EL DRENAJE EN LAS PLANTACIONES DE PALMA ACEITERA

 

                                                        

                                                                                                                                            

INTRODUCCION

 

La explotación de plantaciones de palma aceitera en condiciones económicas requiere un ambiente edáfico adecuado en la zona radicular del cultivo que depende de las características climáticas de la región, así como de la aereación, nivel de salinidad y fertilidad del suelo.

 

El drenaje es el proceso de eliminación del exceso de agua tanto de la superficie como del perfil del suelo a fin de mantener las condiciones de aereación y actividad biológica en un nivel que permita el desarrollo del sistema radicular de la palma en todas direcciones de modo que garantice el soporte mecánico necesario y mayor acceso al agua, aire y nutrientes.

 

En efecto, un sistema radicular bien desarrollado logrará no solo un mejor desarrollo en condiciones normales, sino que permitirá a la plantas similar mejor las condiciones que se presenten durante eventos críticos como huracanes, sequías, inundaciones, etc.

 

El drenaje puede ser superficial o sub-superficial (interno) según la localización del exceso de agua con relación a la superficie del terreno.

 

Como el sistema radicular de la palma alcanza hasta 1.50 m de profundidad en condiciones de buen drenaje es obvio que un buen sistema de drenaje debe planearse de modo que elimine excesos de agua tanto superficial como sub-superficial.

 

 

DRENAJE SUPERFICIAL

 

Es la evacuación del agua libre de la superficie del terreno a causa de lluvias o riegos muy intensos y frecuentes, topografía muy plana e irregular o suelos pocos permeables.

 

Se ha demostrado que la mayor parte de absorción de nutrientes ocurre en las raíces comprendidas en los primeros 15 a 60 cm de profundidad.

Un buen drenaje superficial además mejora la capacidad de soporte mecánico del suelo, facilitando así la acarrea de fruta durante la cosecha y la realización de la prácticas  culturales en la plantación. También es necesario para prevenir la propagación de enfermedades de tipo fungoso. En plantaciones con problemas de drenaje superficial se observa la formación de una capa verde de algas que limita la infiltración del agua en el suelo, empeorando aún más este problema.  Un mal drenaje superficial también favorece la pérdida de fertilizantes por lavado.

 

 

CAUSAS DEL PROBLEMA

 

El exceso de agua sobre los terrenos puede ser ocasionado por cuatro causas principales:  precipitación, inundaciones, limitaciones topográficas y limitaciones edáficas. La precipitación es la principal fuente de exceso de agua; las inundaciones son consecuencia de la precipitación y las limitaciones topográficas y edáficas contribuyen a agravar la acción de las causas anteriores.

 

Precipitación

 

En las zonas húmedas, durante el período de lluvias, la precipitación es superior a la evaporación y como resultante existe un período de exceso de humedad. Durante este período, los suelos generalmente se encuentran bastante saturados de humedad y al ocurrir lluvias de altas intensidades, se produce una gran escorrentía superficial que fluye hacia las zonas más bajas de los terrenos, provocando problemas de drenaje.

 

Inundaciones

 

Las inundaciones comparten con la precipitación las causas de exceso de agua. Por efecto de grandes precipitaciones sobre las cuencas altas, los ríos aumentan su caudal y se desbordan en las zonas bajas provocando problemas de drenaje.

 

Suelos y Topografía

 

Las características físicas de los suelos (textura y estructura) están íntimamente ligados a la topografía.  En la formación de los suelos sujetos a problemas de drenaje, el relieve ha tenido una influencia determinante en la caracterización de los mismos.  Los problemas de exceso de agua generalmente se presentan en terrenos que forman planicies aluviales.


En las zonas más bajas, donde han ocurrido las deposiciones de material más fino, es donde el problema reviste mayor gravedad.

 

Los factores que tienen mayor influencia en los problemas de drenaje superficial son los siguientes:

 

a.         Suelos con texturas finas que determinan poca capacidad de infiltración y permeabilidad;

 

b.         Topografías muy planas que limitan el libre escurrimiento de las aguas;

 

c.         Microrelieve con pequeñas o medianas depresiones que impide el movimiento del agua;

 

d.                  Terrenos con posición relativa baja, afectadas por la escorrentía de áreas de cotas superiores;

 

e.         La ocurrencia de deposiciones de limo sobre el terreno que provoca una impermeabilización de la superficie;

 

f.          Suelos con altos niveles freáticos

 

Resulta un poco difícil jerarquizar la influencia de cada una de las causas principales del mal drenaje. Cada zona tiene características climáticas y edafológicas diferentes que influyen sobre el problema.  Un análisis muy general indicará que el orden de prioridades en la causa del problema, sería:

 

a.         Topografía

 

b.         Suelos

 

c.         Precipitación

 

d.         Inundaciones o desbordamientos

 

En todo caso, para que exista una problema de drenaje superficial, tienen que conjugarse una topografía plana, suelos poco permeables y altas precipitaciones.

 

CONSECUENCIA DEL PROBLEMA

 

El encharcamiento de los terrenos por problemas de drenaje superficial trae como consecuencia una serie de limitaciones para la utilización de los mismos.  Los daños pueden variar según sea la magnitud del área afectada:  una finca, un asentamiento campesino o una gran zona agrícola.  Cuanto mayor sea el área a considerar, mucho más complicado será la determinación de los daños.

 

-           Dentro de las principales consecuencias a nivel de finca se pueden mencionar.

-           Daño a los cultivos; dependerá de la clase de cultivo, duración del efecto de inundación, estado de desarrollo del cultivo y de otras condiciones climáticas.

-                     Dificultad para la mecanización.

-           Problemas sanitarios.

-           Daños a la infraestructura

 

-                     Otros daños:  inseguridad para plantar cultivos, difícil programar mercado, dificultad de transporte, producción estacional, poca diversificación de cultivos, etc.

 

PRINCIPIOS DE DRENAJE SUPERFICIAL

 

Los diferentes estudios básicos previamente mencionados proporcionan la información necesaria para el diseño de un sistema de drenaje superficial. Sin embargo, es necesario el conocimiento de algunos principios básicos antes de intentar el diseño.

 

En primer lugar es necesario diferenciar dos aspectos del diseño:  el primero es el cálculo de la red colectora principal y el segundo se refiere a la determinación de la capacidad de las tierras para permitir el flujo del exceso de agua hacia esos colectores. El primer aspecto, o sea el diseño de la red colectora, ha sido el más estudiado hasta ahora y en la actualidad existen métodos suficientemente aceptables para realizar el diseño. El segundo aspecto es más complicado puesto que depende del microrelieve del terreno y hasta los momentos no existe un método suficientemente probado para permitir un diseño racional.

 

Relación precipitación - escorrentía

 

a.         Sistema hidrológico

 

En el diseño de drenaje superficial, sólo se considera el exceso de agua en la superficie no tomando en consideración el flujo sub-superficial y subterráneo, ya que el tiempo de retardo es muy largo y por lo tanto no tienen gran influencia en el dimensionamiento de la red.  De esta forma el sistema hidrológico se reduce al representado en la Fig.1. En este sistema se considera un área independiente sin aportes externos y en tal caso las "entradas" se reducen sólo a la precipitación sobre el área, la cual es afectada por el sistema suelo-cobertura que regula las " salidas ": evapotranspiración, infiltración y escorrentía.

 

Fig. 1  Sistema hidrológico del drenaje superficial

 

Conociendo el comportamiento de la precipitación, la variación de la evaporación e infiltración y el efecto regulador del sistema suelo-cobertura se puede determinar la escorrentía, la cual es objeto del estudio.

 

Existen muchos procedimientos para calcular la escorrentía, pero la mayoría de ellos han sido diseñados para estimar las crecidas máximas; entre éstos podemos citar la fórmula racional, el método de Cook, el hidrograma unitario y la fórmula de Mac Math. Como el drenaje superficial a nivel parcelario o de pequeñas fincas, lo importante es evacuar el exceso de agua en un tiempo razonable de acuerdo a la sensibilidad del cultivo, lo que más interesa no es precisamente la crecida máxima, sino la escorrentía total.  De esa manera, parte de la cuenca puede estar inundada durante algunas horas.  Sólo en el caso del diseño de algunas estructuras como puentes y alcantarillas, sería necesario el conocimiento de las crecidas máximas.

 

Precipitación de diseño

 

Dos aspectos importantes son considerados en la obtención de la lluvia de diseño:  el período de retorno o frecuencia de la misma y su duración.  El SCS (1973) recomienda una frecuencia de 5-10 años.  La duración de la lluvia se escoge de acuerdo a la sensibilidad del cultivo y se denomina tiempo de drenaje.

 

Como tiempo de drenaje (td) considérese el tiempo en horas que el cultivo puede soportar bajo condiciones de inundación sin disminuir significativamente sus rendimientos.  Para nuestro medio no tenemos información disponible, pero en general se adopta el siguiente criterio:

 

            Hortalizas y cultivos delicados        6-8  horas

            Cultivos anuales                               12-24 horas

            Pastos                                                48-72 horas

 

Infiltración

 

Un buen diseño requiere del conocimiento de la capacidad de absorción de agua por los suelos y para ello es necesario la determinación o estimación de su capacidad de infiltración.

 

En el caso específico de drenaje superficial, se considera que al momento de ocurrir la lluvia de diseño, el suelo se encuentra a capacidad de campo, en cuyo caso la infiltración ha alcanzado un valor muy cercano a la infiltración básica.  Como regla práctica se puede utilizar los valores de permeabilidad los cuales son en general numéricamente iguales a la infiltración básica.

 

En general, el método de los anillos infiltrómetros utilizando un tiempo de unas 3-4 horas proporciona valores cercanos a la infiltración básica.

 

Coeficiente de drenaje y ecuación de diseño

 

El coeficiente de drenaje (Cd), puede definirse como el exceso de agua que debe ser removido por unidad de tiempo, el cual generalmente se considera como 24 horas.  Comúnmente se expresa como una lámina por unidad de tiempo:

 

                                                                                                                                            

                                                        (1)

en donde:

 

                        Cd       = Coeficiente de drenaje (L/T)

                        E         = Escorrentía total (L)

                        td         = Tiempo de drenaje (T)

 

Si consideramos el tiempo de drenaje (td) en horas, de acuerdo a la definición, para 24 horas, Cd sería: en la cual, Cd tendría unidades de lámina por 24 horas.

 

Es norma muy generalizada la de expresar el coeficiente de drenaje como un gasto por unidad de tiempo y área, tradicionalmente litros por segundo por hectárea (l/s/Ha), en cuyo caso Cd, podría obtenerse mediante una ecuación de la forma:

                                                                                                        (2)

 

                                                                                                        (3)

en donde Cd tiene unidades de litros por segundo por hectárea, E y td pueden tener cualquier  unidad y K depende de las unidades de E y td.  Para E en milímetros y td en horas,  K = 2.78

 

Si el área a drenar fuese muy pequeña (menor a 150 has), el caudal de diseño del colector, para drenar esa superficie, se calcularía multiplicando el coeficiente de drenaje, obtenido en la ecuación (3), por el área (ha); de esa forma obtendríamos una ecuación como:

 

                                                                                                          (4)

 

 

                                              

                                             

 

           

 

y en la cual       Q =  Caudal de diseño ( lps )

                        Cd = Coeficiente de drenaje (lps/Ha)

                           A= Area  (Ha)

 

 La ecuacion (4) es una ecuacion de diseño para los drenes colectores

 

Como se aclaró anteriormente, la ecuación (5.4) "funciona bien para pequeñas áreas", pero es sabido que a medida que el área de la cuenca de drenaje aumenta, el caudal producido por unidada de área disminuye por efecto del almacenamiento y pérdidas en la red colectora y el tiempo de concentración.  Desafortunadamente en nuestro medio no tenemos estudios que permitan determinar ese decrecimiento, sin embargo, las experiencias del U.S. Soil Conservation Service (1973) han demostrado que esa disminución puede ser obtenida si en la ecuación de diseño se eleva el área a una potencia de 5/6.  Según los mismos autores, el caudal de diseño puede ser obtenido mediante una ecuación de la forma:

 

 

                                                                              (5)

en donde:                  Q = Caudal de diseño (L 3/T)

                                    A = Area (L2)

                                    C = Coeficiente que depende del cultivo,

                                           precipitación y características de la

                                          cuenca  (L)

Posteriormente, Stephen y Mills (1965) adaptaron la fórmula de manera que ésta pudiera ser utilizada en otras localidades.  Como resultado propusieron una ecuación para calcular el coeficiente C de la fórmula original. La ecuación, adaptada al sistema métrico, es:

                                                                  (6)

 

                                 C : l/s/ha

                               E : cm/24 h

 

en la cual C es el coeficiente a utilizar en la ecuación (5) y E es la escorrentía total en centímetros, calculada por los métodos que se describen a continuación la escorrentía E en la ecuación (6) es dada para un tiempo de 24 horas; para otros tiempos E = (E x 24)/td.

 

Métodos para calcular la escorrentía total (E)

 

            Dos de los métodos más sencillos de determinar la escorrentía total son:

 

1.         El balance hídrico diario, y

 

2.         El método del Soil Convervation Service.

 

            En ambos métodos se requiere el conocimiento de:

 

a.         Lluvia de diseño

 

b.         Capacidad de infiltración de los suelos.

 

            La lluvia de diseño se obtiene de acuerdo a: 

 

a.1       período de retorno el cual obedece a factores económicos y que dijimos anteriormente se considera como de 5-10 años

 

a.2       duración de la lluvia, determinada de acuerdo al cultivo la cual se considera igual al tiempo de drenaje (td).

 

            La infiltración puede ser medida o estimada.

 

Método del balance hídrico

 

Este método no es más que la aplicación de una ecuación sencilla de balance hídrico.

 

 

                                                                                                     (7)

  

                                                                    P : mm/24 h

                                                                     I : mm/24 h

                                                                    Et: mm/24 h

En la cual E es la escorrentía total, P es la lluvia de diseño, I es la infiltración total durante el tiempo de drenaje (td) y Et es la evapotranspiración durante el mismo tiempo.  Todos los términos de la ecuación deben presentarse en las mismas unidades.  Es común no tomar en cuenta la evapotranspiración ya que ésta se reduce a unos cuantos milímetros, en tal caso la relación se reduciría a:

 

                                                                                                             (8)

 

Método racional

 

El método puede ser aplicado a pequeñas cuencas de drenaje agrícola, aproximadamente, si no exceden a 1500 ha.

 

En el método se supone que la máxima escorrentía ocasionada por una lluvia se prodece cuando la duración de ésta es igual al tiempo de concentración (tc). Cuando así ocurre, toda la cuenca contribuye al caudal en el punto de salida.  Si la duración es mayor que tc contribuye asimismo toda la cuenca, pero en ese caso la intensidad de la lluvia es menor, por ser mayor su duración y por tanto, también es menor el caudal.

 

Si la duración de la lluvia es menor que Tc la intensidad de la lluvia es mayor, pero en el momento en que acaba la lluvia, el agua caída en los puntos más alejados aún no ha llegado a la salida:  sólo contribuye una parte de la cuenca a la escorrentía, que por tanto será menor.

 

Aceptando este planteamiento, la escorrentía se calcula por medio de la siguiente expresión, que es la fórmula racional:

 

 

                                                                                                    (9)

 

 

 

 

donde:

 

                        Q =      Caudal de escorrentía, en m3/s

 

                        C =      Coeficiente de escorrentía, sin dimensiones

 

                        I =        Máxima intensidad media de la lluvia crítica para una duración igual al tiempo de concentración, en mm/hr.

                        A =      Superficie de la cuenca en hectáreas

 

            El coeficiente 1/360 corresponde a la transformación de unidades.

 

            A continuación se indican los distintos factores de esta fórmula

Tiempo de concentración (tc)

 

Se denomina tiempo de concentración de una cuenca al tiempo transcurrido desde que una gota de agua cae en el punto más alejado de la salida (estación de aforo) hasta que llega a esta.  Este tiempo es función de ciertas características geográficas y topográficas de la cuenca.  Su valor viene dado por la expresión:

 

 

                                                              tc = 0,0195 * k (0,77)                                                                              (10)

 

 

                                                                                                                           (11)

 

 

                                                                                                                                                                                (12)

 

 

donde:                       t =     Tiempo de concentración, en min.

                        L  =      Máxima longitud del recorrido, en m

                        H  =    Desnivel entre el punto más alejado y la

                                   salida, en m.

 

Determinación de la intensidad de lluvia (I)

 

Este valor se determina a partir de la curva intensidad - duración- frecuencia, entrando con una duración igual al tiempo de concentración y con una frecuencia que corresponde a un período de retorno de 10 años, que es lo frecuente en el caso de terrenos agrícolas.

 

Determinación del coeficiente de escorrentía (C)

 

La escorrentía, es decir, el agua que llega al cauce de evacuación, representa una fracción de la precipitación total.

 

A esa fracción se denomina coeficiente de escorrentía, que no tiene dimensiones y se representa por la letra C.

El valor de C, depende de factores topográficos, edafológicos, de la cobertura vegetal, etc.

 

En el cuadro 1, se presentan valores del coeficiente de escorrentía.

 

Cuadro 1       Coeficiente de escorrentía "C" , de acuerdo a la   vegetación, pendiente

                        y textura del suelo.

 

Tipo Vegetación

Pendiente (%)

Franco arenosa

Fracoarcillolimosa francolimosa

Arcillosa

Forestal

0-5

0.10

0.30

0.40

 

5-10

0.25

0.35

0.50

 

10-30

0.30

0.50

0.60

 

 

 

 

 

Praderas

0-5

0.10

0.30

0.40

 

5-10

0.15

0.35

0.55

 

10-30

0.20

0.40

0.60

 

 

 

 

 

Terrenos cultivados

0-5

0.30

0.50

0.60

 

5-10

0.40

0.60

0.70

 

10-30

0.50

0.70

0.80

 

Cuando la cuenca se compone de superficies de distintas características, el valor de C se obtiene como una media ponderada.

 

Método de Mac Math

 

            La fórmula de Mac Math es la siguiente:

 

                                                                                    (13)

Q =      Caudal de escorrentía con frecuencia de excedencia una vez T años, en m3/s.

C =      Factor de escorrentía de Mac Math representa las características de la cuenca.

I =        Intensidad de lluvia, para un tiempo de concentración Tc y frecuencia de excedencia una vez en T años, en pul/h.

A =      Area de la cuenca, en acres (1 Ha = 2.47 acres).

S =      Pendiente promedio del dren principal, expresado en 1/1000.

                                   

            El factor C, se compone de tres factores parciales:

 

                                                                                                                                                                               (14)

donde:                        C1 = está en función de la cobertura principal

                        C2 = está en función de la textura del suelo

                        C3 = está en función de la topografía del terreno

 

Cuadro 2.  Factor de escorrentía de Mac Math

 

Vegetación

Suelo

Topografía

Cobertura (%)

C1

Textura

C2

Pendiente (%)

C3

100

0.08

Arenosa

0.08

0.0-0.2

0.04

80-100

0.12

Ligera

0.12

0.2-0.5

0.06

50-80

0.16

Media

0.16

2.0-5.0

0.06

20-50

0.22

Fina

0.22

5.0-10.0

0.10

0-20

0.30

Rocosa

0.30

 

0.15

 

 

DRENAJE SUB-SUPERFICIAL

 

El drenaje sub-superficial, también conocido como drenaje interno o profundo, es la evacuación del agua libre debajo de la superficie del terreno, con el fin de controlar su nivel, que se conoce con el nombre de nivel freático o tabla de agua, y remover las sales para lograr un balance salino adecuado en la zona radicular.

La absorción de agua y nutrientes del suelo por las raíces de la palma, se dificulta enormemente en condiciones de saturación (debajo del nivel freático).  Las raíces pueden absorber fácilmente agua y nutrientes cuando la humedad del suelo ha alcanzado su valor de capacidad de campo, ésto es cuando ha drenado por efecto de la gravedad de manera que existe una condición de aereación en el suelo.

 

Como se anotó anteriormente en suelos bien drenados las raíces de la palma alcanzan hasta 2.0 m de profundidad (y más).  Sin embargo el porcentaje de raíces disminuye con la profundidad por lo que el mayor porcentaje de raíces se encuentra concentrado en los primeros 60 cm de profundidad. Se considera que debe existir un mínimo de 100 cm entre la superficie del terreno y el nivel freático promedio en la época más lluviosa para permitir un desarrollo radicular adecuado.

 

Para lograr esto se necesita crear un gradiente hidráulico de manera que el agua se mueva hacia un nivel más bajo y el nivel freático descienda hasta lograr el mínimo deseado.

 

        

 

ESTUDIOS E INVESTIGACIONES DE DRENAJE

 

Para proyectar la red de drenaje es necesario efectuar estudios e investigaciones de las condiciones locales y un análisis de los datos meteorológicos históricos.

                       

Topografía

 

La información topográfica es esencial tanto en el diagnóstico del problema de drenaje como en el diseño de la red.

 

Se deberán levantar planos catastrales indicando límites parcelarios, caminos existentes, áreas cultivadas y desnudas, ubicación de los cauces naturales que son potenciales colectores de drenaje y también colector principal del área, aún cuando éste se encuentre fuera del área del proyecto.

 

Para estudios de factibilidad se utilizan escalas de 1:25,000 a 1:10,000 y a nivel de diagnóstico o diseño escalas de 1:5,000 a 1:1,000.

 

Además los planos catastrales son necesarios los planos topográficos que son planos catastrales que además incluyen las curvas de nivel, las cuales nos permiten determinar la configuración superficial, pendientes, dirección natural del drenaje y las salidas potenciales de éste.

 

 

 

Para estudios preliminares y de factibilidad la equidistancia de curvas de nivel debe ser de 1.00 m.  Para diagnóstico y diseño generalmente es suficiente 0.50 m de equidistancia, aunque en terrenos llanos pueden requerirse hasta 0.25 m.

 

El estudio topográfico a nivel de diseño incluye además los perfiles longitudinales de los cauces naturales y de los posibles canales secundarios y primarios de drenaje.

 

Suelos

 

Para plantaciones de palma se deben efectuar estudios de suelos hasta 1.50 m de profundidad para fines de drenaje superficial.  Deberá determinarse la estratigrafía del perfil hasta esta profundidad con base en sus propiedades físicas:  textura, porosidad (densidad aparente), porcentaje de compactación, resistencia a la penetración y velocidad de infiltración básica.

 

También es necesario indicar la cantidad y tipo de vegetación presente en la superficie, así como la estabilidad de las pendientes de los taludes de los cauces existentes.

 

Para fines de drenaje sub-superficial interesa además de los primeros 1.50 m de profundidad, conocer la estratigrafía el suelo hasta la capa barrera impermeable. Una capa se considera impermeable cuando su conductividad hidráulica o permeabilidad es por lo menos 20 veces menor a la de la capa superior.

 

Esta capa o barrera es la que permite que el agua se levante por encima de ella llenando los poros permeables del suelo.  Al nivel superior del agua se le llama nivel freático, o tabla de agua y puede llegar a alcanzar hasta la superficie cuando no existe un buen drenaje interno.

 

Las perforaciones para investigaciones de drenaje sub-superficial deben de realizarce hasta la capa impermeable.

 

En suelos aluviales es común que esta barrera se encuentre a poca profundidad.

 

Además de las propiedades físicas es necesario determinar el uso de la tierra y las prácticas de cultivo, tanto del proyecto como de toda la cuenca hidrológica donde está contenido.  Muchas veces los proyectos de drenajes han fracasado o resultan antiecomómicos por problemas legales de oposición de los dueños de las propiedades, agua abajo del proyecto.

 

También es necesario conocer los planes de desarrollo de las zonas aguas arriba del proyecto que afectarán la magnitud de descarga de los drenes.

 

Estudios de agua subterránea

 

Se efectuán en el caso de drenaje sub-superficial y comprenden dos tipos:  elevaciones del nivel freático y determinación de la cota piezométrica en el caso de que exista presión artesiana en capas confinadas.

 

El agua subterránea no es estática sino dinámica.  Pocas horas después de un aguacero asciende y después inicia su descenso si existe un drenaje interno.

 

Los objetivos de investigar las aguas subterráneas, que forma parte de un estudio de drenaje son:

 

a.         Determinación de la extensión, grado y naturaleza de los problemas de drenaje existentes o potenciales.

 

b.         Analizar el sistema de agua subterranea y establecer un balance de agua para comprender las causas de problema de drenaje.

 

c.         Indicar como puede ser alterado artificialmente el sistema de agua subterránea para que el nivel freático pueda ser mantenido a un nivel que no perjudique el desarrollo radicular de la palma.

 

Las observaciones de los niveles de agua subterránea se efectúan en pozos existentes (generalmente de agua para consumo doméstico), superficies de agua (lagos, ríos, canales, manantiales), pozos de observación y piezómetros.

 

Como los pozos existentes y superficies de agua son puntuales y poco frecuentes es necesaria la instalación de los pozos de observación y piezómetros.

 

Pozos de observación

 

Permiten observar periódicamente los niveles de la tabla de agua.

 

Pueden ser entubados o sin ningún revestimiento.

 

Generalmente se requiere que brinden información a largo plazo durante el establecimiento de la plantación y se entuban para evitar su desmoronamiento en suelos no cohesivos.

 

En un pozo de observación típico, el diámetro de la tubería puede variar de 3/4 a 2 pl. y puede ser de cualquier material disponible.  Los tubos deben ser perforados en una longitud que debe ser mayor que el rango de fluctuaciones del nivel del agua.  El pozo es perforado con un diámetro mayor al de la tubería y su profundidad será de acuerdo al nivel más bajo de la tabla de agua.  El perfil y estratificación del suelo también pueden indicar la profundidad conveniente de instalación.

 

El espaciamiento de los pozos depende del nivel de estudio y del grado de variación en los gradientes que se desea registrar como guía.  Se recomienda la siguiente densidad de acuerdo con el tamaño del área a drenar:

Area (ha)

No. de pozos de observación

100

20

1000

40

10000

100

 

En el pasado en la plantación de Coto se instalaron 1 cada 10 hectáreas.  La disposición en cuadrado o rectangular facilita el dibujo e interpretación de los mapas y perfiles de niveles freáticos.

 

El relieve exterior del terreno generalmente da una idea de la configuración de la superficie de agua subterránea.  En capas aluviales profundas de material grueso puede aproximarse a un plano, mientras que cuando la capa impermeable está cerca de la superficie, la configuración de la superficie freática se parece a la del terreno.

 

La frecuencia de las lecturas depende del grado de variación del nivel freático.  En épocas lluviosas mínimo cada semana y en épocas secas cada mes.  Algunas veces queremos conocer el comportamiento durante un período determinado tomando lecturas diarias.

 

Los datos colectados en las lecturas de los pozos deben ser elaborados y presentados de una manera gráfica para poder interpretarlos fácilmente.  Estos mapas se obtienen interpolando los datos de elevación o cotas del nivel freático obtenidos al relacionar la lectura de los pozos de observación a un plano de comparación.  A estas isolíneas (líneas de igual elevación) del nivel freático se les llama "isohypsas" y su equidistancia varía entre 0.20 y 0.50 m.

 

El mapa de isohypsas nos revela la dirección del flujo de agua subterránea, el gradiente hidráulico, las zonas de recarga y/o descarga y el valor relativo de la conductividad hidráulica.

 

También interesa la profundidad de la tabla de agua en cada punto, que se obtiene restando la elevación del nivel freático del nivel del terreno o directamente de la lectura de los pozos.  Si trazamos por interpolación las isolíneas de profundidad del nivel freático que se llaman "isobatas" se obtiene un mapa que permite delimitar las áreas con diferente grado de severidad del problema.  Otra manera de visualizar áreas  problemáticas es asignándole diferentes colores a los rangos de profundidades.

 

Piezómetros

           

Permiten obtener la presión hidrostática del agua subterránea en un punto específico en el suelo localizado en el extremo inferior del tubo. Se usan cuando se sospecha la presencia de presión artesiana en algún estrato.

 

La diferencia básica con el pozo de observación consiste en que la única abertura se encuentra en el extremo inferior lo que permite medir la presión hidrostática en ese punto por la altura que alcanza el nivel del agua sobre el punto y de esta manera detectar la presión artesiana y los movimientos vertical y horizontal del agua subterránea.

 

En el caso del pozo de observación la entrada del agua ocurre a lo largo de las paredes por debajo del nivel freático.

 

La elevación del nivel del agua en el piezómetro puede ser mayor, igual o menor que el nivel freático que marca el pozo de observación.

 

Es importante recordar que la altura de agua registrada en el piezómetro es la carga hidrostática en el suelo, en el punto donde termina el tubo, por lo tanto se debe conocer la estratificación general del suelo antes de instalar los piezómetros de modo que éstos terminen en el estrato deseado.

 

MOVIMIENTO DEL AGUA EN EL SUELO

 

Ecuación de Darcy

 

En el suelo, el agua fluye a través de los poros interconectados que resultan de la disposición de los partículas individuales y de la agregación de los mismos.  Para ello se requiere energía y capacidad del medio poroso para transmitir el agua.

 

La ley de Darcy, que es fundamental para explicar el movimiento del agua en medios porosos define que el movimiento del agua a través del suelo saturado es directamente proporcional al área que atraviesa, a la capacidad del medio para transmitir agua, y a la diferencia de carga entre los dos puntos e inversamente proporcional a la distancia.

 

donde:

 

                                                                                                            (15)

 

 

            Q         =         caudal

           A          =          área transversal

 

             f          =         diferencia de carga entre dos puntos (gradiente

                                    hidráulico)

             L         =         longitud entre los dos puntos

 

             K        =         conductividad hidráulica

 

Conductividad hidráulica

 

Constante básica del suelo que debe ser determinada en todo estudio de drenaje expresada como capacidad de transmisión del agua a través del suelo; lo que permitirá calcular y diseñar el sistema de drenaje.

 

La conductividad hidráulica puede ser determinada por varios métodos, directamente en el campo, en laboratorio y estimada de acuerdo a ciertas características del suelo.  Dentro de los métodos de campo están el método del agujero de barreno (Auger hole), el método del pozo invertido y la medida del caudal directamente en canales; dentro de los métodos de laboratorio están el de muestra alterada y muestra inalterada.

 

Definición de términos relacionados con el medio permeable

 

Para los fines de la discusión que rigen, es necesario definir el significado de una serie de términos relacionados con el sub-suelo:

 

Homogéneo

 

El estrato presenta las mismas características físicas hasta la capa impermeable.

 

Heterogéneo

 

El estrato varía en sus características físicas hasta la capa impermeble.

 

Isotrópicos

 

La conductividad hidráulica es la misma en todas las direcciones, por lo tanto la conductividad hidráulica horizontal es igual a la vertical.

 

Anisotrópicos

 

La conductividad hidráulica cambia según la dirección del flujo; entonces la conductividad hidráulica horizontal es diferente de la vertical.

 

Permeable

 

La conductividad hidráulica es tal, que el agua se mueve por efecto del gradiente natural o creado artificialmente.

 

Impermeable

 

El agua se mueve en el suelo muy lentamente o no se mueve en su totalidad por efecto del gradiente natural o creado artificialmente.

 

Dirección del flujo

 

La instalación de una red de pozos de observación a distinta profundidad sobre una normal a un dren, permite trazar por interpolación las líneas de igual presión o equipotenciales.  Los gradientes hidráulicos quedan así definidos y el agua tiende a moverse en la dirección de las cargas o potenciales decrecientes.  El dren constituye así un centro de baja presión y la velocidad del flujo hacia el dren, depende de la conductividad hidráulica k y del gradiente dh/dL.

 

En una zanja abierta o un tubo instalado a determinada profundidad, el flujo es radial hacia el dren y esta característica aparece más destacada próximo al dren.

La complejidad matemática para resolver ecuaciones de flujo radial, ha obligado a formular supuestos que permiten un análisis más simple del problema, tales como los establecidos por Dupuit:  1.  las líneas de flujo en un sistema por gravedad son horizontales; 2.  la velocidad a lo largo del recorrido de la línea de flujo es proporcional a la pendiente de la superficie libre de agua pero independiente de la profundidad.

 

En tal caso, al asumir que las líneas de flujo son horizontales, significa que las equipotenciales son verticales.  Ello no es rigurosamente cierto, pero dado la reducida pendiente de la superficie freática, el error es mínimo salvo en la proximidad del dren.

 

 

Dado que una capa impermeable constituye una condición límite y por lo tanto una línea de flujo, su proximidad a la superficie del terreno define el flujo horizontal.  De esta manera, cuando la barrera está muy por debajo del drenaje, se requiere la consideración del flujo radial; mientras que un caso de barrera impermeable próximo al drenaje puede ser tratado como flujo horizontal.

 

Movimiento del agua en la zona de saturación

 

La zona de saturación se caracteriza porque el espacio poroso del suelo está casi saturado con agua, ya que la presencia de "aire entrampado" hace que dicho valor alcance a no más del 90%.  El agua en esta zona está sujeta a movimiento, el que depende de los gradientes hidráulicos disponibles y de la permeabilidad de los estratos.  Presenta áreas de recarga y de descarga y su nivel que marca la separación con la zona de aereación, varía según el balance hídrico del estrato; o sea, según la magnitud relativa de la recarga y descarga de los acuíferos.

 

Franja capilar

 

Entre la zona de aireación y de saturación no existe un límite abrupto; se presenta la denominada franja capilar, la que se caracteriza por una casi saturación, que depende de las fuerzas capilares de retención de agua.  Puede tener desde unos pocos centímetros de longitud hasta algunos décimos de metros, según las características físicas del suelo, siendo mayor en suelos de textura fina que en los de textura gruesa.

 

En un pozo de observación, lo que se registra es la superficie libre de agua en equilibrio con la presión atmosférica.  El agua en la franja capilar está a una presión inferior a la atmosférica y sujeta a movimiento que puede tener significación cuantitativa en determinadas condiciones.

 

El ascenso de la superficie freática y como consecuencia de la franja capilar, hasta la zona de exploración de los cultivos, crea condiciones de humedad desfavorables al desarrollo de los mismos.  La posibilidad de descenso del nivel freático, depende de la relación de recarga y descarga de los acuíferos y de los gradientes hidráulicos disponibles naturalmente ó inducidos.

   

 

Penetración del agua en el suelo

 

Si consideramos el suelo dividido en varias capas, el agua que infiltra cubre la capacidad de retención de cada capa, pasando el excedente a la capa inferior, y así sucesivamente, hasta comprender toda la capa radical.  Si la aplicación del agua continúa, el exceso que supera la zona de raíces percolará hacia los estratos inferiores.  Infiltración es una medida de la capacidad del suelo para absorber agua.  Percolación, en cambio, es una medida de la capacidad del suelo para transmitir el agua a través del perfil del mismo.

 

La velocidad de infiltración o de penetración del agua en el suelo es una función de muchas variables, entre las cuales cabe señalar como más relevantes:  textura, estructura, grado de compactación y de agrietamiento del suelo; además tipo de cultivo, labores culturales, calidad del agua y sello superficial.

 

Ecuación de infiltración

 

Si se mide la lámina de agua infiltrada en un terreno en función del tiempo y se grafican a escala doble logarítmica, la envolvente de los puntos resulta una recta, Fig. 5.12, que responde al siguiente tipo de ecuación:

          

                                                     Log(d) = Log (K) + m * Log(t)

                                                                                                                        (16)

donde:

 

                        d         =          es la lámina de agua infiltrada en cms

 

                        K         =          es la ordenada en origen

 

                        t          =          es el tiempo en minutos

 

                        m        =          es un exponente

 

            La ecuación de velocidad de infiltración I.

 

 

 

                                                                                                           (17)

I : cm/h

                                                                                      t : min. 

 

El exponente, m-1, tiene valor negativo, dado que m es menor que la unidad y es más elevado en suelos arenosos (alrededor de 0.70) que en arcillosos (alrededor de 0.30).

 

En cuanto a los procedimientos para medir la velocidad de infiltración o de penetración del agua en el suelo, cabe mencionar los cilindros infiltrómetros y las parcelas de ensayo.

 

Cilindros infiltrómetros

 

El aparato cuenta de un cilíndro de 22 a 30 cm de diámetro y de unos 30 cm de longitud que se hunde a golpes en el terreno, una profundidad variable entre 10 y 15 cm  alrededor se instala un aro también metálico que oficia de regulador o "buffer", cuyo diámetro es por lo menos de 30 cm mayor que el diámetro del cilindro y unos 18 cm de alto.  Dicho aro se entierra unos 5 a 10 cm empleando para ello una plataforma metálica y martillo.  Completan el aparato una regla graduada fija y una varilla corrediza que termina en un gancho cuyo extremo se hace coincidir con el nivel del agua.  La altura del agua infiltrada se mide por diferencia de posición en la escala de un índice solidario a la barra.

 

Las lecturas de un infiltrómetro en operación, se efectúan al comienzo con un intervalo de 1 a 10 minutos (dependiendo del tipo de suelo); luego puede ser aumentado el intervalo a 15 minutos y transcurrida la primera hora, puede ser suficiente un intervalo de 30 minutos.  Se agrega agua para volver al nivel original, cada vez que la superficie libre de la misma ha descendido.  Dado la variabilidad que se observa en los valores de infiltración, se requiere repetir el ensayo o trabajar simultáneamente con 4 ó 5 infiltrómetros, que integran una serie de cilindros de diferentes diámetros, a fin de facilitar su transporte.

 

 

Parcelas de ensayo

 

En un área donde el riego está instalado, la velocidad de infiltración puede obtenerse en parcelas mayores, por ejemplo en 5 a 10 surcos, o en una melga regada  por inundación, donde se mide el caudal ingresado y el caudal salido.  La diferencia, o caudal infiltrado, se representa igualmente en función del tiempo para obtener la ecuación de infiltración.

 

Pueden también emplearse pequeñas melgas, nivelados a cero, de 15 m3 a 25 m3, las que se llenan rápidamente con agua hasta una determinada altura y luego se mide la lámina infiltrada en función

 

del tiempo.  Se repone agua cada vez que ha descendido el nivel; es decir, operando de la manera descrita en el caso de los infiltrómetros.

 

MOVIMIENTO DEL AGUA Y SALES EN SUELO NO SATURADO

 

El movimiento del agua en suelo no saturado, es el que más interesa desde el punto de vista de las relaciones agua-suelo-planta, ya que tiene lugar en la capa edáfica explorada por las raíces de los cultivo.

 

Durante el riego, existe un movimiento de agua de ajuste capilar característico en condiciones de insaturación.  Luego, la evapotranspiración de los cultivos crea un gradiente de potencial que induce el movimiento del agua hacia las raíces de las plantas.

 

La presencia de un plano freático en la zona de influencia de los cultivos, representa una fuente de abastecimiento de agua a la capa radical.  La cuantía de la evapotranspiración y la capacidad del suelo para transmitir el agua, con un plano freático próximo al sistema radical, plantea problemas a resolver en relación con el riego y el drenaje.

 

La Ley de Darcy en suelo no saturado           

 

Al igual que en condiciones de saturación, el agua en suelo no saturado se mueve conforme a la ley de Darcy, de los potenciales mayores (menor tensión o SM) a los potenciales menores (mayor tensión o SM). 

 

La tensión o SM, se mide "in situ" por medio del tensiómetro, que consta de una cápsula de porcelana porosa, una columna de agua y un manómetro.  Colocado en contacto con el suelo, una vez alcanzadas las condiciones de equilibrio, se mide la succión en el mamómetro.  El tensiómetro en suelo no saturado es equivalente al piezómetro en suelo saturado.  La diferencia radica en que aquél mide presión negativa en la zona de aereación, mientras que éste mide presión positiva en la zona de saturación.  Una limitación del tensiómetro la constituye el hecho de que no puede medir una succión mayor de 0.8 bares.

 

A diferencia de lo que ocurre en medios saturados, la conductividad hidráulica, k1, es variable en función  del contenido hídrico o succión matriz del suelo.

 

ECUACIONES PARA EL CALCULO DE ESPACIAMIENTO DE DRENES

 

Introducción

 

Una práctica común para controlar la profundidad del nivel de agua freática, y que éste no sea un factor limitante en la producción agrícola es mediante la instalación de drenes.

 

Dos prácticas comunes de instalación son usadas, el de zanjas abiertas y el de drenes entubados subterráneos, el primero más antiguo y el segundo que viene siendo más usado en la agricultura moderna, sin que esto quiera significar un mejor funcionamiento y trabajo de uno de ellos sobre el otro, ya que los drenes superficiales y los drenes entubados aisladamente o en combinación pueden ser necesarios para constituir un adecuado sistema de control de la profundidad del nivel de agua.

 

 

Cada una de estas formas de instalación tienen sus ventajas y desventajas con respecto al otro, es así que en el drenaje entubado podemos citar las siguientes ventajas:  permite un mejor aprovechamiento de la superficie cultivable, así como un mejor uso de la maquinaria agrícola y requiere poco mantenimiento, ya que se realiza cada 5 a 7 años.

 

Como desventajas se puede decir que requiere de tubos de arcilla o plástico que no siempre son fáciles de conseguir, y que pueden tener un costo relativamente alto, además de que necesita el empleo de un material filtro protector.

 

En el sistema de zanjas abiertas una gran ventaja es la mayor capacidad de transporte del agua captada; siendo sus desventajas la pérdida de grandes superficies de terreno cultivable, así como la dificultad en el uso y el paso de maquinaria agrícola y un requerimiento de mantenimiento frecuente y periódico.

 

En el diseño de cualquier sistema de drenaje un factor muy importantes es el espaciamiento de drenes.

 

El presente trabajo tiene por objeto proveer los procedimientos, fórmulas y formas abreviadas para el cálculo de ese espaciamiento, para ello observar el anexo en donde se encuentran las fórmulas y su modo de aplicación.  Las ecuaciones a desarrollar están restringidas a drenes paralelos en los cuales la tabla de agua es generalmente curva y la máxima elevación ocurre en el punto medio entre drenes.  La elevación de la tabla es influenciada por varios factores como la precipitación y otras fuentes de recarga, la evaporación y otros medios de descarga, las propiedades del suelo, la profundidad y espaciamiento de drenes y el nivel de agua en los drenes.

 

Las ecuaciones de drenaje está basadas en dos asunciones:

 

-           Flujo bidimensional, es decir, el flujo igual en cualquier sección transversal, perpendicular a los drenes.

 

-           Distribución de la recarga es uniforme en el sistema estacionario y no permanente, sobre el área entre drenes.

 

En las ecuaciones desarrolladas para calcular el espaciamiento de drenes, sea para zanjas abiertas o tuberías enterradas, debido a muchas variables y diferencias del suelo, todavía no se ha desarrollado un método que sea satisfactorio para todas las condiciones.  Las soluciones teóricas se basan en cualquiera de las dos hipótesis o soluciones, y conceptos siguientes:

 

a.         Sistema estacionario o permanente, en el cual la recarga de agua a un área se considera constante, y la salida de agua por el sistema de drenaje también constate, e igual a la recarga; permaneciendo la tabla de agua en forma estacionaria, es decir, que no asciende ni desciende de nivel.  Entre los investigadores que han presentado fórmulas para este tipo de sistema se pueden mencionar a:  Donnan, Hooghoudt, Ernst, D. Kirkam y S. Toksoz, G. Dagan y muchos otros investigadores. Este estado ocurre generalmente en zonas húmedas donde la precipitación es más o meno constante durante un largo periodo y sus fluctuaciones no son amplias

 

b.         Sistema no-estacionario o no-permanente, es un sistema diferente al anterior debido a que en áreas con riego periódicos o altas intensidades de lluvia, la asunción de recarga permanente no es muy justificada.  En estas condiciones, la solución a este estado dependerá de otros factores y al no ser la recarga constante el nivel freático se elevará, para luego ir descendiendo, y posteriormente volver a elevarse al comenzar el próximo riego o lluvia, con lo cual la recarga no es permanente ocurriendo a intervalos dados por la frecuencia de estos, siendo la velocidad de recarga diferente a la velocidad de descarga.

 

Tipos de Flujo

 

En los sistemas de drenaje el flujo de agua se descompone en tres formas: Flujo horizontal, flujo vertical y flujo radial.

 

 La predominancia de un flujo sobre otro, depende de la profundidad a la cual se encuentre la capa impermeable con respecto al nivel de los drenes.

 

 Teniendo en cuenta la profundidad a la cual se encuentra la capa impermeable, existen tres casos:

 

 

a.         Drenes apoyados en la capa impermeable o ésta se encuentra a pequeña profundidad por debajo del nivel de drenes. En este caso existe una predominancia horizontal, el flujo radial puede ser considerado despreciable por no existir una suficiente distancia por debajo de los drenes, para que este flujo ocurra.

 

b.         La capa impermeable se encuentra a gran profundidad con respecto a los drenes (D > L/4 ). En tal situación existe una predominancia de flujo radial.

 

c.         La capa impermeable se encuentra a una profundidad de D < L/4, siendo un caso intermedio de las dos condiciones anteriores.

 

BIBLIOGRAFIA

 

Drenaje Superficial de Tierras Agrícolas. Rafael M. Rojas. CIDIAT, Venezuela, 1976.

 

Estudio de Reconocimiento de los Problemas de Drenaje en las Areas Sembradas de Palma: Coto y Quepos, Costa Rica y San Alejo, Honduras. Máximo Villón B. United Brands Company. Cartago, Costa Rica, 1981.

 

Manual de Drenaje Agrícola. Carlos J. Grassi. CIDIAT. Venezuela, 1979

 

Ecuaciones para el Cálculo de Espaciamientos de Drenes. Luis Rezuri Ramírez y Carlos Alva A. CIDIAT. Venezuela, 1976.

 

Reconocimiento del Problema de Drenaje. Luis Rezuri Ramírez. CIDIAT Venezuela, 1978.

 

Apuntes de Clase Nº1 del Curso de Riego y Drenaje II. Máximo Villón B. Instituto Tecnológico de Costa Rica. Cartago, 1980.

 

 

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