El riego por gravedad
consiste en el aporte de agua en la cabecera de una parcela, para que el agua
escurra a través de un cauce o canal inclinado, como una melga o un surco, en
la dirección de la pendiente de modo de aprovechar el campo gravitacional para
proporcionar agua, a través del proceso de infiltración, a las raíces de las
plantas cultivadas para su desarrollo óptimo.
Durante el movimiento del
agua en el cauce se presenta un escurrimiento superficial, el cual genera un
escurrimiento subsuperficial o de infiltración del agua en el suelo. El estudio
de estos dos escurrimientos bajo los principios de la mecánica racional es el objetivo
de este libro sobre Riego por Gravedad,
con la finalidad de diseñar el riego por gravedad de modo de proveer agua a las
plantas de manera uniforme a todo lo largo del cauce, con alta eficiencia, y de
manera óptima desde un punto de vista agronómico.
El escurrimiento superficial
se estudia mediante la aplicación de los principios de la conservación de la
masa y de la cantidad de movimiento en un cauce con agua poco profunda,
conocida como aproximación hidráulica, y que conduce al establecimiento de las
ecuaciones de Barré de Saint-Venant, formadas por una ecuación de continuidad y
una ecuación dinámica. El escurrimiento subsuperficial o infiltración se
estudia con el principio de conservación de la masa, que conduce a una ecuación
de continuidad y como ecuación dinámica se utiliza la ley de Darcy generalizada
a los suelos parcialmente saturados. La combinación de las dos ecuaciones
permite establecer la ecuación de transferencia de agua en el suelo con
variable dependiente la presión de la misma, conocida como ecuación de
Richards, o con variable dependiente el contenido de humedad, la cual
corresponde a una ecuación de Fokker-Planck altamente no lineal.
Las ecuaciones de Barré de
Saint-Venant y de Richards se establecen en el primer capítulo Hidráulica del Riego por Gravedad. En
este capítulo se estudia la ley en potencia de resistencia al flujo de agua,
que es compatible con la singularidad presente en el sistema de ecuaciones en
tiempos cortos y se discute igualmente la naturaleza fractal de la misma. Se
exponen algunas características y soluciones analíticas simplificadas del
problema conocido como de avance-infiltración.
En el segundo capítulo se
estudian Las Características
Hidrodinámicas de los Suelos formadas por la curva de retención de humedad
y la curva de conductividad hidráulica, las cuales intervienen en la ley de
Darcy y la ecuación de Richards, relacionando la primera el contenido de
humedad y la presión del agua, cuya derivada es la capacidad específica, y la
segunda la conductividad hidráulica con la presión del agua o el contenido de
humedad. A través de conceptos de la geometría fractal, de la ley capilar de
Laplace-Jurin-Young y de la porosidad, la curva de retención de humedad se relaciona
con la curva granulométrica, es decir con la curva de distribución del peso de
las partículas por tamaño, para estimar de una manera sencilla algunas de sus
propiedades. La curva de conductividad hidráulica se modela con conceptos
fractales y probabilísticos, teniendo como base la emergencia de la ley de
Darcy de un colectivo de capilares, a partir de la ecuación de Poiseuille del
flujo del agua en poros capilares individuales; la curva se estima a partir de
la distribución del tamaño de los poros o de la curva de retención de humedad.
Las características
fundamentales del escurrimiento subsuperficial se estudian en el tercer
capítulo Teoría de la Infiltración.
Se introduce el concepto de difusividad hidráulica, que es igual a la razón de
la conductividad hidráulica y la capacidad específica, ambas como funciones del
contenido de humedad, para deducir soluciones analíticas a partir de la versión
Fokker-Planck de la ecuación de transferencia de agua en el suelo. Para
condiciones inicial y de frontera simplificadas, pero de interés práctico, se
deducen la solución de Parlange y colaboradores, que contiene como casos
particulares la solución de Green y Ampt y la solución de Talsma y Parlange, y
la solución de Fuentes y colaboradores, que contiene la solución lineal clásica
y la solución de Knigth. Se plantea una posible línea de investigación para
encontrar la solución analítica general que contenga como casos particulares
las soluciones precedentes.
Con la finalidad de describir
el fenómeno de la infiltración bajo una presión inicial, no necesariamente
uniforme y variable en el tiempo en la superficie del suelo, como ocurre en el
riego por gravedad, y en suelos heterogéneos, en el cuarto capítulo se presenta
La Solución Numérica de la Ecuación de
Infiltración en la forma de Richards, utilizando métodos de diferencias
finitas y de elemento finito. A manera de ilustración, se realiza una
simulación del proceso de infiltración en un evento de riego, en un suelo de
Montecillo, Estado de México. Enseguida, se realiza la simulación de la
redistribución del agua, debida a la evaporación en la superficie del suelo, la
transpiración en el perfil del mismo y la percolación en la base de la columna
de control.
En el quinto capítulo Variabilidad Espacial de los Suelos y el
Riego, se estudia el efecto de la heterogeneidad de los suelos, en el
escurrimiento del agua en el riego por gravedad. La variabilidad espacial se
analiza a través de los factores de escala de la teoría de los medios similares
de Miller y Miller, obtenidos con el escalamiento de la conductividad
hidráulica a saturación. Se muestra bajo qué condiciones en el riego por
gravedad, un suelo heterogéneo puede ser representado por un suelo homogéneo
sin que sus características hidrodinámicas equivalentes dependan del gasto de
riego.
En el sexto capítulo sobre Modelación del Riego por Gravedad con las
Ecuaciones de Barré de Saint-Venant y
Richards se resuelven numéricamente de manera acoplada las ecuaciones del
escurrimiento superficial y del subsuperficial. En las primeras se utiliza un
esquema euleriano-lagrangiano y en la segunda un método de elemento finito para
simular las fases del riego por gravedad. Se deduce que el caudal o gasto
óptimo que maximiza el coeficiente de uniformidad de Christiansen es
proporcional a la longitud de riego, es decir que se obtiene mediante un factor
multiplicativo del caudal mínimo que permite que la onda de avance alcance el
extremo final del cauce. Este factor depende de la lámina neta de riego y de
dos parámetros del suelo, la sorbilidad y la conductividad hidráulica a
saturación; el primero representa las fuerzas capilares y el segundo las
fuerzas gravitacionales; esta dependencia se modelada con la ecuación de
infiltración de Parlange y colaboradores.
Finalmente, en el séptimo
capítulo consagrado al Diseño del Riego
por Gravedad, se establecen los procedimientos para realizar un diseño
óptimo del riego. En una primera parte, la ecuación de Richards se reemplaza
por la ecuación de Green y Ampt lo cual permite disminuir el tiempo de cálculo
con el sistema de ecuaciones de Barré de Saint-Venant y de Green y Ampt, para
simular las fases del riego, y se relaciona el gasto óptimo de riego con la
longitud del cauce, la lámina de riego, la sorbilidad y la conductividad hidráulica
a saturación, a través de la ecuación de infiltración. En una segunda parte,
las ecuaciones de Barré de Saint-Venant se reemplazan por el modelo hidrológico
de Lewis y Milne, lo cual permite disminuir aún más el tiempo de cálculo con el
sistema de ecuaciones de Lewis y Milne y Green y Ampt. El diseño del riego por
gravedad por melgas y surcos se ilustra en una parcela del distrito de riego
076 Valle del Carrizo, Sinaloa, México.
La sucinta descripción del
contenido de esta obra, evidencia en mi opinión la valiosa aportación de los
autores, quienes sin escatimar rigor científico en sus disertaciones, abordan
de manera clara y sencilla los fundamentos e implicaciones prácticas del Riego
por Gravedad.
Mi reconocimiento también a
los editores, quienes eligieron y estructuraron el contenido de esta obra, que
sin duda será un clásico en la ingeniería del riego por gravedad, que
contribuirá al aprovechamiento racional del agua en agricultura de riego.
M. en C. Francisco Raúl
Hernández Saucedo
DIRECTOR DEL DEPARTAMENTO DE IRRIGACIÓN
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA CHAPINGO
MÉXICO
