Manejo de escurrimientos

SECRETARIA DE AGRICULTURA,
GANADERIA, DESARROLLO RURAL PESCA Y
ALIMENTACION
Subsecretaría de Desarrollo Rural
Dirección General de Apoyos para el Desarrollo Rural
9
Manejo de escurrimientos
L
os sistemas de manejo de los escurrimientos superficiales son formas
especializadas de riego que consisten en el uso de estructuras de derivación,
conducción y distribución del flujo superficial en el área de siembra previamente
nivelada. Por sus características son de gran aplicación en las regiones áridas y
semiáridas.
En las zonas áridas y semiáridas la escasez y
errática distribución de la lluvia genera
fuertes limitantes para la producción agrícola
y es frecuente la pérdida de grandes
superficies de cultivo por sequía. Las lluvias
en estas zonas son de carácter torrencial, lo
que ocasiona que sólo se aproveche una
parte mínima de la lluvia y el resto se pierda
como escurrimiento superficial.
En estas zonas los productores han generado
con cierto éxito, diversas estrategias que les
permiten enfrentar las restricciones naturales
de estos ambientes, subsistir y obtener
satisfactores. Dentro de éstas se encuentran
las prácticas para la captación in situ del
agua de lluvia y el aprovechamiento de los
escurrimientos superficiales, con las que los
productores reducen el riego de escasez de
agua, ya que ambas permiten incorporar
volúmenes adicionales de agua para un
mejor desarrollo de los cultivos. El uso de
estas tecnologías no es reciente, en muchos
lugares son prácticas comunes y una
alternativa relativamente segura para
obtener cosechas .
Los rendimientos que se obtienen con estos
sistemas son muy similares a los que se
alcanzan en cultivos bajo riego. En los años
de buen temporal, los productores pueden
mejorar sus ganancias y al menos mantener
un rendimiento mínimo en los años de mal
temporal. Además, un buen manejo del agua
de escorrentía ayuda a conservar el suelo y da
mayor eficiencia en el uso del agua.
Estos sistemas consideran algunos elementos
del enfoque de agricultura sostenible, como :
• La conservación del suelo.
• Mayor eficiencia en el uso del agua.
• Diversificación en los productos que se
obtienen del sistema agropecuario.
• Mantener la fertilidad natural del suelo.
2
Sistema de Agronegocios Agrícolas
El mal manejo de estos sistemas o deficiencias
en su diseño pueden provocar problemas
severos de erosión del suelo, pérdida de
grandes volúmenes del agua, volúmenes
difíciles de manejar y controlar dentro de la
parcela, destrucción de bordos y estructuras
de derivación y conducción, entre otros.
Descripción
Los sistemas de manejo de escurrimientos
presentan particularidades para cada región,
sus características, componentes y diseño
deben adecuarse a las condiciones
topográficas, tamaño de predio, materiales
existentes, cultivos de importancia, interés y
conocimiento de los productores.
Los sistemas de manejo de escurrimientos son
formas especializadas de riego superficial
provistas de estructuras de derivación y
conducción de los escurrimientos, de canales
naturales o cauces establecidos y distribución
del escurrimiento en áreas relativamente
niveladas. La derivación y distribución se
controla con bordos, estructuras de
desviación, represas o una combinación de
éstas, diseñadas para manejar un volumen
determinado de agua.
Estos sistemas están diseñados para colectar
agua de lluvia, de una área de escurrimiento
previamente acondicionada y aplicarlo en
terrenos de cultivo. Generalmente se diseñan
para tormentas de 6 horas de duración con
períodos de retorno de 1.25, 2 , 5 y 10 años.
Aplicación
Se utiliza en aquellas áreas donde es posible
derivar agua de la red de drenaje natural a
zonas relativamente planas para su
infiltración y retención hasta que sea utilizada
por las plantas.
Cultivos. Comúnmente se utilizan para el
riego de maíz, frijol, pastizales y agostaderos.
El propósito de estos sistemas es aumentar la
producción de grano, forraje, heno o semilla.
La selección del cultivo depende de la
precipitación de diseño y del volumen de
escurrimiento esperado .
Suelos. Los suelos profundos de textura
media a moderadamente fina con subsuelos
y substratos moderadamente permeables son
los ideales. Los suelos de textura fina son
aceptables si las pendientes son ligeras y no
se presenta encharcamiento. Los suelos de
textura gruesa no son recomendables por las
altas tasas de infiltración y la baja capacidad
de almacenamiento de humedad para el
mantenimiento y crecimiento de los cultivos.
Topografía. El terreno debe estar nivelado
o con pendientes suaves. Si se usan sistemas
de entarquinamiento, la pendiente máxima
será de 1 a 2 %, de manera que los bordos no
necesiten estar muy espaciados ni ser muy
altos. Si se usan sistemas de flujo continuo, la
pendiente máxima será de 5% para terrenos
uniformes y de 3% para terrenos ondulados.
Los limites mínimos de pendiente dependerán
de las necesidades de drenaje.
Clima. El sistema se recomienda para zonas
donde la precipitación no es suficiente para
satisfacer las demandas de agua de los
cultivos y donde las condiciones topográficas
permitan la generación y conducción de los
escurrimientos.
Otras consideraciones. El agua de
escurrimiento no debe tener grandes
cantidades de sedimentos que se depositen
en el área de siembra, que dificulten la
preparación de la cama o azolven los cultivos
establecidos.
La selección del terreno a utilizar con este
sistema requiere de una combinación de
suelos, pendientes y cultivos, para que la
aplicación de agua de escorrentía, no socave,
erosione y deposite azolves más allá de los
límites permitidos.
Ventajas
•El aprovechamiento de escurrimientos con
fines agrícolas es un método relativamente
barato para abastecer agua a los cultivos
como complemento a la lluvia. Cuando los
sistemas se diseñan correctamente generan
beneficios con inversiones pequeñas.
•Los rendimientos en cultivos con estos
sistemas son similares a los alcanzados bajo
riego. En años de buen temporal los
productores pueden mejorar sus
ganancias, o al menos mantener un
rendimiento mínimo en años de mal
temporal.
•La acumulación de sedimentos finos
favorece la formación de terrazas, el
mejoramiento de los niveles de fertilidad, la
profundidad y capacidad de almacenamiento de humedad en el suelo.
•Se pueden combinar plantaciones de
árboles frutales y/o forrajeros en los bordos
o dentro de la parcela que diversifiquen la
producción y sean fuentes alternativas de
ingreso para el productor.
Desventajas
•Que la presencia de los escurrimientos no
coincida con las necesidades de agua por
las plantas o con la capacidad de
almacenamiento en el suelo.
•Cuando no se diseñan y manejan en forma
adecuada, pueden provocar problemas
severos de erosión, destrucción de
estructuras, volúmenes difíciles de manejar
al interior de la parcela y acumulación de
azolves.
Manejo de escurrimientos
3
Tipos de sistemas
Estos sistemas se dividen en sistemas de flujo continuo y sistemas de entarquinamiento. Los de
flujo se caracterizan por manejar el escurrimiento entre zanjas y bordos con drenaje libre del área
de riego. Los sistemas de entarquinamiento retienen el agua aplicada en el área de riego hasta
que ésta se infiltra, el agua se almacena entre bordos y únicamente empieza a descargar hasta
que se ha aplicado la lámina deseada, se recomienda cuando las avenidas son grandes y
pueden ser controladas. Estos dos sistemas se dividen en cuatro subtipos (Cuadro 1).
Cuadro 1. Sistemas de manejo de escurrimientos.
Tipo
Límite máximo de pendiente (%)
3
Gasto máximo (m /s)
Flujo
Bordos dispersores
Bordos conductores
Bordos con salidas
Continuas
Entarquinamiento
Control manual
5
1.2
1.2
0.3
0.3
2
Sistema de flujo con bordos dispersores (Bordo derramador): Este sistema
distribuye el agua concentrada en un corto período. Los bordos y zanjas se construyen para
conducir un volumen reducido de agua, la pendiente de la zanja varía de 0.3 o 0.4% en el
extremo superior cercano a la fuente de agua a 0% en el extremo inferior. El agua se conduce por
zanjas y se controla con bordos distribuidos estratégicamente de manera que pueda ser
redistribuida lateralmente (Figura 1). Así, aunque el agua se mueva en una sola dirección en el
bordo de dispersión, ésta puede fluir en dos direcciones en el bordo de recuperación.
F ig u r a . 1 . S is te m a d e f lu jo c o n tin u o c o n b o r d o s d is p e r s o r e s ( U S D A s /f )
4
Sistema de Agronegocios Agrícolas
Sistema de bordos conductores: En
este sistema se construye una zanja
derivadora en la parte alta del área de
cultivos y no se requiere de zanjas colectoras
de escurrimiento (Figura 2). El agua se
derrama aguas abajo de la zanja derivadora.
A medida que el agua se mueve aguas abajo,
es interceptada por un bordo al contorno,
lo que permite que el agua se mueva al otro
extremo del terreno. El bordo al contorno
tiene un vertedor en el extremo, para
permitir el paso del agua al bordo siguiente.
El agua que fluye sobre el terreno, es
colectada por otro bordo al contorno y
desviada al extremo opuesto. Este sistema se
repite hasta que se alcanza la parte final del
terreno. En la parte baja del campo, se
construye un bordo que descarga el exceso
de escurrimientos.
La pendiente máxima permisible para el uso
de este subsistema es de 1.2 %; y la distancia
máxima recomendada entre bordos es de 90
m. El espaciamiento de los bordos debe ser tal
que mantenga una carga de agua en la parte
aguas arriba del bordo de 0.2 m. La
pendiente del terreno permitirá definir el
espaciamiento entre bordos.
Sistema de Bordos conductores con
salidas continuas: Este es una modalidad
del subsistema de bordos conductores, pero
en lugar de tener un solo vertedor, se colocan
varias salidas (tubos de concreto, arcilla o
metalo vertedores)distribuidas a lo largo del
bordo (Figura 2a). Es recomendable la
construcción de un vertedor de emergencia
como medida de seguridad en caso de
obstrucciones en el desagüe.
Los tres sistemas de flujo mencionados se
diseñan para flujos continuos de agua. De
manera que el área de siembra debe tener
una infiltración tal que permita absorber la
lámina aplicada , o parte de ella se perderá.
Figura 2. Sistema de bordos conductores.
Manejo de escurrimientos
5
Subsistema de control manual de
entradas: Estos sistemas distribuyen el
agua en cada bordo de manera individual,
hasta que se alcanza la lámina deseada La
pendiente máxima permisible es del 2 %, con
bordos de 60 cm de altura y con una altura
libre de bordo de 15 cm. Los bordos pueden
estar separados hasta 30 m, de manera que
el nivel del agua coincida con la parte baja
del bordo aguas arriba y con una altura de 40
cm como máximo en el bordo aguas abajo.
Es recomendable la construcción de una
zanja aguas abajo de los bordos, para que
conduzca el escurrimiento y lo derrame,
hasta que se almacene a lo largo y ancho de
los bordos, así también como la instalación
de un vertedor de excedencias en la parte
baja del bordo (Figura 3).
generar un volumen de agua que satisfaga las
necesidades del cultivo en 8 de cada 10 años.
Los sistemas con probabilidad menor se
clasifican como “dudosos” y deben ser
simples, poco costosos y satisfacer la
demanda por lo menos en 1 de cada 5 años.
Obra de derivación. Esta debe ser
automática y no requerir el control manual
para derivar el agua, excepto en aquellos
cauces que se esperen flujos con duraciones
de más de 24 horas; la obra debe ser capaz
de resistir la avenida máxima esperada. Se
deben tener medidas de control que aseguren
que al sistema de conducción sólo entre la
cantidad de escurrimiento necesario. Donde
la corriente transporte una gran cantidad de
sedimentos, se debe evitar la entrada al
Figura 3. Sistema de entarquinamiento de control manual.
Criterios de diseño
Area de drenaje. Es la superficie que
contribuye con escurrimientos o la relación
de área de aporte- área beneficiada; para un
sistema “seguro” de manejo de escorrentías
el área de aporte debe ser suficiente para
6
Sistema de Agronegocios Agrícolas
sistema de los sedimentos gruesos
provenientes del cauce. La obra de entrada
debe diseñarse de manera que se pueda
excluir el escurrimiento cuando no se desee
que se derive al área de cultivo.
Sistema de conducción. El sistema de conducción debe tener la capacidad de conducir con
seguridad el gasto de diseño de la obra de derivación al área de siembra.
Area de siembra. En ésta se deben localizar las
zanjas, los bordos, las presas de derivación y demás
estructuras, de tal manera que distribuyan
uniformemente el escurrimiento en la parcela o la
entarquinen dependiendo del sistema de
escurrimientos seleccionado. Se debe nivelar o
suavizar el terreno, remover las obstrucciones a fin
de obtener la distribución uniforme del agua y
mejorar la eficiencia de las operaciones agrícolas.
Si el agua se va a distribuir en el área de cultivo, la
lámina aplicada debe ser aproximadamente igual a
la cantidad de agua que el suelo puede absorber en un período igual a la duración estimada del
escurrimiento. Para suelos con permeabilidad rápida o muy rápida, esta lámina debe ser mayor
a la necesaria para saturar la zona radicular.
Si el agua se va a entarquinar, la lámina debe igualar aproximadamente la capacidad de
retención de humedad del perfil del suelo en la zona de crecimiento radicular.
Bordos para entarquinamiento. La lámina máxima
de entarquinamiento con bordos es de un metro con
excepción de canales o cárcavas con menos de 10 m de
ancho donde se pueden permitir láminas de hasta 1.5 m.
La altura del bordo debe exceder al menos en 15 cm la
lamina de diseño; la anchura de corona mínima será de
90 cm, la pendiente de los taludes laterales no deben ser
mayor de 2:1.
La zona donde se construirán los bordos debe limpiarse
de vegetación y de cualquier otro material antes de poner
el material de relleno. El bordo debe construirse con una altura tal que permita por lo menos el
5% de asentamiento.
Desagües. Se debe considerar en el sistema un drenaje que permita que los excesos de agua
regresen al cauce original sin provocar problemas de erosión.
Los bordos deben tener un desagüe o sección para verter demasías, que esté por lo menos 30 cm
por debajo de la altura de diseño del bordo. Este desagüe puede ser un vertedor con vegetación,
una estructura de piedra acomodada, un vertedor de material estable, una tubería o alguna
combinación de lo anterior. La capacidad del vertedor debe exceder el gasto diseño al área de
Manejo de escurrimientos
7
entarquinamiento con un bordo libre no menor de 10 cm. El gasto de diseño debe ser estimado
para un período de retorno de 5 a 10 años.
Elementos de diseño
Considerando que el propósito de los sistemas de manejo de escurrimiento es distribuir el agua
de una tormenta en los terrenos agrícolas, es necesario conocer las características del área que
recibe el escurrimiento. Pueden utilizarse los métodos hidrológicos convencionales para predecir
el volumen de escurrimiento VS, el gasto máximo instantáneo Q, y el tiempo de concentración del
escurrimiento Tc. Si existe una retención importante en los canales de conducción, deben
considerarse variaciones en la tasa de escurrimiento calculado. El diseño con período de retorno
de 1.25 años, significa que el escurrimiento se presenta en 8 de cada diez años y su uso con fines
de diseño es “confiable”. Las tormentas con frecuencia de 2 años tienen una probabilidad de
ocurrencia del 50% y con fines de diseño son “cuestionables”; las tormentas con periodos de
retorno de 5 años tienen una probabilidad de ocurrencia del 20% y con fines de diseño son
“riesgosas”.
Lámina de diseño. En sistemas de flujo, la lámina por aplicar está determinada por la
duración del escurrimiento y las características de retención del suelo y la duración del
escurrimiento se relaciona con el tiempo de concentración; la relación entre estas tres variables
puede evidenciarse, al menos empíricamente. El Cuadro 2 puede usarse para estimar la lámina
por aplicar a partir del tiempo de concentración Tc y las características de infiltración del suelo.
El cuadro proporciona el tiempo estimado de duración del escurrimiento y la lámina de agua
que puede infiltrarse en diferentes condiciones de suelo.
Cuadro 2. Laminas de diseño de sistemas de manejo de escurrimientos del tipo regulador de descarga.
Características de drenaje
Tiempo de
Concentración (hr)
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
8
Duración estimada
del escurrimiento (hr)
8.5
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
12.0
12.5
13.0
13.5
14.0
Sistema de Agronegocios Agrícolas
Textura del suelo
Media
215
225
235
245
250
260
270
280
285
290
300
310
Moderadamente
fina
120
130
130
140
140
145
150
150
160
160
165
170
Fina
75
75
80
80
80
85
85
90
90
95
95
95
Muy fina
40
40
40
45
45
45
45
50
50
50
50
50
En sistemas de entarquinamiento, la lámina aplicada es igual a la que se puede almacenar en la
zona radicular (a menudo cerca de 1m). En este sistema, el volumen total de agua disponible
determina el área que puede ser regada por una tormenta determinada.
Capacidad de abastecimiento de agua . No es común usar todo el escurrimiento de una
tormenta, los sistemas de abastecimiento de agua se diseñan para transportar solo una fracción
del agua que puede ser distribuida. El volumen por derivar Vd se estima como:
Vd = daa
donde da es la lámina por aplicar (de diseño ) y a es el área de cultivo por beneficiar. Si se conoce
el volumen de la tormenta Vs, entonces el gasto por derivar puede calcularse a través de dos
ecuaciones. Primero se determina el gasto por derivar, Qd como:
Qd = rqQ
donde Q es el gasto máximo instantáneo y rq es un coeficiente empírico basado en la relación
Vd/Vs (Cuadro 3). Por otro lado, si el gasto por derivar esta determinado por las características
del sitio, entonces el volumen por derivar se estima como:
Vd = rv Vs
donde rv es un coeficiente empírico (Cuadro 4) basado en la relación Qd/Q.
Cuadro 3. Relación de volúmenes en sistemas de escurrimientos.
Relación Vd/Vs
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.650
0.700
0.750
0.800
0.850
0.900
0.950
1.000
rq
0.000
0.055
0.110
0.165
0.230
0.295
0.370
0.410
0.455
0.500
0.555
0.610
0.685
0.780
1.000
Manejo de escurrimientos
Manejo de escurrimientos
9
Cuadro 4. Relación de gastos en sistemas de manejo de escurrimientos.
Relación Qd/Q
rv
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.650
0.700
0.750
0.800
0.850
0.900
0.950
1.000
0.000
0.180
0.350
0.505
0.635
0.750
0.840
0.875
0.910
0.935
0.955
0.975
0.985
0.995
1.000
Desagüe . El exceso de agua debe canalizarse
en la salida de la parcela hacia un cauce
natural. Deben evitarse daños por erosión,
ruptura de bordos y otros posibles daños por la
salida del escurrimiento.
Textura del suelo moderadamente fina en el
área de siembra .
Determine el área a beneficiar con un sistema
de manejo de escurrimientos del tipo flujo de
inundación, para un abastecimiento
deseable, cuestionable e indeseable y el flujo
Ejemplo de cálculo:
Considere los siguientes datos para el cálculo de inundación para el sistema deseable.
del sistema:
Solución:
2
Area de drenaje: A=15.3 km
Flujo de inundación
Tiempo de concentración T = 1.77 hr
Tamaño máximo disponible de área de
Estimar el volumen de la tormenta para
esparcimiento: a= 556.7 ha
diferentes períodos de retorno de acuerdo con
Escurrimiento de tormenta de diseño (R):
el siguiente procedimiento (período de
R = 9.65 mm (Período de retorno de 5 años)
retorno de 1.25 años):
R = 4.32 mm (Período de retorno de 2 años)
R =1.78 mm (Período de retorno de 1.2 años) Vs = A * R
3
valores tenemos:
Gasto máximo unitario q = 0.0978 m /s por Sustituyendo los
2
3
Vs = 15.3 km * 1.78 mm
10 m
3
3
Vs = 27.23 * 10 m
Tipo de sistema = Flujo de inundación
c
3
10
Sistema de Agronegocios Agrícolas
El escurrimiento máximo instantáneo para el mismo período de retorno se estima de la siguiente
manera:
Q = q * Vs
Sustituyendo los valores tenemos:
Q = 0.0987 * 27.23
3
Q = 2.7 m /s
La lámina de diseño d se estima utilizando la información del Cuadro 2 con un tiempo de
concentración de 1.7 hr y textura moderadamente fina; el área máxima de siembra en hectáreas
se calcula utilizando la relación a = (Vs/da). Estos resultados se muestran en el cuadro siguiente:
Clase de sistemas
3
R (mm)
Deseable
Cuestionable
Indeseable
Vs * 10 m
1.78
4.32
9.65
28
67
150
3
3
Q m /s
da (mm)
2.7
6.56
14.66
132
132
132
A (ha)
21
51
114
Flujo de inundación para el sistema deseable
3
El escurrimiento máximo instantáneo estimado para el sistema deseable fue de 2.7 m /s. Para
estimar la relación Qd/Q, para el coeficiente rv se utiliza la información del Cuadro 4; para
conocer el volumen por derivar, se usa la relación Vd = (r * Vs) y el área a beneficiar se calcula
utilizando la relación a = (Vd/da). Los resultados se muestran a continuación:
Clase de sistema
Deseable
Q
Qd
qd/q
2.66
2.66
1
rv
1
Vs
27.23
vd
da
a
27.23 132
20.63
El ejemplo anterior considera como tormenta de diseño un solo evento de escurrimiento, en la
práctica es conveniente conocer la frecuencia con la que se presentan los escurrimientos, esto
permitirá aumentar la seguridad del sistema, prevenir problemas en el manejo del agua al
interior de la parcela y en un momento determinado ampliar la superficie de siembra sin que se
aumente el riesgo en el establecimiento y producción del cultivo.
Manejo de escurrimientos
11
Bibliografía de apoyo
Figueroa, S. B., et al.1990. Los sistemas de manejo de escurrimientos de la zona árida de
México. En Primer Simposium Nacional de Captación in situ del agua de lluvia y
manejo de escurrimientos superficiales a nivel parcela. Zacatecas, Zac.
Figueroa S., B.; J. Pimentel L. y J. M. Rodríguez O. 1991. Instructivo para la operación y
mantenimiento de módulos campesinos para manejo de escurrimientos superficiales.
Serie Documentos Técnicos del CREZAS No. 5. Colegio de Postgraduados. Salinas,
S.L.P. 49 p.
Hart, W.E. Collins; G. Woodward and S.A. Humphery S. 1980. Design and Operation
of Gravity or Surface Systems. In: Design and Operation of Farm Irrigation Systems. Am.
Soc. Agr. Engr. Michigan, USA. pp. 501-580.
Responsable de la ficha:
M.C. Erasmo Rubio Granados
Colegio de Postgraduados
Campus San Luis Potosí
Iturbide 73, Salinas de Hidalgo, SLP.
C.P. 78600
Tel. 01 (496) 3 02 40
Sistema de Agronegocios Agrícolas