EVALUACIÓN Y DISEÑO DEL RIEGO POR MELGAS MEDIANTE UN MODELO DE SIMULACIÓN

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1 EVALUACIÓN Y DISEÑO DEL RIEGO POR MELGAS MEDIANTE UN MODELO DE SIMULACIÓN Evaluation and Design of the Border Irrigation by means of a Simulation Model Gerardo Delgado Ramírez 1 ; Juan Estrada Ávalos 1 ; Miguel Rivera González 1 ; Ernesto Alonso Catalán Valencia; Gerardo Esquivel Arriaga 1 1 INIFAP. Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Relación Agua Suelo Planta Atmósfera (CENID RASPA). Km 6.5 Canal Sacramento, C.P Gómez Palacio, Durango, México. delgado.gerardo@inifap.gob.mx RESUMEN En México, el 90 por ciento de la superficie cultivable utiliza el sistema de riego superficial, destacando el método por melgas, pero presenta bajas eficiencias en la aplicación, requerimiento y distribución del agua, por lo que es necesario realizar evaluaciones de campo para determinar las especificaciones de diseño y operación que se pueden ajustar o modificar para incrementar dichas eficiencias. Para esto, se recomienda el uso de los modelos de simulación, los cuales facilitan el cálculo de dichas eficiencias y permiten analizar escenarios de diseño modificando el ancho y largo de melga, pendiente longitudinal y gasto unitario. El objetivo de este trabajo fue aplicar la técnica de simulación para evaluar y diseñar el sistema de riego por melgas en cuatro predios con cultivo establecido de alfalfa (Medicago sativa). Se utilizó el modelo hidrodinámico de riego superficial Los cuatro predios evaluados presentaron baja eficiencia en la uniformidad de distribución del agua con valores que oscilaron del 60 al 88 por ciento, debido a que las especificaciones de diseño no eran las apropiadas para el gasto disponible del predio, tipo de cultivo y textura del suelo. Por consiguiente, se diseñó para cada predio una melga con las especificaciones de diseño ajustadas con el propósito de incrementar las eficiencias de distribución, aplicación y requerimiento por encima del 90 por ciento. Además del diseño adecuado y la operación correcta de los sistemas de riego, se requiere también la capacitación continua del personal del predio sobre el uso eficiente del agua de riego a nivel parcelario. Palabras clave: riego superficial, eficiencia, modelo hidrodinámico, Medicago sativa. SUMMARY In Mexico, 90 percent of the arable land uses the surface irrigation system, highlighting the border method, but it presents low efficiency in the application, requirement and distribution of water, therefore, it is necessary to carry out field evaluations to determine the design and operating specifications that can be adjusted or modified to increase such efficiencies. For this, the use of simulation models is recommended, which facilitates the calculation of these efficiencies and allows the analysis of design scenarios modifying border length and width, slope and water inflow. The objective of this work was to apply the simulation technique to evaluate and design the border irrigation system in four properties with established cultivation of alfalfa (Medicago sativa). The hydrodynamic model of surface irrigation SIRMOD II was used. The four evaluated properties presented low efficiency in the uniformity of distribution of water with values oscillating from 60 to 88 percent, because the design specifications were not the appropriate ones for the available water inflow at the property, cultivation type and soil texture. Consequently, a border unit was designed for each property with the adjusted design specifications with the purpose of increasing the distribution, application and requirement efficiencies on top of 90 percent. Besides the appropriate design and correct operation of the irrigation systems, it is required a continuous training of the personnel of the property on the use and handling of water at the farm level. Key words: surface irrigation, efficiency, hydrodynamic model, Medicago sativa. INTRODUCCIÓN En México existen aproximadamente 6.3 millones de hectáreas bajo riego que representan alrededor del 40.6 por ciento de su superficie arable (Sánchez et al., 2002). En esta superficie se utilizan diversos sistemas de irrigación destacándose el riego por superficie, el cual se utiliza a un valor cercano del 90 45

2 VOLUMEN 14 NÚMERO por ciento de la superficie, el resto es ocupado por sistemas de riego presurizados. En la Comarca Lagunera, el método de riego por melgas es el más utilizado, debido a la alta demanda de producción de forrajes, especialmente del cultivo de la alfalfa (Medicago sativa) de la cual se cultiva alrededor de 45,000 hectáreas (Montemayor et al., 2010). Sin embargo, este método provoca fuertes pérdidas hídricas en la conducción y aplicación, alcanzando eficiencias del 46 por ciento (Acosta, 2008). Al incrementar las eficiencias de riego parcelario por encima del 90 por ciento se pueden recuperar importantes volúmenes de agua e incrementar la productividad de este recurso en la obtención de los productos agrícolas. Para conseguirlo es necesario realizar evaluaciones de riego que nos permitan identificar qué variables (ancho y longitud de melga, pendiente, gasto unitario, tiempo de riego, etc.) pueden modificarse para mejorar eficiencia. Con el uso de modelos de simulación se facilita el análisis y la comprensión de la hidráulica del riego por superficie, el cual comprende conceptos relacionados básicamente con el avance del frente de agua, infiltración y la recesión. Existe una gran cantidad de aplicaciones (software) para el diseño y operación del riego por superficie, pero muy pocos han sido efectivamente utilizados. Entre los modelos de mayor difusión y aplicación a nivel mundial se pueden citar a SIRMOD (Walker, 2003) y WinSRFR (USDA, 2009). Los modelos y sus aplicaciones han permitido sistemáticamente mejorar el diseño y la operación de los métodos de riego (Losada y Roldan, 2009). García (2000), menciona que un análisis de escenarios en sistemas de riego superficial por melgas, donde se involucren los factores de infiltración, pendiente, ancho, tipo de suelo, tipo de cultivo, gasto unitario, avance y recesión del agua, ayuda a incrementar las eficiencias de aplicación, distribución y requerimiento. Para esto recomienda el uso del modelo SIRMOD. Por otra parte, López (2009) señala que el enfoque hidrodinámico completo es mejor para el diseño de riego por superficie por melgas, en comparación con los enfoques: onda cinemática y cero inercia, todos estos enfoques están incluidos en el software SIRMOD, el cual se fundamenta en las ecuaciones de continuidad y dinámica del movimiento también conocidas como de Saint Venant, estas se basan en la solución numérica de las ecuaciones según teoría de conservación de masa y momentum (Delgado et al., 2010). El objetivo de este trabajo consistió en evaluar las eficiencias de aplicación, requerimiento y uniformidad de distribución del riego por superficie en cuatro predios, mediante el uso de un modelo de simulación, el cual permita generar un diseño de melga óptimo para cada predio modificando las variables de riego como: ancho, longitud, pendiente y gasto unitario con el propósito de incrementar dichas eficiencias y mejorar la productividad del agua del riego parcelario. MATERIALES Y MÉTODOS La evaluación y diseño del riego por superficie en melgas se realizó en cuatro predios ubicados en los municipios de la Región Lagunera de Coahuila. La superficie de riego de cada predio fue alrededor de 60 hectáreas con cultivo establecido de alfalfa. Se utilizó el modelo de simulación SIRMOD II (Surface Irrigation Simulation, Evaluation and Design), creado en la Universidad de Utah State en los Estados Unidos de Norteamérica (Walker, 2003), que simula el avance del agua de riego en la melga y por consiguiente indica las eficiencias actuales que presenta la melga con lo referente a la aplicación, requerimiento y la uniformidad de distribución del agua de riego; todo esto, en base a la textura del suelo, gasto disponible, tipo de cultivo, largo y ancho de melga, pendiente longitudinal, rugosidad del terreno, etc. La evaluación y diseño de las melgas (ancho, largo y pendiente) de los cuatro predios en estudio, se realizó mediante el siguiente procedimiento: 1) Selección de la melga. Para seleccionar la melga a evaluar fue necesario realizar un reconocimiento (recorrido) en toda la superficie de riego del predio, el criterio para esta selección fue que la melga presentara características similares a la mayoría de las melgas del predio con referente a la textura del suelo, ancho y longitud de la melga, así como el cultivo establecido (alfalfa). Posteriormente, se tomaron las coordenadas geográficas de dicha melga con el uso del navegador marca Magellan modelo Triton 1500 con la finalidad de georeferenciar la melga a evaluar y facilitar la inferencia de los resultados de la evaluación de todas las melgas del predio. 2) Muestreo de suelo. Después de seleccionar la melga se realizó un muestreo de suelo compuesto en diferentes estratos para analizar sus propiedades físicas (textura, capacidad de campo, punto de marchitez permanente y densidad aparente) y determinar su capacidad de retención de agua, y con ello programar el riego del cultivo. Los muestreos también fueron georeferenciados con el mismo navegador antes mencionado, con el objetivo de realizar escenarios de evaluación y diseño en la mayoría de la superficie de riego del predio, siempre y cuando las melgas tengan características similares de textura de suelo y cultivo establecido a la melga evaluada. 3) Prueba de avance de riego. Esta se realizó en la melga seleccionada previamente en cada uno de los predios, esta prueba consistió en medir el ancho y la longitud de la melga, posteriormente se seccionó la melga a cada 20 m (a lo largo) con estacas, con la finalidad de registrar la mayor cantidad de tiempos de avance del agua de riego y facilitar el ajuste de estos tiempos en el modelo de simulación (SIR- MOD II), ya seccionada la melga, se tomaron lecturas de nivel con un aparato fijo automático marca Sokkia modelo C20 con el propósito de determinar la pendiente longitudi- 46

3 RELACIONES AGUA-SUELO-PLANTA nal de la melga mediante una regresión lineal. A la postre, se registró el tiempo al momento que se aplica el agua de riego en la melga evaluada, al cual se le denomina tiempo de inicio, seguidamente se registró el tiempo que tardó el agua en llegar a cada sección hasta concluir con la última, o sea cuando el agua cubrió totalmente la superficie de la melga, a este tiempo se le denomina tiempo de avance de riego, el cual se utilizó de referencia para el ajuste del modelo de simulación. Conjuntamente a esta actividad, se aforó el gasto parcelario disponible en cada una de las melgas evaluadas de cada predio con la finalidad de determinar el gasto unitario, el cual se define dividiendo el gasto parcelario entre el ancho de melga, este dato es requerido en el software para su funcionamiento. Para esto se utilizaron dos métodos de aforo: el volumétrico y el de molinete digital. 4) Ajuste de los datos de la evaluación al modelo de simulación. Al obtener los tiempos de avance del agua de riego de cada una de las secciones de la melga evaluada, se realizó el ajuste del software mediante el enfoque del modelo hidrodinámico del riego por superficie con referente a los tiempos de avance de agua de riego obtenidos en la pruebe de avance, así como los generados en el modelo. Previamente a esto, se debe de alimentar el software con los datos generados en la prueba de avance de riego como: ancho y longitud de la melga, pendiente longitudinal, gasto unitario, lámina de riego requerida por el cultivo, tiempo acumulado del avance del agua de riego, así como el tiempo de corte. Para el ajuste del software se modificaron los siguientes datos: la rugosidad de Manning y la textura del suelo; el primero tiene un rango de ajuste entre los valores de 0.15 a 0.85 establecido por Walker (2003), este rango es aplicable para melgas con cultivo establecido. Con lo referente a la textura del suelo, es indispensable conocer este dato, ya que el software determina los coeficientes de la ecuación de infiltración de Kostiakov-Lewis ( ), la cual resuelve la tasa de infiltración a largo plazo o infiltración básica ( ) en cm min -1 (McClymont y Smith, 1996). El criterio de ajuste que se utilizó fue de al menos ± 2 minutos en cada sección de la melga. 5) Diseño de la melga. Ajustando el modelo de simulación (hidrodinámico total), se realizó el diseño de la melga para cada uno de los predios evaluados mediante simulaciones en el software modificando datos como: ancho y longitud de la melga, pendiente longitudinal y gasto unitario, con el propósito de incrementar las eficiencias de riego parcelario (aplicación, requerimiento y uniformidad de distribución). RESULTADOS Y DISCUSIÓN En el Cuadro 1 se presentan los resultados de la evaluación y diseño de las melgas de los cuatro predios en estudio. Los predios 1, 2 y 3 se localizan en el municipio de Francisco I. Madero, Coahuila, estos disponen de un sistema de conducción de canales revestidos en regulares condiciones con pérdidas de agua en la conducción de 0.8 a 2.5 L s -1 por cada 100 m de longitud. El predio 4 se ubica en el municipio de Torreón, Coahuila y dispone de un sistema de riego tipo multicompuerta con espaciamiento entre compuertas de 75 cm. Los cuatro predios tienen infraestructura hidráulica de almacenamiento (estanque) por lo que los riegos son aplicados en el día y con gastos unitarios superiores a los 2.0 L seg -1 m -2. El predio 1 presentó bajas eficiencias de requerimiento y de uniformidad de distribución del agua de riego en la melga evaluada. La eficiencia de requerimiento, dependiente de la lámina de riego requerida por el cultivo, fue baja porque solamente se aplicó una lámina de 10.6 cm, cuando el cultivo (alfalfa) requería para ese evento de riego una lámina de 15 cm, no así la eficiencia de aplicación, ya que el volumen de agua de riego aplicado en la melga se encuentra en la zona radicular aprovechable. Esto nos indica que existe un déficit y no un derroche del recurso agua. Con lo referente a la baja eficiencia de la uniformidad de distribución, se originó principalmente por la longitud de la melga y al poco gasto unitario. Por tal motivo se diseñó la melga a la mitad de su longitud, además se propuso reducir el ancho de melga y corregir la pendiente, con el propósito de incrementar la eficiencia de uniformidad por arriba del 90% (Figura 1). La eficiencia de requerimiento se incrementará siempre y cuando se apliquen los tiempos de riego adecuados para cada evento de riego, para esto se tiene que considerar la lámina de riego requerida por el cultivo y el gasto disponible del predio. Este diseño considera aplicar el agua de riego en una sola melga o en un frente de riego, y no en dos como la estaban aplicando al momento de la evaluación. Con esta medida se redujo el tiempo de riego en un 17% del tiempo aplicado en la evaluación. 47

4 VOLUMEN 14 NÚMERO Cuadro 1. Resultados de la evaluación y diseño del riego superficial por melgas en cuatro predios de la Región Lagunera. El predio 2 presentó bajas eficiencias de aplicación y distribución del agua de riego, esto debido a que estaba aplicando una lámina mayor a la requerida para ese evento de riego, por lo que existe un derroche de agua, además la pendiente longitudinal no es la apropiada para la textura y gasto unitario disponible. Por lo tanto, se propuso en este diseño reducir el ancho de melga y corregir la pendiente con la finalidad de incrementar ambas eficiencias por encima del 90%. Además se consideró la aplicación de todo el gasto disponible en una sola melga o en un frente de riego, así como programar el tiempo de riego en base a la lámina requerida por el cultivo y al gasto total disponible del predio (Figura 2). Figura 1. Evaluación y diseño del riego superficial por melgas del predio 1 mediante el modelo de simulación 48

5 RELACIONES AGUA-SUELO-PLANTA Figura 2. Evaluación y diseño del riego superficial por melgas del predio 2 mediante el modelo de simulación Los predios 3 y 4 presentaron solamente baja eficiencia de distribución, debido principalmente a la pendiente y al poco gasto unitario, por lo que se propuso en el diseño de cada predio corregir la pendiente. Para el caso del predio 3 se disminuyó la pendiente de 4.2 a 3 cm por cada 100 m de longitud de melga, y para el predio 4 se incrementó de 1.3 a 2.0 cm. Con esto se elevó la eficiencia de uniformidad de distribución al 94.3% para el predio 3 y 97.8% para el predio 4 (Figuras 3 y 4). Figura 3. Evaluación y diseño del riego superficial por melgas del predio 3 mediante el modelo de simulación 49

6 VOLUMEN 14 NÚMERO Figura 4. Evaluación y diseño del riego superficial por melgas del predio 4 mediante el modelo de simulación Para el diseño de la melga de los cuatro predios evaluados se consideró aplicar todo el gasto disponible en cada uno de los predios con la finalidad de incrementar el gasto unitario (lo más cercano a 6.0 L s -1 m -1, y así garantizar una eficiencia potencial mayor del 90% en la uniformidad de distribución. Es necesario mencionar que en los primeros tres predios se aplica el agua mediante sifones operados por un solo regador, por lo cual distribuyen el agua en dos melgas. Aplicar el riego en una sola melga facilitará la operación de los sifones. Por lo tanto, se pueden reducir los tiempos de riego, y por consiguiente se incrementará la productividad del agua de riego en cada uno de los predios que implemente esta recomendación. Además, en estos diseños se consideró de forma apropiada u óptima el ancho, largo y pendiente longitudinal de la melga, por si en un futuro se implementa un sistema de riego tipo válvula alfalfera, por lo que se recomienda instalar las válvulas a cada dos melgas para evitar al máximo las pérdidas de agua y garantizar una buena eficiencia de conducción del sistema. El predio 4 utiliza un sistema de riego tipo multicompuerta con espaciamientos entre compuertas de 75 cm, esta característica limita la capacidad de aplicar gastos unitarios apropiados de 6 L s -1 m -1, por lo que se tienen que operar al menos 50 compuertas simultáneamente (correspondiente a dos melgas), y así mantener el gasto de operación de cada compuerta de 2 L s -1. Por tal motivo se recomienda cambiar la tubería multicompuerta que tenga el espaciamiento entre compuertas de 30 cm, o en su caso, instalar válvulas alfalferas a cada dos melgas (o sea a 38 m), con el propósito de aplicar todo el gasto de operación del sistema, y así incrementar la eficiencia de distribución. CONCLUSIONES El uso de un modelo de simulación para la evaluación y diseño de un sistema de riego por superficie en melgas facilitó el cálculo de las eficiencias de aplicación, requerimiento y uniformidad de distribución del agua de riego, y además contribuyó en la generación de diseños de melga mediante la simulación de escenarios modificando principalmente las siguientes variables de riego: ancho y longitud de melga, pendiente y gasto unitario, con esto se incrementaron las eficiencias y mejoró la productividad del agua de riego en los cuatro predios evaluados. Al modificar las variables antes mencionadas, en base a la textura del suelo, gasto parcelario disponible y sobre todo al tipo de cultivo establecido, se incrementó principalmente la eficiencia de distribución, pero no se incrementaron las otras dos eficiencias (aplicación y requerimiento), estas están en función de la operación adecuada de cada predio, por lo que influye la capacidad o conocimiento del personal del predio sobre la operación del mismo, razón por la cual, es conveniente capacitar periódicamente a dicho personal sobre el uso eficiente del agua de riego parcelario, para garantizar el uso eficiente del agua y contribuir al manejo sustentable del vital líquido. LITERATURA CITADA Acosta, L. G Evaluación de Programas de Simulación para el Diseño del Riego por Gravedad. Tesis Profesional. Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro Unidad Laguna. Torreón, Coahuila, México. García, R.M Análisis de Escenarios en Riego por Superficie en Melgas basado en un Modelo de Simulación. Tesis Profesional. Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro Unidad Laguna. Torreón, Coahuila, México. 50

7 RELACIONES AGUA-SUELO-PLANTA Delgado, R. G., V. Álvarez R., C. E. Ramírez C., J. Estrada Á., M. Rivera G., y F. Vega S Análisis del Modelo Matemático Hidrodinámico del Riego por Superficie en la Comarca Lagunera. Revista. Vol. X. No.4. Diciembre López, H. G Evaluación de Modelos Matemáticos para el Diseño de Riego por Superficie. Tesis Profesional. Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro Unidad Laguna. Torreón, Coahuila, México. Losada, V. A., y J. Roldan C Riego por superficie. Apuntes de curso de posgrado de Maestría en Riego y Drenaje. Universidad Nacional de Cuyo, Facultad de Ciencias Agrarias. Mendoza, Argentina Montemayor, J. A. T., H. W. Aguirre A., J. Olague R., A. Román L., M. Rivera G., P. Preciado R., I. R. Montemayor T., M. A. Segura C., J. A. Orozco V., y P. Yescas C Uso del Agua en la Alfalfa (Medicago sativa) con riego por goteo subsuperficial. Revista Mexicana de Ciencias Pecuarias 2010; 1(2). McClymont D. J., y R. J. Smith Infiltration Parameters from Optimization on Furrow Irrigation Advance Data. Irrigation Science. In: Journal of Irrigation and Drainage Engineering. ASCE. Sánchez, C. I., J. Estrada Á., y G. González C Irrigation Technology in the Irrigation Districts of Mexico. International Water Resources Association. Water International 27. E.E.U.U. USDA WinSRFR 3.1 User Manual. U.S. Department of Agriculture, Agricultural Research Service. Arid Land Agricultural Research Center. Walker, R. W Surface Irrigation Simulation, Evaluation and Design User s Guide and Technical Documentation (SIRMOS II). Department of Biological and Irrigation Engineering. Utah State University. Logan, Utah, E.E.U.U. 51