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DISEÑO DISEÑO AGRONOMICO: AGRONOMICO: NECESIDADES DE NECESIDADES DE

AGUA DE LOS AGUA DE LOS CULTIVOSCULTIVOS

Ing. OSCAR MAMANI LUQUE

FEBRERO - 2013

DISEÑO DE SISTEMAS DE RIEGO II DISEÑO DE SISTEMAS DE RIEGO II

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GeneralidadesGeneralidades

Demanda:Demanda: requerimiento de diversos grupos de usuarios para satisfacer sus necesidades, en cantidad y calidad de agua; pueden ser presentes o futuras. Cada uso del agua presenta su respectiva demanda.

Demanda neta: cantidad de agua que llega al lugar de consumo.

Demanda bruta: demanda neta más pérdidas. La Relación entre demanda neta y demanda bruta es Eficiencia del sistema (Ef).

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Determinación de demandas

DemandasDemandas de agua pueden ser: poblacionales, agropecuarias, ecológicas, para generación de energía, uso turístico-recreativo, usos piscícolas, lavado de sales, uso industrial, minero, otros.

Demandas agrícolasLas necesidades de agua de los cultivos, dependen de las condiciones climáticas y tipo de cultivos. Las condiciones climáticas, definen el poder evaporante de la atmósfera, que se manifiestan a través de la evapotranspiración y tipo de plantas, que interviene mediante el coeficiente de cultivo.

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Necesidades del agua en los cultivos

Un concepto fundamental en la ingeniería de riegos Un concepto fundamental en la ingeniería de riegos es lo referente a la cuantificación del consumo de es lo referente a la cuantificación del consumo de agua o necesidades de agua de los cultivos, este agua o necesidades de agua de los cultivos, este parámetro se utiliza para dimensionar las obras de parámetro se utiliza para dimensionar las obras de infraestructura de riego, así como planificar y infraestructura de riego, así como planificar y programar el riego de los cultivos a nivel parcelario.programar el riego de los cultivos a nivel parcelario.

La determinación del consumo de agua de los La determinación del consumo de agua de los cultivos o llamada también evapotranspiración real cultivos o llamada también evapotranspiración real se realiza mediante la utilización de diferentes se realiza mediante la utilización de diferentes métodos. La mayoría utiliza variables climática métodos. La mayoría utiliza variables climática como: evaporación en tanque clase A, temperatura, como: evaporación en tanque clase A, temperatura, humedad relativa, radiación solar, entre otros.humedad relativa, radiación solar, entre otros.

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EvaporaciónEvaporación

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Concepto de evaporación

Es el proceso físico mediante el cual el Es el proceso físico mediante el cual el agua cambia del estado liquido a vapor.agua cambia del estado liquido a vapor.

La evaporación constituye una de las fases La evaporación constituye una de las fases del ciclo hidrológico y esta influenciado por del ciclo hidrológico y esta influenciado por diversos factores, entre ellos se tienen: diversos factores, entre ellos se tienen: viento, temperatura, humedad relativa, viento, temperatura, humedad relativa, radiación, entre otros.radiación, entre otros.

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Tanque clase A

El tanque de evaporación es un recipiente cilíndrico de lata galvanizada de 0,8 mm de espesor, con un diámetro de 120,65 cm y una altura de 25,4 cm. La estructura se coloca sobre apoyos de madera que a su vez descansa sobre el terreno. El fondo del tanque debe quedar 15 cm por encima del nivel original del suelo.El recipiente se llena de agua limpia y se rellena cada cierto tiempo, procurando siempre que el nivel del agua se mantenga a una distancia del borde que oscile entre 5 y 7,5 cm. El tanque debe ser pintado anualmente con pintura de aluminio y agregar hipoclorito de sodio para evitar el desarrollo de algas.

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Tanque clase A

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TRANSPIRACION

Es el fenómeno por el cual el agua en estado de vapor se mueve desde el mesofilo de la planta hacia la atmosfera; es decir el flujo de agua de la planta a la atmosfera ocurre a través de los estomas y de otras células epidérmicas a través de la cutícula de la planta.Diversas clases de plantas pueden tener diversas tasas de transpiración. Por otra parte, no solamente es importante el tipo de cultivo, sino también su estado de desarrollo, el medio donde se produce y su manejo, deben ser considerados al evaluar la transpiración

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Representación esquemática de un estoma

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EVAPOTRANSPIRACION

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Evapotranspiración

Es el proceso de flujo de agua a la atmosfera proveniente de la evaporación del agua del suelo y la transpiración de las plantas. Es un proceso complejo que dependen de los elementos climáticos, características morfológicas y fisiológicas de la cobertura vegetal, del suelo y su nivel de humedad.

La evaporación y la transpiración ocurren simultáneamente y no hay una manera sencilla de distinguir entre estos dos procesos.

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Evapotraspiración…Evapotraspiración…

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Evapotranspiración

En las primeras etapas del cultivo, el agua se pierde principalmente por evaporación directa del suelo, pero con el desarrollo del cultivo y finalmente cuando este cubre totalmente el suelo, la transpiración se convierte en el proceso principal.En la siguiente figura se presenta la evapotranspiración dividida en sus dos componentes (evaporación y transpiración) en relación con el área foliar por unidad de superficie de suelo debajo de él. En el momento de la siembra, casi el 100% de la ET ocurre en forma de evaporación, mientras que cuando la cobertura vegetal es completa, más del de 90% de la ET ocurre como transpiración.

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Repartición de la evapotranspiración en evaporación y transpiración durante el periodo de crecimiento de un cultivo anual

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Evapotranspiración potencial (ETP)

La evapotranspiración potencial (ETP) es la cantidad evaporada y transpirada por un cultivo de tamaño corto (generalmente pastos), que cubre toda la superficie del suelo, en estado activo de crecimiento y con un suministro adecuado y continuo de agua

El Comité técnico sobre requerimientos de riego de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles, ha utilizado a la alfalfa como pasto estándar para el calculo de la evapotranspiración potencial.

Según la FAO (Manual 56), introduce el concepto de evapotranspiración de referencia, para estudiar la demanda de evapotranspiración de la atmósfera, independientemente del tipo y desarrollo del cultivo, y de las prácticas de manejo.

Evapotranspiración del cultivo de referencia (ETo)

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Según la FAO (manual 56), la ETo promedio para diferentes regiones agroclimáticas en mm/día

Regiones

Temperatura promedio durante el día (°C)

Templada Moderada Caliente

< 10°C 20°C > 30°C

Trópicos y subtrópicos:      

húmedos y subhúmedos 2 - 3 3 - 5 5 - 7

áridos y semiáridos 2 - 4 4 - 6 6 - 8

Regiones templadas:      

húmedas y subhúmedas 1 - 2 2 - 4 4 - 7

áridas y semiáridas 1 - 3 4 - 7 6 - 8

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Según experiencias realizados en zonas altoandinas del Perú, en donde la temperatura, el viento y la humedad relativa no varia mucho de un día para otro, se obtuvieron los siguientes valores referenciales de ETP.

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ZONASEVAPOTRANSPIRACION

POTENCIAL

VALLES (1000 A 2000 msnm.) 4.0 mm/dia

ZONA QUECHUA (2000 A 3000 msnm) 3.0 mm/dia

JALCA (3000 msnm a mas) 2.5 mm/dia

Métodos para determinar la evapotranspiración potencial (ETP)

Lisímetro.Tanque de evaporación clase A.Muestreo de humedad.Métodos indirectos: Método Hargreaves

( en base a Radiación y Temperatura), Penman Monteith, Penman modificado, Blaney-Criddle, Cristiansen, Jense-Haise, entre otros.

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1. LISIMETROS.

Los lisímetros son tanques aislados llenados con suelo disturbado o no disturbado en los que el cultivo crece y se desarrolla.

En lisímetros de drenaje, la evapotranspiración es medida por un período dado, restando la cantidad de agua de drenaje, recogida en el fondo de los lisímetros, de la cantidad total de agua ingresada.

La ecuación a utilizar es: ETP = DA – Dd; donde DA es la cantidad de agua aplicada (mm) y Dd es la cantidad de agua drenada (mm).

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2. METODO DE TANQUE CLASE «A».

Los tanques proporcionan una medida del efecto integrado de la radiación, viento, temperatura y humedad sobre el proceso evaporativo de una superficie abierta de agua.

Aunque el tanque evaporímetro responde de una manera similar a los mismos factores climáticos que afectan la transpiración del cultivo, varios factores producen diferencias significativas en la perdida de agua de una superficie libre evaporante y de una superficie cultivada.

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2. METODO DE TANQUE CLASE «A».

La evaporación potencial o de referencia, se determina con la siguiente ecuación:

ETP = ETo = Ft * Eo

Donde:ETP: Evapotranspiración potencial en mm/d.Ft: Coeficiente de tanque evaporímetro.Eo: evaporación del tanque evaporímetro, en mm/d

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Determinación del coeficiente de tanque evaporímetro (Ft)

Para seleccionar el coeficiente apropiado de un tanque evaporímetro, se debe considerar la cobertura del suelo donde se ubica el tanque, sus alrededores, el viento y las condiciones de humedad. La localización y el ambiente del tanque evaporímetro también tienen influencia en los resultados.

Se consideran dos casos: Caso A en que el tanque evaporímetro se localiza en una zona de pasto corto verde y esta rodeado por un suelo en barbecho; y Caso B en que el tanque evaporímetro se localiza sobre un suelo en barbecho y esta rodeado por un cultivo verde.

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Dos casos de localización del tanque de evaporación y sus alrededores

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METODOS INDIRECTOS: HARGREAVES

1. HARGREAVES EN BASE A RADIACION SOLAR:

ETP = 0.0075 * RSM * TMF

RMS = 0.075 * RMM * S0.5

RMM = Ra * DMS = ( n/N ) * 100 TMF = (5/9) * °C + 32

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HARGREAVES EN BASE A RADIACION SOLARDonde:

ETP : Evapotranspiración Potencial en (mm/mes)

RSM : Radiación Solar equivalente en (mm/mes)

RMM: Radiación extra-terrestre equivalente en (mm/mes)

Ra: Radiación extra-terrestre equivalente en mm/día.

DM : Número de días del mes

S : Porcentaje de horas de sol:

n : Horas de sol promedio del lugar

N : Horas del sol posible según la latitud.

TMF : Temperatura media mensual en °F04/17/23 27

2. HARGREAVES EN BASE A TEMPERATURA.

ETP = MF * TMF * CH * CE

TMF = (5/9) * °C + 32

CH = 0.166*(100 - Hr)1/2; para Hr > 64% CH = 1 ; para Hr < 64%.

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2. HARGREAVES EN BASE A TEMPERATURA.Donde:ETP: Evapotranspiración potencial (mm/mes).MF : Factor mensual de latitud TMF: Temperatura media mensual (°F).CH : Factor de corrección por la humedad relativa.Hr : Humedad relativa media mensual (%).CE : Coeficiente de corrección para la elevación del lugar.E : Altitud de la zona en estudio (m.s.n.m.).04/17/23 29

3. METODO DE PENMAN MONTEITH

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donde:ETo : evapotranspiración de referencia (mm dia-1)Rn : radiación neta en la superficie del cultivo (MJ m-2 dia-1)Ra : radiación extraterrestre (mm dia-1)

3. METODO DE PENMAN MONTEITH

G : flujo del calor de suelo (MJ m-2 dia-1)

T : temperatura media del aire a 2 m de altura (°C)

u2 : velocidad del viento a 2 m de altura (m s-1)

Es : presión de vapor de saturación (kPa)

ea : presión real de vapor (kPa)

es – ea: déficit de presión de vapor (kPa)

: pendiente de la curva de presión de vapor (kPa °C-1)

γ : constante psicrometrica (kPa °C-1)

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3. METODO DE PENMAN MONTEITH

Este método por su complejidad, requiere de planillas de cálculo o bien de programas específicos. El programa llamado CROPWAT ha sido elaborado por la FAO, permite calcular la evapotranspiración potencial para este método, además permite calcular las necesidades de agua de los cultivos a partir de informaciones de clima y cultivo; además el programa permite elaborar los planes de riego para diferentes condiciones de operación y diferentes cédulas de cultivo.

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3. METODO DE PENMAN MONTEITH

El software CROPWAT versión 7.2, requiere la siguiente información:Información básica de la estación meteorológica, nombre del país, nombre de la estación, altitud, longitud y latitud.Datos climáticos mensuales promedio de temperatura máxima y mínima, humedad relativa del aire, insolación y velocidad del viento.

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Ejemplo: método de Ejemplo: método de Penman Penman MonteithMonteith

Climate and ETo (grass) Data (CropWat 4 Windows Ver 4.2) Country : La Molina Station : A. Von Humboldt Altitude: 238 msnm. Latitude: 12.08 Deg. (North) Longitude: -76.95 Deg. (West) Month MaxTemp MinTemp Humidity Wind Spd. SunShine Solar Rad. ETo (°C) (°C) (%) (km/d) (hours) (MJ/m2/d) (mm/d) January 26.6 18.6 80.0 112.8 6.0 15.9 3.12 February 27.4 19.4 78.0 115.2 6.8 18.3 3.65 March 27.0 19.1 79.0 105.6 7.2 20.1 3.93 April 25.7 17.2 82.0 96.0 7.5 21.1 3.90 May 22.7 15.3 85.0 91.2 5.4 17.7 3.13 June 20.1 14.3 87.0 86.4 3.0 13.8 2.44 July 19.0 13.8 87.0 88.8 2.6 13.3 2.31 August 18.8 13.7 88.0 93.6 2.6 13.4 2.30 September 19.4 13.7 88.0 100.8 3.3 14.3 2.41 October 20.7 14.3 86.0 105.6 4.3 14.9 2.55 November 22.3 15.4 83.0 108.0 4.9 14.6 2.59 December 24.7 17.0 82.0 112.8 5.7 15.0 2.78 Average 22.9 16.0 83.8 101.4 4.9 16.0 2.93

FACTOR DE CULTIVO

FASE INICIAL: va desde la aparición de las plantas en el suelo hasta aproximadamente un 10 % de cobertura del suelo.

FASE DE DESARROLLO DEL CULTIVO: va desde el 10% de cobertura del suelo por el cultivo, hasta alcanzar la cobertura completa, aunque en ciertos cultivos como cereales de invierno y primavera se torna difícil determinar cuando alcanzan el 100% de cobertura, por lo que para estos cultivos se toma la etapa de floración como fin de la fase de desarrollo.

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FACTOR DE CULTIVO

FASE MEDIA: va desde que se obtiene la cobertura vegetal completa, hasta el momento de iniciarse la maduración, que generalmente coincide con el comienzo del amarillamiento y caída de las hojas. En esta etapa el coeficiente de cultivo toma su máximo valor.

FASE FINAL: desde el final de la fase anterior hasta que se llega a plena maduración o a la recolección de los frutos

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Curva generalizada del coeficiente del cultivo,correspondiente al procedimiento del coeficiente único del cultivo

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Evapotranspiración real o actual (ETA)

La evapotranspiración actual o real, llamada también uso consuntivo, es la cantidad de agua que realmente vuelve a la atmósfera por evaporación y transpiración. Ésta es la suma de las cantidades de vapor de agua evaporada por el suelo y transpiradas por las plantas durante un período determinado, bajo las condiciones meteorológicas y de humedad de suelo existentes.

ETA representa demandas netas de agua de cultivos; cantidad de agua necesaria para reponer pérdidas de agua por evapotranspiración y mantener equilibrio hidrológico del sistema suelo-planta.

Evapotranspiración real o actual (ETA)

ETA se determina con la siguiente relación:ETA = ETP * Kc,

Donde:ETA = evapotranspiración real (mm/d).ETP = evapotranspiración potencial

(mm/d).Kc.= Coeficiente de cultivo.

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Sistema agua – suelo – planta - Sistema agua – suelo – planta - climaclima

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PRECIPITACION EFECTIVAPRECIPITACION EFECTIVA

Desde el punto de la producción agrícola, la precipitación efectiva es el volumen de lluvia parcial que es utilizado por las plantas para satisfacer sus necesidades hídricas para su normal desarrollo. Esto significa que no toda la precipitación está a disposición de los cultivos, ya que una parte se pierde a través de la Escorrentía Superficial y de la Percolación Profunda.

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Método Water Power Resources Service (WPRS-USA),

Este metodo considera la precipitacion efectiva de la siguiente forma:

Incremento de la precipitación (mm)

% de la precipitación efectiva

5 030 9555 9080 82

105 65130 45155 25

> 155 5

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PRECIPITACION EFECTIVAPRECIPITACION EFECTIVA

Considerando que la precipitación es una variable aleatoria, conviene analizar la lluvia total, con el objeto de determinar el valor probable que cae. Para determinar la frecuencia o probabilidad de ocurrencia de la precipitación media mensual, se utiliza la formula de Weibull: f = (m / N+1) * 100

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PRECIPITACION EFECTIVAPRECIPITACION EFECTIVA

Donde:f : Frecuencia o probabilidad de ocurrencia.m : Valor de posición de la lluvia ordenada en forma crecienteN : Número total de valores de precipitación mensual (mm).

La probabilidad de ocurrencia de la lluvia que se adopta, dependerá del valor económico del cultivo, considerándose por lo general un valor del 75 % de probabilidad de ocurrencia como el más adecuado

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Demanda de agua de cultivosDemanda de agua de cultivos Los cultivos presentan diferentes características, que se reflejan en coeficientes de cultivo (kc), que varían mes a mes de acuerdo a cobertura (tipo o grado de desarrollo) que presente el cultivo en ese momento.

Existe metodología de FAO para estimación del factor kc (Manual Necesidades de Agua de Cultivos, 1976).

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Demanda de agua de cultivosDemanda de agua de cultivos Para calcular la demanda de agua de los cultivos, se utiliza la siguiente ecuación: DA = ETA – (PE + CA + N) Donde:DA : Demanda de agua de los cultivos (mm)ETA: Evapotranspiración real o actual de los cultivos (mm).PE : Precipitación efectiva (mm)CA : Diferencia de lamina de la capacidad de almacenamiento del suelo inicial y final del período considerado (mm).N : Aporte del nivel freático (mm)

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Demanda neta de agua de Demanda neta de agua de

cultivoscultivos Considerando que no existe aporte del nivel freático porque se encuentra muy profundo, entonces el valor de N es cero. El valor de CA también se considera cero para efectos de planificación de proyectos de riego, puesto que el objetivo es conocer la demanda de agua total del proyecto; en consecuencia, tomando las consideraciones anteriores, la ecuación anterior quedara expresada por: 

DA = ETA – PE  Donde:DA : Demanda de agua de los cultivos (mm)ETA : Evapotranspiración real o actual de los cultivos (mm).PE : Precipitación efectiva (mm)

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Demanda de agua del Demanda de agua del

proyecto.proyecto. Para el calculo de la demanda de agua de un proyecto se deben tener en cuenta todas las perdidas resultantes del sistema de distribución del agua de riego y de la aplicación del agua al cultivo.

La ecuación para determinar la demanda de agua del proyecto es: 

Dp = DA / Er  Donde:Dp : Demanda de agua del proyecto.DA : Demanda de agua de los cultivos.Er : Eficiencia de riego.