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 DRENAJE AGRÍCOLA: TECNOLOGÍA PARA EL MANEJO DEL REGIMEN DE HUMEDAD EN EL PERFIL DEL SUELO EN MÉXICO J. Rodolfo Namuche Vargas 1 ; Heber E. Saucedo Rojas 1 ; J. Luis Arellano Monterrosas 2 1 Coordinación de Riego y Drenaje. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, Jiutepec, Morelos, México, C.P Comisión Nacional del Agua, Avenida Insurgentes Sur 1960, piso 6, Colonia Florida, México, D.F., CP Resumen Se presenta una metodología de drenaje agrícola como una tecnología para el manejo del régimen de humedad en el suelo con la finalidad de incrementar la producción en caña de azúcar en el trópico mexicano. En el Distrito de Temporal 018 Huixtla, Chiapas, se cuenta con infraestructura de drenaje primario y se ha realizado obras complementarias como drenaje secundario y un módulo de drenaje subterráneo parcelario controlado. La metodología consiste en: i) trazo y construcción de los drenes principales con estructuras hidráulicas para el manejo de agua; ii) sistema de drenaje subterráneo parcelario controlado que consta de drenes de tubería de polietileno ranurada y con filtro geotextil, la separación entre drenes son de 10, 15 y 20 metros, profundidad media de 1.10 metros y pendiente típica de Para las separaciones de 10 y 20 metros el sistema de drenaje cuenta con estructuras de control para el manejo del régimen de humedad en el suelo, mientras que para la separación de 15 metros se tiene descarga libre al dren a cielo abierto; iii) instalación del sistema de drenaje se lleva a cabo con una zanjadora tipo cincel que permite el control de la pendiente mediante un sistema láser. Se obtuvo como resultado: i) la humedad a una separación de 100 metros del dren a cielo abierto se mantuvo un periodo de 45 días; ii) la separación entre drenes recomendable es de 20 metros siempre y cuando el suelo y clima sean similares a los que se presenta en el Ingenio de Huixtla, Chiapas. iii) Con la tecnología generada y adaptada para las zonas húmedas de México se incrementaría el rendimiento en caña en al menos un 50%, así como de uno a dos puntos porcentuales de rendimiento en sacarosa; iv) El drenaje agrícola es una técnica económicamente redituable, la inversión se recupera en dos años de producción, teniendo en cuenta tanto los sistemas de drenaje parcelario como la rehabilitación de la red principal de drenaje. Se recomienda que para incrementar la producción en caña de azúcar en zonas húmedas es necesario llevar a cabo el control del régimen de humedad en el perfil del suelo, para lo cual se debe atender primeramente los problemas de drenaje y posteriormente cuando sea necesario tener en cuenta la aplicación de riego suplementario. Palabras Claves: Drenaje controlado, Régimen de humedad en el suelo, Distrito de Temporal Tecnificado.

2 Introducción El trópico húmedo en México cubre aproximadamente ,000 ha, de las cuales ,000 ha tienen potencial agropecuario y se localizan en las planicies y deltas de los ríos: Papaloapan, Coatzacoalcos, Grijalva, Pánuco, Usumacinta y en las Costas de Chiapas. Uno de las principales limitantes para su aprovechamiento es la susceptibilidad a inundaciones. Con la finalidad de incorporar áreas húmedas y subhúmedas tropicales del país a la producción agropecuaria, elevar el nivel de vida de los productores y aprovechar de manera sustentable el recurso agua y suelo fueron creados los Distritos de Temporal Tecnificado (DTT). En México el cultivo de la caña de azúcar genera 440 mil empleos directos y 2.5 millones de empleos indirectos. En la zafra a nivel nacional se cosecharon 659,124 ha, se molieron ,412 ton, se obtuvo una producción de azúcar de 5 282,088 ton, un rendimiento en fabrica de 11.17% y un rendimiento en campo de ton/ha de caña. En el Estado de Chiapas se cosecharon 26,494 ha, se molieron 2 208,584 ton, se obtuvo una producción de azúcar de 260,959 ton, rendimiento en fabrica de 11.43% y rendimiento en campo de ton/ha de caña. En el Ingenio Huixtla, Chis., se cosecharon 11,267 ha, se molieron 836,862 ton, se obtuvo una producción de azúcar de 84,351 ton, rendimiento en fabrica de 9.43 % y rendimiento en campo de ton/ha de caña. El objeto del trabajo es incrementar la producción en caña de azúcar con drenaje subterráneo parcelario controlado. Materiales y métodos Información necesaria a nivel de cuenca para diseño de sistemas de drenaje superficial a) Precipitación máxima; para determinar la lluvia máxima se tomaron los datos climatológicos de la estación de Huixtla. Los datos de lluvia se ajustaron a las funciones: Doble Gumbel, Gumbel, Normal, Gamma, LogNormal, etc. y se seleccionó la que tuvo menor error estándar, la cual fue la función Doble Gumbel II (Figura 1) Precipitación (mm) Tr (años) Calculado Dato Figura 1. Distribución de Gumbel II. 2

3 b) Estimación del escurrimiento, la zona de estudio se ubica en una región de clima subtropical lo cual permite identificar el número de curva (CN) del método del Servicio de Conservación de Suelos (E.U.) y a partir de su aplicación se estimó el escurrimiento superficial en Re = cm. c) Módulo de drenaje, en forma general se puede expresar como un gasto por unidad de tiempo y área. Es una función de la escorrentía y del tiempo de drenaje: i) drenaje ηip η * R ηi e p η * (PP - R e ) superficial: q = =, ii) drenaje subterráneo: q = =, donde Re es la Td T Td T d escorrentía total (mm), PP es la precipitación máxima, T d d es el tiempo de drenaje (horas) y η es una constante con un valor de El módulo de drenaje estimado para el área de estudio con T d 24 horas, es de 3.24 l/s/ha. d) Selección de la zona de proyecto, mediante recorridos de campo por la cuenca del río Huixtla, se identificaron terrenos para realizar los trabajos de adecuación o construcción de un sistema de drenaje superficial (Figura 2). Drenaje superficial principal Figura 2. Localización de drenes. a) Topografía, se realizó el levantamiento del perfil longitudinal de los drenes con secciones transversales cada 50 metros y posteriormente se dibujó en forma digital con curvas de nivel cada 20 cm. b) Diseño de drenes principales, con base al módulo de drenaje de 3.24 l/s/ha, se determinó el gasto que se requiere drenar (Qr) por los drenes con base en su área drenada, los gastos varían entre y m 3 /s. Para determinar la sección hidráulica de los drenes se aplicó la fórmula de Manning (Levi, 1996) usando el programa WATER. Se verificó que el gasto de diseño fuera menor que el gasto que requiere drenar y que los drenes tuvieran pendientes continuas no erosivas, que aseguren que el escurrimiento recibido sea conducido sin provocar encharcamientos o pequeñas lagunas. Con base en los planos de diseño de los perfiles longitudinales 3

4 de los drenes interceptores se realizó el trazo en campo y la adecuación de los drenes (Figura 3). Figura 3. Adecuación de dren. Supervisión de la construcción de drenes superficiales principales Para la realización de la supervisión de la adecuación de los drenes, se verificó que los drenes quedaran libre de malezas y sedimentos, y que su sección fuese la planteada en el plano de diseño. Se utilizó una estación total para verificar los puntos del trazo en campo, antes de que la máquina comenzara la adecuación o construcción de drenes y después de la misma, para verificar la pendiente y la sección hidráulica del dren. Drenaje Superficial Parcelario Se presenta un estudio de caso en la parte baja de la cuenca del río Huehuetán, Chiapas, donde se instaló un módulo de drenaje superficial parcelario. En 2005 en México se tenía aproximadamente 84,000 ha sembradas con cacao, 95% de las parcelas son de 1 ha o menos. El cacao que se produce en Tabasco es del orden del 70%, Chiapas el 29% y Guerrero y Oaxaca completan el resto (1%). El 97% de la producción nacional es de temporal y 3% de riego (éste último casi en su totalidad en el estado de Chiapas). En Tabasco el 97% de la producción corresponde a la región de la Chontalpa, donde el cacao aporta entre 42 y 86% de los ingresos netos de las familias. Sin embargo, se espera un déficit de cacao a nivel nacional en los años próximos debido a la destrucción de los plantíos en Tabasco por las intensas lluvias e inundaciones de En la actualidad la superficie sembrada y cosechada ha decrecido en un 27%; debido a la enfermedad de la monilia y mosca negra provocada en gran parte por el exceso de humedad en el suelo (Figura 4 y 5). La Comisión Nacional del Agua (CONAGUA) a través del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA) en el 2009 adecuó un sistema de drenaje superficial de 3,500 metros de longitud, con un área de influencia de 150 ha, y con un costo de $150,000.00, pesos beneficiando a 20 productores. En esta área se encuentran 8 ha con cultivo de cacao en las cuales se realizó la adecuación de drenaje superficial parcelario en una longitud de 350 metros y se instalaron 12 pozos de observación la finalidad de monitorear el nivel freático. 4

5 Figura 4. Fruto de cacao afectado por Monilia. Figura 5. Exceso de humedad en el cultivo de cacao. Durante 2010 se realizó el seguimiento agronómico y el manejo del régimen de humedad en el suelo monitoreado a través del nivel freático y de la medición del gasto en drenes superficiales. Con precipitaciones de 250 mm en 24 horas, el nivel freático se elevaba hasta 10 cm sobre el nivel del suelo y, por efecto del sistema de drenaje, en 24 horas dicho nivel descendía hasta 20 cm por debajo de la superficie del suelo. Manteniendo limpios los drenes parcelarios el nivel freático se mantenía entre 20 y 30 cm debajo de la superficie del suelo durante el periodo de lluvias (Figura 6). Bajo estas condiciones, con una inversión de 1,000 $/ha en drenaje superficial parcelario y un costo de producción de 14,000 $/ha; se espera un rendimiento de 400 kg/ha de cacao seco. El precio de venta del cacao es 55 $/kg en seco. La evaluación económica indica una Relación Beneficio Costo de 2.9 y la inversión se paga en el primer año. Se esperaba obtener con los apoyos productivos proporcionados por el Gobierno Federal un rendimiento mínimo de 200 y un máximo de 300 kg/ha, por lo tanto, se superó la meta mediante la aplicación de drenaje y con el manejo agronómico del cultivo. Figura 6. Compartimiento del manto freático en el módulo de drenaje superficial parcelario. 5

6 Drenaje subterráneo controlado En el Distrito de Temporal 018 Huixtla, Chiapas, en el 2003 se instaló un sistema de drenaje subterráneo parcelario controlado que consta de drenes de tubería de polietileno ranuradas y con filtro geotextil, la separación entre drenes son de 10, 15 y 20 metros, profundidad media de 1.10 metros y pendiente típica de Para las separaciones de 10 y 20 metros el sistema de drenaje cuenta con estructuras de control para el manejo del régimen de humedad en el suelo, mientras que para la separación de 15 metros se tiene descarga libre al dren a cielo abierto (Figura 7). Así mismo se instalaron 24 pozos de observación, 5 pozos en el centro de cada separación entre drenes, 7 pozos en el dren central de separación de 15 metros y dos en los bordes de la parcela. DREN 3 PISTA AEREA NORTE Ø 8", SR-SF S=0.15 % en 40 m C A L L E II C A L L E B8 B6 B4 B2 C B10 D E B CT CR Ø 8", SR-SF S=0.15 % en 53.5 m Ø 8", SR-SF S=0.18 % en 100 m A12 CT CR I A10 CT CR DREN 1 A8 A6 A4 Ø 8", SR-SF S=0.15 % en m TUBERÍA DREN 2 Ø 4", R-CF S=0.15 % en m LONGITUD (m) OBSERVACIONES A2 CT CR A CT CR Línea de Ø 4" R-CF Colector de Ø 8" SR-SF Subirrigación de Ø 4" SR-SF ESCALA GRÁFICA m Figura 7. Diseño de sistema de drenaje subterráneo controlado. La instalación del sistema de drenaje se lleva a cabo con una zanjadora tipo cincel que permite el control de la pendiente mediante un sistema láser (Figura 8). 6

7 Figura 8. Instalación de drenaje subterráneo parcelario controlado. Manejo del Régimen de Humedad en el Suelo El Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA) ha desarrollado investigación y tecnologías eficientes que permiten superar la problemática asociada a los excesos de agua en los terrenos productivos, y detener la degradación de los recursos agua, suelo y bosque contando con la participación directa de los productores. A continuación se presenta la tecnología generada y adaptada por el IMTA para el manejo del régimen hídrico de los suelos aplicada en el Sureste de México. i) Distrito de Temporal Tecnificado 002 Zanapa-Tonalá, Tabasco En este DTT se llevó a cabo el manejo del suelo y agua con drenaje superficial semicontrolado, cuando la pendiente del terreno es menor de 0.002, logrando mantener un contenido de humedad en el suelo apto para el desarrollo del cultivo de pasto durante 45 días después de haber terminado el periodo de lluvias (Figura 9). Así mismo se evaluó la máquina zanjeadora tipo DONDI en la construcción de 10km de drenes superficiales parcelarios, la capacitación en servicio ha permitido que a la fecha se hayan construido aproximadamente 180km de drenes, obteniendo buenas cosechas y evitando enfermedades en las pezuñas del ganado vacuno (Figura 10). 7

8 Figura 9. Manejo del régimen de humedad en el suelo con drenaje superficial semicontrolado. Figura 10. Drenaje superficial parcelario con zanjear Tipo DONDI. Cuando la pendiente del terreno es mayor a 0.002, se recomienda realizar caídas para no profundizar los drenes y evitar la erosión de los mismos (Figuras 12, 13 y 14). 7. COLADO EN DUCTOS OFF=-12.3 R=21.9 1:1-50.0% +0.0% R=18.4 T.N.=20.9 LC +0.0% -50.0% 1:1 OFF=12.1 R= % +80.0% % +0.0% 18 AREA DE TERRAPLEN = 0.2m2 AREA DE CORTE = 23.6m ESTACION Figura 12. Diseño de la sección hidráulica del dren 1. COLOCACIÓN DE CONCRETO F'c= 250 KG/CM2 EN LOSAS, MUROS Y CARTELAS Figura 1.3. Diseño de estructura de control, adecuación de caída. Figura 14. Perfil longitudinal con caídas. 8

9 ii) Distrito de Temporal 018 Huixtla, Chiapas Diagnóstico de áreas con problemas de drenaje y manto freático somero El Distrito de Temporal Tecnificado 018 Huixtla, Chiapas, se construyeron 120 pozos de observación del manto freático y en la mayor parte de ellos se realizaron pruebas de conductividad hidráulica por el método del pozo barrenado. Los registros de profundidad del manto freático obtenidos se utilizaron para elaborar planos de isobatas, construir la gráfica áreas-tiempo y detectar los problemas de drenaje y manto freático somero en aproximadamente 20,000 ha (Figura 15 y 16). P.N.E. (m) N Figura 15. Plano de isobatas del manto freático. 9

10 Gráfico áreas tiempo Áreas (ha) Sep Sep Oct-04 Tiempo m m m m 2-3 m > 3 m Profundidad (m) 15-Sep-04 Áreas (ha) 30-Sep Oct-04 Promedio , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Total 75, , , Figura 16. Áreas con problemas de drenaje y manto freático somero. b) Manejo del suelo, agua y cultivo Se ha monitoreado la evolución en el tiempo del ph del suelo, habiéndose verificado durante tres años que su valor se encuentra en el rango óptimo para el desarrollo del cultivo de caña (Figura 17). Figura 17. ph del suelo, no presenta problemas de acidez 10

11 A partir de muestreos de hojas del cultivo de la caña de azúcar se determina el nitrógeno foliar, en la figura 13 pueden apreciarse los resultados de los análisis que se efectuaron con una periodicidad anual en cada uno de las separaciones entre drenes. Durante 2005 no se realizó control del régimen de humedad y se observa que existe un efecto directo de la separación entre drenes sobre el aprovechamiento del nitrógeno (Figura 18). Durante 2006 se realizó el control del régimen de humedad (Figura 19) y se observa que dicho control (separaciones de 10 y 20 metros) induce un mayor el aprovechamiento del nitrógeno. En otras palabras el control del régimen de humedad puede utilizarse con fines de planeación de la zafra sin afectar el nivel del porcentaje de sacarosa (Cuadro 1) Suficiencia N (%) Separación entre drenes (m) Figura 18. Nitrógeno foliar, aprovechamiento eficiente con el drenaje subterráneo parcelario controlado. Figura 19. Estructura de control para el manejo del régimen de humedad en suelo con drenaje subterráneo parcelario controlado. 11

12 De esta manera, para el caso del DTT 018, si se programa la zafra en diciembre, entonces no debe realizarse el control del régimen de humedad en el suelo. Para fechas de zafra posteriores es recomendable regular el régimen de humedad del suelo. Cuadro 1. Muestreos de sazonado y maduración de caña. Separación (m) 10, con estructura de control 15, sin estructura de control Fecha Humedad Sacarosa Humedad Sacarosa (%) (%) (%) (%) 20, con estructura de control Humedad Sacarosa (%) (%) 01/11/ /11/ /11/ /12/ /12/ /01/ /03/ Rendimiento (ton/ha) c) Rendimientos y evaluación económica Las Figuras 20, 21, y 22, muestran los rendimientos en caña, sacarosa y en azúcar, respectivamente. Se puede apreciar que la separación entre drenes a 20 metros es la más recomendable para los tipos de suelo y clima del DTT Rendimiento en caña (ton/ha) Zafra Zafra Zafra Testigo 10 m 15 m 20 m Figura 20. Rendimiento en caña por zafra para diferentes separaciones entre drenes. 12

13 Contenido de sacarosa (%) Zafra Zafra Zafra Testigo 10 m 15 m 20 m Figura 21. Contenido de sacarosa por zafra para diferentes separaciones entre drenes. Rendimiento (ton azúcar/ha) Zafra Zafra Zafra Testigo 10 m 15 m 20 m Figura 22. Rendimiento de azúcar por zafra para diferentes separaciones entre drenes. Para mostrar la viabilidad económica de los sistemas de drenaje agrícola, se toma como base la información del Cuadro 2, que corresponde a los indicadores globales del DTT 018 en la zafra Si se considera la instalación de, por ejemplo, 4,000 ha de sistemas de drenaje, y se tiene en cuenta un incremento en la producción de caña del 51% y en la producción de sacarosa de 2%, según lo obtenido en el módulo demostrativo, se tiene que la falta de inversión de los sistemas de drenaje hace que se dejen de ganar $55 824,320 por parte de los productores cañeros, así como $ ,358 por parte del Ingenio (Cuadro 3). Si se tiene en cuenta que el 13

14 costo del sistema de drenaje es de aproximadamente 25,000 $/ha, entonces la inversión se pagaría en dos años, considerando que es necesario rehabilitar el red de drenaje principal. Cuadro 2. Rendimientos de la zafra en el Ingenio Huixtla, Chiapas. Ingenio Huixtla, Chiapas. Zafra Superficie cosechada (ha) Caña molida (ton) Rendimiento en fabrica (%) 11, , Rendimiento en caña Rendimiento en azúcar (ton/ha) (ton) ,393 Costo ton de caña =$344 Costo de ton. Azúcar estándar =$6,677 $ ,607 Pesos M.N. $ ,627 Pesos M.N. Cuadro 3. Rendimientos esperados en el Ingenio Huixtla, Chiapas, en 4,000 ha con sistemas de drenaje. Superficie cosechada (ha) 4,000 Rendimiento en caña (ton/ha) 120 Rehabilitación o construcción de sistemas de drenaje Caña molida (ton) 480,000 Rendimiento en azúcar (ton) 54,864 Rendimiento en fabrica (%) Incremento en Caña(%) 51 Incremento en fabrica(%) 2.0 Costo ton de caña=$344 Costo de ton. Azúcar estándar=$6,677 Se deja de ganar $55 824,320 Pesos M.N. Se deja de ganar $ ,358 Pesos M.N. Resultados La separación entre drenes recomendable es de 20 metros siempre y cuando el suelo y clima sean similares a los que se presentan en los Ingenios de Tres Valles, Veracruz y Huixtla, Chiapas. ii) Con la tecnología generada y adaptada para las zonas húmedas de México se incrementaría el rendimiento en caña en al menos un 50%, así como de uno a dos puntos porcentuales de rendimiento en sacarosa para los Ingenios de Tres Valles, Veracruz y Huixtla, Chiapas, respectivamente. iii) Considerando la producción de la zafra , con precio de la tonelada de caña de 344 $/ton, se estarían dejando de ganar $55 824,320 por los productores cañeros del Ingenio Huixtla. Asimismo, si se tiene en cuenta un costo de tonelada de azúcar estándar de 6,667 $/ton, se estarían dejando de ganar $ ,358 por el Ingenio Huixtla. 14

15 iv) El drenaje agrícola es una técnica económicamente redituable, la inversión se recupera en dos años de producción, teniendo en cuenta tanto los sistemas de drenaje parcelario como la rehabilitación de la red principal de drenaje. Conclusiones Se presenta una metodología de drenaje agrícola como una tecnología para el manejo del régimen de humedad en el suelo con la finalidad de incrementar la producción en caña de azúcar en el trópico mexicano. En el Distrito de Temporal 018 Huixtla, Chiapas, se cuenta con infraestructura de drenaje primario y se ha realizado obras complementarias como drenaje secundario y un módulo de drenaje subterráneo parcelario controlado. La metodología consiste en: i) trazo y construcción de los drenes principales con estructuras hidráulicas para el manejo de agua; ii) sistema de drenaje subterráneo parcelario controlado que consta de drenes de tubería de polietileno ranurada y con filtro geotextil, la separación entre drenes son de 10, 15 y 20 metros, profundidad media de 1.10 metros y pendiente típica de Para las separaciones de 10 y 20 metros el sistema de drenaje cuenta con estructuras de control para el manejo del régimen de humedad en el suelo, mientras que para la separación de 15 metros se tiene descarga libre al dren a cielo abierto; iii) instalación del sistema de drenaje se lleva a cabo con una zanjadora tipo cincel que permite el control de la pendiente mediante un sistema láser. Se obtuvo como resultado: i) la humedad a una separación de 100 metros del dren a cielo abierto se mantuvo un periodo de 45 días; ii) la separación entre drenes recomendable es de 20 metros siempre y cuando el suelo y clima sean similares a los que se presenta en el Ingenio de Huixtla, Chiapas. iii) Con la tecnología generada y adaptada para las zonas húmedas de México se incrementaría el rendimiento en caña en al menos un 50%, así como de uno a dos puntos porcentuales de rendimiento en sacarosa; iv) El drenaje agrícola es una técnica económicamente redituable, la inversión se recupera en dos años de producción, teniendo en cuenta tanto los sistemas de drenaje parcelario como la rehabilitación de la red principal de drenaje. Se recomienda que para incrementar la producción en caña de azúcar en zonas húmedas es necesario llevar a cabo el control del régimen de humedad en el perfil del suelo, para lo cual se debe atender primeramente los problemas de drenaje y posteriormente cuando sea necesario tener en cuenta la aplicación de riego suplementario. Referencia Bibliográfica Ortiz, V. B., Sazonado y maduración de la caña de azúcar. Comisión Nacional de la Industria Azucarera. Serie divulgación técnica, libro no. 20. México. Ritzema, H. P Drainage principles and aplications. ILRI Publication 16. Second Edition. Wageningen, The Netherlands. Soil Conservation Service, Drainage of agricultural lands. Water Information Center. 15