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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE AGRONOMÍA
RIEGOS Y DRENAJES
TITULO:
“DRENAJE AGRÍCOLA”
ALUMNO:
NARRO ESQUIVEL, KEVIN
PROFESOR:
ING. PAVEL ARTEAGA CARO
TRUJILLO – PERÚ
2012
I) INTRODUCCION :
El drenaje agrícola es la eliminación del exceso de agua de la superficie del suelo y / o
perfil del suelo de las tierras de cultivo, ya sea por gravedad o por medios artificiales.
Una vez que la tierra se agota el agua como los impactos positivos y negativos de
calidad puede ser documentado. En comparación a la tierra sin despejar en
condiciones naturales, mejorar el drenaje y la producción agrícola suele aumentar las
tasas de pico de escorrentía, las pérdidas de sedimento, y las cargas contaminantes
sobre los recursos hídricos de superficie. Sin embargo, donde la tierra se utiliza para
la producción agrícola, mejorar el drenaje se ha encontrado para reducir el
escurrimiento, las tasas de pico de salida, y las pérdidas de sedimentos, en
comparación con las tierras agrícolas sin escurrir.
Históricamente, la principal razón para el drenaje de las tierras agrícolas ha sido la de
aumentar la producción de cultivos. Drenaje elimina el exceso de agua del suelo y
ayuda a crear un ambiente de root bien aireado que mejora la absorción de la planta
de nutrientes. Drenaje en suelos agrícolas húmedos permite operaciones de campo a
tiempo, y ayuda a crecimiento de las plantas para comenzar temprano, continúan con
vigor, y alcanzar mejores niveles de productividad. En los estados que dependen en
gran medida del suministro de agua de riego superficial, drenaje subterráneo se utiliza
a menudo para evitar la acumulación dañina de sal en el suelo. Drenaje beneficios de
la producción de cultivos, minimizando los riesgos, mejorar la eficiencia y el aumento
de los ingresos netos.
A medida que el público considera que la pérdida de los ecosistemas de humedales
asociados con el drenaje agrícola, la necesidad de mantener la producción de
alimentos económicos también deben ser considerados. (ohioline.osu.edu)
Objetivos. Objetivos específicos y propósitos de una práctica de drenaje.
Restablecer condiciones adecuadas para el desarrollo de los cultivos.
Eliminar el exceso de agua del suelo (superficial o internamente), a fin de
mantener las condiciones de aireación y las actividades biológicas
indispensables para cumplir los procesos fisiológicos relativos al crecimiento
radical. Esto garantizará que los cultivos no se ahoguen y tengan un mejor
desarrollo de las raíces, lo que a su vez significa un adecuado soporte
mecánico y un mayor acceso al agua y a los nutrientes.
Abatir niveles freáticos someros.
Crear condiciones que permitan mediante la aplicación de lavados, remover las sales
en exceso del perfil del suelo y el mantener un balance salino.
II) DESARROLLO DEL TEMA
Definición. El drenaje agrícola es el conjunto de obras que es necesario construir en
una parcela cuando existen excesos de agua sobre su superficie o dentro del perfil del
suelo, con el objeto de desalojar dichos excedentes en un tiempo adecuado, para
asegurar un contenido de humedad apropiado para las raíces de las plantas y
conseguir así su óptimo desarrollo.
Causas. En general, las causas de los problemas de drenaje son de dos tipos, por su
origen (natural o artificial) y por su tipo de actividad (activa o pasiva). Las causas
calificadas como naturales son más frecuentes en las zonas húmedas, mientras que
las artificiales ocurren más frecuentemente en las zonas áridas de riego.
Las causas activas están relacionadas con aportaciones abundantes de agua, ya sean
naturales (lluvias intensas, desbordamientos, inundaciones, etc.) o artificiales (riegos).
Las pasivas son cuando existen impedimentos generalmente naturales para desalojar
dichos excesos de agua, ya sean topográficos, suelos poco permeables, restricciones
del perfil del suelo, etc., aunque también pueden ser artificiales, como obstrucciones
de diferente tipo, red de drenaje inadecuada, azolvamiento, etc.
Para evaluar la gravedad de un problema de drenaje, ambas causas deben ser
analizadas conjuntamente, lo cual en términos cualitativos se explica con relativa
facilidad, pero se complica considerablemente cuando se pretende explicar en
términos cuantitativos. Por ejemplo, una recarga dada puede no producir problemas de
exceso de agua si no se tienen impedimentos para su salida y en cambio, la misma
recarga con dificultades para desalojarse producirá un problema.
Efectos. Los problemas de drenaje se presentan cuando las inundaciones
superficiales asfixian a los cultivos, debido a que el aire es reemplazado por el agua.
Esto evita toda posibilidad de provisión de oxígeno y afecta también a la actividad
biológica y al mismo suelo. Además, internamente reduce el volumen de suelo
disponible para las raíces, afectando la aireación y el desarrollo radicular, por lo que se
disminuye la capacidad de absorción de agua y nutrientes de la mayoría de las
plantas.
Un drenaje interno ineficiente en áreas bajo riego, además de afectar la aireación e
intercambio gaseoso, las aguas freáticas generalmente presentan altos contenidos de
sales, originando en muchas ocasiones problemas de ensalitramiento de los suelos.
Aunque también se presentan en zonas tropicales, las aguas freáticas tienen bajos
contenidos de sales, por lo que más que considerarse como un problema, pueden ser
aprovechadas para la subirrigación de cultivos.
Tipos de problemas de drenaje agrícola. Existen fundamentalmente dos tipos,
superficial y subterráneo.
Drenaje superficial. También llamados por inundación, anegamiento o
encharcamiento de los terrenos, que se caracteriza por la presencia de una capa o
lámina de agua sobre la superficie del terreno que satura la parte superior del suelo.
Esta capa de agua puede cubrir solo las partes más bajas de una parcela, formando
charcos más o menos aislados. Cuando se remueven los excesos de agua que se
acumulan sobre la superficie, se habla de drenaje superficial y este es del presente
trabajo.
Los problemas de drenaje superficial se dan con mayor frecuencia en zonas húmedas,
cuando se rebasa la capacidad natural de drenaje de los suelos, ya sea superficial,
interna o ambas.
Drenaje subterráneo. También conocido como interno o subsuperficial, que se
caracteriza por la presencia de un manto freático cercano a la superficie del terreno
que satura el perfil del suelo y propicia una humedad muy alta en la zona de desarrollo
de las raíces de los cultivos. Cuando se remueven los excesos de agua de una cierta
profundidad del suelo, se habla de drenaje subterráneo.
Los problemas más importantes de drenaje interno se dan en zonas áridas y
semiáridas bajo riego, en donde existen fuertes filtraciones en canales o en las
parcelas que alimentan los niveles freáticos; lo que combinado con una red de drenaje
insuficiente o ineficiente, propicia la elevación de los mantos freáticos.
Características de los dos tipos de drenaje agrícola.
Las características principales de los dos sistemas de drenaje, superficial y
subterráneo, se presentan a continuación.
Sistema de drenaje superficial. Son obras o acciones que se realizan sobre la
superficie del terreno, para propiciar el escurrimiento por gravedad de lo excesos de
agua a velocidades no erosivas y que tampoco cause problemas de sedimentación,
así como para interceptar y desviar el agua que se dirige hacia la parcela desde
terrenos colindantes más altos.
De acuerdo con Palacios (2002), las condiciones que generalmente se presentan para
que ocurra este tipo de problemas, son:
Precipitaciones de “alta” intensidad,
“Baja” velocidad de infiltración del agua en el suelo, inferior a la intensidad de la
precipitación.
“Poca” pendiente de los suelos que no propicia el escurrimiento.
Un sistema de drenaje superficial tiene tres componentes básicos, 1) el sistema de
recolección, 2) el sistema de desagüe y 3) el sistema de colección (drenes
superficiales colectores), que reciben el escurrimiento captado para trasladarlo fuera
de los límites de los terrenos protegidos y posteriormente a algún cauce natural,
reservorio, mar, etc.
El sistema de recolección del agua puede ser uno o componerse de varias de las
siguientes obras:
Nivelación, emparejamiento o “conformación” de la superficie del terreno, con
el fin de suprimir las hondonadas o depresiones que acumulen agua o bien
dando pendientes suaves al terreno para que propiciar el escurrimiento del
agua.
Surcos profundos y con pendiente continúa hacia una zanja conectada con los
colectores de drenaje.
Zanjas, canales o desagües, ya sean para interceptar, captar y desalojar el
agua o para unir las partes bajas de los terrenos con los colectores de drenaje.
Bordos para protección o encauzamiento del agua hacia las zanjas colectoras.
Se puede complementar con drenes “topo” o con drenaje subterráneo
entubado.
Colectores de drenaje.
Pozos de absorción o drenaje vertical.
Una combinación de los anteriores.
Los canales, zanjas, bordos y drenes subterráneos pueden construirse de tres formas:
En paralelo en terrenos casi planos con topografía uniforme.
Con pendiente cruzada que siguen el contorno de la pendiente en terrenos
moderadamente inclinados de topografía irregular (espina de pescado).
Localizado para drenar las depresiones donde existen encharcamientos en
terrenos relativamente planos de topografía ondulada.
istema de drenaje subterráneo. Consiste de obras que se construyen bajo la
superficie del suelo, para captar y desalojar excesos de agua derivados de filtraciones
o de niveles freáticos elevados.
Pueden ser drenes interceptores colocados perpendicular o transversalmente a las
líneas de corriente para recoger los flujos de agua libre y drenes colectores o de
desagüe, orientados según las líneas de pendiente para conducir el agua fuera de la
parcela. Estos a su vez, también deben desembocar a drenes superficiales colectores
Hay cuatro tipos de drenaje subterráneo:
Zanjas abiertas profundas
Zanjas profundas cubiertas con filtros de grava, arena, etc., así como con
tubos.
Drenes internos cilíndricos o tubulares sin revestimiento: drenes topo.
Drenes internos cilíndricos revestidos o drenaje entubado, que es el más
común en la actualidad.
Especificaciones
Diseño de la red. Según Rojas (1976), el diseño de un sistema de drenaje superficial
comprende dos fases principales, el trazo y el diseño de las secciones hidráulicas.
Trazo de la red. El trazo de la red de drenaje, consiste en la elaboración de un plano
con la ubicación de cada uno de los drenes primarios y secundarios.
Localización. Los drenes deberán localizarse siempre sobre cauces naturales, con los
acondicionamientos que requieran para darles la capacidad y funcionamiento
adecuados, ya que en esta forma se logrará una economía en vías, obras y se evitan
afectaciones innecesarias.
Parcelamiento. El trazado debe facilitar en lo posible un parcelamiento adecuado, ya
que la tenencia de la tierra influye en la densidad de la red básica de drenaje. Así,
mientras mayor sea el tamaño de los predios o lotes, menor será el número de los
mismos y por lo tanto, la longitud de los canales de desagüe.
Trazo. IMTA (1986) señala que para tener un mejor funcionamiento hidráulico, es
deseable que los canales de desagüe tengan trazo recto y que se eviten en lo posible
cambios de dirección. Sin embargo, es mejor el que se obtiene mediante canales que
sigan las partes de bajas de los terrenos encharcados, en cuyo caso es necesario
construir curvas en cada cambio de dirección. En general, deberán evitarse las curvas
muy cerradas, eligiendo curvas suaves a fin de mejorar las características hidráulicas y
la estabilidad de las secciones de los canales de desagüe.
De acuerdo con Palacios (2002), la disposición de los desagües y colectores
parcelarios bajo distintas condiciones de pendiente de los terrenos son:
Pendiente mínima. Los desagües y los colectores deben ser perpendiculares,
que sus longitudes sean moderadas, con espaciamientos homogéneos y sus
pendientes deben ser continuas.
Con pendiente hacia una sola dirección. Se deben ajustar los drenes de modo
que las longitudes sean las adecuadas, de tal manera que no se alcancen
velocidades de escurrimiento que provoquen erosión. Los colectores se
colocan perpendiculares a la pendiente, en forma de tajos que captan los
escurrimientos.
El diseño del sistema de desagües de acuerdo con Palacios (2002), consiste en:
Localizar el sitio, generalmente de un colector, que puede ser una zona baja,
donde se recibirán los volúmenes de agua removidos. Cuando las condiciones
topográficas no permiten la salida gravitacional del agua, tiene que
considerarse una estación de bombeo, con todo lo que esto implica.
Definir la ubicación en planta de los desagües, lo que implica definir su
espaciamiento y localización.
Definir la capacidad de conducción y dimensiones de la sección hidráulica de
los desagües y colectores de drenaje superficial.
FORMULAS DE DRENAJE
Darcy y Dupuit en el siglo XIX, fueron los primeros en formular las ecuaciones básicas
para el flujo subsuperficial de agua a través de medios porosos y aplicarla en pozos.
Rothe a principios del siglo XX, aplicó estas ecuaciones a flujo subsuperficial hacia los
drenes, deduciendo así la primera formula de drenaje. Hooghoudt, en los años treinta
dio un estímulo real a un análisis racional del problema del drenaje, estudiándola en el
contexto del sistema agua-suelo-planta.
Desde ese entonces, científicos de todo el mundo como Childs en Inglaterra, Donnan,
Luthin y Kirkham en los Estados Unidos y Ernst y Wesseling en Holanda, han
contribuido hacia un perfeccionamiento adicional de este análisis racional.
Los factores anteriormente mencionados, se interrelacionan por ecuaciones de drenaje
que se basan en dos suposiciones:
Flujo bidimensional, es decir el flujo es el mismo en cualquier sección
transversal perpendicular a los drenes.
Distribución uniforme de la recarga permanente o variable, sobre el área
comprendida entre los drenes.
La mayoría de las ecuaciones que se presentan, se basan además en las
suposiciones de Dupuit-Forchheimer, por lo que tienen que considerarse únicamente
como soluciones aproximadas. Sin embargo, estas soluciones aproximadas tienen por
lo general tan alto grado de exactitud, que se justifica completamente su aplicación en
la práctica.
Estas formulas se emplean fundamentalmente para el dimensionamiento de los
sistemas de drenaje, ya que relacionan algunas características de diseño
(espaciamiento y profundidad) con ciertas características de los suelos, clima, etc.
Estas ultimas características son: Conductividad hidráulica (K), espesor de los
estratos, espacio poroso drenable o macroporosidad (m), profundidad optima de la
capa freática o ve locidad de descenso de la misma y caudal procedente de la lluvia,
riego u otros orígenes.
Las formulas de drenaje, se pueden agrupar en las dos clases siguientes:
Formulas de régimen permanente
Formulas de régimen variable o transitorio.
Las formulas para régimen permanente, se deducen basándose en la suposición de
que la intensidad de la recarga es igual al caudal de descarga de los drenes y que
consecuentemente, la capa de agua freática permanece en la misma posición.
Las ecuaciones de drenaje para régimen variable, consideran las fluctuaciones de la
capa de agua con el tiempo, bajo la influencia de una recarga variable.
ECUACIONES DE DRENAJE PARA REGIMEN PERMANENTE
En las ecuaciones de drenaje de régimen permanente, se supone que la capa freática
se encuentra estabilizada: la cantidad de agua que la alimenta es igual a la eliminada
por los drenes.
Tal situación correspondería al caso de una lluvia constante durante un largo periodo
de tiempo. En la práctica no se da esta situación, pero sin embargo, la aplicación de
las correspondientes formulas suelen dar resultados aceptables en regiones de
régimen pluviométrico caracterizado por la regularidad de las precipitaciones y por su
baja intensidad.
FLUJO PERMANENTE DEL AGUA SUBTERRÁNEA CON RECARGA UNIFORME
HACIA ZANJAS QUE LLEGAN HASTA UNA CAPA IMPERMEABLE
Esta situación es típica para el drenaje en su caso mas simplificado, cuando la
conductividad hidráulica en cualquier parte del perfil suelo es la misma y los drenes
alcanzan la capa impermeable.
Esta formula es conocida como la ecuación de la elipse y en relación con el calculo de
espaciamiento de drenes, es mas conocida como la formula de Donnan.
FORMULA DE DONNAN
Anteriormente se ha demostrado que con la llamada ecuación de Donnan (Donnan,
1946), se puede describir el flujo de agua hacia zanjas verticales, basándose en las
suposiciones de flujo horizontal unidimensional, es decir, líneas de corriente
horizontales y paralelas:
Como se comprende, la formula mas sencilla para el calculo del espaciamiento de
drenes es la de Donnan cuyos puntos de partida son:
El flujo hacia los drenes es permanente. Esto quiere decir que la cantidad de
agua que alimenta la napa freática en forma constante, es la misma que fluye
hacia los drenes y sale por ellos sin variaciones en el tiempo.
El flujo solamente es horizontal.
El suelo es homogéneo hasta la capa impermeable.
Hay un sistema de drenes paralelos infinito en ambas direcciones.
La recarga es homogéneamente distribuida.
De los estudios de campo, se obtiene la conductividad hidráulica del suelo y la
profundidad de la capa impermeable. Las normas de drenaje, dan la profundidad de la
napa freática en el punto medio entre los drenes y la descarga de drenaje “R”. “H” se
obtiene de las informaciones de campo y normas de drenaje. “h” en cambio, auque
esta limitado por la profundidad de la capa impermeable y en cierta forma por la s
normas de drenaje, depende generalmente de las condiciones de diseño del sistema,
como niveles de los drenes troncales, pendientes necesarias, condiciones de
construcción, etc.
La formula será por lo tanto aplicable cuando (H-h)<<h y L >>h. Además el perfil debe
tener una conductividad hidráulica mas o menos homogénea hasta la capa
impermeable.
ECUACIONES DE DRENAJE PARA REGIMEN VARIABLE
Las formulas de régimen variable consideran el movimiento de la capa freática, tanto
para carga del acuífero como durante la descarga, en consecuencia existe una
variación en el nivel de esta.
Como anteriormente se indicó, trataremos la situación de carga instantánea del
acuífero (por ejemplo, en riego por gravedad). Si la cantidad de agua aportada,
expresada en altura es "R", la capa freática se eleva en una altura R/m y a
continuación comienza a descender. La formula de Glover Dumn estudia esta
situación.
FORMULA DE GLOVER DUMN
Las formulas de Donnan, Hooghoudt y Ernst anteriormente tratadas están basadas en
una situación de flujo con recarga permanente. Esto significa que tanto la altura de la
napa freática como la velocidad del flujo que ingresa a los drenes no cambia durante el
proceso de drenaje. La recarga de la napa, proveniente de las precipitación y la
descarga de los drenes es igual en estas condiciones y ambas son indicadas con el
mismo símbolo "R". Aunque, estas condiciones no son exactamente satisfechas en la
realidad, la suposición de una situación de flujo permanente ha probado producir muy
satisfactoriamente resultados en climas húmedos, cuando las variaciones en
precipitación no son extremas.
Sin embargo, cuando nos enfrentamos con problemas de drenaje conectados con
irrigación, la recarga es evidentemente no permanente, ya que ocurre a intervalos que
son determinados por la frecuencia de riegos. En estas condiciones, puede ocurrir
una notoria elevación de la napa freática como resultado de la inevitable precolación
de parte del agua aplicada en el riego, seguido por una gradual declinación de la napa
en los períodos comprendidos entre dos riegos consecutivos. En estos casos la
recarga R y la velocidad de descarga Rt evidentemente no son iguales.
Una formula de drenaje desarrollado para estas condiciones deberá dar respuesta a la
pregunta: ¿Cuánto descenderá la napa freática y cual será la velocidad de descarga
de los drenes como función del distanciamiento de los drenes y de la recarga no
permanente? Tal formula ha sido derivado por numerosos autores.
La primera formula que aquí se muestra fue obtenida por los estudios de Glover Dumn
y presentada por Dumn en 1954: