Drenaje superficial-en-terrenos-agricolas

“SECRETARÍA DE AGRICULTURA, GANADERÍA,

DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACIÓN”

Subsecretaría de Desarrollo RuralDirección General de Apoyos para el Desarrollo Rural”

Drenaje Superficialen Terrenos Agrícolas

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DRENAJE SUPERFICIAL EN TERRENOS AGRÍCOLAS

IntroducciónDefinición. El drenaje agrícola es el conjunto de obras que es necesario construir en una parcela cuando existen exce-sos de agua sobre su superficie o dentro del perfil del suelo, con el objeto de desalojar dichos excedentes en un tiempo adecuado, para asegurar un contenido de humedad apro-piado para las raíces de las plantas y conseguir así su ópti-mo desarrollo.

Tipos de problemas de drenaje agrícola. Existen funda-mentalmente dos tipos, superficial y subterráneo.

Drenaje superficial. También llamados por inundación, anegamiento o encharcamiento de los terrenos, que se caracteriza por la presencia de una capa o lámina de agua sobre la superficie del terreno que satura la parte superior del suelo. Esta capa de agua puede cubrir solo las partes más bajas de una parcela, formando charcos más o menos aislados. Cuando se remueven los excesos de agua que se acumulan sobre la superficie, se habla de drenaje superfi-cial y este es del presente trabajo.

Los problemas de drenaje superficial se dan con mayor fre-cuencia en zonas húmedas, cuando se rebasa la capacidad natural de drenaje de los suelos, ya sea superficial, interna o ambas.

Drenaje subterráneo. También conocido como interno o subsuperficial, que se caracteriza por la presencia de un manto freático cercano a la superficie del terreno que satu-ra el perfil del suelo y propicia una humedad muy alta en la zona de desarrollo de las raíces de los cultivos. Cuando se

remueven los excesos de agua de una cierta profundidad del suelo, se habla de drenaje subterráneo.

Los problemas más importantes de drenaje interno se dan en zonas áridas y semiáridas bajo riego, en donde existen fuertes filtraciones en canales o en las parcelas que alimen-tan los niveles freáticos; lo que combinado con una red de drenaje insuficiente o ineficiente, propicia la elevación de los mantos freáticos.

Causas. En general, las causas de los problemas de drenaje son de dos tipos, por su origen (natural o artificial) y por su tipo de actividad (activa o pasiva). Las causas calificadas como naturales son más frecuentes en las zonas húmedas, mientras que las artificiales ocurren más frecuentemente en las zonas áridas de riego.

Las causas activas están relacionadas con aportaciones abundantes de agua, ya sean naturales (lluvias intensas, desbordamientos, inundaciones, etc.) o artificiales (riegos). Las pasivas son cuando existen impedimentos general-mente naturales para desalojar dichos excesos de agua, ya sean topográficos, suelos poco permeables, restricciones del perfil del suelo, etc., aunque también pueden ser artifi-ciales, como obstrucciones de diferente tipo, red de drena-je inadecuada, azolvamiento, etc.

Para evaluar la gravedad de un problema de drenaje, am-bas causas deben ser analizadas conjuntamente, lo cual en términos cualitativos se explica con relativa facilidad, pero se complica considerablemente cuando se pretende ex-plicar en términos cuantitativos. Por ejemplo, una recarga dada puede no producir problemas de exceso de agua si no se tienen impedimentos para su salida y en cambio, la misma recarga con dificultades para desalojarse producirá un problema.

Efectos. Los problemas de drenaje se presentan cuando las inundaciones superficiales asfixian a los cultivos, debi-do a que el aire es reemplazado por el agua. Esto evita toda posibilidad de provisión de oxígeno y afecta también a la actividad biológica y al mismo suelo. Además, internamen-te reduce el volumen de suelo disponible para las raíces, afectando la aireación y el desarrollo radicular, por lo que se disminuye la capacidad de absorción de agua y nutrientes de la mayoría de las plantas.

Un drenaje interno ineficiente en áreas bajo riego, además de afectar la aireación e intercambio gaseoso, las aguas

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freáticas generalmente presentan altos contenidos de sa-les, originando en muchas ocasiones problemas de ensa-litramiento de los suelos. Aunque también se presentan en zonas tropicales, las aguas freáticas tienen bajos conte-nidos de sales, por lo que más que considerarse como un problema, pueden ser aprovechadas para la subirrigación de cultivos.

Información necesaria a considerar para identificar los problemas de drenaje. Los datos que en general hay que tomar en cuenta son:

Origen del agua y cantidad Problemática ocasionadaVolúmenes de agua a desalojar Tipo y permeabilidad del sueloPendiente del sueloEstabilidad estructural de los diferentes horizontes del perfil del sueloTipo de agricultura a realizar¿Cómo y a dónde se va a desalojar el agua?

Objetivos Objetivos específicos y propósitos de una práctica de dre-naje.

● Restablecer condiciones adecuadas para el desa-rrollo de los cultivos.

● Eliminar el exceso de agua del suelo (superficial o internamente), a fin de mantener las condiciones de aireación y las actividades biológicas indispen-sables para cumplir los procesos fisiológicos rela-tivos al crecimiento radical. Esto garantizará que los cultivos no se ahoguen y tengan un mejor de-sarrollo de las raíces, lo que a su vez significa un adecuado soporte mecánico y un mayor acceso al agua y a los nutrientes.

● Abatir niveles freáticos someros. ● Crear condiciones que permitan mediante la apli-

cación de lavados, remover las sales en exceso del perfil del suelo y el mantener un balance salino.

Objetivos estratégicos de los sistemas de drenaje (en zo-nas húmedas y áridas). Contribuir a conservar y aumen-tar la productividad agrícola minimizando los impactos negativos, tanto de excesos de agua y de sales como los ambientales.

Beneficios y desventajas del drenaje agrícola. Beneficios. Los principales beneficios que se obtienen en suelos bien drenados son:

● Evitar los impactos ambientales negativos. ● Minimizar los efectos negativos en la productivi-

dad de las parcelas. ● Incrementar la cantidad de oxígeno, favoreciendo

el intercambio gaseoso. ● Evitar el desarrollo de enfermedades fungosas. ● Permitir un mejor y más profundo desarrollo radi-

cular de las plantas, aumentando la disponibilidad y el aprovechamiento de agua y de nutrimentos, lo que a su vez las hace más resistentes a la sequía e incrementa su rendimiento.

● Facilitar el acceso a las parcelas y la movilización de maquinaria e implementos para realizar las la-bores culturales, colectar la cosecha, manejar el suelo y los cultivos, etc.

● Favorecer las condiciones térmicas del suelo y se puede calentar más rápido en primavera per-mitiendo la siembra temprana, ya que un suelo pobremente drenado requiere 5 veces más de ca-lor para elevar 1° C su temperatura que un suelo seco.

● Disminuir las pérdidas de nitrógeno del suelo oca-sionadas por la desnitirificación.

● Propiciar una mayor actividad biológica, que fa-vorece la formación de una mejor estructura del suelo y una mayor fertilidad.

Desventajas. Las principales desventajas del drenaje agrí-cola son:

● Altos costos de inversión, debido a que se requie-re de cierto tipo de obras (movimiento de tierras, surcos y zanjas, drenes topo, drenes subterráneos, colectores, etc.),

● Existe mayor posibilidad de que se tenga erosión hídrica,

● En años secos aumenta el déficit hídrico, por lo que los cultivos reducen sus rendimientos.

● Los drenes abiertos ocupan un área que podría aprovecharse para los cultivos.

● Los taludes de los drenes y zanjas abiertas son susceptibles a la erosión, por lo que requieren obras de protección que son costosas. Además, su mantenimiento debe ser estricto para evitar la in-vasión de malezas o el exceso de sedimentos que les restan capacidad de evacuación.

● El drenaje subterráneo contribuye a la pérdida o

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reducción de nutrientes del suelo. ● Cuando existen terrenos de propiedad particu-

lar dentro de la zona de riego, los drenes deben respetar al máximo posible los linderos de dichas propiedades, lo que limita al sistema.

Características de los dos tipos de drenaje agrícola.

Las características principales de los dos sistemas de drena-je, superficial y subterráneo, se presentan a continuación.

Sistema de drenaje superficial. Son obras o acciones que se realizan sobre la superficie del terreno, para propiciar el escurrimiento por gravedad de los excesos de agua a ve-locidades no erosivas y que tampoco cause problemas de sedimentación, así como para interceptar y desviar el agua que se dirige hacia la parcela desde terrenos colindantes más altos.

De acuerdo con Palacios (2002), las condiciones que gene-ralmente se presentan para que ocurra este tipo de proble-mas, son:

● Precipitaciones de “alta” intensidad, ● “Baja” velocidad de infiltración del agua en el sue-

lo, inferior a la intensidad de la precipitación. ● “Poca” pendiente de los suelos que no propicia el

escurrimiento.

Un sistema de drenaje superficial tiene tres componen-tes básicos, 1) el sistema de recolección, 2) el sistema de desagüe y 3) el sistema de colección (drenes superficiales colectores), que reciben el escurrimiento captado para trasladarlo fuera de los límites de los terrenos protegidos y posteriormente a algún cauce natural, reservorio, mar, etc.El sistema de recolección del agua puede ser uno o compo-nerse de varias de las siguientes obras:

● Nivelación, emparejamiento o “conformación” de la superficie del terreno, con el fin de suprimir las hondonadas o depresiones que acumulen agua o bien dando pendientes suaves al terreno para que propiciar el escurrimiento del agua.

● Surcos profundos y con pendiente continúa hacia una zanja conectada con los colectores de drena-je.

● Zanjas, canales o desagües, ya sean para intercep-tar, captar y desalojar el agua o para unir las partes bajas de los terrenos con los colectores de drena-je.

● Bordos para protección o encauzamiento del agua hacia las zanjas colectoras.

● Se puede complementar con drenes “topo” o con drenaje subterráneo entubado.

● Colectores de drenaje. ● Pozos de absorción o drenaje vertical. ● Una combinación de los anteriores.

Los canales, zanjas, bordos y drenes subterráneos pueden construirse de tres formas:

● En paralelo en terrenos casi planos con topografía uniforme.

Figura 1. Sistema paralelo

● Con pendiente cruzada que siguen el contorno de la pendiente en terrenos moderadamente inclina-dos de topografía irregular (espina de pescado).

Figura 2. Espina de pescado

● Localizado para drenar las depresiones donde existen encharcamientos en terrenos relativamen-te planos de topografía ondulada.

Figura 3. Sistema localizado

Fuente: Types of relief drainage systems (SCS-USDA: Drainage of Agricultural Land (1973)

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Sistema de drenaje subterráneo. Consiste de obras que se construyen bajo la superficie del suelo, para captar y desalojar excesos de agua derivados de filtraciones o de niveles freáticos elevados.

Pueden ser drenes interceptores colocados perpendicular o transversalmente a las líneas de corriente para recoger los flujos de agua libre y drenes colectores o de desagüe, orientados según las líneas de pendiente para conducir el agua fuera de la parcela. Estos a su vez, también deben des-embocar a drenes superficiales colectores

Hay cuatro tipos de drenaje subterráneo:

● Zanjas abiertas profundas ● Zanjas profundas cubiertas con filtros de grava,

arena, etc., así como con tubos. ● Drenes internos cilíndricos o tubulares sin revesti-

miento: drenes topo. ● Drenes internos cilíndricos revestidos o drenaje

entubado, que es el más común en la actualidad.

EspecificacionesDiseño de la red. Según Rojas (1976), el diseño de un siste-ma de drenaje superficial comprende dos fases principales, el trazo y el diseño de las secciones hidráulicas.

Trazo de la red. El trazo de la red de drenaje, consiste en la elaboración de un plano con la ubicación de cada uno de los drenes primarios y secundarios. Para dicho trazo se tomarán en cuenta según IMTA (1986), las siguientes espe-cificaciones:

Localización. Los drenes deberán localizarse siempre so-bre cauces naturales, con los acondicionamientos que re-quieran para darles la capacidad y funcionamiento adecua-dos, ya que en esta forma se logrará una economía en vías, obras y se evitan afectaciones innecesarias.

Parcelamiento. El trazado debe facilitar en lo posible un parcelamiento adecuado, ya que la tenencia de la tierra in-fluye en la densidad de la red básica de drenaje. Así, mien-tras mayor sea el tamaño de los predios o lotes, menor será el número de los mismos y por lo tanto, la longitud de los canales de desagüe.

Trazo. IMTA (1986) señala que para tener un mejor fun-cionamiento hidráulico, es deseable que los canales de desagüe tengan trazo recto y que se eviten en lo posible cambios de dirección. Sin embargo, es mejor el que se ob-tiene mediante canales que sigan las partes de bajas de los

terrenos encharcados, en cuyo caso es necesario construir curvas en cada cambio de dirección. En general, deberán evitarse las curvas muy cerradas, eligiendo curvas suaves a fin de mejorar las características hidráulicas y la estabilidad de las secciones de los canales de desagüe.

El IMTA (1986) recomienda para el diseño de curvas las si-guientes curvaturas mínimas señaladas en el Cuadro 1.

Cuadro 1. Radios mínimos de curvatura (m) en sue-los estables y sin protección en los márgenes.

De acuerdo con Palacios (2002), la disposición de los des-agües y colectores parcelarios bajo distintas condiciones de pendiente de los terrenos son:

● Pendiente mínima. Los desagües y los colectores deben ser perpendiculares, que sus longitudes sean moderadas, con espaciamientos homogé-neos y sus pendientes deben ser continuas.

Zanjas pequeñas con anchomenor de 4.5 m.

Zanjas de tamaño mediano

con un ancho de 4.5 a 10.7 m.

Zanjas grandes con ancho

mayor a 10.7 m.

Menos de 0.05

De 0.05 a 0.10

Menos de 0.05

De 0.05 a 0.10

Menos de 0.05

De 0.05 a 0.10

90

122

152

183

183

244

19

14

11

10

10

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Fuente: IMTA, 1986.

Figura 4. Distribución de planos de escurrimiento y desagües en terrenos sin pendiente.

● Con pendiente hacia una sola dirección. Se deben ajustar los drenes de modo que las longitudes sean las adecuadas, de tal manera que no se al-cancen velocidades de escurrimiento que provo-quen erosión. Los colectores se colocan perpen-diculares a la pendiente, en forma de tajos que captan los escurrimientos.

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Figura 5. Distribución de planos de escurrimiento y desagües en terrenos con pendiente.

El diseño del sistema de desagües de acuerdo con Palacios (2002), consiste en:

● Localizar el sitio, generalmente de un colector, que puede ser una zona baja, donde se recibirán los volúmenes de agua removidos. Cuando las condiciones topográficas no permiten la salida gravitacional del agua, tiene que considerarse una estación de bombeo, con todo lo que esto implica.

● Definir la ubicación en planta de los desagües, lo que implica definir su espaciamiento y localiza-ción.

● Definir la capacidad de conducción y dimensiones de la sección hidráulica de los desagües y colecto-res de drenaje superficial.

Estructuras. Al momento de realizar los levantamientos to-pográficos, se localizan estructuras del sistema de desagüe y entre las principales están los puentes, alcantarillas, caí-das, entradas de agua, vados, remates finales, etc.

Diseño de las secciones hidráulicas. La influencia de la rugosidad de taludes y fondo de un canal o dren se mani-fiesta en función del tamaño de la sección hidráulica. IMTA (1986), propone la siguiente relación:

Donde:n = Coeficiente de rugosidad (adimensional)r = radio hidráulico, mLos valores de los coeficientes de rugosidad se presentan en el Cuadro 2.

Cuadro 2. Valores de n para canales y zanjas dados por Hartón.

La Ecuación 1 o el Cuadro 2 se utilizará en base a la informa-ción disponible y cuando se utilizan ambos, es preferible utilizar el valor mayor.

Velocidades máximas y mínimas permisibles “V” (m/s) en los drenes. Velocidad máxima permisible. Según Luthin (1967), para evitar el deslave en las zanjas abiertas desprovistas de ve-getación, antes del diseño se deben conocer las velocida-des máximas permisibles. En el cuadro 3 se muestran las velocidades máximas permisibles considerando el material en que reposan los canales.

Cuadro 3. Velocidades máximas permisibles en m/s para diferentes canales

( )rn ln0071.0032.0 ⋅−= ---------- (1)

Velocidad mínima permisible. Depende de la sedimenta-ción, crecimiento de plantas acuáticas y control sanitario. La velocidad a la que no se produce sedimentación, de-pende del material transportado por el agua. En la prácti-ca para asegurar el arrastre de limos, la velocidad debe ser mayor a 0.25 m/s y para arenas superior a 0.5 m/s. Según FIRA (1985), la velocidad mínima permisible es posible ob-

CONDICIONES DE LAS PAREDESSuper�cie Perfectas Buenas Medianas Malas

En tierra, alineados y uniformesEn roca, lisos y uniformesEn roca con salientes y sinuosoSinuosos y de escurrimiento lentoDragados en tierraCon lecho pedregoso y bordos de tierra enhierbadosPlantilla de tierra, taludes ásperos

0.17

0.025

0.035

0.0225

0.0250.025

0.028

0.20

0.030

0.040

0.025

0.02750.030

0.030

0.0225

0.033

0.045

0.0275

0.0300.035

0.033

0.025

0.035

s/d

0.030

0.0330.040

0.035

Fuente: Coras, 2000.

Condición de canal Vel. Max.

Arena �naFranco ArenosoFranco limoso aluvialFranco FirmeArcilla no plástica (coloidal)Limos aluvialesHardpans

0.500.580.670.831.251.252.00


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tenerla en el canal con la determinación de su pendiente mínima, de tal forma que se propicie la mínima sedimenta-ción. Como se muestra en el Cuadro 4, la velocidad está en función del material de arrastre.

Cuadro 4. Velocidades (m/s) mínimas en cauces par evitar la sedimentación

El crecimiento de plantas acuáticas y de musgos puede dis-minuir grandemente la capacidad de descarga del canal, por lo que en general, una velocidad media de 0.75 m/s im-pedirá tal crecimiento, aunque la velocidad media del agua en los canales abiertos debe ser superior a 0.40 m/s. En las zanjas colectoras raramente será posible mantener estas velocidades mínimas, por lo que será necesario segar las plantas acuáticas con mayor frecuencia (ILRI, 1977).

Sección típica. Según IMTA (1986), para la red básica de drenaje se deben utilizar zanjas a cielo abierto de sección trapecial, cuyo nivel de agua esté siempre abajo del terre-no, ya que solo en estas condiciones se permitirá el desfo-gue de los drenes superficiales y subterráneos, además del escurrimiento lateral del agua superficial hacia el interior de los mismos.

Para lograr lo anterior, es indispensable que toda la sección del canal de drenaje se forme mediante excavación de la cubeta de los canales de drenaje, con una profundidad mí-nima de 1.2 a 1.8 m, incluyendo el bordo libre del 25% de la profundidad de diseño, como lo señala Luthin (1967). En los suelos de turba y orgánicos, se debe incluir un valor adi-cional para considerar asentamientos.

Taludes “Z”. La inclinación depende en cada caso particu-lar de varios factores, pero muy particularmente de la clase de terreno donde están alojados. Por ejemplo, en un mate-rial rocoso se podrán permitir taludes que tiendan a ser ver-ticales, en cambio en terrenos más arenosos se tendrá que construir con taludes más tendidos, para evitar derrumbes, etc., que elevan los costos de conservación (Cuadro 5).

Cuadro 5. Talud para secciones trapeciales en diferentes materiales.

Los taludes recomendados para los canales de desagüe se presentan en el Cuadro 6.

Cuadro 6. Taludes para canales.

IMTA (1986) sugiere que en el diseño del talud deberá pre-verse el tipo de mantenimiento a realizar, pues éste, estará determinado por el talud como se observa en el Cuadro 7.

Cuadro 7. Taludes de los canales de drenaje para varios métodos de mantenimiento.

Tipo de material En el fondo Media

ArcillaArcilla �na (2 mm)Arena gruesa (5 mm)Gravilla (8 mm)Grava (25 mm)

0.080.160.210.320.65

0.110.230.300.460.93

Fuente: Pizarro, 1978.

Características de los suelos Canales pocoprofundos

Canalesprofundos

Fuente: Trueba, 1984.

Roca en buenas condicionesArcillas compactas o conglomeradosLimos arcillososLimos arenososArenas sueltas

Vertical0.5:1

1.0:11.5:12.0:1

0.25:11.0:1

1.5:12.0:13.0:1

Sección Prof. (cm) Taludesrecomendados

Taludesmínimos

Fuente: Agricultural Engineers Yearbook, 1967, citado por Coras (2000).

TriangularTriangularTrapezoidalTrapezoidal

0.30 – 0.600.63 ó más0.30 – 0.900.93 ó más

6:14:14:1

1.5:1

3:13:12:11:1

Observaciones Taludes

recomendadoTipo de

mantenimiento


Segadoras 3:1

Pendientes más planas,tractores de ruedas. Equipos especiales para pendientes mayores.

Para canales de más de1.30 m de profundidad se deben utilizar trampas

Generalmente en suelosmuy estables donde el control de la vegetación no es posible a más de 1.30 m de profundidad.

Son mejores las pendientes más suaves

Son mejores las pendientes más suaves

Pastoreo 2:1o mas plano

Dragas 1:1

Equipos de cuchillas

3:1

Arados de vertedera 3:1

Productos químicos

Cualquiera Tener cuidado con cultivos

Quema Cualquiera ---------

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Área del dren “A” (m2). Se calcula con la siguiente fórmula presentada por Arteaga (1993):

2zddbA += ---------- (2)

Donde:b = base (m)d = Tirante hidráulico (m)z = Talud de la pared (adim.)

Perímetro de mojado “P” (m). Se calcula con la siguiente fórmula presentada por Arteaga (1993):

12 2 ++= zdbP ---------- (3)


Radio hidráulico “R” (m). Se calcula con la siguiente fór-mula presentada por Arteaga (1993):

12 2

2

++

+=

zdbzdbdR ---------- (4)


Libre bordo “E” (m). Es recomendable usarse para seccio-nes sin revestimiento en tanto no se tengan valores especí-ficos (Arteaga, 1993).

Donde:d = Tirante hidráulico (m)

EjemplosEstimación del caudal de diseño para el área de un proyec-to. Ejemplo de aplicación del Método de la Curva Número adaptado por Rojas (1984) para drenaje superficial.

Consiste en realizar los siguientes cálculos:

● Tiempo de drenaje (td) ● Lluvia de diseño (Pd) ● Escorrentía de diseño (E) ● Caudal de diseño (Q) ● Capacidad de los colectores en las intersecciones

dE 3/1= ---------- (5)

Cálculo del tiempo de drenaje (td). El tiempo de drenaje se calcula con la fórmula 6:

10ttttd −= ---------- (6) Donde:tt = tiempo total de exceso de agua, (hr).t10 = tiempo para que el suelo alcance un 10% de aireación (hr), que depende de la textura del suelo y se obtiene en el Cuadro 8.A su vez, el valor de tt se calcula con la fórmula 7:

46.0DpCctt ×= ---------- (7) Donde:Cc = Coeficiente de cultivo (adim) y se obtiene en el Cuadro 9.Dp = Daño permisible (%) y su valor se asume en un 10%.

Cuadro 8. Tiempo (hr) para que el suelo recupere 8, 10 y 15% de aireación después de saturado, para

diferentes clases texturales.

Cuadro 9. Coeficiente de cultivo Cc utilizado en el cálculo del tiempo total de exceso de agua tt.

t8 t10 t15Textura

Fuente: Rojas, 1984.

ArenaArena �naFranco arenosoFrancoFranco limosoFranco arcilloso arenosoFranco arcillosoFranco arcilloso limosoFranco arenosoArcillo limosoArcillosoBancoBajío

1.32.06.3

11.219.310.29.5

18.44.4

16.031.99.8

12.7

2.03.0

10.820.236.718.416.934.97.3

29.963.617.623.2

4.16.9

29.861.3

122.255.049.9

115.419.096.3

230.852.272.0

CcCULTIVO

Fuente: Rojas, 1984.

AlfalfaAlgodónTrébolCebollaGarbanzoFrijoles negrosTrébol ladinoMaízGirasolPasto braqiariaSoyaSorgoTabacoPapaTomateZanahoria

36.2513.9354.059.80

24.773.74

38.3112.9012.26

125.5233.0212.515.93

10.328.00

11.48

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Un ejemplo de datos de textura superficial de tres series de suelos, se muestra en el Cuadro 10.

Cuadro 10. Textura superficial

Considerando que existen varias texturas superficiales en el área del ejemplo, se calculará un valor ponderado para el parámetro t10 a obtener del Cuadro 8. Entonces, consi-derando los porcentajes de textura superficial en el área del ejemplo que son, Franco Arenosa 22.0%, Franco Limosa 69.4% y Franco Arcillo Arenosa 8.6% y ponderándolos para las diferentes texturas, se obtiene un valor de 29.4 hrs para t10.

Para obtener el valor del Coeficiente de Cultivo Cc del Cua-dro 9, se eligió el trébol ladino como ejemplo, cuyo valor de Cc de 38.31.

Por lo tanto, el valor de tt es: hrstt 49.110)10(31.38 46.0 =×=

ro de Curva” del Soil Conservation Service S.C.S. (1972), me-diante la siguiente ecuación:

díashrstd 3814.2949.110 ==−=

Donde: Pd =Lluvia de diseño, (cm). S =Infiltración potencial, (cm).

El valor de S se calcula mediante la ecuación:

( )( )SPd

SPdE×+×−

=8.0

2.0 2----------- (8)

Donde: CN = Número de la Curva, (adim).

El valor de CN depende del uso del suelo o cubierta, del tra-tamiento o práctica del suelo, de la condición hidrológica que a su vez se obtiene del cuadro 11 y del tipo hidrológico del suelo.

Cuadro 11. Condición hidrológica para varios usos del suelo (CP, 1991).

54.2101000×

−

=

CNS ---------- (9)

Textura super�cial Serie de Suelo Sup.(ha) Sup. (%)

Franco arenosaFranco limosaFranco Arcillo Arenosa

PalmarCafetalesLimonesTOTAL

349.241,106.46136.561.592.26

22.069.48.6100.0

Entonces, el valor de td es:

Cálculo de la lluvia de diseño (Pd). La lluvia de diseño de-pende de dos factores, el tiempo de drenaje y el período de retorno deseado. El tiempo de drenaje determina a su vez la duración de la lluvia de diseño.

El período de retorno se escoge de acuerdo al riesgo que se pueda correr, según criterios agro-económicos. El Soil Conservation Service de USA, recomienda un período de retorno de 5 años para obras de drenaje superficial, que es el seleccionado.

El valor de la duración de la lluvia de diseño para el ejem-plo, corresponde al valor calculado de td, es decir 3 días y la lluvia de diseño Pd se obtiene de la estación meteorológica más cercana, que para el caso del ejemplo se utilizará el va-lor de 13.08 cm.

Cálculo de escorrentía de diseño (E). La escorrentía de di-seño (E), es la lámina de exceso de agua superficial que se debe desalojar en el tiempo de drenaje td.

Para estimar la escorrentía, se utiliza el método del “Núme-

Uso del suelo Condición hidrológica

Pastosnaturales

Pastos en condiciones malas, dispersos, fuertemente pastoreados con menos que la mitad del área total con cobertura vegetal. Pastos considerados con condiciones regulares, moderadamente pastoreados con la mitad o las tres cuartas partes del área total con cubierta vegetal. Pastos en buenas condiciones, ligeramente pastoreados y con más de las tres cuartas partes del área total con cubierta vegetal.

Áreas en condiciones malas, tienen árboles dispersos y fuertemente pastoreados sin crecimiento rastrero. Áreas de condiciones regulares, son moderadamente pastoreadas y con algo de crecimiento. Áreas considera-das como buenas, están densamente pobla-das y sin pastorear.

Áreas boscosas

Pastizales mezclados con leguminosas sujetas a un cuidadoso sistema de manejo de pastoreo. Son considerados como de buenas condiciones hidrológicas.

Pastizalesmejorados

Praderas densas, moderadamente pastorea-das, usadas en una bien planeada rotación de cultivos y praderas, son consideradas como que están en buenas condiciones hidrológicas. Áreas con material disperso y sobrepastoreadas, son considerados como malas condiciones hidrológicas.

Rotaciónde praderas

Condiciones hidrológicas buenas se re�eren a cultivos los cuales forman parte de una buena rotación de cultivos (cultivos de escarda, praderas, cultivos tupidos). Condi-ciones hidrológicas malas se re�ere a cultivos manejados basándose en monocul-tivos.

Cultivos

10

Para el ejemplo, se consideraron los siguientes datos:

● Uso del suelo: pastizales para pastoreo. ● Tratamiento: no tienen. ● Condición Hidrológica: prácticamente casi el

100% del área tiene cobertura vegetal por lo que la es catalogada como buena (Cuadro 11).

● Tipo Hidrológico: Para el ejemplo se clasificaron los suelos como del D (alto potencial de escorren-tía).

Con esta información se entra al Cuadro 12.Así, el valor de la Curva Número CN para los datos de ejem-plo resulta que es 80.Con el valor de CN, se calculó la infiltración potencial S (Ecuación 9):

Con el valor de S y de Pd se obtiene la Escorrentía de diseño E (Ecuación 8).

Cálculo del caudal de diseño (Q). El caudal de diseño se calcula mediante la Ecuación del Cypress Creek (Palacios, 2002):

( )[ ] 35.654.2101000 =×−= CNS cm

( )( ) cmE 68.7

35.68.008.1335.62.008.13 2

=×+×−

=

pACQ × ---------- (10)

2462.1573.4 EC × ---------- (11)

tdEE 24

24∗

---------- (12)

Obteniendo estos datos se entra al Cuadro 12, en donde se presentan los valores de CN para diferentes condiciones.

Cuadro 12. Curvas número (CN) para los complejos suelo-cobertura en cuencas en condición de hume-

dad media (CP, 1991).

Uso del sueloo cubierta

Barbecho

Cultivosen surcos

Cultivostupidos y

granospequeños

Leguminosasen hilera oforraje enrotación

de siembradensa

Praderas opastizales

Tratamientoo práctica

Condición hidrológica

Grupo de sueloHidrológico

A B C DSurco rectoSurco rectoSurco rectoEn contornoEn contornoEn contornoy terraceadoEn contornoy terraceadoSurco rectoSurco recto

En contorno En contornoEn contornoy terraceadoEn contornoy terraceadoSurco rectoSurco rectoEn contornoEn contornoEn contornoy terraceadoEn contornoy terraceado

Sin tratamSin tratamSin tratam

En contornoEn contornoEn contorno

MalaMala

BuenaMala

Buena

Mala

BuenaMala

Buena MalaBuena

Mala

BuenaMala

BuenaMala

Buena

Mala

BuenaMala

AceptableBuenaMala

AceptableBuenaBuena

MalaAceptable

Buena

7772677065

66

6265636361

61

5966586455

63

5168493947256

30

45362559

72

74

8681787975

74

7176757473

72

7077727569

73

6779696167593558

66605574

82

84

9188858482

80

7884838281

79

7885818378

80

7686797481757071

77737082

87

90

9491898886

82

8188878584

82

8189858583

83

8089848088837978

83797786

89

92

Praderas(permanente)

Bosques

Parques,patios

Caminosde tierra

Caminos desuper�cie

dura

Donde: C= Coeficiente de drenaje (l/s/ha) A= Área a drenar (ha) p = exponente empírico, usualmente 5/6.

La fórmula anterior presenta la conveniencia de incorporar el efecto del aumento del área a drenar en el valor final del caudal de diseño.

El Coeficiente C de drenaje, se obtiene de una ecuación propuesta por Stephen y Mills (1965):

Donde:E24= Escorrentía de diseño para 24 hrs (cm)

A su vez, E24 es calculada mediante:

Donde:E = Escorrentía diseño, (cm).td =Tiempo de drenaje, (hr).

11

Con los valores del ejemplo de E y td, se obtiene el valor de E24:

Siendo el valor del coeficiente de drenaje C:

El área de las cuencas de los cauces del área del ejemplo es de 1,592.26 ha.Por lo tanto, para el área del ejemplo se obtiene el siguiente valor de caudal total a desalojar:

Cálculo de la capacidad de los colectores en las intersec-ciones. Según Rojas (1976), la determinación del gasto que pasará por un dren colector aguas abajo de una intersec-ción, puede realizarse en dos formas:

● Sumando las capacidades de los colectores que se unen. Este método da una capacidad mayor que la que se describe en el siguiente inciso, debiendo utilizarse, cuando las áreas drenadas por los co-lectores son casi iguales. Esto es debido a que los tiempos de concentración serán aproximadamen-te iguales.

● Considerando todo el área de la cuenca aguas arri-ba de la intersección y utilizar un coeficiente de drenaje ponderado (en caso de que sean diferen-tes). Este método será utilizado cuando un cauce que drena una pequeña área se une a otro colector de área de aportación mucho mayor. En los casos intermedios se puede utilizar una combinación de ambos métodos.

El Soil Conservation Service recomienda el siguiente proce-dimiento llamado Regla 20-40.

Caso 1. Cuando el área tributaria de uno de los colectores está entre 40 y 50 por ciento del área total, la capacidad del dren aguas abajo de la intersección, se determina sumando las capacidades de ambos colectores antes de la unión.

Caso 2. Cuando el área tributaria de un colector es menor al 20 por ciento del área total, la capacidad del colector se obtiene sumando ambas áreas y utilizando un coeficiente de drenaje ponderado (área equivalente), para toda el área.

Caso 3. En el caso de que el área drenada por uno de los laterales esté en el rango de 20 a 40 por ciento del área to-tal, el gasto total puede ser obtenido a partir de la descarga menor obtenida por el método (1), al 20% y proporcionado a la descarga mayor obtenida por el método (2) al 40%. De

cmcmE 56.2722468.724 ×

)//(7.856.262.1573.4 haslC ×

slQ /82.053,426.592,17.8 65×

esa forma el cálculo se hace mediante el cómputo de los caudales por ambos casos (1 y 2) y obteniendo la diferencia entre esos dos valores; entonces se hace una interpolación utilizando el valor real del porcentaje del área del lateral en cuestión.

Cálculo de áreas equivalentes (Ae). Cuando el exceso de agua es removida a diferentes cantidades en varias partes de una cuenca, es necesario transformar los datos en áreas equivalentes o en caudales equivalentes, de manera que los cálculos puedan llevarse a cabo sin ninguna confusión.

La mejor forma de realizar estos cálculos, es mediante una recopilación de diferentes coeficientes de drenaje basados en el área total de cada sub-área, en vez de utilizar coefi-cientes por unidad de área. Las diferentes curvas se grafi-can para facilitar el cálculo.

Espaciamiento entre drenes parcelarios subterráneos (Fórmula de Hooghoudt). Existen varias fórmulas empíricas para calcular el espa-ciamiento entre drenes subterráneos, que dependen del régimen de recarga de los mantos freáticos superficiales, ya sea permanente o establecido o no permanente o no establecido.

Para el caso de la presente ficha que se refiere al drenaje de zonas lluviosas, en las que existe un equilibrio dinámi-co debido a que la misma cantidad de agua que ingresa es la misma que sale, se utilizan los conceptos de régimen permanente, cuya fórmula de Hooghoudt es la siguiente (Figura 6, Quiroga 2007):

∗

∗∗ q

HKaqHDekbL

22 48 ---- (13)

L

HQ

B Kb

Ka

D

P

T

Figura 6. Parámetros de un sistema de drenaje

Donde:L = Separación entre drenes, mKa = Conductividad hidráulica por encima del nivel del dren, m/díaKb = Conductividad hidráulica por abajo del nivel del dren, m/día

12

H = Altura del nivel freático del piso al dren, mDe = Profundidad equivalente, m, que es igual a:

q = Coeficiente de drenaje, m/día, que es igual

1))(ln()155.2(( ∗∗

PmD

LD

DDe -- (14)

ETPICLDq −∗−− 1 -------------------- (15)

para determinar el espaciamiento (L). Si el valor obtenido se diferencia apreciablemente del valor supuesto, se repite el procedimiento con el nuevo valor encontrado para (L) y así sucesivamente, hasta obtener valores suficientemente cercanos de (L). Tras varios tanteos el valor de (L) calculado debe ser igual al supuesto.

Como ejemplo de aplicación, se va a considerar a un suelo con los siguientes datos:

● La profundidad del dren (P), es de 1.25 m ● La base del dren (B) es de 0.30 m ● El Tirante de agua (T) es de 0.05 m ● El Talud del dren (m) es de 0.5 ● La capa impermeable está situada a 7.0 m de pro-

fundidad (P+D) ● Por lo tanto, la profundidad o distancia del hidroa-

poyo al fondo del dren (D), es de 5.75 ● El primer valor que se asigna de distancia entre

drenes (L1) para el proceso iterativo, es de 40 m ● La altura (H) del nivel freático es de 0.15 m ● Para la lluvia de diseño (LD), se utiliza como dato

que la máxima precipitación pluvial para un tiem-po de retorno de 5 años es de 500 mm/día o 0.5 m/día o 0.021 m/hr.

● El Coeficiente de escorrentía (C), del método racio-nal, seleccionado para este caso, es de 0.5

● La Intensidad de la lluvia (I) es LD/24 = 0.021 m/hr ● La evapotranspiración diaria (ETP) es de 3.76 mm/

día o 0.00376 m/día

Se procede hacer los cálculos con las Ecuaciones 13, 14, 15 y 16:

21212 mTBPm ∗∗ ------------------- (16)

21212 mTBPm ∗∗

412.05105.023.0 212 ∗∗Pm m

m

PmD

LD

DDe

92.21))412.0

40(ln()4075.555.2((

75.5

1))(ln()155.2((

∗∗

∗∗

−∗−− ETPICLDq 1

0.021 – (1 – 0.5) * 0.021 – 0.00376 = 0.0067

m

qHKaq

HDekbL

6410067.0

15.02.140067.015.092.22.18

48

2

22

∗∗∗∗∗

∗

∗∗

L = 25.3 m

Donde:D = Profundidad o distancia del hidroapoyo al fondo del dren, mL1 = Distancia estimada entre drenes, mC = Coeficiente de escorrentía del método racional (adim.)LD = Lluvia de diseño, m/díaI = Intensidad de la lluvia, m/díaETP = Evapotranspiración, m/díaPm = Perímetro de mojado del dren, m, que es igual a:

Donde:B = Base del canal, mT = Tirante de agua, mm = Talud del canal

La profundidad de los drenes (P), se define en base a la profundidad del sistema radical del cultivo de la parcela a drenar.

La conductividad hidráulica del suelo (Ka y Kb), está relacio-nada con la textura y estructura del suelo y puede ser obte-nido en campo o laboratorio. También puede ser estimado utilizando el Cuadro 13 (Quiroga, 2007):

Cuadro 13. Conductividad hidráulica de algunas clases texturales de suelo.

Textura

Franco arenosaFrancoFranco limosoFranco arcilloso

K (m/día)

3.01.51.20.5

Fuente: Mar tínez, 1986.

Ejemplo de aplicación de la ecuación de Hooghoudt. La resolución de la ecuación de Hooghoudt en su expresión más general, requiere de un cálculo iterativo.

Inicialmente se asume un valor de (L1) arbitrario para un dren de cierto perímetro mojado (Pm), calculándose a continuación el espesor del estrato equivalente (De) con la Ecuación 14. Este valor se introduce en la Ecuaciones 13

13

Si se continua con el proceso asignando un segundo valor a L1 de 25 m, el segundo valor de L es de 22.3 y así sucesiva-mente hasta encontrar el valor de L1 de 21.3 m que coinci-de con el de L igual también a 21.3 m (Cuadro 14).

Para ejemplificar el procedimiento con otros datos distin-tos de profundidad de drenes, profundidad del hidroapo-yo y conductividad hidráulica del suelo, en el Cuadro 14 se presentan resultados obtenidos con dicho proceso iterati-vo, manteniendo constantes los siguientes valores:

● (B) de 0.3 m ● (T) de 0.05 m ● (LD) de 0.021 m/hr ● (C) de 0.5 ● (I) de 0.021 m/hr ● (ETP) de 0.00376 m/día ● (H) de 0.15 m

Cuadro 14. Espaciamientos entre drenes para dife-rentes valores de profundidad de dren (P) y con-

ductividades hidráulicas del suelo (Ka y Kb).

Para complementar la información, en el Cuadro 15 se pre-sentan algunos da tos de profundidades y espaciamientos de drenes mas comunes en suelos no diferenciados.

Cuadro 15. Profundidades y espaciamientos de drenes, mas comunes en suelos no diferenciados

Métodos para calcular los gastos de diseño hidráuli-co para drenaje en general. En el apartado 6.1.4 se uso la ecuación de Cypress Creek para el cálculo del gasto en drenes de aguas superficiales, sin embargo, de manera general, la mayoría de los procedimientos para calcular es-currimiento han sido diseñados para estimar las crecidas máximas o avenidas máximas. Entre los métodos se tienen el de envolventes máximas, el racional y el racional modi-ficado:

Método de envolventes. Este método toma en cuenta sólo el área de la cuenca. Aunque no son métodos que analicen propiamente la relación entre la lluvia y el escurrimiento, pueden ser de gran utilidad en los casos en que se requie-ran sólo estimaciones gruesas de los gastos máximos pro-bables, o bien, cuando se carezca casi por completo de in-formación.

Método racional. Dentro de la importancia de los escurri-mientos, se considera la estimación de ellos para la planea-ción de obras de manejo de los recursos hidráulicos y para su aprovechamiento en áreas de riego.

El escurrimiento máximo de un área de drenaje es esencial para el diseño de estructuras vertedoras y de almacena-miento, por tal razón es necesario estimarlos, para ello se usan formulas empíricas como el método racional, el cual se expresa por la ecuación.

Donde:Qs = Gasto máximo probable de escurrimiento en m3/s.C = coeficiente de escurrimiento, que varía de 0.1 a 1, el cual depende de las características de la cuenca, es adi-mensionalI = Intensidad de la lluvia expresada en mm/h.A = Área de la cuenca, en ha.0.0028 = Coeficiente de conversión de unidades, resultante de cambiar mm y hectáreas a m2, y horas a segundos.

El Coeficiente de escurrimiento es la proporción de lluvia que fluye superficialmente sobre el terreno como escorren-tía. Depende entre otros factores, de la pendiente, del tipo de suelo, de la cubierta vegetal, de la humedad del suelo previa a la lluvia, así como de la intensidad y duración de la lluvia.

Método racional modificado. Los excesos de la precipita-ción máximos en cuencas pequeñas también pueden ser estimados por el método racional modificado. Este método puede ser utilizado cuando existen datos pluviográficos de

P Kb q L2

Fuente: Obtenidos por el autor.

p+D Pm D L1 De Ka L

1.251.251.251.501.501.501.751.751.751.501.501.50

7.07.07.06.06.06.05.05.05.04.04.04.0

0.4120.4120.4120.4120.4120.4120.4120.4120.4120.4120.4120.412

5.755.755.754.504.504.503.253.253.252.502.502.50

40.025.021.340.025.020.740.022.019.740.030.028.8

2.922.262.042.672.151.932.281.831.741.941.811.79

1.21.21.21.21.21.21.21.21.22.52.52.5

1.21.21.21.21.21.21.21.21.22.52.52.5

0.00670.00670.00670.00670.00670.00670.00670.00670.00670.00670.00670.0067

641498452586474429502407388898838829

25.322.321.324.221.820.722.420.219.730.028.928.8

SUELO ESPACIAMIENTO(m)

PROFUNDIDAD(m)

ArcillosoArcillo limosoFranco LimosoFranco arenosoArenoso francoSuelos Irrigados

10 - 1713 - 1320 - 3333 - 4033 - 67

50 - 200

1.00 - 1.151.00 - 1.151.15 - 1.301.30 - 1.501.30 - 1.651.65 - 2.65

CIAQs 0028.0 ---------- (17)

14

una estación dentro o cerca del área de estudio, utilizando la fórmula 32 (Colegio de Postgraduados, 1991).

Donde:Q = Escurrimiento máximo, en m3/sC = Coeficiente de escurrimiento, que varía de 0.1 a 1, de acuerdo con las características propias de la cuenca (Cua-dro 16).P = Lluvia de diseño para un período de retorno dado, en mm.A = Área de la cuenca, en ha.Es importante considerar que para un período crítico, la llu-via reportada en 24 horas se puede presentar en una hora, por lo que este valor se debe expresar en cm/hora.

Cuadro 16. Valores de C para el cálculo de escurri-mientos.

CPAQ 0028.0 ---------- (18)

Para drenaje subterráneo: ● Trazo ● Excavación ● Colocación de la tubería ● Colocación de las conexiones de la tubería y seña-

lamientos externos ● Enterrado de la tubería y acomodo de materiales ● Construcción de estructuraso De protección a la tuberíao De aforoo Rejillas coladeras y registros

Equipo para su construcciónDado que el estudio de la maquinaria utilizada para la construcción, operación y mantenimiento de los sistemas de drenaje es muy amplio y detallado, solo se mencionan los tipos de maquinaria que en la práctica son los más uti-lizados.

Drenes a cielo abierto.

a. Maquinaria pesada: ● Zanjeadota múltiple (Extractora y desparramado-

ra del material) ● Dragas ● Excavadoras ● Zanjeadoras ● Tractores de Empuje y de Levante ● Motoconformadoras ● Camiones de Volteo

b. Equipo ligero y mediano: ● Retroexcavadoras y Traxcavos montados a tractor

agrícola ● Equipo ligero con implementos como cincel y cu-

charón

Drenes entubados.

a. Maquinaria pesada: ● Zanjadoras: ● De cincel ● De cadena ● De disco rotatorio ● Motoconformadora

b. Equipo ligero y mediano: ● Escrepas autopropulsadas

BosquePlano (0-5% pendiente)Ondulado (6-10% pendiente)Escarpado (11-30% pendiente)PastizalesPlano (0-5% pendiente)Ondulado (6-10% pendiente)Escarpado (11-30% pendiente)Terrenos CultivadosPlano (0-5% pendiente)Ondulado (6-10% pendiente)Escarpado (11-30% pendiente)

0.100.250.30

0.100.160.22

0.300.400.52

0.300.350.50

0.300.360.42

0.500.600.72

TopografíaVegetación

Textura del SueloGruesa Media Fina

0.400.500.60

0.400.550.60

0.600.700.82

Fuente: Colegio de Postgraduados, 1991

Procedimientos para su implementación Los procedimientos que en la práctica son los más utiliza-dos, son:

Para drenes a cielo abierto:

● Trazo ● Excavación ● Retiro y acomodo de materiales ● Construcción de estructuraso De proteccióno De aforoo De acceso y tránsitoo Rejillas coladeras y registros

15

● Emparejadora ● Niveladora ● Cucharones ● Equipo rayo láser y remolque de los rollos de plás-

tico

Costos asociados Una vez que se han definido los diferentes componentes del proyecto, como la ubicación más conveniente de latera-les y colectores, longitudes, diámetros, necesidad de piezas auxiliares etc., se procede a la estimación de los costos, que están constituidos por:

● Estudios previos, incluyendo estudios topográfi-cos, análisis de suelos, determinación de la con-ductividad hidráulica, visitas a las parcelas, etc.

● Materiales y accesorios, incluyendo principalmen-te tubería de diferente diámetro, coples, uniones, T’s, tapones, rejillas y filtros.

● Instalación. Esta generalmente se cobra por metro lineal, en función de la profundidad. Mientras no se rebase el rango de profundidad a que puede instalar el equipo disponible por parte de la com-pañía constructora, puede ser un mismo precio. Un caso especial puede ocurrir cuando se tengan que usar dos tractores para la tracción de la ma-quinaria. Algunas compañías pueden cobrar un precio por metro lineal, incluyendo materiales e instalación, del orden de 40 a 50 pesos.

● Operación y mantenimiento durante la vida útil del sistema.

● Intereses por financiamiento.

Los costos suelen expresarse en pesos y dependen princi-palmente del espaciamiento, de la profundidad y del diá-metro dominante de los drenes. Los costos entre 12,000 a 21,000 por hectárea suelen ser comunes.

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Trueba, C. S. 1984. “Hidráulica”. Editorial CECSA.

Elaboró:M.C. Félix Alberto LLerena [email protected]

Departamento de Irrigación de la Universidad Autónoma Chapingo.

Revisión Técnica: Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso.Departamento de Hidrociencias, Colegio de [email protected]

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