Drenaje superficial en terrenos agrícolas

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  1. “SECRETARÍA DE AGRICULTURA, GANADERÍA, DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACIÓN” Subsecretaría de Desarrollo Rural Dirección General de Apoyos para el…
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  • 1. “SECRETARÍA DE AGRICULTURA, GANADERÍA, DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACIÓN” Subsecretaría de Desarrollo Rural Dirección General de Apoyos para el Desarrollo Rural” Drenaje Superficial en Terrenos Agrícolas
  • 2. 2 DRENAJE SUPERFICIAL EN TERRENOS AGRÍCOLAS Introducción Definición. 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
  • 3. 3 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 ocasionada Volúmenes de agua a desalojar Tipo y permeabilidad del suelo Pendiente del suelo Estabilidad estructural de los diferentes horizontes del perfil del suelo Tipo 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
  • 4. 4 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)
  • 5. 5 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. Especificaciones Diseño 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 ancho menor 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 7 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.
  • 6. 6 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, m Los 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 PAREDES Superficie Perfectas Buenas Medianas Malas En tierra, alineados y uniformes En roca, lisos y uniformes En roca con salientes y sinuoso Sinuosos y de escurrimiento lento Dragados en tierra Con lecho pedregoso y bordos de tierra enhierbados Plantilla de tierra, taludes ásperos 0.17 0.025 0.035 0.0225 0.025 0.025 0.028 0.20 0.030 0.040 0.025 0.0275 0.030 0.030 0.0225 0.033 0.045 0.0275 0.030 0.035 0.033 0.025 0.035 s/d 0.030 0.033 0.040 0.035 Fuente: Coras, 2000. Condición de canal Vel. Max. Arena fina Franco Arenoso Franco limoso aluvial Franco Firme Arcilla no plástica (coloidal) Limos aluviales Hardpans 0.50 0.58 0.67 0.83 1.25 1.25 2.00 Fuente: Coras, 2000.
  • 7. 7 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
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