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1 DRENAJE AGRICOLA. INDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. ESTUDIOS BÁSICOS 2.1. FLUJO SUBTERRANEO DE LA NAPA FREÁTICA 2.1.1. MOVIMIENTO DEL AGUA EN SUELO SATURADO (LEY DE DARCY) 2.2. PROPIEDADES HIDRÁULICAS 2.2.1. CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA (K) 2.2.2. POROSIDAD (F) 2.2.3. POROSIDAD DRENABLE – RENDIMIENTO ESPECIFICO (α) 2.2.4. HIDROAPOYO 2.2.5. COEFICIENTE DE DRENAJE (Cd) 2.3. ESTUDIO DE SALINIZACIÓN 2.4. TOLERANCIA DE LOS CULTIVOS 3. SISTEMAS DE DRENAJE 4. DISEÑO 4.1. DRENAJE DEL PERFIL 4.1.1. ESPACIAMIENTO (s) a) ECUACIÓN DE HOOGDHOUT b) ECUACIÓN DE GLOVER – DUMM 4.1.2. DIMENSIONAMIENTO DE TUBOS a) CAUDAL (Q) BIBLIOGRAFÍA CITADA 2 1. INTRODUCCIÓN Drenar un suelo significa la remoción por medios naturales o artificiales del exceso de agua acumulado a lo largo de su perfil. A la eliminación del agua superficial de la denomina desagüe. En otras palabras, implica el control de la napa freática, con la finalidad de procurar óptimos niveles de humedad y aireación en la zona de desarrollo radicular de los cultivos, para obtener una mayor producción. En zonas áridas, con alta evapotranspiración y baja precipitación, como son las áreas de riego integral, el drenaje tiene como objetivo también, proporcionar un balance favorable de sales en el suelo mediante el lavado de las mismas. Un buen drenaje propicia: - Mejor relación solidos-agua-aire en el suelo - Activación de microorganismos del suelo - Mayor ventilación y temperatura en el suelo - Aumento de volumen de suelo explorable por raíces - Aumento de disponibilidad de nitrógeno - Lixiviación de sales - Facilidad de labores culturales Para encarar un Proyecto de Drenaje (que siempre debe acompañar al de riego), es necesario hacer un diagnóstico del área a ser drenada, procurando identificar y eliminar o reducir los problemas que están interfiriendo en su drenaje. Para ello se realizan una serie de estudios hidrológicos, edafológicos, topográficos, de los cultivos a ser implantados, etc, a los fines de dimensionar el sistema de drenaje. Nota: Algunos autores consideran drenaje tanto a la eliminación del agua subsuperficial como a la superficial. 2. ESTUDIOS BÁSICOS Objetivos Determinar motivos de deficiencia de drenaje Establecer requerimientos de drenaje en base a los cultivos a implantar Los estudios comprenden la recopilación de información, la complementación y la ejecución de: - Topografía: levantamiento plan altimétrico de la zona, con dibujos de curva de nivel a una equidistancia adecuada, por ej. 1 m. (ver “Nivelación para Riego”) - Edafología: estudios de perfil y mapas de suelos - Hidrología superficial y subterránea: análisis de precipitaciones, escurrimiento, almacenamiento, flujo subterráneo, etc 3 - Propiedades hidráulicas: conductividad, coeficiente de drenaje, etc. - Salinidad - Tolerancia de los cultivos al exceso de agua Toda la información anterior se complementa con cartografía de la zona, fotografías aéreas o imágenes satelitales, mapas de la infraestructura vial, de riego, etc., con lo cual se puede encarar las diversas alternativas de proyectos de drenaje. Los aspectos teóricos, prácticos y operativos ya vistos anteriormente se enuncian solamente en este trabajo. 2.1. FLUJO SUBTERRANEO DE LA NAPA FREÁTICA Para su determinación y análisis se realiza una red de pozos (freatímetros) en los cuales se mide la profundidad del nivel freático (Fig. 1). Con estos registros se confeccionan diversos mapas. a) Mapa de Isobatas: las isobatas son líneas que unen puntos de igual profundidad freática. Indican la peligrosidad debido a la cercanía de la napa a la zona radicular de los cultivos. b) Mapa de Mínimos Niveles: se realizan interpolando entre los máximos valores de profundidad freática observados. Reflejan la silueta del hidroapoyo. c) Mapa de Isohipsas: las isohipsas son líneas que unen puntos con igual cota freática. Indican gradientes hidráulicos, dirección del flujo, zonas de recarga y descarga de la freática. Dado que las isohipsas son líneas equipotenciales, el flujo es perpendicular a ellas, en condiciones de isotropía. Ejemplo: Sea una parcela en la cual se ha realizado una Nivelación Areal por Cuadrícula y coincidentemente con ella, una red freatimétrica en la cual se registran las profundidades (L) del nivel freático. Los valores se consignan en una planilla: Estaca Cota Topográfica Profundidad Freática (L) Cota Freática (CF) 4 (Z) A 1 4,65 0,67 3.98 …. …. …. …. CF = Z – L La Red de Flujo se dibuja partiendo de la isohipsa de mayor valor, trazando líneas de corriente que cortan a las isohipsas normalmente. Las zonas donde se concentran las líneas de flujo indican salidas del flujo freático (descarga). Las áreas donde se despegan o separan indican el origen de la corriente (área de carga). 2.1.1 MOVIMIENTO DEL AGUA EN SUELO SATURADO – LEY DE DARCY El agua se mueve, con excepción de las cavernas o fisuras, en el suelo (medio poroso), en forma laminar (o casi laminar). Darcy (1858) expresa el flujo de las aguas subterráneas en un medio poroso homogéneo e isótropo, con un sustrato impermeable horizontal del siguiente modo: Q = K . S . ΔH/L donde Q: caudal (m3/seg) K: conductividad hidráulica S: sección transversal al flujo ΔH/L: gradiente hidráulico (= i) 5 El producto K * i = v es la Velocidad Aparente o de Percolación. La Velocidad Real varía de un punto a otro a través del medio. En promedio, la velocidad real con la cual el agua se mueve por el acuífero será: V real = = v/P donde: P: porosidad v: velocidad aparente Al producto de la Conductividad Hidráulica (K) por el espesor o potencia del acuífero (e) se lo denomina TRANSMISIVIDAD (T). Indica la capacidad de transmisión de un medio a través de un superficie de espesor e y ancho unitario, cuando el Gradiente Hidráulico es unitario: T = K . e unidades: K (m/día) . e (m) = T (m2/día) 2.2. PROPIEDADES HIDRÁULICAS 2.2.1. CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA (K) Es una de las propiedades físicas más importantes desde el punto de vista del drenaje. Consiste en la capacidad de permitir el pasaje de agua a través de los poros del suelo. Expresa la velocidad de filtración del medio poroso cuando el gradiente hidráulico es unitario: V = K * i donde: K: conductividad hidráulica I: gradiente hidráulico Las unidades más usuales de K son: cm/día o m/día A los efectos de ilustrar acerca de su rango de variación, se cita (Chambouleyron, 1980): Material K (cm/día) Desde el punto de vista del drenaje Grava 30.000 – 300 K = 24 cm/día --- muy bajo K = 48 --- muy bajo K = 100 --- aceptable Arena 100 – 3 Limo 0,03 6 Arcilla 0,0003 K = 240 --- bueno El cálculo de K se realiza de acuerdo a las formulas propuestas por Ernst, en base a la profundidad del pozo referida al hidroapoyo. Hay 2 situaciones: a) G ≥ H/2 K = ( ) ( ) b) G = 0 (pozo hasta comienzo del hidroapoyo) K = ( ) ( ) Dónde: K: conductividad hidráulica (m/día) r: radio del pozo (cm) H: penetración del pozo en la freática (cm) y: variación media de la napa (cm) Δy1: variación de la napa para situación 1 (cm) Δt1: tiempo de recuperación en 1 (seg) 2.2.2 POROSIDAD (P) La Porosidad total de un suelo es la relación entre el volumen de los espacios porosos vacíos v (ocupados por aire o agua) y el volumen total del suelo V (ver “Relación Agua – Suelo – Planta). P (%) = Reemplazando: v = = 1 - = 1 - Finalmente: P = ( 1 - ) . 100 (%) 2.2.3 POROSIDAD DRENABLE – RENDIMIENTO ESPECÍFICO(α) El volumen del espacio poroso drenable de un suelo es una característica fundamental para los proyectos de drenaje. Es la diferencia entre la Humedad 7 Volumétrica del Suelo Saturado (Wvs) y la misma al final del proceso de drenaje (Wvcc), cuando queda libre del agua gravitacional. = Wvs – Wvcc Se expresa en % Cuando no se dispone de datos, se la puede aproximar para fines de proyecto, siguiendo la Ecuación de Van Beers (1965): α (%) = √ donde K: Conductividad Hidráulica en cm/día Definiéndola como la cantidad de agua que puede liberar un área unitaria del acuífero freático por unidad de descenso de la freática, denominándola “Rendimiento Específico”, indica la cantidad de agua que tiene y sirve para estimar, por ejemplo, la altura que puede alcanzar el agua en un suelo saturado cuando se incorpora una lámina de riego o precipitación. V = A.ΔH.α donde V: volumen de agua de freática A: área de acuífero ΔH: variación de profundidad de freática α = en general 0,1 ≤ α ≤ 0,3 2.2.4 HIDROAPOYO El hidroapoyo es una barrera natural al movimiento del agua gravitacional, formando así la napa freática mediante su acumulación. (ver “Perforaciones”). El hidroapoyo no necesita ser impermeable; en la práctica se considera “impermeable” (Luthin, 1965) cuando la conductividad hidráulica del subsuelo es inferior al 10 % de la del horizonte superior. Su ubicación en el perfil del suelo es fundamental para el diseño del drenaje. Se lo determina efectuando pozos con barreno y llevando las muestras al laboratorio para hallar su K a lo largo del perfil. 2.2.5 COEFICIENTE DE DRENAJE (Cd) Es la cantidad de agua (en volumen o caudal) que desaloja un suelo mediante el drenaje. Se lo expresa en mm/día o m3/seg por Ha. Se lo puede calcular a partir de diversos parámetros: - Precipitación - Eficiencia de riego 8 - Requerimientos de lixiviación, etc Ejemplo: a) Sea una precipitación efectiva de 60 mm, que cae sobre un suelo a capacidad de campo, con un cultivo que resiste como máximo 3 días de saturación sin producir un descenso considerable en su rendimiento. - Calculo de ascenso de la freática (ΔH), con α = 0,06 ΔH = I/α donde I = lamina infiltrada, es el caso más desfavorable, usado para diseño = 60 mm/0,06 = 1m - Coeficiente de Drenaje (Cd) Cd = I/t donde t: 3días Cd = 60 mm/3 días = 20 mm/día Los 20 mm/día es la lámina de agua que se deberá drenar mediante el sistema para que el cultivo no sufra daño. 2.3 Estudio de SALINIZACIÓN Entre los factores que aumentan el proceso de salinización de un suelo se encuentran: - Drenaje pobre, horizontes impermeables, movimiento del agua restringido, poca penetración de raíces - Lixiviación de sales insuficiente - Pobre precipitación y elevada temperatura - Grado elevado de sales en el agua de riego - Excesiva o descontrolada aplicación de fertilizantes - Desecación del suelo entre los riegos La salinidad produce daños en las características físicas del suelo y toxicidad en los cultivos, dependiendo de la concentración y el tipo de sales presentes. 2.4 TOLERANCIA DE LOS CULTIVOS El sistema radicular del vegetal requiere del O2 del aire del suelo para su crecimiento, y su demanda está directamente relacionada con la temperatura. Una mala aireación produce: 9 - Curvatura de la planta - Perdida de geotropismo - Abscisión prematura de las estructuras de reproducción - Toxicidad de algunos microelementos (Fe, Co, Mn, etc) (Millar, 1978) En rigor de verdad, el exceso de agua por sí solo no sería perjudicial ya que aún las plantas más sensibles se pueden desarrollar en soluciones acuosas nutritivas equilibradas (hidroponía), siempre que haya una oxigenación adecuada. Los responsables de los daños son los efectos secundarios que se producen por el exceso de agua (Cruciani, 1980). CUADRO 3: Daños producidos sobre los rendimientos de algunos cultivos al ser sometidos a n días de inundación (Rojas, 1972) Cultivos Números de días de inundación 3 7 11 15 Daño producido (%) Forrajeras perenes 10 25 55 85 Pasturas 0 14 26 42 Papa 42 84 100 100 Girasol 10 28 50 72 Cáñamo 15 40 61 88 Cereales 14 36 60 90 Maíz 13 57 85 100 Remolacha azucarera 10 44 91 100 Fuente: Cruciani, 1980 3. SISTEMAS DE DRENAJE Los distintos sistemas de drenaje están constituidos por diversas categorías de obras (drenes): - Drenes de Ladera, Perimetrales o de Cintura: Están ubicados en los límites de la parcela y su función es la independizar al sistema de los aportes externos superficiales o subterráneos, interceptándolos mediante un canal cuya profundidad debe llegar en lo posible hasta el hidroapoyo para lograr la máxima eficiencia. - Drenes de Campo, de Alivio o Laterales: Son los drenes propiamente dichos, para los cuales se calcula el espaciamiento a los fines de bajar la freática en toda la parcela. - Drenes Colectores: Recogen el agua descargada por los de Campo, conduciéndola hasta el Principal. 10 - Dren Principal: Capta el agua de los Colectores y la transporta afuera del sistema. TIPOS DE DRENES - Abiertos: canales a cielo abierto, construidos con retroexcavadoras o zanjeadoras. Son los de Ladera, el Principal y en general los Colectores. Ventajas bajo costo de implementación mayor eficiencia de drenaje Desventajas alto costo de mantenimiento pérdida de área útil para el cultivo - Galerías: son abiertas en el suelo directamente con un subsolador y un “torpedo” unido con cadena, arrastrados por un tractor con orugas y alta potencia (150 HP o más) Están indicadas para suelos arcillosos compactos donde el espaciamiento de los drenes es pequeño y también la profundidad (limitada por el subsolador). 11 Ventajas bajo costo de implementación, simpleza de construcción Desventajas baja durabilidad, en función de la inestabilidad del suelo, erosión interna y poca profundidad. - Drenes Entubados: son tubos de diversos materiales, instalados a cierta profundidad y cubiertos con tierra. El material puede ser madera, cañas, cemento, barro, PVC, polietileno, etc. Para su instalación, se realiza una zanja en la cual se deposita los tubos, que se cubren con material filtrante y posteriormente con la tierra del lugar. Lo importante en la durabilidad de los drenes es que se mantengan limpios, para lo cual se requiere una pendiente tal que asegure una velocidad mínima de 0,4 m/seg, la cual es suficiente (según el SCSUSDA) para producir el auto lavado del dren. 4. DISEÑO Para el diseño de la Red de Drenaje se tiene en cuenta los estudios preliminares (pto. 2) El Canal de Ladera se proyecta en base a las estimaciones del caudal en el pico de escurrimiento, considerando un tiempo de recurrencia de 5 años, lo cual es usual para las obras de drenaje. Sus parámetros (pendiente longitudinal, talud, etc) se definen siguiendo las pauta ya vistas (ver “Canales”). Solo cabe resaltar la importancia de la profundidad, la cual debe alcanzar en lo posible hasta el hidroapoyo. Los Colectores y el Principal se diseñan de modo de captar los caudales erogados por los drenes de alivio. Se debe considerar la pendiente en el sistema, de modo de llegar con una profundidad correcta al final (en el Principal). Se empieza siempre por la parte más alta (a nivel de Dren de Campo, que pueden tener un 3 % por ejemplo), y se va 12 trasladando la cota de los drenes hasta el Principal, observando que esta sea suficiente como para asegurar un buen desalojo de aguas. Para definir la dirección de los Colectores, se tiene en cuenta el Mapa de Isohipsas. Es decir, los Colectores se trazan siguiendo aproximadamente líneas equipotenciales, o sea perpendiculares a las líneas de flujo, dado que deben interceptar el mayor flujo a drenar. Si por ejemplo, setiene una parcela en la situación “1”, con las correspondientes isohipsas y líneas de flujo, una vez realizadas las obras (colectores y principal), la situación teórica debería ser la “2”. 4.1 DRENAJE DEL PERFIL El drenaje del perfil persigue la finalidad de controlar la profundidad de la napa freática en el campo, propiciando también el lavado de sales en regiones áridas o semiáridas. Se lleva a cabo con los Drenes de Alivio. Los principales parámetros a determinar son: profundidad, espaciamiento y diámetro. La profundidad se elige en función del cultivo (su sistema radicular y tolerancia), por lo cual esta ingresa como dato en las posteriores ecuaciones de diseño. 4.1.1. ESPACIAMIENTO (S) Muchos investigadores (Donnan, Israelsen, Christiansen, etc.), han estudiado el tema arribando a diversas ecuaciones para el espaciamiento, a partir de datos de flujo de agua subterránea, tolerancia de cultivos, características de suelo, etc. Aquí se presentan 2 representativas de las dos condiciones siguientes. a) Flujo Permanente: Recarga = Descarga O sea, la napa se mantiene estabilizada a una cierta profundidad permanente. b) Flujo No Permanente: Recarga ≠ Descarga Aquí la napa sufre variaciones con el tiempo. a) Ecuación de HOOGDHOUT Hoogdhout fue el primer investigador que en 1936, propuso una solución práctica para el cálculo del espaciamiento (s) entre drenes. A partir de estudios de hechos en climas húmedos, donde se supone que la precipitación cae permanentemente con intensidad regular en toda la superficie, arribo a una ecuación que se cumple bajo las siguientes condiciones: 13 - Suelo homogéneo e isótropo - Se cumple con Darcy y Dupuit-Forheimer (gradiente hidráulico) - Coeficiente de drenaje constante (Cd) - Drenes espaciados (s) y el hidroapoyo a profundidad (d) respecto a los drenes Posteriormente esta ecuación fue escrita bajo la forma más conocida: S2 = ( ) Ecuación de Elipse La ecuación es válida para los valores de “d” no muy altos (1,5 – 3 m), o sea, que el hidroapoyo este próximo al dren. Si se consideran 2 estratos, de conductividad hidráulica distinta, la ecuación queda: S2 = Valida cuando los drenes están ubicados en la interface de los 2 estratos con K1 por arriba y K2 por debajo de los drenes respectivamente. La ecuación de Hoogdhout, concebida inicialmente para flujo horizontal, fue luego modificada por el mismo para considerar el flujo radial, el cual produce una resistencia adicional, que queda evidenciada por el reemplazo de “d” por un valor “de”, llamado estrato equivalente. 14 S2 = ( ) Ecuación de Elipse Modificada Determinación de los valores “de”: de = ( ) donde: d: profundidad hasta hidroapoyo s: espaciamiento p: perímetro mojado Tal como surge de la formula, “de” es función del espaciamiento “s”, cuyo valor es precisamente la incógnita. Para resolver el problema se recurre a un procedimiento iterativo; se le asigna arbitrariamente un valor a “s”; se calcula “de”, con ese valor de “de” se calcula “s” usando la Ecuación de la Elipse Modificada; si el valor de “s” calculado coincide con el inicialmente propuesto, significa que se arribó al resultado, si no, se cambia el “s”, repitiendo la operación hasta que la diferencia no sea significativa. Ejemplo: 15 Suelo arcilloso con: K = 0,9 m/día b = 0,50 m Cd = 0,012 m/día d = 10 m Drenes, tubos de ϕ = 10 cm Calculo del perímetro mojado (p): Circunferencia del tubo = 2.π.r = 2.π.0,05 = 0,31 m Considerando funcionamiento semilleno → p = 0,15 m Calculo de espaciamiento (s): 1° Se conviene un s = 20 m 2° Se calcula “de” de = ( ) = 1,5 m 3° Cálculo de “s”: s = √ ( ) = 23 m 4° Segundo cálculo de “de”: de = ( ) = 1,6 m 5° Segundo cálculo de “s”: S = √ ( ) = 23,55 m Dado que la variación de “s” entre el 1° y 2° cálculo no es significativa, se acepta el espaciamiento definitivo en 23 mts, con estrato equivalente de 1,6 mts. b) Ecuación de GLOVER – DUMM Fue desarrollada para zonas tropicales con precipitaciones intensas y de duración variable, o bien para regiones semiáridas con riego periódico, donde la recarga y la descarga no son uniformes. 16 El principio de la ecuación es el rebatimiento de la napa a partir de la recarga, en un tiempo (t), que depende de la tolerancia del cultivo, de las propiedades del suelo (K, α, d) y del espaciamiento “s”. S2 = ( ) GLOVER – DUMM (1954) (Flujo Horizontal) En la ecuación figuran los términos: ho: altura inicial de la napa al recibir la descarga (m) ht: altura final de la napa, luego de un tiempo “t” (m) t: tiempo de descenso de la napa (días) Α: porosidad drenable (rendimiento especifico) Cuando hay flujo horizontal y radial, se reemplaza “d” por el estrato equivalente “de”: S2 = ( ) Ecuación de Glover – Dumm Modificada Otro modo de llevar el flujo radial a horizontal es aplicando el Método de Van Beers: 1° Se calcula “s” como si solo existiera flujo horizontal (so) 2° Se calcula la Corrección “C” C = d . ln ( ) donde p: perímetro mojado del dren 3° Se calcula el espaciamiento corregido (s): 17 s = so – C 4.1.2 DIMENSIONAMIENTO DE TUBOS Los parámetros a definir son el caudal a transportar por el dren y el diámetro de los tubos. Otros parámetros, como la pendiente y la longitud, están definidos por las dimensiones y topografía de la parcela, como valores orientativos podría nombrarse pendientes de 0,3 % y longitudes de 150 – 200 mts. a) CAUDAL (Q) Surge del coeficiente de drenaje (Cd) y el tiempo (t) que pude tolerar el cultivo sin disminuir significativamente su producción. Ejemplo: sea una pp = 47 mm con un t = 3 días; drenes espaciados 14 mts, con una longitud L = 150 mts. 1° Coeficiente de Drenaje (Cd). Cd = = 16 mm/día 2° Área de influencia de cada Dren (A): A = L . s = 150 m . 14 m = 2100 m2 3° Caudal a drenar por cada Dren (Q): Q = 2100 m2 . 0,016 m/día = 33,6 m3/día = 0,39 l/seg BIBLIOGRAFÍA CITADA 1. CHAMBOULEYRON, Jorge L. “RIEGO Y DRENAJE, Fascículo 4-3-2 de la Enciclopedia Argentina de Agricultura y Jardinería. Edit. Acme SACI, Buenos Aires, 1980. 2. CRUCIANI, Décio E. “A DRENAGEM NA AGRICULTURA”, Livraria Nobel, Sao Paulo, Brasil, 1980. 3. CURSO DE IRRIGACAO E DRENAGEM. Apuntes. Centro de treinamento Araranguá, Ministerio de Agricultura de Brasil, 1988. 4. MILLAR, Agustín A. “DRENAGEM DE TERRAS AGRÍCOLAS”, Editora Mc Graw- Hill do Brasil Ltda., Sao Paulo, Brasil, 1978. BIBLIOGRAFÍA citada de la Cátedra de Hidrología Agrícola, Facultad de Agronomía Araujo E. y Pariani S. “CANALES”, 1985. Pariani S. y Soza E. “RELACIÓN AGUA-SUELO-PLANTA”, 1985. Pariani S. y Mosso L. “PERFORACIONES”, 1984. Salgado H. “NIVELACIÓN PARA RIEGO”, 1987.