En la agricultura cubana el drenaje agrícola es un factor de vital importancia en el desarrollo agrícola, siendo olvidado en muchos casos, debido a su alto costo de ejecución. Existen diferentes tecnologías de drenaje agrícola cada una de ellas se adapta al problema específico que se presenta en cada sitio y siempre depende de la fuente de exceso de humedad (Becerra, 1999; Salgado, 2000; Van der Molen et al., 2007; Castillo, 2011). En Cuba, la mayor parte de los problemas de mal drenaje se deben a la combinación de lluvias en exceso, superficies con poca pendiente y suelos de baja infiltración, (Herrera et al., 2011), citado por (Sosa et al. 2012), por lo que en condiciones como estas se impone el uso del drenaje superficial.
A pesar de que las gramíneas pratense y forrajeras muestran una relativamente alta resistencia al exceso de humedad en el suelo, su rendimiento puede deprimirse hasta un 25% luego de tres días de inundación (Herrera et al., 2016); este efecto varía con la especie y la época del año y es más notable en especies como el King Grass y en la época del año donde las temperaturas son más altas, la cual coincide también con la de mayores lluvias en todo el territorio nacional.
Para la realización de una obra de drenaje bien concebida se requiere de tres pasos, el diseño agronómico, el diseño hidrológico y el diseño hidráulico (Pizarro, 1978; Rojas, 1991; Salgado, 2000). El diseño agronómico depende de la resistencia de los cultivos al exceso de humedad, lo cual ha sido estudiado en Cuba por diversos investigadores y resumido por (Herrera et al., 2016), el diseño hidráulico, una vez conocida la cantidad de agua a evacuar, consiste en resolver la dimensión de los canales y su ubicación en el terreno, lo cual no es una tarea difícil. Si se conocen las respuestas del cultivo al exceso de humedad, como es el caso de Cuba (NC 53-138-1985 (1986 ); (Vigoa 2000); (Herrera et al,. 2016), el diseño hidrológico, es tal vez la parte más trabajosa ya que se requiere conocer el escurrimiento que provoca la lluvia caída, principalmente las lluvias extremas. La magnitud de estos eventos está relacionada inversamente con la frecuencia en que ocurren, es decir eventos muy severos ocurren con menor frecuencia que los eventos hidrológicos moderados (Pizarro, 1978; Salgado, 2000; Rivano, 2004; Sosa et al., 2012).
No obstante lo anterior los beneficios del drenaje no siempre son reconocidos y por ello a menudo es necesario la demostración práctica de los mismos. Con este propósito el Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola (IAgric) de conjunto con la Empresa Pecuaria Genética ¨Niña Bonita¨, se dio a la tarea de diseñar a nivel de proyecto el sistema de drenaje superficial en el área forrajera de Chirigota de la Empresa Pecuaria Genética ¨Niña Bonita¨.
El trabajo se realizó en el área de Chirigota del municipio Bauta, perteneciente a la provincia de Artemisa para un lote forrajero de 200 ha.
Es común que no se encuentren registros confiables de escurrimientos en el sitio de interés, para determinar los parámetros necesarios del diseño de sistema de drenaje superficial y subterráneo. Por ello, es conveniente contar con métodos que permitan determinar el escurrimiento en áreas cultivadas, conociendo la topografía, uso de suelo y la precipitación (López, 1995; Becerra, 1999; Gaspari et al., 2007; Ayres, 2015).
Para el cálculo del módulo de drenaje se utilizaron las recomendaciones de la Norma Cubana “Modulo de drenaje agrícola” NC 53-138-1985 (1986) y (Herrera et al., 2016), quienes coinciden al afirmar que 3 días en un valor umbral adecuado de comienzo de las afectaciones al rendimiento de estos cultivos en las condiciones cubanas.
La tabla 1, muestra las características de operación del pluviómetro seleccionado, el cual está instalado desde 1970.
| Nombre | N-control | Código | Norte | Este | Altitud (m) | Año de inicio | Año de cierre |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Embalse Niña Bonita | 336 | Plu020336 | 358,2 | 346,6 | 25 | 1970 | -- |
Del total de años de lluvias, fue analizada la serie diaria correspondiente al período 1974 al 2014, y con ellas se calculó el escurrimiento superficial utilizando para ello el método de la Curva Número (SCS, U.S., 1973).
El Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos (INRH), tiene instalada en la zona de estudio una red pluviométrica de la cual se obtuvieron los datos de las precipitaciones diarias existentes en el área de estudio. Después de seleccionar la estación pluviométrica se procedió a realizar la depuración de la serie de lluvias diarias en busca de datos erróneos, datos faltantes, mediciones alteradas y presencia de lluvias puntuales debido a eventos extremos. Por otra parte se localizaron los datos de lluvia con láminas menores que cinco (5) mm, pues se considera que para lluvias de esta característica no se genera escurrimiento. Excluyendo estas lluvias se obtuvo una nueva serie a la cual se le determinó la media anual para compararla con la media anual de la serie original a fin de estimar el margen de error con el que trabajaría.
El pluviómetro seleccionado cuenta con una serie de 47 años, de la que solo se trabajó con los últimos 20 años. Con el período analizado se creó una serie con la precipitación diaria de todos los meses y se determinó la lluvia mensual (de 1994-2014).Luego con esta lluvia se analizó cuál sería para cada año el mes de mayor precipitación.
Seguidamente se elaboró una nueva tabla con las lluvias diarias de cada mes de mayor precipitación por año, y a partir de ahí se obtienen los valores máximos de 1, 2, 3, 4 y 5 días consecutivos (Tabla 3)
Para realizar el análisis de frecuencia de lluvias máximas de uno (1), dos (2), tres (3), cuatro (4) y cinco (5) días consecutivos de lluvias para un periodo de retorno de cinco (5) años y generar gráficos de (ADF) se utilizó la distribución de Gumbel empleando el método analítico (Kessler y Road, 1978).
Para estimar el escurrimiento máximo por evento se empleó el método de la Curva Número (SCS, U.S., 1973) el cual utiliza la precipitación máxima de diseño y el máximo potencial de retención del agua del suelo. Los pasos seguidos en la aplicación del método fueron como sigue:
Paso 1: Agrupación hidrológica de los suelos y humedad antecedente. El método cuenta con cuatro grupos de acuerdo a las características texturales del suelo y sus características hidrológicas para producir escurrimiento. Para la clasificación hidrológica del suelo existente en el área se tomaron los valores propuestos para los suelos cubanos por (López et al., 1998), en el cual el suelo del área clasifica dentro del grupo hidrológico D. El cálculo se realizó para la condiciones de humedad tipo III (húmeda), teniendo en cuenta el análisis de los datos de precipitación.
Paso 2: Condiciones hidrológicas del área de drenaje. Se determinó la condición hidrológica del área de drenaje de acuerdo a la vegetación y densidad de la cobertura del cultivo. En la Tabla 3 y 4, Anexo 4 se muestran las clasificaciones dadas por el SCS.
Paso 3: Número de la Curva. A partir de las condiciones establecidas en los tres pasos anteriores se obtuvo el valor de la Curva Numérica (CN) mediante la tabla 5, Anexo 4, usada por (SCS, U.S., 1973), para estimar el escurrimiento de acuerdo al uso del suelo, práctica agrícola, condición hidrológica del área de drenaje y condición hidrológica del suelo (para condición de humedad II, e Ia = 0.2S), se obtuvo el valor de la Curva Núméro (CN) para la condición de humedad antecedente húmeda (tipo III).
Paso 4: Determinación de la infiltración potencial. La infiltración potencial se determinó a partir de la ecuación 1 propuesta por el SCS, que depende del Número de la Curva determinado en el paso anterior.
Paso 5: Determinación del escurrimiento máximo. A partir de la infiltración potencial y el evento de precipitación potencial máximo para un período de retorno de 5 años (que es el utilizado en los diseños agrícolas) se determinó el escurrimiento máximo a partir de la ecuación 2
En el cálculo del caudal de diseño utilizando el valor de escurrimiento máximo probable calculado a través del método de la CN, se asume que a medida que el área de la cuenca de drenaje aumenta, el caudal producido, por unidad de área, disminuye por efecto del almacenamiento, pérdidas en la red colectora y el tiempo de concentración y por ello se propone la ecuación 3 (SCS, U.S., 1973), que permite obtener el caudal de diseño para la superficie considerada.
Para evaluar el posible beneficio del drenaje en cuanto al incremento del rendimiento, fueron utilizados los resultados obtenidos en la zona en experimentos de riego por (Herrera et al., 1985) y sobre el efecto del exceso de humedad en las gramíneas forrajeras en otras zonas del país de similar clima y suelo (Herrera et al., 2016).
Las observaciones realizadas en perfiles de suelo en el área muestran un horizonte superficial bien estructurado, influenciado por el sistema radicular del forraje y el horizonte subsiguiente, a los 20 cm. compacto con moteado rojo amarillento que indica el estancamiento del agua de lluvia (Figura 1), Según Herrera (2008), citado por (Sosa et al. 2012), un horizonte subyacente con 10% menos de permeabilidad es índice de probable estancamiento del agua, lo cual en nuestro caso está indicado por la aparición de moteados rojo amarillentos que indican condiciones de reducción del hierro en determinadas épocas del año por la falta de oxígeno que impone el exceso de humedad.
Balance lluvias evapotranspiración de referencia (Eto)
La Figura 2 muestra la relación entre las lluvias mensuales y la evapotranspiración de referencia (Eto) calculada por el método de Penman-Monteiht (Allen et al., 2006), en la misma es posible observar el exceso de lluvias sobre la Etp en los meses de julio hasta octubre, lo que indica la necesidad de drenaje y también el déficit en la época de seca que muestra la demanda de riego.
El cálculo de la lluvia mensual para determinar cuál sería el mes de máxima precipitación para cada año, arrojó como resultado que el mes de mayor precipitación promedio fue septiembre (Figura 3), mes que también mostro el menor coeficiente de variación de las lluvias entre años. Al observar la (Figura 4) se puede notar que este mes se encuentra dentro del periodo de máxima demanda de drenaje, lo cual también justifica su selección para el cálculo de la necesidad de drenaje.
Al someter esta selección al test de Smirnov-Kolmogorov para conocer la bondad de ajuste de la probabilidad de Gumbel, se obtuvo que para un periodo de 20 años que la diferencia máxima obtenida con las distribuciones teóricas y empíricas fue de Δpmax = 0,07526252, mientras que Δc, con N =20 y α= 0,05 fue de 0,29., por lo tanto se cumple que Δpmax ˂ Δcy es posible aceptar el ajuste.
De la Figura 5 fue seleccionado el período de retorno de las lluvias de cinco (5) años y duración de tres (3) días. El periodo de retorno seleccionado y el número de días con lluvias determinan en gran medida la magnitud del módulo de drenaje y la capacidad de agua necesaria a evacuar. Según (Vigoa 2000), la selección del periodo de retorno está ligada a un análisis económico-social, y para el caso del drenaje agrícola, la selección del periodo de retorno depende de la importancia económica del cultivo y varía en periodos de dos a 20 años. Por su parte (Van der Molen et al. 2007), indicaron que para el drenaje agrícola debe considerarse un periodo de retorno de dos a 10 años, donde se considera dos a cinco años para el drenaje de campo e incluso 10 años para sistemas de cultivo con alto costo y cinco años para el sistema principal siempre y cuando el mismo no afecte lugares habitados. Al seleccionar un periodo de retorno de 5 años y una lluvia acumulada de tres días el valor de la lluvia de diseño seleccionada fue de 176,11 mm.
Utilizando el procedimiento descrito se calculó el escurrimiento según el método de la curva número, el cual arrojo un escurrimiento de 160,9 mm para el período de retorno considerado. El método de la curva número es ampliamente aplicado y (Van der Molen et al. 2007), para áreas menores de 800 ha.
En Cuba, no hay definido un método para el cálculo del escurrimiento y según (López et al., 1998), el más usado es el método racional, sin que haya referencias previas de la validación de este método. Este mismo autor (López et al., 1998), basado en los estudios de infiltración de los suelos cubanos preparó una clasificación hidrológica de dichos suelos para su uso en la CN, lo cual salva uno de los inconvenientes más señalados al emplear este método en regiones con suelos diferentes a los descritos en la metodología propuesta por el (SCS 1973). Por otra parte (Vigoa 2000), plantea que cuando se utiliza la Fórmula Racional, es de vital importancia evaluar con la mayor precisión posible el coeficiente de escurrimiento (C), y demuestra mediante estudios realizados en distintos países que el mismo no es constante para las mismas condiciones de suelo, topografía y vegetación, ya que varía con la magnitud de la lluvia (aumentando en la medida que lo hace ésta); debido a esto expresa la ventaja que posee el Método de la Curva Número ante el Método Racional, al considerar dicha variación. (Coras et al., 2006), compararon cinco métodos para el cálculo del escurrimiento superficial con vistas a determinar los módulos de drenaje de cinco cultivos y concluyeron que el método de la curva número fue adecuado para diseñar las secciones hidráulicas por considerar aspectos agronómicos, edáficos e hidrológicos del área de estudio, en lo que coincide (Suárez, 2016), quien utilizó este método para calcular el escurrimiento y definir el módulo de drenaje en un área hortícola sobre suelos Ferralíticos Cuarcíticos en la región occidental de Cuba. (Gaspari et al, 2007), concluyen en que la gran aceptación del método radica en su simplicidad y en la facilidad de su uso en cuencas con un mínimo de información hidrológica.
Utilizando la ecuación (1) y un tiempo de drenaje de 72 horas (3 días) y el escurrimiento antes señalado, se obtuvo un coeficiente de drenaje de 5,96 L/s ha. Dado la superficie total a drenar, mayor de 50 ha, se utilizó la ecuación (1), en la cual el área es afectada por una potencia 5/6 (0,83), que recoge el efecto de pequeñas depresiones y otros sitios de almacenamiento del agua antes de llegar al dren. Al utilizar esta ecuación para el área señalada se obtuvo un caudal de diseño tal que demandaría una capacidad en el canal colector de 0.45 m3x seg-1. La tabla 1 muestra los diferentes valores obtenidos en la secuencia de cálculo del caudal de diseño al emplear la CN.
| Parámetro | Valor | Observaciones |
|---|---|---|
| Lluvia máxima de diseño | 176,11 | Acumulado de 3 días y periodo de retorno de 5 años |
| Clase hidrológica de suelos | D | Según (López et al., 1998) |
| CN clase II | 78 | (SCS, U.S. 1973) |
| CN clase III | 91 | (SCS, U.S. 1973) |
| S (infiltración potencial) | 13,4 | mm |
| Escurrimiento Potencial | 160,9 | mm |
| Tiempo de drenaje | 72 | horas |
| Coeficiente de drenaje | 5,96 | L/seg/ha |
| Caudal de diseño | 484 | L/seg |
Las observaciones realizadas en el área de estudio indicaron que no existen problemas de drenaje ocasionados por el ascenso del manto freático, sino que los problemas de sobre humedecimiento del suelo son causados por la existencia de un horizonte casi superficial compacto en el suelo que impide la percolación rápida de la lluvia asociado a una pendiente muy suave e intensas lluvias en el período húmedo (mayo-octubre). Esta situación señala la necesidad de diseñar y construir en el área un sistema de drenaje superficial capaz de evacuar los excesos de lluvia y con ello lograr un posible incremento en la producción de forraje.
La Figura 6, muestra un esquema en planta del área estudiada donde se muestra la posible disposición de los drenes para uno de las áreas.
Como puede observarse, el mismo consta de una red interna de canales cuaternarios con taludes suficientemente amplios para permitir el paso fácil de la maquinaria de corte con capacidad de evacuación y secciones transversales como las mostradas en la Figura 7. Estos canales estarían conectados a una red de canales terciarios, que serían los encargados de llevar el agua desde el campo al resto del sistema. La Tabla 2 muestra las características hidráulicas de estos canales.
Las secciones transversales de estos canales se muestran en la Figura 8 y las características hidráulicas de los mismos en la Tabla 2.
Acorde con los resultados de (Herrera et al., 1985) y (Herrera et al., 2016), quienes encontraron un potencial de producción en primavera para el King Grass de 69 ton MV/ha y asumiendo 40 días de sobre humedecimiento del suelo en el año, (incluyendo el tiempo en que la maquinaria no puede entrar a cortar), existe un riesgo de perder en 1 de cada 4 años el total de la producción de primavera si no se cuenta con un adecuado sistema de drenaje.
La mejor inversión para disponer de una fuente segura de alimento seria contar en el área con un adecuado sistema de riego y de drenaje; esto permitiría, como indica muestra la Figura 8, obtener un potencial de alimento de 110 t/ha de MV, la inclusión del riego solamente, sin un adecuado sistema de drenaje solo permitiría obtener un 69% del potencial anterior, mientras que si se construye un sistema de drenaje, aun cuando no se realice la inversión de riego, la producción anual seria de 90,5 t MV/ha, o sea el 79% del potencial y un 10% mayor que lo que se obtendría con solo la inversión en riego.
Los elementos anteriores indican la necesidad de un adecuado estudio de los costos de las inversiones para la recuperación del sistema soterrado de riego existente en la zona.
El método de la Curva Número permitió determinar que el escurrimiento máximo superficial a evacuar para el forraje (King Grass) fue de 176,11 mm para una lluvia máxima de tres (3) días con un periodo de retorno de cinco (5) años.
Utilizando un tiempo de drenaje de 72 horas (3 días) y el escurrimiento antes señalado, se obtuvo un coeficiente de drenaje de 5,96 L/s ha.
En todos los casos, los canales de drenaje han sido calculados para sobrepasar el gasto a evacuar en un 27%, lo cual garantizaría su funcionamiento en buenas condiciones sin mantenimiento en al menos 2 años.
La construcción de este sistema de drenaje, aun sin inversiones en riego permitiría alcanzar el 79% del potencial anual de este cultivo en la zona.