Ollas de Agua, Jagüeyes, Cajas de Agua o Aljibes

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1 SECRETARÍA DE AGRICULTURA, GANADERÍA, DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACIÓN Subsecretaría de Desarrollo Rural Dirección General de Apoyos para el Desarrollo Rural Ollas de Agua, Jagüeyes, Cajas de Agua o Aljibes

2 Ollas de agua, Jagüeyes, Cajas de agua o Aljibes Definición Los jagüeyes, también conocidos como ollas de agua, cajas de agua, aljibes, trampas de agua o bordos de agua, son depresiones sobre el terreno, que permiten almacenar agua proveniente de escurrimientos superficiales. Jagüey es un vocablo taíno que significa balsa, zanja o pozo lleno de agua, en el que abreva el ganado. No obstante que existen jagüeyes naturales, el presente trabajo se referirá a la construcción de jagüeyes artificiales como medios para captar, almacenar y administrar agua de lluvia con fines pecuarios, siendo una alternativa para que el ganado obtenga agua durante las épocas de sequía prolongada, reduciendo los problemas ligados a la indisponibilidad de agua. Un jagüey artificial es un cuerpo de agua más pequeño que un lago o una presa, aunque no hay un rango de tamaño bien definido, en El Reino Unido, donde se tienen algunos de los estudios más extensos sobre bordería multipropósito se ha adoptado una extensión para este tipo de obras de entre varios m 2 y 2 ha, siempre que sobre estas se retenga agua por al menos cuatro meses del año. Los jagüeyes artificiales son un caso particular de la captación de agua de lluvia, misma que ha sido conocida en nuestro país desde las épocas prehispánicas, tal como lo demuestra la construcción de Chultuns en la región Maya (Figura 1). Figura 1. Corte esquemático del sistema de captación de agua de CORTE DEL CHULTUN ÁREA DE CAPTACIÓN CHULTUN ROCA CALIZA PLATAFORMA Captar agua proveniente de escurrimientos superficiales durante la época de lluvia y utilizarla de manera controlada como fuente de abrevadero durante la época de estiaje. Ventajas Desventajas Se disminuye la mortandad y/o estrés del ganado, causado por escases de agua durante la época de estiaje. Bajo costo, con un horizonte de recuperación de inversión de uno a dos años. Incremento en la eficiencia del uso de agua de lluvia. Mejora el entorno micro. No requiere consumo de energía adicional. Los materiales de construcción son adaptables a las condiciones particulares de cada sitio. No requiere conocimientos técnicos avanzados para el manejo y administración del jagüey. El agua almacenada se distribuye por gravedad y de manera controlada. Se debe disponer de la superficie necesaria para formar el cuerpo de agua, así como la extensión necesaria para la colecta de agua de lluvia (microcuenca), por lo que no es una opción adecuada para pequeñas propiedades. Requiere supervisión técnica especializada durante el diseño y construcción para garantizar el buen funcionamiento hidráulico del sistema. Condiciones para establecer un jagüey Los jagüeyes deben diseñarse bajo técnicas ingenieriles, considerando elementos como, seguridad y estabilidad de la obra, fuentes de recolección de agua (microcuenca), así como vertedor para drenar y controlar los niveles máximos de agua. Por otra parte, los suelos deberán tener una textura franca o arcillosa para asegurar un grado de impermeabilidad adecuado. Los suelos arenosos no son aptos para la construcción de jagüeyes, a menos que se consideren inversiones adicionales para el sellado o impermeabilización con arcillas expansivas o colocación de plásticos o geomembrana. 2

3 La mayoría de los jagüeyes se construyen en tierras donde hay una recarga más o menos constante de agua de lluvia (superior a los 400 mm por año). En áreas secas existe el peligro que se evapore demasiada agua y la restante se salinice o pudra, por lo que se deberá recurrir a un sistema de almacenamiento cerrado. Figura 2. Vista aérea de un jagüey construido sobre una línea de flujo natural. Procedimientos y equipo de construcción o implementación Si se cumplen las condiciones de precipitación media anual mínima necesaria para que el jagüey se justifique, mismas que se detallan más adelante, este puede ser adaptado a casi cualquier condición de relieve en el terreno. Algunas de las condiciones más comunes son: Aprovechar una co- Figura 4. Jagüey en forma rectangular, para condiciones de pendiente uniforme. a nivel Linea de flujo principal Sentido del flujo Curvas Sentido del flujo Curvas a nivel A CORONA DEL JAGÜEY C CORONA DEL JAGÜEY Figura 3. Jagüey en forma de media luna para condiciones de pendiente uniforme. Sentido del flujo Figura 5. Jagüey en forma rectangular (caja de agua) construido mediante excavación sobre un terreno de pendiente ligera. Sentido del flujo Curvas a nivel CORONA DEL JAGÜEY B D CORONA DEL JAGÜEY 3

4 rriente intermitente bien definida (Figura 2); acondicionar un terre no con un bordo en forma de media luna o rectangular para captar agua en un terreno de ladera con pendiente uniforme (Figuras 3 y 4) o realizar una excavación para colectar agua en un terreno de pendiente muy ligera (Figura 5). La condición más simple es la que se muestra en el esquema A, (Figura 3), ya que el relieve se encarga de encauzar de manera natural el agua al punto de interes, sin embargo cuando no se dispone de un sitio con estas características se deberá garantizar el sentido correcto de flujo hacia la estructura mediante canales colectores, como los presentados en los esquemas B, C y D (Figuras 3,4 y 5). Para el proceso de construcción es necesario se utiliza maquinaria pesada para realizar los movimientos de tierra necesarios según los esquemas presentados. Una maquina que resulta eficiente para este proceso es del tipo Bulldozer D6 (Figura 8), ya puede realizar los desplazamientos de tierra y la compactación de la misma. Sin embargo se ha trabajado de manera exitosa con maquinaria más ligera del mismo tipo (Bulldozer D4), o retroexcavadora del tipo Mano de Chango (Figura 9). Cualquier maquinaria que facilite el movimiento masivo de tierra puede ser empleada en la construcción de jagüeyes, la diferencia se verán en la eficiencia y el tiempo de trabajo. Figura 8. Maquinaria Bulldozer D6, recomendada para la construcción de jagüeyes. De manera general, la Figura 6 muestra las condiciones de superficie de corte para la formación del terraplén compatible con los esquemas A, B y C. La Figura 7 presenta las condiciones de corte para el jagüey presentado en el esquema D. Figura 6. Condiciones de corte para la formación del terraplén, esquema A, B y C Pendiente original del terreno Figura 9. Máquina retroexcavadora JCB Serie 3 en proceso de formación de un jagüey. Área de corte para la formación del terraplen Figura 7. Condiciones de corte para la formación del terraplén, esquema A, B y C. Pendiente original del terreno Área de corte para la formación del terraplen Nota: En los esquemas anteriores no se hace referencia al vertedor o canal de desfogue, el cual es imprescindible en cualquier obra de almacenamiento y se discutirá más adelante. 4

5 Criterios de diseño Demanda de agua y volumen de almacenamiento Los jagüeyes son un caso particular de captación de agua de lluvia por lo que se deberá conoce en primer lugar: a) Cantidad de lluvia anual disponible y su distribución en el tiempo y b) demanda diaria de agua. De esta información primaria se deduce el área de la microcuenca mínima necesaria y el volumen de captación de la obra. En la Figura A1 del Anexo, se puede obtener el valor medio de lluvia anual para cada región del país de acuerdo con los datos reportados por INEGI. Del Cuadro 1 se puede obtener un estimado de la demanda aproximada diaria de consumo de agua por cada cabeza para las principales especies domesticas. Cuadro 1. Demanda diaria de agua para las principales especies domesticas. ESPECIE Vacas adultas Cerdos (100 kg) Ovinos Cabras Conejos Gallinas Pavos Fuente: Versión sintetizada de Anaya ef al, CONSUMO (L/día) El productor interesado puede obtener sus propios valores por medición directa, para lo cual deberá garantizar la disponibilidad total de agua a un número de cabezas que servirán como testigo durante 3 a 5 días y monitorear de manera cuantitativa los consumos medios. En el nomograma de la Figura A2 del Anexo se muestra un balance entre la distribución anual de la lluvia y la demanda diaria de agua, por lo que se obtiene de manera estimada el volumen de agua que deberá ser capaz de almacenar el jagüey. La lectura del nomograma inicia en la parte inferior (Demanda diaria de agua individual) y se proyecta en línea vertical hacia el primer grupo de líneas, a partir de la intersección de esta primera línea se proyecta en sentido horizontal hasta el extremo izquierdo que nos indicaran el área de la cuenca necesaria (por cada cabeza). La proyección vertical en el segundo grupo de líneas y su proyección horizontal a la derecha indicara la capacidad de almacenamiento (por cabeza) necesaria. El total del área y de la capacidad será el producto de los correspondientes valores individuales por el número de cabezas. Si la superficie del área de captación no es impermeable, el valor obtenido del nomograma deberá multiplicarse por el inverso del coeficiente de escurrimiento. Ejemplo, si el coeficiente de escurrimiento es de 0.2 el valor del área de la cuenca deberá multiplicarse por cinco (1/0.2). En el caso del volumen de almacenamiento, no se debe alterar el valor obtenido del nomograma. Dimensiones del jagüey. Dada la irregularidad de las formas que puede tener un jagüey, resulta complicado su dimensionamiento para garantizar que el volumen de almacenamiento sea el obtenido a partir del nomograma (una sobre excavación se traducirá en una ineficiencia del sistema). El técnico responsable del diseño, deberá por tanto recurrir a aproximaciones a partir de las figuras regulares conocidas. Un método de aproximación es el propuesto por USDA (Agriculture Handbook 590), cuya fórmula se expresa Donde: D V = AA 4 6 V = Volumen de excavación (m 3 ) BB A = Área del plano a (m 2 ) B = Área del plano b (m 2 ) C = Área del plano c (m 2 ) CC DD D = Profundidad máxima (m)

6 A partir de esta fórmula se pueden aproximar volúmenes para proyectar formas tan irregulares como la siguiente: A BC Donde el área de cada plano se puede estimar por el método de la cuadricula. Así mismo el técnico responsable deberá estar familiarizado con el cálculo de las áreas para las formas más comunes que se encontrara durante el diseño de un jagüey. L H Rectángulo A= HL Existen metodologías para estimar el gasto máximo con buena aproximación, por ejemplo el método de las curvas numéricas del SCS o el método racional; sin embargo, estos método demandan conocimiento sobre las condiciones hidrológicas del suelo, las condiciones de cobertura, la intensidad de la lluvia máxima y el tiempo de concentración, por lo que resultan poco práctico para lugares donde se carece de información. El método racional simplificado y el método de las huellas máximas resultan soluciones sencillas, con aproximaciones de menor precisión que para obras pequeñas se pueden considerar como validas (para conocer los detalles de el método de las curvas numéricas y el método racional consulte El método racional simplificado El cálculo de gasto máximo (QMAX, en m 3 /s), se obtiene El cálculo de gasto máximo (QMAX, en m 3 /s), se obtiene mediante la siguiente expresión: Donde: Q MAX =0.028 C L A C = Coeficiente de escurrimiento (adim 0-1) L = Lamina de lluvia máxima en 24 hr (cm) A = Área de la cuenca de aporte (ha) El valor aproximado de C se obtiene del Cuadro 2, si existe más de una condición de uso de suelo de debe ponderar en función del área. De no contar con un valor local de L, este valor se obtendrá directamente de la Figura A3 del Anexo, ubicando previamente el área de trabajo. Finalmente el área de la cuenca se podrá obtener a partir de planos topográficos o por recorrido en campo con Global Positioning System (GPS). 2 R R L L H H Circulo A = 3.14 R2 Cuadrante A = (3.14 R2) /4 Parábola A = 0.67 LH Elipse A = LH Estimación del gasto máximo Q para el diseño del vertedor. Cuadro 2. Aproximación del valor del coeficiente de escurrimiento. Uso de suelo Pendiente(%) Textura 0-5 G M F Bosque Pastizales Terrenos 0.30 cultivados Disposición y dimensiones del vertedor Una vez conocido el valor de QMAX, se debe calcular el área del vertedor. A partir de la expresión: Donde: Q=A V A= Q MAX V A = Área transversal del vertedor (m 2 ) 3 6

7 V = Velocidad del flujo sobre el vertedor (m 3 /s). Siempre que sea posible deberá diseñarse el vertedor independiente al terraplén que forma el bordo del jagüey, ya que se trata de una obra basada en tierra compactada. De lo contrario deberá asegurarse la superficie con mampostería o empedrado bien compactos que cubran tanto la base como los taludes (Figura 10). Un canal vertedor con pendiente mínima de 1%, paredes bien compactadas y libres de vegetación garantiza una velocidad mínima de 1.5 m 3 /s, por lo que se puede utilizar este valor para una aproximación sobreestimada del área necesaria del vertedor, lo que garantiza el buen funcionamiento del mismo. Por lo tanto la ecuación es: Otro aspecto básico que se debe garantizar es que el espejo del agua sobre el vertedor, funcionando a gasto máximo quede al menos 0.5 m por debajo de elevación de la corona (Figura 10). Compactación A= Q m3 MAX s 1.5 m s Aunque se manera empírica y poco eficiente, desde hace tiempo se acostumbraba a compactar los diques de tierra y jagüeyes. Aun hoy en día sigue latente el problema de la gran diversidad de variables que se pueden encontrar ante la necesidad de realizar una buena compactación: Tipo de materiales (suelos cohesivos o no cohesivos) Humedad óptima Maquinaria disponible para la compactación Próctor ideó la manera de obtener (aunque de forma aproximada las condiciones óptimas de compactación en la construcción de un terraplén). Cuando la necesidad de compactación se presenta en construcciones de grandes dimensiones o grandes extensiones se justifica de sobre manera la adquisición o renta del equipo más eficiente en función de los resultados de las pruebas Próctor. Sin embargo en la construcción de jagüeyes, el proyectista generalmente se debe adaptar a las condiciones de maquinaria disponible por ello será necesario recurrir a terraplenes de prueba. Terraplenes de prueba Son ensayos de compactación de campo hecho con el 4 equipo disponible y empleando los materiales a usar en el terraplén definitivo. Tienen como finalidad determinar (para ese equipo en específico) el número de pasadas más económico para obtener el grado de compactación. Se llama grado de compactación (C) a la relación del peso volumétrico seco (γ S ) sobre el peso volumétrico secó óptimo expresado en porciento (γ 0 ). El valor de γ 0 se obtiene de la prueba Próctor a partir de laboratorio. En México, los terraplenes de prueba se efectúan generalmente de acuerdo con la siguiente práctica: Se hacen terraplenes de 30 por 5 m aproximadamente, donde se va a probar el número conveniente de pasadas del equipo. El terraplén está dividido en zonas, de tal manera que cada una reciba un número distinto de pasadas. El terraplén debe estar formado por 6 u 8 capas de material colocado de 20 en 20 cm. Figura 11. Esquema de terraplén de prueba Con el grado de compactación y con el número de pasadas de cada zona se hace una gráfica. Para obtener en 100% de compactación es necesario dar gran número de pasadas del equipo. Por esta razón los terraplenes se llevan a un grado de compactación de 95%, resultando en terraplenes económicos en la mayoría de los casos. Figura 12. Efecto del número de pasadas en el grado de compactación. C % C = γ S γ Núm de pasadas m 5m 5m Zona por compactar Rampa de seguridad Num Pasadas 7

8 Operación y mantenimiento El mantenimiento no requiere supervisión especializada, sin embargo el productor deberá tener presente dos aspectos fundamentales. a) El consumo diario de agua deberá apegarse a los criterios de diseño para garantizar la disponibilidad de la misma durante el periodo de sequia. b) El principal enemigo del almacenamiento son los azolves que dentro de él se acumulan y disminuyen su vida útil por lo que el productor deberá, necesariamente, de complementar la obra con pequeñas estructuras aguas arriba diseñadas para retener los sedimentos. Si el área de captación esta impermeabilizada, un desarenador o sedimentador en la entrada al jagüey puede ser suficiente, de lo contrario se deberán realizarse prácticas de conservación de suelos como presas filtrantes sobre los cauces bien definidos y bordería al contorno sobre las laderas. La Figura 13 muestra una propuesta de acomodo de prácticas, cualquier práctica conservacionista enfocada en retener sedimentos resulta útil sin importar el orden en que estas se distribuyan. Figura 13. Esquema de las trampas de sedimento en perfil (arriba) y en planta (abajo) Sedimentos Acumulados Piedra acomodada Muro Vivo Presas Filtrantes Aguas arriba del Jagüey (Criterio Cabeza-Pie) Bordo del Jagüey zanjas trinchera Presas Filtrantes Ejemplo de cálculo Se desea construir un jagüey que cubra la demanda de agua de 30 cabezas de ganado vacuno, dentro de un predio destinado a pastizales con textura media y una pendiente de 15% y una lluvia media anual de 700 mm y una máxima en 24 hr de 75 mm. Demanda Diaria Total (DDT) Para ganado vacuno se tiene una demanda diaria de 85 L por cabeza (Cuadro 1). DDT = 85L 30 = 2,550 L dia -1 Área mínima de la cuenca (AMC) De la Figura A2 del Anexo se tiene que para un consumo diario de 85 L en una región semiárida (700 mm) se deberán garantizar 55 m 2 de área de captación (por cabeza). AMC impermeabilizada AMC C/IMP = 55m 2 30=1,650m 2 AMC sin impermeabilizar AMC S/IMP = 1,650m 2 (1/C) Donde: C = Coeficiente de escurrimiento = 0.42 (Cuadro 2). AMC S/IMP =1,650m 2 (1/0.42)=3,928.6 m 2. Capacidad Total del Jagüey (CTJ) CTJ = 14m 3 (Figura 2) 30=420m 3 Gasto máximo del vertedor (Q MAX ). Q MAX = C L A Q MAX = cm ha(valor de AMC S/IMP ) Q MAX = m 3 /s = 35 L/s Diseño del vertedor. Utilizando la ecuación 4, se obtiene: A= Q MAX 1.5 = =0.023m2 8

9 Si el vertedor se diseña con 0.5 m de ancho, el espejo de agua a Q MAX tendrá una altura de apenas m (5 cm). Por lo que el canal del vertedor deberá tener una profundidad mínima de 55 cm. Elaboró: Abraham Domínguez Acevedo dominguezad@colpos.mx. Especialidad de Hidrociencias del Colegio de Postgraduados, Montecillos, Estado de México Revisión Técnica: Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso. Especialidad de Hidrociencias. Colegio de Postgraduados. Figura A1. Distribución de la lluvia media anual en México. 9

10 Figura A2. Área de captación y volumen de almacenamiento mínimo necesario por unidad animal para tres regiones de nuestro país. Figura A3. Lluvia máxima en 24 hr con periodo de retorno de 10 años. 10