El contenido técnico de este documento es en base a los principios que maneja el Departamento de conservación de suelos del Ministerio de Agricultura de USA (Agriculture Department).
DEFINICION: El drenaje agrícola se lo puede definir como la eliminación y evacuación del exceso de agua sobre tierras agrícolas. Las fuentes que producen estos excesos pueden provenir de la lluvia, riegos excesivos, agua del subsuelo de áreas adyacentes, o inundaciones. Los sistemas de drenajes son necesarios para ayudar a drenar suelos con alta o baja capacidad de infiltración. Ellos se dividen en 2 tipos:
1.- Superficiales y 2.- Subsuperficiales. Muchos sistemas actualmente son diseñados para cubrir un doble propósito. En los superficiales; los suelos son nivelados para lograr la salida del agua empozada estableciendo una pendiente para inducir un flujo por gravedad sobre la superficie del suelo, y descargarla por medio de compuertas hacia canales, esteros o ríos. En los subsuperficiales; se instalan drenes subterráneos (Tuberías) y se excavan cada cierta distancia drenajes interceptores que se construyen en ángulos rectos a la dirección del flujo del agua del subsuelo, por donde se expulsan estas aguas en exceso.
Sin entrar en la explicación de las Leyes físicas que gobiernan los flujos en medios porosos, los mejores y más eficientes diseños de drenajes que conozco y funcionan espectacularmente, son la resultante de una combinación inteligente entre estos principios y Leyes que gobiernan estos flujos (Ley de Darcy) y los criterios empíricos y experiencia del proyectista.
Obviamente, se entiende que quien está leyendo este artículo, conoce como aplicar el Factor de la permeabilidad de la Ley de Darcy, así como el Análisis de filtraciones para lograr un eficiente sistema de drenajes.
PROCEDIMIENTOS TECNICOS REQUERIDOS PARA DISENAR UN SISTEMA PARA UNA FINCA:
1.- Levantamiento topográfico completo (Planimetría y Altimetría), que incluya, drenajes existentes, esteros, ríos, pozas etc. Toda infraestructura que este a su alrededor que podrían obstruir o beneficiar el drenaje de las aguas en exceso.
2.- Investigue con calicatas los perfiles predominantes del suelo y sus variaciones texturales y a que profundidad se encuentra la tabla de agua dentro de la propiedad, mida la conductividad hidráulica.
La conductividad hidráulica en campo se mide principalmente mediante ensayos de infiltración y permeabilidad, como el método del agujero empleando el barreno invertido, el uso de piezómetros o pruebas de bombeo. Cada técnica se adapta al tipo de suelo y a la profundidad de interés. En el campo lo mas practico es el empleo del Barreno pues instalar piezómetros es laborioso y toma tiempo.
Con su barreno, Inicie conociendo las diferentes texturas de suelo y subsuelo de la finca, una vez haya mapeado las texturas e identifica la textura de suelo que prevalezca, seleccione unos 4 puntos en distintos lugares de su terreno y con la ayuda de un cronometro, mida la velocidad con que el nivel de agua desciende o asciende en el agujero, y obtenga un promedio.
El gradiente hidráulico tiene igualmente que ser medido a nivel de campo, para esto es necesario que una vez que usted localice gracias a la nivelación de la finca, identificar la gradiente del suelo que predomina en la finca, luego en los 2 puntos más distantes instale 2 piezómetros o tubos de observación clavándolos en el suelo hasta Se mide el nivel del agua en cada tubo.
Aquí es fácil empleando la LEY DE DARCY aquí (i) es el Gradiente hidráulico que se lo expresa; i=Δh/Δl aquí de manera muy simple Se mide el nivel del agua en cada tubo. Se calcula la diferencia de carga hidráulica entre dos piezómetros y se divide por la distancia horizontal o vertical.
3.- Investigar en la zona las isoyetas de precipitación de los últimos 10 a 15 años, así como las máximas precipitaciones ocurridas en su sector; para diseñar sus obras correctamente.
4.- Determine su punto ideal para la evacuación de sus aguas de drenaje en función de la información que obtenga en los 2 puntos anteriores.
5.- Realice un diseño tentativo con las localizaciones aproximadas de sus drenajes principales y laterales, diques, muros de protección inclusive localizar el sitio donde construir el embalse para lograr la sedimentación y depuramiento de sólidos y de iones tóxicos transportados en estas aguas de drenaje, antes del bombearlas hacia esteros y ríos.
6.- Evalué los perjuicios de su cultivo con una tabla de agua muy alta o empozados por mas de 24 horas y so péselo con el costo estimado de todas las obras de su sistema de drenaje versus los beneficios esperados con la realización del proyecto.
Inclusive en las huertas de cítricos (Naranjas) en Florida donde manejé el riego y el drenaje de mas de 12.000 acres, con la ayuda del Agwise dispositivo de tecnología avanzada para medir el contenido de humedad del suelo, pude comprobar que cuando el 1/3 del sistema radicular efectivo estaba cubierto por la tabla de agua por mas de 48 horas, en esa misma proporción decrecían los rendimientos en calidad y en cantidad.
CALCULO DE DRENAJES SUPERFICIALES
CALCULOS Y DECISIONES FINALES DEL DISENO:
Existen muchos tipos de diseños en función de cada caso. Espina de pescado – Paralelos – Doble canales principales – Aleatorios o separados.
El primer paso para un eficiente sistema de drenaje es calcular su “COEFICIENTE DE DRENAJE”: Este coeficiente es la velocidad con la cual el agua del subsuelo sale de la zona donde están las raíces del cultivo que usted quiere proteger, se lo expresa en: Pulgadas / 24 horas.
𝒒=(P+C/100). i./24F
q = Coeficiente de drenaje.
P = percolación profunda de suelos regados = 20%.
C = Perdidas de agua en canales. = 8% en canales de tierra.
F = frecuencia de riego.
i = lamina de riego.
Ejemplo: Se riega cada 14 días y se aplican 6 pulgadas de agua cada riego.
q = (20 + 8/100) 6
. 24 x 14
q = 0.005 pulgadas/24 horas.
IMPORTANTE: Es usualmente aplicable considerar como coeficiente de drenaje para suelos agrícolas los valores entre: 0.005 hasta 0.001 pulgadas por hora, siendo decisión del proyectista exclusivamente.
CAPACIDAD DE DRENAJES PARALELOS: CALCULO. La capacidad de conducción de los drenajes paralelos de intercepción al gradiente hidráulico puede ser calculados en base al sector que servirá dicho dren. Su fórmula es así:
Qi = K x i x de x L/ 43.200, donde:
43.200 = constante.
Qi = Descarga del drenaje en pies cúbicos por segundo. CFS.
K = Conductividad Hidráulica.
I = Gradiente hidráulico en pulgadas/hora.
d e = Profundidad promedio efectivo del drenaje en pies. Medida por debajo de la tabla de agua.
L = Longitud del drenaje.
La conductividad hidráulica en campo se mide principalmente mediante ensayos de infiltración y permeabilidad, como el método del agujero de barrena (Auger-Hole), el barreno invertido, el uso de piezómetros o pruebas de bombeo. Cada técnica se adapta al tipo de suelo y a la profundidad de interés
Ejemplo de Calculo:
K = 10 pulgadas/hora. Es la conductividad hidráulica promedio obtenido de diferentes puntos.
i = El gradiente hidráulico medido o pendiente de la tabla de agua es de 0.05 pies/ pie.
d e = Profundidad efectiva de los drenes = 7 pies. (localizada debajo de la tabla de agua observada).
L = longitud promedio de los drenes. 4.500 pies.
Q i = 10 (0.05) (7) (4.500) / 43.200 = 0.36 CFS.
1 CFS = 450 GPM.
CALCULO DE ESPACIAMIENTO DE LOS DRENAJES. DESPUES QUE LA PROFUNDIDAD DE SUS DRENAJES HAN SIDO DETERMINADOS. Se recomienda el uso de la ecuación de HOOGHOUDT’S tanto para canales abiertos o tuberías soterradas de drenaje, sirve para suelos homogéneos con un valor conocido de la permeabilidad y con un estrato impermeable localizado. El suelo se asume que es drenado con una serie de drenajes paralelos. Hooghoudt’s en su análisis asume que la lluvia es constante y que el gradiente hidráulico en cualquier punto es igual a la pendiente de la tabla de agua sobre cualquier punto. Es la ecuación de la elipse que asume un semi eje mayor y un semi eje menor respectivamente.
S=
q
S=
0.01
EJEMPLO DE CALCULO:
S = Espaciamiento en pies.
K = Conductividad Hidráulica promedio. (Pulgadas/hora)
m = distancia vertical medida deseada que caiga el nivel de la tabla de agua. (Pies)
a = profundidad del estrato impermeable (hardpan) medido. (15 Pies). = (15 – d) = 7 pies.
q = coeficiente de drenaje. En pulgadas/hora.
d = Profundidad de los drenajes.
c = profundidad deseada que caiga la tabla de agua.
d = 8 pies.
a = 7 pies
m = 3 pies.
( m + a) = 10 pies.
K = 2 pulgadas/hora.
q = 0.01 pulgadas/hora.
RESPUESTA = S = 202 pies.
SISTEMA DE DRENAJES CON BOMBEO
En la costa y especialmente en las tierras localizadas en la cuenca baja del Guayas, se tiene que incluir los sistemas de drenajes por bombeo porque en los periodos de lluvias son tan altas las precipitaciones que resulta absurdo pretender que la lenta infiltración y permeabilidad de los suelos, protejan nuestros cultivos y eviten la pudrición de nuestros sistemas radiculares ante las elevadas tablas de agua presentes. James N Luthin, mi profesor de drenaje insistía que hoy en el arte de la ciencia del drenaje no se debe exclusivamente enfocar en el control del movimiento del agua a través del suelo sin considerar los efectos nocivos de la tabla de agua para nuestros cultivos. Nuestra preocupación emerge cuando no observamos empozamientos sobre la superficie del suelo y sin embargo existe una alta tabla de agua presente en el subsuelo.
Es bastante común escuchar luego de inspecciones en el campo atribuirle problemas de desbalances nutricionales en presencia de matas cloróticas sin investigar que este pasando debajo del suelo. Al ascender la tabla de agua, en los espacios porosos del suelo, el aire es desplazado por el agua, y el intercambio libre entre los gases del suelo con aquellos afuera en la atmosfera empiezan a bloquearse y el contenido del oxígeno libre se limita no solamente por el extremadamente bajo proceso de difusión de gases a través del suelo. En suelos saturados el intercambio de estos gases es confinado a una pequeña fracción de la parte superior de los suelos y por debajo el oxigeno libre virtualmente no existe. Ahora bien, cuando desaparece todo el oxigeno libre del suelo, la materia orgánica inicia un proceso Anaeróbico de descomposición, cuando esto ocurre el nitrógeno es atrapado en los residuos orgánicos y como resultado de ello, se inicia la producción de compuestos orgánico reducidos como: Metanos conocidos como Gas de pantanos y complejos aldehídos sumamente tóxicos.
Al declinar la velocidad de transpiración debido a la inundación, esta deficiencia de oxígeno incrementa la concentración de dióxido de carbono hasta pudrir las raíces, y las plantas desarrollan síntomas que van desde condiciones cloróticas, enrojecimiento que indican un desbalance errado nutricional. Dicho esto, en estos suelos el drenaje por bombeo es una necesidad imprescindible para bajar la tabla de agua fuera de nuestro volumen radicular y debemos tener presentes también que una tabla de agua fluctuante no puede ser considerada como un beneficio sino como un perjuicio.
CALCULO DE LA CAPACIDAD DE LA BOMBA
EJEMPLO: Una plantación de 100 hectáreas necesita evacuar una lluvia de 5 pulgadas que produce un escurrimiento superficial de 2 pulgadas en 24 horas (0.0508 metros/día) por lo tanto:
Q = 0.058 x 100 hectáreas x 10.000M2 /Ha = 58.000 MT3
58.000 MT3 / 24 horas = 2.417 MT3 /hora;
2.417 MT3 /60 minutos/hora = 40 MT3 / minuto = 10.567 GPM
En la práctica la localización de las bombas de drenaje va en la albarrada de bombeo construida para estos fines. Lo ideal es poseer 2 bombas de 5000 galones cada una y prenderlas en función de la intensidad de la tormenta. Asumamos que la altura de succión es de 5 metros (16.4 Ft) entonces: asumiendo que la eficiencia de la bomba encontrada es del 95% y que al acoplársela al motor tenemos una eficiencia del 70%.
BHP = GPM x Carga total / 3.960 x 0.70 x 0.95 =
BHP = 5000 GPM x 16.4 pies / 2.633 = 82.000 / 2.633 = 32 Bhp
Con una reserva de potencia del 20% tendríamos = 38 BHP.
Ing. Pedro Alava Gonzalez. M.Sc.
Sunrise, Fl 33322
