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Artículo: COMEII-15008

I CONGRESO NACIONAL COMEII 2015

Reunión Anual de Riego y Drenaje

Jiutepec, Morelos, México, 23 y 24 de noviembre

EXPERIENCIAS EN EL DISEÑO DE RIEGO POR GRAVEDAD EN EL DISTRITO DE

RIEGO 085, LA BEGOÑA, GUANAJUATO

Carlos Alberto Chávez García1, Bernardo Muñoz Hernández1, Gustavo Magaña Sosa2,

Carlos Fuentes Ruíz3, Luis Rendón Pimentel4 1 Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Querétaro, C.U. Cerro de las Campanas, 76010,

Querétaro, México. 2 Dirección de Tecnificación y Aprovechamiento del Agua Agrícola. Secretaría de Desarrollo Agroalimentario

y Rural. Av. Irrigación No. 102 A. Col. Monte Camargo Celaya, Gto. 38010. 3 Coordinación de Riego y Drenaje. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, 62550 Jiutepec, Morelos,

México. 4 Gerencia Nacional de Distritos de Riego. Comisión Nacional del Agua. Av. Insurgentes Sur, núm. 2416, Piso

7. C.P. 04340, Colonia Copilco el Bajo.

Resumen

En los 85 distritos de riego de México el método de riego por gravedad, en las

modalidades de riego por surcos o melgas, es el más utilizado para aportar el agua a las

plantas, ya que la energía aprovechada es la gravitacional y no requiere generalmente

aportes de energía adicional al sistema. Sin embargo, la aplicación del agua con este

método ha sido realizada no necesariamente de la manera más eficiente; existen muchas

pérdidas por “coleo”, por la selección de un caudal de riego no apropiado o por una

operación deficiente en la red de distribución del agua, por una deficiente nivelación en el

terreno, por percolación a causa de un mal diseño de la longitud de riego o del gasto de

riego, que permite que el agua permanezca más tiempo del necesario en cada punto a lo

largo del surco o de la melga. Estas prácticas inadecuadas de riego, han inducido en

muchos casos la sobre elevación de los mantos freáticos y la salinización progresiva de los

suelos. En este trabajo se muestran las experiencias que se han obtenido en el Distrito 085

la Begoña Guanajuato, sobre el diseño de reigo por gravedad con la fórmula óptima de

riego propuesta por Fuentes et al. (2012, 2015). Los resultados obtenidos se han reflejado

en ahorro de láminas de riego, en donde se ha visto que se reduce en 35 cm en el peor de

los casos.

I Congreso Nacional COMEII 2015, Jiutepec, Morelos, México, 23 y 24 de noviembre

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Introducción

El riego por gravedad consiste en el aporte de agua en la cabecera de un canal o cauce

inclinado construido en la parcela, como una melga o un surco, con la finalidad de

aprovechar el campo gravitacional para proporcionar la cantidad necesaria de agua para

el desarrollo óptimo de las plantas cultivadas (Fuentes et al., 2015). En el riego por

gravedad se distinguen tres fases: Fase de avance, fase de almacenamiento y fase de

recesión. La modelación del riego por gravedad ha sido tema de estudios de numerosos

investigadores. Fuentes et al., (2012) en su libro Riego por Gravedad hace una revisión

exhaustiva de los modelos que se han venido usando en la literatura para modelar este

evento, que van desde los modelos completamente empíricos (e.g. Fok y Bishop, 1965;

Willardson y Bishop, 1967), hasta los que usan las ecuaciones de Barré de Saint-Venant

(1871) y Richards (1931) para modelar el movimiento superficial y el movimiento

subterráneo, respectivamente (Fuentes et al., 2004; Saucedo et al., 2005; Saucedo et al.,

2011). El uso de estos modelos ha ayudado a comprender el movimiento del agua en un

evento de riego, lo que ha permitido dar recomendaciones pertinentes para la aplicación

oportuna del agua en la parcela.

No obstante que en los últimos años se han estado instalando nuevos sistemas de riego

presurizados en el país, el riego por gravedad bien diseñado, seguirá representando una

alternativa barata, para aportar el agua a las plantas en la cantidad y oportunidad

adecuadas y con una razonable eficiencia de uso del agua de riego. Por esta razón, en el

año 2013, la Gerencia Nacional de Distritos de Riego inició un programa denominado

Riego por Gravedad Tecnificado (RIGRAT) en algunos distritos de riego del país donde

los objetivos que persigue son las siguientes: a) Disminuir la lámina de riego aplicada en

los distritos y unidades de riego, b) Incremento de la Eficiencia de Aplicación en 13%

(pasar en distritos de riego de 57% a 70%) y c) Incrementar los rendimientos en un 10% en

los cultivos establecidos. Pero no es hasta el año 2014 que se inicia la plicación de este

programa en el Distrito de Riego 085, La Begoña Guanajuato.

Para que el programa RIGRAT tenga éxito en alcanzar sus objetivos, se ha estado

trabajando en sus tres tres componentes principales: nivelación del terreno, diseño

eficiente y entrega de agua por volumen al usuario. La nivelación del terreno influye de

manera significativa en el riego. Una tendida en el sentido incorrecto, puede ocasionar

erosión del suelo o provocar encharcamiento en las partes bajas del terreno. Aunado a

esto, el volumen de agua que se aplicará en la parcela, debe de ser el suficiente para cubrir

las necesidades hídricas de las plantas sin llegar a los excesos. El diseño eficiente de riego

es una de las variables de más estudio en los últimos años, ya que se trata de aplicar por

melga o surco el gasto óptimo, definido como aquel que se debe aplicar para obtener la

máxima uniformidad en la distribución del agua a lo largo de una melga, lo cual se logra

con la maximización del coeficiente de Christiansen, manteniendo valores elevados de la

eficiencia de aplicación y de la eficiencia de requerimiento de riego.


3

Con lo anterior mencionado, en este trabajo se muestran los resultados obtenidos de la

evaluación y diseño del Riego por Gravedad en el Distrito de Riego 085, la Begoña

Guanajuato en su primera etapa. La evaluación del riego se realiza con el modelo de la

onda cinemática, usando para ello los valores característicos de la parcela (longitud,

contenido de humedad, densidad, textura) y para el diseño del gasto óptimo se usan los

valores encontrados de la evaluación ( sK y fh ) y las características de la parcela (longitud,

contenidos de humedad, lámina de riego a aplicar, densidad aparente).

Materiales y métodos

El modelo de la onda cinemática

El modelo de onda cinemática considera que en la ecuación de cantidad de movimiento

los términos inerciales y de presión son despreciables, con respecto a los términos de

fricción y gravedad. Con tales suposiciones el modelo de Barré de Saint-Venant queda de

la siguiente forma:

A QW

t x (1)

oJ J (2)

Este modelo se expresa mediante la ecuación (3), (Litrico, 2001; Ponce, 1980; Woolhiser,

1980):

k k

Q QC (Q) C (Q) W

t x ,

k

QC (Q)

A (3)

El valor del coeficiente kC Q se obtiene a partir de una ley de resistencia con oJ J , es

decir:

1 1

kC Q .

Como se considera que las fuerzas de fricción y gravitacional son iguales no existe una

aceleración apreciable del flujo y por lo tanto el modelo es aplicable a escurrimientos con

gastos pequeños y pendientes suaves como en el riego por gravedad. Liggett y Woolhiser

(1975) a partir de simulaciones en canales de distintas características geométricas y

operativas han establecido que el modelo de la onda cinemática representa

adecuadamente la dinámica del flujo siempre que se cumpla la siguiente desigualdad:

o o

2

o n

J LK 30

F h (4)


4

Donde K es un número cinemático, oJ la pendiente del fondo del cauce, oL la longitud

normalizada del cauce y puede tomarse como la longitud del cauce, 2 2 3

oF Q T gA el

número de Froude y nh el tirante normal.

Con el modelo de la onda cinemática sólo es posible representar la fase de avance, ya que

no permite la representación de ondas que remonten la corriente debido a que no

considera las condiciones de frontera aguas abajo y consecuentemente no es posible

analizar la fase de almacenamiento del riego. Con este modelo se analiza el riego en

melgas abiertas en el extremo final. Debido a la hipótesis de que las fuerzas de fricción

son equivalentes a las fuerzas gravitacionales, el movimiento se realiza en forma de pistón

rectangular.

Representación analítica del gasto óptimo

De acuerdo con Fuentes et al. (2012, 2015) la fórmula para calcular el gasto unitario óptimo

está en función de la longitud de la melga, la lámina neta y los parámetros característicos

de la infiltración que representan las fuerzas capilares, la sorbilidad, y las fuerzas

gravitacionales, la conductividad hidráulica a saturación, y un parámetro de forma de las

características hidrodinámicas:

o u sq K L ,

nu 2

sn n2

s

2KSln 1

2K S

(5)

en la cual se debe notar que s mK L q representa el gasto unitario mínimo necesario para

que el agua arribe a la parte final de la melga, S es la sorbilidad del medio expresado por

2

s f s oS 2K h ( ) , sK es la conductividad hidráulica saturada, fh es la succión en el

frente de humedecimiento, s y o son los contenidos de humedada a saturación e

inicial, respectivamente y n

es la lámina neta de riego a aplicar.

La zona de estudio

Las pruebas de riego se realizaron en parcelas seleccionadas a participar en el proyecto

pertenecientes al Distrito de Riego 085 La Begoña, que se localiza en la parte centro-este

del estado de Guanajuato y comprende los municipios de Celaya y Comonfort.

Geográficamente está situado entre los paralelos 20º 38 ́ y 21º 07 ́ N y los meridianos 100º

45 ́ y 10 0º 53 ́ O del meridiano de Greenwich (CNA, 1992). El Distrito de Riego 085 La

Begoña abarca una extensión de 12,389.5 ha y da servicio a 3288 usuarios. La fuente

principal del agua para riego proviene del río Laja y su afluente el arroyo Neutla; cuenta

con dos presas de almacenamiento: Ignacio Allende e Isidro Orozco Portugal. El Distrito

de Riego, operativamente, está divido en cuatro módulos de riego: Neutla, Comonfort,


5

Margen Izquierda (M.I.) y Margen Derecha (M.D.) Cada módulo se divide en secciones y

su operación interna se realiza de manera independiente.

Resultados

Las Pruebas de riego

Las pruebas de riego se realizaron en las parcelas con características conocidas: longitud,

pendiente, textura, densidad aparente, contenido de humedad. Para realizarla, se mideron

los terrenos y se fijaron los cadenamientos con banderines a cada 15, 20 o 30 metros a lo

largo del terreno, para medir la fase de avance, como se observa en la Figura 1.

Figura 1. Realización de prueba de riego.

Se midieron los tiempos en las que el agua llegaba a los banderines previamente

colocados. Mientras tanto, se midió el gasto a la entrada de la regadera y de los surcos,

usando un medidor ultrasónico de efector Doppler denomindado FluxSense, medidor

fabricado por el Centro de Investigaciones del Agua de la Universidad Autónoma de

Querétaro (Figura 2).


6

Figura 2. Medición del caudal de entrada a la parcela con el dispositivo FluxSense.

Figura 3. Medición del caudal de entrada con diferentes métodos.

Cuando el agua estaba casi al final de los surcos, se cortó la entrada y se procedió a medir

la fase de recesión. Es importante mencionar que la evaluación de las pruebas de riego no

hubo interferencia con los regadores, ya que lo que el interés que se tiene sobre esta

prueba es evaluar el cómo se está regando, y sobre todo, las láminas aplicadas, así, en

algunos casos se evaluaron riegos con tendido desde los 20 hasta los 65 surcos, variación

que depende del gasto de entrada a la parcela. En la Tabla 1, se muestran los resultados

de una prueba de avance y recesión realizada en la parcela 973-0.


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Evaluación de las pruebas de riego

Con los datos de avance y recesión y las características de los suelos en donde se

realizaron las pruebas de riego, se procedió a la calibración de la prueba, usando para ello

el programa MATRi (desarrollado por el SDAyR, que tiene programadas las ecuaciones

de la onda cinemática) en donde usando un método inverso (Levenberg marquardt, 1963)

se procedió a encontrar los valores característicos de esta prueba. En la Figura 3 se

muestra el resultado final de la calibración y el ajuste encontrado ( sK 1.3 cm/h y

fh 108 cm). En esta prueba de riego, el regador quería aplicar una lámina de 20 cm, sin

embargo, después de realizar la medición del volumen de agua que entraba a la parcela y

el tiempo de aplicación, el usuario aplicó una lámina de 75 cm, es decir, 55 cm más de la

que necesitaba, lo que nos dice que la eficiencia de aplicación que tiene el usuario es del

26.4%. Una vez realizada la calibración, también se pudo ver que se obtuvo una eficiencia

de requerimiento del 100% y una Uniformidad del 91.8 %, eficiencias altas debido al

volumen de agua aplicado en el suelo. Este sencillo análisis nos permite ver, que la forma

habitual de regar del usuario “durmiendo el agua” es crítica y debe ser cambiada.

Figura 4. Calibración de la fase de avance y recesión.

Diseño del riego con la fórmula de gasto óptimo

Con los parámetros encontrados del proceso de calibración, el gasto de entrada, la lámina

de riego necesaria se hace uso de la ecuación de Fuentes et al., (2012), ecuación (5), donde

obtuvo que el gasto óptimo (qo) es de 2.549 lps por surco, un tiempo de avance de 151.5

min. La recomendación para el usuario es regar 31 surcos por tendido en vez de 45,


8

durante un tiempo al corte de 209 min para cada tendido y resultan 15 tendidos en total.

La eficiencia de aplicación es de 98.1%, la eficiencia de requerimiento es de 99.8 y el

coeficiente de Uniformidad de Christiansen (CUc) es del 97.4%. Los resultados pueden

verse en la Tabla 1.

Tabla 1. Resultados de la evaluación y diseño de un evento de riego por gravedad

No. de surcos

por tendido

Tiempo de

riego (min)

Lr

(cm)

Ea

(%)

Er

(%)

CUc

(%)

Sin diseño 45 1140 75 26.4 100 91.8

Con diseño 31 209 20 98.1 99.8 97.4

Como puede verse en la Tabla 1, el usuario estaba acostumbrado a regar por tendido 45

surcos, con lo que para terminar el riego en su parcela, el usuario empleaba un tiempo de

8.18 días, mientras que con la receta que se proporcionó, para la misma lámina de riego, el

usuario riega en tan solo 2.17 días, que se traduce en una reducción en el tiempo de riego

de 6 días, un ahorro de 55 cm de lámina, un aumento en la eficiencia del 71.7 %m.

Otros resultados de evaluación y diseño obtenidos con la fórmula de gasto óptimo

Así como se describió con anterioridad el procedimiento de evaluación del riego por

gravedad y diseño del gasto óptimo, este procedimiento se ha estado realizando en tantas

parcelas como es posible atender, de manera general, se muestran algunos de los

resultados obtenidos en la Tabla 2.

Tabla 2. Algunos resultados de evaluación y diseño.


9

Como un resumen general, de las más de 100 pruebas de riego realizadas en el Distrito de

Riego 085, La Begoña Guanajuato, se aplicó en cada parcela una lámina promedio de 26

cm. Si todos los usuarios siguieran el diseño y recomendación dada, la lámina promedio

bajaría a 15.3 cm con lo que el ahorro esperado sería de 10.68 cm, equivalente a 1068 m3

por hectárea, que multiplicadas por la superficie donde se atiende el proyecto

representaría un ahorro de 5.12 Mm3.

Conclusiones

La fórmula de gasto óptimo utilizada para el diseño de riego por gravedad se usó con

excelentes resultados, se pudo ver que aunado que la validación se realizó con las

ecuaciones completas de Saint Venant y Richards, su uso con el modelo de la onda

cinemática dio muy buenos resultados.

La medición de las pruebas de avance y recesión en las parcelas es de gran importancia,

debido a que in éstas, no se tendrían datos sobre las láminas aplicadas y sobre todo, los

parámetros representativos de cada suelo: la conductividad hidráulica saturada y la

succión en el frente de humedad, además del conocimiento de las condiciones del suelo:

longitud, pendiente, contenidos de humedad y textura.

Los resultados del diseño de riego por gravedad con la fórmula de gasto óptimo

permitieron ahorros de láminas desde los 10 hasta los 50 cm, además de reducir los

tiempos de riego, lo que en algunos casos se redujo en un 65% los tiempos de riego. Lo

anterior no solo significa un ahorro en la cantidad de agua, sino que además es una

reducción en la cantidad de agua que se extrae del acuífero, así como también en el

bolsillo de los productores, debido a que ya pagarán por una menro cantidad de agua

utilizada.

Sin embargo, para lograr anterior es necesario en trabaja en la concientización de los

regadores, ya que una mala práctica que ya es costumbre es “dormir el agua” abriendo

muchos surcos por tendido, de 40 a 100 surcos para gastos de entrega de hasta 80 lps. Esto

lo hacen para que tengan tiempo de vigilar 2 o 3 predios que riegan a la vez y recibir así

un mayor pago. O bien abren más surcos durante la noche por si aumenta el gasto el

canalero, para que el tendido no se cambie durante la madrugada sino al otro día y así no

se tire el agua al dren para dormir en su casa tranquilamente.

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