Tinas ciegas SECRETARÍA DE AGRICULTURA, GANADERÍA, DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACIÓN

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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 Tinas ciegas

2 TINAS CIEGAS -Control de los escurrimientos en forma ordenada disminuyendo el riesgo de avenidas que generen inundaciones con las consiguientes pérdidas económicas. -Almacenamiento de agua para la recarga que permita aportar cantidad y calidad a los mantos acuíferos -Favorecer la infiltración y almacenamiento de agua en el suelo para el uso de las plantas o de los cultivos forestales. -Prevenir las avenidas torrenciales o movimientos en masa del suelo. -Controlar la erosión en laderas con cobertura vegetal deteriorada que requieren repoblación. Definición Las tinas ciegas son zanjas rectangulares de m de longitud, 0.5 m de base y 0.5 m de profundidad, y un volumen de captación de agua de 0.5 m3 por tina, construidas siguiendo las curvas de, que captan la escorrentía y conservan la humedad para los árboles o plantaciones forestales. Las tinas pueden construirse en forma continua a través de toda la ladera, sobre distancias mas cortas, o para plantas individuales. Las tinas ciegas tienen como objetivo principal la recarga de mantos acuíferos para mantener la humedad en el suelo y fomentar el desarrollo de la vegetación natural, reducir la velocidad del escurrimiento superficial, así como utilizar las líneas de tinas como brechas cortafuego. Para conocer la distribución de las tinas en el terreno y la separación entre líneas de tinas, es necesario conocer el volumen de escurrimiento que se genera en la zona. Para estimar el escurrimiento medio se puede utilizar el método racional o el método del Servicio de Conservación de Suelos (SCS), que considera el tipo y uso del suelo, la cobertura vegetal, la condición de humedad antecedente y la lluvia máxima en 4 horas para un período de registro determinado. Objetivos -Control de la erosión hídrica para evitar riesgos de erosión severa que produzcan mayores pérdidas de suelo y arrastre a las partes bajas de la cuenca. Localización y requisitos para su empleo Se recomienda el uso de las tinas ciegas: En regiones áridas o semiáridas donde la precipitación no es muy alta. En los suelos con alta permeabilidad relativa (se examinan las tasas de infiltración del. suelo y se comparan con los registros de la precipitación, utilizando un período de retorno de 10 años y la lluvia máxima en 4 horas). En las laderas desprovistas de vegetación de una cuenca hidrográfica donde se planea realizar una reforestación. En regiones donde es necesario favorecer la infiltración del agua en el suelo y la recarga de acuíferos. Para el control de avenidas que generen problemas de inundaciones y/o la acumulación de sedimento en las partes bajas de una cuenca. Para el desarrollo de huertos en terrenos de ladera. Especificaciones para el diseño En el diseño de un sistema de tinas ciegas deben considerarse los siguientes puntos: Determinar la pendiente media del sitio en donde se van a construir las tinas ciegas. Levantar información de campo con las características del sitio tales como: tipo de suelo (profundidad, textura y dureza), tipo y densidad de vegetación, topografía (barrancas, relieve), pedregosidad y accesos al sitio. Determinar los espaciamientos (vertical y horizontal) considerando el procedimiento que se

3 describe a continuación, tomado del Manual de Conservación de Suelo y Agua del Colegio de Postgraduados (199). Estimar el escurrimiento máximo que se tiene en el sitio con objeto de que las tinas no sufran rompimientos Estimar escurrimiento medio para el cálculo de llenado de la tina Procedimiento para el diseño. El procedimiento es el siguiente: Con base a los escurrimientos se proponen las dimensiones de las tinas ciegas y se calculan los espaciamientos considerando la pendiente del terreno y lluvia máxima en 4 horas para un periodo de retorno de al menos 5 años. Se dibujan el diseño tipo de la tina y el plano del sitio para ubicar y trazar las líneas guías de acuerdo con el espaciamiento horizontal. Se elabora un programa en Excel con las fórmulas de diseño para calcular las dimensiones de las tinas ciegas. Diseño y cálculo A continuación se presenta la secuencia de cálculo para el diseño de tinas ciegas. Determinar la pendiente media en campo Se delimita el área de trabajo considerando el ancho y el largo. Se determina la cota de la parte alta y baja del terreno, la longitud del tramo y se calcula pendiente (P) con la siguiente expresión: P= Cota parte alta - Cota parte Baja Longitud del terreno Calculo de espaciamientos vertical (IV) y horizontal (IH) entre tinas Para el cálculo de los intervalos vertical y horizontal entre tinas ciegas se utilizan las siguientes ecuaciones: a) Intervalo vertical: P IV o Donde: IV es el intervalo vertical (m); P es la pendiente del terreno (%); 3 es el factor que se utiliza para áreas con menos de 1,00 mm de lluvia al año; 4 es el factor que se utiliza para regiones con precipitación mayor a 1,00 mm y es un factor de ajuste de unidades. b) Intervalo Horizontal IH IV P *100 Donde: IH es el intervalo horizontal (m); IV es el intervalo vertical (m) y P es la pendiente del terreno (%). Calculo del volumen escurrido hacia la tina. Utilizando los datos de uso actual del suelo y de su textura recabados en campo, así como con los de la pendiente, se procede a determinar el coeficiente de escurrimiento C auxiliándose de la información del Cuadro 1. Cuadro 1. Factores para el coeficiente de escurrimiento (C) Uso Pendiente % Agrícola (cultivos) Pastizales Bosque Textura Gruesa Media Fina 0 a a > a a > a a > El volumen de agua que una tina puede retener, en función de las características de construcción de la tina, se calcula mediante la ecuación: A E * C * L *10 Donde: A es la capacidad de almacenamiento (l/m); E es el espaciamiento o intervalo horizontal entre tinas (m) o IH; C es el coeficiente de escurrimiento (adimensional); L es la lluvia máxima en 4 horas (cm) y 10 es el factor de ajuste de unidades. Ejemplo de cálculo: Diseñe un sistema de tinas ciegas a establecerse en el Cerro del Teutli, delegación Xochimilco, D.F. El uso del suelo de encino (Quercus spp) como vegetación natural y pastos. Se observan plantaciones de cedro blanco (Cupresuus lindehyi) con un desarrollo medio y de encinos en proceso de 3

4 sobrevivencia. La precipitación media anual es de 785 mm y la lluvia máxima en 4 horas para un periodo de retorno de 5 años es de 6.0 cm. El terreno por trabajar tiene una topografía accidentada con un ancho de 600 m, una longitud de la pendiente de 800 m, la cota de la parte alta es de, 550 y la de la parte baja de,00 msnm. Se presenta una corriente intermitente en el sitio de la obra. De acuerdo a esta información, se propone que las dimensiones de la tina sean de m de largo, 0.50 m de ancho y 0.5 m de profundidad lo que da una capacidad de almacenamiento de 500 l por tina (Figura 1). Figura 1. Dimensiones de las tinas ciegas Ancho (b) = 0.5 m Los suelos son profundos, de textura media, color café, asentados en tova volcánica arenosa y material pétreo de color negro producto de erupciones geológicas. No presentan pedregosidad siendo fácilmente erodibles, pero fáciles de trabajar. Procedimiento de cálculo. Profundidad = 0.5m Largo (1) =.0 m Pendiente media del terreno. Considerando los datos levantados en campo y utilizando una hoja de Excel se puede calcular una área de 48 ha y una pendiente de 44%. Intervalo vertical y horizontal Utilizando las siguientes ecuaciones y los datos de campo se pueden calcular los intervalos utilizando una hoja Excel y sustituyendo: 44 IV m 5.08 IH * m 44 Para fines prácticos se podría considerar un Intervalo Horizontal (IH) de 10 m. Capacidad de almacenamiento Considerando que E= IH= 10 m; C de tablas (Cuadro 1) de acuerdo con textura, pendiente y uso del suelo (en este caso media, escarpado con pendiente de mas de 6% y pastizal en general) lo cual genera C=0.37 y L (lluvia máxima en 4 horas) para un periodo de retorno de 5 años es de 6 cm y 10 factor de ajuste. A 0.37* 6 *10*10 l / ml El volumen que puede escurrir como máximo en periodo de retorno de 5 años seria de l/ml y se propone un largo de tina ciega de m, entonces el volumen que puede escurrir es de 444 l. El volumen máximo que podría escurrir del área de drenaje de cada tina para un periodo de retorno de 5 años es de 444 l, y si la capacidad de almacenamiento de agua de la tina es de 500 l, se considera que la capacidad de la tina es suficiente para almacenar un evento extraordinario que se presente en promedio al menos una vez cada cinco años. Calculo con el método de Curvas Numéricas Existe otro método para el diseño de tinas ciegas, que utiliza el Servicio de Conservación de Suelos de los Estados Unidos. Se conoce como método de curvas numérica y calcula el escurrimiento medio y máximo por evento de lluvia. En general para una lluvia de diseño con un periodo de retorno definido y el potencial máximo de retención del suelo, la ecuación a utilizar es como sigue: ( R 0. S) Q R (0.8 S) Con la condición que Q 0 Sí R > 0. S, y Q = 0 si R < 0.S Donde: Q es el escurrimiento medio (mm); R es la precipitación por evento (mm) y S es el potencial máximo de retención, que depende de las condiciones del suelo, vegetación y manejo del cultivo, relacionado con las curvas numéricas, de acuerdo con la siguiente expresión: 5400 S 54 CN 4

5 Las curvas numéricas son equivalentes al coeficiente de escurrimiento y dependen del tipo de suelo, la condición hidrológica de la cuenca, el uso del suelo, las practicas de manejo y la condición de humedad antecedente (Cuadro ). Cuadro. Curva numérica (CN) para estimar escurrimiento en diferentes complejos suelo-coberturamanejo (condición de humedad II). Uso del suelo Cultivo de escarda Cultivos tupidos S. en descanso Leguminosas en hilera o forraje en rotación Cobertura Trat. o practica Cond. hidrol Grupo de suelos A B C D Curva numérica S. rectos Surco rectos curva a Terraza y curva a Surcos rectos Curva a Terraza y curva a Surcos rectos Curva a Terraza y curva a Mala Regular Buena Mala Regular Buena Mala Regular Buena Mala Regular Buena Mala Regular Buena Mala Regular Buena Mala Regular Buena Mala Regular Buena Mala Regular Buena Pastizales Pasto de corte Bosque mecánico Curva a Mala Regular Buena Mala Regular Buena Buena Mala Regular Buena Caminos Tierra Buena Sin tratamiento Pavimento Grupos de suelos Buena El grupo de suelos se clasifica de acuerdo con sus características hidrológicas para producir escurrimiento (Cuadro 3). Cuadro 3. Grupos hidrológicos de suelos usados por el SCS. Grupo A B C D Descripción de las características del suelo Suelo con bajo potencial de escurrimiento, incluye arenas profundas con muy poco limo y arcilla; también suelo permeable con grava en el perfil. Infiltración básica 8-1 mm/hr Suelos con moderadamente bajo potencial de escurrimiento. Arenosos menos profundos y más agregados que el grupo A. Este grupo tiene una infiltración mayor que el promedio cuando húmedo. Ejemplos: suelos migajones, arenosos ligeros y migajones limosos. Infiltración básica 4-8 mm/hr Suelos con moderadamente alto potencial de escurrimiento. Comprende suelos someros y suelos con considerable contenido de arcilla, pero menos que el grupo D. Este grupo tiene una infiltración menor que la promedio después de saturación. Ejemplo: suelos migajones arcillosos. Infiltración básica 1-4 mm/hr Suelos con alto potencial de escurrimiento. Por ejemplo, suelos pesados, con alto contenido de arcillas expandibles y suelos someros con materiales fuertemente cementados. Infiltración básica menor 1 mm/ hr 5

6 Condición hidrológica del área de drenaje Es indicadora de la cubierta vegetal y su variación. Se consideran tres grupos de acuerdo con la densidad de la cobertura (Cuadro 4). Cuadro 4. Porcentaje de cobertura por la condición hidrológica Condición hidrológica: Cobertura Buena > 75 %. Regular 50 % - 75 %. Mala < 50 %. Como la vegetación se clasifica de acuerdo con su porte, el tipo de vegetación influye en la condición hidrológica y ella varía con el uso del terreno como se muestra en el Cuadro 5. Cuadro 5. Caracterización hidrológica para varios usos del suelo. Uso del suelo Pastos naturales Áreas boscosas Pastizales mejorados Rotación de praderas Condición hidrológica Pastos en condiciones malas, dispersos, fuertemente pastoreados con menos que la mitad del área total con cobertura vegetal. Pastos en condiciones regulares, moderadamente pastoreados con la mitad o las tres cuartas partes del área total con cubierta vegetal. Pastos en buenas condiciones, ligeramente pastoreados y con más de las tres cuartas partes del área total con cubierta vegetal. Áreas en condiciones malas, tienen árboles dispersos y fuertemente pastoreados sin crecimiento rastrero. Áreas de condiciones regulares, son moderadamente pastoreadas y con algo de crecimiento. Áreas buenas, están densamente pobladas y sin pastorear. Pastizales mezclados con leguminosas sujetas a un cuidadoso sistema de manejo de pastoreo. Son considerados con buena condición hidrológica. Praderas densas, moderadamente pastoreadas, usadas en una bien planeada rotación de cultivos y praderas son consideran en buenas condiciones hidrológicas. Áreas con material disperso o sobrepastoreado se consideran con mala condición hidrológica. Cultivos Uso del suelo Condición hidrológica buena se refiere a cultivos los cuales forman parte de una buena rotación de cultivos (cultivos de escarda, praderas, cultivos tupidos). Condición hidrológica mala se refiere a áreas manejada básicamente con un monocultivo. El uso del terreno ya sea como áreas de cultivo, pastizales y bosque tienen influencia en el escurrimiento y esto es más notorio cuando además de la cubierta vegetal se realizan tratamientos al suelo o se realizan sistemas de siembra en hilera, tupidos en surcos rectos, al contorno o terrazas (Cuadro ). El valor de la curva numérica se ajusta por la condición de humedad antecedente, de acuerdo con los siguientes criterios: Condición de humedad antecedente Precipitación acumulada de los cinco días previos al evento (mm) I II III > 38.1 Para ajustar el valor de la curva numérica se utilizan las siguientes relaciones: 4.CN ( II) CN( I) (3) CN ( II) 3CN ( II) CN( III) (4) CN ( II) Con los valores de la curva numérica ajustada a la condición de humedad antecedente, se calcula el potencial máximo de retención (S) de acuerdo con la ecuación. Conociendo los valores del potencial máximo de retención y lluvia máxima en 4 horas se calcula el escurrimiento medio (Q), de acuerdo con la ecuación 1. Se recomienda que para el diseño de sistemas de tinas ciegas se utilice la precipitación máxima en 4 horas con un periodo de retorno de 5 años 6

7 Escurrimiento a captar. Conociendo el escurrimiento medio, se calcula el volumen de escurrimiento a captar en cada tina, de acuerdo con el periodo de retorno definido para el diseño, se espera que las tinas trabajen a su capacidad total la mitad de las veces, para su diseño se seleccionó la captación del 50% del escurrimiento, consecuentemente la lámina de escurrimiento (Le) corresponde a: Q Le (5) Area tributaria (At) Conociendo las dimensiones y capacidad de almacenamiento de la tina (Vat=l*b*p, ver Figura ), se calcula el área tributaria de cada tina de acuerdo con la siguiente relación: Vat At (6) Le Espaciamiento La distribución de las tinas dentro del terreno es a tresbolillo (Figura 3) de manera que la distancia entre dos tinas dentro de la misma franja (dt) corresponde al doble del espaciamiento entre líneas consecutivas de tinas Figura. Diagrama de distribución de tinas en el terreno. dt dl (8) Consideraciones de diseño. En caso de tener terrenos de textura fina, se recomienda dar mayor profundidad a la tina para asegurar el almacenamiento y favorecer la infiltración. Cuando existan diferentes usos del suelo, debe calcularse el escurrimiento medio por cada condición y en el diseño hay que considerar los valores medios ponderados. Ejemplo de cálculo: Considere la siguiente información para el diseño de tinas ciegas en el Pueblo de Santo Tomas Ajusco: Lluvia máxima en 4 horas = 68.5 mm; 90 ha de bosque con poca cobertura (Condición hidrológica mala); 71 ha de pastizales muy pastoreados (condición hidrológica regular). Lluvia en los cinco días previos = 4.5 mm. Textura del suelo migajón arenoso. Con esta información se obtienen los valores de las curvas numéricas (CN) y se ajustan en función de la condición de humedad antecedente: Zona CN CHA CNA 1 66 III III Con los valores ajustados de la curva numérica, se calcula el potencial máximo de retención (S) de acuerdo con la ecuación. At dt (7) l Distancia entre líneas de tinas (dl). Debido a la distribución de las tinas a tres bolillos, la distancia entre líneas de tinas se calcula por medio de la siguiente relación 5400 S Conociendo los valores del potencial máximo de retención y de la lluvia máxima en 4 horas, se calcula el escurrimiento medio (Q) utilizando la ecuación 1: *56.89 Q 8. 6 mm * Donde: Q es el escurrimiento medio en mm y R es la lluvia máxima en 4 horas. 7

8 Con estos valores se pondera el escurrimiento medio, tal como se muestra en el cuadro siguiente: Zona Area (ha) S (mm) R (mm) Q (mm) AQ (mm) , Q (mm) 8, , Por su distribución en el terreno (Figura 4), la distancia entre líneas de tinas (dl) será igual a dt/ dl =16.60/ = 8.3 m Para fines prácticos y económicos, se adopta una distancia final entre línea de tinas de 8.0 m (Figura 3). Figura 3. Diseño de las tinas de acuerdo a su capacidad de almacenamiento Q(mm) = (16,894/561) = Como se empleó lluvia máxima en 4 hr para estimar escurrimiento medio, se espera que trabajen a su capacidad total la mitad de las veces para su diseño se seleccionó la captación del 50% del escurrimiento. El escurrimiento a captar se obtiene utilizando la ecuación (10) y sustituyendo queda: Le mm Para esta zona, por la profundidad del suelo, la presencia de árboles y otros obstáculos, las tinas que han probado su efectividad tienen m de largo, ancho 0.5 m, 0.5 m de profundidad y m entre tinas de la misma línea, el volumen de almacenamiento de cada tina es de: V * 0.5 * m Figura 4. Distribución de tinas ciegas en el terreno. 4m 4m m 3 8m Bordo El área tributaria de la tina es: At Con estas dimensiones y la capacidad por cada tina (0.5 m3), se puede calcular el área tributaria de escurrimiento para que trabajen al máximo. Volumen = Lámina de escurrimiento x área. 0.5 Zanja Área =Volumen/ Lamina de escurrimiento Área tributaria = 33.0 m Considerando que la separación entre dos tinas de la misma línea es proporcional a la longitud. El ancho de la faja que cubre cada tina es de m, el espaciamiento entre dos tinas que se encuentran en la misma dirección (dt) es: dt =Área tributaria /.00 m dt = 33.0/ = m 8 Bordo Distancia de acuerdo con el volumen medio Para realizar estos cálculos se puede utilizar la hoja en Excel elaborada para el diseño de tinas ciegas

9 Procedimiento para la construcción. Una vez que se determino el espaciamiento entre las líneas de tinas ciegas, se procede al trazo de las líneas guía El trazo de las líneas guías o curvas a, consiste en el señalamiento de líneas en el sitio de trabajo para la construcción de tinas ciegas Para el trazo de las líneas guía se realizaran las siguientes actividades. En el área de trabajo se localiza la línea de pendiente máxima y se marca con una estaca el punto medio de esa pendiente. A partir del punto señalado con la estaca inicial, se procede a marcar la línea guía o curva de, por medio de estacas separadas de 15 a 0 m (Figura 5.) La brigada de trazo marcará la líneas guías con cal o yeso, las cuales deberán ser visibles al momento de la construcción. Las líneas guías pueden trazarse con de mano, clisímetro o fijo, las cuales serán a. Para esto se utilizará estadales y/o balisas utilizando estacas para su correcta localización. Las líneas deben ser continuas, salvo obstáculos tales como árboles, piedras o otros que interfieran su trazo Posteriormente, se trazan líneas paralelas a la línea guía, hacia arriba y hacia abajo, hasta cubrir todo el terreno, considerando el Intervalo horizontal, calculado previamente, lo que garantizará que las líneas de tinas se encuentren sensiblemente a. Figura 5. Localización y trazo de líneas guía Linea de pendiente máxima Estaca Ubicación de la pendiente máxima y colocación de la estaca en la parte media m Estacas Linea guia A lo largo de la línea guía, se marcan las dimensiones de la tina y se procede a su construcción. Las actividades a realizar son las siguientes: En la línea guía previamente trazada y visible, se deberá iniciar por un extremo de esta, la excavación de una estructura de.00 m de largo x 0.50 m de ancho y 0.50 m de profundidad utilizando pico y pala. Las tinas ciegas se excavarán una a una dejando un tramo de igual longitud entre tina y tina. El material producto de la excavación se depositará aguas abajo de las tinas compactándolo convenientemente para evitar que el suelo se mueva aguas abajo. Se recomienda que se construyan líneas de tinas Cantidad de trabajo y volumetría. Los aspectos que deben considerarse para el proyecto de tinas ciegas, deben tomar en cuenta lo siguiente 1. Cantidad de tinas Para calcular el volumen de excavación se considera una hectárea de 100 m x 100 m. Entonces en una línea de 100 m se tienen 100/ m de largo por tina, pero se considera que el entre dos tinas consecutivas existe un tramo ciego con la misma longitud que la tina, lo que nos arroja 5 tinas por línea. Como el espaciamiento horizontal (IH) es igual a 8 m; entonces 100/8= 1 líneas por hectárea. Por lo tanto, en una hectárea habrá 1 líneas x 5 tinas/línea y se tendrían 300 tinas/ha.. Volumen de excavación Considerando que una tina tiene m de largo, 0.5 m de ancho y 0.5 m de profundidad, entonces el volumen de excavación seria de 0.50 m3/tina Si una hectárea se cubre con 50 tinas, entonces 300 tinas x 0.50 m3/tina se tendría un volumen de excavación de 150 m3/ha. Ubicación de una curva de mediante estacas 9

10 Bibliografía CNA. Gerencia Regional Pacífico Sur Curso de Manejo Integral de Cuencas. Huatulco, Oaxaca. México. SAGARPA Curso sobre Uso y Manejo Sustentable del Suelo y Agua (COUSSA). Dirigido a Prestadores de Servicios profesionales de COUSSA en el país. SARH. Colegio de Postgraduados Manual de conservación del suelo y del agua. Montecillo, Estado de México. México. Pp SEMARNAT-CONAFOR Protección, restauración y conservación de suelos forestales. Manual de Obras y Prácticas. Tercera edición. Jalisco, México. Elaboraron: Erasmo Rubio Granados (erubio@colpos.mx) Mario R Martínez Menes (mmario@colpos.mx) Benjamín Sánchez Bernal Especialidad de Hidrociencias del Colegio de Postgraduados, Montecillos, Estado de México