Prólogo

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