Draft state of the art

The FAO Penman-Monteith method according to Allen et al. (2006)ALLEN, R.G.; PEREIRA, L.S.; RAES, D.; SMITH, M.: Evapotranspiración del cultivo: guías para la determinación de los requerimientos de agua de los cultivos, Ed. Food & Agriculture Org., vol. 56, Roma. Italy, 298 p., 2006, ISBN: 92-5-304219-2., represented an advance in the rigour of the procedures for estimating crop water requirements and is currently the most widely used by specialists in irrigation projects of the country's Agricultural Projects Companies (ENPA). Same authors have recently published some modifications that improve the rigour of this method and provide more accurate results (Allen & Pereira, 2009ALLEN, R.G.; PEREIRA, L.S.: “Estimating crop coefficients from fraction of ground cover and height”, Irrigation Science, 28: 17-34, Publisher: Springer, 2009, ISSN: 0342-7188.).

When localised irrigation systems are designed, they are inherently high frequency and can guarantee the crop a water potential in the soil consistent with its maximum consumption, without causing a significant increase in operating costs and initial investment, nor deterioration of the soil structure or damage to the crop (Pizarro, 1996aPIZARRO, C.F.: Sistemas de riego localizado de alta frecuencia (Goteo, Micro aspersión y Exudación), Ed. Mundiprensa, 2da ed., Madrid, España, 1996a, ISBN: 84-7114-610-X. & 1996bPIZARRO, F.: Riegos Localizados de alta Frecuencia (RLAF): goteo, microaspersión, exudación. rev. ampl, Ed. Mundi Prensa, 3ra. ed., Madrid, España, 513 p., 1996b, ISBN: 84-7114-610-X.).

In agronomic design practice, the use of the reference evapotranspiration for the 10 - 20% probability of exceedance (ETo,_P), based on monthly mean values measured at weather stations over 30 years or more, has become widespread. This value corresponds to the 90 - 80% probability rainfalls, which would cover the maximum crop demands 90 - 80% of the years. This practice is consistent with Jensen & Allen (2016)JENSEN, M.E.; ALLEN, R.G.: Evaporation, evapotranspiration and irrigation water requirements, Inst. American Society of Civil Engeneering, Reston, Virginia, USA, 2016., where it is proposed to use values of 10 - 20% probability of exceedance for high-demand crops. However, designers in Cuba use the unconvinced practice of using an ET_O value for each province, without considering local climatic conditions.

Authors cited by Pizarro (1996aPIZARRO, C.F.: Sistemas de riego localizado de alta frecuencia (Goteo, Micro aspersión y Exudación), Ed. Mundiprensa, 2da ed., Madrid, España, 1996a, ISBN: 84-7114-610-X. & 1996b)PIZARRO, F.: Riegos Localizados de alta Frecuencia (RLAF): goteo, microaspersión, exudación. rev. ampl, Ed. Mundi Prensa, 3ra. ed., Madrid, España, 513 p., 1996b, ISBN: 84-7114-610-X., suggest that when statistical processing is not possible, it is appropriate to consider a K_VC coefficient of climatic variability 1.15 ≤ K_VC ≤ 1.20, to take into account the fact that the estimated evapotranspiration values correspond to values already measured and not to the maximum expected during the vegetative cycle, making it necessary to increase crop water to correct the deficit periods.

According to Pizarro (1996aPIZARRO, C.F.: Sistemas de riego localizado de alta frecuencia (Goteo, Micro aspersión y Exudación), Ed. Mundiprensa, 2da ed., Madrid, España, 1996a, ISBN: 84-7114-610-X. & 1996b)PIZARRO, F.: Riegos Localizados de alta Frecuencia (RLAF): goteo, microaspersión, exudación. rev. ampl, Ed. Mundi Prensa, 3ra. ed., Madrid, España, 513 p., 1996b, ISBN: 84-7114-610-X. the calculation of crop evapotranspiration ET_C does not present great differences with respect to other techniques. This is calculated by multiplying the crop coefficient K_C and the value of ET_O to the design probability, the resulting product is corrected by a coefficient due to the location of irrigation K_L, thus obtaining the evapotranspiration for Localised Irrigation ET_Crl.

The K_L coefficient has been determined by numerous procedures, which base their calculation on the fraction of the area shaded by the vegetation cover with respect to the total area, at noon on the summer solstice. In practice, four procedures are recognised and it is recommended to apply all of them, to eliminate the two extreme values and to use the average of the two closest values, however, in Cuba only one of these criteria has been adopted as valid.

The crop coefficient K_C is basically the quotient between the crop evapotranspiration (ET_C) and the reference crop evapotranspiration ET_O. It represents the integrated effect of the characteristics that differentiate a particular crop from the reference grass. Thus, each crop has a different value of the K_C coefficient which varies mainly with growth stage and to a lesser extent with climate.

Mahohoma (2016)MAHOHOMA, W.: Measurement and modelling of water use of citrus orchards, Inst. University of Pretoria, South Africa, Pretoria, South Africa, Publisher: University of Pretoria p., publisher: University of Pretoria, 2016. compiles a wide range of K_C coefficients for citrus and his author attributed this dispersion to the diversity of climatic conditions and the particular characteristics of plantations, such as tree spacing and height, rootstock-cultivar combination, ground cover, management practices, irrigation technique and frequency of wetting. Although the K_C values provided by FAO-56 can be transferred between climatic regions using adjustment equations, they have limitations in considering the diversity of conditions between different plots.

Allen & Pereira (2009)ALLEN, R.G.; PEREIRA, L.S.: “Estimating crop coefficients from fraction of ground cover and height”, Irrigation Science, 28: 17-34, Publisher: Springer, 2009, ISSN: 0342-7188. proposed the A&P approach for more accurate estimation of K_C from physical parameters of the plantation, but Taylor et al. (2015)TAYLOR, N.; ANNANDALE, J.G.; VAHRMEIJER, J.; NA IBRAIMO; MAHOHOMA, W.; GUSH, M.; ALLEN, R.: “Modelling water use of subtropical fruit crops: The challenges”, En: X International Symposium on Modelling in Fruit Research and Orchard Management 1160, pp. 277-284, 2015, ISBN: 94-6261-156-4. exposed the need to specify the influence of stomatal control manifested by citrus on these K_C values. In this sense, Pereira et al. (2021)PEREIRA, L.; PAREDES, P.; MELTON, F.; JOHNSON, L.; MOTA, M.; WANG, T.: “Prediction of crop coefficients from fraction of ground cover and height: Practical application to vegetable, field and fruit crops with focus on parameterization”, Agricultural Water Management, 252: 106-663, Publisher: Elsevier, 2021, ISSN: 0378-3774. updated the A&P approach based on the K_C resulting from the most relevant research, including those reviewed by Rallo et al. (2021)RALLO, G.; PAÇO, T.; PAREDES, P.; PUIG-SIRERA, À.; MASSAI, R.; PROVENZANO, G.; PEREIRA, L.: “Updated single and dual crop coefficients for tree and vine fruit crops”, Agricultural Water Management, 250: 106-645, Publisher: Elsevier, 2021, ISSN: 0378-3774. for citrus. Recently, Fernández-Hung et al. (2022)FERNÁNDEZ-HUNG, K.; VARGAS-RODRÍGUEZ, P.; CUETO, J.R.; BROWN-MANRIQUE, O.: “Water requirements of new citrus orchards in “Jiguaní” Agricultural Enterprise”, INGE CUC, 18(1): 95-104, Publisher: Corporación Universidad de la Costa, 2022, ISSN: 2382-4700. calculated representative Kc values for citrus for Cuban conditions, based on the updated A&P approach, which are higher than those adopted in Cuba as a reference for the design K_C = 0.75.

A further correction is made by means of the advection coefficient K_ADV, which takes into account the effect of adjacent crops. Depending on the area they occupy and their characteristics related to the transmission of moisture by wind, they can reduce the irrigation water requirement or increase it in case the adjacent crops are mostly dry. This coefficient is very difficult to estimate and in design practice, it is accepted not to consider it until its value is precise for specific conditions. K_ADV = 1.

Another important issue is the dimensions of the wet bulb generated by the emitters under the plants, which allow an appropriate volume of roots to be wetted or, as has been adopted in practice, an appropriate wetted percentage of the living surface of the PH_R crop. In the case of techniques that use air to apply water to the plants, an initial estimate can be obtained graphically by drawing to scale the horizontal projection of the tree crown according to its diameter, and in the same drawing the neighbouring plants in the same row and, preferably, the adjacent rows are indicated. The irrigation lateral and its location in relation to the row of plants are also indicated, as well as the emitters with their respective wetting bulbs, also in horizontal projection.

After obtaining the wetted area of several plants, the average wetted area per plant is determined and the percentage that this represents of the total vital area of the PH_R crop is calculated. From a design point of view, it is important to guarantee a wetting percentage equal to or higher than the minimum established for each PH_R ≥ PH_MIN crop.

Table 1 gives approximate values for the minimum wetting percentage suggested by various authors, for different crops.

The PH_R parameter is decisive for the yield of the crops and the profitability of the installations; it therefore influences the rational use of the water and energy resources designed for each installation. However, it is the effectively wetted root volume that is of interest, i.e. the volume at which a soil moisture content equivalent to the field capacity is guaranteed. In design practice, these values are very difficult to establish, more for practical than technical reasons, especially for systems using drip emitters, even though their estimation has an important experimental component, there is no justification for not doing so for micro-sprinklers. This is especially true if one takes into account that most designs ignore the effective radius of the Re_ef emitter, which allows to obtain the effective separation between them Se_ef to provide the appropriate value of PH_R. In most cases, the use of approximations when estimating this parameter leads to difficulties for the proper operation of the installation, especially when it is not taken into account during the design.

The uniformity coefficient CU also plays a role, its value is not a design objective, but a condition that is imposed and correlates constructive and hydraulic factors. It can be used in the evaluation of installations in operation and in the design of new systems, for which it is more demanding. The procedure is based on the calculation of pressure and flow rate tolerances, according to USDA-NRCS (2013)USDA-NRCS,: Microirrigation, Ed. National Engineering Hanadbook, Irrigation, USDA ed., Washington, D.C, 623 p., 2013.: Rodrigo et al. (1997)RODRIGO, L.J.; HERNÁNDEZ, A.J.M.; PÉREZ, R.A.; GONZÁLEZ, H.J.F.: Riego Localizado, Ed. Ediciones Mundi-Prensa, Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación ed., Madrid, España, 405 p., 1997., defined the reasons justifying the use of this procedure:

Deliberately assuming CU, or not taking it into account in estimating total crop requirements, contributes to impairing the productive response of crops, ignoring Cvf can lead to the same results. During the calculation of total requirements, it is sometimes difficult to access data indicative of the salt content in the irrigation water or in the aqueous extract of the soil. This difficulty has led to use as a criterion to increase the net water requirement Nn, a fraction equivalent to the irrigation efficiency to anticipate water losses by deep percolation, as is done in the design of sprinkler irrigation systems. However, not applying this criterion may affect the productive properties of the soils and contribute to the accelerated deterioration of the installation (Table 2).

Location of the study area

Is located in the Empresa Agropecuaria Jiguaní, in the eastern region of Cuba, downstream of the confluence of the Cauto and Contramaestre rivers. Located 35 km northeast of Bayamo, the provincial capital of Granma, at the geographical coordinates 20°31'25'' north latitude and 76°20'24'' west longitude, at an altitude of 50 m.

Edaphoclimatic characteristics

According to Pérez et al. (2012)PÉREZ, J.; HERNÁNDEZ, A.; BOSCH, D.; MARSÁN, R.; MUNÍZ, O.; FUENTES, E.: Mapa de suelos de la República de Cuba, Inst. Instituto de Suelos, La Habana, La Habana, Cuba, 2012. and in accordance with the World Reference Soil Resource Base WRB, the soil is classified as Calcaric Fluvisol, with moderately fine textures. Waller and Waller & Yitayew (2016)WALLER, P.; YITAYEW, M.: Irrigation and Drainage Engineering, Ed. springer publication, Switzerland, 742, Publisher: Springer Publication p., 2016, ISBN: 3-319-05698-0. refer that its main hydrophysical properties are:

From the Köppen-Geiger climate classification, it was obtained that in the area there is an equatorial climate of savannah with dry winter Aw Kottek et al. (2006)KOTTEK, M.; GRIESER, J.; BECK, C.; RUDOLF, B.; RUBEL, F.: “World Map of the Köppen-Geiger climate classification updated,”, Meteorol. Z, 15(3): 259-263, 2006., and in the aridity map of Cuba, it was observed that in the study area there is a semi-humid-humid aridity regime (Vázquez et al., 2016VÁZQUEZ, R.; FERNÁNDEZ, A.; SOLANO, O.; LAPINEL, B.; RODRÍGUEZ, F.: “Mapa de aridez de Cuba”, Zonas áridas, 11(1): 101-109, 2016, ISSN: 1814-8921.). The main climatic variables are shown in Table 3.

Crop characteristics

The crop to be used is 'Marsh Jibarito' grafted on sour orange (Citrus paradisi Macfad.), grafted on sour orange (Citrus aurantium L.). The expected characteristics for 10-year-old trees, taken from experience, are given in Table 4.

Characteristics of the supply source

The irrigation water is pumped from the Contramaestre river, the values of the electrical conductivity were obtained from the 1991-2019 series of values measured between the months of January and April. Their most representative values are shown in Table 5, including the one corresponding to the 10% probability of exceedance.

Characteristics of the micro-sprinkler available

The technical characteristics of the micro-sprinkler used are shown in table 6.

Calculation approach

The effects of agronomic design simplifications on the operating parameters of localised irrigation systems were determined by comparing the results of two calculation variants in a micro-sprinkler irrigation system project for the citrus plantations to be promoted in areas of the agricultural company "Jiguaní". In variant A, the simplifications of the agronomic design described above were incorporated and variant B was calculated according to the procedures described in the updated technical literature, without the use of the above-mentioned approximations during the design.

Procedure for agronomic design

Agronomic design

The results of the agronomic design were obtained from the previous procedures. The table below shows the main results of the comparison, which corroborate how the use or not of certain coefficients and parameters can lead to two installations with different performances in the same soil and climate scenario, for the same flow emission device and the same crops.

Analysis of the results

The water requirements in variant B were higher than in variant A. In the latter, an installation has probably been designed with a lower initial investment cost, but limited agronomically and therefore with restrictions to operate under more demanding conditions; these can manifest themselves with the increase of salts in the soil solution and/or in the irrigation water. This constitutes a real risk in localised irrigation installations with deficient or absent drainage systems in the irrigated plots.

It was also influenced by the fact that only the Decroix criterion, quoted by Pizarro (1996a)PIZARRO, C.F.: Sistemas de riego localizado de alta frecuencia (Goteo, Micro aspersión y Exudación), Ed. Mundiprensa, 2da ed., Madrid, España, 1996a, ISBN: 84-7114-610-X., was taken into account to estimate the irrigation location coefficient K_L = 0.77, instead of using the average value of the closest results, in the way it was conceived in variant B where K_L = 0.74. On the other hand, the crop coefficient K_C = 0.75 was taken for variant A, a value suggested in the Technical Task of projection and more updated proposals were not taken into account for its estimation (Fernández-Hung et al., 2022FERNÁNDEZ-HUNG, K.; VARGAS-RODRÍGUEZ, P.; CUETO, J.R.; BROWN-MANRIQUE, O.: “Water requirements of new citrus orchards in “Jiguaní” Agricultural Enterprise”, INGE CUC, 18(1): 95-104, Publisher: Corporación Universidad de la Costa, 2022, ISSN: 2382-4700.).The latter researchers obtained K_C = 0.93 for the specific conditions of the study area and tall trees, planted at high planting density.

In variant A, the probable value of the most critical reference evapotranspiration used for the design ETo = 4 mm/d, value suggested in the Technical Task, was not obtained from a statistical procedure for data analysis, its adjustment was made assuming the correction coefficient for climatic variability (K_VC = 1. 175), this led to the net needs estimated for the period of maximum crop demand, Nn = 2.7 mm d-1, instead of Nn = 3.6 mm d-1 obtained for variant B, which resulted in a more flexible value for possible climatic and more demanding operational disturbances.

In variant A, leaching requirements were not taken into account and Nt was increased from the application efficiency (E_AP = 90%) and thus the denominator of (3 $Nt=\frac{Nn A_{MP} }{\frac{CU}{100} \left(1-K\right)}$ ) is 81% (similar to the irrigation efficiency value used in the design of most sprinkler irrigation techniques). In contrast, in variant B, Nt increases with the leaching fraction, obtained from (4 $PHr=\frac{A{h}_R}{A_{MP}}100\ge P{H}_{MÍN}$ ), where the electrical conductivity of the irrigation water ECiw = 1.8 dS/m and in the aqueous soil extract maxECse = 8 dS/m.

In both variants, the percentage of wetted area exceeds the expected minimum, even though what really matters is the volume of wetted roots. This issue is not properly ensured due to the aforementioned disadvantage of not carrying out field tests prior to the design of the installations, making it impossible to ensure this objective during the design stage. However, it has been proven that the volume of wetted soil under the emitters is greater than the volume of wetted soil that accumulates on the surface. Providing for more than 35 % of the wetted surface, as shown in Table 6, provides a guarantee of wetting the appropriate root volume below the emitters.

It is important to carry out the graphic procedure described above. Figure 3 shows the distribution of moisture patterns along the row of plants, useful for estimating PH_R and verifying Ne in the case study. This, which is supposedly solved by guaranteeing a minimum wetted surface of the vital area of the plant, can lead to applying volumes of water higher than the total needs, since, as previously specified, below these, the volume of wetted roots is much greater as they are concentrated in the wet zone, and thus the application of irrigation could be more costly when the wetted surface is exaggeratedly greater. It is also impossible to ensure during design that the moisture content under the plants is equal to or slightly higher than field capacity of the soil, otherwise there would be a reduction in yields and profitability of the installation.

Failure to carry out the field tests results in a further simplification of the design which may lead to changes in the operating parameters of the installations. The effects of this simplification are valid for both variants, although its repercussions are more detrimental in variant A. According to Vargas-Rodríguez et al. (2021)VARGAS-RODRÍGUEZ, P.; DORTA-ARMAIGNAC, A.; FERNÁNDEZ-HUNG, K.; MÉNDEZ-JOCIK, A.: “Consideraciones para el diseño racional de sistemas de riego por goteo”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(4): 32-45, Publisher: Universidad Agraria de La Habana, 2021, ISSN: 2071-0054.,this situation is aggravated in drip irrigation techniques.

In variant A, the irrigation time is 3 h, and the rotational units will be able to group more plots than in variant B, in which more than 4.25 h are needed to apply the necessary dose. This, which in principle would seem to be an advantage of variant A, might not be the same when the hydraulic scheme of the installation and its hydraulic design is conceived; since assimilating this advantage would imply greater lengths and diameters of pipes to be able to take the water to the plots located at the ends of the installation, the energy losses would be greater and therefore the necessary performance of the pumping installation would also be higher.

From the above analysis, variant A stands out as an installation with a lower initial investment cost, but this is not definitive; design practice has shown that what represents a saving at the agronomic design stage may turn out to be the opposite at the hydraulic design stage and the installation would continue to be agronomically restricted and with limitations to operate under more demanding conditions.

Referentes de la investigación

El método FAO Penman-Monteith según Allen et al. (2006)ALLEN, R.G.; PEREIRA, L.S.; RAES, D.; SMITH, M.: Evapotranspiración del cultivo: guías para la determinación de los requerimientos de agua de los cultivos, Ed. Food & Agriculture Org., vol. 56, Roma. Italy, 298 p., 2006, ISBN: 92-5-304219-2., representó un avance en el rigor de los procedimientos para estimar las necesidades hídricas de los cultivos y en la actualidad, es el más utilizado por los especialistas en proyectos de riego de las Empresas de Proyectos de la Agricultura (ENPA). Recientemente éstos autores propusieron modificaciones que ofrecen resultados más precisos (Allen & Pereira, 2009ALLEN, R.G.; PEREIRA, L.S.: “Estimating crop coefficients from fraction of ground cover and height”, Irrigation Science, 28: 17-34, Publisher: Springer, 2009, ISSN: 0342-7188.). Cuando se diseñan sistemas de riego localizado, a estos les es inherente la alta frecuencia y pueden garantizar al cultivo un potencial hídrico en el suelo consecuente con su máximo consumo, sin provocar un incremento significativo de los costos de explotación, ni el deterioro de la estructura del suelo o daños al cultivo (Pizarro, 1996aPIZARRO, C.F.: Sistemas de riego localizado de alta frecuencia (Goteo, Micro aspersión y Exudación), Ed. Mundiprensa, 2da ed., Madrid, España, 1996a, ISBN: 84-7114-610-X. & 1996bPIZARRO, F.: Riegos Localizados de alta Frecuencia (RLAF): goteo, microaspersión, exudación. rev. ampl, Ed. Mundi Prensa, 3ra. ed., Madrid, España, 513 p., 1996b, ISBN: 84-7114-610-X.).

En la práctica del diseño se ha generalizado el uso de la evapotranspiración de referencia para el 10-20% de probabilidad de sobrepaso (ETo,_P ), a partir de valores medios mensuales medidos en estaciones climatológicas durante 30 años o más. Este valor se corresponde con la lluvia del 90 - 80% de probabilidad, con lo que se cubrirían las demandas máximas del cultivo el 90-80% de los años. Esta práctica coincide con Jensen & Allen (2016)JENSEN, M.E.; ALLEN, R.G.: Evaporation, evapotranspiration and irrigation water requirements, Inst. American Society of Civil Engeneering, Reston, Virginia, USA, 2016., quienes proponen utilizar valores del 10 al 20% de probabilidad de excedencia para cultivos de alta demanda. No obstante, algunos diseñadores en Cuba utilizan la práctica dudosa de utilizar un valor representativo de ETo para cada provincia, sin considerar las condiciones climáticas locales.

Otros autores citados por Pizarro (1996a)PIZARRO, C.F.: Sistemas de riego localizado de alta frecuencia (Goteo, Micro aspersión y Exudación), Ed. Mundiprensa, 2da ed., Madrid, España, 1996a, ISBN: 84-7114-610-X. & (1996b)PIZARRO, F.: Riegos Localizados de alta Frecuencia (RLAF): goteo, microaspersión, exudación. rev. ampl, Ed. Mundi Prensa, 3ra. ed., Madrid, España, 513 p., 1996b, ISBN: 84-7114-610-X., plantean que cuando no es posible realizar el procesamiento estadístico, es apropiado considerar un coeficiente K_VC de variabilidad climática 1,15 ≤ K_vc≤ 1,20, para tener en cuenta el hecho de que los valores de evapotranspiración estimados corresponden a valores ya medidos y no a los máximos previstos durante el ciclo vegetativo, por lo que es necesario incrementar las necesidades de agua del cultivo para corregir las épocas deficitarias.

De acuerdo con Pizarro (1996a)PIZARRO, C.F.: Sistemas de riego localizado de alta frecuencia (Goteo, Micro aspersión y Exudación), Ed. Mundiprensa, 2da ed., Madrid, España, 1996a, ISBN: 84-7114-610-X. & (1996b)PIZARRO, F.: Riegos Localizados de alta Frecuencia (RLAF): goteo, microaspersión, exudación. rev. ampl, Ed. Mundi Prensa, 3ra. ed., Madrid, España, 513 p., 1996b, ISBN: 84-7114-610-X., el cálculo de ETc no presenta grandes diferencias respecto a otras técnicas. Esta se calcula multiplicando el coeficiente de cultivo Kc y el valor de ETo a la probabilidad de diseño, el producto que resulta se corrige por un coeficiente debido a la localización del riego K_L , obteniendo así la evapotranspiración para Riego Localizado ETc_RL.

K_L ha sido determinado por numerosos procedimientos que basan su cálculo en la fracción de la superficie sombreada por la cubierta vegetal respecto a la superficie total, al mediodía en el solsticio de verano. En la práctica se reconocen cuatro procedimientos y se recomienda aplicarlos todos, eliminar los dos valores extremos y utilizar la media de los dos valores más próximos, sin embargo, en Cuba solamente se ha adoptado uno solo de estos criterios como válido.

El coeficiente de cultivo Kc es básicamente el cociente entre ETc y ETo, y representa el efecto integrado de las características que diferencian a un cultivo particular del pasto de referencia. Así, cada cultivo tiene un valor diferente de Kc que varía principalmente en función de la etapa de crecimiento y en menor medida, con el clima. Mahohoma (2016)MAHOHOMA, W.: Measurement and modelling of water use of citrus orchards, Inst. University of Pretoria, South Africa, Pretoria, South Africa, Publisher: University of Pretoria p., publisher: University of Pretoria, 2016. recopiló una amplia gama de coeficientes Kc para los cítricos y atribuyó esta dispersión a la diversidad de condiciones climáticas y a las características particularidades de las plantaciones, así como el espaciamiento entre árboles y su altura, la combinación patrón-cultivar, la cobertura del suelo, las prácticas de manejo, la técnica de riego y la frecuencia de humedecimiento.

A pesar de que los valores de Kc proporcionados por FAO-56 se pueden transferir entre regiones climáticas mediante ecuaciones de ajuste, presentan limitaciones para considerar la diversidad de condiciones entre parcelas diferentes. Allen & Pereira (2009)ALLEN, R.G.; PEREIRA, L.S.: “Estimating crop coefficients from fraction of ground cover and height”, Irrigation Science, 28: 17-34, Publisher: Springer, 2009, ISSN: 0342-7188. propusieron el enfoque de A&P para la estimación más precisa de K_C a partir de parámetros físicos de la plantación, pero Taylor et al. (2015)TAYLOR, N.; ANNANDALE, J.G.; VAHRMEIJER, J.; NA IBRAIMO; MAHOHOMA, W.; GUSH, M.; ALLEN, R.: “Modelling water use of subtropical fruit crops: The challenges”, En: X International Symposium on Modelling in Fruit Research and Orchard Management 1160, pp. 277-284, 2015, ISBN: 94-6261-156-4. expuso la necesidad de precisar la influencia del control estomático que manifiestan los cítricos sobre dichos valores de K_C . En este sentido, Pereira et al. (2021)PEREIRA, L.; PAREDES, P.; MELTON, F.; JOHNSON, L.; MOTA, M.; WANG, T.: “Prediction of crop coefficients from fraction of ground cover and height: Practical application to vegetable, field and fruit crops with focus on parameterization”, Agricultural Water Management, 252: 106-663, Publisher: Elsevier, 2021, ISSN: 0378-3774. actualizaron el enfoque de A&P basados en los K_C resultantes de las investigaciones más relevantes, entre ellas las reseñadas por Rallo et al. (2021)RALLO, G.; PAÇO, T.; PAREDES, P.; PUIG-SIRERA, À.; MASSAI, R.; PROVENZANO, G.; PEREIRA, L.: “Updated single and dual crop coefficients for tree and vine fruit crops”, Agricultural Water Management, 250: 106-645, Publisher: Elsevier, 2021, ISSN: 0378-3774. para los cítricos. Recientemente, Fernández-Hung et al. (2022)FERNÁNDEZ-HUNG, K.; VARGAS-RODRÍGUEZ, P.; CUETO, J.R.; BROWN-MANRIQUE, O.: “Water requirements of new citrus orchards in “Jiguaní” Agricultural Enterprise”, INGE CUC, 18(1): 95-104, Publisher: Corporación Universidad de la Costa, 2022, ISSN: 2382-4700. calcularon los valores de Kc representativos de los cítricos para las condiciones de Cuba, a partir de la actualización del enfoque de A&P, los mismos son superiores a los adoptados en Cuba como referencia para el diseño K_C = 0,75.

Otra corrección se realiza por medio del coeficiente de advección K_ADV , el cual tiene en cuenta el efecto de los cultivos colindantes. En dependencia de la superficie que éstos ocupen, y de sus características relacionadas con la transmisión de humedad por medio de los vientos, pueden reducir las necesidades de agua de riego o incrementarlas, en caso de que los cultivos colindantes sean mayormente secos. Este coeficiente es muy difícil de estimar y en la práctica del diseño, es aceptado no considerarlo hasta tanto se precise su valor para condiciones específicas. K_ADV = 1.

Otra cuestión importante son las dimensiones del bulbo húmedo que generan los emisores debajo de las plantas y que permiten humedecer un volumen apropiado de raíces o, como se ha adoptado en la práctica, un porcentaje humedecido adecuado de la superficie vital del cultivo PH_R . En el caso de las técnicas que utilizan el aire para aplicar el agua a las plantas, su obtención en una primera estimación se puede realizar gráficamente, dibujando a escala la proyección horizontal de la copa del árbol atendiendo a su diámetro, y en el mismo dibujo se indican las plantas aledañas en la misma hilera y, preferiblemente, las hileras adyacentes. También se indica el lateral de riego y su ubicación con relación a la hilera de plantas y sobre esta los emisores con sus respectivos bulbos de humedecimiento, también en proyección horizontal.

Luego de obtenida el área humedecida de varias plantas, se determina el área humedecida promedio por planta y se calcula el porcentaje que representa ésta, del total de área vital del cultivo PH_R . Desde el punto de vista del diseño interesa garantizar un porcentaje de humedecimiento igual o superior al mínimo establecido para cada cultivo PH_R ≥ PH_MIN . La Tabla 1 refiere valores aproximados de PH_MIN sugeridos por varios autores, para diferentes cultivos.

El parámetro PH_R es definitorio para el rendimiento de las cosechas y la rentabilidad de las instalaciones; por tanto, influye en el uso racional de los recursos hídricos y energéticos concebidos para cada instalación. No obstante, en realidad lo que interesa es el volumen de raíces efectivamente humedecido, es decir, aquel en el cual se garantiza un contenido de humedad en el suelo equivalente a la capacidad de campo.

En la práctica del diseño estos valores son muy difíciles de prestablecer, más por razones prácticas que técnicas, sobre todo para sistemas que utilizan emisores de goteo, aun cuando su estimación tiene un componente experimental importante, no se justifica que no se realice para la microaspersión. Sobre todo, si se tiene en cuenta que en la mayoría de los diseños se ignora el radio efectivo del emisor Re_ef, que permite obtener la separación efectiva entre ellos Se_ef para proporcionar el valor apropiado de PH_R. En la mayoría de los casos, el uso de aproximaciones al estimar este parámetro conlleva a dificultades para el buen funcionamiento de la instalación, tanto más, cuando el mismo no sea tenido en cuenta durante el diseño.

En esta etapa del diseño, también interviene el coeficiente de uniformidad CU, su valor no constituye un objetivo del diseño, sino que es una condición que se impone y que correlaciona factores constructivos e hidráulicos. Este se puede utilizar en la evaluación de instalaciones en funcionamiento y en el diseño de nuevos sistemas, para lo que es más exigente. El procedimiento parte del cálculo de la tolerancia de presiones y caudales, de acuerdo con USDA-NRCS (2013)USDA-NRCS,: Microirrigation, Ed. National Engineering Hanadbook, Irrigation, USDA ed., Washington, D.C, 623 p., 2013.: Rodrigo et al. (1997)RODRIGO, L.J.; HERNÁNDEZ, A.J.M.; PÉREZ, R.A.; GONZÁLEZ, H.J.F.: Riego Localizado, Ed. Ediciones Mundi-Prensa, Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación ed., Madrid, España, 405 p., 1997., definieron las razones que justifican el uso de este procedimiento:

Asumir deliberadamente CU, o no tenerlo en cuenta para estimar las necesidades totales del cultivo, contribuye a perjudicar la respuesta productiva de los cultivos, ignorar el Cvf puede conllevar a los mismos resultados. Durante el cálculo de las necesidades totales, en ocasiones se presentan dificultades para acceder a datos indicativos del contenido de sales en el agua de riego o en el extracto acuoso del suelo, esta dificultad ha conllevado a utilizar como criterio para incrementar las necesidades netas de agua N_n , una fracción equivalente a la eficiencia de riego para prever pérdidas de agua por percolación profunda, igual a como se procede en el diseño de sistemas de riego por aspersión. Sin embargo, no aplicar este criterio puede provocar afectaciones en las propiedades productivas de los suelos, y contribuir al deterioro acelerado de la instalación (Tabla 2).

Ubicación del área de estudio

El área se ubica en la Empresa Agropecuaria Jiguaní, en la región oriental de Cuba, aguas abajo de la confluencia con el río Contramaestre. Se localiza a 35 km al noreste de Bayamo, capital provincial de Granma, en las coordenadas geográficas 20°31’25’’ de latitud norte y 76°20’24’’ de longitud oeste, en una altitud de 50 m.

Características edafoclimáticas

Según Pérez et al. (2012)PÉREZ, J.; HERNÁNDEZ, A.; BOSCH, D.; MARSÁN, R.; MUNÍZ, O.; FUENTES, E.: Mapa de suelos de la República de Cuba, Inst. Instituto de Suelos, La Habana, La Habana, Cuba, 2012. y conforme con la Base Referencial Mundial del Recurso Suelo WRB (por sus siglas en inglés), el suelo clasifica como Calcaric Fluvisol, con texturas moderadamente finas. Waller & Yitayew (2016)WALLER, P.; YITAYEW, M.: Irrigation and Drainage Engineering, Ed. springer publication, Switzerland, 742, Publisher: Springer Publication p., 2016, ISBN: 3-319-05698-0. refieren que sus principales propiedades hidrofísicas son:

Del mapa mundial de clasificación climática de Köppen-Geiger, se obtuvo que en la zona existe un clima ecuatorial de sabana con invierno seco Aw Kottek et al. (2006)KOTTEK, M.; GRIESER, J.; BECK, C.; RUDOLF, B.; RUBEL, F.: “World Map of the Köppen-Geiger climate classification updated,”, Meteorol. Z, 15(3): 259-263, 2006., y en el mapa de aridez de Cuba, se observó que en el área de estudio existe un régimen de aridez semihúmedo húmedo (Vázquez et al., 2016VÁZQUEZ, R.; FERNÁNDEZ, A.; SOLANO, O.; LAPINEL, B.; RODRÍGUEZ, F.: “Mapa de aridez de Cuba”, Zonas áridas, 11(1): 101-109, 2016, ISSN: 1814-8921.). Las principales variables climáticas se muestran en la Tabla 3.

Características del cultivo

El cultivo a beneficiar es toronja ‘Marsh Jibarito’ (Citrus paradisi Macfad.), injertado sobre naranjo agrio (Citrus aurantium L.). Las características que se prevén, para árboles de 10 años de plantado, tomado de la experiencia, se recogen en la Tabla 4.

Características de la fuente de abasto

El agua de riego se bombea desde el río Contramaestre, los valores de la conductividad eléctrica del agua de riego se obtuvieron de la serie 1991-2019 de valores medidos entre los meses de enero y abril. Sus valores más representativos se recogen en la Tabla 5, incluido el que corresponde al 10% de probabilidad de sobrepaso.

Características del microaspersor disponible

Las características técnicas del microaspersor utilizado se muestran en la Tabla 6.

Enfoque de cálculo

Los efectos que tienen las simplificaciones del diseño agronómico en los parámetros de explotación de sistemas de riego localizado, se determinaron a partir de la comparación de los resultados de dos variantes de cálculo en un proyecto de sistema de riego por microaspersión para las plantaciones de cítricos que se prevén fomentar en áreas de la Empresa Agropecuaria “Jiguaní”. En la variante A se incorporaron las simplificaciones del diseño agronómico que se han descrito inicialmente y la variante B se calculó conforme los procedimientos recogidos en la literatura técnica actualizada, sin el uso de las aproximaciones referidas durante el diseño.

Procedimiento para el diseño agronómico

Diseño agronómico

Los resultados del diseño agronómico se obtuvieron a partir de los procedimientos anteriores, la tabla que le sigue se muestran los principales resultados de la comparación, los mismos corroboran cómo la utilización o no de determinados coeficientes y parámetros puede conllevar a dos instalaciones con prestaciones diferentes en un mismo escenario edafoclimático y de cultivo, y para un mismo emisor.

Análisis de los resultados

Las necesidades de agua en la variante B resultaron superiores que en la variante A, en esta última se ha diseñado una instalación probablemente con menor costo de inversión inicial, pero limitada agronómicamente y por lo tanto con restricciones para funcionar en condiciones más exigentes; las mismas pueden manifestarse con el incremento de sales en la solución del suelo y/o en el agua de riego. Esto constituye un riesgo real en las instalaciones de riego con deficiencias o ausencia de sistemas de drenaje.

También influyó el hecho de que solamente se tuvo en cuenta el criterio de Decroix, citado por Pizarro (1996a)PIZARRO, C.F.: Sistemas de riego localizado de alta frecuencia (Goteo, Micro aspersión y Exudación), Ed. Mundiprensa, 2da ed., Madrid, España, 1996a, ISBN: 84-7114-610-X., para estimar el coeficiente de localización del riego K_L = 0,77, en lugar de utilizar el valor promedio de los resultados más próximos, de la manera que se concibió en la variante B donde K_L = 0,74. Por otro lado, el coeficiente de cultivo se tomó K_C = 0,75 para la variante A, valor sugerido en la Tarea Técnica de proyección y no se tuvo en cuenta para su estimación propuestas más actualizadas (Fernández-Hung et al., 2022FERNÁNDEZ-HUNG, K.; VARGAS-RODRÍGUEZ, P.; CUETO, J.R.; BROWN-MANRIQUE, O.: “Water requirements of new citrus orchards in “Jiguaní” Agricultural Enterprise”, INGE CUC, 18(1): 95-104, Publisher: Corporación Universidad de la Costa, 2022, ISSN: 2382-4700.). Estos últimos investigadores obtuvieron K_C = 0,93 para las condiciones del área de estudio y árboles altos, sembrados con alta densidad de plantación.

En la variante A, el valor probable más crítico utilizada para el diseño fue ETo = 4 mm/d, valor sugerido en la Tarea Técnica, no se obtuvo a partir de un procedimiento estadístico para el análisis de los datos, su ajuste se realizó asumiendo el coeficiente de corrección por variabilidad climática (K_VC = 1,175), esto conllevó a que las necesidades netas estimadas para el período de máxima demanda del cultivo, N_n = 2,7 mm d^-1, en lugar de N_n = 3,6 mm d^-1 obtenidas para la variante B que resultó un valor más flexible ante posibles alteraciones climáticas y operacionales más exigentes.

En la variante A, las necesidades de lavado no se tuvieron en cuenta y N_t se incrementó a partir de la eficiencia de aplicación (E_AP = 90%) y con ello, el denominador de (3 $Nt=\frac{Nn A_{MP} }{\frac{CU}{100} \left(1-K\right)}$ ) resulta de 81% (similar al valor de eficiencia de riego que se utiliza en el diseño de la mayoría de las técnicas de riego por aspersión). Contrariamente, en la variante B, N _t se incrementa con la fracción para el lavado, obtenida a partir de (4 $PHr=\frac{A{h}_R}{A_{MP}}100\ge P{H}_{MÍN}$ ), donde la conductividad eléctrica del agua de riego CE_ar = 1,8 dS/m y en el extracto acuoso del suelo máxCE _es = 8 dS/m.

En ambas variantes el porcentaje de superficie humedecida supera el mínimo previsto, a pesar de que lo que interesa en realidad es el volumen de raíces humedecido. Esta cuestión no queda debidamente asegurada por el inconveniente anteriormente mencionado de no realizar las pruebas de campo previo al diseño de las instalaciones, impidiendo asegurar este objetivo durante la etapa de diseño.

Es importante realizar el procedimiento gráfico descrito anteriormente, la Figura 3 muestra la distribución de los patrones de humedad a lo largo de la hilera de plantas, útil para estimar PH_R y verificar Ne en el caso de estudio. Esto que supuestamente queda resuelto al garantizar una superficie mínima humedecida del área vital de la planta, puede conllevar a aplicar volúmenes de agua superiores a las necesidades totales, ya que como se ha especificado anteriormente, debajo de éstas, el volumen de raíces humedecido es mucho mayor al estar concentradas en la zona húmeda y de esta forma la aplicación del riego podría resultar más costosa cuando la superficie humedecida es exageradamente mayor. Tampoco es posible asegurar durante el diseño, que el contenido de humedad debajo de las plantas sea igual o ligeramente superior que el correspondiente a la capacidad de campo del suelo, de no resultar así, existiría una disminución de los rendimientos y de la rentabilidad de la instalación.

No obstante, está comprobado que el volumen de suelo humedecido debajo de los emisores es superior al volumen humedecido que se acumula en la superficie. El hecho de prever más del 35% de superficie humedecida, como se aprecia en la Tabla 6, ofrece una garantía de humedecer el volumen de raíces apropiado debajo de los emisores.

La no realización de las pruebas de campo infiere otra simplificación del diseño que puede conllevar a modificar los parámetros de explotación de las instalaciones. Los efectos de esta simplificación son válidos para las dos variantes, aunque sus repercusiones son más perjudiciales en la variante A. De acuerdo con Vargas-Rodríguez et al. (2021)VARGAS-RODRÍGUEZ, P.; DORTA-ARMAIGNAC, A.; FERNÁNDEZ-HUNG, K.; MÉNDEZ-JOCIK, A.: “Consideraciones para el diseño racional de sistemas de riego por goteo”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(4): 32-45, Publisher: Universidad Agraria de La Habana, 2021, ISSN: 2071-0054., esta situación se agrava en las técnicas de riego por goteo y por exudación.

En la variante A, la duración del riego es de 3 h, y las unidades rotacionales podrán agrupar más parcelas que en la variante B, en la cual se necesitan más de 4,25 h para aplicar la dosis necesaria. Esto que en principio parecería una ventaja de la variante A, podría no resultar igual cuando se concibe el esquema hidráulico de la instalación y el diseño hidráulico de la misma; ya que asimilar esa ventaja implicaría mayores longitudes y diámetros de tuberías para poder llevar el agua hasta las parcelas ubicadas en los extremos de la instalación, las pérdidas de energía serían superiores y por lo tanto también lo serán las prestaciones necesarias en la instalación de bombeo.

La variante A despunta como una instalación con menor costo de inversión inicial, pero esto no es definitivo, la práctica del diseño ha demostrado que, lo que representa un ahorro en la etapa de diseño agronómico puede resultar lo contrario en la etapa del diseño hidráulico y la instalación continuaría siendo agronómicamente restringida y con limitaciones para funcionar en condiciones más exigentes.