Cosecha de agua lluvia con fines productivos

COSECHA COSECHA de Agua Lluvia con Fines Productivos

La transformación de secano a riego mediante la cosecha de agua permite incrementar los rendimientos e ingresos de los productores en sistemas diversificados de producción de cultivos bajo riego, así como la cría de peces. En 2008, el FLAR dio inicio al proyecto “Transformación de sistemas agrícolas de secano a sistemas de riego, mediante la cosecha de agua en Costa Rica, México y Nicaragua”. Este proyecto se desarrolló con el financiamiento parcial del Fondo Común para los Productos Básicos (CFC, por su sigla en inglés), con apoyo del Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT) y las instituciones miembros del FLAR en Costa Rica, México y Nicaragua.

Un proyecto financiado por: Common Fund for Commodities - CFC Un proyecto ejecutado por: Fondo Latinoamericano para Arroz de Riego - FLAR Con la colaboración de: Centro Internacional de Agricultura Tropical - CIAT Semillas del Nuevo Milenio S.A. - SENUMISA Consejo Mexicano del Arroz Asociación Nicaragüense de Arroceros - ANAR

COSECHA de Agua Lluvia con Fines Productivos Una guía práctica para la selección de sitios potenciales, diseño y construcción de represas para la cosecha de agua.

Autores: Edward Pulver Santiago Jaramillo Edición: FLAR Diagramación e ilustración: Miguel Ángel Ceballos Jorge De la Cruz ISBN: 978-958-694-148-8

Abril, 2015

CONTENIDO Presentación 2

3. Aspectos clave en la selección de sitios potenciales 19

1. Introducción a la cosecha de agua 5

2. Cómo estimar las necesidades de agua Fecha de siembra Estimación de la demanda de agua de los cultivos Cultivos Sistemas de riego Tamaño de la finca Tipo de riego

9 11 13 14 15 17 18

Recolección de datos climáticos y de suelos

21

Clima

21

Suelos

23

Topografía

26

Área de captura

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5. Construcción de reservorios 4. Diseño de reservorios Tipo de Represas Preparación del diseño Pasos para el levantamiento topográfico de la represa Procesamiento de la información Procedimientos para estimar los volúmenes de tierra a mover y compactar ¿Cómo estimar el ancho de la base? ¿Cómo calcular el volumen total de tierra a ser cortada, movida y compactada? ¿Cómo calcular el volumen de agua acumulado? ¿Cómo determinar la estabilidad del muro? ¿Cómo calcular el vertedero o dique de aliviamiento?

Levantamiento de planos

Maquinaria requerida Construcción paso a paso Construcción del trincho o diente Construcción de la toma de agua Construcción del dique de aliviamiento y consideraciones de seguridad

29 31 33 34 36 36 37 37 38 39 40 40

6. Producción de cultivos bajo riego

55

43 44 46 47 47 48

La ĂŠpoca seca en Nicaragua se prolonga por seis meses, y sus repercursiones se evidencian en las bajas producciones agrĂ­colas

PRESENTACIÓN A partir de noviembre de 2008 el Fondo Latinoamericano para Arroz de Riego (FLAR) con sus miembros en Costa Rica (Semillas del Nuevo Milenio S.A. – SENUMISA), México (Consejo Mexicano del Arroz), Nicaragua (Asociación Nicaragüense de Arroceros – ANAR) y el Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT), con el apoyo del Fondo Común para los Productos Básicos (CFC, por su sigla en inglés), implementaron un proyecto piloto que buscaba transformar los sistemas de secano a riego, al tomar ventaja de los vastos recursos hidrológicos de la región.

Dicha transformación se basó en la cosecha de agua lluvia, en la cual se colectan y almacenan en reservorios los excesos de agua de escorrentía durante el periodo de alta precipitación, para luego usar esta agua para el riego de cultivos durante la temporada seca.

Numerosas organizaciones internacionales estiman que, para el año 2050, la producción mundial de alimentos tendrá que duplicarse para alimentar a la creciente población mundial.

Además, debido a la poca disponibilidad de tierras para cultivar alimentos y a la necesidad de optar por sistemas cada vez más productivos y eficientes, en el futuro el 40% de toda la producción de alimentos tendrá que provenir de la agricultura de riego.

Según la FAO (2007) la agricultura consume casi el 70% del agua disponible a nivel mundial y para un aumento significativo en el riego se requiere agua adicional. La pregunta es, ¿Dónde está la fuente del agua adicional necesaria para cubrir la demanda alimentaria, en un entorno marcado por el cambio climático, con lluvias menos frecuentes pero más intensas? La respuesta está en la cosecha de agua.

El proceso de capturar el agua de escorrentía, almacenarla en un reservorio o represa para usarla en tiempos de déficit de agua se denomina cosecha de agua. La cosecha de agua tiene varias definiciones, pero en el trabajo que se presenta en este manual este proceso se refiere a recoger el exceso de escorrentía superficial y almacenarla en embalses lo suficientemente grandes para proporcionar riego para la producción de cultivos.

Esta tecnología no es nueva, pero no se ha extendido a la mayoría de zonas de América Latina y otras partes del mundo que aún dependen de la agricultura de secano.

[ El proceso de capturar el agua de escorrentía, almacenarla en un reservorio o represa para usarla en tiempos de déficit de agua se denomina cosecha de agua ] Desde 2008 a 2012, el CFC financió el desarrollo de un proyecto al FLAR con el objetivo de introducir y promover tecnologías de cosecha de agua en México y Centroamérica. Este proyecto piloto demostró claramente que la agricultura de riego, a través de la cosecha de agua, puede aumentar significativamente la producción de alimentos, aumentar los ingresos de los agricultores y contribuir a la seguridad alimentaria.

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Este manual es producto del esfuerzo conjunto del CFC y el FLAR. Aquí se brindan directrices para la transformación de sistemas agrícolas de secano a riego, mediante el uso de la cosecha de agua. También, se describen instrucciones para la evaluación de sitios potenciales para la recolección del agua, la preparación de los diseños de los reservorios y, finalmente, instrucciones paso a paso para la construcción de las represas.

Este manual omite muchos, y complicados, conceptos teóricos y cálculos que normalmente incluyen otros manuales para la construcción de represas. El manual está diseñado para su uso en campo y está dirigido a los técnicos, extensionistas y agricultores dispuestos a adoptar tecnologías.

En este documento se hace énfasis en la absoluta necesidad de que la cosecha de agua esté acompañada de un buen manejo agronómico de los cultivos. El riego, en conjunto con otras prácticas de manejo agronómico, permite que las variedades mejoradas expresen un alto rendimiento, lo cual no sería posible en los sistemas de secano.

La transformación a una agricultura de riego requiere un acercamiento en el que se incorpore el conocimiento del productor, los operadores de equipos, el personal de construcción, los agentes de extensión y otros, con el conocimiento del manejo de una agricultura de alta productividad, todo ello integrado en un objetivo común.

3

Se hace énfasis en la absoluta necesidad de que la cosecha de agua esté acompañada de un buen manejo agronómico de los cultivos.

4

INTRODUCCIÓN

a la cosecha

1 de agua

Captar y aprovechar el agua de lluvia in situ o el agua de escurrimiento de una cuenca se conoce como cosecha de agua.

La cosecha de agua no incluye el represamiento de ríos ni quebradas. El agua de lluvia captada, normalmente almacenada en represas, puede ser usada para riego suplementario en tiempos de sequía periódica o para la producción durante la época seca cuando las condiciones climáticas, particularmente la alta radiación solar, favorecen la expresión de los altos rendimientos.

sistemas de producción en secano, agudizando la pobreza y amenazando la seguridad alimentaria.

La tierra recibe aproximadamente 110.000 km3 de precipitación al año, de los cuales el 60% es reciclado a la atmósfera vía evaporación y el 40% retorna al océano vía escorrentía (FAO, AQUASTAT)1. Con sólo capturar una pequeña parte de la enorme cantidad de agua de escorrentía disponible, se puede obtener una fuente de agua de riego renovable. Comprender el ciclo hidrológico y saber cuáles son sus variables manejables son aspectos importantes para alcanzar el objetivo de mejorar la captación y aprovechamiento del agua lluvia (FAO, 2013)2. Por ejemplo, Latinoamérica no tiene problemas de escasez de agua pues cuenta con una gran cantidad de recursos hídricos renovables (alta precipitación), sin embargo, la mayoría de estos recursos no son aprovechados y se pierden por escorrentía.

Este manual proporciona conocimientos básicos sobre la cosecha de agua para técnicos, agricultores y agrónomos.

Asimismo, suministra información acerca de las necesidades de agua para el establecimiento de diferentes cultivos durante distintas épocas del año.

Los bajos ingresos y el desempleo a nivel rural son el resultado de la dependencia de una agricultura de secano de alto riesgo, que tiene como consecuencia rendimientos bajos, inestables y poco competitivos. El riesgo asociado a la agricultura de secano se hace cada vez mayor, debido a que los patrones de precipitación son cada vez más impredecibles. La variabilidad climática está incrementando el riesgo ya existente en los

Los riesgos de la agricultura de secano pueden reducirse significativamente, o incluso ser eliminados, mediante un proceso de transición al riego a través de la cosecha de agua.

Esto generaría mayor estabilidad y productividad, así como una mejor adaptación a los variables patrones de precipitación, provocados por el cambio climático.

Una vez estimadas las necesidades de agua, se presenta información clave para el proceso de evaluación de sitios potenciales. Dicha evaluación demanda el desarrollo de un diseño para la construcción del reservorio. También se suministran instrucciones para la preparación del diseño del reservorio, que permite tener un estimado de la capacidad de almacenamiento de agua del mismo y los costos de construcción. Para la elaboración del diseño no se necesita un equipo especializado, sólo se requiere un equipo de topografía básico y tener conocimientos de cómo hacer la lectura del nivel.

Adicionalmente, se entregan directrices sobre la viabilidad de la construcción con base en el costo estimado del agua de riego. http://www.fao.org/nr/water/aquastat/water_use/indexesp.stm http://www.fao.org/nr/water/docs/waterataglance.pdf

1

2

6

El siguiente paso es la construcción del reservorio. Este proceso no es complicado, sin embargo, es necesario seguir estrictamente algunos principios básicos o la estructura de la represa tendrá una duración limitada. Dichos conceptos se resaltan en el capítulo del proceso de construcción. De igual forma, el mantenimiento de la estructura, una vez culmina el proceso de construcción, es de esencial importancia y puede llevarse a buen término con mínimos costos y esfuerzos.

El manual concluye con una sección sobre la absoluta necesidad de trabajar conjuntamente la cosecha de agua y el manejo agronómico mejorado de los cultivos a establecer. La viabilidad de la agricultura de riego depende de la productividad obtenida en relación con el volumen de agua utilizado. Si los agricultores siguen empleando prácticas de manejo tradicionales, aún con cultivos bajo riego, los rendimientos seguirán siendo bajos, haciendo que la inversión sea costosa.

El objetivo primordial de la cosecha de agua es potenciar la capacidad productiva de los agricultores mediante el uso de riego y tecnologías de manejo para alta productividad, así que la obtención de altos rendimientos es obligatoria.

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COSECHA

DE AGUA:

“Captar y aprovechar el agua de lluvia in situ o el agua de escorrentía de una cuenca”

2 DE AGUA? ¿CÓMO ESTIMAR LAS

necesidades

El primer paso en la transformación de la agricultura de secano a riego es determinar cuánta agua se requiere para la finca. No hay reglas establecidas para determinar el tamaño del reservorio, ya que las necesidades de agua del cultivo son muy variables y dependen, principalmente, de la duración del ciclo del cultivo, el momento de la cosecha y el sistema de riego que se va a utilizar. Sin embargo, se pueden tener en cuenta algunas consideraciones básicas para determinar la cantidad de agua que se requiere, y así determinar el tamaño del reservorio.

zonas determinan la relación entre el área de captura (escurrimiento) y el tamaño de la represa (almacenamiento).

Los costos de construcción de las represas son un factor determinante en la transformación a la agricultura de riego. Por consiguiente, la construcción del reservorio debe responder a las necesidades de agua, es decir que su tamaño debe ser proporcional a las necesidades del agricultor y, por consiguiente, del cultivo. De igual forma, las condiciones de clima y suelos de las diferentes

Algunos factores que deben tenerse en cuenta en el momento de decidir el tamaño más adecuado del reservorio son: la fecha de siembra, la estimación de la demanda de agua de los cultivos, los cultivos que se van sembrar, los sistemas de riego a utilizar, el tamaño de la finca y el tipo de riego. A continuación se describe cada uno de estos factores.

A menor precipitación,

MAYOR ÁREA DE CAPTURA

Una estructura con más agua de la necesaria conlleva a costos excesivos, lo que hace del riego algo muy oneroso. En contraste, una estructura pequeña puede almacenar el agua necesaria para regar una zona de cultivo de tamaño reducido, pero quizá no produzca ingresos suficientes para cubrir los costos de construcción.

A MAYOR PRECIPITACIÓN, Menor área de captura

F E C H A

deSIEMBRA D L M M J V S

x x x x x x x x x x x

Uno de los factores de mayor importancia e influencia sobre los rendimientos de los cultivos es la radiación solar, la cual presenta variaciones durante todo el año. Ajustar la fecha de siembra a estas variaciones permite al cultivo recibir el máximo de radiación solar y expresar su potencial de rendimiento.

Aunque en muchos países la información sobre radiación solar es limitada, es posible estimarla con datos históricos de horas de sol brillo y calorías/centímetros cuadrados/hora de sol brillo.

Por ejemplo, en el caso del arroz, la fase del cultivo que demanda mayor radiación solar es la que va desde el inicio de primordio hasta la floración (aproximadamente 45-100 días después de la siembra). Como el pico más alto de radiación solar en Nicaragua se presenta durante los meses de febrero y marzo (aproximadamente >500 cal/cm2/día), el período óptimo de siembra para el ciclo de verano se encuentra entre el 15 de noviembre y el 30 de diciembre. Para el ciclo de invierno, el período óptimo para realizar la siembra comprende del 15 de junio al 30 de julio.

Las diferencias en la radiación solar y otros factores ambientales obligan a los agricultores a seleccionar variedades adaptadas a cada ciclo y ajustar el manejo de acuerdo a las condiciones climáticas.

ÉPOCA SECA

15.000m3

3 ha

ÉPOCA LLUVIOSA

15.000m3

10 ha 12

Estimación de la demanda

DE AGUA DE LOS CULTIVOS Para determinar los requerimientos hídricos por ciclo de los diferentes cultivos en una determinada región, existen modelos matemáticos como el de Penman-Monteith, el cual utiliza variables como la latitud de la zona específica, el ciclo del cultivo, la Etp (Potencial evapotranspirativo) y el Kc (Constante de uso consuntivo/cultivo/etapa). En el caso de Nicaragua, se contaba con información disponible y detallada sobre la evapotranspiración potencial de las diferentes zonas del país (Rodríguez y Salinas, 1990.

INTA), lo que facilitó el análisis de los requerimientos hídricos de los diferentes cultivos considerados por el proyecto, en zonas específicas para siembras durante la estación seca.

Cuadro 1. Modelo para estimar requerimientos hídricos para una hectárea de maíz para grano de 135 días, sembrado en el mes de noviembre en la zona de Jalapa (Nicaragua). Latitud Norte 13°55’30’’

necesidad de agua del cultivo

potencial evapotransporativo

Al sumar las Etp acumuladas (mm), durante los meses en los cuales se llevará a cabo el cultivo, y multiplicar por 10, obtenemos el consumo de agua en metros cúbicos (m3) por hectárea, por ciclo.

Para el ejemplo anterior el consumo de una hectárea de maíz sembrada durante el mes de noviembre en la zona de Jalapa (Nicaragua) fue de 4.605 m3/ha/ciclo. El cuadro 2 muestra los requerimientos promedio de agua en m3 por ciclo de los principales cultivos considerados por el proyecto.

Cuadro 2. Requerimientos promedio de agua de los principales cultivos considerados por el proyecto, en m3/ha/ciclo

0,70 4,711 3,29

Arroz de riego

10.000

Maíz

5.000

(III) 40

(IV) 30

Fríjol

2.500

205,6

98,7

Hortalizas

< 2.000

ENE

FEB

Etp/día (mm)

0,40 4,472 1,79

0,80 4,3 3,44

1,15 4,472 5,14

Duración de etapa (días)

(I) 20

(II) 35

Etp/Etapa (mm)

35,8

120,4

Donde Kc = Constante de uso consuntivo/cultivo/etapa, Eto = Evapotranspiración de referencia o evapotranspiración del cultivo de referencia, Etp = Potencial Evapotranspirativo

13

evapotranspiración

REQUERIMIENTOS PROMEDIO ESTIMADOS DE AGUA (m3/ha/ciclo)

DIC

Eto

ETP = KC ETO CULTIVO

NOV Kc/Etapa

Ecuación de PENMAN - MONTEITH:

Cultivos Para garantizar un óptimo crecimiento de las plantas, la Etp del cultivo no varía, una vez se ha establecido el doseli de la planta o canopy. Sin embargo, la tasa de crecimiento inicial y su duración son muy diferentes para cada cultivo.

Por ejemplo, la mayoría de las variedades de fríjol tienen un ciclo menor a 90 días, mientras que en el caso del maíz tienen un ciclo que va de 120 a 140 días. Un cultivo de fríjol sembrado a finales de la temporada de lluvias requiere agua para dos o tres meses y su necesidad de agua será de aproximadamente 3.000 m3/ha/ciclo. En el caso de un cultivo de maíz con riego durante la estación seca requiere mucha más agua, llegando a niveles de 5.000 a 7.000 m3/ha/ciclo, debido principalmente a un ciclo de crecimiento mayor y una alta Etp durante la época seca.

Los vegetales de ciclo corto como la berenjena pueden ser cultivados con menos de 2.000 m3/ciclo de cultivo, ya que este alcanza su madurez en cerca de 60 días. El arroz de riego cultivado durante la época seca consumirá aproximadamente 7.000 m3/ha de agua, sólo para sostener el crecimiento del cultivo, y si se incluye la pérdida de agua por infiltración, la demanda de agua puede exceder los 10.000 m3/ha/cultivo.

El análisis de factores como la cantidad y distribución de la lluvia, la temperatura, la humedad relativa y los vientos, determinan la factibilidad de implementar sistemas de cosecha de agua. Teóricamente el balance hidrológico de la zona debe ser positivo durante la mayor parte del año, es decir, que la precipitación anual supere a la evaporación y así, poder cosechar el exceso de lluvia que escurre naturalmente por las montañas durante los meses lluviosos.

La precipitación de la zona evaluada, determinará la superficie de captura necesaria para llenar la represa. Los vientos por su parte determinan el oleaje, mientras que la temperatura y la radiación solar de la zona determinan factores de pérdida de agua en forma de evaporación. En casi todos los países, las instituciones nacionales encargadas del clima poseen información climática completa y disponible, lo que facilitará el análisis previo a la selección del sitio.

Dosel: copa de la planta, canopy.

i

14

Necesidades hídricas de algunos cultivos por ciclo

Arroz: 10.000 m3/ciclo

SISTEMAS

de RIEGO

Existen numerosos sistemas de riego para un cultivo: por aspersión, por goteo, por surcos y por inundación. El tipo de sistema utilizado por el agricultor está directamente relacionado con las necesidades de agua.

El riego por goteo es muy eficiente para el manejo del agua pero es costoso y económicamente factible sólo para cultivos de alto valor como los vegetales u otros con alto valor en el mercado.

Berenjena (u otras hortalizas): 2.000 m3/ciclo

Maíz: 5.000 - 7.000 m3/ciclo

Fríjol: Aproximadamente 3.000 m3/ciclo

El riego por aspersión se utiliza comúnmente para cultivos de cereales, pero requiere de bombeo para tener la presión adecuada.

Este sistema implica grandes pérdidas de agua por evaporación (y deriva causada por el viento). Sin embargo, en campos con una topografía que no permita el movimiento del agua a través del surco, es el único método que se puede utilizar.

El riego por surcos puede ser utilizado para regar cultivos que se siembran en hileras, lo que facilita el riego por gravedad. Este sistema de riego puede ser ineficiente de acuerdo a la textura del suelo, la pendiente del terreno y la evaporación. El riego por inundación es muy ineficiente, sin embargo es la práctica más común en arroz y algunos cultivos de plantación. En resumen, la información sobre el tipo de riego que se va a emplear es utilizada para estimar las necesidades de riego de los cultivos y para determinar el tamaño del reservorio.

GOTEO

ASPERSIÓN

INUNDACIÓN INUNDACIÓN ARROZ

VEGETALES

GRANOS

ARROZ

Tamaño de

LA FINCA La cosecha de agua es una práctica muy adecuada para pequeños agricultores que disponen de una superficie agrícola limitada.

Con sistemas convencionales de riego, los ingresos de los productores pueden ser altos aún en áreas pequeñas, incluso, los ingresos pueden ser mejores que los obtenidos por agricultores con grandes extensiones de tierra sin riego.

El tamaño del reservorio debe ser proporcional al tamaño del área donde se utilizará el riego. Existen muchos pequeños agricultores que sólo cuentan con una o dos hectáreas y no requieren grandes reservorios, sino uno bien diseñado y adaptado al tamaño de su finca.

Con riego, los ingresos de los productores pueden ser altos aún en áreas pequeñas

Dimensiones de algunas represas y del área a regar en Nicaragua Ubicación

Tamaño de represa (m3)

Área regada (ha)

Quilalí

2.973

0,5

Somoto

17.394

5

Jalapa I

18.201

4

San Lucas

23.448

2,5

Jalapa II

92.742

16

Malacatoya

162.128

50

Dimensiones de algunas represas y del área a regar en México Agricultor / Ubicación

Tamaño de represa (m3)

Área a regar (ha)

Tres Valles I

86.751

10 (arroz)

Tres Valles II

299.250

200 (caña) 50 (sorgo) 15 (arroz)

TIPO

El uso de riego suplementario durante la época de lluvias evita pérdidas en los rendimientos como consecuencia de sequías periódicas, que pueden ser más frecuentes por la variabilidad climática.

de Riego

El riego suplementario es una práctica que no requiere gran cantidad de agua y se lleva a cabo durante la época lluviosa, cuando el reservorio se está llenando constantemente, permitiéndole a un reservorio pequeño suministrar agua para áreas grandes.

Por ejemplo, un reservorio de 15.000 m3 brindará riego suplementario para más de diez hectáreas de maíz durante la temporada de lluvias, pero sólo tiene el agua suficiente para tres hectáreas de maíz durante la época seca.

El riego completo por su parte se refiere a aquel en donde la demanda hídrica del cultivo se suple en su mayoría a través de la fuente de riego, con poca contribución de las precipitaciones. Este tipo de riego se limita a la estación seca y debe ser ajustado de acuerdo a las condiciones climáticas de la zona. Por ejemplo, en zonas más secas se debe empezar a sembrar inmediatamente terminen las lluvias para utilizar la humedad residual en el terreno y evitar que la represa se seque rápidamente por evaporación.

Foto: CIAT

18

3

Aspectos clave en

la selecci贸n de SITIOS POTENCIALES

El primer paso en el establecimiento de reservorios debe ser una adecuada selección del sitio, teniendo en cuenta el tipo de suelo, geología, topografía, la fuente y el volumen de escorrentía, y la seguridad pública. Tras elegir el sitio, la atención se dirigirá al estudio topográfico y diseño del reservorio.

Se debe enfatizar en la construcción de estructuras adecuadas de control del exceso de agua, debido a la posibilidad de fallas en el dique de aliviamiento, causadas por una inapropiada selección del sitio, planeación y diseño.

Por razones de seguridad, una represa debe estar localizada en zonas aisladas de caminos, casas y otras infraestructuras que puedan verse afectadas en caso de ruptura del muro.

Las regiones bajo el influjo de intensas lluvias, por ejemplo las causadas por huracanes, requieren una atención especial para la eliminación del exceso de agua, una vez que el reservorio alcanza su tope. En estos casos, el diseño debe incluir una salida natural para el exceso de agua o un aliviadero extendido o doble.

En la identificación de la finca o región más adecuada para la cosecha de agua las opiniones de las agencias de desarrollo, los gobiernos nacionales y los agricultores podrían ser diferentes.

En cualquier caso, hay cierta información básica requerida, incluyendo información histórica sobre precipitación (mensual), estimación de escorrentía y, en caso de que esté disponible, propiedades físicas y químicas del suelo, incluyendo tasas de infiltración y estudios topográficos.

Por razones de seguridad, una represa debe estar localizada en zonas aisladas de caminos, casas y otras infraestructuras que puedan verse afectadas en caso de ruptura del muro

La correcta selección del sitio evita, en la mayoría de los casos, los daños causados por la ruptura de la represa u otras fallas.

Dependiendo del propósito y envergadura del proyecto de riego a implementar, la selección del sitio puede hacerse a partir de observaciones y estudios preliminares a nivel de regiones, cuencas o fincas de productores.

20

Recolección de datos

CLIMÁTICOS S A

IA PARA LA SEL TANC R O EC P C IÓ IM E N D D

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21

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Clima La cosecha de agua depende de la captura de la escorrentía que, a su vez, depende parcialmente de la frecuencia e intensidad de las lluvias y el relieve y la vegetación predominante en la región.

Por lo general, las áreas que tienen lluvias intensas durante un corto período, disponen de grandes cantidades de escorrentía, incluso si la precipitación anual total es baja. En contraste, las precipitaciones uniformes pueden no producir mucha escorrentía, a pesar de que la precipitación anual total sea alta. Por esta razón, la información más útil son los datos de precipitación, semanales o mensuales, para luego identificar si existen períodos de lluvias intensas que se traduzcan en escorrentía.

En las zonas de ocurrencia de huracanes se pueden experimentar niveles de precipitación de 200 mm al día, dando como resultado un porcentaje de escorrentía suficiente para llenar una represa con capacidad de 300.000 m3 en unos pocos días.

Por último, y de igual importancia que los datos, está el conocimiento de los agricultores de la zona. Nadie conoce mejor el terreno que los agricultores, así como los sitios donde el nivel de escorrentía es mayor durante fuertes temporales.

El análisis de factores como la cantidad y distribución de la lluvia, la temperatura, la humedad relativa y los vientos, determinan la factibilidad de implementar sistemas de cosecha de agua. Teóricamente el balance hidrológico de la zona debe ser positivo durante la mayor parte del año, es decir, que la precipitación anual supere a la evaporación y así, poder cosechar el exceso de agua que escurre naturalmente por las montañas durante los meses lluviosos.

La precipitación de la zona evaluada determinará la superficie de captura necesaria para llenar la represa. Los vientos por su parte determinan el oleaje mientras que la temperatura y la radiación solar de la zona determinan factores de pérdida de agua en forma de evaporación.

En casi todos los países, las instituciones nacionales encargadas poseen información climatológica completa, lo que facilita en gran medida el análisis previo a la selección del sitio donde se construirá la represa.

(precipitación)

Etp Temperatura, vientos, % de humedad y cultivos Permeabilidad Retención Escorrentía Visitas a los sitios Mapas Agricultores

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Suelos En el análisis previo a la construcción del reservorio, debemos considerar no solo las condiciones del suelo del sitio donde se va a construir la represa sino también las condiciones de suelo del área de captura y de los lotes a habilitar con riego.

Las propiedades del suelo ejercen gran impacto en la cantidad de escorrentía. Los suelos pesados (arcillosos) tienen una alta escorrentía, así como los suelos con compactación superficial. Las praderas y pastizales suelen tener grandes cantidades de escorrentía debido a la compactación por efecto de la pisada de los animales. En contraste, los suelos arenosos o suelos derivados de fuentes calizas presentan altas tasas de infiltración y baja escorrentía, por lo tanto, a estos suelos se les considera los menos apropiados para la cosecha de agua.

La textura del suelo es una de las características físicas que determinan la pérdida de agua por exceso de infiltración. Los suelos arcillosos y arcillo limosos son excelentes para los embalses; los suelos arcillo-arenosos muestran resultados satisfactorios, pero aquellos suelos que presenten capas de arena gruesa y mezclas de arena-grava no son adecuados. Las zonas de piedra caliza tampoco son adecuadas para la captación o retención de agua debido a su excesiva infiltración. En general, para lograr una buena cohesión del material, al momento de la construcción del muro, la mezcla debe contener un mínimo de 20% de arcilla.

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En lo que se refiere a la textura del suelo del área de captura sólo se necesita que la escorrentía supere a la infiltración y que el agua corra. Asimismo, la textura del suelo en el área de cultivo condicionará la retención de agua y hará parte de la determinación de la intensidad y frecuencia del riego.

los suelos ARCILLOSOS

y ARCILLOLIMOSOS aseguran la retención de agua y evitan la pérdida por infiltración

CALICATAS 1. Escoja un punto dentro del área del reservorio para hacer la calicata de observación.

2. Elabore una calicata con las siguientes especificaciones: 60 cm. de largo x 70 cm. de profundidad

3. Llene de agua la calicata

de OBSERVACIÓN

En la caracterización de sitios, para estimar tanto la escorrentía potencial como la infiltración, se pueden adecuar fosas o pozos de observación (calicatas) con el propósito de, además de conocer la textura del material, descartar la selección de suelo de aquellos sitios donde se encuentren capas arenosas que puedan dificultar la retención de agua en la represa.

Sin embargo, la información de los agricultores también es muy valiosa, pues ellos pueden proporcionar la misma o mejor información que los pozos de observación. ¿El agua superficial permanece estancada por períodos prolongados después de fuertes lluvias? ¿Corre gran cantidad de agua sobre la superficie durante fuertes lluvias?, son dos preguntas que pueden proporcionar información sobre las tasas de infiltración así como las tasas de escorrentía de un sitio. En casos donde la infiltración sea excesiva se debe descartar la factibilidad de la construcción de una represa.

4. Deje el agua por espacio de un día para el posterior cálculo de infiltración

24

La topografĂ­a ideal para la cosecha de agua es aquella en la que se pueden unir dos lomos a travĂŠs de un muro.

Topografía La topografía también es un factor importante que influye en los costos para la construcción de los reservorios. La topografía de un determinado sitio ejerce gran impacto sobre la escorrentía superficial. Las pendientes pronunciadas tienen grandes cantidades de escorrentía, aunque también puede ocurrir en pequeñas depresiones en terrenos relativamente planos.

Por simples razones económicas, un embalse ubicado en sitios donde pueda obtenerse el mayor volumen de almacenamiento, con la menor cantidad de movimiento de suelo para la construcción, es más eficiente.

En terrenos con una topografía ondulada, se requiere el movimiento de tierra para aumentar la cantidad de agua contenida en el reservorio. Este tipo de diseño aumenta la cantidad de tierra a mover, lo que significa que se tendrán costos adicionales, sin embargo, los costos no son tan altos con cultivos de alto valor comercial. Los reservorios también pueden ser construidos en un terreno relativamente llano con pequeñas depresiones para el drenaje del exceso de agua.

Generalmente, los mejores lugares para cosechar agua son sitios de topografía ondulada a través de los cuales convergen aguas de escorrentía durante la temporada lluviosa, y que cuentan con una garganta estrecha o dos lomos que pueden ser unidos mediante la construcción de un muro trapezoidal de terraplen (represa).

Las represas construidas mediante excavación, rara vez son viables para suministrar suficiente agua para el riego de cultivos, debido a su alto costo y baja capacidad.

Hay muchas maneras de diseñar reservorios que permitan la captura del agua de escorrentía. La forma más sencilla de construir una represa es hacer un muro entre dos pendientes, debido a que el movimiento de suelo es mínimo. En estos casos el volumen de agua almacenado dependerá de la topografía del sitio en donde se ubicará el vaso de la represa.

La topografía ejerce gran influencia sobre la viabilidad de la construcción de represas para captar el agua de escorrentía, sin embargo, no es un factor limitante.

26

ÁREA de

CAPTURA

La capacidad de llenado de un reservorio debe ser una preocupación primordial al inicio del proceso de selección del sitio y mucho antes de que se prepare el diseño. Como se mencionó anteriormente, la escorrentía es una función de la cantidad e intensidad de las precipitaciones, la evaporación superficial y la infiltración del suelo. Por consiguiente, el área requerida para capturar el agua de escorrentía necesaria para llenar la represa, también estará en función de estas variables.

El área de captura corresponde al área superficial por donde drenan las aguas de escorrentía durante la época lluviosa y que finalmente serán las responsables de llenar la represa.

Precipitación

Área de captura

Escorrentía Espejo de agua

27

En regiones con altas e intensas precipitaciones, fuertes pendientes y suelos pesados, la escorrentía es tan alta que se requiere un área de captura muy pequeña para llenar el reservorio. Por el contrario, en zonas de menor precipitación, pendientes más planas y suelos más livianos, el área de captura requerida para llenar la represa debe ser bastante grande.

Existen algunas formas de incrementar la superficie del área de captura, es el caso de la construcción de pequeñas zanjas a través del contorno de la zona de aporte, con el fin de captar aguas de escorrentía y conducirlas hacia la represa.

Puesto que hay un gran número de variables que influyen en los índices de escorrentía, no existen normas establecidas para estimar el área de captura requerida para llenar un reservorio en particular. Sin embargo, hay formas de obtener una estimación aproximada, que son lo suficientemente precisas para prevenir la selección de un sitio que no tendrá la suficiente cantidad de escorrentía.

Por ejemplo en el sur de Brasil, una precipitación de aproximadamente 1.200 mm se distribuye uniformemente a lo largo del año. La cantidad de escorrentía es alrededor de 200 mm. Por consiguiente, una represa con un espejo de agua de una hectárea y una profundidad de 2,5 m, requiere un área de captura de 12 ha para llenar el reservorio. En Rio Grande do Sul, los técnicos han desarrollado un conjunto de criterios donde se requiere un área mínima de captura de diez hectáreas por cada hectárea de espejo de agua del reservorio.

En México, los estudios han dividido el país en doce zonas hidrológicas y se han estimado las tasas de escorrentía para cada una. En el estado de Veracruz por ejemplo, la precipitación total anual es de aproximadamente 1.500 mm, con lluvias que se concentran en un periodo de seis meses, lo que resulta en una tasa de escurrimiento de 500 mm/año. En consecuencia, un reservorio con un espejo de agua de una hectárea y con una profundidad promedio de 2,5 m requerirá cerca de cinco hectáreas de área de captura para llenar la represa. Sin embargo, la región de Veracruz también está sujeta a huracanes y, debido a las intensas lluvias, es posible que la represa se llene en uno o dos días por efecto del huracán.

!

En el norte de Nicaragua, la precipitación promedio es de aproximadamente 1.800 mm pero, de nuevo, se concentra en seis meses de intensas lluvias durante la época de huracanes, especialmente en octubre. Durante la época lluviosa de junio a octubre, se han observado cerca de 800 mm de agua de escorrentía, lo que resulta en cerca de tres hectáreas de área de captura por cada hectárea de superficie de la represa. Sin embargo, las intensas lluvias de los huracanes en octubre llenarán la represa en 24 horas.

En las regiones más secas de Nicaragua, donde la lluvia es menor a 1.000 mm/año, y la escorrentía entre 100 y 200 mm (diversas condiciones de suelo), se requiere un área de captura de casi 20 hectáreas para llenar una represa con un espejo de área de una hectárea y una profundidad promedio de 2,5 m.

En la costa pacífica sur de Costa Rica y en el norte de Panamá son comunes los niveles de precipitación anual por encima de 4.000 mm. Por lo tanto, por concepto de agua lluvia, una represa de una hectárea de espejo de agua recibiría cerca de cuatro metros de agua.

En estas regiones se le debe prestar mayor atención a la eliminación del exceso de agua.

La información anterior proporciona ejemplos de la gran variación que se puede experimentar durante la estimación del área de captura requerida para llenar una represa, utilizando sólo la escorrentía. Sin embargo, haciendo un ejercicio simple de observación y diálogo con los agricultores se pueden eliminar algunas conjeturas. Una práctica productiva es caminar en sentido contrario del flujo de escurrimiento y tratar de estimar el área total que está contribuyendo al mismo. Esta práctica se hace de forma sencilla y rápida con las herramientas actuales de geo-referencia (GPS). El diálogo con los agricultores proporciona información adicional que, combinada con observaciones y algunas mediciones, pueden derivar en una estimación muy aproximada de la zona de captura requerida para llenar la represa. Finalmente, el tamaño de la represa se puede ajustar durante la fase de diseño, teniendo en cuenta el área estimada de captura.

28

DISEÑO 4 de RESERVORIOS Y CONSTRUCCIÓN

Un diseño preliminar es esencial para suministrar información sobre la cantidad de movimiento de suelo requerido para construir el muro, la capacidad de almacenamiento de agua del reservorio y un estimado general del costo de construcción de la represa. El diseño preliminar es sencillo de preparar y puede ser completado en pocas horas, utilizando un equipo topográfico básico (nivel o tránsito, estadia y cinta de medición).

Seguido a la preparación del diseño preliminar, la información es analizada y se realizan los ajustes necesarios. Si es factible, la localización del muro puede ser reubicada para reducir el movimiento del suelo o para incrementar la capacidad de almacenamiento de agua, el peso del muro debe ser alterado al cambiar la capacidad de la represa, teniendo en cuenta la cantidad de agua requerida para el riego en una finca particular.

La información de un diseño preliminar también permite hacer un estimado de la eficiencia relativa del sitio potencial del reservorio. Un mínimo de 10m3 de capacidad de almacenamiento es el volumen deseado por cada metro cúbico de suelo movido; sin embargo, la eficiencia relativa se puede usar como una guía. Para cultivos de alto valor comercial, índices de eficiencia por debajo de dos o tres siguen siendo económicos, pero para cultivos que requieren grandes cantidades de agua o cultivos de granos de bajo valor, se requieren índices de eficiencia por encima de diez. Pequeños ajustes en la localización y trabajos del muro pueden mejorar la eficiencia en la construcción. La eficiencia relativa de la construcción también suministra información pertinente para desarrollar patrones de cultivo que maximicen el retorno económico por unidad de agua utilizada.

Un diseño preliminar es esencial para suministrar información sobre la cantidad de movimiento de suelo requerido para construir el muro, la capacidad de almacenamiento de agua del reservorio y un estimado general del costo de construcción de la represa

30

TIPOS DE REPRESAS Antes de embarcarse en la preparación de un diseño, puede ser de mucha utilidad hacerse una imagen mental del posible sitio, especialmente cuando se tiene la experiencia en la identificación de sitios potenciales y se entiende qué tipo de construcciones se traducen en reservorios económicamente viables. Existen tres tipos de reservorios: Terraplén, excavación y mixtos.

Los reservorios de terraplén son creados mediante la conformación de un muro de tierra entre dos lomos, o cerrando una depresión natural ubicada en un área de drenaje. El volumen de suelo requerido para la conformación del muro es mínimo en relación con la cantidad de agua que se acumulará detrás del muro, especialmente si el área detrás del muro tiene una pendiente suave.

31

En contraste, los reservorios tipo excavación rara vez son factibles, en términos económicos, ya que la relación entre el movimiento de suelo y la capacidad de almacenamiento de agua es cercana a uno; esto es, por cada metro cúbico de suelo movido sólo se cosechará un metro cúbico de agua.

Generalmente, este tipo de reservorios se construyen para colectar agua lluvia para ganado, sin embargo la capacidad de retención de agua es reducida, por lo que no puede ser utilizada para la producción de cultivos.

Las estructuras más frecuentes son una combinación de terraplén y excavación. A menudo, la excavación del suelo en la parte interior del reservorio se usa para obtener suelo para la construcción del muro, lo que también incrementa la capacidad de almacenamiento de agua del reservorio. También es común utilizar la excavación alrededor de los bordes de la represa para aumentar la profundidad a lo largo de las riberas y así evitar el excesivo control de malezas en zonas poco profundas y aumentar la relación entre el área superficial y la profundidad del estanque, un factor importante relacionado con las pérdidas de agua por evaporación.

En resumen, una simple observación del área permite hacerse una imagen del tipo de reservorio que puede ser construido de manera que sea económicamente viable.

Terrapl茅n

Excavaci贸n

Mixto

Un buen diseño depende del correcto registro de la evaluación topográfica y las curvas de nivel, seguida de una correcta interpretación de los datos. Como se mencionó anteriormente, las medidas pueden ser tomadas con un equipo topográfico sencillo.

Los GPS (equipos de posicionamiento global) son útiles para determinar el área sin tener que establecer cada curva de nivel, es decir, pueden acelerar el proceso pero no son obligatorios.

Las mediciones de campo son utilizadas para garantizar lo siguiente:

·

Un plano del muro que ilustre las capas de elevación desde la base a la corona del muro, la localización de la toma de agua en caso de que se vaya a utilizar riego por gravedad y la ubicación del dique a través del cual se eliminan los excesos de agua.

·

Un plano del perfil transversal del muro que muestre claramente las capas de suelo y ambos taludes (montante y el de atrás).

· Un mapa metro a metro de las curvas de nivel del vaso de la

represa que permita una medición de la capacidad de almacenamiento de agua de la represa.

·

Un cuadro con el resumen del volumen del suelo requerido para conformar cada capa (un metro de espesor) y el área superficial de cada una de las curvas de nivel.

Nota: La metodología descrita a continuación aplica para la construcción de represas de áreas no mayores a 15 hectáreas de espejo de agua. Para reservorios de áreas mayores, son necesarios estudios de ingeniería más precisos.

EQUIPO BÁSICO

estacas

mira topográfica cinta

gps (opcional)

nivel de precisión

Pasos para el levantamiento topográfico de la represa 1. Determinar visualmente la distancia más corta entre los lomos (línea imaginaria).

4. Medir con cinta las distancias entre las estacas que determinan las alturas.

2. Identificar el punto más bajo de la línea imaginaria (Punto cero).

3. Demarcar a partir del punto más bajo (punto cero) las alturas en

5. Determinar las curvas de nivel a cada metro de altura en el área

las pendientes de cada lado (lomo lateral) que van a ser unidas mediante la presa; estas alturas dependen de la topografía del terreno y de las necesidades de agua a acumular. Para esta práctica se utilizan estacas de madera.

Descripción de la Finca de (Antes de la intervención)

de almacenamiento (Vaso de la represa).

6.

Con esta información se puede estimar el volumen de agua a almacenar, el área de espejo de agua y el volumen de tierra del muro.

en Jalapa

“Forma parte de un drenaje natural de varias montañas adyacentes, ocupado por pasturas. El sitio cuenta con condiciones ideales para el establecimiento de una represa, ya que se encuentra entre dos lomos que pueden ser unidos fácilmente por un muro. Más abajo del sitio seleccionado hay seis hectáreas planas que están siendo sembradas con cultivos de hortalizas durante la temporada seca, y maíz y fríjol de secano durante la temporada lluviosa. El sitio propuesto está localizado en un área rural aislada, no se encuentra cerca de fuentes naturales de agua y no está siendo utilizado”.

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RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN

35

Procesamiento de la información: CÁLCULOS Y ESTIMACIONES DEL VOLUMEN DE MOVIMIENTO DE SUELO PARA LA CONFORMACIÓN DEL MURO Y DE LA CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DE AGUA DE LA REPRESA Procedimientos para estimar los volúmenes de tierra a mover y compactar

1. Determinar la longitud total del muro (L), sumando las distancias

3. Para estimar el ancho de la corona (AC) debemos tener en cuenta

una distancia mínima que permita la movilización de maquinaria sobre el muro. Para estimar esta variable se utiliza la siguiente fórmula: 5 17

entre los puntos de menor altura hasta el más alto.

AC = 3 +

2. Determinar las pendientes de los taludes y el ancho de la corona.

Donde AC es el ancho de la corona, y H, la altura.

Para determinar las pendientes de los taludes debemos tener en cuenta la textura del suelo, la altura del muro y el oleaje.

En un muro existen dos taludes, el montante que es el que soportará la presión del agua y el talud de atrás. Para el talud montante generalmente se utilizan relaciones de 2.5 a 3.0 metros de longitud por cada metro de altura. El talud de atrás utiliza relaciones de 1.5 a 2.0 metros de longitud por cada metro de altura.

Por ejemplo, si determinamos un talud montante de 2.5 m y un talud de atrás de 1.5 m, eso nos resultará en un talud total de cuatro metros de longitud por cada metro de altura que sube el muro.

(H-3)

Ejemplo: Si tenemos un muro de 5 metros de altura, el ancho de la corona para este caso, sería:

AC = 3 +

5 17

(5-3) = 3.58m

En general, la maquinaria utilizada para la construcción de represas (bulldozer y volqueta) necesitan cuatro metros de ancho para movilizarse, por lo cual se considera un ancho de corona estándar de cuatro metros que puede ser usado en casi todas las situaciones.

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¿Cómo estimar el ancho de la base?

AB: (H x T) + AC

Ejemplo: Si tenemos un muro de cinco metros de altura, con un ancho de corona de cuatro metros, un ancho de base de 24 metros, con un talud de cuatro metros de longitud por cada metro de altura y una longitud total de 50 metros, entonces tendremos que:

Donde AB es el ancho de la base; H, la altura total del muro; T,

V=

Se utiliza la siguiente fórmula:

la suma de los taludes y AC, el ancho de la corona.

Ejemplo: Si tenemos un muro de 5 metros de altura, una suma de taludes de 4 para cada uno, y una corona de 4 metros.

AB: (5m x 4m) + 4m = 24m ¿Cómo calcular el volumen total de tierra a ser cortada, movida y compactada?

Teniendo en cuenta la información anterior sobre los taludes, el ancho de la base y el ancho de la corona, y las distancias metro a metro del muro, podemos calcular el volumen de tierra total a ser movido. Para este cálculo utilizamos la siguiente fórmula:

V=

AC + AB 2

LxH

Donde V es el volumen de suelo a ser removido; AC es el ancho de la corona; AB, el ancho de la base; L, la longitud total del muro y H, la altura del muro.

37

4 + 24 2

(50 x 5) = 3.500m3

Nota: Esta fórmula se utiliza para medir el volumen de suelo suelto que se requiere para la conformación del muro, sin embargo, como el suelo va a ser compactado debemos hacer una corrección según la densidad del material con el que estemos trabajando, esto se conoce como porcentaje de abundamiento. El porcentaje de abundamiento usado con más frecuencia fluctúa entre el 20 al 30%.

Para el ejemplo anterior donde el volumen de corte de material es de 3,500 m3, al abundar al 20% tendríamos que el volumen total de material a cortar, mover y compactar sería: Volumen Total = 3,500 + 700 (20%) = 4,200 m3 Nota: La altura del muro es una variable que se determina visualmente y está determinada a su vez por el relieve propio del sitio seleccionado. En áreas donde la pendiente del sitio donde irá el vaso de la represa sea muy inclinada, la altura del muro deberá ser mayor, para así capturar mayor cantidad de agua. En áreas donde la pendiente sea suave y prolongada, la altura del muro puede ser menor pues la capacidad de almacenamiento estará condicionada por una mayor área de espejo de agua.

¿Cómo calcular el volumen de agua acumulado?

La capacidad de almacenamiento de agua de una represa está determinada por la topografía del terreno donde está ubicado el vaso. A cada metro de altura que sube el muro se deben medir las curvas de nivel que se prolongan en el terreno según su pendiente. Las mediciones del área de cada curva se pueden realizar con equipo de topografía básico, GPS o Estación total.

Después de determinar las áreas de cada curva de nivel, se determinan los volúmenes de agua almacenada metro a metro, como se muestra en el siguiente ejemplo: A1 + A2 2

xh=

Vp =

A2 + A3 2

xh=

2.830 + 6.500 2

Vp =

A3 + A4 2

xh=

6.500 + 9.690 2

x 1 = 8.095

Vp =

A4 + A5 2

xh=

9.690 + 13.757 2

x 1 = 11.632

A1 + A5 2

x h = + A2 + A3+ A4

Vp =

Vt =

440 + 2.830 2

Vt =

440 + 13.575 2

x 1 + 2.830 + 6.500 + 9.690 =

Vt = 26.027 m3

Donde Vp es el volumen parcial en m3; Ax el área de espejo de agua en m2 según la curva de nivel; Vt, el volumen total de agua acumulada en la represa en m3, y h, la altura de cada curva.

En este caso las curvas suben metro a metro por lo cual h es 1.

x 1 = 1.635 Área Inundada m2 x 1 = 4.665

Volumen acumulado (m3)

1m

-

2m

1.635

3m

4.665

4m

8.095

5m

11.632

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¿Cómo determinar la estabilidad del muro?

El peso del muro en relación con el volumen del agua almacenada determina la estabilidad de la construcción o de la obra.

El peso del muro siempre debe ser 30% (4/3) mayor a la sub-presión que ejerce el agua almacenada contra el muro.

Para esto se deben determinar dos variables: 1. El peso del muro (PM) 2. La sub-presión (SP) que el agua ejerce sobre el talud montante Para determinar la estabilidad del muro se utiliza la siguiente regla: PM > 4/3 (SP), donde el peso del muro debe ser 4/3 mayor a la subpresión.

Para calcular el peso del muro se utiliza la siguiente fórmula:

PM=

AB + AC 2

xHxD

Donde PM es el peso del muro; AB, el ancho deancho de la base; AC, el ancho de la corona; H, la altura total del muro, y D, el peso específico de la tierra que conforma el muro en toneladas por metro cúbico (t/m3).

Ejemplo: Si tenemos un muro de tierra de 5 metros de altura, un ancho de la base de 24 metros, un ancho de la corona de 4 metros, donde el peso específico de la tierra húmeda con la que se conforma el muro (D) es 1.3 t/m3, tendremos que:

39

PM= 24m2+ 4m x 5m x 1,3 t/m3 PM= 14 x 5 x 1,3 = 91 t (Compactadas) Para calcular la sub-presión se utiliza la siguiente fórmula:

SP = Hna x

AB 2

Donde Hna es la altura al nivel del agua y AB el a ancho de la base.

Ejemplo: Si tenemos un muro de 5 metros de altura total, donde el agua llega hasta los 4 metros y el muro tiene un ancho de base de 24 metros, entonces:

SP = 4 x224 SP = 48 t

Cumpliendo con la fórmula de estabilidad, tendremos:

PM > 4/3 (SP) 91 t > 4/3 (48 t) 91 t > 64 t (se cumple) Esto significa que este muro posee buena estabilidad.

Nota: En casos donde el peso del muro sea menor a 4/3 de la sub-presión, debemos aumentar el tamaño del muro ampliando el ancho de la corona o la pendiente de los taludes, para que así aumente su peso.

¿Cómo calcular el vertedero o dique de aliviamiento?

Aunque es factible estimar esta variable, se debe tomar en cuenta la intensidad de las lluvias en la región donde será construida la represa.

En la determinación de esta variable se requiere información muy precisa sobre los coeficientes de escorrentía del área de captación, el área de contribución y la intensidad de las lluvias.

Generalmente, en la mayoría de zonas, estos datos no están disponibles.

El primer paso para calcular el tamaño del vertedero es conocer el caudal máximo (Q) que drenará de la represa al llegar a su nivel máximo de llenado. Se utiliza la siguiente fórmula: xIxA Q = K36.000

Donde Q es el Caudal Máximo que drenará por el dique en momentos de exceso de agua (m3/seg); K, el Coeficiente de escorrentía del área de captación en porcentaje (%); I, la Intensidad de la lluvia (mm/hora); y A, el Área de contribución en hectáreas (ha).

El coeficiente de escorrentía del área de captación, depende de variables topográficas y del terreno por donde están drenando las aguas. Este coeficiente varía de acuerdo al tipo de cobertura vegetal del terreno, la pendiente y la textura de suelo en el área de captación.

!

Nota importante: Debido a la variabilidad climática (lluvias fuertes o huracanes) se debe sobreestimar siempre el caudal máximo de descarga de la represa. Por ejemplo, los aliviaderos construidos por el proyecto generalmente son de un metro de borda libre y de seis a 12 metros de ancho. La pendiente de este tipo de canales de descarga es del 5% (es decir, que en 20 metros baja un centímetro).

Levantamiento de planos (Preparación del diseño final) Una vez que se establece la ubicación del muro y se tienen los cálculos preliminares, se da inicio a la preparación de los planos finales o definitivos. Estos, por lo general, son requisitos fundamentales para los permisos ambientales.

Los planos indican gráficamente tanto el volumen de movimiento de material para cada uno de los pisos del muro, así como el ancho y el largo de la planta baja donde irá el muro.

De acuerdo a las mediciones topográficas tomadas en campo, se dibuja digital o manualmente la planta baja. Este plano indica los puntos de referencia, metro a metro, de cada piso del muro donde luego se esparce y compacta el material selecto (suelo o tierra).

En los diseños también se ilustra la posición del muro respecto a los puntos cardinales, la dirección del muro y las curvas de nivel, metro a metro, que constituyen el vaso de la represa y que determinan el volumen de agua de la misma.

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Jalapa (Propuesta de diseño de la represa) Superficie: 6.867 m2 (0.68 ha) Capacidad máxima: 18.201 m3 de agua Profundidad máxima: 4,3 m Altura del muro: 5 m Suelo removido: 2.656 m3 de suelo del centro de la represa Características del muro • Canales de desagüe a ambos lados que permitirán evacuar el sobre flujo de agua cuando la profundidad adquiera su nivel máximo, a 4.3 metros del muro.

• La represa puede contener suficiente agua para regar la totalidad del área sembrada en hortalizas y una combinación de otros cultivos.

• La represa diseñada representa un modelo eficiente ya que con solo 2.656 m3 de movimiento de suelo se pueden capturar cerca de 18.201 m3, es decir una relación de 6.8:1.

• Las condiciones de este sitio permiten la construcción de una gran represa, subiendo el muro unos cuantos metros, permitiendo suministrar agua a varios usuarios vecinos.

• El sitio seleccionado no representa ningún riesgo al medio ambiente ni a la seguridad.

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Línea imaginaria entre dos lomos Alturas en las pendientes de cada lado (lomo lateral)

Perfil Transversal del Muro

0

Curvas de nivel metro a metro

Pendiente baja 1,5:1

Toma de Agua

Pendiente montante 2:1

4

2

2

3.5

4

0

5

6

11

0

6.5

8

14.5

0

8

10

18

0

9.5

12

21.5

4.3

0

Nivel de agua

Desagüe

7.5

0

Plano de la Planta Baja 0

Montante

2

3

4

5

3.5

2 2

4

5

9.5

6.5 8

12

8

6 8 10

10

6.5 5 3.5

9.5

8 6 4

2

Detalle de la toma de agua

1

12

2

Baja

0

Desagüe

5

4

3

2

1

1

2 3

Toma de agua Válvula

4 4.3

42

CONSTRUCCI Ó N 5 de reservorios

MAQUINARIA

REQUERIDA

Conocida por su nombre en inglés scraper, es una máquina multifuncional que se utiliza para cortar capas uniformes de tierra, mover y descargar el material que conformará la represa.

Experiencias en el sur de Brasil indican que el uso de traíllas o scrapers con capacidad de tres a cuatro metros cúbicos, remolcados por tractores de 60 a 80 caballos de fuerza, trabajan eficientemente en la época seca.

Una ventaja del uso de scrapers es la compactación que se genera por el frecuente sobrepaso de las máquinas sobre el muro que se está levantando.

En términos económicos, el costo del metro cúbico de levantamiento y compactación es menor que el costo de utilizar maquinaria pesada. El rendimiento de la labor dependerá de la cantidad de scrapers con que se cuente, el clima y la eficiencia en la operación.

Traílla (Scraper)

44

MÓDULO DE

maquinaria pesada

REQUERIDA PARA LA CONSTRUCCIÓN

PALA CARGADORA / RETRO-EXCAVADORA / VOLQUETA TOPADORA (BULLDOZER)

Corte de material, esparcimiento, compactación, útil en la elaboración de canales y el dique

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COMPACTADORA VIBRÁTIL / PATA DE CARNERO

Traslado o movimiento de material y esparcimiento

Compactación

CONSTRUCCI Ó N paso a paso Según lo indiquen los planos, se demarca con estacas de madera el sitio donde se levantará la planta baja del muro. Una vez esté demarcada la planta baja con estacas, con un bulldozer se realiza el corte y la remoción de la capa orgánica hasta encontrar suelo firme. Este corte denominado “descapote”, fluctúa entre los 20-30 centímetros de profundidad.

El descapote es necesario para prevenir o reducir el volumen de infiltración de agua en la parte baja del muro. El descapote sólo se realiza donde esté la planta baja. Rara vez es factible hacer un descapote a todo el vaso de la represa. Tampoco es necesario remover toda la vegetación de la zona, ya que con el tiempo ésta se integrará a la represa

!

1. Remover la capa orgánica

2. Demarcar la planta baja del muro

Se debe prestar atención a las fallas que pueden presentarse en el diseño y que amenazan la seguridad de la represa. De ahí la importancia de la adecuada compactación del muro y una adecuada estructura para evacuar los excesos de agua.

3. Retirar la capa orgánica

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Construcción del trincho o diente Antes de comenzar el levantamiento del muro, debemos garantizar que no exista ningún tipo de infiltración de agua por debajo de la estructura. El trincho o diente es un canal cuadrado que se cava a lo largo de la línea central del muro, que será posteriormente rellenado con suelo y bien compactado, con el propósito de que sirva como una barrera física que impida el paso de agua por debajo de la base del muro.

Dependiendo del tamaño de la obra, el trincho o diente puede ser de dimensiones variables, sin embargo, con un canal de un metro de ancho y un metro de profundidad, podemos garantizar que la infiltración en la parte inferior del muro no va a ser un problema.

4. Aplanar el sitio de la toma

Construcción de la toma de agua Materiales: • Tubería PVC Ced.26 para alta presión • Varillas de hierro (3/8”, ½”, ¼”) • Alambre de amarre • Cemento, piedrín o gravilla • Ladrillos o bloques sólidos • Válvula o llave de paso de agua con acople • Rejilla metálica

5. Medir la dirección de la toma

Generalmente la toma de agua se ubica en el punto de menor altura de la represa, para así aprovechar la máxima cantidad de agua represada; en algunos casos puede estar ubicada sobre una capa de un metro de material compactado.

Nota: La toma de agua se puede construir o no, dependiendo de la altura de la represa con relación a la ubicación del cultivo.

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6. Demarcar donde va a ir la toma

Una vez demarcada la dirección de la toma, se cava un canal cuyas dimensiones dependen del diámetro de la tubería a instalar. El largo estándar de los tubos es de seis metros, y como cada seis metros se unen los tubos, es necesario cavar anillos antipercolantes para evitar posibles filtraciones de agua en las uniones de los tubos.

Para garantizar la durabilidad y resistencia de la toma, el tubo se introduce dentro de una viga de hierro de 3/8” y luego se rellena con concreto, posteriormente se acopla la válvula o llave de paso en la salida del agua y se hacen cajas en cemento, tanto en la entrada como en la salida del agua.

7. Instalar el tubo en la viga antes de concretar

Finalmente, en la caja de entrada se pone una rejilla metálica que evita la entrada de sedimento, palos, tortugas u otros elementos que puedan obstruir el muro, la toma y la fuga de los peces.

Una vez la toma esté hecha se inicia el levantamiento del muro, esparciendo con un bulldozer, capas de material selecto (suelo arcilloso) de 15 a 25 centímetros de espesor, que son compactadas posteriormente con una compactadora vibrátil o, si es posible, con una pata de carnero.

8. Cavar anillos anti-percolantes

El material no debe estar ni demasiado seco, pues no compactaría, ni muy húmedo, pues se abriría al compactarlo. En caso de que el material esté muy seco se hará necesario conseguir una pipa con agua para darle humedad al momento de la compactación.

Construcción del dique de aliviamiento y consideraciones de seguridad También denominado vertedero, el dique de aliviamiento es un 9. Poner concreto sobre los anillos

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canal rectangular que debe tener un desnivel de un centímetro de caída por cada 20 metros de longitud, y está ubicado por debajo de la altura máxima del muro. Su función principal es evacuar el excedente de agua de la represa, para así evitar desbordamientos o posibles rupturas del muro. Los cálculos para determinar las dimensiones del dique de aliviamiento fueron detallados anteriormente.

Para evitar la erosión del suelo del dique, ocasionada por la escorrentía, debemos buscar mecanismos para disminuir la energía del agua. Una buena práctica consiste en revestir el dique con plástico, una capa fina de arena y piedra redonda de río del tamaño de una mano.

La evacuación del excedente de aguas es un factor clave en la seguridad de la represa, principalmente durante la temporada de fuertes lluvias. En general, los diques de aliviamiento o aliviaderos son canales que se construyen en la parte lateral del muro y que permiten la salida del excedente de agua, una vez la represa ha llegado a su nivel máximo de llenado. Sin embargo, en muchos casos, las condiciones de topografía del sitio de la represa permiten utilizar pequeñas depresiones o salidas naturales ubicadas en la parte de atrás del sitio, como aliviaderos del excedente de agua.

Existen algunos métodos teóricos para determinar el caudal máximo de descarga de un dique de aliviamiento, en función a la cantidad de escorrentía percibida en el sitio. Estos modelos utilizan la información de suelos, vegetación y pendiente del área de captura, para hacer una estimación teórica del volumen máximo de agua a evacuar. Debido a que estos modelos requieren información detallada sobre la intensidad de la lluvia y la velocidad de escurrimiento, son poco prácticos al momento de tomar decisiones respecto al diseño.

49

10. Poner concreto en la toma

11. Rellenar los anillos con concreto

12. Poner caja y reja en la entrada de la toma

13. Detalle del acople para vรกlvula

16. Construir caja donde va la vรกlvula

14. Instalar la vรกlvula

17. Construir caja en la salida de la toma

15. Poner concreto en la vรกlvula

18. Rejilla en la caja de la salida de la toma

50

51

19. Compactar el suelo sobre la toma

22. Vista del muro desde afuera de la represa

20. Esparcir el material selecto para ir subiendo el muro

23. Vista del muro desde el interior de la represa

21. Compactar las capas de material selecto

24. Vista del campo, al fondo la represa

25. Construcci贸n del dique

26. Piedra para revestir el dique

27. Dique revestido

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Antes

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DespuĂŠs

Imágenes satelitales de cuatro reservorios construidos en México y Nicaragua durante el desarrollo del proyecto de “Transformación de sistemas agrícolas de secano a sistemas de riego, mediante la cosecha de agua”

Ubicación: Jalapa, Nicaragua

Ubicación: Tres Valles, México

Ubicación: Malacatoya, Nicaragua

Ubicación: Ciudad Alemán, México Créditos: Google

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PRODUCCI Ó N de cultivos BAJO RIEGO

La disponibilidad de riego permite al agricultor tener diversidad de cultivos durante todas las épocas del año y tomar ventajas de las oportunidades del mercado.

Foto: CIAT

El agua de riego puede ser usada para producir forrajes para alimentación animal durante la temporada seca, lo que genera incrementos significativos en la producción de leche y carne.

Asimismo, el reservorio ofrece la oportunidad de producir peces de rápido crecimiento (por ejemplo: Tilapia (Oreochromis niloticus) que pueden ser introducidos cuando el reservorio comienza a llenarse y cosechados cuando los reservorios comienzan a vaciarse, debido a que el agua de riego ha sido utilizada durante la época seca. El efecto acumulado de estos factores se puede traducir en el mejoramiento de la dieta de la población, el incremento significativo en los ingresos a nivel de finca, una producción más orientada a los mercados y una fuente permanente de empleo.

En gran parte del área tropical, existen dos épocas muy marcadas durante el año: La época seca y la época lluviosa. La producción de alimentos normalmente está limitada a la temporada lluviosa en un sistema que conocemos como agricultura de secano.

En años recientes, el cambio climático ha afectado la producción tradicional de cultivos. Lluvias menos frecuentes pero de mayor intensidad y largos períodos de sequía han perjudicado significativamente la vida de los agricultores que dependen de la agricultura de secano. Por el contrario, el riego completo durante la temporada seca permite la producción de un amplio rango de granos y vegetales que tienen altos precios debido a la escasez durante la época seca. Asimismo, el riego suplementario durante la temporada lluviosa permite al agricultor ajustarse al cambio climático.

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Se debe poner especial atención a la planeación de los sistemas de cultivo para maximizar el uso del agua de riego almacenada.

Adicionalmente, emplear sistemas de riego más eficientes ajustados al tipo de cultivo, puede contribuir a aumentar la eficiencia del uso del agua de riego. El siguiente cuadro ilustra un patrón de cultivo usado como modelo para una finca de diez hectáreas de área cultivable y un reservorio con una capacidad de 50.000 metros cúbicos de agua de riego. Durante la época lluviosa, los cultivos más favorables serían arroz (6ha) y maíz (4ha), ya que ambos cultivos toleran condiciones de humedad moderada y sólo requieren riego suplementario (en promedio tres riegos suplementarios durante la temporada), consumiendo aproximadamente 27.000 metros cúbicos equivalentes para seis hectáreas de arroz y 12.000 metros cúbicos para cuatro hectáreas de maíz. El agua usada para riegos suplementarios se recupera fácilmente durante la temporada lluviosa, ya que el reservorio se está recargando permanente de agua lluvia.

Durante la época seca, se pueden implementar un amplio rango de cultivos incluidos granos, vegetales y cultivos de forraje. El siguiente cuadro muestra un ejemplo para una finca de diez hectáreas con 50 mil metros cúbicos de agua de riego cosechada.

CULTIVO

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Área (ha)

Sistema de Riego

Consumo de agua

Maíz

3

Surcos

15.000

Fríjol

2

Surcos

5.000

Arroz

2

Inundación

20.000

Hortalizas

3

Goteo

5.000

En casos donde los agricultores tienen poca disponibilidad de agua, es más adecuado cultivar hortalizas y maíz fresco, ya que estos cultivos tienen mayores rendimientos por unidad de uso de agua, debido a su ciclo corto. Por el contrario, en casos donde los agricultores tienen exceso de agua y tierras o áreas limitadas, cereales como el arroz o el maíz serían los cultivos más adecuados, ya que proporcionan el mayor retorno por hectárea.

El factor principal que impulsa a obtener un mayor retorno económico con el uso de riego es la obtención de altos rendimientos. El riego permite el uso de genotipos mejorados y prácticas eficientes de manejo que dan como resultado altos rendimientos, bajos costos unitarios de producción, mayores ingresos y un sistema más diversificado.

Arroz

FrĂ­jol

Ganado

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Un proyecto financiado por: Common Fund for Commodities - CFC Un proyecto ejecutado por: Fondo Latinoamericano para Arroz de Riego - FLAR Con la colaboraci贸n de: Centro Internacional de Agricultura Tropical - CIAT Semillas del Nuevo Milenio S.A. - SENUMISA Consejo Mexicano del Arroz Asociaci贸n Nicarag眉ense de Arroceros - ANAR