Disponibiblidad de agua

La tierra esta cubierta por aproximadamente el 70% de agua, del cual el 97.5% es agua de los Oceanos, y el 2.5% lo conforman las redes hidrológicas terrestres.

La variación y la cantidad de agua en la superficie terrestre varia en el espacio y tiempo debido al ciclo del agua.

El sistema terrestre dispone de fuentes de agua tales como:

• Precipitación.

• Almacenamiento superficial.

• Agua subterránea.

• Corrientes superficiales.

• Océanos.

• Nubes.

• Vapor de agua atmosférico.

• Humedad del suelo.

• Etc.

Importancia del agua en las plantas

El agua es uno de los componentes principales en los seres vivos. En las plantas constituyen el 80% o más del peso de las plantas herbaceas y alrededor del 50% en plantas leñosas.

Una de la importancia enfocado en el riego, el agua tiene como función:

• Autoregular la temperatura de la planta.

• Transportar los nutrientes que se encuentran en el suelo.

Planeación del riego

En el diseño y planificación de los riegos se establecen tres preguntas fundamentales:

1. ¿Cuanto regar?
2. ¿Cuando regar?
3. ¿Como aplicar el agua de riego?

Para responder estas preguntas se enfocan: - Características del suelo.

• Evaporación del suelo.

• Transpiración de la planta.

• Etapas de crecimiento del cultivo.

Riego completo

Bajo un criterio de recurso hídrico adecuado, las necesidades hídricas se cumplen plenamente, es decir, el requerimiento de agua por parte de la planta es igual a la lámina aplicada.

Defict de riego

Bajo el criterio de agua limitada, los niveles de agua en el suelo aplicados a través del riego dentro de la zona radicular del cultivo es menor del que debería ser bajo el criterio de riego completo presentando estrés hídrico o déficit de agua.

Factores que afectan la planeación y desarrollo del riego

Clima

Los cultivos requieren ciertas condiciones ambientales para su crecimiento y desarrollo de frutos. En el caso de estimar el requerimiento de riego dependiendo del clima será la demanda hídrica.

Energía

Los sistemas de riego se pueden clasificar por gravedar (melgas y surcos) y por presión (aspersión y goteo), éstos ultimos requieren de una fuente de energía para movilizar el agua desde la fuente hasta la planta.

Condiciones necesarias del suelo

• Adecuada capacidad del suelo para sostener humedad.

• Adecuada velocidad de infiltración.

• Adecuado drenaje agrícola.

• Adecuada propiedades físicas.

• Ausencia de elementos ácidos, salinos y otros elementos tóxicos.

Importancia del suelo para el riego

El suelo actuará como un reservorio de agua para la planta, el agua se acumula en los microporos proporcionando de humedad a la zona radicular. Las raíces absorben el agua para realizar los procesos fisiológicos de la planta.

Es importante considerar las propiedades físicas para el optimo crecimiento de los cultivos. Asimismo para el aprovechamiento del agual.

Propiedades físicas

Textura

Textura

Proporción relativa de partículas gruesas (arena), media (limos), y finas (arcillas) contenidas en el suelo.

La textura define en gran medida la porosidad y el procentaje relativo de macro y microporos. Esta relaciona con la capacidad de almacenamiento, retención y movilidad del agua en el suelo, aireación, fertilidad, etc.

Un suelo ideal dispone de una textura de 40% de arena, 40% de limo, y 20% de arcilla.

Densidad aparente

Densidad aparente

Es la relación entre la masa y el volumen que esa masa ocupa.

La densidad es la medida del peso del suelo por undiad de volumen incluyendo el espacio poroso, usualmente dado por la sequedad del suelo a una temperatura de 105°C.

La densidad aparente generalmente es baja en la superficie (1 a 1.3 g/cm\(^3\)).

Ecuación \(\rho = \dfrac{m}{V}\)

\(\rho\): Densidad.

\(m\): Masa del suelo.

\(V\): Volumen que ocupa el suelo.

Importancia de la densidad aparente

La densidad aparente afecta la facilidad de como las raíces de las plantas atraviesan o penetran el suelo cuando las raíces se propagan. El dato de densidad aparente son necesarios para calcular el movimiento del contenido de humedad dentro del perfil del suelo y la proporción de la formación de arcillas y acumulación de carbonatos.

Se puedes estimar valores aproximados a partir del tipo de suelo:

Suelo	Densidad aparente (\(gr/cm^3\))
Suelos arenosos	1.4-1.7
Suelos francos	1.3 - 1.4
Suelos arcillsos	1.0 - 1.3
Suelos orgánicos	0.7 - 1.0

Densidad real o de partículas

Representa la densidad del suelo sin los espacios vacíos, es conocido también como densidad real o densidad de sólidos (\(\rho_p\)), representa el peso dado al volumen de sólidos solamente:

\(\rho_p = \dfrac{M_s}{V_s}\)

\(\rho_p\): Densidad.

\(M_s\): Masa del suelo seco.

\(V_s\): Volumen del suelo.

La densidad real es el equivalente promedio de la densidad de los minerales y la materia orgánica. El valor varía entre 2.6 y 2.7 \(g/cm^3\). **Para las operaciones en clases utilizaremos un valor medio de 2.65 \(g/cm^3\).

Velocidad de infiltración

Infiltración

Proceso por el cual el agua entra en el suelo desde la superficie haci el subsuelo.

Velocidad de infiltración

Unidad de medida que indica que tan rapido el agua ingresa al suelo.

Factores que afectan la infiltración:

• Textura.

• Porosidad.

• Densidad aparente.

• Contenido de materia orgánica.

• Aire atrapado.

• Compactación del suelo.

• Cobertura vegetal.

• Contenido inicial de humedad del suelo.

• Uso de suelo.

• Profundidad a la capa freatica.

• Viscosidad del fluído.

• Turbiedad del fluido.

Curva de infiltración

Curva de infiltración

Representación gráfica de la velocidad de infiltración con respecto al tiempo.

<

Tipo de suelo	Velocidad de infiltración (\(cm/hr\))
Suelo arenoso	>2.0
Suelo arenoso limoso	1.0 - 2.0
Limoso	0.5-1.0
Franco limoso	0.5-0.8
Arcilloso	0.1-0.5

Métodos para medir infiltración

Formas para medir la infiltración:

1. Métodos de entrada y salida.
2. Métodos del doble cilindro o infiltrometro.

Modelos de infiltración más aplicados:

• Green - Ampt.
• Kostiakov - Lewis.

\(I=k\cdot t^n\)

\(I\): Porosidad (%).

\(t\): Densidad aparente del suelo.

\(k\) y \(n\): Parámetros de ajuste que se obtienen mediante regresión lineal.

Dado que la fórmula tiene una forma potencial, debe linealizar a través de la aplicación de logaritmos:

\(Log I = Log K + n\cdot Logt\) Para el parámetro \(K\): \(Log K = \bar{y} - n \cdot \bar{x}\) \(K = 10^{LogK}\) Para el parámetro \(n\): \(n = \dfrac{\sum xy - \dfrac{\sum x \cdot \sum y}{N}}{\sum x^2 - \dfrac{(\sum X)^2}{N}}\)

Formas de expresión del contenido de humedad

• Contenido volumétrico de humedad, denotado como \(\theta\).

• Contenido gravimétrico de humedad, denotado como \(W\).

• Lámina de agua, denotado como \(La\) y expresado en \(mm\).

Niveles de contenido de humedad

• Contenido de humedad a saturación (\(\theta_s\), \(W_s\)): Se presenta regularmente después de un riego pesado, se caracteriza por que todo el espacio poroso está ocupado por agua.

• Contenido de huedad a capacidad de campo (\(\theta_{cc}0\), \(W_{cc}\)): Representa la cantidad de agua que queda en el suelo después de que el exceso de agua gravitacional ha sido evaporada y drenada. Se presenta algunos días despés de un riego pesado, cuando las condicones de aireación se han normalizado y existe equilibrio entre el aire y el agua ocupado en el espacio poroso. Esta es la condición ideal para el desarrollo de cultivos.

• Contenido de humedad a puntos de marchitez permanente (\(\theta_{pmp}\), \(W_{pmp}\)): Se presenta cuando el nivel de humedad ha bajado tanto que las plantas comienzan a marchitarse. Este es un valor crítico ya que las plantas una vez perdido su turgencia debido a la falta de agua ya no se recuperan. Es importante aplicar el riego antes de llegar a este nivel.

• Contenido de humedad residual (\(\theta_r\), \(W_r\)): Es la humedad que queda en un suelo después de extraerle la mayor cantidad de agua posible, utilizando una fuerza extremadamente alta. Regularmente no se presenta en forma natural en el campo, sino es un valor que se utiliza para fines experimentales.

Humedad totalmente aprovechable (HTA)

Representa la cantidad de agua disponible para el cultivo.

\(HTA\) : Humedad totalmente aprovechable.

\(CC\) : Capacidad de campo.

\(PMP\) : Punto de marchitez permanente.

Para ser expresado en forma de lámina de agua se utiliza las siguientes ecuaciones:

• Forma gravimétrica: \(La (HTA) = \dfrac{W_{cc}-W_{PMP}}{100} \cdot \rho_a \cdot Pr\)
• Forma volumétrica: \(La (HTA) = \dfrac{\theta_{cc}-\theta_{PMP}}{100} \cdot Pr\)

\(\rho_a\) : Densidad aparente del suelo.

\(Pr\) : Profundidad radicular o profundidar a regar.

Humedad facilmente aprovechable (HFA)

La HFA es una fracción del HTA, representa la humedad que el cultivo puede extraer agua del suelo con facilidad sin necesidad de un desgaste energético. Se calcula:

\(f\) : Factor de abatimiento (fracción).

Textura

Con la práctica de la prueba de la botella se estima el contenido relativo de partículas

• Arena: 13 %

• Limo: 52 %

• Arcilla: 35 %

Densidad Aparente

Acorde al tipo de suelo que es un suelo franco arcillo limoso y la tabla de clases estructurales del suelo, la densidad aparente para este tipo de suelo es de 1.45 a 1.55 g/cm\(^3\). Se seleccionara el valor de 1.5 g/cm\(^3\).

Porosidad

Capacidad de campo

Punto de Marchitez Permanente

Se puede aplicar cualquiera de las dos ecuaciones:

Contenido de humedad totalmente aprovechable

Se seleccionara una profundidad de 1 metro (1000 mm), como forma práctica se aplicara ambas formas para los valores de CC y PMP anteriores:

• Forma gravimétrica:

• Forma Volumétrica:

Resumen de datos para el suelo

• Textura:

  • Arena: 13%.
  • Limo: 52%.
  • Arcilla: 35%

• Tipo de suelo: Franco arcillo limoso.

• Densidad aparente: 1.5 g/cm^3.

• Porosidad: 43.40 %.

• Capacidad de campo: 34.649%.

• Punto de marchitez permanente: 18.6285 %.

• Humedad totalmente aprovechable: 16.02 %.

• Lámina gravimétrica: 240.3075 mm.

• Lámina volumétrica: 160.205 mm.

Materiales

• Doble cilindro.

• Regla.

• Bolsas de plástico.

• Marro.

• Tablon.

• Nivel.

• Recipientes para el transporte de agua.

Metodología

1. Introducir los cilindros a una profundidad de aproximadamente de 5 - 10 cm.

2. Se coloca la regla dentro del cilindro interior.

3. Se coloca la bolsa de plástico en el fondo del cilindro interior.

4. Se procede con el llenado del cilindro interior a unos 10 a 15 cm de agua.

5. El llenado de los cilindros se recomienda que sea operado entre 3 a 4 personas: registro del llenado del cilindro interior y llenado de cilindros.

Formato

1. Representan los números de las lecturas realizadas.

2. Se registra la hora y el tiempo de un cronometro.

3. Se lleva acabo la lectura de consumo.

4. Se registra la lectura de relleno.

5. Se registra el intervalo de tiempo.

6. Se calcula la lámina infiltrada a partir de las lecturas.

1. En la tabla anterior se eliina el tiempo 0.

2. Se ingresa los datos de intervalo de tiempo obtenido en campo.

3. Se calcula el tiempo acumulado.

4. Se ingresa los datos de lámina infiltrada obtenida en campo.

5. Se calcula la velocidad de infiltración:

\(\vec{v}\) : Velocidad de infiltración.

\(Li\) : Lámian de infiltración.

\(Lt\) : Intervalo de tiempo.

6. Se calcula los logaritmos para el tiempo acumulado (x) y la velociad de infiltración.

7. Se calcula la velocidad de infiltración ajustada.

8. Finalmente se gráfica la curva de infiltración.

Problema

Con datos recogidos en campo, se comienza el llenado de la tabla. Dado que el tiempo en el primer dato es inicial, este dato es omitido en los proximos calculos

Columna lámina infiltrada

La lámina infiltrada es calculada a partir de la diferencia de la lectura. En el dato 1 y el dato 2 tenemos una diferencia de 3.5 (la primera fila de datos en la tabla se queda en 0 o se omite)).

\[\begin{equation} Li_i = dato_i - dato_{i-1} \end{equation}\]

\(Li\): Lámina infitrada.

\(dato\): Lectura de datos.

\(i\): Subíndice de la posición del dato a calcular.

Primera lectura es de 3.5: \[\begin{equation} Li_1 = 3.5 - 0 = 3.5 \text{ cm} \end{equation}\]

Segunda lectura es de 6:

\[\begin{equation} Li_2= 6 - 3.5 = 2.5 \text{ cm} \end{equation}\]

Tercera lectura es de 8.5:

\[\begin{equation} Li_3 = 8.5 - 6 = 2.5 \text{ cm} \end{equation}\]

NOTA: en el formato de campo viene una observación de llenado, se vuelve a llenar los cilindros y se vuelve comenzar en 0 la lectura

Cuarta lectura es de 2:

\[\begin{equation} Li_4 = 2 - 0 = 2 \end{equation}\]

Intervalo de tiempo

El intervalo de tiempo es similar a las operaciones de lámina infiltrada:

\[\begin{equation} ti = Hora_i - Hora_{i-1} \end{equation}\]

\[\begin{equation} ti_1 = 8:01 - 8:00 = 1 \text{ minuto} \end{equation}\]

\[\begin{equation} ti_2 = 8:02 - 8:01 = 1 \text{ minuto} \end{equation}\]

\[\begin{equation} ti_3 = 8:04 - 8:02 = 2 \text{ minutos} \end{equation}\]

\[\begin{equation} ti_4 = 8:07 - 8:04 = 3 \text{ minutos} \end{equation}\]

Tiempo acumulado

Se van sumando los intervalos de tiempo:

\[\begin{equation} It_i = \sum _{i=1}^{n} t_i \end{equation}\]

\[\begin{equation} It_1 = 1 \end{equation}\]

\[\begin{equation} It_2 = 1 + 1 = 2 \end{equation}\]

\[\begin{equation} It_3 = 1 + 1 +2 = 4 \end{equation}\]

\[\begin{equation} It_4 = 1 + 1 + 2 + 3 = 7 \end{equation}\]

Otra forma de calcularlo es utilizar el dato anterior del intervalo acumulado y sumar el nuevo dato de intervalo:

\[\begin{equation} It_4 = 4 + 3 = 7 \end{equation}\]

Velocidad de infiltración

Las unidades que tenemos en tiempo son minutos, la lámina es en cm, para aplicaremos la ecuación de velocidad de infiltración transformando los minutos a hora:

\[\begin{equation} Vi = \dfrac{Li}{ti} * 60 \end{equation}\]

\[\begin{equation} Vi_1 = \dfrac{3.5}{1} \cdot 60= 210.00 \text{ cm/hr} \end{equation}\]

\[\begin{equation} Vi_2 = \dfrac{2.5}{1} \cdot 60= 150.00 \text{ cm/hr} \end{equation}\]

\[\begin{equation} Vi_3 = \dfrac{2.5}{2} \cdot 60= 75.00 \text{ cm/hr} \end{equation}\]

\[\begin{equation} Vi_4 = \dfrac{2}{3} \cdot 60= 40.00 \text{ cm/hr} \end{equation}\]

En una nueva tabla, se copia los datos de tiempo acumulado y velocidad de infiltración, si observan, el dato 1 en la tabla anterior se omitio pasando de ser 19 a 18 datos a calcular.

Operación logaritmica

El tiempo representa \(x\) y la velocidad de infiltración la \(y\).

\[\begin{equation} x_i= Log(t_i) \end{equation}\]

\[\begin{equation} x_1= Log(1) = 0.0000 \end{equation}\]

\[\begin{equation} y_i= Log(i_i) \end{equation}\]

\[\begin{equation} y_1= Log(210) = 2.3222 \end{equation}\]

\[\begin{equation} x2_i= Log(t_i)^2 \end{equation}\]

\[\begin{equation} x2_1= Log(1)^2 = 0.0000 \end{equation}\]

\[\begin{equation} y2_i= Log(i_i)^2 \end{equation}\]

\[\begin{equation} y2_1= Log(210)^2 = 5.3927 \end{equation}\]

\[\begin{equation} xy= Log(t_i) \cdot Log(i_i) \end{equation}\]

\[\begin{equation} xy= Log(0) \cdot Log(210) = 0.0000 \end{equation}\]

Al sacar todos los datos, la ultima fila es una sumatoria de los datos.

Parámetro n

El parámetro es el exponente que ajustará los valores de tiempo, el valor es negativo.

\[\begin{equation} n = \dfrac{\sum xy - \dfrac{\sum x \cdot \sum y}{N}}{\sum x^2 - \dfrac{(\sum x)^2}{N}} \end{equation}\]

\[\begin{equation} n = \dfrac{4.7417 - \dfrac{30.4373 \cdot 9.9112}{18}}{ 63.0726 - \dfrac{(30.4373)^2}{18}} = -1.0356 \end{equation}\]

Parámetro K

\[\begin{equation} LogK = \bar{y}-n\cdot\bar{x} \end{equation}\]

\[\begin{equation} LogK = \dfrac{9.9112}{18} - (-1.0356) \cdot \dfrac{30.4373}{18} = 2.3018 \end{equation}\]

\[\begin{equation} k = 10^{LogK} \end{equation}\]

\[\begin{equation} k = 10^2.3018 = 200.3549 \end{equation}\]

Por lo tanto, el modelo de infiltración nos queda:

\[\begin{equation} I = 200.3549 \cdot t^{-1.0356} \end{equation}\]

Realizamos el ajuste con los datos de campo del tiempo acumulado:

\[\begin{equation} I_1 = 200.3549 \cdot 1^{-1.0356} = 200.36 \text{ cm/hr} \end{equation}\]

\[\begin{equation} I_2 = 200.3549 \cdot 2^{-1.0356} = 97.74 \text{ cm/hr} \end{equation}\]

\[\begin{equation} I_3 = 200.3549 \cdot 4^{-1.0356} = 47.68 \text{ cm/hr} \end{equation}\]

\[\begin{equation} I_4 = 200.3549 \cdot 7^{-1.0356} = 26.71 \text{ cm/hr} \end{equation}\]

Curva de infiltración