjunta de la evaporación y la transpiración. Como se trata de la medición conjunta de evaporación y transpiración, este parámetro esta igualmente afectado por los mismos factores que las afectan. En este sentido podemos hablar del contenido del agua del suelo como el primer factor que afecta la evapotranspiración ya que sin un adecuado suministro de agua esta puede descender casi hasta detenerse. El segundo es la temperatura que provee la energía necesaria para lograr el cambio de fase. El viento es importante al remover la capa límite alrededor de las hojas y la superficie del suelo y por tanto incrementar el valor de evapotranspiración. Se puede hablar de dos tipos de evapotranspiración: la real y la potencial. La evapotranspiración potencial (Eto), se define como la cantidad máxima de agua perdida por una zona con vegetación abundante que sombrea la mayor parte del suelo y que tiene un aporte de agua ilimitado. La evapotranspiración real (ETR), se define como la pérdida de agua del conjunto suelo – planta en las condiciones de campo. Esta considera que los cultivos se desarrollan en condiciones que distan mucho de ser óptimas, es decir, no tienen un aporte ilimitado de agua y no sombrean totalmente el suelo para disminuir la evaporación. Al valor de la evapotranspiración real también se lo conoce como uso consuntivo, que no es más que el agua total que consume un cultivo en particular y que utiliza para convertir en biomasa y para transpirar.

Aunque algunos autores emplean como sinónimos los términos de uso consuntivo y evapotranspiración, parece ser más concerniente establecer entre ellos la diferencia de considerar en el primero la calidad de agua empleada por la planta para la fabricación de su tejido, mientras que en la segunda solo se incluyen las cantidades evaporadas y transpiradas de un área determinada, no solamente del cultivo comercial, sino de sus alrededores. Desde este punto de vista, es más esencial el conocimiento del uso consuntivo, porque proporciona una medida más exacta de las necesidades de agua por parte de la planta. Se puede definir el uso consuntivo como la suma de los volúmenes de agua usada por la vegetación en un área dada en transpiración y elaboración de tejidos, la evaporada del suelo adyacente y la interceptada por dicha área en un tiempo dado, a partir de la precipitación. El consumo de agua por los cultivos comerciales viene determinada por el uso consuntivo, el cual se puede definir como la suma del agua usada por el cultivo, y evaporada de sus alrededores, para asegurar la mayor productividad posible. Cuando se trata de cultivos comerciales, es importante determinar con la mayor exactitud posible el valor del uso consuntivo, o sea la cantidad de agua que el cultivo necesita para convertir en biomasa y transpirar. La siguiente ecuación expresa el valor del uso consuntivo. (27) Donde UC, es el uso consuntivo, cuyo valor es igual a la evapotranspiración real [mm/día] y k c es el factor de uso consuntivo (adimensional), el cual tiene que ver con el desarrollo del cultivo. En la Tabla 8 se presentan valores de k c para varios cultivos. Al calcular las necesidades hídricas de un cultivo se calcula primero ETo, luego de lo cual estos valores se afectan por el valor de kc dependiendo del cultivo. El valor de kc se contrasta contra un cultivo de referencia, que en la mayoría de los casos es un pasto (gramínea), sembrado lo más densamente posible y con una altura de corte de entre 8 y 15 cm. Los cultivos para los que se presenta un valor de kc con intervalo, quiere decir que este valor sufre variaciones significativas a medida que el cultivo se desarrolla y por las variaciones climáticas que sufre.

Tabla 8. Valores de kc. Cultivo Aguacate Ajonjolí

kc 0.50 – 0.55 0.80

Alfalfa

0.80 - 0.85

Algodón

0.60 - 0.65

Arroz

1.00 - 1.20

Maní

0.60 - 0.65

Cultivo Cacao

kc 0.75 - 0.80

Café

0.75 - 0.80

Caña de azúcar

0.75 - 0.90

Cereales

0.75 - 0.85

Cítricos

0.50 - 0.65

Ají

0.60

Espárrago

0.60

Fresa

0.45 - 0.60

Fríjol

0.60 - 0.70

Frutales de hoja caduca

0.60 - 0.70

Garbanzo

0.60 - 0.70

Girasol

0.50 - 0.65

Haba

0.60 - 0.70

Hortalizas

0.70

Tomate

0.70 - 0.80

Lenteja

0.60 - 0.70

Maíz

0.75 - 0.85

Mango

0.75 - 0.80

Melón

0.60

Papa

0.65 - 0.75

Papaya

0.60 - 0.80

Plátano

0.80 - 1.00

Pastos

0.75

Cultivo Remolacha

kc 0.65 - 0.75

Sandía

0.60

Sorgo

0.70

Soya

0.60 - 0.70

Tabaco

0.70 - 0.80

Zanahoria

0.60 Fuente: Aparicio (2004 : 58)

En la siguiente Tabla se presentan los valores de agua requeridos para el desarrollo fisiológico de los cultivos más comunes. Para información más detallada acerca de los métodos para el cálculo de la evapotranspiración, se recomienda al lector remitirse al módulo de hidrología.

Tabla 9. Uso consuntivo de algunos cultivos. Cultivo Maíz Trigo Cebada Arveja Papa Cebolla Ajo Avena Forrajes

M3/ha 7080 4000 2650 3110 6900 6730 4260 2170 6000

Mm 708 400 265 311 690 673 426 217 600

Fuente: www.mapa.es/.../ANEJOS/ANEJO_03_Necesidades%20hídricas%20de%20los%20cultivos De acuerdo a la Tabla anterior, la cantidad de agua que necesita un cultivo para desarrollarse, 3 puede expresarse en términos de volumen por unidad de área, para este caso m /ha, o como lámina, en mm. El concepto de lámina se utiliza en ingeniería cuando es necesario expresar la cantidad de agua caída en una región en particular. El inconveniente radica en para calcular el volumen caído es necesario conocer el área, lo que no siempre es posible, por esto se expresa la cantidad de agua como una lámina, es decir como una altura. Cuando se expresa que un cultivo requiere 1 mm, quiere decir que el cultivo absorberá en su desarrollo una capa de agua de 1 mm, uniformemente distribuida sobre el campo, en este caso se debe asumir que dicha lámina no se infiltra en el suelo. Para pasar la cantidad de agua de lámina a volumen por unidad de área, basta multiplicar la lamina correspondiente por el área regada asociada. Por ejemplo 1 mm de agua regado en una hectárea, equivale a un volumen de 1mm X 2 2 3 10000 m = 0.001 m * 10000 m = 10 m . En la práctica, los cultivos no necesitan la misma cantidad de agua en todas las etapas de su desarrollo. En realidad, el consumo de agua va variando en cada una de ellas. En la mayoría de

los cultivos la necesidad de agua aumenta en forma constante desde la germinación, para alcanzar su máximo en el momento de la floración y formación de los frutos, para acto seguido descender. Es decir, aumenta su necesidad hídrica desde la germinación de la semilla hasta un máximo en el momento de la floración y formación de frutos. Una vez formado el fruto se reducen los requerimientos de agua.

Lección 22 Cálculo del uso consuntivo En general los problemas con que se tropieza al tratar de medir el uso consuntivo o consumo de agua de las plantas, son numerosos. El agua que las plantas consumen puede tener como fuente la precipitación solamente, o el riego más la lluvia, o la lluvia más la escorrentía subterránea, y esto debe tenerse en cuenta al escoger el método a emplearse. Los principales sistemas usados para determinar el consumo de agua por las plantas son los siguientes. Cultivos en parcelas. Este sistema consiste en regar periódicamente las parcelas en campo y determinar la cantidad de agua aplicada y aquella que sale de la parcela como escorrentía. Este sistema conduce a determinaciones de gran valor práctico, siempre que el agua aplicada se dosifique en forma adecuada para evitar la pérdida de agua por percolación profunda, lo cual se evita aplicando láminas pequeñas. Muestreo de suelos. Este sistema consiste en tomar muestras periódicas de suelos a profundidades escalonadas para determinar el contenido de agua de los mismos. Con esta información puede obtenerse el consumo de agua de las plantas durante el período de duración de la cosecha. El muestreo se hace con barreno al suelo antes y después de aplicar el riego, y algunas veces en el intervalo entre dos riegos a profundidades de 30 cm, en la zona de raíces. Posteriormente las muestras se llevan a la estufa a 110 ºC, pesados previamente y luego de secarlas se vuelven a pesar, para determinar así el porcentaje de agua en base seca, el cual indica el consumo de agua por las plantas a través de su período vegetativo. Análisis de datos climatológicos. Desde 1939 se ha venido estudiando la posibilidad de conocer el uso consuntivo con base en los datos de evaporación, temperatura media mensual, humedad, porcentaje mensual de horas de sol, extensión del período vegetativo, precipitación e irrigación.En general se asume que el consumo mensual de agua es una función de la temperatura media mensual, del porcentaje mensual de horas de sol en el año y de las características fisiológicas y culturales del vegetal considerado. A continuación se presentan el Metodo de Blaney-Criddle, que se constituye como uno de los métodos más sencillos pero a la vez más utilizados para el calculo de la evapotranspiración. Este es el método más simple para evaluar la evapotranspiración de una zona en particular, ya que su modelo solo depende de la temperatura promedio de la zona y del porcentaje de horas diurnas anuales, de acuerdo a la siguiente ecuación. (28) Donde ETo, representa la evapotranspiración potencial [mm/día]; T, es el promedio de temperatura diaria para el periodo definido [ºC] y p, representa el porcentaje de horas diarias de luz o insolación en la zona [%]. Para la determinación de esta ecuación se recomienda que el período de medición no sea menor a un mes, para asegurar representatividad en los datos, ya que estos sufren grandes variaciones a lo largo del año, sobre todo el valor de p. En la Tabla 27, se presentan los valores más comunes de p.

Ejemplo 5. Calcular ETo, para una zona ubicada en latitud Norte a 6º, con una temperatura promedio de 20 ºC. Lo primero que hacemos es hallar el valor de p, como no se encuentra en la Tabla 10 el valor de p para 6º latitud Norte, interpolamos entre los valores de 0º y 10º que si aparecen. En la Tabla 11, se presentan los resultados de los cálculos del valor de ETo para un año. De los resultados del ejercicio se observa que el valor de ETo no es constante a lo largo del año y que varía según lo hacen las condiciones climatológicas de la zona.

Tabla 10. Porcentaje de horas mensuales de insolación. Latitud (º) Norte 60

En 4.67

Feb 5.65

Mar 8.08

Abr 9.65

May 11.74

Jun 12.39

Jul 12.31

Ag 10.70

Sep 8.57

Oct 6.98

Nov 5.04

Dic 4.22

50

5.98

6.30

8.24

9.24

10.68

10.91

10.99

10.00

8.46

7.45

6.10

5.65

40

6.76

6.72

8.33

8.95

10.02

10.08

10.22

9.54

8.39

7.75

6.72

6.52

35

7.05

6.88

8.35

8.83

9.76

9.77

9.93

9.37

8.36

7.87

6.97

6.86

30

7.30

7.03

8.38

8.72

9.53

9.49

9.67

9.22

8.33

7.99

7.19

7.15

25

7.53

7.14

8.39

8.61

9.33

9.23

9.45

9.09

8.32

8.09

7.40

7.42

20

7.74

7.25

8.41

8.52

9.15

9.00

9.25

8.96

8.30

8.18

7.58

7.66

15

7.94

7.36

8.43

8.44

8.98

8.80

9.05

8.83

8.28

8.26

7.75

7.88

10

8.13

7.47

8.45

8.37

8.81

8.60

8.86

8.71

8.25

8.34

7.91

8.10

0 Sur 40

8.50 En 10.22

7.66 Feb 9.54

8.49 Mar 8.39

8.21 Abr 7.75

8.50 May 6.72

8.22 Jun 6.52

8.50 Jul 6.76

8.49 Ag 6.72

8.21 Sep 8.33

8.50 Oct 8.95

8.22 Nov 10.02

8.50 Dic 10.08

35

9.93

9.37

8.36

7.87

6.97

6.86

7.05

6.88

8.35

8.83

9.76

9.77

30

9.67

9.22

8.33

7.99

7.19

7.15

7.30

7.03

8.38

8.72

9.53

9.49

25

9.45

9.09

8.32

8.09

7.40

7.42

7.53

7.14

8.39

8.61

9.33

9.23

20

9.25

8.96

8.30

8.18

7.58

7.66

7.74

7.25

8.41

8.52

9.15

9.00

15

9.05

8.83

8.28

8.26

7.75

7.88

7.94

7.36

8.43

8.44

8.98

8.80

10

8.86

8.71

8.25

8.34

7.91

8.10

8.13

7.47

8.45

8.37

8.81

8.60

0

8.50

8.49

8.21

8.50

8.22

8.50

8.50

7.66

8.49

8.21

8.50

8.22

Mes

Fuente: Monsalve (1995 : 169)

Tabla 11. Calculo de ETo con el método de Blaney-Criddle. Mes

ºC

p

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Promedio Total

20.3 20.6 20.7 20.3 20.0 20.2 20.7 20.5 19.8 19.2 19.3 19.7 20.1

8.28 7.55 8.47 8.31 8.69 8.45 8.72 8.62 8.23 8.40 8.03 8.26 8.30

ETo ETo [mm/mes] [mm/día] 144.69 4.67 132.93 4.75 149.53 4.82 145.06 4.84 150.71 4.86 147.24 4.91 153.67 4.96 151.30 4.88 142.02 4.73 142.66 4.60 136.74 4.56 142.12 4.58 14490 4.8 1738.67 mm/año

Lección 23 Eficiencia de riego La relación que hay entre el agua transpirada y el agua originalmente captada por unidad de explotación para un cultivo dado, representa la eficiencia total del riego para ese predio. Del inicio del riego hasta su terminación se dan varias etapas en las cuales ocurren pérdidas de agua, las cuales se ocasionan por muchos factores entre ellos el cultural, entendida como la tradición para operar los sistemas de riego, lo que se puede resumir en la conocida frase “¡Siempre lo hemos hecho así…!”. Es preciso determinar separadamente las pérdidas por medio de la eficiencia correspondiente a cada etapa. La eficiencia total resulta de multiplicar todas las eficiencias parciales. - Eficiencia de conducción. Corresponde a la diferencia dada entre el agua captada de la fuente hídrica y el agua que efectivamente llega a la explotación o al cultivo propiamente dicho. Durante este proceso las pérdidas más comunes se dan por evaporación de la superficie y por infiltración a través de las paredes de canales. La eficiencia de conducción se puede expresar de la siguiente forma.

(29) 3

Donde Ec, representa la eficiencia de conducción; Qd, el caudal entregado a distribución [m /seg] y 3 Qc, el caudal captado inicialmente de la fuente hídrica [m /seg]. Durante el proceso de conducción de agua a la explotación las mayores pérdidas ocurren por infiltración en el canal principal. Esta puede reducirse enormemente implementando acciones tales como revestir el canal, haciendo limpieza de los canales permanentemente y dando a la sección del canal una forma que asegure mínima infiltración. Los canales presentan valores, de eficiencia de conducción (Ec), que varían entre 30 y 85%, dependiendo de las condiciones físicas del suelo - Eficiencia de distribución. Esta eficiencia tiene que ver con la forma como se transporta el agua al interior de la explotación o cultivo hasta las unidades de riego. En general si el transporte se hace por canales, la eficiencia será baja, por esto se recomienda la distribución por conducto cerrado (tuberías), caso en el cual se pueden despreciar las pérdidas de distribución. La eficiencia de conducción se puede expresar de la siguiente forma.

(30) 3

Donde Ed, representa la eficiencia de distribución; Qd, el caudal entregado a distribución [m /seg] y 3 Qf, el caudal entregado al cultivo [m /seg]. - Eficiencia de aplicación. Está dada por la relación existente entre el agua almacenada en la zona radicular del cultivo y el agua recibida de la distribución. La eficiencia de aplicación se puede expresar de la siguiente forma.

(31)

Donde: Ea, representa la eficiencia de aplicación; 3

Vm, el volumen requerido por el cultivo para almacenar en la zona radicular [m ] y 3

Vf, el volumen entregado al cultivo [m ]. Es importante recordar que el agua que recibe la explotación es igual al agua almacenada en la zona radicular menos el agua que se pierde por escorrentía y el agua que se pierde por percolación (Ap). La eficiencia de aplicación del riego depende entre otros de los siguientes factores:Habilidad del encargado del riego, método de riego que se use, manejo y control del agua, cantidades de agua disponible, propiedades físicas del suelo y grado de pendiente. Los tres últimos factores son muy sensibles, pues sobre estos el encargado del riego no ejerce ningún control.

-Eficiencia de almacenamiento. Representa la relación entre el agua requerida antes del riego y el agua efectivamente almacenada después del mismo. La eficiencia de almacenamiento se puede expresar de la siguiente forma.

(32) Donde Es, representa la eficiencia de almacenamiento; Vs, el volumen almacenado en la zona 3 3 radicular [m ] y Vu, el volumen requerido en la zona radicular [m ]. -Eficiencia general del sistema. Representa la combinación mencionadas. Se puede expresar de la siguiente forma.

de

todas

las

eficiencias

(33) Donde Esr, representa la eficiencia general del sistema, Ec, la eficiencia de conducción; Ed, la eficiencia de distribución; Ea, la eficiencia de aplicación Es, la eficiencia de almacenamiento. Cada una de las eficiencias parciales, dependerá de la forma como se haga la aplicación del riego. La eficiencia total de riego puede incrementarse, mejorando la conducción, mediante el revestimiento de los canales, cuando razones de orden económico así lo justifiquen y además mejorando la eficiencia de aplicación hasta donde las condiciones físicas y topográficas de los suelos lo hagan posible.

Lección 24 Dotación de riego y lámina de agua El término dotación de riego indica la cantidad de agua que una explotación necesita para producir un cultivo, incluyendo el total de agua que debe entrar a la explotación, teniendo en cuenta el agua consumida por las plantas, como también la que se pierde por diferentes razones como escorrentía, evaporación e infiltración entre otras.

Es importante entonces determinar el consumo de agua por parte del cultivo, en este sentido se debe calcular el uso consuntivo, el cual se presentó en la ecuación 27.

Ejemplo 6. De acuerdo al resultado del Ejemplo 5, determinar el Uso consuntivo para un cultivo de algodón en el Valle del Cauca, si la siembra se realizó en el mes de abril y se cosechó en septiembre. Recordamos que el uso consuntivo se calcula de la siguiente forma:

De acuerdo a la Tabla 8, el algodón presenta un valor de k c que varia entre 0,60 y 0,65. Para este ejemplo tomaremos el máximo valor con el fin de determinar el máximo consumo posible por parte del cultivo. En la siguiente Tabla se presentan los cálculos para el periodo especificado .

Tabla 12. Calculo del uso consuntivo. Mes Abr May Jun Jul Ago Total

ETo [mm/mes] 145.06 150.71 147.24 153.67 151.3 486.19 mm

kc 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65

UC [mm/mes] 94.29 97.96 95.71 99.89 98.35

UC [mm/día] 3.14 3.16 3.19 3.22 3.17

Para este caso se espera un consumo total de 486 mm, con un promedio mensual de 97.24 mm. Este deberá ser el aporte mínimo de agua para el correcto desarrollo del cultivo. En este caso deben cuantificarse y tenerse presentes los aportes tanto por precipitaciones (lluvias) como por riego, para con estos datos generar un balance hidrológico que permita determinar los periodos en que con mayor probabilidad se necesite regar el cultiv -Lamina de agua almacenada por el suelo. Para la programación del riego, es decir la aplicación de agua al cultivo de tal forma que este tenga a disposición la necesaria para suplir sus necesidades (Uso consuntivo), es necesario conocer cuanta de esta agua puede ser almacenada por el suelo, lo que se define por medio de la siguiente ecuación .

(34) Donde: La, representa la lámina de agua almacenada en el suelo [cm]; CC, el valor de capacidad de campo del suelo [%]; CH, el contenido de humedad del suelo al momento del riego [%]; Da, la densidad específica aparente del suelo y PR, la profundidad efectiva del sistema radicular de la planta cultivada [cm].

Ejemplo 7. Calcule la lámina de agua que puede almacenar un suelo franco - arenoso, si el valor de capacidad de campo es de 35%, el contenido de humedad es del 27%, la densidad específica aparente es de 1.7 y la profundidad de las raíces del cultivo, en este caso una gramínea (pasto) es de 70 cm en promedio.

La lámina de agua almacenada es:

Si se desea calcular el volumen total a aplicar al cultivo, se puede obtener este valor, multiplicando el valor de la lámina a regar por el área total del cultivo.

(35) 3

Donde Va, representa el volumen total a aplicar al cultivo [m ]; La, la lámina de agua almacenada 2 en el suelo [m]; AC, el área del cultivo [m ]. Ejemplo 8. Calcular el volumen teórico de agua que se debe aplicar en cada riego, para el ejemplo anterior si la extensión del cultivo es de 38 hectáreas.

Esto quiere decir que si se dejara agotar el agua almacenada en el suelo, es decir que las plantas consumieran el agua disponible en el suelo antes del siguiente riego, se deberían aplicar un total de 3 3617.6 m , para suplir las necesidades del cultivo en ese periodo de tiempo. En este caso debemos tener claro que este volumen representa el volumen teórico necesario para suplir las necesidades del cultivo. En realidad, se presentan pérdidas asociadas a diferentes factores que ya fueron comentadas anteriormente. Para calcular el volumen real a aplicar al cultivo, es decir, teniendo en cuenta las pérdidas, en este caso de aplicación, se aplica la siguiente ecuación.

(36) 3

Donde Va, representa el volumen real a aplicar al cultivo [m ]; Va, el volumen total teórico a aplicar 3 al cultivo [m ] y Ea, la eficiencia de aplicación. Ejemplo 9. Calcular el volumen de agua real que se debe aplicar en cada riego, para el ejemplo anterior si la eficiencia de aplicación es del 60%.

Vr = 100*3617.6 m3 / 0.6 Vr = 6029.3 m3 Este es el volumen de agua que debería recibir la explotación para suministrar al cultivo .

Lección 25 Duración y frecuencia de riego - Duración del riego. El tiempo necesario para aplicar un volumen dado de agua estará en función del caudal disponible. Este valor se calcula con la siguiente ecuación.

(37) Donde: T, representa el tiempo de riego [h]; A, el área del cultivo [ha]; La, la lámina de agua que puede ser almacenada por el suelo [cm] y Q, el caudal disponible [L/seg].

Se insiste en que La en esta expresión corresponde a la lámina de agua que puede retener el suelo en la zona de raíces, y que por lo tanto equivale a la profundidad que alcanzaría sobre el terreno el volumen total aplicado uniformemente, si no se infiltrase. La ecuación anterior supone que el caudal disponible y aplicado sobre un área no excede la velocidad de infiltración del suelo, de tal forma que no se produzca encharcamiento y por ende si existe pendiente, escorrentía y riesgo de erosión. Ejemplo 10. Calcular el tiempo de riego necesario para regar 6 hectáreas, contando con un caudal de 14,5 L/seg, teniendo que aplicar una lámina de 8 cm al suelo.

Con el caudal disponible, serian necesarias 92 horas para regar las 6 hectáreas con una lámina de 8 cm -Frecuencia de riego. El tiempo que debe transcurrir entre una aplicación de agua y la siguiente, varía según el consumo de agua del cultivo regado y con la capacidad de almacenamiento del suelo.

El consumo de agua está en función del clima, el estado de desarrollo de la planta y de la clase de suelo. La frecuencia de riego no debe considerarse uniforme durante todo el ciclo vegetativo, sino que cada riego debe aplicarse cuando la planta lo requiera, es decir, cuando el contenido de humedad del suelo esté próximo al coeficiente de marchites. La frecuencia de riego puede calcularse por medio de la siguiente ecuación.

(38) Donde: FR, representa la frecuencia de riego, es decir el tiempo transcurrido entre dos aplicaciones consecutivas [días]; CC, el valor de capacidad de campo del suelo [%]; CH, el contenido de humedad del suelo al momento del riego [%]; Da, la densidad específica aparente del suelo; PR, la profundidad efectiva del sistema radicular de la planta cultivada [cm] y Uc, el consumo de agua de las plantas [cm/día].

Ejemplo 11. Determine la frecuencia con que se debe regar un cultivo de avena forrajera, si el consumo de agua del cultivo es de 4 mm/día, CC = 24%; CH = 17%, Da = 1,6 y con una profundidad de raíces de 60 cm.

De acuerdo a esto, aproximadamente cada 17 días debe regarse el cultivo .

Capítulo 6 Principios básicos de hidráulica Se puede definir un fluido como una sustancia que no soporta esfuerzos cortantes o como una sustancia que se deforma continuamente cunado se somete a un esfuerzo cortante. Un esfuerzo cortante es aquel generado por una fuerza aplicada en forma tangente a la superficie de la sustancia. El cociente entre esta fuerza y el área sobre la cual actúa se denomina esfuerzo cortante promedio sobre el área. Cuando un fluido se mueve las partículas o componentes que lo conforman se mueven continuamente a lo que se llama flujo. El estudio de este flujo o movimiento de las partículas del fluido es el objetivo de estudio de la hidráulica .

Lección 26 - Generalidades de Hidráulica Se puede definir un fluido como una sustancia que no soporta esfuerzos cortantes o como una sustancia que se deforma continuamente cunado se somete a un esfuerzo cortante. Un esfuerzo cortante es aquel generado por una fuerza aplicada en forma tangente a la superficie de la sustancia. El cociente entre esta fuerza y el área sobre la cual actúa se denomina esfuerzo cortante promedio sobre el área. Cuando un fluido se mueve las partículas o componentes que lo conforman se mueven continuamente a lo que se llama flujo. El estudio de este flujo o movimiento de las partículas del fluido es el objetivo de estudio de la hidráulica.

Muchos de los estudios que se desarrollaron a final del siglo XIX, se enfocaron a evaluar las pérdidas de energía dentro de un conducto, cada uno de estos estudios generó algún tipo de ecuación muchas de las cuales se siguen hoy utilizando en la actualidad. Algunas de las más representativas son la de Hagen, desarrollada en 1839; la de Blasius del mismo año, la de Bousinesq en 1879 y la de Prandtl en 1926. Otro de los científicos que se dedicó a estudiar el flujo fue Osborne Reynolds, quien realizó experimentos sobre el flujo en tuberías, encontrando que el flujo variaba a medida que aumentaba el caudal dentro de la misma, es decir cuando su velocidad y el diámetro de de la tubería variaban. Para sus estudios Reynolds, aplico tinta en el centro de una tubería, dentro de la cual se variaba el flujo. Se dio cuenta que cuando el caudal era bajo, la línea de tinta fluía en el centro de la tubería, luego al aumentar el caudal, esta parecía adquirir una forma sinusoidal, hasta que comenzaba a mezclarse con el líquido, para finalmente con caudales más elevados mezclarse complemente y teñir el fluido. El flujo en tuberías tal como lo estudio Reynolds, puede clasificarse en laminar, el cual es aquel en que las líneas de flujo viajan paralelas, es decir, las partículas de flujo tienen una trayectoria aproximadamente horizontal y paralela. El flujo de transición es aquel en el cual las líneas de flujo comienzan a mezclarse en forma suave hasta un punto en el cual se mezclan por completo y se mueven en forma aleatoria dentro del mismo.Finalmente el turbulento es aquel en el cual las partículas viajan totalmente aleatorias dentro del fluido sin un orden específico.

Luego de condensar los resultados de sus experimentos, Reynolds llego a la conclusión que la clasificación del flujo puede expresarse con la siguiente ecuación, la cual en su honor se denomino Número de Reynolds.

(39) Donde: R, representa el número de Reynolds, que es adimensional; 3 ]; V, representa la velocidad del flujo [m/seg]; L, representa la longitud característica del flujo, que para el caso de tuberías es igual al diámetro (D) o para canales igual al Radio Hidráulico (RH) [m]. Finalmente

De acuerdo a lo anterior, para el caso de tuberías la ecuación queda.

(40) Cuando se trata de un canal la ecuación 35 es de la forma.

(41)

De acuerdo al número de Reynolds, el flujo se clasifica en laminar, con valores de R menores a 2000; de transición con valores de R, comprendidos entre 2000 y 10000 y finalmente turbulento, con valores de R superiores a 10000. Existe otro número adimensional que es ampliamente utilizado en hidráulica, denominado número de Froude. Este número, evalúa el efecto de la fuerza de gravedad sobre el flujo. Se representa por la siguiente ecuación:

(42)

Donde: F, representa el número de Froude, que es adimensional; V, representa la velocidad del flujo [m/seg]; L, representa la longitud característica del flujo, que para el caso de tuberías es igual al diámetro (D) o para canales igual al Radio Hidráulico (RH) [m]. Finalmente 2

g, es la fuerza de la gravedad [m/seg ].

De acuerdo a esto, para el caso de tuberías la ecuación 42 queda.

(43) Cuando se trata de un canal la ecuación es de la forma.

(44) Si F < 1, el flujo se llama subcrítico y en este caso predominan las fuerzas gravitacionales sobre las cinemáticas, por lo que le flujo presenta una velocidad lenta y a menudo se llama corriente tranquila. Cuando F > 1, el flujo se denomina supercrítico y en este caso predominan las fuerzas cinemáticas sobre las gravitacionales, por lo que el flujo es rápido y turbulento. Cuando F = 1, se denomina al flujo como crítico y es aquel en el cual las dos fuerzas son equivalentes, por lo que es una transición entre los dos anteriores.

Cuando el flujo por una tubería es permanente, es decir que las cantidades de flujo permanecen constantes en el tiempo, se puede aplicar la ecuación generalizada de la energía (Ecuación de Bernoulli), la cual se basa en la propiedad que la energía de un fluido entre dos puntos 1 y 2 permanece constante (Ley de conservación de la energía). Dicha ecuación se puede representar de la siguiente forma.

(45)

La energía en un punto de la conducción, en este caso una tubería esta compuesta por tres factores. En el primer paréntesis se presentan los términos correspondientes a la energía debida a la presión del flujo. En el segundo paréntesis, se presentan los correspondientes a la energía cinética del flujo, es decir, asociados a la velocidad del mismo. En el tercer paréntesis, se presentan valores asociados a la energía potencial, es decir debidos a la posición relativa del punto con respecto al nivel de referencia. Finalmente, el cuarto valor hace referencia a las pérdidas de energía debidas a la fricción o rozamiento del fluido con las paredes de la tubería o canal.

Otra ecuación, fundamentada esta vez en la Ley de conservación de la materia, que se esa ampliamente en hidráulica es la Ecuación de continuidad. Esta ecuación que el caudal permanece constante entre dos puntos, Esta ecuación se expresa de la siguiente forma: (46) Recordemos que el caudal se expresa como el producto de velocidad de flujo por área de la sección transversal. De acuerdo a esto, los productos de velocidad por área en cada uno de los puntos de la conducción, deben ser igualmente constantes. (47) A continuación se presentarán algunos criterios de diseño hidráulico aplicados a tuberías y canales.

Lección 27 Flujo en tuberías El aspecto clave en el buen diseño hidráulico de una tubería es el de determinar con la mayor exactitud posible el valor de las pérdidas de energía que ocurren en la misma. La pérdida de energía por fricción, genera una disminución en la presión dentro de la tubería, dado que la velocidad debe mantenerse constante. Verificar esta afirmación en la Ecuación 45.

Una de las primeras ecuaciónes que describe las pérdidas debidas a la fricción dentro de una tubería fue definida conjuntamente por el ingeniero francés Henry Darcy y por el ingeniero alemán Julios Weisbach, por esto se le conoce como la ecuación de Darcy-Weisbach. Esta ecuación es de la forma.

(48) Donde hf, representa las pérdidas ocurridas por fricción [m]; f, representa el factor de fricción de Darcy; L, es la longitud donde se presentan las pérdidas [m]; D, es el diámetro de la tubería [m]; V, 2 es la velocidad de flujo [m/] y g, es la fuerza de la gravedad [m/s ]. El valor del factor de fricción de Darcy, depende del tipo de flujo que se presente en el momento. Es decir si el fujo es laminar o turbulento. A continuación se presenta la forma de evaluar el factor de fricción en función del tipo de flujo. - Flujo laminar. En caso que se cuente con un flujo laminar (R < 2000), se utiliza la ecuación de Hagen-Poiseuille, tal como la definió Weisbach:

(49) Donde R, representa el número de Reynolds.

- Flujo de transición. En este caso se presentan flujos, cuyo número de Reynolds tiene valores comprendidos en el siguiente intervalo (10000 < R < 100000). Para este caso, Blassius, definió la siguiente ecuación para hallar el factor de fricción de Darcy:

(50) - Flujo turbulento. Para flujos turbulentos con R > 100000, dentro de los cuales se encuentran los flujos para tuberías reales, Nikuradse en 1933 definió unas expresiones matemáticas para el flujo, dependiendo de la rugosidad de las paredes. Esto es, para flujo turbulento con superficie hidráulicamente lisa (FTSHL), para flujo turbulento con superficie hidráulicamente rugosa (FTSHR) y para flujo turbulento de transición (FTT).

Para cada una de los tipos de flujo turbulento, la clave para seleccionar cual ecuación usar radica en el cálculo de la siguiente ecuación:

(51) Donde ε es la rugosidad del material de la tubería Si este valor es menor o igual a 9.33 se tiene flujo turbulento con superficie hidráulicamente lisa (FTSHL), si por el contrario es mayor a 200 se tiene flujo turbulento con superficie hidráulicamente rugosa (FTSHR) y si está en la mitad de los dos valores mencionados anteriormente se tiene flujo turbulento de transición (FTT). La ecuación definida para flujo turbulento con superficie hidráulicamente lisa es la siguiente .

(52) Para flujo turbulento de transición se utiliza la siguiente ecuación.

(53) Donde D, representa el diámetro de la tubería y Para flujo turbulento con superficie hidráulicamente rugosa la ecuación es la siguiente.

(54)

Lección 28 Diseño de tuberías Ejemplo 12. Se cuenta con una tubería de acero de 15 cm de diámetro, que transporta un caudal de 85 L/seg. La longitud de la tubería es de 450 metros y cuenta con un espesor de rugosidad e = 0.003 metros. Calcule la velocidad de flujo y las pérdidas de energía. Asuma una viscosidad -6 cinemática de 1.127 X 10 m/seg. En este caso, dado que las pérdidas de energía dependen en gran medida de la velocidad de flujo al interior de la tubería, este es el valor que deberá determinarse en primer lugar. De acuerdo a la ecuación 16 tenemos que:

El área de una sección circular está dada por:

Reemplazando este valor en la ecuación anterior tenemos:

Luego la velocidad para las condiciones dadas será.

Para estás condiciones, el número de Reynolds es.

De acuerdo a lo anterior se asume flujo de transición, con lo que tenemos:

Para el cálculo de las pérdidas retomamos la ecuación de Darcy:

Otra ecuación que se ha usado en el cálculo de las pérdidas en tuberías es la de Hazen-Williams, la cual presenta las pérdidas en función del material, más que de la velocidad. Esto quiere decir que las pérdidas serán definidas por la longitud de al tubería y por su rugosidad, la que como se dijo anteriormente, depende del material.

(55) Donde 3 longitud de la tubería [m]; Q, es el caudal de la tubería [m /seg] y D, es el diámetro de la tubería [m].

Tabla 13. Valores de coeficiente de fricción de Hazen-Williams. Material Acero Hierro fundido Fibrocemento Polietileno de alta densidad - PVC

C 90 100 128 150

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Ecuacion_de_Hazen-Williams

Ejemplo 13. Retomando los datos del ejemplo 12, calcular la pérdida de energía por fricción utilizando la ecuación de Hazen-Williams. La tubería de acero es de 15 cm de diámetro, transporta un caudal de 85 L/seg. La longitud de la tubería es de 450 metros y cuenta con un espesor de -6 rugosidad e = 0.003 metros. Asuma una viscosidad cinemática de 1.127 X 10 m/seg. Haciendo uso de la ecuación de Hazen-Williams, las pérdidas para este caso son.

Lección 29 Flujo en canales Se define un canal como aquel conducto en el cual el agua fluye con una superficie libre, es decir, está sometido a la acción de la presión atmosférica en una de sus superficies, o dicho de otra forma, no está confinado.

Un canal tiene diferente geometría dependiendo si se trata de un canal natural o de un canal artificial. Los canales naturales, que en la mayoría de las ocasiones corresponde a un río o quebrada, son de forma irregular, pero tiende a conformar secciones parabólicas o trapezoidales . Se define la sección transversal como la forma que presenta el canal al realizar un corte en sentido perpendicular a la dirección del flujo. Por el contrario los canales artificiales presentan secciones muy definidas, siendo las más comunes las siguientes: Trapezoidal, parabólica, circular, rectangular y triangular.

Figura 21. Secciones típicas de canales.

Fuente: Diego Hernández.

Las dimensiones principales de un canal son las siguientes: Figura 22. Dimensiones principales de un canal.

Fuente: Diego Hernández.

En términos generales, las dimensiones de un canal tienen que ver con las definidas por el flujo y no por la obra como tal. En este sentido se pueden definir el ancho superficial (T), el ancho de la base o plantilla (b) y la profundidad de flujo (y), los cuales representan el ancho de la superficie del fluido y la profundidad de este respectivamente. El área o área húmeda (A), corresponde al área de la sección transversal del canal, ocupada por el fluido. El perímetro húmedo (P), se define como el perímetro correspondiente al área húmeda. El radio hidráulico (RH), se define como el cociente entre el área húmeda y el perímetro húmedo:

(56) La profundidad hidráulica (D) es la relación entre el área húmeda y ancho superficial.

(57)

Principales propiedades geométricas de un canal en función de la sección. En la tabla 14 se muestran las dimensiones de un canal analizadas o relacionadas en términos de la sección transversal. Si se analiza el canal en términos longitudinales la característica más importante es la pendiente, dado que entre otras define la velocidad del flujo y por tanto la energía de este. La pendiente del fondo del canal varía de acuerdo a la topografía del terreno, sin embargo, para canales de riego se recomienda una pendiente que no supere el 0.5%.

Tabla 14. Principales propiedades geométricas de un canal en función de la sección.

Fuente: Chow (1994).

Lección 30 Diseño de canales La velocidad de flujo en el canal está dada por la ecuación definida por el ingeniero Robert Manning.

(58) Donde: V, es la velocidad de flujo [m/seg]; n, es el número de Manning, (coeficiente que describe la rugosidad del canal); RH, es el radio hidráulico [m] y S, es la pendiente del canal [%].

De acuerdo a le Ecuación 47, se tiene que:

Reemplazando este valor en la Ecuación 58 se tiene::

(59)

Donde: Q, es el caudal de flujo [m3/seg]; n, es el número de Manning; A, es el área húmeda [m2]; RH, es el radio hidráulico [m] y S, es la pendiente del canal [%].

Para el diseño de canales se tienen varios métodos, pero uno de los más usados en nuestro medio es el de la sección hidráulica óptima. Este método define el máximo valor de radio hidráulico para un área dada, es decir minimizando el perímetro húmedo. Esto permite en términos generales, al tratarse de un diseño de canales no erodables, obtener valores de velocidad de flujo que permita disminuir al mínimo el riesgo de erosionar el canal, esto es de arrastrar partículas, con lo que le canal no podrá ser erosionado por la corriente, ni transportar sedimentos que obstaculicen las labores de riego posteriores.

El proceso de diseño se puede agrupar en varias acciones consecutivas, las cuales se presentan a continuación. 1. Definir el valor del número de Manning, para las condiciones del canal. Como se explicó anteriormente el factor de rugosidad del canal dependerá del material sobre el que está construido. En este caso el diseño permite que la sección del canal permanezca sin revestir, siempre y cuando no se presenten valores muy altos de infiltración, de tal forma que además no se genere erosión Tabla 15. Número de Manning en función del material. Material Concreto Madera Piedra Tierra recién excavada Tierra y pasto corto Tierra y malezas Fuente: Chow (1994 :108 – 111).

Número Manning 0.013 0.012 0.023 0.022 0.027 0.035

de

Tabla 15a. Número de Manning en función del material. a) Canales sin vegetación Sección transversal uniforme, alineación regular sin guijarros ni vegetación, en suelos sedimentarios finos Sección transversal uniforme, alineación regular, sin guijarros ni vegetación, con suelos de arcilla duros u horizontes endurecidos Sección transversal uniforme, alineación regular, con pocos guijarros, escasa vegetación, en tierra franca arcillosa Pequeñas variaciones en la sección transversal, alineación bastante regular, pocas piedras, hierba fina en las orillas, en suelos arenosos y arcillosos, y también en canales recién limpiados y rastrillados Alineación irregular, con ondulaciones en el fondo, en suelo de grava o esquistos arcillosos, con orillas irregulares o vegetación Sección transversal y alineación irregulares, rocas dispersas y grava suelta en el fondo, o con considerable vegetación en los márgenes inclinados, o en un material de grava de hasta 150 mm de diámetro Canales irregulares erosionados, o canales abiertos en la roca (b) Canales con vegetación Gramíneas cortas (50-150 mm) Gramíneas medias (150-250 mm) Gramíneas largas (250-600 mm) (c) Canales de corriente natural Limpios y rectos Sinuosos, con embalses y bajos Con muchas hierbas altas, sinuosos

0.016 0.018 0.020 0.0225 0.025 0.030 0.030 0.030 - 0.060 0.030 - 0.085 0.040 - 0.150 0.025 - 0.030 0.033 - 0.040 0.075 - 0.150

Fuente: www.fao.org/docrep/T0848S

2. En caso de canales trapezoidales, definir el valor de la pendiente lateral de las paredes. Las propiedades geométricas de una canal trapezoidal, dependen de la inclinación de las paredes, por tanto se debe definir claramente este valor en función del material sobre el que está construido el canal.

Tabla 16. Pendiente lateral de las paredes de un canal trapezoidal. Material

Roca Arcilla Arena suelta Suelos orgánicos

Pendiente lateral (Horizontal : Vertical) ¼:1 1:1–2:1 3:1 1:1

Fuente: Chow (1994 :156).

3. Definir el valor de la velocidad máxima permisible.

Tabla 17. Velocidad permisible. Material

Velocidad permisible

Arena fina Limo aluvial Arcilla Grava fina Grava gruesa Cantos rodados

[m/seg] 0.46 0.61 1.16 0.76 1.22 1.52

Fuente: Chow (1994 :163).

4. Calcular el valor del factor de sección “A*RH2/3” de la ecuación de Manning. 5. Asumir un valor de ancho de base y resolver simultáneamente las ecuaciones de área, perímetro húmedo y radio hidráulico para “y”.

6. Definir el valor del borde libre, el cual es el espacio extra que se entrega al canal para prevenir desbordamientos, por olas o por presentarse en forma no esperada un caudal mayor que el de diseño.

Ejemplo 14. Diseñar un canal trapezoidal, construido sobre un suelo arcilloso, el cual debe 3 transportar un caudal de agua de 1.5 m /seg. El valor de la pendiente longitudinal es de 0.005. Para el diseño del canal, se desarrollaran cada uno de los pasos definidos anteriormente. 1. Definir el valor del número de Manning, para las condiciones del canal. De acuerdo a la Tabla 15a, el material más parecido a lo enunciado es: Sección transversal uniforme, alineación regular, con pocos guijarros, escasa vegetación, en tierra franca arcillosa. Para estas condiciones el valor del coeficiente de rugosidad de Manning es, n = 0.020. 2. En caso de canales trapezoidales, definir el valor de la pendiente lateral de las paredes. Para el material donde se encuentra construido el canal, el valor de pendiente lateral de acuerdo a la Tabla 16 puede variar entre 1 y 2. Se asume Z = 2 3. Definir el valor de la velocidad máxima permisible. De acuerdo a la Tabla 17, la velocidad permisible es de 1.16 m/seg. 2/3

4. Calcular el valor del factor de sección “A*RH ” de la ecuación de Manning. De acuerdo a la Ecuación 59 se tiene.

5 Asumir un valor de ancho de base y resolver simultáneamente las ecuaciones de área, perímetro húmedo y radio hidráulico para “y”.

Para este caso se asume un ancho de plantilla de 2 m, con lo que se tiene que la ecuación del área de acuerdo a la Tabla 14 es.

La ecuación del perímetro de acuerdo a la Tabla 14 es.

Se construye una Tabla con valores de “y”, área, perímetro y radio hidráulico, con los cuales 2/3 calcular el valor de A*RH , iterando hasta que este sea igual a 0.424, tal como se obtuvo en el punto anterior.

Y

A

P

RH A*RH

2

[m] 0.35 0.36 0.365 0.366 0.367 0.37

[m ] 0.945 0.979 0.996 1.000 1.003 1.014

[m] 3.565 3.609 3.632 3.636 3.640 3.654

[m] 0.265 0.271 0.274 0.275 0.276 0.277

2/3

0.390 0.410 0.421 0.423 0.425 0.431

De acuerdo a esto se obtiene un valor de y = 0.367 m, el cual es el que entrega un valor más 2/3 cercano de A*RH = 0.425 y de b = 2 m. Se chequea que el valor de la velocidad en el canal este cerca o por debajo de la permisible. Se tiene que:

Por tanto:

Este valor está por encima de lo recomendado, en este caso se puede modificar la geometría del canal para lograr la velocidad requerida, se opta por disminuir la pendiente de diseño a 0.002. El nuevo valor del factor de sección es A*RH

2/3

= 0.671.

Con esto se construye nuevamente una Tabla para determinar el valor de la profundidad de flujo y

A

P 2

RH A*RH

2/3

[m]

[m ]

[m]

[m]

0.58

1.253

3.594

0.349

0.621

0.59

1.286

3.639

0.353

0.643

0.6

1.320

3.683

0.358

0.666

0.602

1.327

3.692

0.359

0.671

0.603

1.330

3.697

0.360

0.673

0.61

1.354

3.728

0.363

0.689

Se selecciona un valor de profundidad de flujo de y = 0.602 m, con este valor la velocidad de flujo es de V = 1.131 m/seg, el cual está por debajo de la máxima permisible.

Unidad II SISTEMAS DE RIEGO Y DRENAJE Existen varios métodos de riego y drenaje que pueden utilizarse, cada uno tiene sus ventajas y desventajas, así como su conveniencia de acuerdo al cultivo, al suelo y al factor económico. Cualquier sistema si está mal utilizado es ineficiente por lo que es muy importante el diseño y manejo adecuados de los sistemas de riego y drenaje.

Capítulo 7 Métodos de riegos superficiales Independientemente del método de riego empleado, todo sistema de riego está compuesto en términos generales por partes claramente diferenciables, las cuales están presentes en casi todos los métodos: captación (1), conducción (2), distribución (3) y método de riego (4).

Figura 23a.Partes de un sistema de Riego.

Lección 31 Captación

Este es el inicio de todo sistema de riego. Esta estructura o sistema, es la encargada de tomar el caudal necesario para el riego, de una fuente superficial o subterránea. Para la planeación de este componente, es necesario conocer en primera medida el consumo estimado tanto por los cultivos, como por animales y seres humanos si es del caso. Debe igualmente tenerse certeza de la calidad del agua (sedimentos transportados y sustancias en solución), del comportamiento de la fuente (caudal máximo, medio y mínimo) y de la topografía y conformación del cauce (pendientes, ancho, tipo de suelos). Dentro de los sistemas de captaciones se distinguen dos grandes grupos: por gravedad o por bombeo.

- Por gravedad. En este tipo de captaciones el agua entra libremente a la estructura sin mediar energía externa. Dentro de las captaciones por gravedad se distinguen las captaciones de fondo y las laterales. En ambos casos, el agua se hace pasar a través de una rejilla que guía el flujo al interior de un tanque que sirve de medidor del caudal, para lo cual posee un vertedero de desagüe. En las captaciones de fondo, el río o quebrada, pasan por encima de la captación, donde es captado por una rejilla en el fondo de la misma. En la Figura 24 se presenta una pequeña captación de fondo sobre una quebrada. En algunos casos el ancho del cauce es relativamente grande y no permite un adecuado flujo del agua sobre la rejilla, para esto se construye un dique al que se le incorpora un vertedero en cuya base se coloca la rejilla tal como se muestra en la Figura 25. Un caso especial de captación de fondo en la que se utiliza dique, es la captación con galería filtrante y es aquella en la cual se hace pasar el agua a través de una capa de material filtrante que se encarga de retirar los sedimentos transportados por la corriente, es decir esta capa actúa como filtro en aguas que normalmente transportan una gran cantidad de sedimentos.

Figura 24. Rejilla de una captación de fondo.

Fuente: Diego Hernández. En el caso de captaciones establecidas en quebradas de alta montaña, se puede captar el agua directamente con una tubería flexible a la que se acopla una rejilla en el extremo. En este caso también se acostumbra construir un dique sencillo que disminuya la velocidad de la corriente y permita la captación.

Las captaciones laterales son indicadas para aquellos casos donde el río o quebrada tengan poco tirante (profundidad), tenga poca pendiente en el fondo (cauce) o arrastren muchos sedimentos, se recomienda construir un dique sobre el cauce del mismo, para elevar el tirante y permitir la captación mediante la rejilla.

Figura 25. Dique con vertedero en captación de fondo.

Fuente: Diego Hernández.

Figura 26. Galería filtrante.

Fuente: www.dec.ufcg.edu.br

Figura 27. Captación con tubería flexible.

Fuente: Diego Hernández.

Figura 27a. Detalle de dique simple para captación con tubería flexible.

Fuente: Diego Hernández. Como su nombre lo indica estas captaciones toman el agua lateralmente, o mejor aun, en forma perpendicular al sentido de la corriente. Lo importante en estas captaciones es su ubicación. Las captaciones deben ubicarse en la parte exterior de una curva, pero no sobre la línea de acción del rio o quebrada. Esto permite que en ríos con cauce móvil o demasiado ancho el cauce tienda a ubicarse en la parte exterior del valle, con lo que ésta no se quedará sin agua. Puede darse el caso sin embargo, que el río se aleje de la captación, en este caso, se puede colocar una barrera temporal a modo de dique que lleve la corriente hacia la captación. Estas barreras pueden

construirse en madera o gaviones sencillos, de forma muy similar a lo mostrado en la Figura 27a, o más recientemente con sextópodos u octópodos. El agua una vez captada, se lleva a un tanque que puede tener dos funciones principales: primero puede servir como desarenador, es decir retirar las fracciones más gruesas de los sedimentos transportados por la corriente. La segunda función que es muy importante, es la de definir el caudal máximo a ser captado. En la práctica, las captaciones se diseñan para que tomen hasta 3 veces el caudal proyectado o necesario, para permitir ampliaciones futuras o incrementos en la demanda sin necesidad de reconstruir la estructura. Para garantizar el caudal aprobado o necesario, el tanque cuenta con un vertedero que actúa como rebose. El agua evacuada por el rebose debe ser conducida inmediatamente a la fuente hídrica, por esto el tanque no debe estar muy alejado de la captación, para minimizar costos de construcción y la posibilidad de contaminación

Figura 28. Captación lateral.

Fuente: www.depolti.gob.pe/tinajones/galeria%2520fotografica/slides/conchano.jpg&imgrefu

En la Figura 29 se muestra un tanque con las características mencionadas.

- Por bombeo. En este tipo de captaciones, el agua es tomada mediante el uso de una bomba, generalmente de tipo centrífuga que se encarga de succionar el agua de la fuente y entregarla a la conducción.

Figura 29. Tanque desarenador y distribuidor.

Fuente: Diego Hernández.

Lección 32 Conducción La conducción corresponde a la operación de llevar el agua desde el tanque desarenador hasta las inmediaciones del predio a regar. Este transporte puede efectuarse básicamente en dos formas: por canal o por tubería. La conducción por canal tiene la ventaja de ser más económica en la mayoría de los casos que el realizado por tubería. Además para caudales muy grandes puede ser la opción más recomendada debido a la complejidad técnica de conseguir tuberías con diámetros muy grandes. El inconveniente con los canales, radica en el espacio que ocupan dentro de la explotación. Si esto no es un inconveniente, el manejo de un canal se reduce a mantener la vegetación de las riberas y del cauce controladas y lo más bajas posibles para disminuir el rozamiento y por ende las pérdidas de velocidad que permitan la sedimentación de los mismos.

Figura 30. Conducción por canales.

Fuente: www.inta.gov.ar/valleinferior/info/fotos/canal1x600

La conducción por tuberías tiene algunas ventajas sobre la conducción por canales, tales como permitir mayores pendientes en la conducción, en términos generales, mayores velocidades y mínimo mantenimiento en condiciones normales de operación. En el caso de conducciones por tuberías, se hace necesario instalar tanques de quiebre de presión, para como su nombre lo indica, mantener la presión dentro de los límites de tolerancia del material. Estos tanques en términos generales pueden ubicarse cada 30 metros de caída vertical. Distribución. El agua una vez cerca del predio, debe entregarse en el volumen o caudal requerido para cada uno de ellos. Para dividir caudales, lo más común es la utilización de compuertas o cajas divisorias, las cuales se encargan de dividir el caudal en partes de acuerdo a las necesidades. Éstos componentes son adecuados cuando la conducción se efectúa por canales.

En caso de contar con una conducción por tubería, lo común es llevar la misma hasta el campo, por lo que la partición de caudales se hace tomando los ramales de la tubería principal. En este caso los diámetros de los ramales van en función del caudal transportado. Método de riego. Una vez el agua ha sido llevada cerca al campo de riego, debe aplicarse al cultivo de acuerdo a la planificación de las operaciones de riego. En general se presentan diferentes métodos de riego para aplicación del agua necesaria a un cultivo, sin embargo en el presente capítulo se agruparán en dos grandes categorías de acuerdo a la forma como se aplica el agua al lote: a gravedad o a presión.

Lección 33 Métodos de riego por gravedad. Avance del agua sobre el campo Estos métodos de riego son de los más antiguos utilizados por el hombre, se caracterizan porque el agua se aplica sobre el terreno en forma superficial, con lo que se permite que se vaya infiltrando mientras avanza superficialmente. El riego superficial presenta unas etapas claramente definidas, la primera se denomina fase de avance y es aquella que transcurre desde la aplicación del riego hasta cuando el agua llega al final del campo. Durante esta fase el suelo se moja. El tiempo de riego está definido como aquel necesario para aplicar al final del campo la lámina necesaria de acuerdo al consumo del cultivo. Luego de aplicar la lámina necesaria, se suspende el riego en la cabecera del lote, es decir, en la parte más alta, con lo que se definen otros dos tiempos. El de vaciado que corresponde al tiempo transcurrido desde la suspensión del riego hasta la desaparición del agua en la cabecera del lote y el de recesión que va desde la suspensión del riego hasta que el agua desaparece del final del lote, es decir de la parte más baja. Cuando se coloca riego al campo, el agua se va infiltrando en el mismo generando una curva de mojado a medida que el agua avanza sobre la superficie de acuerdo a la siguiente Figura.

Figura 31. Avance del agua sobre el campo y curva de mojado.

Fuente: Diego Hernández. La clave del riego superficial es disminuir las pérdidas que ocurren por infiltración, para esto se aplica el máximo caudal posible en el campo de tal forma que no se genere erosión, esta práctica permite disminuir en gran medida el tiempo de avance, tal como se muestra en la siguiente Figura.

Figura 32. Perdidas por infiltración minimizadas en riego superficial.

Fuente: Diego Hernández.

Lección 34 Riego por surcos El riego por surcos es uno de los métodos más universalmente utilizados en todos los cultivos que se establecen por hileras, adaptándose a terrenos con grandes variaciones de pendiente. Para establecer un sistema de riego por medio de surcos, debe considerarse antes la pendiente del terreno, el caudal del agua disponible, el cultivo que se piensa establecer y las características físicas del suelo. Estos factores determinan la longitud y la distancia entre los surcos y además el caudal máximo de agua que debe utilizarse en cada uno sin que vaya a causar desgaste de la capa vegetal o erosionar el suelo. El método de riego por surcos puede aplicarse en pendientes, que van desde 0 hasta 15%. La longitud de los surcos puede oscilar entre 90 y 150 metros. Sin embargo es necesario tener claridad m que surcos demasiado largos ocasionan pérdidas excesivas de agua por percolación profunda y pérdidas de suelo por erosión en las partes más altas de los terrenos. En términos generales, la distancia entre surcos está determinada por la distancia entre las plantas dentro de cada hilera. A cada hilera le puede corresponder un surco, o también pueden establecerse cultivos como hortalizas en surcos con hileras dobles. Esta distancia también depende del desarrollo del cultivo, es decir, del espacio aéreo que ocupe con su follaje, así como del cubrimiento subterráneo. No hay que olvidar que el tipo de suelo es otro factor que influye en estas distancias. De acuerdo a lo anterior, se puede definir que las distancias más comunes entre surcos para la mayoría de los cultivos son de 90 centímetros. La profundidad de los surcos no debe ser superior a 20 ó 30 centímetros, pues ésta es suficiente para que facilite la infiltración en suelos poco permeables. El caudal de riego se conduce hasta los surcos por acequias, canales, tuberías o conducciones subterráneas. El sistema más comúnmente empleado es el de acequias hechas de tierra y canales no revestidos que conducen el agua hasta el terreno donde se encuentra el cultivo en surcos y allí se distribuye el agua por pequeñas aberturas, donde el agua fluye al interior de uno o varios surcos, tal como se muestra en la siguiente Figura.

Figura 33. Conducción de agua por canales.

Fuente: www.comprarfruta.es/fotosfrutas/riego01.

También se puede distribuir agua a los surcos mediante tuberías con orificios que permiten la salida del agua a cada surco o mediante sifones de plástico. Estos sifones son de pequeño diámetro y longitud no superior a 1.50 metros, pudiendo estar hechos de aluminio, hierro galvanizado o plástico (PVC). Este sistema permite sifonar el agua desde la acequia de conducción a los surcos, conservando intactos los taludes de la misma.Además, el sistema facilita el cambio rápido de agua de un surco a otro. El riego será uniforme cuando se suministre a cada surco un caudal uniforme y controlable.

Figura 34. Distribución mediante tubería perforada.

Fuente: www.hipco-ne.com/images/gated.

Figura 35. Distribución mediante sifones.

Fuente: www.massai.cl/Galeria_Prod/MFA/Imagen/FD5.

Figura 35a. Instalación de sifones.

Fuente: www.inta.gov.ar/region/mesa/galeria/fotos/riego-por-tubos.

Dentro del riego por surcos se pueden presentar algunas variantes, entre las cuales se tiene:

Riego por surcos en declive. Son pequeños surcos o canales con la misma dirección de la pendiente, es decir con la misma pendiente. Su tamaño y forma depende del tipo de cultivo, equipo utilizado y distancia entre hileras. Es empleado para regar todo tipo de cultivos establecidos en hileras, así como en todos los suelos excepto en los arenosos, puesto que proporcionan una distribución lateral muy escasa entre los surcos. Se adapta muy bien a zonas cuya pendiente no es mayor a 1%, pero puede utilizarse en pendientes hasta del 3%, siempre y cuando la precipitación pluvial no presente muy abundante.

Riego por surcos en contorno. Es semejante al anterior pero los surcos que están casi a nivel distribuyen el agua a través de terrenos en pendiente. Los surcos siguen curvas adaptadas a la superficie del suelo, con el declive necesario para distribuir el agua. Las acequias principales o redes de tubería se colocan en el sentido de la pendiente principal, para alimentar de esta forma lateralmente los surcos. Se puede utilizar en casi todos los suelos con desnivel, con excepción de los suelos arenosos. En términos generales la pendiente del lote no debería ser mayor de 6%. El uso de surcos en terrenos inclinados disminuye el peligro de erosión, facilita la distribución adecuada del agua, reduce el tiempo para el riego, y se logra una eficiencia aceptable si se maneja bien el desplazamiento del agua y se observan todas las prácticas de conservación de suelos.

Método de surcos muy próximos. Es el método mediante el cual se distribuye el agua de riego por pequeños canales o surcos distanciados regularmente en un terreno. El agua no solo se extiende a lo largo del surco, sino que también permite una distribución lateral adecuada en los caballones o espacios intermedios entre los surcos. El riego por este método se adapta a terrenos planos con pendientes entre 1 y 8%. Este método de riego también conocido como riego por zanjas o de corrugaciones exige por regla general que la pendiente transversal sea bastante menor que la que sigue el flujo del riego. Los cultivos tupidos como pastos y cereales, exceptuando el arroz, pueden ser regados por medio de este método. También algunas legumbres y cultivos de semillas pequeñas y otras plantas de cobertura. Las corrugaciones dan buenos resultados en suelos de textura media, con caudales de riego grandes o pequeños, dependiendo del número de surcos. En tierras bien niveladas se puede lograr un alto grado de eficiencia si se observan prácticas apropiadas en la administración del agua. Estos métodos de riego tienen el inconveniente de presentar elevadas tasas de percolación en las zonas cercanas a la cabecera del lote, es decir donde se inicia el riego y poca infiltración en la parte baja. Esto ocasiona grandes pérdidas de agua y posibilidad de generar procesos erosivos si no se controlan adecuadamente los caudales. Puede también incrementar la incidencia de enfermedades, especialmente las del tipo fungoso. Presenta también inconvenientes por alto requerimiento de labores y de mano de obra, lo que puede generar costos de operación elevados. Se tienen limitaciones con suelos pesados y con altos contenidos de rocas que dificultan las labores de conformación de los surcos. Así como con zonas que presentan altas precipitaciones. En términos generales no es recomendado para terrenos con pendientes superiores al 10%.

Lección 35 Métodos por anegamiento o inundación Desbordamiento con caballones en declive. El terreno que ha de regarse se divide en fajas mediante diques paralelos y cada faja se riega separadamente. Este método consiste en elevar el agua para que arranque en una acequia de cabecera, luego siguiendo la configuración topográfica del terreno, o siguiendo la pendiente se construyen zanjas paralelas, en el sentido de la pendiente. Cada faja se riega aplicando una corriente agua en el terreno superior y ésta debe ser suficientemente grande para que extienda a todo lo ancho entre los caballones, sin rebasarlos. La velocidad del agua en estos caballones puede ser muy alta en suelos con pendientes moderadas y puede producir serios problemas de erosión.Además de arrastrar los materiales de la capa vegetal, el agua tiende a desplazarse hacia las zonas más bajas del predio, creando problemas de acumulación de materiales y anegamientos. Dicho método debe adaptarse solamente para regar los cultivos que crecen en forma compacta, como pastos y granos pequeños, y cuando los suelos se encuentran en una zona con una pendiente máxima de hasta 2%. Se dice que se puede adaptar a cualquier tipo de suelos, pero es riesgoso hacerlo en suelos sueltos, puesto que éstos con el tiempo van perdiendo el espesor de su capa vegetal y por tanto se van erosionando. Las limitaciones que presenta son peligro de erosión; problemas de desagüe en las plantas bajas del campo y mayor dificultad para el control del agua. No obstante, los problemas que presenta este método ha contado con la simpatía de muchos agricultores debido al bajo costo inicial que implica su adopción, y además porque no exige trabajos previos de nivelación. Es muy común este sistema en regiones donde el agua y la mano de obra son abundantes y baratos y donde la tierra tiene poco valor.

Figura 36. Desbordamiento con caballones en declive.

Fuente. http://www.juntadeandalucia.es/innovacioncienciayempresa/ifapa/sar/resources/images/inf o/tecnica_diseno/sup1.jpg

Riego por desbordamiento con caballones a nivel. Método que es aplicable en áreas niveladas rodeadas por diques que mantienen el nivel del agua uniformemente hasta que ha penetrado en el suelo.La corriente de agua derramada en cada caballón debe ser el doble de la que requiere el índice promedio de absorción del suelo. Tal método es adaptable a con infiltración entre moderada y alta. Se puede aplicar a cualquier tipo de cultivo desde hortalizas, pastizales hasta los más diversos cultivos. Presenta como limitantes la nivelación previa del terreno, la construcción de zanjas revestidas o tubería con el objetivo de logra un adecuado control de agua. Para lograr una operación eficiente, es esencial mantener una superficie nivelada, lo cual puede requerir cambios en los sistemas de labranza, el uso de herramientas especiales, o ambas cosas a la vez. Los caballones deben tener de 1.8 a 2.4 m de anchura en su base y no exceder los 25 a30 cm en su lomo, pues es fundamental que no entorpezca el trabajo de los utensilios de labranza y que ayuden al buen desarrollo de los cultivos.

Figura 37. Riego por desbordamiento con caballones a nivel.

Fuente: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6e/Campos_de_arroz_en_el_Bajo _Piura_1.jpg Riego por melgas. También se le denomina a este método “faja con bordes” o “riego por melgas con bordes”, es adaptable a todos los suelos irrigables. Su principal característica la constituye el dividirse el terreno en fajas rectangulares por medio de caballones o bordes separados a igual distancia y en forma paralela. El agua se conduce por canales hasta el cultivo por donde se distribuye de la parte superior hasta la más bajas por acequias de cabecera, y por medio de cajas de aplicación o de sifones de éstas a las melgas. Es una forma de desarrollar cultivos cerrados, utilizados con frecuencia en el riego de cereales y de pastos. En terrenos con pendientes hasta de 3% se pueden utilizar para construir melgas y cultivar forrajes y granos, y en terrenos con pendientes hasta de 7% para pastos. La pendiente longitudinal en dirección en que se van a construir los bordos debe ser uniforme y menor que 1.5%, es preferiblemente que sea próxima a 0.2%. La pendiente de las melgas o del área formada entre los bordes debe ser nula, es decir, no presentar altibajos o declives transversales que impidan una distribución uniforme del riego. El grado de pendiente y el tipo de

suelo son los factores que determinan la longitud y el ancho de las melgas. Teniendo en cuenta estos aspectos pueden construirse melgas con una longitud entre 100 a 400 metros y con un ancho de10 a 20 metros. En suelos de textura liviana y ubicados en zonas de pendiente las dimensiones indicadas deberán ser menores. El gasto de agua varía para cada melga, de acuerdo con su tamaño, pendiente del terreno, tipo de suelo, etc., siendo mayor en los suelos con menor pendiente y mayor coeficiente de infiltración.

Figura 38. Riego por melgas.

Fuente: http://abest.secyt.gov.ar/SECYT/spanish/ina/img/36_riego.jpg

Capítulo 8 METODOS DE RIEGO PRESURIZADOS El riego presurizado es definido como un riego moderno, en el cual se gestiona de mejor manera el agua que se aplica al campo, se caracterizan porque el agua se aplica sobre el terreno en forma de lluvia artificial o en gotas cerca de la base de la planta. Estos métodos de riego tienen el inconveniente ser un poco más sensibles al viento, dado su carácter de ofrecer lluvia artificial, además si no se manejan adecuadamente las láminas de riego, se corre el riesgo de salinizar el suelo. Finalmente, la infraestructura necesaria para implementar un riego presurizado, suele ser más costosa que el riego por gravedad, además de necesitar personal mejor capacitado. Dentro de los sistemas de riego presurizado se puede contar con varias configuraciones: El sencillo, que es aquel donde se realiza bombeo directamente de la fuente y los ramales de riego son móviles, es decir se van moviendo en el campo para ir regando todo el lote.. Los semifijos presentan captación y tubería principal fijas, mientras que los ramales de riego son móviles en campo. La ultima configuración corresponde a los sistemas fijos, en los cuales, tanto la captación, la tubería principal y los ramales de riego son fijos en campo.

Lección 36 Riego por aspersión Este sistema se ha difundido considerablemente a partir de la segunda guerra mundial, debido al perfeccionamiento de los aspersores, al poco peso de los tubos de aleación de aluminio, a los equipos de bombeo de mayor rendimiento, a la difusión de la electricidad, expansión de los aceites para los motores de combustión interna a precios razonables, y su utilización para cultivos muy variados, sobre suelos de tipos diversos y terrenos de topografía y pendientes diferentes. Este sistema de riego permite aplicar agua al cultivo como si se tratara de una lluvia artificial. La boquilla o aspersor funciona entregando el agua en forma circular, es decir, mientras opera presenta este tipo de movimiento. Esto lo hace muy susceptible al viento, que arrastra las pequeñas gotas generadas disminuyendo la uniformidad de la aplicación de agua sobre el suelo. A este fenómeno se lo conoce como deriva. Los sistemas por aspersión pueden aplicarse en suelos de cualquier estructura, así como de variada topografía, siendo muy empleados en zonas de laderas pronunciadas, y siempre y cuando esté bien manejado no genera procesos erosivos muy significativos. Otras de las aplicaciones del riego por aspersión es el incremento de la humedad relativa en el cultivo, lo que minimiza el riesgo de sufrir daños por heladas o incrementar el porcentaje de propagación de plantas en vivero además permite la aplicación de fertilizantes diluidos en le agua de riego (fertirrigación). Cuando los sistemas de aspersión cuentan con líneas principales y laterales móviles, se denominan sistemas portátiles. En otros casos, cuandotoda la instalación está definitivamente localizada en los campos de cultivo se llama sistema por aspersión fijo o permanente. El sistema semiportátil es cuando la bomba y en ocasiones la tubería principal son fijas y las laterales son transportables; y se denominan móviles cuando tanto la bomba como el resto del equipo es movible.

Los sistemas más utilizados son los portátiles y los semiportátiles por su bajo costo, además porque se puede aplicar un caudal pequeño de agua, empleando boquillas relativamente grandes, factor favorable para aguas que contienen lodo e impurezas, puesto que se observan menos obstrucciones de los aspersores. La cantidad mínima de agua que pueden aplicar los aspersores giratorios es de 0.25 metros por hora, distribución muy adecuada para los terrenos de baja velocidad de infiltración y además porque permiten al agricultor realizar simultáneamente otras labores y sólo cambiar de sitio los aspersores dos o tres veces al día. Las presiones de los aspersores giratorios oscilan entre dos atmósferas para los pequeños y más de siete para los grandes. Todos los cultivos a excepción del arroz, pueden ser regados por aspersión. Este método es adecuado para toda clase de suelos, pero especialmente en suelos arenosos que tienen alto grado de absorción. El riego por aspersión puede emplearse en cualquier topografía, siendo especialmente práctico en laderas pronunciadas o suelos de topografía irregular. Si los suelos son susceptibles a la erosión, tal sistema puede emplearse en coberturas, terrazas, curvas de nivel y cultivos en fajas angostas. Los terrenos con inclinación demasiado pronunciada son los especiales para el uso eficaz del riego por aspersión, comparados con el uso de otros sistemas por gravedad.

Figura 39. Riego por Aspersión.

Fuente: http://i237.photobucket.com/albums/ff68/rugarte/573597_98970120-1.jpg

Lección 37 Condiciones para el uso del riego por aspersión Condiciones para el uso del riego por aspersión.         

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Suelos con alto índice de infiltración. En suelos arenosos y algunos orgánicos no se logra una distribución uniforme del agua de riego por otros métodos superficiales, y por medio de este sistema se consigue alta eficiencia. Cuando la topografía es irregular e impide la nivelación y cuando los terrenos son susceptibles a la erosión, su uso es muy eficaz. En caso de pequeñas corrientes de agua de riego se emplean eficientemente y los aspersores apropiadamente diseñados distribuyen el agua mejor que mediante otro sistema. Los suelos superficiales no laborables por alto nivel freático o presencia de una capa endurecida que obstaculizan una aplicación uniforme del agua mediante otros sistemas superficiales, pueden regarse por medio de éste. Muy práctico cuando no se dispone de mano de obra suficiente, ni personal calificado en los sistemas de riego superficiales. Cuando hay escasez de agua y los suelos son muy permeables, por medio de métodos superficiales el riego se hace difícil y muy deficiente, y con éste se aprovecha mejor el agua y en forma más segura. Otros usos del sistema de riego por aspersión Además del primordial uso del sistema para riego, la aspersión tiene otras aplicaciones que revisten importancia e implican su utilización en la agricultura. En el caso de microaspersores el volumen de agua puede controlarse de acuerdo con las necesidades de los cultivos, y las aplicaciones de agua en pequeños volúmenes son eficientes en plantas jóvenes. Sirve también para suministrar riegos ligeros y frecuentemente en semilleros, para el enraizamiento de plantas superficiales. Para controlar la temperatura del terreno y evitar las heladas se utilizan la microaspersión, además para controlar la humedad en ciertos cultivos como el tabaco y hasta remplazar el sombrío con el fin de controlar temperatura y humedad cuando se cultiva café. Los fertilizantes solubles, herbicidas y fungicidas pueden aplicarse junto con el agua de riego, económicamente, y con muy poco equipo especial. La penetración de los fertilizantes en el suelo se controla aplicándolos en las épocas adecuadas durante el riego .

Lección 38 Componentes del sistema de riego por aspersión Este sistema está generalmente constituido por una bomba que imprime presión al agua, una tubería principal de conducción, tubos laterales de distribución y rociadores de aplicación. Si la tubería principal, está enterrada y los tubos de distribución lateral permanecen fijos durante toda la estación de riego se denominan sistemas de aspersión fijos o permanentes. En esta forma un empleado puede regar de 30 a 60 hectáreas por día, mientras que con el sistema móvil puede regar como máximo 15 hectáreas. Este sistema es muy empleado en los viveros para mantener los niveles adecuados de humedad. También se utiliza para cultivos de sistema radicular superficial como las hortalizas. Los sistemas portátiles y semiportátiles son los que presentan mayor adaptabilidad a un menor costo inicial. El sistema opera de la siguiente manera: la tubería principal conduce el agua desde la bomba hasta los tubos de distribución lateral. El agua es captada de la tubería principal por medio de válvulas y llevada a los laterales. La longitud de los tubos laterales puede ser de 6 a 10 metros y generalmente están construidos de aluminio, hierro galvanizado o PVC. Se conectan entre sí por medio de uniones especiales, hasta obtener la longitud adecuada de los laterales. Hay varios tipos de uniones que utilizan una empaquetadura de caucho, la cual ajusta completamente la unión gracias a la presión del agua. Los aspersores van generalmente conectados a los tubos laterales por medio de un tubo elevador que sirve para quitarle turbulencia al agua y asegurar una operación más eficiente de los mismos .

Lección 39 Diseño de un sistema de riego por aspersión Como el aspersor no proporciona una superficie uniformemente mojada, generalmente la parte más alejada del aspersor alcanza menos humedad y como el área mojada tiene una forma circular, quedan espacios secos que sólo se humedecen mediante la superposición de los aspersores adyacentes, a esto se le llama traslape. La distribución de los aspersores en campo se hace en triangulo, en cuadro o en rectángulo. La separación entre ramales se hace en múltiplos de 6, dado que la mayoría de los tubos para riego tienen esa longitud, lo que minimiza los desperdicios por cortes. La separación entre aspersores para maximizar la cobertura se hace igual al radio de cobertura, es decir el radio que alcanzan las gotas de agua emitidas desde el aspersor. A este arreglo se le conoce como traslape del 100%. La distribución de un sistema de riego por aspersión en un lote tiene una configuración típica en H, tal como se muestra en la siguiente Figura:

Figura 40. Distribución típica de un sistema por aspersión en un lote.

Fuente. Diego Hernández.

Esta conformación tiene dos justificaciones, primero disminuye el número de accesorios sobre una tubería de gran diámetro (tubería principal), recordar que el precio de los accesorios y tuberías están directamente relacionados con el diámetro. Segundo, se sabe experimentalmente que las mayores pérdidas por fricción ocurren en el 40% inicial de la tubería dentro del lote, por esto sólo se lleva el principal dentro del lote una longitud que corresponde a este 40%. Para la determinación de los diámetros se definen las pérdidas en cada uno de los elementos. Experimentalmente se han fijado las pérdidas totales de acuerdo a la siguiente ecuación.

Donde: ΔHs, corresponde a las pérdidas totales y PT a la presión de trabajo del aspersor (Viene dada por catálogo) [psi]. Las pérdidas en el principal se calculan de la siguiente forma:

Es decir, que las pérdidas en el principal se limitan a un 45% de las pérdidas totales. El diámetro del principal se obtiene entonces con la Ecuaciónde Hazen-Williams. Si se reemplaza el valor de C para el PVC la ecuación queda:

Para calcular las pérdidas en los laterales se define la pérdida esperada así:

Nuevamente el diámetro del lateral puede ser fácilmente calculado a partir de la ecuación de Hazen-Williams, donde el caudal del lateral es igual al caudal emitido por cada aspersor a la presión de trabajo (la da el catálogo), multiplicado por el número de aspersores sobre el lateral. Las líneas principales deben ubicarse en dirección de la pendiente. Cuando se quiere controlar la presión, se debe cambiar el tamaño de la tubería principal. Los laterales deben ubicarse en el mismo sentido de la máxima pendiente tomando una posición próxima a la horizontal. Cuando el sistema está constituido por varios laterales el diámetro de éstos debe ser el mismo, de tal forma que facilite su intercambio. El número de rociadores debe ser tal que el total del campo se riegue en el número de días requerido. Siempre que sea posible la bomba debe colocarse en el centro del campo.

Lección 40 Riego por goteo Es el método más reciente en la agricultura, y tiene como finalidad usar en una forma más racional y eficiente el agua de riego, como herramienta para que el agricultor tenga un elemento más que le ayude a tener mejores resultados en su actividad de producir alimentos. El riego por goteo es un sistema que reviste especial interés porque por éste método se economiza agua, al evitarse pérdidas que se suelen presentar en otros métodos de riego, como en el de gravedad y el de aspersión, ocasionadas por evaporación y escorrentía, por efecto de la temperatura y las corrientes excesivas.

Figura 41. Riego por Goteo.

Fuente: www.aguamarket.com+sql+productos+fotos+riego%20por%20goteo_2

En este caso el agua se aplica a las plantas en forma localizada, aunque la hipótesis que se maneja es que ahorra agua, en realidad se entrega a la planta la lámina que necesita para su correcto desarrollo, lo que se minimizan son las pérdidas por infiltración y percolación. El riego por goteo proporciona a cada planta la cantidad de agua que ésta requiere para su crecimiento y desarrollo óptimos, humedeciendo por medio de goteros solamente la parte del suelo cercano a la raíz. El agua sale de los goteros gota a gota, sin ninguna presión. La uniformidad de la aplicación es uno de los condicionantes del éxito de este sistema, para lograrlo, es necesario colocar varios goteros cerca de la planta para asegurar un correcto humedecimiento del suelo. Los goteros como tal pueden estar integrados o no a la tubería que transporta el agua, la cual generalmente es de polietileno. Esta línea puede colocarse superficialmente sobre el terreno, o subsuperficalmente, en este caso se entierra aproximadamente 5 cm, para evitar que sea deteriorada durante las prácticas culturales. El factor clave para el riego por goteo es el de mantener agua de la mejor calidad posible, es decir estos no operan óptimamente en agua que contenga una alta cantidad de sedimentos, para esto es necesario implementar un sistema de filtrado, bien sea a base de arena o de un filtro de mallas. El diámetro utilizado en la tubería principal es de una pulgada (1”), en la tubería secundaria de tres cuartos (¾”) de pulgada y en las tuberías laterales, mangueras de media pulgada (½”). Los micro tubos están constituidos por mangueras de 1.1 milímetros de diámetro. La distancia entre los micro tubos depende de la distancia entre plantas, pero generalmente se encuentran separados cada 50 centímetros. Ventajas del riego por goteo:        

El riego por goteo permite regar mayores extensiones de terreno con cantidades limitadas de agua. Este sistema es simple, el goteo continuo de agua directa o aplicado exclusivamente sobre la zona radicular de la planta, garantiza la humedad requerida por la misma. Los espacios improductivos entre las zonas radiculares de cada planta no son regados, minimizando el desarrollo de malezas, consumo de agua, herbicidas y fertilizantes; así mismo facilita las operaciones del cultivo y de recolección. Permite la aplicación periódica de fertilizantes líquidos o solubles en agua en pequeñas dosis, ofreciendo una mejor disponibilidad de nutrientes a las plantas en los períodos de desarrollo más críticos. Se puede destinar a cualquier tipo de suelos y climas. La planta no necesita hacer grandes esfuerzos para absorber el agua del suelo porque éste mantiene la humedad constante lo que permite hacer uso de aguas salinas y en esta forma la acumulación de sales en la zona radicular es minimizada. Requiere presiones de operaciones inferiores a otros sistemas y menores caudales, ocasionando menor consumo de energía. Se incrementa la efectividad en la aplicación de pesticidas y fertilizantes foliares, pues al no haber humedecimiento del follaje se reduce la frecuencia de enfermedades y el lavado de tales productos, reduciéndose el número de aplicaciones, y por tanto se minimizan costos porque se economiza agua y mano de obra.

Desventajas del riego por goteo:  

La inversión inicial es muy alta. Da lugar a obstrucciones o taponamientos en los goteros, cuando el agua no es bien filtrada.

   

El sistema implica la necesidad de una alta tecnología que maneje el riego. Debe ser supervisado por una persona que tenga conocimientos sobre las diferentes actividades agrícolas. El sistema implica un buen diseño, que garantice una instalación adecuada para que la aplicación del riego sea uniforme. Al reducirse la cantidad de personal, comparada con el riego por gravedad o aspersión, genera desplazamiento de mano de obra.

Figura 41a. Esquema general Riego por Goteo

Fuente: www.aguamarket.com+sql+productos+fotos+riego%20por%20goteo_3

Capítulo 9 FUNDAMENTOS DE DRENAJE El drenaje de suelos agrícolas tiene como objeto eliminar los sobrantes de agua del mismo, con el fin de mantener las condiciones necesarias de aireación y actividad biológica del mismo, para que las plantas puedan desarrollar los procesos de crecimiento de su sistema radical y, por ende, de su parte aérea. El drenaje de cultivos se logra haciendo descender el nivel freático o las capas subterráneas de agua. El drenaje debe hacerse tanto en regiones húmedas como en regiones áridas. En estas últimas, con el drenaje se consigue la remoción de las sales del suelo para asegurar el mantenimiento de su balance salino.

Lección 41 Generalidades del drenaje En términos generales se puede expresar el drenaje como la forma en que una cuenca maneja el agua en el momento de presentarse una precipitación (lluvia). La forma en que el agua escurre superficialmente depende del patrón de drenaje de la cuenca o del terreno en particular. Patrones de drenaje superficial, existen varios entre los que se encuentran el drenaje dendrítico, el cual se caracteriza porque los cauces se van agrupando sucesivamente dando la apariencia de un árbol ramificado, muy similar a las conexiones de una neurona (dendritas, de ahí su nombre).Este patrón de drenaje se origina con predilección en suelos homogéneos de textura fina (arcillosos u orgánicos) o en suelos que presentan un estrato rocoso superficial. Estos suelos poseen una permeabilidad baja por tener pocos macroporos, esto quiere decir que el agua atraviesa lentamente el perfil del suelo. Ver Figura 42. Los suelos con drenaje de tipo subdendrítico, se caracterizan por ser muy similares a los que presentan drenaje dendrítico, con la particularidad que los diferentes cauces tienen una conformación casi paralela. Ver Figura 43. Los suelos con drenaje paralelo, presentan cauces con una conformación paralela, desaguando en lugares diferentes. Estos se forman predominantemente en suelos de textura gruesa (arenosos) y con pendiente uniforme, tipo valle. Ver Figura 44. Finalmente los suelos con drenaje radial, presentan cauces que parten de un lugar común y se van separando en forma radial de este. Esta distribución es típica de estrellas hidrográficas o de cerros grandes con varias fuentes de agua.

Figura 42. Drenaje tipo dendrítico.

Fuente: Diego Hernández.

El suelo internamente también drena el agua de exceso, la cual se mueve lentamente hacia el colector principal de la red de drenaje. Sin embargo, en algunos casos este movimiento o no ocurre, o es demasiado lento, lo que favorece la acumulación de agua tanto en el perfil del suelo como superficialmente, generando como consecuencia una disminución de la profundidad del nivel freático.

Figura 43. Drenaje tipo subdendrítico.

Fuente: Diego Hernández. Entre los factores adversos que conllevan a un mal drenaje tenemos: Aireación: El agua al ocupar los espacios vacios del suelo (poros), desaloja los gases impidiendo un adecuado intercambio gaseoso originando porblemas por acumulacion de CO2. Estructura del suelo: La estructura del suelo en condiciones de mal drenaje se afecta cuando éste e mecanizado, generando entérminos generales una destrucción del sistema.

Absorción de nutrientes: Cuando los poros se llenan de agua, las bacterias aeróbicas mueren y se incrementan las anaeróbicas, lo cual genera una disminución de la oferta de nitrógeno, dado que éste es fijado por las bacterias aeróbicas. De igual forma las bacterias anaeróbicas generan una reducción química sobre las sales de hierro y manganeso que las hace más solubles y por tanto más difíciles de ser absorbidas por las plantas.

Figura 44. Drenaje tipo paralelo.

Fuente: Diego Hernández. Disminucion de la actividad metabolica de las plantas: Dependiendo de la resistencia de la planta a la deficiencia de oxigeno que ocasiona el mal drenaje, se induce un estres que ocasiona una disminucion en la actividad metabolica de la misma, incidiendo sobre el transporte a las hojas y la absorcion de agua. Mayor incidencia de enfermedades: Los cultivos en condiciones de mal drenaje son más propensos al ataque por hongos, lo cual incide en que el hombre y animales también son afectados por el incremento de enfermedades tropicales como la malaria. El principal efecto del drenaje de tierras agrícolas es lograr la reducción de la humedad del suelo y por lo tanto modificar las propiedades físicas y químicas que trae consigo esta reducción. El efecto secundario es el consiguiente mejoramiento de las propiedades mecánicas, químicas y biológicas del mismo. Todas estas propiedades dependen de los elementos constitutivos del suelo . Un drenaje construido adecuadamente mejora la estructura del suelo, y por esta razón se aumenta la productividad. En muchas unidades de explotación agrícola las tierras bajas tienen el suelo más fértil, pero, debido que durante algunos meses del año están humedecidas, sólo rinden parte de lo que podrían producir. Estas tierras cuando son adecuadas mediante el drenaje producen buenas cosechas. El drenaje es el elemento más importante del saneamiento de los suelos alcalinos y salinos, saturados de agua. Si sólo consideran las tierras cultivadas, los beneficios del drenaje son muchos en relación con la agricultura de regadío. Los problemas de drenaje requieren el uso de técnicas y experiencias que pueden proporcionar información necesaria para el diseño de un sistema de drenaje adecuado. Por lo tanto, las investigaciones de campo entran así al dominio de la aplicación práctica. Se confrontan problemas específicos de diversa índole, al hacer una evaluación sobre los síntomas de

drenaje, tales como la extensión o alcance de acumulación de agua superficial y subsuperficial, cambio de color de cultivos y de perfil del suelo, daños causados a los cultivos, etc . Estudios que deben realizarse para evaluar en campo un problema de drenaje: entre estos se tienen: Topografía. Lo primero que hay que considerar en cualquier problema de drenaje es la topografía. Esta indica con frecuencia el tipo más adecuado de drenaje. El levantamiento topográfico, determina la configuración superficial de cualquier área propuesta para el drenaje, lo mismo que su tamaño y forma. Debe indicar la posible dirección y alineamiento de los drenes, el tipo de sistema de drenaje (superficial, de tubos, o de bombeo) que se deberá usar y hasta en cierto grado su factibilidad económica. Medición de nivel freático. El contenido de humedad del suelo a una altura por encima de la capa freática es sustancialmente mayor que la capacidad del campo. Por este motivo el crecimiento de las raíces de las plantas se ve afectado por la capa freática. Las capas freáticas responden a la acumulación de agua del subsuelo, debido a causas naturales o artificiales. La investigación de la capa freática es una parte importante de cualquier investigación de drenaje, para esto se instalan pozos de observación con el fin de determinar la posición de la capa freática en diferentes puntos de la zona problema y en varios estratos del suelo. El tipo, la localización y la cantidad de pozos de observación instalados por el investigador, pueden depender del tipo de información que se necesite. El tipo más común es el pozo ordinario perforado verticalmente en el terreno. Para el reconocimiento de un pequeño lote de terreno, los pozos de perforación con barreno sirven de forma temporal como pozos de observación. Para una investigación de drenaje, de más largo plazo durante un año o más, se deben instalar pozos de observación de tipo semipermanente, colocando un tubo en un pozo de barreno. Para esto se pueden utilizar tubos de cualquier diámetro entre 0.25 y 6 pulgadas. El tubo que se coloca dentro del pozo se deja por fuera del barreno entre 30 a50 cm, utilizando para su protección un tapón en la parte superior del pozo. Origen del exceso de agua. El conocimiento de origen del agua es importante, puesto que es posible estimar el volumen del agua que debe ser drenado. La fuente de agua indica la cantidad de agua para la cual se debe instalar el drenaje. En relación con los cultivos que se van a establecer se deben tener en cuenta las necesidades de agua. El principio guía es siempre que sea posible hay que mantener la capa freática a una altura tal, que no se presente deficiencia de agua como consecuencia de la operación de drenaje. En otros lugares el agua subterránea puede desplazarse en virtud de pequeñas pendientes hidráulicas. También puede proceder del afloramiento desde una capa artesiana. Estas u otras fuentes de exceso de agua contribuyen al mantenimiento de un nivel freático alto en algunos suelos. Los estudios de las aguas subterráneas son muy importantes para proyectar sistemas de drenaje. Es esencial el estudio detenido de agua del subsuelo, así como de la estructura y textura del mismo. Las medidas de la permeabilidad del terreno son de gran ayuda, por los amplios límites en que puede oscilar. El costo del drenaje y la facilidad para su instalación dependen de la permeabilidad del suelo.

Lección 42 Profundidad de drenaje Los suelos para mantener su fertilidad y adecuada producción de cultivos en las áreas regables, requieren la presencia del nivel freático a profundidades iguales o mayores de 1.80 m La presencia de capas freática más altas de lo normal, puede ser aconsejable para cultivos de raíces superficiales ya que bajo esta condición éstos pueden obtener una parte significativa de la humedad del suelo saturado. En estas condiciones algunos afirman que las plantas pueden tomar hasta el 50% de la humedad de agua freática sin que la profundidad del sistema radicular se reduzca considerablemente. Con los cuidados adecuados, un cultivo en estas condiciones puede producir sin que se reduzca demasiado el rendimiento. La capa freática no puede ocupar más de un tercio de la zona radicular del cultivo, pero es preciso recomendar un nivel bajo, cuando no existe un nivel técnico adecuado para manejar la capa freática con resultados económicos aceptables . En términos generales cada cultivo presenta una profundidad adecuada del nivel freático que permite el mayor desarrollo y productividad. Se ha determinado que muchos de los cultivos comerciales toman agua con sus raíces en la zona de capilaridad, sin embargo, en términos prácticos es recomendable encontrar en campo la profundidad más adecuada para la zona en particular. Como criterio de comparación se puede asumir que una profundidad a la que podría mantenerse el nivel freático es la siguiente:

Donde: PNF, representa la profundidad del nivel freático [m] y PR, representa la profundidad de raíces del cultivo en particular [m].

Tabla 18. Profundidad radicular de algunos cultivos.

CULTIVO Aguacate Ajo Albaricoque Alcachofa Alfalfa (heno)

PROFUNDIDAD RADICULAR [m] 0.5-1.0 0.3-0.5 1.0-2.0 0.6-0.9 1.0-2.0

CULTIVO Haba (seca) Higuerilla Kiwi Lechuga Lenteja

PROFUNDIDAD RADICULAR [m] 0.5-0.7 1.0-2.0 0.7-1.3 0.3-0.5 0.6-0.8

CULTIVO Alfalfa (semilla) Algodón Almendra Apio Arroz Arveja Arveja (seca) Avena Banano Bermuda (heno) Bermuda (semilla) Brócoli Cacao Café Calabaza Canola Caña de azúcar Caucho Cebada Cebolla (seca) Cebolla (semilla) cebolla (verde) Cereza Cítricos Col Coles de bruselas Coliflor Coníferas Esparrago Espinaca Fresa

PROFUNDIDAD RADICULAR CULTIVO [m] 1.0-3.0 Lino

PROFUNDIDAD RADICULAR [m] 1.0-1.5

1.0-1.7 Lúpulo 1.0-2.0 Maíz (mazorca) 0.3-0.5 Maíz (seco) 0.5-1.0 Mani 0.6-1.0 Manzana 0.6-1.0 Melocotón 1.0-1.5 Melón 0.5-0.9 Menta 1.0-1.5 Oliva

1.0-1.2 0.8-1.2

1.0-1.5 Palma datilera

1.5-2.5

0.4-0.6 Palma aceite 0.7-1.0 Papa 0.9-1.5 Pastura 1.0-1.5 Pepino 1.0-1.5 Pera 1.2-2.0 Pimentón

0.7-1.1

1.0-1.5 1.0-1.5 0.3-0.6 0.3-0.6

1.0-1.7 0.5-1.0 1.0-2.0 1.0-2.0 0.9-1.5 0.4-0.8 1.2-1.7

de

0.4-0.6 0.5-1.5 0.7-1.2 1.0-2.0 0.5-1.0 0.3-0.6 1.0-1.5 0.3-0.5 0.7-1.2

1.0-2.0 1.2-1.5 0.5-0.8 0.4-0.6

Piña Pistacho Rábano Remolacha azucarera Rye Grass (heno) Sandia Sésamo Sisal Soja

0.4-0.7 1.0-1.5 1.2-1.8 0.3-0.5 0.2-0.3

Sorgo Sudan (heno) Té Tomate Trigo

1.0-2.0 1.0-1.5 0.9-1.5 0.7-1.5 1.0-1.8

0.3-0.6

0.6-1.0 0.8-1.5 1.0-1.5 0.5-1.0 0.6-1.3

CULTIVO Frijol Frijol (seco) Garbanzo Girasol Haba

PROFUNDIDAD RADICULAR [m] 0.5-0.7 0.6-0.9 0.6-1.0 0.8-1.5 0.5-0.7

CULTIVO Uva Yuca Zanahoria Zucchini

PROFUNDIDAD RADICULAR [m] 1.0-2.0 0.7-1.0 0.5-1.0 0.6-1.0

Fuente: Tomado y traducido de www.fao.org/docrep/X0490E/x0490e0e.htm. El drenaje debe asegurar la generación de una zona o nivel de protección, en la cual se espera se produzca el fenómeno de capilaridad, de tal forma que la planta pueda absorber con sus raíces el agua necesaria para sus funciones metabólicas. Este nivel de protección se estima como un 20% de la profundidad de raíces, con lo que la profundidad de los drenes está definida por:

Donde: Pdren, representa la profundidad del dren [m] y PR, representa la profundidad de raíces del cultivo en particular [m].

Lección 43 Isobatas e Isohypsas Cuando se trata de cultivos, es importante determinar la profundidad y dirección de flujo del nivel freático. Para obtener esta información, se construye una red freatimétrica, la cual consiste en una red de pozos, excavados hasta encontrar el nivel freático. En este sentido se aconseja construir un pozo por cada 5 ha. Las mediciones de los pozos permiten construir dos tipos de gráficas: Las Isobatas. Esta gráfica representa la profundidad del nivel freático. Con esto se determina claramente cuales puntos pueden sufrir problemas por exceso de agua e implementar en consecuencia las obras de drenaje correspondientes. Las Isohypsas. Esta gráfica muestra la energía potencial que presentan las capas de agua subsuperficial. En este caso las líneas unen los puntos que presentan igual energía potencial, es decir igual altura con respecto al nivel del mar. Esta variación en la energía potencial, determina la dirección del flujo subsuperficial y por tanto la orientación del sistema de drenaje, el cual deberá orientarse perpendicularmente a este flujo. Ver Figura 45.Para este caso, los pozos 1 y 2, están construidos en un suelo que presenta la misma energía potencial en los dos lugares. De esto se deduce que los pozos estarán sobre la misma isohypsa. Sin embargo, la profundidad de nivel freático en los dos pozos es diferente, siendo mayor la del pozo 2 que la del 1, entonces ambos pozos estarán sobre isobatas diferentes. Recordar que en laboratorio el valor de la permeabilidad se determina mediante el permeámetro de cabeza constante y en campo mediante el método del pozo barrenado.

Figura 45. Determinación del nivel freático.

Fuente: Diego Hernández. El exceso de agua en el suelo puede provenir de dos fuentes principales: lluvia y/o riego. La lluvia es el principal aporte de agua al suelo, en este caso el agua llena paulatinamente los microporos del suelo y luego vía macroporos va siendo transportada dentro del perfil del suelo. En este caso, si el aporte continúa por varios días, el agua puede infiltrarse profundamente (percolarse) y llegar al nivel freático, generando una disminución en la profundidad de éste. En este apartado pueden incluirse también fenómenos externos tales como el desbordamiento de un río, que genera el mismo proceso descrito anteriormente. El riego, en cambio, si está bien diseñado, no debería causar una disminución de la profundidad del nivel freático.

FACTORES PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE DRENAJE: Deben tenerse en cuenta los siguientes factores: Ubicación. En este caso se debe determinar a cual cuenca de drenaje corresponde el predio o la zona. Drenaje superficial. Es necesario definir cual es el tipo de patrón de drenaje que presenta la cuenca, indicando claramente cual es el punto de desagüe de la misma. Tipo de drenaje. Debe definirse que tipo de drenaje se necesita: superficial, subsuperficial o combinado. Área. Debe especificarse el área a drenar y conseguir un levantamiento topográfico de la misma donde se presenten curvas de nivel separadas máximo 0.5 m. Suelo. Debe contarse con los siguientes estudios: textura, estructura, densidad aparente, curva de retención de humedad, conductividad hidráulica, infiltración y fertilidad. Clima. Se debe tener acceso a datos climatológicos (precipitación), con los cuales determinar el caudal esperado para el diseño, además de los coeficientes de drenaje para la cuenca en particular. Nivel freático. Se debe conocer su estado actual e histórico, es decir, su profundidad y variaciones en la elevación del mismo, determinando niveles máximo y mínimo en la zona.

Lección 44 Métodos de Drenaje Para cualquiera de los métodos de drenaje, el sistema debe contener tres partes funcionales. Sistema colector. Se refiere a zanjas de desviación, callejones, zanjas superficiales, y surcos profundos, que tienen como función recoger el agua superficial y/o subsuperficial. Sistema de evacuación. En este caso, se trata de una zanja o canal a cielo abierto que recibe el agua del sistema colector y lo conduce hasta la salida. Salida. Punto terminal del sistema de drenaje, donde se entrega el agua extraída del lote a una fuente natural, generalmente. En cuanto a los métodos de drenaje podemos identificar dos grandes grupos, el drenaje superficial y el drenaje subsuperficial. Drenaje superficial. El drenaje superficial se encarga principalmente de retirar el agua de escorrentía sobre el campo, para esto se vale de la construcción de zanjas de tamaño reducido, normalmente de 40 x 40 cm, las cuales se construyen muy fácilmente en zonas de ladera siguiendo las curvas de nivel. Drenaje subsuperficial. El drenaje subsuperficial se encarga de retirar el exceso de agua de la zona de raíces, es decir previene la saturación del suelo. En este caso se tiene dos grandes sistemas de drenajes: abierto y cerrado. Para establecer un sistema de drenaje antes que todo se deben analizar las condiciones del lugar con problemas de drenaje. Inicialmente por medio de estudios de campo se estudian los factores que afectan el esquema de la corriente tales como presencia de estratos impermeables, carga hidráulica de llegada y salida de la corriente del sistema, permeabilidad y velocidad de de corriente entre otras. En algunas ocasiones esto parece incierto en la práctica, por tanto es recomendable antes que todo identificar las condiciones del entorno y luego proceder a hacer las investigaciones, las mediciones de campo y establecer los criterios para los trazados. El tendido del sistema de drenaje depende de la magnitud del problema de eliminación, es decir, si el sistema debe responder a un área grande o solamente a un lugar, como el cauce de un río anegado. Las configuraciones más comunes son las siguientes. Sistema de reja. Aplicado en terrenos planos, en donde se reúnen las líneas laterales con el colector principal por un solo lado. Espina de pescado. Utilizado cuando la zona por drenar presenta una depresión a la cual se unen las líneas laterales y no permiten la construcción de otros colectores. Sistema de intersección. Empleado en zonas planas y húmedas donde el exceso de agua proviene de zonas altas contiguas, y los drenes se colocan en el punto de intersección entre las áreas altas y la región plana.

- Sistema de drenaje subsuperficial abierto. En este caso se construyen canales sobre el campo encargados de drenar el agua subsuperficial.Este sistema tiene la ventaja que permite de igual forma captar aguas superficiales (de escorrentía). El inconveniente con los sistemas abiertos es que ocupan un espacio importante dentro de la explotación, minimizando el área disponible. Los sistemas de drenaje tienen una categorización de los canales de acuerdo a su función principal. Terciarios. Son los canales más pequeños pero a la vez los más importantes, son los encargados de captar el nivel freático e interponerse al flujo de éste. Recordar que de acuerdo a la energía potencial que presenten las líneas de flujo, las aguas freáticas tenderán a moverse al interior del suelo. Para captar la mayor cantidad de agua y aumentar en consecuencia en el menor tiempo posible la profundidad del nivel freático, los drenes terciarios se ubican perpendicularmente al flujo de las aguas freáticas Secundarios. Son canales encargados de tomar el agua recolectada por los canales terciarios en un lote determinado y entregarla a los primarios. Primarios. Son los canales más grandes, encargados de tomar toda el agua recolectada en el lote o finca y entregarla a un río o quebrada. Es necesario hacer claridad que la entrega del agua drenada sólo debe hacerse en un punto para evitar problemas con la dinámica hidráulica del río. Estos canales deben diseñarse hidráulicamente, aunque en la práctica se han generado unas medidas que sirven de orientación, las cuales se muestran en la Figura 47. El mantenimiento de los canales debe ser oportuno, para la operación continua y satisfactoria del sistema. Un canal grande de drenaje sin mantenimiento, puede ser destruido en el término de diez años. Las causas principales para la falla de las zanjas abiertas son el crecimiento excesivo de vegetación, y la erosión del cauce y sus márgenes. Se han hecho críticas al respecto de los drenes de zanjas abiertas, porque desperdician un terreno considerable, requieren de limpieza frecuente, están sujetos a la erosión y albergan y distribuyen malezas; sin embargo, han demostrado ser útiles en tierras de bajo costo y donde las raíces de las plantas impiden los drenes de tubos. Se emplean también los drenes abiertos cuando no existen salidas satisfactorias para los drenes de tubos. Se pueden usar drenes abiertos para el canal principal de drenaje, combinados con drenes de tubos laterales, que descargan aguas superficiales o del subsuelo, cuando el nivel freático está muy superficial y la pendiente del terreno lo permite. Los drenajes abiertos se emplean para llevar el agua a desagües situados a grandes distancias. El agua puede afluir directamente a los drenes abiertos, o bien de colectores entubados subterráneos. En cuanto sea posible, la pendiente del dren debe ajustarse a la pendiente natural del terreno y a la diferencia de nivel entre éste y el canal colector. El declive no debe ser tan bajo que origine sedimentación, ni tan alto que produzca erosión. Como referencia se pueden tomar los siguientes valores: para colectores principales, entre 0.05 y 0.1%; para colectores secundarios, entre 0.1 y 0.4%; y para los colectores terciarios o drenes pequeños, entre 0.4 y 1.0% La inclinación de los taludes de los canales abiertos depende casi de un modo absoluto, del tipo de suelo; las pendientes pueden ir desde el 20% para terrenos arcillosos compactos, hasta el 30% para suelos sueltos o arenosos. Los dos métodos principales para construir zanjas abiertas se basan en el uso de equipo mecánico o con explosivos. El segundo solamente es aplicable a regiones donde las máquinas les resulte imposible labrar el suelo. Para la construcción de canales se utilizan máquinas modernas como las excavadora de rueda, la draga de arrastre, la retroexcavadora, la pala

mecánica, la excavadora de plantilla, la niveladora de cuchilla, la niveladora cargadora, el buldózer, la draga hidráulica y el cucharón de quijadas . Sistema de drenaje subsuperficial cerrado. Los sistemas cerrados se caracterizan porque en lugar de canales terciarios se cuenta con tuberías perforadas que cumplen la misma función que los anteriores En este caso las tuberías permiten la utilización de la totalidad del área disponible, con lo que no se presentan pérdidas de terreno. Para el diseño de los canales terciarios, se trabaja con flujo a medio tubo, es decir, el tubo de drenaje solo debe llenarse a la mitad, para lograr esto, en el diseño para la obtención del diámetro se trabaja con el doble del caudal

Figura 46. Construcción de un canal de drenaje.

Fuente: Colección Diego García - Urabá Los drenes subterráneos con tubos drenan el subsuelo mejor que la superficie. No ocupan espacios en el campo, como los drenes abiertos, pero no se llevan el agua superficial acumulada durante los fuertes períodos de lluvias. Los principales materiales para estos tubos son barro cocido, plástico y concreto. Los dos tipos principales de salidas para drenes de tubo son las salidas de desagüe por gravedad y por bombeo. En ambos casos, el agua drenada se entrega a una zanja, corriente natural, lago o dren vertical. Las salidas deben desembocar en zanjas por medio de un tubo metálico, que debe quedar mínimo a 30 o 40 cm por encima de la superficie normal del agua. Para el caso de drenaje por bombeo, la bomba más común es la del tipo de hélice o de espiral, muy utilizada para bombear grandes volúmenes de agua con cargas bajas. Las bombas centrífugas y las de turbinas de flujo mixto son más adecuadas para cargas más elevadas. En comparación con las zanjas abiertas, los drenes de tubos requieren relativamente poco mantenimiento. Si un sistema de drenes de tubo se diseña e instala apropiadamente y se consiguen tubos de buena calidad, su mantenimiento se puede realizar a un costo mínimo. Los drenes de tubos son relativamente permanentes, cuando se instalan bien y se protegen debidamente, pudiéndose instalar a mayor profundidad para bajar los niveles freáticos y necesitan poca conservación.

Figura 47. Dimensiones comunes de los canales de drenaje.

Fuente: Diego Hernández. Las máquinas excavadoras de zanjas han remplazado paulatinamente a los métodos manuales de instalación. La instalación de los drenes de tubos incluyen la excavación de la zanja a una pendiente establecida, el tendido de la tubería, la unión de los tubos y el relleno de la zanja

Figura 48. Salida de un terciario entubado a un secundario.

Fuente: Colección Diego García - Urabá

Lección 45 Hidráulica del drenaje La capacidad de un canal debe ser adecuada para eliminar el agua superficial con una velocidad que no cause serios daños a los cultivos. Un canal diseñado apropiadamente debe responder a los siguientes criterios: la velocidad de escurrimiento no debe producir lavado ni erosión. La capacidad debe ser suficiente para conducir las aguas del sistema. La profundidad debe ser adecuada y los taludes deben ser estables para que no sufran deslizamientos hacia el interior de la zanja. La hidráulica del drenaje se basa en la hipótesis de Dupuit (teoría del drenaje), la cual establece que las líneas de corriente del agua al interior del suelo son aproximadamente paralelas, además que la velocidad de flujo no varía con la profundidad. En muchos de los casos en que se presentan problemas de drenaje, se trata de suelos donde la capa impermeable está ubicada relativamente profunda en el mismo. En estos casos el espaciamiento entre los drenes se puede calcular utilizando la Ecuación de Hooghoudt, la cual se expresa de la siguiente forma:

Donde: L, representa el espaciamiento entre drenes [m]; K, representa la conductividad hidráulica del suelo [m/día]; d, representa la altura del drenaje con respecto a la capa impermeable [m]; h, es la altura del agua sobre el drenaje [m] y R, representa el exceso de agua en el suelo que se mueve en sentido vertical [m/día].

Especificaciones del Sistema de drenaje superficial El diseño de un sistema de drenaje superficial comprende dos fases principales: el trazo y el diseño de las secciones hidráulicas. El trazo de la red de drenaje consiste en la elaboración de un plano con la ubicación de cada uno de los drenes primarios y secundarios. Para dicho trazo se toman en cuenta las siguientes especificaciones:

-Localización: los drenes deberán localizarse siempre sobre cauces naturales con los acondicionamientos que requieran para darles la capacidad y funcionamiento adecuado ya que en esta forma se logrará una economía en obras y se evitan afectaciones innecesarias -Parcelamiento: el trazado debe facilitar en lo posible un parcelamiento adecuado ya que la tenencia de la tierra influye en la densidad de la red básica de drenaje. Así mientras mayor sea el tamaño de los predios o lotes, menor será el número de los mismos y por lo tanto la longitud de los canales de desague. -Trazo: para tener un mejor funcionamiento hidráulico es deseable que los canales de desague tengan trazo recto y que se eviten en lo posible cambios de dirección. Sin embargo, es mejor el que se obtiene mediante canales que sigan las partes bajas de los terrenos encharcados, en cuyo caso es necesario construir curvas en cada cambio de dirección. En general deberàn evitarse lsa curvas muy cerradas, eligiendo curvas suaves a fin de mejorar las características hidráulicas y la estabilidad de las secciones de los canales de desague. -Pendiente: la disposición de los desagues y colectores parcelarios varía bajo distintas condiciones de pendiente de los terrenos. En terrenos de pendiente mínima los desagues y los colectores deben ser perpendiculares, con longitudes moderadas, espaciamientos homogéneos y pendientes continuas. Con pendientes hacia una sola dirección: se debeen ajustar los drenes de modo que las longitudes sean las adecuadas, de manera que no se alcancen velocidades de escurrimiento que provoquen erosión. Los colectores se colocan perpendiculares a la pendiente en forma de tajos que captan los escurrimientos. -Diseño: el diseño del sistema de drenaje consiste en localizar el sitio, generalmente de un colector, que puede ser una zona baja, donde se recibirán los volúmenes de agua removidos. Cuando las condiciones topográficas no permiten la salida gravitaciones del agua, tiene que considerarse una estación de bombeo. Definir la ubicación de los desagues lo que implica definir su espaciamiento y localización. Definir la capacidad de conducción y dimensiones de la sección hidrálica de los desagues y colectores de drenaje superficial. .Velocidad máxima permisible: para evitar el deslave en las zanjas abiertas desprovistas de vegetación, antes del diseño se deben conocer las velocidades máximas permisibles. En la tabla 19 se muestran las velocidades máximas permisibles considerando el material en que reposan los canales. Tabla 19. Velocidades máximas permisibles en canales

Condición del canal Arena fina Franco Arenoso Franco limoso Franco Arcillas Limos Hardpans

Velocidad máxima (m/s) 0.5 0.58 0.67 0.83 1.25 1.25 2.0

Fuente: Coras, M. 2000. Drenaje superficial. Chapingo, México

-Velocidad mínima permisible: depende de la sedimentación, crecimiento de plantas acuáticas y control sanitario. La velocidad a la que no se produce sedimentación depende del material transportado por el agua. En la práctica, para asegurar el arrastre de limos, la velocidad debe ser mayor a 0.25 m/s y para arenas, superior a 0.5 m/s. La velocidad mínima permisible es posible obtenerla en el canal con la determinación de su pendiente mínima, de tal forma que se propicie la sedimentación. Como se muestra en la Tabla 20, la velocidad está en función del material de arrastre. Tabla 20. Velocidades mínimas permisibles en canales

Tipo de material Arcilla Arcilla fina Arena gruesa Gravilla Grava

Velocidad en el Velocidad Media fondo (m/s) (m/s) 0.08 0.11 0.16 0.23 0.21 0.30 0.32 0.46 0.65 0.9

Fuente: Pizarro, F. 1978. Drenaje Agrícola. Madrid

-Procedimientos para implementación de los drenes: Los procedimientos que en la práctica, son los más utilizados son: Para drenaje superficial: . Trazo . Excavación . Retiro y acomodo de materiales . Construcción de estructuras: de protección, de aforo, de acceso y tránsito, rejillas coladeras y registros Para drenaje subterráneo: . Trazo . Excavación . Colocación de la tubería . Colocación de las conexiones de la tubería y señalamientos externos . Enterrado de la tubería y acomodo de materiales . Construcción de estructuras: de protección a la tubería, de aforo, rejillas, coladeras y registros

-Equipo para la construcción de drenes: los tipos de maquinaria que en la práctica, son los más utilizados son: Para drenaje superficial: . Zanjadora múltiple, dragas, excavadoras, tractores de empuje y de levante, equipo ligero con cincel y cucharón Para drenaje subterráneo: . Zanjadoras, niveladoras, cucharones, equipo de nivelación láser y remolque de los rolllos de plástico