I CONGRESO NACIONAL COMEII 2015 Reunión Anual de Riego y Drenaje

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1 Artículo: COMEII I CONGRESO NACIONAL COMEII 2015 Reunión Anual de Riego y Drenaje Jiutepec, Morelos, México, 23 y 24 de noviembre EXPERIENCIAS EN EL DISEÑO DE RIEGO POR GRAVEDAD EN EL DISTRITO DE RIEGO 085, LA BEGOÑA, GUANAJUATO Carlos Alberto Chávez García 1, Bernardo Muñoz Hernández 1, Gustavo Magaña Sosa 2, Carlos Fuentes Ruíz 3, Luis Rendón Pimentel 4 1 Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Querétaro, C.U. Cerro de las Campanas, 76010, Querétaro, México. 2 Dirección de Tecnificación y Aprovechamiento del Agua Agrícola. Secretaría de Desarrollo Agroalimentario y Rural. Av. Irrigación No. 102 A. Col. Monte Camargo Celaya, Gto Coordinación de Riego y Drenaje. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, Jiutepec, Morelos, México. 4 Gerencia Nacional de Distritos de Riego. Comisión Nacional del Agua. Av. Insurgentes Sur, núm. 2416, Piso 7. C.P , Colonia Copilco el Bajo. Resumen En los 85 distritos de riego de México el método de riego por gravedad, en las modalidades de riego por surcos o melgas, es el más utilizado para aportar el agua a las plantas, ya que la energía aprovechada es la gravitacional y no requiere generalmente aportes de energía adicional al sistema. Sin embargo, la aplicación del agua con este método ha sido realizada no necesariamente de la manera más eficiente; existen muchas pérdidas por coleo, por la selección de un caudal de riego no apropiado o por una operación deficiente en la red de distribución del agua, por una deficiente nivelación en el terreno, por percolación a causa de un mal diseño de la longitud de riego o del gasto de riego, que permite que el agua permanezca más tiempo del necesario en cada punto a lo largo del surco o de la melga. Estas prácticas inadecuadas de riego, han inducido en muchos casos la sobre elevación de los mantos freáticos y la salinización progresiva de los suelos. En este trabajo se muestran las experiencias que se han obtenido en el Distrito 085 la Begoña Guanajuato, sobre el diseño de reigo por gravedad con la fórmula óptima de riego propuesta por Fuentes et al. (2012, 2015). Los resultados obtenidos se han reflejado en ahorro de láminas de riego, en donde se ha visto que se reduce en 35 cm en el peor de los casos.

2 Introducción El riego por gravedad consiste en el aporte de agua en la cabecera de un canal o cauce inclinado construido en la parcela, como una melga o un surco, con la finalidad de aprovechar el campo gravitacional para proporcionar la cantidad necesaria de agua para el desarrollo óptimo de las plantas cultivadas (Fuentes et al., 2015). En el riego por gravedad se distinguen tres fases: Fase de avance, fase de almacenamiento y fase de recesión. La modelación del riego por gravedad ha sido tema de estudios de numerosos investigadores. Fuentes et al., (2012) en su libro Riego por Gravedad hace una revisión exhaustiva de los modelos que se han venido usando en la literatura para modelar este evento, que van desde los modelos completamente empíricos (e.g. Fok y Bishop, 1965; Willardson y Bishop, 1967), hasta los que usan las ecuaciones de Barré de Saint-Venant (1871) y Richards (1931) para modelar el movimiento superficial y el movimiento subterráneo, respectivamente (Fuentes et al., 2004; Saucedo et al., 2005; Saucedo et al., 2011). El uso de estos modelos ha ayudado a comprender el movimiento del agua en un evento de riego, lo que ha permitido dar recomendaciones pertinentes para la aplicación oportuna del agua en la parcela. No obstante que en los últimos años se han estado instalando nuevos sistemas de riego presurizados en el país, el riego por gravedad bien diseñado, seguirá representando una alternativa barata, para aportar el agua a las plantas en la cantidad y oportunidad adecuadas y con una razonable eficiencia de uso del agua de riego. Por esta razón, en el año 2013, la Gerencia Nacional de Distritos de Riego inició un programa denominado Riego por Gravedad Tecnificado (RIGRAT) en algunos distritos de riego del país donde los objetivos que persigue son las siguientes: a) Disminuir la lámina de riego aplicada en los distritos y unidades de riego, b) Incremento de la Eficiencia de Aplicación en 13% (pasar en distritos de riego de 57% a 70%) y c) Incrementar los rendimientos en un 10% en los cultivos establecidos. Pero no es hasta el año 2014 que se inicia la plicación de este programa en el Distrito de Riego 085, La Begoña Guanajuato. Para que el programa RIGRAT tenga éxito en alcanzar sus objetivos, se ha estado trabajando en sus tres tres componentes principales: nivelación del terreno, diseño eficiente y entrega de agua por volumen al usuario. La nivelación del terreno influye de manera significativa en el riego. Una tendida en el sentido incorrecto, puede ocasionar erosión del suelo o provocar encharcamiento en las partes bajas del terreno. Aunado a esto, el volumen de agua que se aplicará en la parcela, debe de ser el suficiente para cubrir las necesidades hídricas de las plantas sin llegar a los excesos. El diseño eficiente de riego es una de las variables de más estudio en los últimos años, ya que se trata de aplicar por melga o surco el gasto óptimo, definido como aquel que se debe aplicar para obtener la máxima uniformidad en la distribución del agua a lo largo de una melga, lo cual se logra con la maximización del coeficiente de Christiansen, manteniendo valores elevados de la eficiencia de aplicación y de la eficiencia de requerimiento de riego. 2

3 Con lo anterior mencionado, en este trabajo se muestran los resultados obtenidos de la evaluación y diseño del Riego por Gravedad en el Distrito de Riego 085, la Begoña Guanajuato en su primera etapa. La evaluación del riego se realiza con el modelo de la onda cinemática, usando para ello los valores característicos de la parcela (longitud, contenido de humedad, densidad, textura) y para el diseño del gasto óptimo se usan los valores encontrados de la evaluación ( y ) y las características de la parcela (longitud, contenidos de humedad, lámina de riego a aplicar, densidad aparente). K s h f El modelo de la onda cinemática Materiales y métodos El modelo de onda cinemática considera que en la ecuación de cantidad de movimiento los términos inerciales y de presión son despreciables, con respecto a los términos de fricción y gravedad. Con tales suposiciones el modelo de Barré de Saint-Venant queda de la siguiente forma: A Q W t x (1) J J o (2) Este modelo se expresa mediante la ecuación (3), (Litrico, 2001; Ponce, 1980; Woolhiser, 1980): Q Q C k(q) C k(q) W t x, Q C k(q) A (3) El valor del coeficiente k C Q 11. decir: k C Q se obtiene a partir de una ley de resistencia con J J o, es Como se considera que las fuerzas de fricción y gravitacional son iguales no existe una aceleración apreciable del flujo y por lo tanto el modelo es aplicable a escurrimientos con gastos pequeños y pendientes suaves como en el riego por gravedad. Liggett y Woolhiser (1975) a partir de simulaciones en canales de distintas características geométricas y operativas han establecido que el modelo de la onda cinemática representa adecuadamente la dinámica del flujo siempre que se cumpla la siguiente desigualdad: Jo Lo K 30 2 F h o n (4) 3

4 Donde K es un número cinemático, J o la pendiente del fondo del cauce, L o la longitud normalizada del cauce y puede tomarse como la longitud del cauce, F Q T ga el número de Froude y h n el tirante normal. o Con el modelo de la onda cinemática sólo es posible representar la fase de avance, ya que no permite la representación de ondas que remonten la corriente debido a que no considera las condiciones de frontera aguas abajo y consecuentemente no es posible analizar la fase de almacenamiento del riego. Con este modelo se analiza el riego en melgas abiertas en el extremo final. Debido a la hipótesis de que las fuerzas de fricción son equivalentes a las fuerzas gravitacionales, el movimiento se realiza en forma de pistón rectangular. Representación analítica del gasto óptimo De acuerdo con Fuentes et al. (2012, 2015) la fórmula para calcular el gasto unitario óptimo está en función de la longitud de la melga, la lámina neta y los parámetros característicos de la infiltración que representan las fuerzas capilares, la sorbilidad, y las fuerzas gravitacionales, la conductividad hidráulica a saturación, y un parámetro de forma de las características hidrodinámicas: q K L, o u s u 2 n S 2K ln 1 2 2K S s n s n (5) en la cual se debe notar que K L q representa el gasto unitario mínimo necesario para s m que el agua arribe a la parte final de la melga, S es la sorbilidad del medio expresado por 2 S 2K h ( ), es la conductividad hidráulica saturada, es la succión en el s f s o K s frente de humedecimiento, inicial, respectivamente y La zona de estudio n s y o son los contenidos de humedada a saturación e es la lámina neta de riego a aplicar. Las pruebas de riego se realizaron en parcelas seleccionadas a participar en el proyecto pertenecientes al Distrito de Riego 085 La Begoña, que se localiza en la parte centro-este del estado de Guanajuato y comprende los municipios de Celaya y Comonfort. Geográficamente está situado entre los paralelos 20º 38 y 21º 07 N y los meridianos 100º 45 y 10 0º 53 O del meridiano de Greenwich (CNA, 1992). El Distrito de Riego 085 La Begoña abarca una extensión de 12,389.5 ha y da servicio a 3288 usuarios. La fuente principal del agua para riego proviene del río Laja y su afluente el arroyo Neutla; cuenta con dos presas de almacenamiento: Ignacio Allende e Isidro Orozco Portugal. El Distrito de Riego, operativamente, está divido en cuatro módulos de riego: Neutla, Comonfort, h f 4

5 Margen Izquierda (M.I.) y Margen Derecha (M.D.) Cada módulo se divide en secciones y su operación interna se realiza de manera independiente. Las Pruebas de riego Resultados Las pruebas de riego se realizaron en las parcelas con características conocidas: longitud, pendiente, textura, densidad aparente, contenido de humedad. Para realizarla, se mideron los terrenos y se fijaron los cadenamientos con banderines a cada 15, 20 o 30 metros a lo largo del terreno, para medir la fase de avance, como se observa en la Figura 1. Figura 1. Realización de prueba de riego. Se midieron los tiempos en las que el agua llegaba a los banderines previamente colocados. Mientras tanto, se midió el gasto a la entrada de la regadera y de los surcos, usando un medidor ultrasónico de efector Doppler denomindado FluxSense, medidor fabricado por el Centro de Investigaciones del Agua de la Universidad Autónoma de Querétaro (Figura 2). 5

6 Figura 2. Medición del caudal de entrada a la parcela con el dispositivo FluxSense. Figura 3. Medición del caudal de entrada con diferentes métodos. Cuando el agua estaba casi al final de los surcos, se cortó la entrada y se procedió a medir la fase de recesión. Es importante mencionar que la evaluación de las pruebas de riego no hubo interferencia con los regadores, ya que lo que el interés que se tiene sobre esta prueba es evaluar el cómo se está regando, y sobre todo, las láminas aplicadas, así, en algunos casos se evaluaron riegos con tendido desde los 20 hasta los 65 surcos, variación que depende del gasto de entrada a la parcela. En la Tabla 1, se muestran los resultados de una prueba de avance y recesión realizada en la parcela

7 Evaluación de las pruebas de riego Con los datos de avance y recesión y las características de los suelos en donde se realizaron las pruebas de riego, se procedió a la calibración de la prueba, usando para ello el programa MATRi (desarrollado por el SDAyR, que tiene programadas las ecuaciones de la onda cinemática) en donde usando un método inverso (Levenberg marquardt, 1963) se procedió a encontrar los valores característicos de esta prueba. En la Figura 3 se muestra el resultado final de la calibración y el ajuste encontrado ( cm/h y K 1.3 h 108 cm). En esta prueba de riego, el regador quería aplicar una lámina de 20 cm, sin f embargo, después de realizar la medición del volumen de agua que entraba a la parcela y el tiempo de aplicación, el usuario aplicó una lámina de 75 cm, es decir, 55 cm más de la que necesitaba, lo que nos dice que la eficiencia de aplicación que tiene el usuario es del 26.4%. Una vez realizada la calibración, también se pudo ver que se obtuvo una eficiencia de requerimiento del 100% y una Uniformidad del 91.8 %, eficiencias altas debido al volumen de agua aplicado en el suelo. Este sencillo análisis nos permite ver, que la forma habitual de regar del usuario durmiendo el agua es crítica y debe ser cambiada. s Figura 4. Calibración de la fase de avance y recesión. Diseño del riego con la fórmula de gasto óptimo Con los parámetros encontrados del proceso de calibración, el gasto de entrada, la lámina de riego necesaria se hace uso de la ecuación de Fuentes et al., (2012), ecuación (5), donde obtuvo que el gasto óptimo (qo) es de lps por surco, un tiempo de avance de min. La recomendación para el usuario es regar 31 surcos por tendido en vez de 45, 7

8 durante un tiempo al corte de 209 min para cada tendido y resultan 15 tendidos en total. La eficiencia de aplicación es de 98.1%, la eficiencia de requerimiento es de 99.8 y el coeficiente de Uniformidad de Christiansen (CUc) es del 97.4%. Los resultados pueden verse en la Tabla 1. Tabla 1. Resultados de la evaluación y diseño de un evento de riego por gravedad No. de surcos por tendido Tiempo de riego (min) Lr (cm) Ea (%) Er (%) CUc (%) Sin diseño Con diseño Como puede verse en la Tabla 1, el usuario estaba acostumbrado a regar por tendido 45 surcos, con lo que para terminar el riego en su parcela, el usuario empleaba un tiempo de 8.18 días, mientras que con la receta que se proporcionó, para la misma lámina de riego, el usuario riega en tan solo 2.17 días, que se traduce en una reducción en el tiempo de riego de 6 días, un ahorro de 55 cm de lámina, un aumento en la eficiencia del 71.7 %m. Otros resultados de evaluación y diseño obtenidos con la fórmula de gasto óptimo Así como se describió con anterioridad el procedimiento de evaluación del riego por gravedad y diseño del gasto óptimo, este procedimiento se ha estado realizando en tantas parcelas como es posible atender, de manera general, se muestran algunos de los resultados obtenidos en la Tabla 2. Tabla 2. Algunos resultados de evaluación y diseño. 8

9 Como un resumen general, de las más de 100 pruebas de riego realizadas en el Distrito de Riego 085, La Begoña Guanajuato, se aplicó en cada parcela una lámina promedio de 26 cm. Si todos los usuarios siguieran el diseño y recomendación dada, la lámina promedio bajaría a 15.3 cm con lo que el ahorro esperado sería de cm, equivalente a 1068 m 3 por hectárea, que multiplicadas por la superficie donde se atiende el proyecto representaría un ahorro de 5.12 Mm 3. Conclusiones La fórmula de gasto óptimo utilizada para el diseño de riego por gravedad se usó con excelentes resultados, se pudo ver que aunado que la validación se realizó con las ecuaciones completas de Saint Venant y Richards, su uso con el modelo de la onda cinemática dio muy buenos resultados. La medición de las pruebas de avance y recesión en las parcelas es de gran importancia, debido a que in éstas, no se tendrían datos sobre las láminas aplicadas y sobre todo, los parámetros representativos de cada suelo: la conductividad hidráulica saturada y la succión en el frente de humedad, además del conocimiento de las condiciones del suelo: longitud, pendiente, contenidos de humedad y textura. Los resultados del diseño de riego por gravedad con la fórmula de gasto óptimo permitieron ahorros de láminas desde los 10 hasta los 50 cm, además de reducir los tiempos de riego, lo que en algunos casos se redujo en un 65% los tiempos de riego. Lo anterior no solo significa un ahorro en la cantidad de agua, sino que además es una reducción en la cantidad de agua que se extrae del acuífero, así como también en el bolsillo de los productores, debido a que ya pagarán por una menro cantidad de agua utilizada. Sin embargo, para lograr anterior es necesario en trabaja en la concientización de los regadores, ya que una mala práctica que ya es costumbre es dormir el agua abriendo muchos surcos por tendido, de 40 a 100 surcos para gastos de entrega de hasta 80 lps. Esto lo hacen para que tengan tiempo de vigilar 2 o 3 predios que riegan a la vez y recibir así un mayor pago. O bien abren más surcos durante la noche por si aumenta el gasto el canalero, para que el tendido no se cambie durante la madrugada sino al otro día y así no se tire el agua al dren para dormir en su casa tranquilamente. Referencias Bibliográficas CNA. Comisión Nacional del Agua Características de los distritos de riego. Subdirección General de Infraestructura Hidroagrícola. Gerencia de Distritos de Riego. México, D.F. 9

10 Darcy, H Les fontaines publiques de la ville de Dijon. Dalmont, Paris. Fok, Y.S., A.A. Bishop Analysis of water advance in surface irrigation. Journal of the Irrigation and Drainage Division, ASCE., 91: Fuentes C., H. Saucedo, L. Rendón Capítulo 7. Diseño de Riego por Gravedad. En Riego por Gravedad. Editores Carlos Fuentes y Luis Rendón. Universidad Autónoma de Querétaro Fuentes, C., B. De León, H. Saucedo, J.-Y. Parlange, A.C.D. Antonino El sistema de ecuaciones de Saint Venant y Richards del riego por gravedad: 1. La ley potencial de resistencia hidráulica. Ingeniería Hidráulica en México, 19(2): Fuentes, C., C. Chávez, H. Saucedo, M. Zavala, A. Quevedo Analytic representation of the optimal flow for gravity irrigation. Tecnología y Ciencias del Agua. En prensa. Fuentes, C., C. Chávez, H. Saucedo, M. Zavala Sobre una solución exacta de la ecuación Fokker-Planck con término de sumidero. Tecnología y Ciencias del Agua, 2(1): Ligget, J.A., D.A. Woolhiser The use of shallow water equations in runoff computation. Proceedings, third annual American Water Resources Conference, San Francisco, Calif., USA. pp Litrico, X Nonlinear diffusive wave modeling and identification and identification of open channels. J. Hydr. Eng. ASCE., 127(4): Marquardt, D.W., An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters. SIAM J. Appl. Math. 11: Ponce, V.M. 1980a. Chapter 2: Kinematic, dynamic and inertial waves. In Unsteady flow in open channels. Colorado State University. Col., USA. pp. 2-1 a Richards, L.A Capillary conduction of liquids through porous mediums. Physics, 1: Saucedo, H., C. Fuentes, M. Zavala El sistema de ecuaciones de Saint-Venant y Richards del riego por gravedad: 2. Acoplamiento numérico para la fase de avance en el riego por melgas. Ingeniería Hidráulica en México, 20(2): Saucedo, H., M. Zavala, C. Fuentes Modelo hidrodinámico completo para el riego por melgas. Tecnología y Ciencias del Agua, 2(2):

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