estimaciÓn de las demandas de consumo de agua
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ESTIMACIÓN DE LAS DEMANDAS DE CONSUMO DE AGUA
COLEGIO DE POSTGRADUADOS
“SECRETARÍA DE AGRICULTURA, GANADERÍA,DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACIÓN”
Subsecretaría de Desarrollo RuralDirección General de Apoyos para el Desarrollo Rural”
2
CONTENIDO
ÍNDICE DE CUADROS ....................................... 2
ÍNDICE DE FIGURAS ......................................... 3
1. INTRODUCCIÓN ........................................ 4
2. OBJETIVO ................................................. 4
3. REQUERIMIENTO DE RIEGO EN LOS
CULTIVOS ................................................. 5
3.1. Evapotranspiración real del cultivo (ETc) . 7
3.2. Evapotranspiración Potencial (ETp) ......... 9
3.3. Coeficiente de Desarrollo del Cultivo (Kc)15
3.4. Precipitación efectiva ............................. 18
3.5. Necesidad neta bruta de riego ............... 19
3.5.1 Fracción de lavado ( ) ........................ 20
3.5.2 Uniformidad de Emisión (UE) .............. 20
3.6. Intervalo de riego (Ir) ............................. 21
3.7. Tiempo de riego (Tr) ............................... 21
3.8. Cálculo de los litros por día por planta .. 22
3.9. Caudal del sistema de riego ................... 22
3.10. Cálculo del volumen total de agua
requerido para riego ........................................ 23
4. NECESIDADES DE AGUA PARA CONSUMO
HUMANO ................................................ 23
4.1. Tanque de amortiguamiento ................. 23
4.1.1 Gasto medio diario (Qmed) ................. 24
4.1.2 Gasto máximo diario (QmáxD) ............ 25
4.1.3 Gasto máximo horario (QmáxH) .......... 25
4.1.4 Capacidad de los tanques de
regulación ............................................ 26
4.1.5 Coeficiente de regulación .................... 26
4.1.6 Dimensionamiento del tanque de
regulación ............................................ 28
5. NECESIDADES DE AGUA PARA ESPECIES
PECUARIAS ............................................. 28
5.1. Cálculo del tamaño del HATO................. 28
5.2. Cálculo del volumen de amortiguamiento
necesario .......................................................... 30
5.2.1 Aportaciones de escurrimientos
superficiales ......................................... 30
5.2.2 Aportaciones de escurrimientos
subsuperficiales ................................... 32
6. BIBLIOGRAFIA ......................................... 33
ÍNDICE DE CUADROS
Cuadro 1. Coeficiente global kg para algunos
cultivos importantes. .......................................... 8
Cuadro 2. Porcentaje de horas luz en el día por
mes en relación a los meses del año. .................. 9
Cuadro 3. Etapas de desarrollo del cultivo, según
FAO. ................................................................... 16
Cuadro 4. Coeficientes de desarrollo Kc para
cultivos anuales. ................................................ 17
Cuadro 5. Coeficiente de efectividad de Blaney y
Criddle. .............................................................. 19
Cuadro 6. Tolerancia del cultivo a las sales,
expresada en Conductividad Eléctrica (CE). ...... 20
Cuadro 7. Rangos Recomendados para la
Uniformidad de Emisión.................................... 21
Cuadro 8. Valores de eficiencia de aplicación en
microirrigación. ................................................. 22
Cuadro 9. Ley de demandas horarias para
poblaciones pequeñas (< 5000 habitantes) ...... 26
3
Cuadro 10. Ejemplo de cálculo del volumen de
un tanque de regularización. ............................ 27
Cuadro 11. Demanda diaria de agua para las
principales especies domésticas. ...................... 29
Cuadro 12. Balance Hídrico para obtención del
volumen de diseño. ........................................... 31
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Porcentajes de uso consuntivo
(CONAGUA, 2010). .............................................. 5
Figura 2. Componentes del ciclo hidrológico en
México (CONAGUA, 2010). ................................. 6
Figura 3. ERIC III, base de datos editada por el
IMTA, con información del Servicio
Meteorológico Nacional. ................................... 14
Figura 4. Base de Datos del World Water and
Climate Atlas. .................................................... 15
Figura 5. Introducción de coordenadas de
lugares para obtención de datos climáticos en el
“IWMI Online Climate Service MODEL.............. 16
Figura 6. Curva Generalizada del coeficiente de
cultivo (FAO, 1977). ........................................... 17
Figura 7. Tanque de amortiguamiento ............. 24
Figura 8. Vista lateral y de frente del área de
captación y abrevadero. .................................... 29
Figura 9. Bordo en cauce (A) y jagüey en ladera
con canales de llamada (B)................................ 32
Figura 10. Olla de agua para uso pecuario. ...... 32
Figura 11. Bebedero pecuario con tanque de
regulación integrado. ........................................ 32
4
ESTIMACIÓN DE LAS DEMANDAS DE CONSUMO DE AGUA
1. INTRODUCCIÓN
El agua se recicla constantemente como
consecuencia de la evaporación, producida por la
energía solar, que se precipita en forma de
lluvias y alimenta el caudal de los ríos que
retornan a los cuerpos donde se evaporó el agua
inicialmente. De este ciclo constante, el agua
destinada al consumo humano y las actividades
agropecuarias básicamente procede de la lluvia.
El agua es el recurso más importante; ya que las
plantas, los animales y el ser humano dependen
de su existencia; pero las aguas dulces
existentes, que pueden usarse de forma
económicamente viable y sin generar grandes
impactos negativos en el ambiente, son menores
al 1% del agua total del planeta. Por otro lado, el
crecimiento demográfico, el aumento de los
regímenes de demanda y la contaminación del
líquido han mermado el volumen per cápita
disponible. Esta disminución de consumo de
agua obliga a la sociedad, para la protección de
los patrones de vida, aplicar criterios de
conservación y de uso sustentable del agua.
De acuerdo con la Ley de Aguas Nacionales en
México, el agua puede tener usos consuntivos y
no consuntivos; entre los primeros están el
abastecimiento urbano, la agricultura, el
pecuario y la industria, y entre los segundos la
producción de energía eléctrica, la refrigeración
de plantas industriales y centrales energéticas, la
acuicultura y los caudales con fines ambientales
y paisajísticos.
La mayor parte del agua consumida por el
hombre se destina a usos consuntivos, a la
irrigación, al ganado y al uso doméstico. La
agricultura emplea más del 70% del agua
utilizada en el mundo (FAO, 2002). Esta baja
eficiencia, convierte a la agricultura en el sector
donde se pueden adoptar los mayores cambios
tecnológicos que permitan compensar las
mermas per cápita antes mencionadas.
En México, el uso consuntivo mayor es el
agrícola, que representa un 78% de la extracción,
seguido por el uso público urbano con un 12%
(Figura 1).
2. OBJETIVO
Analizar, para el medio rural, el consumo de agua
con fines agrícolas, pecuarios y consumo
humano. Como apoyo en la elaboración de
Proyectos COUSSA.
5
Figura 1. Porcentajes de uso consuntivo (CONAGUA, 2010).
3. REQUERIMIENTO DE RIEGO EN LOS CULTIVOS
La estimación de la demanda de agua, a través
de cualquier sistema de riego, depende en gran
medida del conocimiento de la cantidad de agua
que consumen los cultivos y del momento
oportuno para aplicarla, con el objetivo de no
perjudicar su rendimiento.
La cantidad de agua que las plantas transpiran es
mucho mayor que la retienen (la que usan para
crecimiento y fotosíntesis). En una parcela, es
difícil separar la evaporación y la transpiración,
cuando se habla de las necesidades de agua en
los cultivos, por lo que la suma de ambos
procesos se le ha denominado como
evapotranspiración.
Por lo tanto, el agua evapotranspirada debe
reponerse periódicamente al suelo para no
dañar el potencial productivo de la planta por
estrés hídrico. Diversas metodologías se han
propuesto para su determinación, debiendo
considerarse siempre que la evapotranspiración
depende, entre otros aspectos, de las
condiciones climáticas, tipo y estado de
desarrollo del cultivo, así como de la
disponibilidad de agua del suelo.
Derivado de estos procesos en 1952, H.F. Blaney
y W.D. Criddle definieron “uso consuntivo o
evapotranspiración” como “la suma de los
volúmenes de agua usados por el crecimiento
vegetativo de una cierta área por conceptos de
transpiración y formación de tejidos vegetales y
evaporada desde el suelo adyacente,
proveniente de la nieve o precipitación
interceptada en el área en cualquier tiempo
dado, dividido por la superficie del área”; en la
siguiente figura se muestran los valores medios
anuales de los componentes del ciclo hidrológico
en México, en miles de millones de m3, km3
(Figura 2).
61.2 77%
11.2 14%
3.3 4%
4.1 5%
Usos Consuntivos en México (km3)
Agrícola
AbastecimientoPúblico
IndustriaAutoabastecida
Termoeléctricas
6
Figura 2. Componentes del ciclo hidrológico en México
(CONAGUA, 2010).
En proyectos COUSSA generalmente los
volúmenes de agua que se captan son reducidos
y requieren ser utilizados eficientemente, por lo
que en este documento se analizan las
demandas de riego localizado por
microirrigación.
La Microirrigación consiste en aplicar al cultivo
una clase de riego más localizado, minimizando
el volumen de suelo humedecido, reduciendo
con ello las pérdidas de agua por evaporación,
también se reducen los intervalos de riego.
Dentro de la microirrigación se incluyen todos los
medios que se requieren para los sistemas de
goteo, microaspersión, nebulización,
atomización, etc. Este tipo de sistemas además
de aplicar el agua a los cultivos con gran
eficiencia, mejora alguna otra característica del
medio, por ejemplo: temperatura ambiente,
incidencia de parásitos y organismos
competitivos y riqueza nutricional.
El requerimiento de riego de los cultivos (RR) o
necesidades netas, se define como la suma de la
evapotranspiración real corregida o
evapotranspiración del cultivo corregida (ETc
correg) menos la precipitación efectiva (Pe).
Donde:
RR: Requerimientos de riego, mm/día.
Pe: Precipitación efectiva, mm.
ETc correg: Evapotranspiración del cultivo
corregida, mm/día. Este
parámetro se calcula con la
siguiente ecuación:
Donde:
ETc: Evapotranspiración real del cultivo, mm/día.
Kvc: Coeficiente de corrección por variación
climática, adimensional (1.15 para
microaspersión y 1.2 para goteo).
kl: Corrección por efecto de localización, %. Se
calcula con la siguiente ecuación:
Donde, A, corresponde al área sombreada y
básicamente hace coincidir la superficie
7
sombreada con la proyección sobre el terreno
del perímetro de la cubierta vegetal, como sigue:
Donde:
: Fracción de área sombreada, m2.
: Diámetro de la copa del árbol, m.
: Espaciamiento entre plantas, m.
: Espaciamiento de hileras de plantas, en m.
De no contar con suficiente información para
realizar los cálculos, se recomienda tomar 60%
del área sombreada en caso de frutales y 70%,
en promedio, en caso de hortalizas.
3.1. EVAPOTRANSPIRACIÓN REAL DEL
CULTIVO (ETC)
Los métodos de cálculo de la ETc, se dividen en
directos e indirectos.
Los métodos directos proporcionan
directamente el valor del consumo total del agua
requerida por las plantas, para lo que se utilizan
aparatos e instrumentos en su determinación;
por los alcances del presente documento no son
analizados.
Los métodos indirectos proporcionan un valor
estimado del agua requerida a través de todo el
ciclo vegetativo, mediante la aplicación de
fórmulas empíricas basadas en datos climáticos.
La ETc puede determinarse a partir de la
evapotranspiración potencial, ETp (o
evapotranspiración del cultivo de referencia),
según la expresión.
En donde Kc, es un coeficiente de cultivo
adimensional que varía con el cultivo y su
desarrollo vegetativo y ETp es la
evapotranspiración potencial.
Las unidades comunes de medida de ETc y ETp
suelen ser mm/día, mm/mes o mm/temporada.
Por su importancia, en el presente documento se
aborda el método de Blaney-Criddle (modificado
por Phelan), ambos toman en cuenta gran
número de variables que permiten un cálculo
más preciso de la evapotranspiración.
Método de Blaney-Criddle modificado por Phelan.
La ecuación de Blaney-Criddle es usada
ampliamente en diversas regiones del mundo, en
la que se consideran dos parámetros
importantes: la temperatura media mensual y el
porcentaje de horas luz mensual con relación al
total anual.
Originalmente el método se diseño para el
cálculo de la ETc durante todo el ciclo vegetativo
del cultivo, mediante la siguiente ecuación:
8
Donde:
ETc: Evapotranspiración del cultivo, cm.
Kg: Coeficiente total de ajuste que depende del
cultivo y la ubicación de la zona de estudio,
adimensional (Cuadro 1).
Cuadro 1. Coeficiente global kg para algunos cultivos
importantes.
CULTIVO PERÍODO DE
CRECIMIENTO
COEFICIENTE
GLOBAL kg
Aguacate Todo el año 0.50 a 0.55
Ajonjolí 3 a 4 meses 0.80
Alfalfa Entre heladas 0.80 a 0.85
Alfalfa En invierno 0.60
Algodón 6 a 7 meses 0.60 a 0.65
Arroz 3 a 5 meses 1.00 a 1.20
Cacahuate 5 meses 0.60 a 0.65
Cacao Todo el año 0.75 a 0.80
Café Todo el año 0.75 a 0.80
Camote 5 meses 0.60
Caña de azúcar Todo el año 0.75 a 0.80
Cártamo 5 a 8 meses 0.55 a 0.65
Cereales grano
pequeño 3 a 6 meses 0.75 a 0.85
Cítricos 7 meses 0.50 a 0.65
Chile 3 a 4 meses 0.60
Espárrago 6 meses 0.60
Fresa Todo el año 0.45 a 0.60
Frijol 3 a 4 meses 0.60 a 0.70
Frutales de hoja
caduca Entre heladas 0.60 a 0.70
Garbanzo 4 a 5 meses 0.60 a 0.70
Girasol 4 meses 0.50 a 0.65
Gladiola 3 a 4 meses 0.6
Haba 4 a 5 meses 0.60 a 0.70
Hortalizas 2 a 4 meses 0.6
Jitomate 4 meses 0.7
CULTIVO PERÍODO DE
CRECIMIENTO
COEFICIENTE GLOBAL
kg
Lechuga y Col 3 meses 0.7
Lenteja 4 meses 0.60 a 0.70
Lino 7 a 8 meses 0.70 a 0.80
Maíz 4 a 7 meses 0.75 a 0.85
Mango Todo el año 0.75 a 0.80
Melón 1 a 4 meses 0.6
Nogal Entre heladas 0.7
Papa 3 a 5 meses 0.65 a 0.75
Palma datilera Todo el año 0.65 a 0.80
Palma cocotera Todo el año 0.80 a .090
Papaya Todo el año 0.60 a 0.80
Plátano Todo el año 0.80 a 1.00
Pastos de
gramíneas Todo el año 0.75
Sandía 3 a 4 meses 0.60
Sorgo 3 a 4 meses 0.70
Soya 3 a 5 meses 0.60 a 0.70
Tomate 4 a 5 meses 0.70
F: Factor climático que es equivalente a la ETP
(Evapotranspiración Potencial) global, la
ecuación que define su cálculo se precisa a
continuación:
∑
Donde:
Valores del factor climático o ETP mensuales,
en cm (Ecuación 5).
[
]
Donde:
Ti: Temperatura media mensual, en °C
9
Pi: Porcentaje de horas luz del mes respecto del total anual en % (Cuadro 2).
Cuadro 2. Porcentaje de horas luz en el día por mes en relación a los meses del año.
LATITUD ENE. FEB. MAR. ABR. MAY. JUN. JUL. AGO. SEP. OCT. NOV. DIC.
15° 7.94 7.10 8.44 8.46 8.99 8.82 9.05 8.83 8.27 8.24 7.73 7.87
16° 7.90 7.08 8.43 8.47 9.02 8.86 9.09 8.86 8.27 8.22 7.70 7.83
17° 7.86 7.06 8.43 8.49 9.06 8.90 9.13 8.88 8.27 8.20 7.66 7.79
18° 7.82 7.04 8.42 8.51 9.10 8.95 9.17 8.91 8.28 8.18 7.63 7.74
19° 7.78 7.02 8.42 8.52 9.13 8.99 9.21 8.93 8.28 8.17 7.59 7.70
20° 7.74 7.00 8.41 8.54 9.17 9.03 9.25 8.96 8.28 8.15 7.56 7.65
21° 7.70 6.98 8.41 8.56 9.20 9.08 9.30 8.98 8.29 8.13 7.52 7.60
22° 7.66 6.95 8.41 8.58 9.24 9.12 9.34 9.01 8.29 8.11 7.48 7.56
23° 7.62 6.93 8.40 8.60 9.28 9.17 9.38 9.03 8.29 8.09 7.45 7.51
24° 7.57 6.91 8.40 8.61 9.32 9.22 9.42 9.06 8.30 8.07 7.41 7.46
25° 7.53 6.88 8.39 8.63 9.36 9.27 9.47 9.09 8.30 8.05 7.37 7.41
26° 7.49 6.86 8.39 8.65 9.40 9.31 9.51 9.12 8.30 8.03 7.33 7.36
27° 7.44 6.84 8.38 8.67 9.44 9.36 9.56 9.14 8.31 8.01 7.29 7.31
28° 7.39 6.81 8.38 8.69 9.48 9.41 9.61 9.17 8.31 7.99 7.25 7.26
29° 7.35 6.79 8.37 8.71 9.52 9.47 9.66 9.20 8.32 7.97 7.21 7.20
30° 7.30 6.76 8.37 8.73 9.57 9.52 9.71 9.23 8.32 7.94 7.16 7.15
31° 7.25 6.74 8.36 8.75 9.61 9.57 9.76 9.26 8.32 7.92 7.12 7.09
32° 7.20 6.71 8.36 8.77 9.66 9.63 9.81 9.29 8.33 7.90 7.08 7.04
Fuente: Palacios, 1977
Este método fue modificado por J. T. Phelan,
quien propuso la siguiente corrección a cada una
de las (fi) mensuales, la cual está en función de
cada una de las temperaturas medias mensuales
(Ti), esto se observa en la Ecuación 6:
Para conocer la ETc de cada mes, el producto
se multipllica por un coeficiente
mensual del cultivo del cual se trate.
3.2. EVAPOTRANSPIRACIÓN POTENCIAL
(ETP)
La evapotranspiración potencial (ETp) se define
como “la tasa de evapotranspiración de una
superficie extensa de gramíneas verdes de 8 a 15
cm de altura, uniforme, en crecimiento activo,
que sombrea totalmente el suelo y sin falta de
agua”.
Los resultados del cálculo de la ETp, permiten
elegir el método de cálculo de las necesidades
netas de agua de los cultivos.
10
Como método indirecto, a través de fórmulas
empíricas, se muestra el método de Penman-
Monteith para el cálculo del valor de ETp usando
datos climáticos, como se muestra a
continuación.
Método de Penman-Monteith
Con este método se obtienen valores más
consistentes del consumo de agua de los
cultivos, esto debido a que toma en cuenta el
mayor número de variables climáticas en
comparación con otros métodos.
La ecuación usada para el cálculo de la
evapotranspiración potencial del cultivo de
referencia es:
Donde:
: Evapotranspiración potencial, mm/día.
: Radiación neta en la superficie del cultivo,
MJ/m2día.
: Flujo de calor en el suelo, MJ/m2 día.
: Temperatura media, °C.
: Velocidad del viento medida a 2 m de altura,
m/s.
: Presión de vapor de saturación, KPa.
Presión real de vapor, kPa.
: Pendiente de la curva de presión de vapor,
kPa/°C.
: Constante psicrométrica, kPa/°C.
900: Factor de conversión.
La ecuación utiliza datos climáticos de radiación
solar, temperatura del aire, humedad y velocidad
del viento.
Los factores meteorológicos que determinan la
evapotranspiración son los componentes del
tiempo que proporcionan energía para la
vaporización y extraen vapor de agua de una
superficie evaporante. Los principales
parámetros meteorológicos que se deben
considerar se presentan a continuación:
Parámetros Atmosféricos
a) Presión Atmosférica (P), es la presión ejercida
por el peso de la atmósfera terrestre. Para
calcular P puede emplearse una simplificación
de la ley general de los gases ideales, a una
temperatura atmosférica estándar de 20 ° C.
(
)
Donde:
P: Presión Atmosférica, KPa.
Z: Elevación sobre el nivel del mar, m.
b) Calor Latente de Vaporización (λ), expresa la
energía requerida para cambiar una masa de
unidad de agua líquida a vapor de agua bajo
presión y temperatura constantes. Su valor
11
varía en función de la temperatura. Como λ
varía levemente dentro de rangos de
temperaturas normales, se considera un valor
constante de 2.45 MJ/kg correspondiente a
una temperatura de 20°C.
c) Constante Psicrométrica (γ), se calcula con:
Donde:
: Constante Psicrométrica, KPa/°C.
P: Presión Atmosférica, KPa.
: Calor Latente de Vaporizazión, 2.45 MJ/kg.
cp: Calor específico a presión constante,
1.013x10-3 MJ/kg °C.
: Cociente del peso molecular del vapor de
agua/aire seco = 0.622.
Temperatura del Aire
La temperatura máxima diaria del aire (Tmax) y la
temperatura mínima diaria del aire (Tmin) son,
respectivamente, la máxima y la mínima
temperatura del aire observadas durante un
periodo de 24 horas.
Humedad del Aire
El contenido de agua del aire se puede expresar
de diversas maneras. En agro meteorología, la
presión de vapor, la temperatura del punto de
condensación (punto de roció) y la humedad
relativa son expresiones comunes para indicar la
humedad del aire.
a) Humedad Relativa (HR), La humedad relativa
(HR) expresa el grado de saturación del aire
como el cociente entre la presión real de
vapor (ea) a una temperatura dada y la
presión de saturación de vapor (e°(T)) a la
misma temperatura (T):
b) Presión media de vapor de la saturación (es),
puede ser calculada en función de la
temperatura del aire, pues depende de ella.
La relación entre ambas variables se expresa
como:
(
)
: Presión de saturación de vapor a la
temperatura del aire T (KPa).
T: Temperatura media, °C.
Debido a la característica no-linear de la
Ecuación 11, la presión media de saturación de
vapor para un día, semana, década o mes, debe
ser calculada como el promedio de la presión de
saturación de vapor a la temperatura máxima
media y la presión de saturación de vapor a la
temperatura mínima media del aire para ese
período:
12
c) Pendiente de la curva de presión de saturación
de vapor (Δ), para el cálculo de
evapotranspiración, se requiere calcular este
parámetro, dado por la siguiente ecuación:
[ (
)]
Donde:
: Pendiente de la curva de saturación de vapor
a la temperatura del aire, KPa/°C.
d) Presión Real de vapor (ea) derivada de datos
de humedad relativa, en base a la disponibilidad
de datos de humedad relativa se tiene la
siguiente ecuación:
Donde:
: Presión Real de vapor, KPa.
: Presión de Saturación de vapor a la
temperatura mínima, KPa.
: Presión de Saturación de vapor a la
temperatura máxima, KPa.
: Humedad Relativa mínima, %.
: Humedad Relativa máxima, %.
Radiación
a) Radiación extraterrestre. La radiación que
choca a una superficie perpendicular a los
rayos del sol en el extremo superior de la
atmósfera terrestre, se llama constante solar,
y tiene un valor aproximado de 0.082 MJ/m2
min. La intensidad local de la radiación, sin
embargo, está determinada por el ángulo
entre la dirección de los rayos solares y la
superficie de la atmósfera. Este ángulo cambia
durante el día y es diferente en diversas
latitudes y en diversas épocas del año. Para
cada día del año y para diversas latitudes se
puede estimar a partir de la constante solar,
la declinación solar y la época del año:
[
]
Donde:
Ra: Radiación Extraterrestre, MJ/m2 día.
GSC: Constante solar = 0.082 MJ/m2 día.
dr: Distancia relativa inversa Tierra-Sol (Ecuación
16).
: Ángulo de radiación a la puesta del sol
(Ecuación 18), rad.
: Latitud (positiva para el hemisferio norte y
negativa para el hemisferio sur), Rad.
: Declinación solar (Ecuación 17), rad.
La distancia inversa tierra sol (dr) y la declinación
solar ( ) están dadas por:
(
)
13
(
)
Donde J es el día Juliano, número del día en el
año entre 1 (1 de enero) y 365 (31 de diciembre).
El ángulo de radiación a la hora de la puesta del
sol ( ), se da por:
[
]
Donde:
[ ] [ ]
b) Radiación Solar (Rs), si no se cuenta con
mediciones directas de radiación solar, Rs,
ésta puede ser calculada a través de la
aplicación de la fórmula de Angstrom que
relaciona la radiación solar con la radiación
extraterrestre y la duración relativa de la
insolación:
(
)
Donde:
Rs: Radiación solar o de onda corta, MJ/m2 día.
n: Duración real de la insolación, horas.
N: Duración máxima posible de la insolación,
horas.
n/N: Duración relativa de la insolación,
adimensional.
Ra: Radiación Extraterrestre, MJ/m2 día.
as: Constante de Regresión, que expresa la
fracción radiación extraterrestre que llega a
la tierra en días muy nublados (n=0).
as + bs: Fracción de la radiación extraterrestre
que llega a la tierra en días despejados
(n=N).
c) Flujo del calor del suelo (G), se cuenta con
diversos modelos complejos para describir el
flujo de calor del suelo. Como el flujo del calor
del suelo es pequeño comparado con la Rn,
particularmente cuando la superficie está
cubierta con vegetación y los periodos de
tiempo de cálculo son de 24 horas o más, un
procedimiento simple del cálculo se presenta
aquí para periodos largos de tiempo, basados
en la idea de que la temperatura del suelo
tiene similar tendencia a la temperatura del
aire.
Donde:
G: Flujo del calor del suelo, MJ/m2 día.
Cs: Capacidad calorífica del suelo, MJ/m3°C.
Ti: Temperatura del aire en el tiempo i, °C.
Ti-1: Temperatura del aire en el tiempo i-1, °C.
Δt: Intervalo de tiempo considerado, días.
Δz: Profundidad efectiva del suelo, m.
14
Velocidad del Viento
El viento se caracteriza por su dirección y su
velocidad. La dirección del viento se refiere a la
dirección de la cual el viento está soplando. Para
el cómputo de la evapotranspiración, la
velocidad del viento es una variable importante.
La velocidad del viento en una localidad dada
varía con el tiempo, por lo que es necesario
expresarla en unidades que corresponden al
tiempo. La velocidad del viento se mide en
metros por segundo (m/s) o kilómetros por día
(km/día).
a) Relación del viento con la altura, la velocidad
del viento a diversas alturas sobre la
superficie del suelo tienen valores diferentes.
La fricción superficial tiende a reducir la
velocidad del viento que atraviesa la
superficie. La velocidad del viento es menor
cerca de la superficie y aumenta con altura.
Para ajustar los datos de velocidad de los
vientos obtenidos de instrumentos situados a
elevaciones diferentes a la altura estándar de
2 m, se puede usar una relación logarítmica:
Donde:
U2: Velocidad del viento a 2m sobre la superficie,
m/s.
Uz: Velocidad del viento medida a z m sobre la
superficie, m/s.
z: Altura de la medición sobre la superficie, m.
Obtención de Datos Climáticos
En la base de datos ERIC III (Extractor Rápido de
Información Climatológica), buscando las
estaciones meteorológicas más cercanas a la
zona de interés, se pueden obtener los datos de
precipitación máxima, mínima y media mensual;
la Temperatura media, mínima y máxima
mensual, generalmente estos datos son los más
fáciles de conseguir y el ERIC III es una fuente
confiable de información, ya que utiliza datos de
las estaciones del Servicio Meteorológico
Nacional (SMN).
Figura 3. ERIC III, base de datos editada por el IMTA, con
información del Servicio Meteorológico Nacional.
Las variables de velocidad del viento, insolación y
humedad relativa son más difíciles de conseguir,
pues son pocas las estaciones meteorológicas en
México que cuentan con ellas, y de ésas, son aún
menos las que tienen un registro histórico
completo y un periodo suficientemente amplio.
15
Como una aproximación, para estas variables
más difíciles de conseguir, se recomienda utilizar
la información en línea del Instituto Internacional
de Gestión del Agua (IWMI)1. El IWMI es uno de
varios centros internacionales de investigación
operados por el Grupo Consultativo sobre
Investigación Agrícola (CGIAR), con sede en
Colombo, Sri Lanka. La base de datos del IWMI,
Atlas de Clima y Agua, cuenta con datos
climatológicos promedio de 30 años (de 1961 a
1990), basado en los registros de unos 30,000
estaciones meteorológicas en todo el mundo. El
IWMI Atlas de Clima y Agua interpola estos datos
y los ajusta para el efecto de elevación, para una
malla de resolución de 10 minutos de arco (un
sexto de un grado de latitud y longitud, Figura 4).
Figura 4. Base de Datos del World Water and Climate
Atlas.
Al entrar a la página, se da Click bajo el mapa
mundi, donde dice: “Click here to Access”;
enseguida, para tener acceso a los datos,
primero hay que registrarse, después de hacerlo,
aparece una ventana como se muestra en la
Figura 5, en la cual pide que se localice el sitio de
1 www.iwmi.cgiar.org/WAtlas/AtlasQuery.htm (versión tabular) y
dw.iwmi.org/idis_dp/ClickandPlot.aspx (versión gráfica).
interés (Location of Interest). Se introduce el
nombre del sitio de interés, la latitud y longitud
específicas del lugar, enseguida se eligen las
variables climáticas de interés por interpolar. Por
último se da click en “Submit” y aparecen los
datos indicados.
3.3. COEFICIENTE DE DESARROLLO DEL
CULTIVO (KC)
El efecto de la transpiración de las plantas y la
evaporación del suelo está integrado en un sólo
coeficiente denominado coeficiente de cultivo
Kc. El coeficiente de cultivo promedio es más
conveniente porque maneja simultáneamente el
efecto de cultivo y de suelo.
Los coeficientes de desarrollo de los cultivos
dependen fundamentalmente de las
características propias de cada cultivo, por lo
tanto son específicos para cada uno de ellos y
dependen de su estado de desarrollo y de sus
etapas fenológicas; por ello, son variables a lo
largo del tiempo. También dependen de las
características del suelo y de su humedad, así
como de las prácticas agrícolas y del riego. Lo
valores de Kc comienzan siendo pequeños y
aumentan a medida que la planta cubre más el
suelo (Figura 6).
Para calcular de manera simple la
evapotranspiración del cultivo es necesario
identificar las etapas de crecimiento, la duración
en días de cada una de ellas y seleccionar el
correspondiente Kc para cada etapa (Cuadro 3).
16
Figura 5. Introducción de coordenadas de lugares para obtención de datos climáticos en el “IWMI Online Climate
Service MODEL.
Cuadro 3. Etapas de desarrollo del cultivo, según FAO.
VALORES DE Kc ETAPAS DE DESARROLLO
DESCRIPCIÓN
Kcini Inicial Kc promedio desde la plantación a 10% de cobertura
Kcini–Kcmed Crecimiento rápido De 10% de cobertura a 75% o al máximo consumo de agua, lo que suceda primero.
Kcmed Período medio Kc promedio al final de la estación de máximo crecimiento hasta que el consumo de agua comienza a declinar.
Kcmed -Kcfin Período final Desde que el Kc comienza a declinar hasta la cosecha o cuando el consumo de agua llega a ser mínimo.
(Fuente: FAO, 1977)
El coeficiente de cultivo varía de cultivo en
cultivo, etapa de desarrollo y región geográfica.
El Servicio de Conservación de Suelos del USDA,
ha obtenido el coeficiente de desarrollo del
cultivo Kc para varios de ellos, o por lo menos los
de mayor importancia a nivel mundial, a partir
de datos experimentales, los cuales se presentan
en el Cuadro 4.
Los valores máximos de Kc se alcanzan en la
floración, se mantienen durante la fase media y
finalmente decrecen durante la maduración
Bajo el método de la FAO, el Kc está
representado por líneas rectas conectando 4
etapas de desarrollo, como se indica en la Figura
6.
17
Figura 6. Curva Generalizada del coeficiente de cultivo (FAO, 1977).
Cuadro 4. Coeficientes de desarrollo Kc para cultivos anuales.
% de Desarrollo Maíz Trigo Algodón Sorgo Cártamo Soya Arroz Frijol
0 0.42 0.15 0.20 0.30 0.14 0.51 0.45 0.50
5 0.45 0.20 0.22 0.35 0.16 0.45 0.50 0.54
10 0.48 0.30 0.25 0.40 0.18 0.41 0.55 0.60
15 0.51 0.40 0.28 0.48 0.22 0.45 0.65 0.65
20 0.60 0.55 0.32 0.60 0.27 0.51 0.72 0.73
25 0.65 0.70 0.40 0.70 0.35 0.51 0.80 0.80
30 0.70 0.90 0.50 0.80 0.44 0.51 0.85 0.90
35 0.80 1.10 0.62 0.90 0.54 0.52 0.90 0.97
40 0.90 1.25 0.89 1.00 0.64 0.55 0.92 1.05
45 1.00 1.40 0.90 1.08 0.76 0.57 0.93 1.10
50 1.05 1.50 0.98 1.07 0.88 0.60 0.93 1.12
55 1.07 1.57 1.00 1.05 0.98 0.63 0.93 1.12
60 1.08 1.62 1.02 1.00 1.07 0.66 0.92 1.10
65 1.07 1.61 1.00 0.95 1.07 0.68 0.90 1.05
70 1.05 1.55 0.95 0.90 1.08 0.70 0.85 1.02
75 1.02 1.45 0.87 0.82 1.02 0.70 0.80 0.95
80 1.00 1.30 0.80 0.75 0.96 0.69 0.68 0.87
85 0.95 1.10 0.75 0.70 0.86 0.63 0.63 0.80
90 0.90 0.95 0.65 0.65 0.76 0.56 0.58 0.72
95 0.98 0.80 0.55 0.60 0.60 0.43 0.55 0.70
100 0.85 0.62 0.50 0.55 0.45 0.31 0.47 0.62
18
Cuadro 4. Coeficientes de desarrollo Kc para cultivos anuales (continuación).
% de Desarrollo Ajonjolí Garbanzo Cebada Jitomate Linaza Chile Papa
0 0.30 0.30 0.15 0.43 0.30 0.48 0.30
5 0.35 0.35 0.20 0.43 0.65 0.50 0.35
10 0.40 0.40 0.30 0.43 0.40 0.55 0.40
15 0.50 0.50 0.40 0.45 0.50 0.65 0.45
20 0.60 0.55 0.55 0.45 0.55 0.75 0.50
25 0.70 0.65 0.70 0.50 0.70 0.80 0.60
30 0.80 0.70 0.90 0.55 0.90 0.90 0.70
35 0.87 0.78 1.10 0.65 1.00 0.93 0.82
40 0.95 0.80 1.25 0.75 1.10 0.95 0.97
45 1.00 0.82 1.40 0.85 1.15 1.03 1.05
50 1.10 0.82 1.50 0.95 1.20 1.05 1.06
55 1.20 0.80 1.57 1.00 1.28 1.05 1.25
60 1.28 1.57 1.62 1.03 1.30 1.05 1.30
65 1.30 0.82 1.61 1.02 1.35 1.03 1.35
70 1.32 0.80 1.55 0.98 1.30 1.00 1.38
75 1.29 0.75 1.45 0.95 1.28 0.97 1.38
80 1.25 0.70 1.30 0.90 1.25 0.90 1.35
85 1.10 0.65 1.10 0.85 1.10 0.85 1.33
90 1.00 0.60 0.95 0.80 0.95 0.80 1.30
95 0.90 0.50 0.80 0.75 0.80 0.70 1.25
100 0.80 0.40 0.62 0.70 0.60 0.60 1.20
3.4. PRECIPITACIÓN EFECTIVA
La precipitación efectiva es la proporción de la
precipitación que puede llegar a estar disponible
en la zona ocupada por las raíces de las plantas,
la que utiliza para satisfacer sus requerimientos
de agua.
Se consideran como lluvias no aprovechables o
inefectivas tanto aquellas que son muy
pequeñas, que se pierden rápidamente por
evaporación, como aquellas que son muy
grandes, de tal manera que rebasan la capacidad
de almacenamiento de la zona de raíces.
Cuánta agua se infiltra en realidad en el suelo
depende del tipo de suelo, pendiente, tipo de
cultivos, intensidad de la precipitación y el
contenido inicial de agua en el suelo. El método
más preciso para determinar la precipitación
efectiva es a través de observación en campo. La
lluvia es altamente efectiva cuando poco o nada
se pierde por evaporación. Bajas precipitaciones
19
son poco efectivas pues se pierden rápidamente
por evaporación.
Método de la USDA Soil Conservation Service
Una manera simple de estimar indirectamente
este valor es a través del método de la USDA -
Soil Conservation Service (método que más
recomienda la FAO), a través de Ecuación 26:
Si P<=250 mm por periodo:
)
Si P>250 mm por periodo:
Donde:
Pe: Precipitación efectiva, mm.
P: Precipitación media mensual, mm.
Coeficientes de Blaney-Criddle
Estos coeficientes varían con la lámina de lluvia y
se aplican para un evento de lluvia. En cuanto al
coeficiente acumulativo, según los autores, los
primeros 25 mm tienen una efectividad de 95%,
los siguientes 25 tienen un coeficiente de 90%
etc. (Cuadro 5).
En riego localizado, dada la alta frecuencia de los
riegos, es muy improbable que siempre ocurra
una lluvia en el intervalo entre dos riegos, por lo
que para efectos del diseño agronómico de
sistemas de microirrigación, la precipitación
efectiva no se considera para establecer el uso
consuntivo máximo de un cultivo.
Cuadro 5. Coeficiente de efectividad de Blaney y Criddle.
Lluvia (mm) Coeficiente de efectividad
25 0.95
50 0.90
75 0.82
100 0.65
125 0.45
150 0.25
>150 0.05
3.5. NECESIDAD NETA BRUTA DE RIEGO
Para el cálculo de las necesidades brutas, se
deben considerar primeramente las necesidades
netas, la fracción de lavado por sales y la
uniformidad de emisión de los emisores.
Por tanto, las necesidades brutas o totales de
riego, se calculan con la siguiente ecuación:
Cuando no se considera la fracción de lavado, la
ecuación anterior queda:
Donde:
: Necesidades brutas, mm/día.
: Necesidades netas, mm/día.
: Fracción de lavado, adimensional.
20
: Eficiencia de aplicación, adimensional.
: Uniformidad de Emisión, adimensional.
Las necesidades brutas de riego también se
pueden expresar como l/planta; para esto basta
con multiplicar las necesidades brutas en
mm/día, por el marco de plantación en metros.
3.5.1 Fracción de lavado ( )
La evapotranspiración remueve solamente agua
hacia la atmósfera, dejando sales en el suelo y
concentrando la solución remanente. Por lo que
se hace necesario considerar una fracción de la
lámina de riego para lavado de las mismas y
alejarlas de la zona de raíces.
La estimación de este sobre riego se calcula con
la ecuación:
Donde:
: Conductividad eléctrica del agua de riego,
ds/m.
: Conductividad eléctrica del extracto de
saturación del suelo que no produce
reducción en el rendimiento del cultivo,
en ds/m.
El valor de la Conductividad Eléctrica (CE) es un
indicador de la salinidad del suelo, en función al
valor del mismo, dependerá la tolerancia de los
cultivos a las sales; en el Cuadro 6 se muestran
valores de CE en el suelo, máximos de tolerancia
para los cultivos más comunes.
Cuadro 6. Tolerancia del cultivo a las sales, expresada en
Conductividad Eléctrica (CE).
CULTIVO CE (ds/m) CULTIVO CE (ds/m)
CULTIVOS EXTENSIVOS FRUTALES
Cebada 8.0 Palma datilera 4.0
Algodón 7.7 Granada 2.7
Remolacha azucarera 7.0 Higo 2.7
Trigo 6.0 Olivo 2.7
Cártamo 5.3 Vid 1.5
Soya 5.0 Pomelo 1.8
Sorgo 4.0 Pera 1.7
Arroz 3.0 Manzano 1.7
Cacahuate 3.2 Naranja 1.7
Habas 1.6 Limonero 1.7
Maíz 1.7 Nogal 1.7
Lino 1.7 Durazno 1.7
HORTALIZAS Ciruelo 1.5
Remolacha azucarera 4.0 Almendro 1.5
Brócoli 2.8 Zarzamora 1.5
Melón 2.2 Aguacate 1.3
Tomate 2.5 Frambuesa 1.0
Espinaca 2.0 Fresa 1.0
Pepino 2.5 FORRAJES
Col 1.8 Pasto bermuda 6.90
Maíz dulce 1.7 Cebada heno 6.00
Papa 1.7 Pasto Sudán 2.80
Pimiento 1.5 Alfalfa 2.00
Lechuga 1.3 Maíz forrajero 1.80
Rábano 1.2 Cola de zorra 1.50
Cebolla 1.2 Trébol 1.50
Zanahoria 1.0
Frijol 1.0
3.5.2 Uniformidad de Emisión (UE)
Los emisores de una instalación arrojan que no
son exactamente iguales entre sí, lo que
ocasiona que los cultivos reciban dosis de riego
21
diferentes. Para efectos de diseño se establece la
condición de que la parte del terreno que menos
agua reciba, lo haga como mínimo una cierta
fracción de la dosis media. La necesidad se ve
afectada por el factor 1/UE.
Se impone la condición de que la parte menos
regada reciba una dosis del 90% de la media,
esto es, UE=0.90. Este factor será muy
importante para el diseño hidráulico. En el
Cuadro 7 se anotan los rangos recomendados
para UE según Keller-Bliesner 1990, de acuerdo
con el sistema de riego y la topografía.
Cuadro 7. Rangos Recomendados para la Uniformidad de
Emisión.
Tipo de Emisor Emisores por planta Topografía Rango de UE
Puntual >=3 Uniforme 90-95
Puntual <3 Uniforme 85-90
Puntual >=3 Ondulada 85-90
Puntual <3 Ondulada 80-90
Microaspersión - Uniforme 90-95
Microaspersión - Ondulada 85-95
Cinta de riego - Uniforme 80-90
Cinta de riego - Ondulada 70-85
Pendiente uniforme hasta 2%, pediente ondulada >2%
3.6. INTERVALO DE RIEGO (IR)
Para el caso de un sistema de riego localizado, el
valor del intervalo de riego se obtiene para los
días de mayores necesidades del cultivo. Para
esto se utiliza la siguiente ecuación:
Donde:
Intervalo entre riegos, días.
: Lámina máxima aplicada o disponible sin
bajar del punto crítico, mm.
: Evapotranspiración del cultivo
corregido, del mes de máxima
demanda, mm/día.
Normalmente, el intervalo entre riegos en este
tipo de sistemas, fluctúa de 1 a 3 días, lo que
implica que el agua esta fácilmente disponible en
el suelo y como consecuencia para el cultivo en
un máximo rendimiento.
3.7. TIEMPO DE RIEGO (TR)
En riego localizado, este parámetro depende de
la lámina de riego que se desea aplicar y del
caudal medio del emisor.
Para el cálculo de este intervalo se recomienda el
uso de la siguiente ecuación:
Donde:
: Tiempo de riego, hr.
: Lámina de riego que se desea aplicar, mm.
: Caudal medio del emisor, lph.
: Separación entre emisores, m.
: Separación entre laterales, m.
22
3.8. CÁLCULO DE LOS LITROS POR DÍA
POR PLANTA
El cálculo de los litros de agua consumidos por
árbol en un día se calcula con la siguiente
expresión:
Donde:
LPD : Litros por día por planta, l.
k : Coeficiente de cobertura de la plantación,
adimensional.
Sa : Separación entre plantas, m.
Sh : Separación entre hileras, m.
UC mm/día.
Ef : Eficiencia del sistema de riego,
adimensional.
Ec : Eficiencia de conducción, 95% en
conducciones entubadas
Ea : Eficiencia de aplicación, en función del clima
del lugar donde se implementará el sistema
de riego (Cuadro 8).
Cuadro 8. Valores de eficiencia de aplicación en microirrigación.
Clima Profundidad de Raíces
(m)
Textura
Muy Arenosa Arenosa Media Fina
Árido
<0.75 0.85 0.90 0.95 0.95
0.75 - 1.50 0.90 0.90 0.95 1.00
>1.50 0.95 0.95 1.00 1.00
Húmedo
<0.75 0.75 0.80 0.85 0.90
0.75 - 1.50 0.80 0.80 0.90 0.95
>1.50 0.85 0.90 0.95 1.00
3.9. CAUDAL DEL SISTEMA DE RIEGO
Es el caudal que se manejará a la salida del
cabezal o centro de control. El caudal máximo
que requerirá el sistema, deberá ser menor al
caudal disponible en la fuente de
abastecimiento, o menor al gasto concesionado.
Prácticamente, para su determinación se usa la
siguiente ecuación:
Donde:
: Caudal total del sistema de riego, lps.
23
: Tiempo de riego, hr.
NTP: Número total de plantas.
3.10. CÁLCULO DEL VOLUMEN TOTAL DE
AGUA REQUERIDO PARA RIEGO
El cálculo del volumen total, anual o por ciclo de
cultivo, requerido para fines de riego, permite
apreciar si el volumen anual disponible es capaz
de satisfacer la demanda de riego.
Para este cálculo se aplica la eficiencia global de
riego directamente a la lámina anual bruta de
riego.
Donde:
: Volumen total anual requerido para riego,
m3.
: Requerimiento de riego anual, mm.
: Área que se pretende sembrar, ha.
: Eficiencia de riego, adimensional.
Este cálculo se realiza para cada cultivo a
establecer, sumando al final los volúmenes
totales anuales requeridos de cada cultivo. La
suma total debe ser menor al volumen anual
concesionado o disponible para riego.
Finalmente, dentro de la planeación del riego,
después de realizar estos análisis y comprobar
que el volumen disponible es suficiente para
satisfacer las demandas anuales de agua para los
cultivos a establecer, entonces la superficie que
se pretende regar queda definida; en caso
contrario, es necesario modificar dicha superficie
total, hasta ajustarse al volumen de agua
disponible para riego.
4. NECESIDADES DE AGUA PARA CONSUMO HUMANO
La Organización Mundial de la Salud definió la
seguridad en la disponibilidad del agua dulce
como el acceso de al menos 20 a 40 litros por
persona en el hogar (UACh, 2004). Pese a lo bajo
de este volumen mínimo recomendable, su
abastecimiento en las comunidades rurales
requiere de la construcción de ciertas obras,
infraestructura hídrica para garantizar el
abastecimiento del vital líquido, desde lugares
remotos.
En las comunidades rurales, las obras de
aprovechamiento hídrico, además de considerar
aspectos agropecuarios, también son utilizadas
por sus habitantes para el consumo humano.
Entre las obras, con usos múltiples, destacan los
tanques de amortiguamiento y las ollas de agua;
mismas que son analizadas a continuación.
4.1. TANQUE DE AMORTIGUAMIENTO
El tanque de amortiguamiento o de regulación
(Figura 7) es la parte del sistema de
abastecimiento de agua potable que recibe un
gasto desde la fuente de abastecimiento para
satisfacer las demandas variables de la población
a lo largo del día. Éste permite el
almacenamiento de un volumen de agua cuando
la demanda en la población es menor que el
24
gasto de llegada y el agua almacenada se utiliza
cuando la demanda es mayor. Generalmente,
esta regulación se hace por períodos de 24
horas.
Figura 7. Tanque de amortiguamiento
Los gastos de diseño se calcularán de la siguiente
forma:
4.1.1 Gasto medio diario (Qmed)
El gasto medio diario es la cantidad de agua
requerida para satisfacer las necesidades de la
población en un día de consumo promedio.
La expresión que define el gasto medio es la
siguiente:
Donde:
Qmed: Gasto medio diario, l/s.
P: Población de diseño, número de habitantes.
D: Dotación, l/hab/día.
86,400: Segundos que tiene un día.
El diseño de un sistema de abastecimiento de
agua potable, se basa en una estimación de la
población futura a la que servirá, denominada
población de proyecto; este número de
habitantes corresponde al que se tendrá al
último día del período de diseño que se fijó. La
mejor base para estimar las tendencias de la
población futura de una comunidad es su pasado
desarrollo, y la fuente de información más
importante sobre el mismo en México son los
censos levantados por el Instituto Nacional de
Estadística, Geografía e Informática (INEGI) cada
diez años. Los datos de los censos de población
pueden adaptarse a un modelo matemático
como son: el aritmético, geométrico, parabólico,
etc. Cuando se supone un crecimiento en
progresión geométrica, los valores que se
obtienen para la población futura son mayores
que los que se obtendrían si se supone un
crecimiento en progresión aritmética. En este
documento se explicará el modelo aritmético,
debido a que generalmente, ésta es la tendencia
de crecimiento de la población en comunidades
pequeñas.
El modelo aritmético tiene como característica
un incremento de población constante para
incrementos de tiempo iguales y, en
consecuencia, la velocidad, es decir, la relación
de incremento de habitantes con respecto al
periodo de tiempo es una constante expresada
como ecuación, se tiene:
O bien:
25
Donde:
P: Población.
t: Tiempo, años.
Ka: Constante que significa el incremento de la
población en la unidad de tiempo (año,
decenio, etc.)
Mediante un Proceso matemático se tiene:
Para un tiempo T cualquiera se tiene la siguiente
ecuación lineal:
Donde:
P2: Población en el tiempo t=2, número de
habitantes.
4.1.2 Gasto máximo diario (QmáxD)
Este gasto también se utiliza para calcular el
volumen de extracción diaria de la fuente de
abastecimiento, el equipo de bombeo, la
conducción y el tanque de regularización y
almacenamiento.
Este gasto se obtiene como:
Donde:
QmáxD: Gasto máximo diario, l/s.
CVD: Coeficiente de variación diaria,
adimensional.
Qmed: Gasto medio diario, l/s.
4.1.3 Gasto máximo horario (QmáxH)
El gasto máximo horario, es el requerido para
satisfacer las necesidades de la población en el
día de máximo consumo y a la hora de máximo
consumo.
Este gasto se utiliza, para calcular las redes de
distribución, en algunos casos se utiliza también
para líneas de conducción, y se obtiene a partir
de la siguiente expresión:
Donde:
QmáxH: Gasto máximo horario, en l /s.
CVH: Coeficiente de variación horaria.
Qmed: Gasto máximo diario, en l /s.
De acuerdo a los Lineamientos Técnicos de la
CONAGUA, se tienen los siguientes valores
técnicos de los coeficientes de variación:
Coeficiente de variación diaria
CVD = 1.2 a 1.5
26
Coeficiente de variación horaria
CVH= 1.5 a 2.0
Los valores comúnmente usados para proyectos
en la República Mexicana son:
CVD = 1.2
CVH = 1.5
4.1.4 Capacidad de los tanques de regulación
La capacidad de los tanques de regulación queda
definida por las necesidades de consumo de las
localidades por servir.
4.1.5 Coeficiente de regulación
La capacidad del tanque está en función del
gasto máximo diario y la ley de demandas de la
localidad, las que podemos encontrar en el
Cuadro 9, calculándose ya sea por métodos
analíticos o gráficos.
El coeficiente de regulación está en función del
tiempo (número de horas por día) de
alimentación de las fuentes de abastecimiento al
tanque, requiriéndose almacenar el agua en las
horas de baja demanda, para distribuirla en las
de alta demanda.
El procedimiento de cálculo se presenta a
continuación, basándose en un ejemplo del
Cuadro 10:
a) En la primera columna se enlistan las horas
del día desde 0 a 24.
Cuadro 9. Ley de demandas horarias para poblaciones
pequeñas (< 5000 habitantes)
Horas Poblaciones
pequeñas (%) Horas
Poblaciones pequeñas (%)
0 – 1 45 12 – 13 120
1 – 2 45 13 – 14 140
2 – 3 45 14 – 15 140
3 – 4 45 15 – 16 130
4 – 5 45 16 – 17 130
5 – 6 60 17 – 18 120
6 – 7 90 18 – 19 100
7 – 8 135 19 – 20 100
8 – 9 150 20 – 21 90
9 – 10 150 21 – 22 90
10 – 11 150 22 – 23 80
11 – 12 140 23 – 24 60
12 – 13 120
b) En la columna 2 se anota la ley de entrada
(está en función del volumen de agua que se
deposita en los tanques, en la unidad de
tiempo considerada, por él o los diferentes
conductos de entrada), depende del número
de horas al día que le entra agua al tanque;
en este caso son 12 horas; por lo que cada
hora le tendrá que entrar un 200%.
c) En la columna 3 se anota la ley de salida en
forma similar a la anterior (porcentajes de
gastos horarios respecto del gasto medio
horario); solo que esta ley de salidas
depende de la demanda de consumo de
agua, la que a su vez depende del horario,
por ejemplo: se observa que el mayor
consumo se presenta de 8:00 a 11:00am, que
generalmente es el horario en el que la gente
se prepara para el trabajo o la escuela y
además se realizan las actividades
domésticas.
27
d) En la cuarta columna se obtiene la diferencia
algebraica entre la entrada y la salida.
e) Finalmente en la última columna se anotan
las diferencias acumuladas resultantes de la
suma algebraica de las diferencias.
Cuadro 10. Ejemplo de cálculo del volumen de un tanque de regularización.
Horas Suministro Entradas Poblaciones Pequeñas Diferencias Acumuladas
0 – 1 0 45 -45 -45
1 – 2 0 45 -45 -90
2 – 3 0 45 -45 -135
3 – 4 0 45 -45 -180
4 – 5 0 45 -45 -225
5 – 6 0 60 -60 -285
6 – 7 0 90 -90 -375
7 – 8 200 135 65 -310
8 – 9 200 150 50 -260
9 – 10 200 150 50 -210
10 – 11 200 150 50 -160
11 – 12 200 140 60 -100
12 – 13 200 120 80 -20
13 – 14 200 140 60 40
14 – 15 200 140 60 100
15 – 16 200 130 70 170
16 – 17 200 130 70 240
17 – 18 200 120 80 320
18 – 19 200 100 100 420
19 – 20 0 100 -100 320
20 – 21 0 90 -90 230
21 – 22 0 90 -90 140
22 – 23 0 80 -80 60
23 – 24 0 60 -60 0
Total 2400 2400
De los valores de la columna de diferencias
acumuladas, se deduce el máximo porcentaje
excedente y el máximo porcentaje faltante, por
lo que:
| | | |
28
Donde:
R = Es el coeficiente de regulación.
Máx. % Excedente = Es el valor máximo positivo
de las diferencias acumuladas.
Máx. % Faltante = Es el valor máximo negativo
de las diferencias acumuladas.
Continuando con el ejemplo se tiene que el
máximo % excedente es 420% y el máximo
porcentaje faltante es 375%, por lo tanto se
tiene:
4.1.6 Dimensionamiento del tanque de regulación
Para determinar la capacidad del tanque de
regulación se utiliza la siguiente ecuación.
Donde:
C: Capacidad del tanque, m3.
R: Coeficiente de regulación.
QmáxD: Gasto máximo diario, l/s.
3.6: número de segundos en una hora entre
1000 para realizar la conversión de litros a m3.
Siguiendo con el ejemplo anterior y suponiendo
que el QmáxD=2.5l/s, se tiene que la capacidad del
tanque es:
Por lo tanto la capacidad del tanque regulador
será de 70m3.
5. NECESIDADES DE AGUA PARA ESPECIES PECUARIAS
Para el abastecimiento de agua para uso
pecuario, podemos tener dos condiciones: la
primera consiste en estimar el tamaño del hato
ganadero, a abrevar, en función de los
escurrimientos medios que aporta la cuenca. La
otra situación común consiste en conocer el
tamaño del hato y definir el volumen de
amortiguamiento necesario para abastecer
periodos críticos.
5.1. CÁLCULO DEL TAMAÑO DEL HATO
Cuando se busca definir el tamaño del hato
ganadero, en función de los escurrimientos
medios que aporta la cuenca de un bordo de
tierra o jagüey, la cantidad de animales depende
del volumen de escurrimiento medio anual.
El volumen de escurrimiento medio anual que
aporta una cuenca está en función del área de
captación de un bordo o jagüey (Figura 8).
En estos casos, el valor del escurrimiento se
determina con la siguiente expresión:
Donde:
Vm : volumen medio anual escurrido, m3.
29
Ac : área de la cuenca, m2.
Pm : precipitación media anual, m.
Ce = coeficiente de escurrimiento, adimensional.
Figura 8. Vista lateral y de frente del área de captación y
abrevadero.
El coeficiente de escurrimiento (Ce), pondera el
efecto diferencial de las distintas combinaciones
de suelos y vegetación, presentes en una
cuenca.
En México, la CNA ha publicado la Norma Oficial
Mexicana NOM-011-CNA-2000 (Diario Oficial de
la Federación, 2 de agosto del 2001), donde
establece las especificaciones y el método para
determinar la disponibilidad media anual para la
explotación y aprovechamiento de las aguas
nacionales superficiales (Anexo 1). En dicha
norma se muestra el procedimiento autorizado
para calcular el coeficiente de escurrimiento
(Ce), para el cálculo del escurrimiento medio
anual en función del tipo y uso de suelo, y del
volumen de precipitación anual.
El área de la cuenca se podrá obtener de planos
topográficos o por recorrido en campo con GPS.
Cuando un embalse tiene objetivos de satisfacer
las necesidades pecuarias y necesitamos conocer
el número de animales que puede abrevar, el
volumen almacenado, en el Cuadro 11 podemos
consultar un estimado de la demanda diaria de
consumo de agua para cada cabeza de las
principales especies domésticas.
Cuadro 11. Demanda diaria de agua para las principales
especies domésticas.
ESPECIE CONSUMO (l/día)
Vacas adultas secas 57
Vacas adultas productoras 90-130
Lechones de 1 kg 0.5
Cerdos en crecimiento de 13.6kg 2.6
Cerdos última etapa de crecimiento (54.5kg)
6.8
Cerdos en finalización de crecimiento, 100kg.
8-12
Ovinos en crecimiento 3
Ovinos a 1 mes de gestación 3
Ovinos a 2 meses de gestación 4.2
Ovinos 3 meses de gestación 4.5
Ovinos a 4 meses de gestación 5.4
Ovinos a 5 meses de gestación 6.6
Cabras productoras de carne 4.2
Cabras productoras de leche 11.2
Conejas a 8 semanas de parto 4.5
Conejos 8 semanas de edad 0.5
Conejos machos adultos 0.5
Conejas preñadas 0.5
Pollos de 0.4 kg 0.6
Pollos de 1.3 kg 1.6
Gallinas de 1.3 kg 3.3
Gallinas de 2.2 kg 5.5
Gallinas de 4 kg 10
30
Cuadro 11. Demanda diaria de agua para las principales
especies domésticas (Continuación).
ESPECIE CONSUMO (l/día)
Pavos de 1 semana de edad 0.34
Pavos de 10 semanas de edad 4-5
Pavos de 20 semanas de edad 6-8
Fuente: Versión sintetizada de Anaya et al, 1998.
El técnico interesado puede obtener sus propios
valores por medición directa, para lo cual
deberá garantizar la disponibilidad total de agua
a un número de cabezas que servirán como
testigo durante 3 a 5 días y monitorear de
manera cuantitativa los consumos medios.
Como ejemplo, se tienen los siguientes datos:
Ac = 25ha = 250,000m2.
Pm= 700mm = 0.7m.
Se considera un área de pastizal de más del 75%
de suelo cubierto de pastoreo, con un tipo de
suelo medianamente permeable, por lo tanto:
Ce=0.045
Sustituyendo los valores anteriores en la
ecuación 45 se tiene:
Por lo tanto, el volumen de escurrimiento es de
7874.87m3. Este valor correspondería a la
precipitación media anual (probabilidad del
50%), pero si se requiriera incrementar la certeza
de disponibilidad de agua sería necesario
analizar la precipitación anual para
probabilidades de ocurrencia mayores.
Para vacas adultas con consumo diario de 100
litros diarios de agua (0.1 m3/día) tenemos que
anualmente se necesitaría (con una eficiencia del
70%) un volumen por unidad animal de (Vu).
Vu = (0.1 m3/día) (365dias)/ 0.70= 52.4
m3/cabeza
Note que la eficiencia indicada puede variar en
función de las pérdidas por evaporación,
infiltración y manejo del agua.
El número total de animales (Na) capaz de
abrevar; la obra de almacenamiento sería:
Na = 7874.87/52.4 = 150 cabezas
5.2. CÁLCULO DEL VOLUMEN DE
AMORTIGUAMIENTO NECESARIO
Cuando se conoce el tamaño del hato ganadero,
según los índices de carga animal del potrero, se
hace necesario calcular volumen de una
estructura de almacenamiento para su
regulación. Ese volumen de amortiguamiento
estará en función de las demandas del hato
animal y 1) del escurrimiento superficial que
aporte una cuenca, o 2) por las aportaciones de
escurrimientos subsuperficiales derivados a
través de líneas de conducción a caudal
constante.
5.2.1 Aportaciones de escurrimientos superficiales
Para caso de aprovechamiento de aguas broncas
almacenadas en bordos de tierra o jagüeyes,
generalmente, estos últimos a través de canales
31
de alimentación (Figura 9); el volumen de
regulación se determina mediante un balance de
entradas y demandas, de modo tal que se cubran
las necesidades de abrevadero en los meses
críticos.
Ejemplo:
Para el balance hídrico mensual, en este caso el
consumo de agua por cabeza, considerando
vacas lecheras productoras con un consumo
mínimo diario por cabeza de 80 l/día y
suponiendo un 10% de pérdida de agua, este
consumo se elevaría a 88 l/día.
Para obtener el volumen de diseño del jagüey u
olla de agua para abrevadero, se realiza un
balance hídrico en el que las entradas son
representadas por la precipitación mensual y las
salidas por el consumo mensual del animal
(Cuadro 12).
Cuadro 12. Balance Hídrico para obtención del volumen de diseño.
Mes Precipitación mensual
(mm) Precipitación mensual
(m) Consumo mensual
(m3) Volumen llovido
(m3) Balance mensual
Volumen Almacenado (m3)
Mayo 70 0.07 2.73 3.21 0.48 0.48
Junio 90 0.09 2.64 4.12 1.48 1.96
Julio 130 0.13 2.73 5.96 3.23 5.19
Agosto 150 0.15 2.73 6.87 4.15 9.34
Septiembre 90 0.09 2.64 4.12 1.48 10.82
Octubre 70 0.07 2.73 3.21 0.48 11.30
Noviembre 20 0.02 2.64 0.92 -1.72 9.58
Diciembre 10 0.01 2.73 0.46 -2.27 7.31
Enero 25 0.03 2.73 1.15 -1.58 5.72
Febrero 15 0.02 2.64 0.69 -1.95 3.77
Marzo 10 0.01 2.73 0.46 -2.27 1.50
Abril 20 0.02 2.64 0.92 -1.72 -0.22
Total 700 0.70
32.07
Del cuadro anterior se obtiene que el volumen
de diseño del embalse por animal, en este caso
sería de 11.3m3/vaca.
32
Figura 9. Bordo en cauce (A) y jagüey en ladera con
canales de llamada (B).
5.2.2 Aportaciones de escurrimientos subsuperficiales
Este tipo de aportaciones reguladas se presenta
en cajas de agua (manantiales), presas
derivadoras, galerías filtrantes o presas
subálveas que aportan caudales relativamente
constantes y son derivados a través de líneas de
conducción (tuberías).
Estas líneas de conducción pueden estar
alimentando ollas de agua (Figura 10) o tanques
de amortiguamiento. Estos tanques pueden estar
ubicados en algún sitio con topografía más
elevada o anexo al bebedero (Figura 11).
Figura 10. Olla de agua para uso pecuario.
Figura 11. Bebedero pecuario con tanque de regulación
integrado.
En estos casos, para que tenga sentido la
construcción de una estructura de regulación, el
gasto de la fuente de alimentación deberá ser
inferior al caudal demandado por el ganado en
periodos críticos, o, en su caso, sujeto a tandeos.
33
En estos casos, el volumen de amortiguamiento
se determina siguiendo el procedimiento
descrito en el punto 4.1.4 del presente
Instructivo, únicamente sustituyendo las
demandas. El diseño estructural y
especificaciones de construcción se pueden
obtener de la ficha técnica de tanques de
almacenamiento y regulación a base de concreto
armado.
6. BIBLIOGRAFIA
Aguilera. C. M. y Martínez E. R. 1996. “Relaciones
Agua Suelo Planta Atmosfera". Comité editorial
del departamento de Irrigación. Universidad
Autónoma Chapingo, México.
Anaya G, Manuel, 1980, Agua de Lluvia para Uso
Doméstico en América Latina y el Caribe. Agencia
de Cooperación IICA México.
CNA. 2007. “Manual de agua potable
alcantarillado y saneamiento: Diseño,
construcción y operación de tanques de
regulación para abastecimiento de agua
potable”.
Dal-Ré Tenreiro. 2003. “Pequeños embalses de
uso agrícola”. Ed. Mundi-Prensa. España
FAO, 1977, Boletin FAO 56 Riego y Drenaje
“Evapotranspiración del Cultivo”.
Martínez E.R. 1991 “Riego Localizado, Diseño y
Evaluación” Comité editorial del departamento
de Irrigación. Universidad Autónoma Chapingo,
México.
UACh. 2004. “X Curso Internacional de Sistemas
de Riego. Vol. I. Departamento de Irrigación”.
Carretera México-Texcoco Km 38.5
Valdez, E. César. 1990, “Abastecimiento de Agua
Potable”, Universidad Nacional Autónoma de
México, Facultad de Ingeniería, México D.F.
ELABORARON:
Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso Dr. Mario R. Martínez Menes M.C. Carlos Arturo Tavarez Espinosa Ing. Ricardo Castillo Vega Ing. Rodiberto Salas Martínez
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