Contribución de la Comisión Nacional de Riego, CNR, a la prevención del déficit hídrico;
acción coordinada por la Unidad Nacional de Emergencias Agrícolas, UNEA.
Ministerio de Agricultura www.minagri.cl/agroclimatico
MANUAL TÉCNICO
MANEJO DEL RIEGO EN CONDICIONES DE SEQUÍA
2011
Autores:
Jorge Vergara C.
Rodrigo Fuster G.
Alejandro León S.
Paulina León T.
Programa de Aguas y Sociedad, Dpto. Cs. Ambientales y Recursos Naturales, Universidad de Chile
Supervisión Técnica:
César González P.
División de Estudios y Desarrollo. Comisión Nacional de Riego
Edición:
Francisco Fabres B., periodista.
Permitida su difusión total o parcial, citando la fuente.
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN 5
1 CONCEPTOS Y DEFINICIONES 5
1.1 SEQUÍA 5
1.1.1 Sequía meteorológica 6
1.1.2 Sequía hidrológica 6
1.1.3 Sequía Agrícola 7
1.1.4 Impactos de la sequía 7
1.2 OFERTA DE RECURSOS HÍDRICOS 9
1.2.1 Precipitación 9
1.2.2 Escorrentía 16
1.2.3 Infiltración y recarga 18
1.2.4 Acuíferos 21
1.2.5 Conducción del agua hasta el predio 26
1.2.6 Almacenamiento superficial y subterráneo 28
1.2.7 Pronóstico de caudales 30
1.3 DEMANDA DE RECURSOS HÍDRICOS 31
1.3.1 Demanda de agua potable, minería e industria 31
1.3.2 Demanda del sector riego 32
1.3.3 Demanda de agua futura 33
1.4 LEGISLACIÓN HÍDRICA 35
1.4.1 Institucionalidad normativa 35
1.4.2 Normas contenidas en la Constitución Política de la República 35
1.4.3 Código de Aguas y sus modificaciones 35
1.4.4 Jurisprudencia administrativa (concepto de disponibilidad) 36
1.5 CALIDAD DE AGUAS 36
1.5.1 Normativa existente para calidad de aguas de riego 46
1.5.2 Efectos directos e indirectos sobre la agricultura 37
2 ROL DE LAS ORGANIZACIONES DE USUARIOS EN EL MANEJO Y ADMINISTRACIÓN DE LA RED EXTRA PREDIAL 39
2.1 FUNCIONES Y ATRIBUCIONES DE LAS ORGANIZACIONES DE USUARIOS DE AGUAS (OUA) 39
2.1.1 Junta general de usuarios 39
2.1.2 Directorio 39
2.1.3 Usuario 40
2.2 NORMAS COMUNES PARA LAS ORGANIZACIONES DE USUARIOS DE AGUA (MANUAL DE ADMINISTRACIÓN
DE RECURSOS HÍDRICOS DE LA DGA) 41
2.3 INSTITUCIONALIDAD PARA ENFRENTAR LA SEQUÍA EN CHILE 41
2.4 INTERVENCIÓN DE CAUCES POR LA DGA 42
2.5 INDEMNIZACIÓN POR DAÑOS ECONÓMICOS 43
3 UTILIZACIÓN DEL AGUA A NIVEL PREDIAL 44
3.1 CÁLCULO DE LA DEMANDA DE AGUA A NIVEL PREDIAL 44
3.2 PERÍODOS CRÍTICOS DE LOS CULTIVOS FRENTE AL DÉFICIT HÍDRICO 46
3.3 CUANTIFICACIÓN DEL EFECTO DE LA RESTRICCIÓN HÍDRICA EN EL RENDIMIENTO DE LOS CULTIVOS 47
3.4 PROGRAMACIÓN DEL RIEGO 49
3.5 MÉTODOS Y SISTEMAS DE RIEGO 50
3.5.1 Riego gravitacional 50
3.5.2 Riego presurizado 54
4 RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA GESTIÓN EXTRAPREDIAL DEL RIEGO EN CONDICIONES DE SEQUÍA 58
4.1 PREVENIR: SISTEMAS DE ALERTA RÁPIDA PARA LA SEQUÍA 58
4.2 INFRAESTRUCTURA 58
4.3 ADMINISTRACIÓN DE LOS SISTEMAS DE RIEGO 60
5 RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA GESTIÓN INTRAPREDIAL DEL RIEGO EN CONDICIONES DE SEQUÍA 61
5.1 RECOMENDACIONES EN INFRAESTRUCTURA Y EN MÉTODOS DE RIEGO 61
5.1.1 Métodos de riego gravitacional 61
5.1.2 Métodos de riego presurizado 64
5.2 GESTIÓN DEL RIEGO A NIVEL INTRAPREDIAL 65
5.2.1 Programación y manejo según períodos sensibles al déficit 65
5.2.2 Métodos de riego en condiciones controladas de déficit 65
5.2.3 Labor del operario del riego 67
5.2.4 Planificación de la temporada agrícola según disponibilidad 68
5.2.5 Medidas en cultivos anuales, frutales y praderas 68
6 BIBLIOGRAFÍA 70
ÍNDICE FIGURAS
FIGURA 1 : Cálculo de lluvia promedio sobre un área por el método de Thiessen 14
FIGURA 2 : Cálculo de la lluvia promedio sobre un área, por el método de isoyetas 15
FIGURA 3 : Formación y componentes de la escorrentía total 18
FIGURA 4 : Infiltración del agua en el suelo 19
FIGURA 5 : Relación entre velocidad de infiltración e infiltración acumulada 20
FIGURA 6 : Acuíferos confinados y no confinados 22
FIGURA 7 : Acuífero confinado 23
FIGURA 8 : Acuífero colgado 23
FIGURA 9 : Pozo y depresión de la napa 24
FIGURA 10 : Secciones longitudinales esquemáticas para ilustrar (a) presas de agua subterránea y
(b) presas de arena 29
FIGURA 11 : Estimación de demanda máxima actual de agua a nivel nacional (m3/s).. 32
FIGURA 12 : Demanda actual uso consuntivo a nivel regional 33
FIGURA 13 : Proyección de la demanda de agua potable al 2025 34
FIGURA 14 : Proyección de la demanda de agua de la minería e industria al 2025 34
FIGURA 15 : Variación del valor de Ky de acuerdo al período de crecimiento de un cultivo 49
FIGURA 16 : Diagrama del sistema californiano fijo 52
FIGURA 17 : Diagrama del sistema californiano móvil 52
FIGURA 18 : Tipos de riego gravitacional 53
FIGURA 19 : Método del cilindro infiltrómetro 55
FIGURA 20 : Esquema de cabezal de riego 56
ÍNDICE CUADROS
CUADRO 1 : Tipos de sequía de acuerdo a distintas relaciones oferta/demanda 7
CUADRO 2 : Identificación de impactos producidos por las sequías 9
CUADRO 3 : Períodos de retorno y probabilidades de excedencia 12
CUADRO 4 : Períodos de retorno para una serie de datos de precipitación y probabilidades de excedencias calculadas
con la fórmula de California 12
CUADRO 5 : Eficiencia de aplicación del agua de riego 45
CUADRO 6 : Corrección del porcentaje de cobertura (Kr) 46
CUADRO 7 : Método de riego, profundidad radicular activa y períodos críticos para el riego de
algunos cultivos 47
CUADRO 8 : Coeficientes Ky 48
CUADRO 9 : Largos ideales de surcos según tipo de suelo 51
CUADRO 10 : Comparación de métodos de riego superficiales 54
CUADRO 11 : Capacidad aproximada (l/s) de conducción en mangas de plástico de diferentes diámetros
con relación a la pendiente del terreno 63
L
a Comisión Nacional de Riego pone a disposición de la comunidad un documento que reúne informa- ción de conceptos y recomendaciones de utilidad para apoyar a los profesionales que brindan asisten- cia técnica. En él se tratan aspectos relevantes para mitigar los efectos de los fenómenos de sequía en las zonas de riego de nuestro país.El texto ha sido redactado en un lenguaje simple para facilitar su aplicabilidad, pero supone que el lector tiene los conocimientos básicos de un nivel técnico. No obstante, se ha considerado conveniente incluir, tanto en el primer capítulo como en las otras secciones, algunas definiciones y conceptos que resultan de especial importancia.
Los contenidos abordan el rol de las organizaciones de usuarios en el manejo y administración de la red extra predial, con recomendaciones generales para la gestión en condiciones de sequía. Asimismo, propone recomendaciones para la utilización del agua a nivel predial y su gestión en situaciones de escasez.
Se han incluido diferentes enfoques de la problemática, tanto desde el punto productivo como social y am- biental. Lo anterior, sobre la base de la revisión de antecedentes publicados principalmente por CNR, INDAP, INIA, DGA y DOH, entre otros. El detalle de la bibliografía se encuentra en las últimas páginas del Manual.
Este material puede ser de utilidad para quienes deseen profundizar en las materias abordadas, puesto que las páginas siguientes son una guía práctica, y por lo tanto no ahondan en aspectos teóricos ni fórmulas complejas.
Puesto que se ha escrito como instrumento de consulta, se preparó un índice detallado de materias que facilite la búsqueda de información específica en orden no secuencial.
1. CONCEPTOS Y DEFINICIONES
1.1 SEQUÍA
La sequía es un fenómeno con el cual los habitantes de Chile han convivido desde sus orígenes. No se trata de un fenómeno nuevo; por lo tanto, la población y los diversos sectores productivos deben seguir siendo capaces de adaptarse e implementar medidas que permitan enfrentar de mejor forma los futuros períodos de escasez de agua.
Las sequías no tienen ciclos bien definidos en el país. Sin embargo, hay una alta probabilidad de que se in- tensifiquen por efectos del cambio climático global, de modo que la racionalización de los usos del agua es un tema de alta prioridad (Santibáñez y Uribe, 1999).
En términos generales una sequía corresponde a una situación de déficit de agua suficiente para afectar adversamente a la vegetación, fauna, ser humano y sus actividades en un área determinada (Salas, 1978, citado por Fernández, 1991).
INTRODUCCIÓN
Las sequías son el resultado de un proceso complejo en el que intervienen tanto la oferta como la demanda;
la primera, condicionada por la naturaleza; la segunda, condicionada por el nivel de desarrollo y las exigen- cias que se hacen a los sistemas naturales.
Es un fenómeno de lento desarrollo y amplia cobertura espacial. Mientras dura el fenómeno, resulta difícil precisar su duración y extensión física. Sus dimensiones pueden ser determinadas con mayor exactitud una vez que la sequía ha finalizado, desde una perspectiva histórica. Esta situación dificulta la adopción de me- didas durante su desarrollo (Fernández, 1991).
Las variables que se utilizan para definir la oferta de agua disponible en cursos y acuíferos son las mismas usadas para definir, a su vez, los tipos de sequía, algunos de los cuales se describen a continuación.
1.1.1 SEQUÍA METEOROLÓGICA
La sequía meteorológica se produce cuando hay escasez de precipitaciones.
El territorio chileno muestra una relación inversa entre la evapotranspiración y la precipitación. La evapo- transpiración disminuye gradualmente desde el extremo norte hasta el extremo austral. Por el contrario, la precipitación aumenta de norte a sur.
Entre los 35° y 40° de latitud (desde Curicó a Osorno, aproximadamente) se produce un relativo equilibrio entre precipitación y evapotranspiración. Durante años de sequía, los límites de esa zona donde se alcanza el punto de equilibrio se desplazan hacia el sur. Las localidades ubicadas en la parte norte comienzan a sufrir un déficit de precipitaciones, con lo que aumenta la necesidad de riego y se reducen los rendimientos en cultivos de secano, por la falta de lluvias suficientes y oportunas.
1.1.2 SEQUÍA HIDROLÓGICA
La sequía hidrológica está relacionada con los bajos caudales en los cauces superficiales.
De acuerdo a Fernández (1999: 37), la combinación tanto del tipo de régimen fluvial como de la forma de la demanda por las aguas, tiene un efecto importante sobre la ocurrencia y las propiedades de las sequías hidrológicas.
Las fuentes de la oferta o disponibilidad de agua pueden corresponder a regímenes pluviales, nivales, gla- ciares o mixtos. Los pluviales (dependientes de las lluvias) presentan un máximo de oferta en invierno, y estiaje en verano. Los regímenes nivales (derivados de la nieve) presentan valores mínimos de agua en invierno y máximos en primavera y verano. Los regímenes glaciares son similares a los nivales, pero con su máxima disponibilidad hídrica un poco atrasada respecto de éstos debido a que sus hielos se derriten más lentamente que la nieve. Los ríos de régimen mixto (alimentados de distintas fuentes) muestran más de un máximo.
Típicas demandas por las aguas son las impuestas por las hidroeléctricas, con valores máximos en invierno y menores en verano; la agricultura, con valores nulos en invierno y máximos en verano; y las de abasteci- miento urbano, que también tienen un máximo, aunque menos marcado, en verano.
Ciertas combinaciones de las ofertas y demandas típicas mencionadas anteriormente dan origen a sequías que se comportan de manera característica, como se resume en el cuadro 1.
CUADRO 1
Tipos de sequía de acuerdo a distintas relaciones oferta/demanda
Fuente: Fernández, 1999.
1.1.3 SEQUÍA AGRÍCOLA
La sequía agrícola se produce cuando la falta de humedad en el suelo impide dar satisfacción a la demanda de agua de un cultivo. La insuficiencia de humedad del suelo puede estar dada por un déficit en los aportes derivados de las fuentes de agua con que cuenta un predio o por variación de la demanda del cultivo.
Entre las diferentes fuentes de agua se pueden considerar las precipitaciones durante la temporada de de- sarrollo vegetativo, los aportes de riego superficial, las posibles captaciones de agua subterránea e incluso los excedentes de agua que se reciban desde terrenos cercanos, así como la humedad del suelo al nivel de las raíces.
Por otra parte, la demanda depende del desarrollo vegetativo del cultivo, la evapotranspiración y las pérdi- das de conducción y aplicación, de acuerdo con las prácticas de manejo de la zona (Fernández, 1991: 71).
1.1.4 IMPACTOS DE LA SEQUÍA
Existe una serie de índices que permiten establecer la severidad de una sequía en función de su intensidad, de su duración o de su extensión territorial. Uno de los más usados es el de Índice de Severidad de la Sequía de Palmer, PDSI (Palmer, 1975). Mayor información se puede encontrar en http://www.tecnociencia.es/espe- ciales/sequía/indices.htm.
En general, los impactos de las sequías pueden ser analizados desde tres puntos de vista: económico, social y ambiental.
1 Estiaje: nivel más bajo o caudal mínimo que en ciertas épocas del año tienen las aguas de un río, estero, laguna, etc., por causa de la sequía.
Oferta (régimen fluvial) Pluvial
Nival/glacial
Demanda (usos) Agricultura Hidroeléctrico Urbano Agricultura Hidroeléctrico Urbano
Sequías
Frecuentes en verano Esporádicas en otoño Frecuentes en verano Esporádicas a fines de verano Frecuentes en invierno
Esporádicas en otoño/primavera
Las sequías producen efectos en la agricultura, ganadería, industria, producción hidroenergética, entre otras áreas, lo cual se traduce en un incremento de los precios y reducción de las actividades económicas.
En el cuadro 2 se presenta una lista de los impactos producidos por las sequías.
CUADRO 2
Identificación de impactos producidos por las sequías
Fuente: Donoso et al., 1999.
Entre las zonas del país afectadas por la última sequía (1996/97), la Región de Valparaíso presentó una gama amplia de daños. Se observó una disminución de las siembras junto a una pérdida en las cosechas de frutas anticipadas y de cultivos. En ciertas localidades se produjeron serios problemas en plantaciones de paltos, limoneros, lúcumos y chirimoyos. En el sector pecuario se apreciaron pérdidas de peso en el ganado en general y muerte de caprinos y bovinos, además de una disminución en la producción de leche y quesos. Se estima que las pérdidas de la producción de frutas y hortalizas superaron el 30 por ciento, y las pérdidas de siembra y los daños por muerte de ganado sobrepasaron los 40 mil millones de pesos.
En otras regiones se presentaron efectos adicionales a los señalados. Por ejemplo en la Región Metropolita- na surgieron problemas de administración de la distribución de las aguas. La misma situación se repitió en la Región del Libertador Bernardo O’Higgins a nivel de canales, lo que afectó el número de riegos necesarios para siembra de cultivos anuales; a ello se agregó la insuficiente producción de forraje en el verano.
En algunas localidades de la Región del Maule, la sequía llegó a comprometer el agua de bebida humana.
En la Región de Coquimbo, la sequía agravó las condiciones de vulnerabilidad socioeconómica de algunas localidades cuyos sistemas productivos dependen de pequeñas fuentes de agua estacionales, y donde la extrema pobreza es una constante.
Ámbito Económico
Social
Ambiental
Impactos
Impactos en la productividad agrícola y forestal Impactos en la productividad ganadera Impactos en la producción hidroenergética
Impactos en los costos de tratamiento y provisión de agua potable Impactos en las actividades industriales y comerciales
Impactos en la higiene y salud personal y pública Incremento de tasa de desempleo
Deterioro o pérdida de espacios para recreación Incremento de los índices de morbilidad y mortalidad Erosión de suelos
Incendios forestales
Degradación de la calidad del agua (contaminantes) Deterioro de la calidad visual del paisaje
Efectos sobre la flora y fauna autóctonas Proceso de desertificación
Disminución de los caudales bajo los mínimos ecológicos
Finalmente, en la Región de Atacama también se hicieron sentir los efectos, con disminución de superficie cultivada y gran impacto sobre la masa caprina.
En general, aquellos usuarios de cuencas con menor infraestructura de regulación hidrológica reciben el mayor impacto.
Según un estudio de la Comisión Nacional de Riego (2004), un período de sequía lo suficientemente pro- longado puede causar graves desbalances hídricos en las áreas afectadas. Los desbalances son variados, dependiendo del rubro productivo.
En la sequía de 1996 y principios de 1997, la falta de agua en el sector frutícola provocó un menor desa- rrollo vegetativo en las plantaciones durante la temporada misma y afectó la producción del año siguiente, debido a una inducción pobre de yemas. La floración fue irregular y el calibre de la fruta menor. Se observó una mayor sensibilidad a plagas y enfermedades, situación agravada con las cosechas tempranas de fruta inmadura.
En los cultivos y hortalizas, a nivel de planta, se redujo el número de granos producidos, bajando así los ren- dimientos. Hortalizas tales como lechuga, acelga, repollo, etc., se vieron altamente perjudicadas. En general, la calidad del producto disminuyó.
La menor disponibilidad de forraje en la pradera natural y veranadas generó problemas nutricionales y pér- dida de peso en el ganado. En forma paralela, el comportamiento productivo del ganado se vio perjudicado por pariciones desuniformes y tardías, y muerte de crías.
El comportamiento del sector forestal fue distinto. Aunque la sequía impactó el desarrollo de las plantacio- nes, el principal efecto se observó en el incremento del riesgo de incendios forestales, dado que los niveles de humedad de la vegetación fueron muy bajos y aumentó la potencialidad como combustible.
1.2 OFERTA DE RECURSOS HÍDRICOS 1.2.1 PRECIPITACIÓN
a. Medición de las precipitaciones
La precipitación se mide en “altura de agua caída”, que se define como la altura de la lámina de agua que se acumularía sobre una superficie horizontal si toda la precipitación caída permaneciera donde cayó. En caso de que la precipitación sea en forma de nieve, lo que se mide es el equivalente en agua de la nieve caída.
Los instrumentos para medir la precipitación pueden clasificarse, en líneas generales, en instrumentos no inscriptores o “pluviómetros” e instrumentos registradores o “pluviógrafos”. Los primeros sólo miden la al- tura de agua caída durante un período más o menos largo (cada 6 horas o, usualmente, cada 24 horas). En cambio los pluviógrafos van midiendo e inscribiendo de manera instantánea las cantidades de agua caída.
b. Caracterización de las precipitaciones
Para la caracterización de las precipitaciones, es decir, para hacerse una idea del comportamiento normal en un lugar, se busca un valor que sea representativo de esta normalidad, de modo que sirva de base para estudiar la variabilidad del régimen característico.
Dentro de las medidas de comportamiento normal (conocidas como medidas de tendencia central) tene- mos la mediana, la moda, la media aritmética y la geométrica.
i. La mediana
Se define como el valor de la variable para la cual las probabilidades de excedencia y de no excedencia son iguales a 0,5. Es decir, en una serie de datos ordenados de manera decreciente, corresponde al dato central.
Como concepto, es satisfactorio para medir o determinar la normalidad de un fenómeno, y por lo general se utiliza para definir, entre el promedio aritmético y geométrico, aquel que se identifica numéricamen- te mejor con la mediana.
ii. Media aritmética
Se define como el promedio aritmético de las observaciones. Existe el inconveniente de que, en regíme- nes pluviométricos con gran variabilidad, el valor de la media aritmética es arrastrado por los valores extremos, difiriendo bastante de la mediana. Esto es especialmente notable en las zonas Central y Norte de Chile, no así en algunas regiones de la zona Sur o en otros países, donde no ocurre dicha variabilidad y, por lo tanto, se usa la media como valor normal representativo del régimen de precipitaciones.
iii. Media geométrica
Corresponde a un parámetro que muestra mayor similitud con la mediana en valores de precipitación observados. En Chile, la media geométrica es más representativa para las precipitaciones en las zonas Central y Norte que el valor entregado por la media aritmética, aunque esta última es más utilizada por la facilidad que presenta su cálculo.
Su fórmula es:
[1]
Donde:
n = número de años.
p1 = precipitación anual año 1.
pn = precipitación anual año n.
Así, entonces, para las zonas Norte y Central es recomendable utilizar la media geométrica, en tanto para la zona Sur bastaría con la media aritmética dado que la variabilidad de la precipitación es menor.
c. Análisis de frecuencia
En la hidrología, el “análisis de frecuencia” es un método que surge de la necesidad de estimar la proba- bilidad de eventos hidrológicos futuros a partir de series de datos históricos. Por ejemplo, es necesario determinar la probabilidad de igualar o exceder una cierta intensidad máxima de precipitación durante un número promedio de años.
Los datos históricos disponibles constituyen una muestra a partir de la cual deben estimarse las propieda- des de la población. En consecuencia, al estimar valores, el riesgo y el error están siempre presentes, lo que conlleva la necesidad de someter la información a tratamiento y a selección.
El análisis probabilístico de datos exige muestras totalmente aleatorias, es decir, muestras sin sesgo (in- sesgadas), independientes y homogéneas. Una muestra es insesgada si ha sido obtenida por algún proce- dimiento gobernado por leyes de azar. Una muestra es independiente si está constituida por datos que no tienen una relación de influencia mutua temporal ni espacial. Una muestra es homogénea cuando los datos provienen de una misma población (por ejemplo una muestra de temperaturas que fueron tomadas al sol y a la sombra, sería heterogénea).
Ya que un fenómeno hidrológico ocurre sólo una vez, si no se registra o si hay alguna falla en su medición, esa información no será útil para un análisis probabilístico, pues conduciría a resultados erróneos. Por tan- to, los registros utilizados deben ser lo más extensos que sea posible, con el fin de reducir el error en los resultados.
El principal objetivo del análisis de frecuencia de datos históricos es determinar el intervalo de recurrencia de un evento hidrológico de magnitud dada. El intervalo de tiempo promedio dentro del cual la magnitud dada del evento es excedida o igualada una vez se conoce como “período de retorno”.
Si un evento hidrológico (X) igual o mayor que x ocurre una vez en T años, la probabilidad de excedencia (P) será:
[2]
El período de retorno se refiere a un intervalo de tiempo promedio. Ello es importante para la elección de los valores de diseño. Si un evento tiene un período de retorno T, la probabilidad de no excedencia en un año cualquiera será 1 – 1/T, la probabilidad de no excedencia en n años será (1 – 1/T)n y la probabilidad de excedencia en n años, o el riesgo involucrado será 1 – (1 – 1/T)n.
Esto permite elegir un período de retorno necesario para diseñar una obra bajo un riesgo admisible. En estos casos, el período de retorno depende entonces del costo / beneficio, la vida útil y el objetivo de la obra.
CUADRO 3
Períodos de retorno y probabilidades de excedencia
Fuente: Espildora et al., 1975
CUADRO 4
Períodos de retorno para una serie de datos de precipitación y probabilidades de excedencias calculadas con la fórmula de California
Nombre fórmula California Hazen Weibull Chegodayev Blom Tukey Gringorten
Período de retorno (T) N/m2N/(2m-1)
(N+0,4)/(m+0,3) (N+0,12)/(m-0,44)
Probabilidad de excedencia (P) m/N(2m-1)/2N
(m+0,3)/(N+0.4) (m-3/8)/(N+1/4) (3m-1)/(3N+1) (m-0,44)/(N+0,12)
N° de Orden (m)
12 34 56 78 109 1112 1314 1516 1718 1920 2122 2324 2526 2728 29
Año
19801965 19841963 19861966 19721982 19811987 19771978 19791975 19691967 19851971 19891988 19701990 19641974 19731983 19761968 1962
(mm)PP 1 .559,9 1 .432,8 1.410,2 1.405,5 1394,3 1.372,1 1.361,7 1 .332,5 1 .278,8 1 .224,9 1.199,9 1.181,4 1.180,0 1.148,7 1.143,1 1 .040,6 981,2 959,1 918,8 904,4 889,9 870,1 863,0 860,9 808,0 767,8 760,9 684,7 657,2
Período de retorno
(años) 3015 7,510 65 4,33,8 3,33 2,72,5 2,32,1 2,01,9 1,81,7 1,61,5 1,41,4 1,31,2 1,21,1 1,11,0 1,0
Probabilidad de Excedencia (%)
3,36,7 10,013,3 16,720,0 23,326,7 30,033,3 36,740,0 43,346,7 50,053,0 56,760,0 63,366,7 70,073,3 76,780,0 83,386,7 90,093,3 96,7
La Comisión Nacional de Riego tiene a disposición de los usuarios estudios con estimaciones de análisis de frecuencia para todas las cuencas donde la Dirección General de Aguas posee estaciones de control fluvio- métrico2, y en aquellas cuencas donde no hay información se han hecho estimaciones de probabilidades de excedencia utilizando modelos, principalmente el modelo MAGIC.
d. Presentación y análisis de datos pluviométricos para una cuenca o región geográfica
El análisis de las precipitaciones sobre una determinada área está basado en la hipótesis de que la precipi- tación puntual observada en una estación pluviométrica representa la precipitación caída en una zona más o menos extendida según la densidad de la red pluviométrica.
La veracidad de esta hipótesis dependerá, por supuesto, de las características meteorológicas y topográfi- cas del área. En estricto rigor, la precipitación medida en un pluviómetro es una precipitación puntual, sujeta a una serie de errores de representatividad y, por tanto, es más bien un índice de precipitación que un valor real.
A continuación se incluyen algunos métodos para representar datos pluviométricos en una región o cuenca, basándose en la hipótesis expuesta más arriba.
Existen, en general, tres métodos para estimar la precipitación media sobre una cierta zona.
i. Método de los promedios aritméticos
Como lo indica su nombre, el método consiste en obtener el promedio aritmético de las precipitaciones caídas durante cierto intervalo de tiempo (horas, días, meses, años) en las distintas estaciones pluviomé- tricas existentes en la zona considerada. El promedio así obtenido se supone que es la lámina media de agua caída (Espíldora et al., 1975; Chow et al., 1994).
El método de los promedios aritméticos sólo debe usarse cuando el relieve es más o menos plano, vale decir, cuando el régimen pluviométrico no es afectado mayormente por factores topográficos (como la altura). Las estaciones deben estar uniformemente distribuidas, y las precipitaciones captadas en cada una de ellas no deben diferir mayormente entre sí. Si estas condiciones no se cumplen totalmente, la lámina de agua promedio real diferirá bastante del valor obtenido por este método.
ii. Método de los polígonos de Thiessen
Está basado en suponer que cada estación pluviométrica representa la precipitación caída sobre cierta fracción de área de la cuenca o región considerada. Así, expresando esta área “representativa” como por- centaje del área total de la región en estudio, se le puede dar a cada estación un factor de ponderación que es igual a dicho porcentaje, y con ello calcular la precipitación media como un promedio ponderado entre las precipitaciones registradas en cada estación.
2 http://www.cnr.cl/opensite/frm_opensite.asp?glb_cod_sistema=20020129172812&glb_cod_nodo=20041126113529&glb_
cod_nodo_recarga=20060220164558&glb_send=link
Para determinar el área representativa de cada estación, se procede de la siguiente manera:
Se ubican las estaciones pluviométricas en un mapa de la cuenca o región en estudio y se trazan rectas uniendo las estaciones más vecinas, formándose así una serie de triángulos. Las perpendiculares en los puntos medios de los lados de estos triángulos generan una serie de polígonos alrededor de cada esta- ción. El método parte de la base de que el área de estos polígonos representa la zona de influencia del pluviómetro que queda en su interior. El área del polígono expresada como porcentaje del área total de la cuenca es el factor de ponderación del pluviómetro respectivo.
El método de los polígonos de Thiessen supone una variación lineal de la precipitación entre dos es- taciones contiguas. Su gran limitación radica en el hecho de que se necesita hacer una nueva red de polígonos cada vez que se cambia una estación o que faltan sus datos.
Además, no se tiene en cuenta las influencias orográficas sobre la precipitación y se supone arbitraria- mente una zona de influencia a cada pluviómetro de la red. Sin embargo, la precipitación media calcu- lada por este método, es más realista que el simple promedio aritmético de cada estación. El método tiene la ventaja de su rapidez ya que si la red pluviométrica no cambia los factores de ponderación son constantes para todas las lluvias (Espíldora et al., 1975; Chow et al., 1994).
FIGURA 1
Cálculo de lluvia promedio sobre un área por el método de Thiessen
Fuente: Chow et al., 1994.
Estación Lluvia observada Área Lluvia (mm ó pulg) (km2 ó mi2) ponderada
(mm o pulg) P1 10,0 0,22 2,2 P2 20,0 4,02 80,4 P3 30,0 1,35 40,5 P4 40,0 1,60 64,0 P5 50,0 1,95 97,5 9,14 284,6 Precipitación media = 284,6 / 9,14 =31,1 mm ó pulg.
iii. Método de las isoyetas
El método más racional y “exacto” para calcular la precipitación media sobre una cuenca es aquél basado en las curvas isoyetas.
Sobre el mapa de la cuenca o región, se trazan líneas que unan puntos de igual precipitación (isoyetas), interpolando entre las precipitaciones observadas en cada pluviómetro o pluviógrafo de la red.
Luego se calcula el “volumen del relieve pluviométrico”, para lo cual se determina el área entre dos isoyetas consecutivas y se multiplican por la correspondiente precipitación media de cada área, que se puede suponer igual al promedio de los valores de las isoyetas que acotan cada área. Los volúmenes parciales así obtenidos se suman y se dividen por el área total para obtener la lámina de agua promedio caída sobre la cuenca.
El método tiene la ventaja de que, al trazar las isoyetas, puede tenerse en cuenta la influencia de facto- res topográficos y meteorológicos en el régimen de precipitaciones, lográndose así una mejor represen- tación de la configuración de la lluvia y del régimen de precipitaciones. Además, los valores obtenidos de la precipitación media son más exactos y realistas que los dados por los dos métodos anteriores. En todo caso el éxito y representatividad de los resultados dependen, en gran medida, de la pericia y experien- cia de quien determina las isoyetas. Cualquier error de interpolación en este sentido puede dar valores totalmente falsos.
Una de las desventajas del procedimiento es su laboriosidad, ya que para cada lluvia es necesario repetir el procedimiento. Si las isoyetas sólo se determinan por interpolación lineal entre las estaciones, el valor de la precipitación media así obtenida será esencialmente igual al calculado por los polígonos de Thies- sen. La consideración de factores topográficos y meteorológicos puede ser difícil y subjetiva (Espíldora et al., 1975; Chow et al., 1994).
FIGURA 2
Cálculo de la lluvia promedio sobre un área, por el método de isoyetas
Fuente: Chow et al., 1994
Isoyetas Área entre isoyetas Precipitación Volumen de (mm ó pulg) (km2 ó mi2) media precipitación
(mm ó pulg)
10 0,88 5* 4,4 20 1,59 15 23,9 30 2,24 25 56,0 40 3,01 35 105,4
50 1,22 45 54,9 0,20 53* 10,6 9,14 255,2
*Estimado
Precipitación media = 255,2/9,14 = 27,9 mm ó pulg.
1.2.2 ESCORRENTÍA a. Introducción
La escorrentía corresponde a la fracción de la precipitación que se manifiesta más tarde como corriente de agua superficial en un río, ya sea de manera permanente o intermitente. En una hoya hidrográfica, la esco- rrentía se refiere a aquella que se genera en toda la extensión de la cuenca. Sólo en el caso de que el caudal en los ríos no sea afectado por desviaciones o regulaciones artificiales, la escorrentía es numéricamente igual al caudal medido en la sección de salida de la hoya.
Evidentemente, para lograr un uso integral y sostenible de los recursos hidrológicos superficiales, se hace prioritaria la necesidad de conocer con exactitud la magnitud y distribución en el tiempo de la escorrentía en una hoya hidrográfica.
b. Clasificación de la escorrentía
La escorrentía total en una cuenca puede originarse a partir de cuatro fuentes diferentes:
i. La escorrentía superficial
Está constituida por aquella parte de la precipitación que escurre superficialmente sobre el cauce prin- cipal de la cuenca. Antes de que esta parte de la precipitación se incorpore a un cauce de cualquier magnitud, la lámina de agua que escurre superficialmente se denomina usualmente flujo superficial.
La escorrentía superficial entonces se constituye por la precipitación menos la infiltración, la intercep- ción y el almacenamiento superficial. Durante una tormenta, este componente de la escorrentía total es el que se manifiesta más pronto en los cauces y constituye el principal componente en el hidrograma de la crecida producida por la lluvia (caudal en función del tiempo).
ii La escorrentía subsuperficial o flujo intermedio
Es aquella parte de la escorrentía total que comprende la precipitación que infiltra en el suelo, y que lue- go fluye lateralmente a través de los primeros horizontes de suelo por encima de la napa subterránea, hasta incorporarse eventualmente a los cauces superficiales de drenaje.
La magnitud de este componente y su distribución en el tiempo dependen principalmente de la estruc- tura geológica de la cuenca. Por ejemplo, la presencia de un horizonte relativamente impermeable y cercano a la superficie favorece extraordinariamente la existencia del flujo subsuperficial.
Una parte de la escorrentía subsuperficial se puede manifestar rápidamente en la escorrentía total en un cauce, en cambio la fracción restante de ella puede tomar un tiempo relativamente largo en incorporar- se a un río, dependiendo si el flujo se lleva a cabo a través de los macroporos o microporos del suelo. De este modo se puede distinguir un flujo subsuperficial “rápido” y otro “lento”.
iii. La escorrentía subterránea
Es aquella fracción de la escorrentía total que se debe a la percolación profunda de la lluvia o del de- rretimiento de la nieve a través del suelo hasta alcanzar la napa subterránea. Ésta puede interceptar el cauce de un río y aportar, así, parte del flujo subterráneo.
La magnitud de la percolación profunda dependerá de la magnitud de la lluvia, de la estructura geológi- ca de la cuenca y del porcentaje de humedad de los horizontes del suelo sobre el acuífero.
El aporte que hace la escorrentía subterránea a la escorrentía total en el río se manifiesta con mucha mayor lentitud que los otros componentes y su efecto es también más prolongado, debido a la lentitud de los escurrimientos subterráneos. Por tanto, en una crecida producida a raíz de una lluvia, el efecto de la escorrentía subterránea no es de gran importancia. La variabilidad del desfase en el tiempo y de la magnitud del aporte dependerá, también, de la geología de la cuenca.
iv. Precipitación que cae directamente sobre los cauces
El cuarto componente de la escorrentía total está constituido por la precipitación que cae directamente sobre los cauces. Como se trata de una superficie relativamente pequeña respecto del área de la cuenca, por lo general se desprecia frente a los demás componentes de la escorrentía total.
c. Escorrentía directa y flujo base
Considerando los problemas que surgen en la apreciación del flujo intermedio, en términos prácticos el análisis de la escorrentía total en una determinada cuenca puede dividirse en escorrentía directa y flujo base.
Se denomina escorrentía directa a aquella fracción de la escorrentía total que se incorpora rápidamente al río, poco después de la lluvia o del derretimiento de nieves. Por lo tanto, se estima que es igual a la suma de la escorrentía superficial, el flujo intermedio rápido y la precipitación directa sobre los cauces.
El flujo o escorrentía base queda constituido principalmente por el aporte del agua subterránea al río y por lo tanto corresponde a la escorrentía que se mantiene durante el período sin lluvia. Para completar esta distinción de componentes, y sobre todo la terminología usada en relación al fenómeno de escorrentía, es necesario definir aun otros términos.
Se denomina precipitación (o lluvia) en exceso, a aquella parte de la precipitación total que contribuye directamente a la escorrentía superficial. Luego, la precipitación en exceso es igual a la precipitación total menos la intercepción, la evapotranspiración, el almacenamiento superficial y la infiltración.
Aquella parte de la precipitación que contribuye enteramente a la escorrentía directa se denomina preci- pitación efectiva. En otras palabras, la precipitación efectiva es igual a la precipitación en exceso y aquella parte de la precipitación que se convierte rápidamente en escorrentía superficial (Espíldora et al., 1975).
Una esquematización de estas definiciones se puede observar en la siguiente figura.
FIGURA 3
Formación y componentes de la escorrentía total
Fuente: Elaboración propia basada en Espíldora et al., 1975.
1.2.3 INFILTRACIÓN Y RECARGA
Los movimientos de infiltración, junto a los de percolación y capilaridad, son de gran importancia en cual- quier trabajo de riego, ya que afectan la cantidad de agua que entra al suelo durante los riegos, la distribu- ción de la humedad y las pérdidas más allá de la zona radicular.
La infiltración se refiere a la entrada vertical del agua al suelo (figura 4). Cuantitativamente, la tasa de capacidad de infiltración se define como el volumen de agua que entra al suelo en una unidad de área por
unidad de tiempo. Otro término usado para señalar la infiltración es la “velocidad de infiltración”, la cual puede expresarse como la altura de agua que entra al suelo por unidad de tiempo.
FIGURA 4
Infiltración del agua en el suelo
Aunque ambos términos muchas veces son usados sinónimamente, la velocidad de infiltración general- mente es mayor o, a lo sumo, igual que la tasa de infiltración, ya que se ve aumentada por el escurrimiento lateral del agua aplicada a través del perfil.
La entrada del agua al suelo fluctúa ampliamente entre los diferentes tipos de suelo, e incluso se observan grandes variaciones dentro de un mismo tipo de suelo, dependiendo en gran medida del nivel de humedad, de las prácticas de manejo y de su estado físico-químico, como son las características de perfil, cubierta vegetal, textura, estructura, materia orgánica y otros.
El grado de infiltración está influenciado en forma crítica por las condiciones superficiales del suelo, aun cuando las capas inferiores puedan ser también limitantes.
Las prácticas de manejo del suelo, que afectan sus propiedades físicas, influencian la entrada y movimiento del agua en el perfil.
Por otra parte, los fertilizantes a menudo aumentan la cubierta vegetal y retardan el escurrimiento super- ficial; por lo tanto la infiltración puede aumentar notablemente. Al respecto, se han encontrado diferencias significativas entre las tasas de infiltración de suelos abonados y no abonados, comprobándose incremen- tos de la infiltración toda vez que se añade residuos vegetales a la superficie.
Numerosos investigadores han demostrado que hay una definida relación entre la infiltración y la porosidad o factores que afectan la porosidad. Al estudiar los factores que afectan la tasa y la cantidad total de infil- tración, se concluye que el incremento del espacio poroso, a causa de la profundidad radical del cultivo y de la vegetación, es el más dominante.
La infiltración del agua en el suelo durante un riego es relativamente más rápida cuando recién se aplica. A medida que el riego continúa y el suelo superior gradualmente se satura, la infiltración decrece paulatina- mente hasta alcanzar un valor casi constante.
Esta disminución de la velocidad de infiltración con el tiempo se debe, principalmente, a la disminución de la gradiente del potencial de humedad del suelo hasta llegar a cero (suelo saturado). A partir de ese momento, sólo actúa la fuerza gravitacional, haciendo constante la velocidad de infiltración. Por otro lado, esta rápida disminución, en la mayoría de los suelos después de los primeros minutos, se debe también a la dispersión de las partículas mayores del suelo, a la concentración de las partículas más pequeñas entre las más gran- des y al hinchamiento de los coloides por el flujo de agua, de modo que los poros se tapan (figura 5).
FIGURA 5
Relación entre velocidad de infiltración e infiltración acumulada
También debe mencionarse a la materia orgánica como un importante factor de la tasa de infiltración, de- bido a su mayor porosidad y a su influencia sobre la mayor estabilidad de los agregados del suelo. En este sentido, se señala que la estabilidad de la agregación del suelo tiene una correlación positiva con la tasa de infiltración.
Los factores que afectan el consumo de agua por el suelo, se pueden agrupar en:
• Condiciones de la superficie del suelo.
• Características internas de la masa de suelo, incluyendo tamaño de poros, profundidad o espesor de la porción permeable, grado de hinchazón de los coloides, y arcillas, contenido de materia orgánica y grado de agregación.
• Contenido de humedad del suelo.
• Duración de la lluvia o aplicación de agua.
• Estación del año y temperatura del agua y suelo.
1.2.4 ACUÍFEROS a. Introducción
La hidrología de aguas subterráneas corresponde a aquella parte de esta ciencia que estudia la ocurrencia, distribución y movimiento del agua bajo la superficie de la tierra.
En general, se entiende por agua subterránea a aquella que se encuentra ocupando la totalidad de los poros o aberturas de una formación geológica, aunque también se considera el agua que ocupa parcialmente los poros de una formación de suelo, y que es de gran importancia para abastecer a las raíces de las plantas. En el primer caso, se dice que el suelo está saturado con agua y a la zona en que esto ocurre se le llama zona de saturación. En el segundo caso el suelo no está saturado y a esa zona se le llama zona no saturada.
Según su origen, las aguas subterráneas se pueden clasificar en meteóricas, juveniles o innatas.
Las aguas meteóricas son provenientes de la atmósfera y se convierten en aguas subterráneas luego de su precipitación y posterior infiltración.
Las aguas juveniles son aquellas que se forman en el magma o pueden originarse junto con las lavas vol- cánicas.
Las aguas innatas o connatas son aquellas que han sido atrapadas en los huecos de rocas sedimentarias en la época en que las aguas fueron depositadas.
Cuantitativamente las aguas meteóricas son las únicas que realmente importan en términos de su aprove- chamiento, ya que en estos casos hay una renovación constante en períodos breves de tiempo.
El agua subterránea nunca es químicamente pura, pudiendo ser de calidad muy variable según las capas de suelo que atraviesa. Las substancias en disolución provienen de la meteorización de las rocas, de los gases del aire, de gases volcánicos o fuentes orgánicas.
b. Formaciones y tipos de acuíferos
Los acuíferos constituyen los terrenos que más interesan desde el punto de vista del aprovechamiento de aguas subterráneas, ya que en ellos el agua está contenida en rellenos sedimentarios cuya permeabilidad y porosidad originales no han sido afectadas por procesos posteriores que tiendan a cerrar los poros, mante- niéndose las características hidráulicas que favorecen el almacenamiento y transporte.
Por otra parte, el agua subterránea puede encontrarse en el subsuelo en dos formas, de acuerdo a la presión que aquella presenta.
• No confinada: en que sobre el nivel superior del agua de la zona saturada se tiene una presión igual a la atmosférica.
• Confinada: en que sobre el nivel superior del agua de la zona saturada se tiene una presión mayor que la atmosférica.
En las dos situaciones, la parte inferior del sistema suelo-agua (napa) es una capa de baja permeabilidad que limita el escurrimiento vertical del agua.
Al sistema suelo-agua del primer caso, se le denomina napa no confinada, libre, freática o no artesiana.
Ésta se presenta generalmente cuando el material sobre el nivel superior del agua es suficientemente per- meable como para permitir el escurrimiento de agua por sus poros. La recarga de este acuífero se produce debido a una infiltración vertical a través de: a) la zona saturada; b) flujo subterráneo lateral; o c) desde estratos inferiores.
El segundo caso se denomina napa confinada, en presión o artesiana. En este caso, el material sobre el nivel superior del agua posee una permeabilidad tan pequeña que genera una infiltración vertical muy lenta, y la recarga o alimentación desde aguas arriba es mucho mayor que el volumen de poros del material per- meable; así, todos estos poros son llenados y el agua que no ha podido incorporarse al sistema, ejerce una presión que supera la atmosférica.
Estas situaciones se pueden observar a través de pozos de observación. Así, si se tiene un pozo que penetra un acuífero no confinado, el nivel de aguas dentro del pozo será igual al nivel del agua de la zona saturada del acuífero. En el otro caso, si se tiene un acuífero confinado entre dos estratos de baja permeabilidad, el nivel del agua en un pozo que penetre completamente la capa de baja permeabilidad superior de la napa, se ubicará por sobre el estrato confinante superior.
FIGURA 6
Acuíferos confinados y no confinados
Fuente: Elaboración propia basada en Espíldora et al., 1975.
FIGURA 7
Acuífero confinado
Fuente: Elaboración propia basada en Geologic Explorations on Disk Geode II. 1998.
Pueden presentarse situaciones en que se tiene un acuífero no confinado alimentado por una recarga verti- cal, en donde sobre el nivel superior de la zona saturada puede existir un estrato de baja permeabilidad de pequeñas dimensiones que limita el escurrimiento vertical debido a la recarga. Sobre este estrato de baja permeabilidad se acumulará el agua formándose una napa no confinada que se denomina napa colgada, situación que se puede observar en la siguiente figura.
FIGURA 8
Acuífero colgado
Fuente: Elaboración propia basada en Espíldora et al., 1975.
c. Hidráulica de pozos
La manera más usual de explorar las aguas subterráneas es a través de pozos. El comportamiento hidráulico que éstos muestren es de importancia principalmente por tres razones:
• Se puede determinar las permeabilidades de los terrenos a través de extracciones de agua y me- diante el control del comportamiento de los niveles piezométricos de las napas.
• Al planificar el aprovechamiento de un pozo como captación de recursos para cualquier uso.
• Visualizar el comportamiento de los niveles de la napa, resulta útil en drenajes, ya sea como mé- todo de saneamiento de terrenos o bien para deprimir el nivel de aguas subterráneas con el fin de realizar alguna obra de ingeniería.
Cuando se extrae agua a través de un pozo, los niveles piezométricos de la napa se deprimen, formando un
“cono de depresión” que va aumentando hasta que se produce un régimen de equilibrio o permanente en el cual se mantienen los niveles piezométricos mientras el caudal de extracción se mantenga constante.
Previamente a la estabilización de los niveles piezométricos, las condiciones de desequilibrio existentes determinan el comportamiento del escurrimiento subterráneo hacia el pozo. En la figura 9 se puede obser- var la condición inicial un pozo profundo (izquierda) y la depresión del nivel freático producto del bombeo (derecha).
FIGURA 9
Pozo y depresión de la napa
Fuente: Elaboración propia basada en Geologic Explorations on Disk Geode II, 1998.
La situación de los pozos es compleja, depende de la continuidad o no del flujo, del tipo de napa en la cual se ubique el pozo, si éste llega o no a la estrata impermeable, etc. En cada caso la ecuación que describa el flujo de agua debe ser analizada para comprender el fenómeno que está ocurriendo.
d. Evaluación y aprovechamiento de las aguas subterráneas en una cuenca
Existen diversos métodos para evaluar el recurso en una cuenca. Algunos usan instrumentos para hacer mediciones en terreno, otros realizan determinaciones a través de balances hidrológicos, y otros a través de métodos directos.
El método que se aplique en cada caso depende fundamentalmente del objetivo y alcance del estudio de- seado, y de los antecedentes disponibles.
En el aprovechamiento de los recursos de un acuífero en una cuenca, deben considerarse los usos que se darán al agua subterránea, su disponibilidad, calidad y ciertos factores económicos que pueden ser de im- portancia.
En la evaluación del recurso hídrico subterráneo se puede aplicar varios métodos. A continuación se descri- ben algunos (Espíldora et al., 1975).
• Fluctuaciones del nivel de la napa:
Consiste en la observación de la subida del nivel de pozos durante períodos determinados de tiempo. Para la aplicación de este procedimiento, es necesario asegurarse de que las variaciones de nivel observadas en un pozo correspondan a una variación general del nivel de la napa y no sean sólo efectos locales. Observa- ciones de fluctuaciones de niveles en períodos diurnos, sin precipitaciones, permiten apreciar el consumo evapotranspirativo en la zona donde se ubica el pozo.
• Infiltración y afloramientos:
Consiste en establecer secciones de control a lo largo de los escurrimientos superficiales y determinar zonas y magnitudes de recarga y descarga de las napas subterráneas. El procedimiento es aplicable al caso de escurrimientos cuyo caudal es relativamente constante, con magnitudes apreciables en relación a aflo- ramientos e infiltraciones. No es aplicable al caso de crecidas, puesto que en estas situaciones la medición de caudales es poco exacta y la proporción de pérdidas o ganancias es pequeña.
• Balance hidrológico:
Como es sabido, consiste en determinar la cantidad total de precipitaciones sobre una cuenca, y des- contar de ella las partes correspondientes a escurrimiento superficial y pérdidas por evaporación, transpiración, etc.
A pesar de que este método se ocupa en muchos casos diferentes, sólo permite obtener buenos resultados en zonas en que la recarga de aguas subterráneas es grande en comparación con las precipitaciones totales.
Para su aplicación se puede utilizar magnitudes medias anuales correspondientes a un año y efectuar ba- lances durante varios años consecutivos para obtener un valor promedio, o efectuar un sólo balance con magnitudes medias de varios años, siempre que se disponga de antecedentes para ello.
Se requiere contar con los siguientes antecedentes, o con los necesarios para la estimación de ellos:
- Escurrimientos superficiales de una estación fluviométrica a lo menos, ubicada en el extremo de aguas abajo de la cuenca considerada, con registro anual continuo o de varios años.
- Precipitaciones: un plano de isoyetas sobre toda la hoya en estudio, que debe ser concordante con los datos anteriores en lo que se refiere al período de tiempo sobre el cual se basan. Las precipitaciones pueden corresponder a nieve o agua, debiendo expresarse en alturas equivalentes de esta última.
- Hoya hidrográfica: conocimiento de la superficie total de la hoya aguas arriba de la sección considerada, en relación a superficies de agua de nieve, de terrenos sin vegetación, bosques, pastos, arbustos y culti- vos en general.
- Evaporación desde superficies de agua: conocimiento de la evaporación anual desde la cuenca, a partir de mediciones directas o calculada en función de datos climáticos.
- Evaporación desde superficies de nieve: puede estimarse aproximadamente a partir de mediciones he- chas en terreno o de estimaciones derivadas de experiencias en otras cuencas.
- Evaporación desde superficies de tierra y transpiración de las plantas.
- Infiltración proveniente de regadíos: debe estimarse qué parte del agua utilizada en regadío infiltra a profundidades mayores que el alcance de las raíces y se incorpora a la napa subterránea.
- La aplicabilidad del método de balance hidrológico radica fundamentalmente en la precisión de los re- sultados que en cada caso pueden obtenerse, según la aproximación con que es posible evaluar cada uno los factores que en él intervienen.
• Determinaciones directas del caudal de la napa:
Estas determinaciones directas pueden hacerse en alguna sección de interés, para lo cual se requiere:
- Mediante sondajes de prospección, hacer un reconocimiento de la potencia y extensión de los rellenos permeables que puedan existir.
- Trazar curvas de nivel del escurrimiento subterráneo para la definición de direcciones del flujo y gradien- tes hidráulicos.
- Determinar coeficientes de permeabilidad mediante pruebas de agotamiento y/o medición de la veloci- dad de escurrimiento subterráneo.
La aplicación de este método exige contar con numerosas prospecciones en lugares favorables
1.2.5 CONDUCCIÓN DEL AGUA HASTA EL PREDIO a. Eficiencia de captación (bocatomas)
Son estructuras ubicadas en la fuente que proporciona el recurso. Tienen como función extraer los derechos que uno o más usuarios poseen en el cauce. En gran porcentaje son rudimentarias y sólo proporcionan una asignación de derechos aproximada, especialmente aquellas que interceptan un cauce por medio de un muro de piedras y se construyen al inicio de cada temporada.
Un aspecto importante y decisivo en el diseño de la obra es el período de utilización de la bocatoma. Una bocatoma que opera continuamente durante todo el año, debe contar con los elementos de control para operar en condiciones adversas, como son las grandes crecidas de invierno. Además, una obra de este tipo tiene que poder captar el caudal de diseño con toda la gama de caudales en el río.
La eficiencia de captación se mejora considerando obras de toma que en lo posible no modifiquen el flujo normal de la fuente. Éstas deben ubicarse en zonas que no causen erosión o sedimentación y estar por de- bajo de los niveles mínimos de agua en períodos de estiaje. La obra de toma debe ubicarse de tal manera que las variaciones de nivel no alteren el funcionamiento normal de la captación.
Los aspectos hidráulicos necesarios de considerar en el diseño de una bocatoma son:
• Eliminar lo más posible la entrada de sedimentos a las obras de aducción.
• Considerar la disipación de la energía hidráulica al pie de la barrera móvil, la que puede ser impor tante durante la operación de las compuertas de la barrera.
• Protección de la obras contra las socavaciones que podrían producirse al pie de la barrera móvil, barrera fija, zonas de la expansión del flujo aguas debajo de las barreras, etc.
• Controlar las filtraciones bajo las obras, a fin de evitar el movimiento de los materiales finos del suelo de fundación (fenómeno de “piping”). También hay que determinar las subpresiones para el diseño estructural de las obras.
b. Eficiencia de conducción
Se denomina obras de conducción a las estructuras y elementos que sirven para transportar el agua desde la captación hasta el predio. En forma tradicional, se utilizan canales en tierra o revestidos con diferentes materiales como, por ejemplo, losetas.
Para la evaluación de la eficiencia de conducción del agua, se consideran las pérdidas en canales por con- cepto de evaporación, filtración, percolación y malezas que crecen en sus orillas. A esto se suman los robos de agua y también los desbordes o pérdidas por estructuras mal dimensionadas o en mal estado, entre otras variables.
La magnitud de las pérdidas se puede expresar como el porcentaje de agua que sale del tramo de canal que se desea evaluar, respecto del que ingresa a éste.
La expresión matemática de este concepto está dada por:
[3]
Donde:
Qr = caudal recibido en el predio.
Qc = caudal captado en bocatoma.
Las pérdidas por infiltración pueden llegar a ser importantes en el caso de canales sin revestir.
Los aforos permiten cuantificar aquellos canales y sectores en donde se producen las mayores pérdidas.
El aforo se define como el conjunto de mediciones y operaciones que se realizan para determinar el gasto.
Entendiéndose éste como la cantidad de líquido, expresada en volumen, que pasa por una sección de refe- rencia en una unidad de tiempo.
[4]
Donde:
Q = gasto en unidades de volumen y tiempo.
A = área en unidades de superficie.
V = velocidad en unidades de longitud y tiempo.
En la medición del flujo del agua, existen varios métodos, pero los tres más comúnmente usados son el molinete, los vertederos y los medidores Parshall.
c. Eficiencia de distribución
Las obras de distribución corresponden a aquellas que permiten repartir el agua conforme a derecho el agua hasta la entrega en el predio (compuertas, marcos partidores, y otros dispositivos). Problemas a nivel de distribución se suman a las pérdidas de un sistema de riego extrapredial.
Las causas de pérdidas en la distribución están dadas normalmente por:
• Compuertas y sellos en mal estado.
• Perforaciones debido a la corrosión del fierro por falta de conservación.
• Pérdidas por errores del manejo del sistema de distribución, tales como obturación de marcos partidores o compuertas de distribución.
• Variaciones en carga sobre las compuertas, que también propician desperdicios de agua en la red.
El mejoramiento de los sistemas de distribución se puede lograr a través de la construcción de marcos par- tidores fijos o móviles, instalación de cajas de distribución, mantención de compuertas, revisión del estado de los materiales y sellos de las obras de distribución, instalación de sistemas de reparto automático, entre otras posibilidades.
Es importante destacar la importancia de la regulación interna de un sistema de riego extra predial a través de pequeños embalses. Éstos permiten evitar las pérdidas operacionales generadas por la dificultad que existe de adecuar la oferta en el espacio, en el tiempo y en el caudal, con los requerimientos de agua en cada una de esas dimensiones. Según Cruz (2001), los pequeños embalses permiten adecuar los tiempos y los caudales de desembalse y riego, mejorando la eficiencia del sistema.
1.2.6 ALMACENAMIENTO SUPERFICIAL Y SUBTERRÁNEO a. Almacenamiento superficial
En el Manual de pequeñas obras de riego elaborado por INDAP (Barrientos, 2000), se definen las siguientes alternativas de almacenamiento superficial:
• Tranque acumulador: es una obra de acumulación del agua de riego en un predio, destinada a la regulación de los turnos de riego para uno o más predios o a la regulación nocturna y de fin de semana.
Su objetivo es acumular el agua de un turno, que corresponde a un gran caudal entregado a puerta de predio por un período muy corto. En algunas zonas, los predios suelen recibir toda el agua que lleva el canal, por un tiempo muy breve (un par de horas o, a veces, minutos), en turnos de más de 14 días. Ello
impide hacer una buena programación de los riegos y, menos aún, aplicar el agua en forma eficiente. En los acumuladores nocturnos se almacena el agua durante la noche y se utiliza al día siguiente con mayor eficiencia, ya que se evita las enormes pérdidas de agua asociadas al riego nocturno.
• Embalse de temporada: es una obra de riego que permite almacenar aguas provenientes de las lluvias del invierno para utilizarlas en los meses siguientes, de primavera y verano, en forma coincidente con la mayor demanda por parte de los cultivos. Esta obra está compuesta principalmente por: a) muro o presa, b) depósito o vaso de almacenamiento; c) obra de toma y d) vertedero.
• Estanques: son depósitos de agua con capacidad inferior a 500 m3, de variadas formas, construidos en albañilería de ladrillo, mampostería de piedra, hormigón armado, polietileno o planchas de fibro- cemento. Los depósitos más pequeños corresponden a estanques hechos con fibra de vidrio, corrien- temente con tapa, y una capacidad de 500 a 2.500 litros. Es frecuente que estos estanques se instalen sobre una torre de estructura metálica o de madera (copa de agua), ubicada en el sector más alto del predio, con el objeto de obtener agua con la presión suficiente para el funcionamiento de un sistema de riego por goteo. El desnivel mínimo que se requiere en estos casos es de 10 a 12 metros.
b. Almacenamiento subsuperficial
A partir del año 2002, el Banco Mundial promueve estructuras para pequeños aprovechamientos de agua subsuperficial en áreas donde normalmente la construcción de pequeñas presas superficiales ocasiona pér- didas por evaporación muy altas.
Existen dos tipos: (a) presas cortadas en la cubierta aluvial para interceptar el flujo de agua subterránea (presas de agua subterránea) y (b) presas construidas en los lechos de los cauces, aguas arriba de los cuales la sedimentación forma un acuífero (presas de arena).
FIGURA 10
Secciones longitudinales esquemáticas para ilustrar (a) presas de agua subterránea y (b) presas de arena
Fuente: Elaboración propia basada en Banco Mundial, 2004.
