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SECRETARIA DE AGRICULTURA, GANADERIA, DESARROLLO RURAL PESCA Y ALIMENTACION Subsecretaría de Desarrollo Rural Dirección General de Apoyos para el Desarrollo Rural

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Manejo de escurrimientos

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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.

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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

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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 (%)

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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

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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 )

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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

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