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 HERRAMIENTAS PARA LA ASISTENCIA TÉCNICA EN RIEGO POR GRAVEDAD Francisco Raúl Hernández Saucedo 1 ; Luis Rendón Pimentel 2 ; Francisco García Herrera 1 ; Samuel Pérez Nieto 1. 1 Universidad Autónoma Chapingo. Departamento de Irrigación. 2 Comisión Nacional del Agua. Subdirección General de Infraestructura Hidroagrícola. Gerencia de Distritos de Riego. Resumen Para el proceso de asistencia técnica en riego por gravedad en México, previsto en la Componente RIGRAT del Programa de Rehabilitación y Modernización de DR, incluido en los apoyos que la CONAGUA otorga a las ACU y SRL, se han definido y desarrollado una serie de herramientas en apoyo al trabajo que realizan los responsables técnicos contratados por estas Organizaciones de Usuarios. La diversidad de herramientas pueden catalogarse en metodológicas (previstas en el esquema operativo del RIGRAT), físicas (equipos de medición, cálculo y comunicación) y computacionales (aplicaciones informáticas). En este trabajo se describen y alinean, mostrando que su uso concatenado, puede dar resultados eficaces y eficientes, facilitando el trabajo y dejando al responsable técnico más oportunidad para el análisis, toma de decisiones e interacción con los responsables de la aplicación del riego y los beneficiarios. Las herramientas descritas, especialmente las computacionales, se han estado afinando y mejorando a medida que los responsables técnicos las usan en su trabajo, concluyendo sobre su gran utilidad en los procesos de asistencia técnica, particularmente en la generación, aplicación y evaluación de la receta de riego, por lo que se recomienda continuar con su uso y mejoramiento para potenciar su efectividad. Palabras clave: RIGRAT, Diseño, Evaluación, Modelos de infiltración.

2 Introducción La asistencia técnica en riego en México, particularmente en el riego por gravedad, ha tenido especial atención en la presente Administración Federal, contribuyendo a la línea de acción Promover la tecnificación del riego y optimizar el uso del agua, alineado con la estrategia 4 Impulsar el aprovechamiento sustentable de los recursos naturales del país, objetivo 10 Construir un sector agropecuario y pesquero productivo que garantice la seguridad alimentaria del país y la meta 4 México próspero, establecidas en el Plan Nacional de Desarrollo Este proyecto se inició con una gran expectativa, considerando que en el ámbito de los Distritos de Riego, la asistencia técnica en el riego por gravedad a nivel parcelario, permaneció sin atención significativa desde 1976 (fecha en que se dio por terminado el Plan de Mejoramiento Parcelario, conocido como PLAMEPA y que estuvo en operación durante 9 años). El actor principal en el proyecto RIGRAT, es el Responsable Técnico (RT), a quien se le ha dotado de herramientas metodológicas y computacionales durante la etapa de capacitación. En una segunda etapa, se le ha estado proveyendo de herramientas físicas (equipo topográfico, dispositivos aforadores, medidores de humedad del suelo, entre otros), completando con ello lo necesario para realizar su trabajo. Existen objetivos generales, específicos y metas a alcanzar con el RIGRAT, entre los que destaca aumentar la eficiencia de aplicación del riego a nivel parcela, para rescatar importantes volúmenes que se desperdician, mediante el trazo, diseño, aplicación, evaluación y seguimiento del riego, lo cual refleja la gran importancia de este proyecto. En lo que respecta a la importancia de este trabajo, enmarcado en el proyecto RIGRAT, radica en que pretende afinar las herramientas metodológicas y computacionales, contribuyendo con ello a alcanzar de manera eficaz y eficiente las metas y objetivos del programa. Materiales y Métodos Los materiales utilizados en este trabajo son algunas de las herramientas metodológicas e informáticas con que se ha dotado a los responsables técnicos, durante la etapa de capacitación: proceso de obtención de la receta de riego, EVAGRAV (programa de cómputo para la evaluación del riego por gravedad), desarrollado por académicos de la UACh y adaptado para su uso en el proyecto; RIGRAV (diseño del riego por gravedad), modelo de simulación adaptado y mejorado por los autores para su uso en el proyecto y SINIVET 5.0 Plus, sistema informático para el proyecto de nivelación de tierras agrícolas. También se considera en el trabajo el uso de equipo topográfico, de medición del caudal y de medición de la humedad del suelo. 2

3 El método consiste en describir y analizar las herramientas, considerando la experiencia generada en su utilización en el proyecto RIGRAT, para identificar aspectos a corregir o mejorar. Análisis y discusión de resultados Herramientas metodológicas. En este apartado se describen los métodos y/o procedimientos que se definieron y alinearon con motivo del diseño del esquema operativo que se formuló para generar la receta de riego para una extensión territorial homogénea constituida por un grupo de parcelas, a partir del estudio de una parcela representativa, los cuales se han ido precisando, adecuando y complementando, en función de las condiciones de cada Distrito de Riego o Región, así como de la información disponible. El esquema metodológico recomendado, parte de una evaluación de campo de un riego, en las condiciones en las que el regador efectúa su trabajo normalmente (figura 1). Figura 1. Esquema metodológico para obtener la receta de riego. Esta forma de iniciar el proceso, coincide con lo recomendado por técnicos del US-Arid Land Agricultural Research Center y ha probado ser una magnífica forma de interactuar con el regador y conocer sus prácticas de trabajo, pero sobre todo conocer de viva voz la importancia que le da a su trabajo y entender su forma de actuar. Paralelamente, se harán las observaciones, mediciones y registros pertinentes para evaluar el riego efectuado. De esta forma, al término de estos trabajos, además de contar con una calificación objetiva, basada en los parámetros clásicos de desempeño del riego (eficiencia de aplicación, eficiencia del requerimiento y coeficiente de uniformidad de Christiansen), se tendrán también los elementos para una primera estimación de los parámetros físicos de la ecuación de infiltración de Green y Ampt, ampliamente recomendada en los modelos matemáticos de simulación que se han desarrollado con el fin de apoyar al proceso de 3

4 diseño, mediante el enfoque de generar una receta de riego que maximice la eficiencia de aplicación, manteniendo niveles altos de eficiencia del requerimiento y de la uniformidad de la aplicación de riego. Herramientas físicas (equipo). Los diferentes aspectos considerados en el proceso de asistencia técnica (diseño y evaluación del riego, programación del riego en tiempo real, entrega y cobro del agua por volumen a los usuarios y proyectos ejecutivos de nivelación de terrenos), demandan la caracterización geométrica del predio, de las características físicas del suelo, contenido de humedad al momento del riego, variables climáticas, medición del agua y levantamientos topográficos. Todo ello requiere equipo especializado como equipo topográfico, instrumentos de muestreo y análisis de suelos, medidores de humedad del suelo, de caudal de agua y estaciones meteorológicas automáticas, entre otros, cuya disponibilidad es indispensable para el cumplimiento de los objetivos de la asistencia técnica en el riego por gravedad. Herramientas computacionales. Para apoyar y potenciar los resultados en las diversas actividades involucradas en la asistencia técnica en el riego por gravedad, se han desarrollado, adaptado y/o mejorado varias herramientas informáticas. Éstas, se han generado en el ámbito académico de la Universidad Autónoma Chapingo y del Colegio de Postgraduados, así como de instituciones afines como el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, y en los últimos dos años se han adaptado, mejorado y alineado para auxiliar a los técnicos que se dedican a la asistencia técnica del riego por gravedad en los distritos de riego de México. EVAGRAV Ver Este programa de cómputo desarrollado por académicos del Departamento de Irrigación de la Universidad Autónoma Chapingo, es una versión mejorada de EVAGRAV 1.0 (Hernández, 1998). El programa permite evaluar la eficiencia y efectividad de eventos específicos de riego, para las principales modalidades del riego por gravedad (melgas y surcos), de cuyos resultados se pueden sugerir medidas para el mejoramiento del riego. El programa está diseñado para alimentarlo con datos de campo, tales como la geometría de la melga o surco, el caudal, tiempo de riego aplicado, lámina de riego que se pretende aplicar (lámina de riego de diseño), así como los tiempos de avance y recesión monitoreados en puntos equidistantes a lo largo de la melga o surco. Esta aplicación informática también requiere de alimentarla de una función de infiltración acumulada tipo Kostiakov, la cual puede ser obtenida previo al riego mediante una prueba de infiltración con cilindros infiltrómetros, o mejor aún, deducida de los datos de avance mediante el método de los dos puntos (Walker, 1989), en cuyo caso se requiere medir e ingresar el tirante de flujo en la cabecera de melga y el área hidráulica en la cabecera del surco. La lámina de riego de diseño, debe calcularse a partir del contenido de humedad volumétrico del suelo antes del riego, el contenido de humedad volumétrico a saturación y 4

5 la profundidad del suelo a humedecer. La información de campo se complementa levantando un perfil longitudinal de la melga o surco, mediante un nivel topográfico, que ayudará a entender mejor el comportamiento de los procesos de avance y recesión. Es importante enfatizar que el programa EVAGRAV 2.0 se diseñó como una herramienta de análisis de datos reales para la evaluación en campo y no como una herramienta de simulación (modelo). En la imagen de la figura 2 se muestra la información de la evaluación del primer riego de auxilio en alfalfa sembrada en melgas, con una pendiente de 0.02 % y extremo final cerrado, en el Módulo 16 del DR 014 Río Colorado en una parcela con suelo de la serie Gila Fase Ligera, de textura franco arcillosa, cuyas características físicas se muestran en el cuadro 1. La lámina de riego de diseño, para humedecer 1.00 m de este suelo, considerando un consumo antes del riego de 65 % de la humedad aprovechable y un 25 % de lámina de sobre riego para mantener un balance salino favorable fue de 10.5 cm. Profundidad cm Figura 2. Ingreso de datos de campo de la melga evaluada. Cuadro 1. Características físicas del suelo de la melga evaluada. Arena % Limo % Arcilla % Suelo Serie GILA fase Ligera Textura CC % PMP % HA % g/cm Migajón limoso Migajón limoso Migajón arcilloso Migajón limoso Franco Franco Migajón arcilloso Migajón limoso Migajón limoso Franco Migajón arenoso fino Da 5

6 Una utilidad adicional de EVAGRAV 2.0 es que permite calibrar la función de infiltración, tomando en cuenta que en nuestro país, el riego por gravedad se practica con la condición de frontera inferior cerrada, es decir, sin permitir pérdidas por coleo. El proceso de calibración consiste en modificar por prueba y error el parámetro k de la función z = kt a, de tal forma que los coleos sean nulos, lo cual corrige limitaciones del propio método de los dos puntos e incorpora el comportamiento de la infiltración en periodos de tiempo posteriores al avance, ya que en este proceso correctivo interviene el tiempo de oportunidad y por tanto el proceso de recesión. En la figura 3 se muestra una imagen con los resultados de la evaluación, con los parámetros de la función de infiltración de Kostiakov antes y después de la calibración del parámetro k. La figura 4 muestra el diagrama de distribución de agua correspondiente. Figura 3. Imagen de los resultados de antes y después de la calibración del parámetro k. Figura 4. Diagrama de distribución de agua resultado de la evaluación. Recientemente, se le incorporó al EVAGRAV, en su versión 2.1, la capacidad de obtener los parámetros de la función de infiltración acumulada de Green y Ampt (G&A). Este proceso se realiza en dos etapas: en la primera, a partir de las función de infiltración de Kostiakov calibrada (KC), se genera una gráfica en el rango de interés, la cual se sobrepone a las gráficas de infiltración de G&A elaboradas con los parámetros sugeridas en la literatura (Rendón et. al., 2012) para las clases texturales comunes. Una vez elegida la gráfica de G&A que mejor se ajusta a la gráfica de KC (figura 5), se procede a afinar la 6

7 calibración (también gráficamente), modificando el parámetro Ks (conductividad hidráulica a saturación) y/o hf (succión en el frente de humedecimiento), hasta lograr el mejor ajuste entre ambas gráficas, a criterio del responsable técnico (figura 6). Figura 5. Primer paso de la obtención de parámetros de infiltración de Green y Ampt. Figura 6. Ajuste final de parámetros de infiltración de Green y Ampt. Una evaluación del riego planeada y ejecutada exitosamente permite sugerir medidas inmediatas para su mejoramiento (en caso necesario) y al mismo tiempo provee los parámetros de la función de G&A calibrados, con lo cual puede alimentarse a un modelo de simulación como al RIGRAV 3.0, para realizar un diseño y obtener una receta de riego. La evaluación de campo también da oportunidad de observar diversos aspectos y algunos problemas que suelen presentarse en los riegos cotidianos, como por ejemplo la forma de entregar el agua a los surcos o melgas (rompiendo la regadera, usando sifones o tubería multicompuerta), si se presenta ruptura y traspaso de agua entre surcos o si el avance 7

8 ocurre con frente uniforme o irregular, debido a problemas de microrelieve adverso o alguna otra situación. RIGRAV Ver Los antecedentes de este programa se remontan al año de 1989, con el nombre de RIMEL (riego por melgas), resultado de una tesis de maestría dirigida por el Dr. Luis Rendón Pimentel en el Colegio de Postgraduados. En el periodo de 1990 a 1994 fue validado en parcelas demostrativas de riego por gravedad en el Distrito de Riego 085, la Begoña, Guanajuato, mediante el trabajo de campo de técnicos del Colegio de Postgraduados y del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua; en ambos casos supervisados por Rendón Pimentel. En 1995 en la Coordinación de Tecnología de Riego y Drenaje del IMTA, se le realizaron al RIMEL algunas adecuaciones para extender su aplicación al diseño del riego por surcos; es en esta etapa cuando se le denomina RIGRAV y se le actualiza la parte gráfica. De 1997 a 2001 personal técnico de la Coordinación de Tecnología de Riego y Drenaje del IMTA mejoraron paulatinamente este programa, hasta su versión 2.1. La versión actual, RIEGRAV 3.0 es producto de la revisión y actualización de la versión 2.1, realizada por académicos del Departamento de Irrigación de la Universidad Autónoma Chapingo, para su uso en la implementación del Proyecto RIGRAT El programa permite realizar diseños de riego por melgas y surcos, con pendiente y extremo final cerrado. El programa se basa en el modelo hidrológico, acoplado con el modelo de infiltración de Green y Ampt, lo que le confiere capacidad para simular diferentes condiciones de humedad inicial. RIGRAV 3.0 fue escrito y compilada en Lenguaje Delphi 7.0, y puede correr en plataforma Windows XP, Windows Vista, Windows 7 y Windows 8. En la presente versión, se mejoró el cálculo del Coeficiente de Uniformidad de Christiansen (CUc), para tomar en cuenta que las láminas resultantes de la simulación, no son igualmente representativas. Lo anterior, en razón de que el modelo resuelve el avance y la infiltración, mediante pasos de tiempo constantes, dando lugar a incrementos de distancia monotónicamente decrecientes, por lo que en situaciones extremas el valor de CUc resultaba con valores muy bajos y en ocasiones con valores negativos. Por otra parte se incrementó el límite superior del rango de entrada del coeficiente de rugosidad de Manning (hasta n=0.25), para considerar la resistencia al flujo en condiciones avanzadas de desarrollo de cultivos de cobertura total (típicamente en melgas) y se le incluyó la posibilidad de seleccionar un valor de coeficiente de rugosidad de Manning de una pequeña base de datos recomendados por el SCS del USDA (actualmente NRCS). También se incrementó el límite superior del rango de entrada del contenido de humedad de saturación (Ɵs), hasta un valor de 0.65, para considerar suelos muy porosos. Finalmente, se mejoró ligeramente la interface gráfica. 8

9 En la medida que se alimente al programa con parámetros medidos o calibrados de la función de infiltración de Green y Ampt, un valor representativo de coeficiente de rugosidad de Manning, la longitud de melga o surco y un valor medido no nulo de la pendiente de la melga o surco en la dirección del riego, RIGRAV 3.0 arrojará diseños razonables, que conduzcan a definir una receta de riego, como se ilustra en la figura 7, en la que se han usado los datos resultantes de la evaluación de riego en melgas referida en párrafos anteriores. Figura 7. Resultado del diseño con RIGRAV 3.0. La introducción de parámetros de Green y Ampt, obtenidos a partir de una función de infiltración de Kostiakov calibrada con datos de avance y recesión, es una opción ahora disponible, con el programa EVAGRAV 2.0, como se explicó en la descripción de esta aplicación. Sin embargo, se está implementando un proceso complementario que se agregará a RIGRAV 3.0, para que previo a la modelación, verifique y en su caso afine el proceso de calibración de parámetros de la función de infiltración de Green y Ampt, comparando los procesos simulados y medidos de avance y recesión. El diagrama de láminas infiltradas correspondiente al diseño se muestra en la figura 8. En ella se observa el agua perdida por percolación profunda. La figura sugiere que puede rescatarse más agua con el proceso de diseño, sin embargo, el programa no es capaz de incrementar más la eficiencia de aplicación (Ea). La manera en que pudiera incrementarse la Ea es disminuyendo el tiempo de riego, pero este modo de operación del programa, así como la capacidad de modelar melgas o surcos a nivel, está en proceso de desarrollo. 9

10 Figura 8. Diagrama de distribución de agua resultante del diseño con RIGRAV 3.0. SINIVET 5.0 Plus. El programa SINIVET Plus, surge como una adaptación de las versiones más recientes de SINIVET, que fue evolucionando en el ámbito académico de la Universidad Autónoma Chapingo y del Colegio de Posgraduados. La primera versión se desarrolló hace poco más de 22 años, en el siglo pasado. A través del tiempo, se fue mejorando y adaptado al desarrollo de la tecnología computacional. Cada versión, cubrió algún objetivo específico y se desarrolló según el sistema operativo en uso. Desde su versión inicial, SINIVET 1.0, calcula las pendientes del plano proyecto a partir de cotas topográficas capturadas mediante una cuadrícula rectangular, utilizando el método general de mínimos cuadrados (regresión lineal múltiple con dos variables independientes). Además, se podía aplicar en terrenos de cualquier forma geométrica y obtener datos de construcción, volúmenes de corte y el costo del movimiento de tierras. SINIVET Plus (versión 5.0), incluye ahora la opción de procesar un levantamiento realizado con estación total (mediante radiaciones), en el que los puntos levantados no tienen que ser en cuadrícula, y a partir de ellos crea una cuadrícula de tamaño definido por el usuario. El cálculo del plano proyecto se realiza con las cotas topográficas tomadas en campo; y se hace necesario crear una cuadrícula homogénea debido a que para el cálculo de volúmenes de cortes y rellenos se usa el método en los cuatro puntos del USDA, que solicita datos de construcción en los cuatro vértices de un cuadro representativo. Esta herramienta computacional ha venido a incrementar la productividad de los responsables técnicos del RIGRAT, en los proyectos de ejecutivos de nivelación de tierras, empleando la opción de cálculo con datos topográficos provenientes de levantamientos con estación total, mediante radiaciones a puntos del terreno, sin que estos correspondan a una cuadrícula. 10

11 Conclusiones Las herramientas descritas y analizadas, especialmente las computacionales, se han estado afinando y mejorando a medida que los responsables técnicos las utilizan, contribuyendo a incrementar la efectividad y eficiencia del trabajo en el RIGRAT, por lo que se concluye sobre su gran utilidad en los procesos de asistencia técnica, particularmente en la generación, aplicación y evaluación de la receta de riego y se recomienda continuar con su uso y mejoramiento para potenciar su utilidad. Referencias Bibliográficas Hernández S. F. R Evaluación y mejoramiento del riego por gravedad (EVAGRAV 1.0). Memorias del VIII Congreso Nacional de la Asociación Nacional de Especialistas en Irrigación, A. C., celebrado del 2 al 4 de septiembre de 1998 en Cd. Lerdo, Durango. Rendón, P. L; Saucedo, R. H. y Fuentes, R. C Diseño del riego por gravedad. En: Riego por gravedad. Editado por Carlos Fuentes y Luis Rendón. Universidad Autónoma de Querétaro. Querétaro, Qro. México. Walker, W. R Guidelines for designing and evaluating Surface irrigation systems. Boletín 45 FAO. Roma, Italia. pp: