Diseño de Sistemas de Drenaje Agrícola: Conceptos Previos

Apuntes de Drenaje Agrícola

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Abstract

Recopilación de los apuntes de Drenaje Agrícola

ASPECTOS GENERALES

Definición y tipos de Drenaje:


El estancamiento de agua suele ser un problema
en las tierras de producción agrícola

Foto de The Pack, Flickr

El Drenaje Agrícola consiste en la remoción del exceso de agua de la superficie del suelo y/o del perfil del suelo de terreno cultivable, tanto por gravedad como por medios artificiales. Las dos principales razones para mejorar el drenaje en las suelos agrícolas son la conservación del suelo y el mejoramiento de la producción de los cultivos.
Los dos tipos de drenaje se diferencian en el sitio de donde es removida el agua: cuando el exceso de agua es removido de la porción superficial del suelo, el drenaje se denomina SUPERFICIAL, mientras que cuando el exceso de agua es removido del perfil del suelo, se denomina SUBSUPERFICIAL. Como se verá mas adelante esta definición tiene otras implicaciones. El objetivo general del drenaje es de garantizar una zona radical aireada.

Fuente de los Excesos de Agua:

El exceso de agua en un suelo puede deberse a diversos factores como:

  1. Precipitación Excesiva.
  2. Agua de Riego.
  3. Filtraciones subterráneas de áreas adyacentes (por ejemplo Embalses Adyacentes)
  4. Ascenso Capilar.
  5. Desbordamientos por canales o cauces naturales (sobre zonas bajas)
  6. Aplicación de Agua con fines especiales (como el lavado de sales y control de temperatura)


Factores que contribuyen al exceso de agua en el suelo:

Entre los factores que contribuyen al exceso de agua en el suelo están: Textura del Suelo, Estructura del Suelo, Permeabilidad del Suelo, La Topografía, La Formación Geológica, La Compactación y La Precipitación.

Textura del Suelo:

La composición de arenas, limos y arcillas en las partículas solidas minerales en el suelo se denomina textura. Para una textura arcillosa, por ejemplo, el contenido de mineral podría consistir en un 40% de arcilla, 30% de limos y un 30% de arenas. La textura del suelo puede tener un efecto importante en que tan bien el suelo retiene el agua, y que tan fácil se puede mover dentro del suelo. Los suelos de texturas finas tienen un gran porcentaje de arcillas y limos. Estos suelos generalmente retienen bien el agua, pero tienen un mal drenaje. Las texturas gruesas tienen un gran porcentaje de arena y grava. Estos suelos drenan bien pero son malos retenedores de agua.

Estructura del Suelo:

La disposición de la partículas minerales de un suelo es lo que se denomina Estructura del Suelo. Una estructura granular ayuda a mejorar el movimiento de agua en el suelo, pero una estructura masiva (que carece de cualquier arreglo distinto de las partículas de suelo) generalmente disminuye el movimiento del agua.

Permeabilidad:

En términos generales, la facilidad relativa con la que el agua se puede mover a través de un bloque de suelo es denominada Permeabilidad del Suelo. La permeabilidad del suelo es afectada por su textura, estructura, por actividades humanas y otros factores.

Topografía:

La forma y la pendiente de la superficie del suelo puede generar condiciones de terreno húmedo, especialmente alrededor de depresiones donde el agua se tiende a acumular. Sin una salida el agua podría drenarse muy lentamente.

Formación Geológica:

La formación geológica subyacente de un suelo, puede impactar el drenaje de agua de un suelo. Por ejemplo, un suelo tiene propiedades de textura y estructura beneficiosas para el movimiento del agua. Sin embargo si la formación geológica subyacente de este suelo consiste en Arcilla Densa o Roca Solida, se podría restringir el movimiento descendente del agua, causando que el suelo encima de la formación permanezca saturado durante ciertas épocas del año.

Compactación:

Las actividades humanas pueden ayudar a crear problemas de exceso de agua. Por ejemplo, los equipos que operan sobre un suelo húmedo pueden compactar el suelo y destruir su estructura. La capa de suelo que esta compactada generalmente no tiene estructura, y la mayoría de vacíos en esta capa habrán sido eliminados. Los vacíos son espacios abiertos entre las partículas de suelo que se pueden llenar con agua, aire o una combinación de ambos. El agua del suelo tiende a acumularse por encimas de la capa compactada debido a que el movimiento de agua a través de la capa compactada esta severamente restringido. Si la capa compactada se localiza en la superficie del suelo muy poca agua entrara al suelo y se generará escorrentía que crearía un riesgo enorme de erosión y/o inundación.

Precipitación:

Los suelos pueden manejar ciertos niveles de precipitación, sin que se produzca escorrentía y/o inundaciones, sin embargo el exceso de precipitación, frecuentemente produce exceso en las condiciones de agua del suelo. Además, las tormentas frecuentemente resultan en escorrentía debido a que la tasa de precipitación es mayor a la tasa de infiltración de agua en el suelo.

¿Por qué es necesario un Buen Drenaje?

Los excesos de agua en el suelo pueden tener consecuencias severas tanto para el suelo como para los cultivos, entre estas podemos contar:

La Salinidad. La salinidad en los suelos es consecuencia de un drenaje deficiente, en los terrenos mal drenados se acumulan sales disueltas en el agua de riego o de escorrentía, pudiendo salinizar la solución del suelo y sodificar el complejo de cambio. La salinidad tiene efectos negativos en la fisiología de las plantas.
Deficiencia de Oxigeno.    Cuando el oxigeno disponible disminuye, por el exceso de agua, por debajo de unos niveles que son distintos para cada planta, las raíces disminuyen su actividades fisiológicas, con las siguientes repercusiones.
Alteración de las actividades microbianas y alteración en los aportes de nutrientes. Con la disminución del contenido de oxigeno la microflora desaparece gradualmente, siendo sustituida por organismos anaeróbicos, que pueden influir en la disponibilidad de ciertos elementos, cuyo equilibrio es importante para la planta.
Problemas con las labores y el control de malezas. Trabajar en suelos con contenidos de humedad altos, en muchos suelos arcillosos origina la destrucción de agregados y dispersión de partículas de suelo.
Enfermedades y Plagas. La humedad del suelo afecta de forma distinta a los agentes de enfermedades de las plantas, generando podredumbre, hongos e incluso enfermedades víricas.
Disminución de la productividad. Los niveles excesivamente altos de agua en el suelo, incluso de corta duración, pueden ejercer una influencia en la producción, dependiendo de las fases de desarrollo de las plantas en el momento en que se producen.


CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA

Para entender la conductividad hidráulica es necesario conocer primero la Ley de Darcy:

Q = K*(Δh/L)*A

Donde Q = Cantidad de flujo que pasa a través.
Delta H = Perdida de Carga
A = Area de la sección transversal
K= Constante de proporcionalida, que depende del material y del fluido.

La ley de Darcy es aplicable para predecir la conductividad y el flujo de cualquier fluido a travez de cierto volumen de un material. La constante de proporcionalidad K que aparece en la ley de darcy se conoce como coeficiente de permeabilidad y más comunmente se denomina conductivad hidraulica. La conductividad hidraulica es la propiedad hidrodinámica mas importante del suelo. El concepto de conductividad hidraulica se utiliza indistintamente con el concepto de permeabilidad, sin embargo la permeabilidad intrinsica del suelo, depende exclusivamente de las caracteristicas del suelo sin considerar las propiedades del fluido como la densidad y la viscosidad del fluido.

Un suelo es isotrópico cuando la conductividad hidráulica es la misma en todas las direcciones, cuando ocurre lo contrariose dice que el suelo es anisotrópico.

La conductividad hidraulica dependen basicamente de la textura del textura del suelo, no obstante, otros factores importantes pueden ser: la estructura, el contenido de materia orgánica, composición de mineral arcilloso, P.S.I. y concentraciones de sales.

Clases de Conductividad Hidráulica.


 Clases    
Rangos (cm/hr)
 m/día
 Muy Lenta <0.1 <0.03
 Lenta  0.1-0.5  0.03-0.12
 Moderadamente Lenta  0.5-2.0  0.12-0.5
 Moderada  2.0-6.0  0.5-1.5
 Moderadamente Rápida  6.0-12.0  1.50-3.00
 Rápida  12-18  3.00-4.50
 Muy Rápida  >18 >4.5


Métodos para medir la Conductividad Hidráulica.

Los que se fundamentan en algunas características del suelo:

Estos son poco precisos y no se utilizan para cálculos de drenaje[1].

  1. Método de la Curva de Retención de Humedad.
  2. Método de la Superficie Específica.


Métodos de Laboratorio.

Se agrupan en métodos en gran escala y métodos puntuales, los primeros requieren gastos elevados en sondeos, equipos de bomba, personal especializado, etc, los segundos se denominan así por que calculan el valor de K de un volumen pequeño de suelo, pero mayor que el de los métodos de laboratorio.

                                                Métodos Puntuales
En ausencia de nivel freático En Presencia de nivel freático
 Permeámetro Cilíndrico Pozo barrenado o Auger Hole
 Cilindros infiltrómetros Piezómetro
 Permeámetro de entrada de aire Tubo
 Doble Tubo Punta Vertedora, Dos Pozos
 Pozo Barrenado invertido o de Porchet  Pozos Múltiples; Cuatro Pozos
 Permeámetro de Pozo Bombeo del Pozo; Pozos Profundos.


Balance de Sales y Necesidades de Lavado.

Los Suelos Alcalinos.

Los suelos alcalinos alcalinos aunque son poco frecuentes, cuando aparecen perjudican de manera sustancial el comportamiento del sustrato y por tanto el de la planta; generan problemas químicos por la disponibilidad reducido de hierro, potasio y otros nutrientes, estos suelos contienen tanta cantidad de sales solubles que las plantas tienen mucha dificultad para absorber agua, además de que afectan la estructura. Estos suelos son propios de terrenos áridos y el ascenso capilar genera incluso mas concentración de sales al evaporarse el agua.

Clasificación de los suelos alcalinos.

 Suelos Salinos  Se caracterizan por tener una buena permeabilidad, su recuperación se basa fundamentalmente en lavados. El pH está entre 8 – 8.5 y el porcentaje de sodio intercambiable (PSI) es menor de 15 y la conductividad eléctrica (CE) es mayor de 4 milimhos/cm.
 Suelos Sódicos Se caracteriza por tener problemas de estructuras especialmente si predominan arcillas expansibles, para su corrección es indispensable remover el sodio con otros cationes preferiblemente el calcio. El pH de estos suelos puede llegar hasta 10 o más, la CE es menor de 4 milimhos/cm. Y el PSI es mayor de 15.
 Suelos Salino-Sódicos El pH puede llegar hasta 8.5 o más, dependiendo del tipo de sales que tenga, la CE es mayor de 4 milimhos/cm. Y el PSI es mayor de 15. Los suelos sódicos se recuperan aplicando sales de calcio (yeso, sulfato de calcio y azufre).


Sales en el Suelo.

 Cloruro de Sodio (NaCl) Peligrosa, soluble, lavable con la aplicación de yeso.
 Sulfato de Magnesio (SO4Mg) Frecuente en suelos salinos, más tóxico que el NaCl.
 Sulfato de Sodio (NaSO4) Es muy frecuente en suelos alcalinos y es muy soluble pero afectado por la temperatura.
 Carbonato de Sodio (NaCO3) Es la sal que mas alcalinidad provoca en el suelo ya que lleva el pH hasta 11.


Conductividad Eléctrica.

Mientras mas sales disueltas tenga el agua, mas electricidad conduce, esta conductividad se mide en milimhos /cm o micromhos/cm. Cuando un suelo supera los 2 micrmhos/cm hay problemas en cuanto a lo biológico. La conductividad se mide a través de un puente de conductividad. Esta se mide en un suelo saturado (CESS).

La conductividad eléctrica en suelo a capacidad de campo se determina por:

CECC=CESS*(n/CC)

Donde n es la porosidad total del suelo y CC es la capacidad de campo. Para un suelo en Punto de Marchitez permanente la formula es la que sigue:

CEPMP = CESS*(n/PMP)

La porosidad total, indispensable en estas formulas está determinada por la siguiente formula:

n = (1-Da/Dr)*100

Donde Da es la densidad aparente y Dr es la densidad real.

Porcentaje de Sodio Intercambiable (PSI) y de Saturación de Base (PSB).


 PSI    
PBS
PSI = (Na/CIC)*100 PSB = (Base/CIC)*100
CIC = Mg+Na+Ca+K+H Base = Mg+Na+Ca+K

Suelos Salinos: CE > 4 milimhos/cm; PSI < 15%
Suelo Salino – Sódico: CE > 4 milimhos/cm; PSI > 15%
Suelo Normal: CE < 4 milimhos/cm; PSI < 15%
Suelo Sódico: CE < 4 milimhos/cm; PSI >15%


Recuperación de Suelos Salinos.


 Métodos Físicos Métodos Biológicos Métodos Eléctricos Métodos Químicos
Consiste en la ruptura de la compactación mediante aradas, aradas profundas, subsoladas, mezcla de arena con arcilla.  Consiste en la aplicación de materia orgánica ya que esta mejora las condiciones físicas de los suelos al aumentar su permeabilidad. Liberan CO2 y aumenta la solubilidad del carbonato de Calcio. Se utilizan las propiedades eléctricas de los aniones presentes en los suelos salinos, conectando en los extremos de un suelo un cátodo y un ánodo forzando así la migración de los electrones Utilizado basicamente en suelos salino-sódicos y sódicos, consiste en remplazar el sodio por otro catión soluble y así poderlo lavar del suelo y mejorar sus características.

Los principales mejoradores químicas que se utilizan en la recuperación de suelos son:

  • Sales de Calcio: Las hay solubles (como el cloruro de calcio CaCl2), lentamente solubles como (CaSO4, 2H2O), muy poco solubles (CaCO3)
  • Ácidos o precursores de ácidos: Azufre, CaSO5, ácido sulfúrico (H2SO4), sulfato de aluminio, sulfato ferroso.


Selección del Tipo de Mejorador.

Suelos que Contienen Carbonato de Calcio (CaCO3) Suelos que no tienen Carbonato de Calcio, pero cuyo pH es mayor de 7.5 Suelos que no contienen Carbonato de Calcio, pero cuyo pH es menor de 7.5
A este grupo se le puede aplicar las sales de calcio o cualquier ácido o procurador de ácido. No se debe aplicar carbonato de calcio porque genera un ácido suave  Este suele debe tener carbonato de sodio Na(CO3) o bicarbonato de sodio Na(CO3)2 se puede utilizar yeso, cloruro de calcio (CaCl2), sulfato de calcio (CaSO4). No se debe aplicar carbonato de calcio, tampoco bicarbonato de sodio, porque a medida que aumenta el pH el calcio disminuye su solubilidad. En estos suelos predomina el cloruro de sodio (NaCl) no se debe aplicar ácido sulfúrico, ni procurador de ácido sulfúrico, se puede aplicar cloruro de calcio y sulfato de calcio.


LAVADO DE SALES.

Para prevenir problemas de sales se necesita una cierta cantidad de agua que disuelva y arrastre las sales de la zona radial, a través de un sistema de drenaje. Para el efecto se pueden establecer dos tipos de lavado.

  1. Lavado de mantenimiento: se emplea en suelos que han sido desalinizados o en suelos no salinos cuando el agua de riego o la freática aporta cantidades consistentes de sales al suelo, todo con el fin de evitar la salinización de los suelos. Al cuantificar los lavados de mantenimiento se determina la cantidad en exceso del agua de riego o la requerida de lluvia además contribuye al cálculo de la capacidad del sistema de  drenaje.
  2. Lavado de recuperación: se emplea en todas las clases de suelos salinoso sódicos, ya que en un suelo sódico el lavado posterior a la aplicación de la enmienod, forma parte de un proceso de recuperación. El lavado de recuperación se realiza a través de un programa de lavado, porque es casi imposible desalinizar el suelo con una sola operación, es más esto puedo tardar varias temporadas, por esta razón se recomienda seleccionar cultivos tolerantes a las sales, para sembrarlos en este periodo, aunque su rentabilidad no sea considerable, pero asñi se puede reducir el lucro cesante.

En cuanto a la forma de efectuar el lavado por recuparación o de mantenimiento se tiene:

  1. Lavado por medio de lluvia: ofrece la ventaja que su concentración salina es despreciable, sine embargo en las regiones de mayor salinidad suele ser escasa la lluvia.
  2. Lavado con riego: consiste en adicionar una lámina de agua a la lámina de riegom para usarla en el lavado. En esta modalidad, el suelo llega a capacidad de campo con agua de riego mientras que el exceso programado es el que percola, efectuando el lavado correspondiente.
  3. Lavado independiente: Es el que no se efectua conjuntamente con el riego, ya que es posible que dada las condiciones de salinización, el terreno se cultive, en cada uno de los riegos se pueden aplicar láminas de 100 y 200 mm de agua. Los lavados deben llevarse a cabo preferiblemente en el verano ya que la temperatura favorece la solubilidad de las sales, estas labores se pueden complementar con la subsolada de los primeros 15 a 30 cm, trazar melgas como para riego en el primer riego se lleva al suelo a capacidad de campo y se sigue lavando de cada dos a tres dias.

Eficiencia del lavado: es de suponer que toda el agua de lavado que se infiltra en el suelo y luego percola , se mezcla integramente con la solución del perfil, especialmente en la zona radical, la realidad es otra, y aque en el suelo existen grietas por donde se facilita el rápido descenso del agua sin que se mezclen, incumpliendo con su función. La mayor o menor mezcla se define en terminos de eficiencia de lavado (f) (Coeficiente de lavado).

Coeficiente de lavado (f): este coeficiente depende basicamente del método de riego, en cuanto el porcentaje de agua que percola con relación a la aplicada y de la textura del suelo. De esta manera se presentan valores de (f) en función de la textura del suelo, podria pensarse que los suelos livianos presentan mas o mayores poros que impiden la mezcla; sin embargo, ocurre que ene stos suelos los poros no capilares facilitan las mezclas de la solución del suelo con el agua de lavado.

Coeficiente de lavado (f)

 Tipo de suelo (textura)
 Coeficiente de lavado (f)
 Arenoso  0.8
 Franco limoso, franco arenoso  0.5-0.6
 Franco arcillo limoso, franco  0.4-0.5
 Franco arcillo arenoso, arcilloso  0.2-0.3


Tolerancia de los cultivos a las sales:

 Baja[2] Media-Baja
Mediana
Alta
Frijoles

Zanahoria

Cebolla

Aguacate

Limón

Maíz

Maní

Arroz

Caña de Azucar

Trébol

Batata

Brócoli

Repollo

Coliflor

Lechuga

Arvejas

Ají

Rabino

Espinaca

Tomate

Nabo

Pepino

Rabiza

Sorgo

Soya

Sorgo Sudan

Zacate Guinea

Remolacha

Lima

Papaya

Plátano

Banano

Varios Zacates

Trigo

Pastos

Cebada

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