RECOMENDACIONES PARA
UN ADECUADO DISEÑO Y
MANEJO DE LOS SISTEMAS DE RIEGO POR ASPERSIÓN

Introducción

Ante una demanda creciente de los recursos de agua disponibles, aumenta la necesidad de mejorar el manejo y el diseño de los sistemas de riego. Un aspecto fundamental en el diseño de un sistema de riego es la uniformidad de aplicación de agua. Ningún sistema de riego es capaz de alcanzar una uniformidad del 100%.

Los regantes saben que la uniformidad de riego está relacionada con la uniformidad de la producción. Cuando no existe limitación de agua, la falta de uniformidad se ha venido compensando históricamente mediante la aplicación de riegos mayores de los que se necesitarían si la aplicación fuera uniforme, de manera que la zona infrarregada resulte pequeña.

En la actual situación económica y medioambiental marcada, entre otras, por las directrices de la Política Agraria Comunitaria (PAC), resulta muy interesante determinar la altura de agua más adecuada desde el punto de vista económico en función de la uniformidad de aplicación. Esto puede hacerse tanto para una situación en que las disponibilidades de agua son limitadas como cuando no lo son (de Juan et al. 1996, Tarjuelo et al. 1996). También puede realizarse un análisis del beneficio económico obtenido mejorando la uniformidad de riego en el marco económico de una explotación individual.

Lo que pretendemos aquí es poner de manifiesto una serie de recomendaciones sobre el diseño y manejo de las instalaciones de riego por aspersión basadas en experimentación de campo que ayuden, tanto a los técnicos que tienen que realizar los proyectos, como a los regantes, a hacer un uso racional y sostenible del riego por aspersión.

Metodología de la evaluación de una instalación de riego

La evaluación a que nos referiremos únicamente contempla el proceso de aplicación de agua por el sistema, no considerando los aspectos de manejo que regulan la adecuación del riego en cuanto al momento y volumen a aportar.

En coberturas totales se ha seguido la metodología de Merriam y Keller (1978) y Merriam et al. (1980), y tenido en cuenta además lo que establecen las normas UNE-68-072-86 (1986), ISO 7749-2 (1990), y ASAE S330.1 (1985).

Para la realización de las evaluaciones en los sistemas pivot y laterales de avance frontal se sigue la metodología propuesta en las siguientes normas internacionales: ASAE S436 (1995) e ISO-11545 (1994).

A partir de los datos de campo se calculan los siguientes parámetros que caracterizan la calidad del riego (en cobertura de riego):

• Uniformidad de Distribución (UD)

Este término fue introducido por Merrian y Keller en 1978, y podemos definirlo como:

Normalmente, el aplicar riegos que produzcan ligeros déficits en las zonas menos regadas, por falta de uniformidad, suelen conducir al óptimo económico. Así, para cultivos de valor medio o alto se tiende a que la altura media de agua aplicada (dosis neta), que en un riego correcto debe ser igual al "déficit permisible de manejo (DPM)", coincida con la media del 25% del área menos regada. De esta forma, sólo el 12,5% del área estará infrarregada. Para los cultivos de menor valor económico, así como los forrajes, la dosis neta se suele hacer coincidir con la media del 50% del área menos regada, en cuyo caso el 25% del área quedará infrarregada.

Keller y Bliesner (1990) definen la Uniformidad de Distribución del Sistema (UD_s) como:

P_a: presión media de los aspersores del bloque.

La UD_s es un parámetro de uniformidad de toda la subunidad de riego, no sólo del marco donde se realiza la evaluación. Así, cuando en la subunidad existan importantes variaciones de presión de unas zonas a otras, la UD_s será menor que si la presión es uniforme.

• Coeficiente de Uniformidad de Christiansen (CU)

El Coeficiente de Uniformidad fue desarrollado por Christiansen (1942). Es una representación estadística de la uniformidad, utilizado principalmente en los sistemas de aspersión; es el parámetro de uniformidad de uso más generalizado. En sistemas de riego por aspersión estacionario se recomiendan valores de CU mayores al 80% (aunque depende de la velocidad del viento (Tarjuelo 1995, Tarjuelo et al 1992). Se expresa en % mediante la expresión siguiente:

donde:

x_i = altura de agua recogida por cada pluviómetro,

x¯ = altura media de agua recogida en el total de los pluviómetros,

n = número total de pluviómetros que intervienen en la evaluación.

Keller y Bliesner (1990) definen el Coeficiente de Uniformidad del Sistema (CU_s) como:

siendo P_n y P_a igual que en la UD_s.

• Eficiencia de Descarga (E_d)

Indica la relación entre el agua recogida por los pluviómetros y el agua descargada por los aspersores. La diferencia entre ambas son las pérdidas por evaporación y arrastre durante el proceso de riego, debido fundamentalmente a las condiciones climáticas (temperatura, humedad, viento, etc.). También hay que incluir en estas diferencias a los errores propios que conlleva la metodología seguida.

• Coeficiente de Variación (CV)

En el caso de los pivotes se calculan los siguientes parámetros:

• Altura bruta media aplicada (AMA)

Corresponde a la precipitación media aplicada por el sistema en cada vuelta completa. Se calcula con la expresión siguiente:

siendo Q_a el caudal aplicado, t₁ el tiempo que tarda el pivote en dar una vuelta completa, y A la superficie regada.

En los casos donde no se ha podido medir el caudal aplicado, la altura bruta media aplicada se puede estimar en función de la altura media recogida, mayorándola en un porcentaje según las condiciones climáticas.

• Altura media recogida (AMR)

Representa el valor medio ponderado de la altura de agua recogida por todos los pluviómetros. Se suele expresar en mm, de la siguiente forma:

donde P_i es la altura de agua recogida en cada pluviómetro (en mm), y D_i es la distancia del centro pivote a cada pluviómetro (en m) o su posición.

• Coeficiente de Uniformidad de Heermann y Hein (CU_h)

Es un parámetro estadístico que determina la uniformidad del sistema. Se calcula por la expresión siguiente:

Se considera que una parcela está bien regada cuando se consigue un CU_h entre el 85 y 90%. Con valores mayores al 90% la parcela está muy bien regada. En cambio con valores de CU_h menores al 85% se considera que el pivot no riega adecuadamente.

• Coeficiente de Uniformidad de variación (CU_v)

Es otro parámetro estadístico propuesto por Bremond y Molle (1995) que está basado en el Coeficiente de Variación. Es más sensible a las variaciones extremas de precipitación recogida por los pluviómetros que el CU_h.

Se calcula a partir de la siguiente fórmula, medido en porcentaje:

Se acepta como mínimo un valor de CU_v del 80% para considerar que un pivot riega adecuadamente.

• Pluviometría media en el extremo (P_m)

Hace referencia al valor de la altura de agua media que cae en el extremo del pivote. Se obtiene a partir de la siguiente fórmula:

donde AMR es la altura media de agua recogida, V es la velocidad de avance de la torre exterior, y r_a es el radio mojado por el emisor en el extremo del pivote.

Teniendo en cuenta el modelo elíptico de reparto de agua por un pivote, puede determinarse la Pluviometría máxima en el extremo (P_max) del equipo, con la siguiente relación:

La pluviometría en el extremo puede ser un indicador del riesgo de escorrentía en un determinado suelo, sobre todo cuando la curva de pluviometría es mayor que la curva de infiltración del agua en el suelo y no hay una buena capacidad de almacenamiento superficial del suelo, aunque con un adecuado manejo esto puede evitarse. La comparación de P_max con la capacidad de infiltración del terreno permite ver la conveniencia o no de emplear el pivote. Éste puede utilizarse en suelos de poca velocidad de infiltración, incrementando la velocidad de avance de manera que pase por un punto antes de que se supere el valor de la infiltración admisible más el posible almacenaje superficial del suelo. Esto implica aportar dosis más pequeñas y frecuentes, no debiendo ser menores de 7-10 mm para no aumentar mucho las pérdidas por evaporación. La pluviometría media es independiente de la velocidad de avance del equipo. Lo que sí varía con la velocidad de avance es la altura de agua aplicada. Para que no se produzca escorrentía, el área de la curva de pluviometría que supere a la curva de infiltración tiene que ser menor o igual a la capacidad de almacenamiento de la superficie del suelo.

Cuando se presenten problemas de escorrentía y no pueda solucionarse aumentando la velocidad de avance, se puede disminuir la pluviometría del extremo aumentando la anchura mojada por el emisor, bien cambiando el tipo de emisor, o bien localizando los existentes en unos pequeños tubos horizontales (tipo "booms") dispuestos perpendicularmente al pivot (Tarjuelo, 1995).

Resultados

Resultados de evaluaciones en cobertura total enterrada

Durante la primavera de 1996 se realizaron 33 evaluaciones en una zona regable de 700 ha de riego por aspersión en cobertura total enterrada (Montero et al., 1997, 1998a). Un resumen de los resultados conseguidos aparece en las figuras 1 y 2. El aspersor utilizado en la casi totalidad de las parcelas fue el RBE-46 con las boquillas 4,4+2,4 mm, con Vaina Prolongadora (VP) del chorro.

En diferentes parcelas se realizaron varias repeticiones con diferentes presiones medias de funcionamiento para comprobar la influencia de la presión en la uniformidad de riego conseguida. Las evaluaciones se realizaron con velocidades de viento (W) entre 0,1 y 4,6 m/s y el marco de riego era más o menos cuadrado, con separaciones entre aspersores entre 15,3 y 17,5 m.

El CU medio de todas las evaluaciones fue del 84,6%, y la UD media del 75,4%. Respecto a los parámetros de uniformidad del sistema, el CU_s medio conseguido fue del 82,4%, valores todos bastante aceptables.

Otros resultados conseguidos fueron: el CU fue mayor del 80% en el 79% de las evaluaciones realizadas; con velocidades de viento menores de 2 m/s el CU medio fue del 87,4%, con W entre 2 y 4 m/s el CU medio fue del 85,3%, y para W mayores de 4 m/s el CU medio fue del 77,2%. Esto pone de manifiesto que la velocidad del viento es el principal factor que distorsiona la uniformidad de riego.

Las eficiencias de descarga oscilaron entre el 75 y 98%, estimando unas pérdidas medias por evaporación y arrastre del 14%.

Otras conclusiones fundamentales de este trabajo fueron:

• La uniformidad de riego aumenta cuando se presentan vientos racheados.
• Con presiones bajas (< 3 bar) (figura 1):
  • La uniformidad de riego se ve menos afectada por la velocidad del viento que con presiones altas.
  • Se obtiene menor uniformidad para velocidades de viento bajas o medias (< 4 m/s), pero mantiene esta uniformidad con vientos altos, consiguiendo valores de CU entre el 80 y 90%.
• Se observa una mayor dispersión en los valores de uniformidad al regar con altas presiones (figura 2), lo que significa que le afectan más otros factores, tales como el marco de riego, la velocidad del viento, etc. Con presiones bajas los valores de CU son algo menores pero más estables.
• Cuanto mayor es el marco de riego, mayor es la dispersión en los valores de uniformidad, esto quiere decir que es más sensible a factores como el viento, la presión, etc.

Resultados de las evaluaciones en equipos pivot

Durante las campañas de 1996 y 1997 se realizaron 58 evaluaciones en equipos pivot de diferentes explotaciones agrarias de Albacete, con el fin de identificar los posibles factores que influyen sobre la uniformidad y eficiencia en la distribución de agua (Montero et al. 1998b). Las condiciones de funcionamiento y climáticas fueron variables, con equipos pivot que regaban desde 6 a 166 ha, y con presiones al final del pivot de entre 55 y 375 kPa. Se utilizaron tanto difusores como aspersores de impacto.

Los parámetros medios de uniformidad conseguidos fueron: UD=77,9%, CU_h=85,6% y CU_v=80,6%.

En la figura 3 se representan los valores de UD, CU_h y CU_v correspondientes a las evaluaciones de campo realizadas, ordenados por orden creciente de valores de UD, donde se pone de manifiesto la mayor sensibilidad frente al viento de UD que de CU_h. Tanto con aspersores como con toberas se obtienen altos valores de uniformidad cuando los emisores se sitúan a 4 m sobre el suelo excepto cuando existen problemas de obstrucción de algún emisor, fugas en la tubería, etc. La uniformidad con emisores a 2,5 m de altura presenta una mayor variabilidad, y puede llegar a valores bajos cuando se sitúan a 1,5 m de altura debido al diseño de los propios emisores como se verá más adelante.

Además se realizaron otros 16 ensayos para analizar conjuntamente el efecto de la altura del emisor sobre la uniformidad de riego y las pérdidas por evaporación y arrastre. En un pivote de 400 m de radio (50,6 ha), con siete torres de 56 m y un alero de 9 m, trabajando con un emisor de baja presión (LDN, de Senninger^®(LDNA es una marca registrada por Senninger Irrigation Inc. Sólo dada a título informativo)) se ha estudiado el efecto de tres alturas de emisor (1,0, 2,5 y 4,0 m). Manteniendo la misma carta de emisores diseñada por el distribuidor comercial, con emisores situados a 2,5 m sobre el suelo, se trasladaron a la altura de la tubería (aproximadamente a 4 m del suelo) los emisores del ultimo tramo de 56 m y a 1 m sobre el suelo los emisores del antepenúltimo tramo. Con esta disposición se realizaron diferentes evaluaciones, tanto de día como de noche (con velocidades de viento prácticamente nulas y pérdidas por evaporación despreciables). Estos resultados aparecen representados en la figura 4.

Los resultados indican que, en riegos nocturnos, se obtiene mayor uniformidad media con aspersores a 4 m de altura (CU_h= 91,1%). Cuando los emisores se sitúan a 2,5 m la uniformidad decrece de forma significativa (CU_h= 87,0%), decreciendo mucho más con emisores a 1 m (CU_h= 78,3%).

La bajada de uniformidad se debe principalmente a que el emisor descarga el agua en forma de chorritos y no tiene ningún mecanismo de rotación, lo que ayudaría a conseguir una lluvia más regular. Como consecuencia, cuando se sitúa el emisor a 1 m del suelo hay puntos que reciben una gran cantidad de agua mientras que otros no reciben apenas agua. El comportamiento de la E_d puede ser también explicado por este hecho. Así la E_d a 1 m fue muy baja (E_d=73,5%), mientras que a 2,5 y 4 m fue próxima al 100%. La eficiencia real es considerablemente mayor cuando se considera el efecto de la cubierta vegetal y la redistribución del agua en el suelo.

Sin embargo, en los riegos diurnos los valores de uniformidad y eficiencia de descarga son más diversos. La uniformidad con emisores situados a 1 m se incrementa respecto a los valores nocturnos por el efecto del viento, el cual ayuda a romper los chorritos, resultando una lluvia más regular. Con emisores a 2,5 y 4 m se obtienen prácticamente los mismos valores de uniformidad media. La mayor dispersión de valores correspondientes a 2,5 m se debió a que una parte de la descarga de agua del tramo con emisores a 4 m caía en esta zona al ser arrastrada por el viento, con dirección dominante desde el extremo al centro pivote, como consecuencia del diseño experimental. Así se aprecia un incremento de altura de agua recogida en el extremo del tramo con emisores a 2,5 m. Ésta es también la razón de algunos valores altos de eficiencia de descarga en este tramo. En el tramo con emisores a 4 m la eficiencia de descarga puede llegar a disminuir mucho por la acumulación de las perdidas por evaporación y arrastre ocasionadas por el viento. En el tramo con emisores a 1 m se alcanza alta eficiencia de descarga al ser pequeño el efecto del viento sobre la evaporación y el arrastre.

Al final de campaña se analizó el efecto de las tres alturas de emisor sobre la producción de trigo realizando tres muestreos en cada tramo de diferente altura de emisor. Los resultados muestran que no hubo diferencias significativas en la producción con emisores a 1 y 2,5 m, con producciones de 7.464 y 7.573 kg/ha respectivamente. Sin embargo sí existieron diferencias significativas con la producción obtenida en el tramo con emisores a 4 m (6.420 kg/ha). La cantidad total de agua descargada por el pivote en la campaña de riegos fue de 3.435 m³/ha.

Las principales conclusiones que se derivan de estos resultados de evaluaciones en pivot son:

• Los problemas más importantes en la uniformidad de reparto de agua se presentan en el extremo, por eso, la uniformidad aumenta significativamente cuando no se considera el alero. Una buena solución puede ser colocar un aspersor de tamaño medio o "pistola" situado a 2 m del suelo con un tubo bajante.
• No se han encontrado claras diferencias en la uniformidad de reparto por factores tales como: tamaño del equipo, tipo de emisor, presión de trabajo o velocidad y dirección del viento. El factor más importante es el correcto diseño de la carta de emisores.
• Las pérdidas por evaporación y arrastre disminuyen al acercar el emisor al suelo pero esto produce menor anchura mojada, mayor encharcamiento superficial, con posible escorrentía en zonas con pendiente, y descenso de la uniformidad de distribución del agua.
• La disposición de emisores más ventajosa para alcanzar un equilibrio entre pérdidas por evaporación y arrastre y uniformidad parece ser situar los emisores a unos 2 m sobre el suelo, con una anchura mojada en torno a los 15 m, lo que requiere una presión de trabajo de 1,5 a 2 bar, o algo menor si no hay problemas de escorrentía. En estas condiciones pueden utilizarse separaciones entre emisores de 2,5 a 3 m.

Resumen de recomendaciones de manejo

En base a los resultados expuestos en los apartados anteriores puede sacarse el siguiente resumen de recomendaciones para el correcto manejo del riego por aspersión:

A) En sistemas estacionarios

• Normalmente se consigue mayor coeficiente de uniformidad (CU) utilizando dos boquillas en el aspersor que una sola, con "vaina prolongadora" (VP) en la boquilla grande para velocidades de viento mayores de unos 2 m/s. Es importante en tal caso que la boquilla pequeña esté correctamente diseñada para conseguir que el modelo radial de distribución de agua del aspersor en ausencia de viento tenga una forma triangular, pero sin producir un exceso de pluviosidad en las proximidades del aspersor (no más de 6-8 mm/h) pues sería un síntoma claro de un exceso de gotas pequeñas, que son fácilmente arrastradas por el viento y hace disminuir rápidamente la uniformidad de riego al aumentar la velocidad el viento, además de originar mayores pérdidas por evaporación. Si la boquilla pequeña no cumple estas condiciones, puede ser más favorable utilizar una sola boquilla en el aspersor ya que, aunque se obtenga una uniformidad de riego algo menor con velocidades de viento bajas (< 3 m/s), suelen conseguir mayor uniformidad para vientos más intensos.
• Se debe procurar evitar las presiones superiores a 400 kPa ya que, aparte del mayor coste económico, produce mayor proporción de gota pequeña, con las consecuencias antes apuntadas.
• Diseñar los sistemas con pluviosidades bajas (6-8 mm/h) para que, además de evitar problemas de encharcamiento y escorrentía, sea mayor el tiempo de riego. Así se obtienen mayores valores de CU al compensarse en parte las distorsiones producidas por el viento.
• Se obtienen mayores valores de CU con marcos cuadrados (15 m x 15 m y 18 m x18 m) que con los rectangulares equivalentes (12 m x 18 m y 16 m x 20 m) cuando el aspersor lleva 2 boquillas, cualquiera que sea la velocidad del viento. En aspersores con 1 boquilla sucede prácticamente lo mismo si la boquilla no lleva VP, pero ocurre justo lo contrario cuando a la boquilla se le incorpora la VP.
• En marcos rectangulares como el 12 m x18 m, si se utilizan aspersores con 1 boquilla, parece más recomendable que el menor espaciamiento sea paralelo a la dirección del viento, sin embargo, con aspersores de 2 boquillas, parece mejor que el mayor espaciamiento sea paralelo a la dirección del viento, aunque en este caso el efecto de la dirección del viento es mucho menor, sobre todo si la boquilla grande lleva VP.
• Los aspersores sectoriales deben trabajar con una sola boquilla, evitando así una excesiva acumulación de agua en las proximidades del aspersor.
• Para cultivos herbáceos extensivos, el marco más pequeño que se suele recomendar es el 12 m x 12 m y el más grande el 18 m x18 m. Para estos marcos la presión media en el ramal portaaspersores debe estar entre 250 y 350 kPa.
• Con el sistema de ramales móviles, se recomienda utilizar marcos de 12 m 15 m ó 12 m x 18 m para no tener que mover demasiadas veces los tubos, con dos boquillas en el aspersor (4+2,4 mm) y una presión media de 300 kPa. No obstante, en el marco 12 m x18 m pueden obtenerse también valores altos de CU con una sola boquilla (4,8 mm).
• Para sistemas fijos en superficie se recomienda utilizar marcos de 12 m x 15 m en rectángulo o triángulo y 18 m x15 m en triángulo, con dos boquillas en el aspersor (4,4+2,4 mm ó 4,8+2,4 mm) y una presión media de 300 y 350 kPa respectivamente. Otro marco interesante es el 15 m x 15 m con boquillas 4,4+2,4 mm y presión media de 300-350 kPa.
• Para sistemas fijos enterrados, que son los más interesantes si se riega de forma continuada la misma parcela, los marcos de riego más recomendables son 18 m x15 m en triángulo y 15 m x15 m ó 18 m x18 m en cuadrado. No obstante para dar un número entero de pases de sembradora con espaciamiento entre surcos de 0,7 m por ejemplo, los 18 m suelen ser en realidad 17,5 m y los 15 m suelen ser 14 m. Para estos marcos, lo más recomendable es utilizar boquillas de 4,4+2,4 mm y 4,8+2,4 mm, a una presión media en ramal de 300 a 350 kPa, según el tamaño del marco, buscando una pluviosidad media del sistema en torno a 7 mm/h.

Por último, habría que destacar el hecho de que tanto la Administración Pública como los usuarios particulares deberían exigir, antes de la compra del material de riego, la información técnica adecuada así como la correspondiente homologación o certificación del material. De la misma forma, antes de la entrega de la obra, debería exigirse una prueba de evaluación a la instalación para tener una idea de la uniformidad de reparto de agua que consigue. No hay que olvidar que no siempre la instalación más barata es la más conveniente.

B) En sistemas con laterales autopropulsados

• Se consigue normalmente mayor uniformidad de riego que con los sistemas estacionarios al ser menos afectados por el viento.
• No se han encontrado diferencias significativas en la uniformidad de reparto por factores tales como: tamaño del equipo, tipo de emisor, presión de trabajo o velocidad y dirección del viento, aunque los equipos pequeños (menores de unas 15 ha) son más afectados por el viento, sobre todo cuando este sopla en la misma dirección del lateral.
• Las pérdidas por evaporación y arrastre disminuyen al acercar el emisor al suelo pero esto produce menor anchura mojada, mayor encharcamiento superficial (con posible escorrentía en zonas con pendiente) y descenso de la uniformidad de distribución del agua.
• La disposición de emisores más ventajosa para alcanzar un equilibrio entre pérdidas por evaporación y arrastre y uniformidad de riego parece ser situar los emisores a unos 2 m sobre el suelo, con una anchura mojada en torno a los 15 m, lo que requiere una presión de trabajo de 1,5 a 2 bar, o algo menor si no hay problemas de escorrentía. En estas condiciones pueden utilizarse separaciones entre emisores de 2,5 a 3 m.

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