Introducción

En dos terceras partes de México el clima es árido y semiárido con precipitaciones medias inferiores a 500 mm, mientras que en la tercera parte restante son mayores a 1600 mm anuales. Esta distribución irregular de la lluvia ha obligado a construir obras de riego aprovechando los recursos hidráulicos locales para optimizar el desarrollo de los cultivos (^{CONAGUA, 2008}). En México se cultivan 20 millones de hectáreas de las cuales 6.4 millones son de riego, lo que coloca al país entre los primeros del mundo en superficie irrigada. El sector agrícola consume 77% del volumen de agua utilizada (61.2 km³), con una eficiencia global de 45%, y los sistemas de producción bajo riego generan 55% de la producción agrícola nacional y 70% de los productos agrícolas de exportación (^{Tun-Dzul et al., 2011}). La principal limitante para optimizar la producción agrícola en México es la poca disponibilidad de agua en las zonas áridas y semiáridas del país, la explosión demográfica y la demanda de los sectores económicos en dichas zonas; con el crecimiento poblacional la demanda de agua para consumo humano e industrial se eleva, reduciendo su disponibilidad para las áreas agropecuarias. Por tal motivo, es necesario el uso eficiente del agua en el sector agropecuario, mediante el mejoramiento de métodos e instrumentos para conducir, distribuir y aplicar el agua de riego; así como en el diseño, revisión y evaluación de los sistemas de riego. El uso óptimo y sostenible del recurso hídrico disponible para riego requiere que la infraestructura permita gestionar el agua de riego con las estrategias de manejo más adecuadas en cada situación, y solo condicionada por los cultivos que se adopten en la zona, así como por la evolución de las políticas y mercados agrícolas (^{Planells et al., 1999}).

Además, la baja disponibilidad de agua en las presas del país ha repercutido en la sobreexplotación de los acuíferos, lo cual origina la necesidad de establecer estrategias para un mayor control en la administración del recurso hídrico. Entre estas estrategias, destaca la tecnificación del riego que implica la incorporación de técnicas y métodos racionales cuantitativos que permitan ejercer un mayor control de esta importante práctica agrícola, que a nivel de parcela sugiere su diseño y programación eficiente del riego (^{Catalán y Villa, 2009}).

Un sistema de riego tiene como objetivo central, satisfacer las necesidades hídricas de los cultivos, en el momento adecuado y con la cantidad necesaria de manera eficiente y uniforme, es decir, que la mayor cantidad de agua quede almacenada en la zona radical a disposición del cultivo (^{Ángeles, 2000}), tomando en cuenta el requerimiento de riego, representado por la necesidad de agua del cultivo, a fin de garantizar condiciones óptimas de desarrollo (^{FAO, 2006}). La tecnificación del riego no necesariamente implica que se alcancen altas eficiencias, si estos sistemas no se operan adecuadamente bajo las premisas de su diseño (^{Tun-Dzul et al., 2011}). En un sistema de riego con éxito, un conjunto de recursos produce el máximo rendimiento, para lograrlo, es necesario un proceso de optimización que apoye el diseño y operación de los sistemas de aplicación de agua en la agricultura, mediante la combinación de variables que satisfagan las condiciones de riego por lo cual es necesario la selección apropiada de los métodos y estrategias relacionadas con la disponibilidad de agua, las características del clima, suelo y cultivo; asimismo, de las condiciones sociales y económicas y de las restricciones de distribución del sistema. (^{Holzapfel et al., 2007}).

La inversión en los sistemas de riego implica un capital de alto costo; sin embargo, los costos de funcionamiento y operación son insignificantes en comparación con aquellos costos que son derivados de la reparación de maquinaria, combustible, gastos de agua y mano de obra si no se tiene un sistema de riego bien diseñado (^{Herwin, 1981}).

Para aumentar la sustentabilidad de la agricultura, un aspecto importante que ha sido considerado por numerosos investigadores es el eficiente diseño de los sistemas de riego. ^{Rodríguez et al. (2006)} mencionan que el diseño óptimo de una red de distribución tiene varios aspectos relevantes de tipo hidráulico, rentabilidad, disponibilidad de tuberías, calidad del agua y distribución de la demanda. El diseño y manejo de los sistemas de riego afecta en forma sustantiva la eficiencia de aplicación e involucra numerosas variables y restricciones, cuyo principal objetivo es maximizar los beneficios y minimizar costos. En un sistema de riego exitoso, los recursos utilizados deben producir el máximo retorno, para obtener lo expresado anteriormente, el diseño y manejo de los métodos de aplicación de agua requieren el soporte de un proceso de optimización debido a la gran cantidad de combinaciones posibles de variables que satisfacen las condiciones de riego establecidas (^{Lorite et al., 2009}).

Dos tendencias a seguir en el diseño hidráulico de los sistemas de riego son: realizar el dimensionamiento más económico en cuanto al tamaño del diámetro de la red. Si bien este tipo de método resulta ser de los más económicos, también implica un consumo de energía mayor al generar mayores pérdidas por fricción por su menor capacidad de conducción en la red; además de restringir la flexibilidad de operación, obligando a los usuarios a una estricta organización en la operación de la red para el suministro de agua; como segunda tendencia está tener máxima flexibilidad en el manejo de la red, esto es, que el sistema de riego tenga la capacidad de entregar el agua a los usuarios en tiempos relativamente cortos. Lograr una mayor flexibilidad implica un sobredimensionamiento de la red y por lo tanto un mayor costo inicial. En contraparte, tienen la ventaja de abatir los costos de operación por consumo de energía al tener una mayor capacidad de conducción en la red hidráulica.

La organización de la demanda por redes de distribución a presión ha tenido una amplia aceptación debido a que proporciona autonomía al agricultor para decidir el momento y la lámina de riego. No obstante, este tipo de organización presenta el inconveniente de que el costo de la red es mayor, ya que es necesario redimensionarla para caudales mayores. La organización por turnos es una alternativa factible gracias a la gestión automática aplicada a las redes de distribución a presión que permite superar el inconveniente de la coordinación. La automatización de la gestión permite programar que determinados hidrantes puedan abrir y regar durante un lapso de tiempo limitado (^{Monserrat et al., 2012}). El método de Clement provoca una subestimación de caudales en la cabecera de red de 35 a 40%, una de las causas más importantes es que no se cumple la hipótesis de igual probabilidad de apertura de tomas en los diferentes días de la semana y durante todas las horas de la jornada efectiva de riego (^{Tarjuelo et al., 2006}), haciendo que el riego, pueda o no ser continuo, dependiendo de las necesidades del usuario, quien es el que determina cuando regar.

En este contexto, el objetivo del presente estudio fue realizar un análisis técnico y económico del diseño de un sistema de riego a hidrante parcelario empleando dos métodos de diseño, el método por Turnos y el método de Clement, con la finalidad de recomendar a los usuarios una mejor solución de diseño para los sistemas de riego.

Materiales y Métodos

El presente estudio se llevó a cabo en el módulo de riego Yurécuaro, del Distrito de Riego 087, localizado en la cuenca Lerma-Chapala. Tiene una superficie de riego de 4234.61 ha, 770 usuarios y una dotación promedio de 5.5 ha por usuario. Este módulo esta entre 19° 45’ y 20° 30’ N y 101° 25’ y 102° 30’ de O, a una altura media de 1690 m. Al norte limita con el Río Lerma; al sur con la Carretera Yurécuaro-Tanhuato; al oriente con el Canal Principal Margen Derecha y al poniente con la Presa Gonzalo.

El clima, según la clasificación de Köppen y modificado por ^{Enriqueta García (1973)}, es subhúmedo con lluvias en verano y vegetación de estepa, con precipitación media que varía entre los 750 mm a los 820 mm anuales en las distintas áreas de la cuenca y temperatura media anual de 18.8 °C.

Diseño hidráulico

Con la información obtenida del diseño agronómico, se definió para ambos métodos un gasto máximo de operación (L s^-1) considerando un tiempo de riego de 22 h por día. La lámina calculada se basó en los requerimientos de riego, lo que implica que el gasto máximo sea el necesario para satisfacer las necesidades hídricas de ese día. Utilizando el gasto máximo, se calculó el número de hidrantes empleando la expresión (1):

(1)

dónde: Q_máx es el gasto de diseño obtenido con el diseño agronómico (L s^-1); Q_hidrante es el gasto específico del hidrante a utilizar (L s^-1).

Para calcular el número de turnos se utilizó la expresión (2):

(2)

Para realizar el diseño hidráulico del sistema de riego por el método de Turnos, se definieron dos tiempos: la duración y la frecuencia del turno. El primero correspondió al tiempo que transcurrió mientras cada sección de riego recibía agua en su turno, y el segundo al tiempo en que cada sección de riego comenzó a recibir agua en un turno y el momento en que comenzará a recibir agua en el turno siguiente (^{Peña, 2007}). Este método implica tener una estricta organización con los usuarios.

Para la operación del sistema de riego diseñado por el método de Turnos, se estableció un horario específico para que cada uno de los hidrantes se encontrara abierto en un tiempo determinado y el arreglo de los turnos estuvo dado en función de la posición de los hidrantes, con la finalidad de que no regaran al mismo tiempo parcelas que utilicen un mismo ramal; logrando dividir el gasto máximo de diseño, haciéndolo circular por diferentes ramales y minimizando los diámetros de tubería utilizados.

El sistema de riego diseñado con el método de Clement se realizó suponiendo una distribución aleatoria de caudales, de manera que, si una red tiene N tomas con una dotación d, las cuales pueden estar abiertas o cerradas en un momento dado, es improbable que todas estén abiertas a la vez y por tanto que el caudal en cabecera (Q₀) sea Q₀ = N d. Se calculó el caudal que podía circular por cada línea para una determinada garantía de suministro, buscando reducir el diámetro necesario respecto al requerido con todas las tomas abiertas (^{Planells et al., 1999}).

El gasto que fluyó en cada tramo de la red correspondió al periodo de máxima demanda durante la época de riego, el cual se obtuvo con el diseño agronómico. El método de Clement, pretende lograr una máxima garantía de suministro de acuerdo con el gasto disponible que abastece la red; para lograr la máxima garantía de suministro y dimensionar la red de tuberías, se utilizó la expresión (1), con la que se determinó el número máximo de hidrantes que estuvieron operando en un ramal, los cuales no superaron el gasto máximo de diseño.

Los cálculos para el diseño hidráulico del sistema de riego para los dos métodos se realizaron utilizando el programa WCADI 2008 (^{WCADI, 2008}). Con las curvas de nivel, se generó una malla para obtener las coordenadas x, y, z de cada punto en toda la superficie de la zona de estudio, y considerar la topografía de la zona en el análisis. Se digitalizaron los nodos y se crearon los trazos de los tramos de tubería. En el caso del método por Turnos, una vez obtenido el número de turnos para el sistema de riego, se procedió a indicar los hidrantes que estarían operando en cada uno de los ramales para proceder al diseño de la red. Para el método de Clement, se procedió a indicar los rangos de certeza de acuerdo con la garantía de suministro, en este caso fue un máximo de 100% y un mínimo de 88%, además de introducir los parámetros de diseño y proceder al cálculo de la red con dicho método. Se ingresaron datos del límite de velocidad permisible, parámetros para el cálculo de las pérdidas de carga, realizando un análisis hidráulico por presión inicial, con el propósito de calcular la carga necesaria para el funcionamiento de todo el sistema y obtener el dimensionamiento de las líneas de conducción para cada uno de los métodos.

Evaluación económica

La evaluación económica se realizó contrastando los métodos de diseño por Turnos y Clement, se calcularon los indicadores de rentabilidad más importantes: Valor Presente Neto (VPN), Tasa Interna de Retorno (TIR) y la relación Beneficio Costo (B/C).

El Valor Presente Neto (VPN) se obtuvo mediante la expresión (3):

(3)

dónde: VPN es el valor presente neto ($); B_t son los beneficios totales en el año t ($); C_t son los costos totales en el año t ($); B_t - C_t es el flujo neto en el año t ($); n es el número de años del horizonte de evaluación; r es la tasa social de descuento; y t es el año calendario, en donde el año 0 será el inicio de las erogaciones.

Para el cálculo de la Tasa Interna de Retorno (TIR) se utilizó la expresión (4), donde VPN es igual a 0:

(4)

dónde: B_t son los beneficios totales en el año t ($); C_t son los costos totales en el año t ($); B_t - C_t es el flujo neto en el año t ($); n es el número de años del horizonte de evaluación; TIR es la tasa interna de retorno (%); y t es el año calendario, en donde el año 0 será el inicio de las erogaciones.

Para el cálculo de la Relación Beneficio Costo (B/C), se utilizó la expresión (5):

(5)

dónde: B/C es la relación Beneficio/Costo (Adimensional); Vi es el valor de la producción ($); Ci son los egresos (i = 0, 2, 3,4...n) ($); i es la tasa de descuento.

Se elaboró para ambos métodos, un análisis de sensibilidad del porcentaje de incremento en el monto de inversión y del porcentaje de reducción en los beneficios (^{SHCP, 2012}), realizando cambios en una variable a la vez y observando los efectos en el VPN y en la TIR.

Se calculó el costo anual equivalente en dos pasos con base en el valor del dinero en el tiempo. Primero se calculó el valor presente de todos los costos asociados a la posesión del activo durante toda su vida con la expresión (6). Estos costos incluyen el precio de compra, costos de mantenimiento y de operación durante 30 años, tiempo de vida esperado en los proyectos de infraestructura hidroagrícola.

(6)

dónde: VPC es el valor presente del costo total del proyecto ($); Ct son los costos totales en el año t ($); r es la tasa social de descuento; t es el año calendario, en donde el año 0 será el del inicio de las erogaciones y n es el número de años del horizonte de evaluación.

Posteriormente se determinó el flujo de efectivo que, si se pagara cada año, tendría el mismo valor presente (VPC); éste será el costo anual equivalente y está dado por la expresión (7):

(7)

dónde: CAE es el costo anual equivalente ($); VPC es el valor presente del costo total del proyecto ($); m es el número de años de vida útil del activo y r es la tasa social de descuento. El método de riego más conveniente fue aquel que presentó el menor CAE. Si la vida útil de los activos, mediante los métodos de riego analizados es la misma, la comparación entre éstos se realiza únicamente a través del valor presente de los costos de los métodos.

Resultados y Discusión

De acuerdo con los resultados obtenidos, el mes de máxima demanda fue febrero con un coeficiente unitario de riego (CUR) de 0.73 L s^‑1ha^‑1; considerando una eficiencia global de 73.5%, el CUR calculado fue de 0.99 L s^-1 ha^-1. El CUR obtenido con el programa estadístico Cropwat 8.0 consideró un tiempo de operación del sistema por día de 24 h, en este caso, para el diseño agronómico de la zona de estudio se consideró un tiempo de operación por día de 22 h por lo que se estimó un factor de corrección de 0.91. El CUR resultante para el sistema de riego fue de 1.08 L s^‑1 ha^‑1. El gasto máximo del sistema (Q_max) obtenido fue de 278.19 L s^-1 ≈ 280 L s^-1.

El gasto en los hidrantes fue de 40 L s^-1, con una presión de operación de 1.5 kg cm^-2. Para el sistema de riego en conjunto, la presión requerida por el método de turnos fue de 3.1 kg cm^-2 y utilizando el método de Clement fue de 2.6 kg cm^-2 (Cuadro 1).

Cuadro 1 Resultados del diseño hidráulico por los métodos de Turnos y Clement. 

La longitud total de tubería fue de 14 652 m, para una superficie física de 257.59 ha, donde los mayores costos de inversión se presentaron en el sistema diseñado por el método de Clement, con excepción del costo del equipo de bombeo y la obra eléctrica, donde fueron menores; y el costo de la obra civil cárcamo de bombeo no tuvo variación (Cuadro 2 y 3).

Cuadro 2 Costos para el sistema diseñado con el método de Turnos. 

Cuadro 3 Costos para el sistema diseñado con el método de Clement. 

En la estimación del valor presente de los flujos de costos y beneficios se adoptó una tasa social de descuento del 12%, correspondiente a la recomendada por la SHCP para reflejar el valor real de los recursos públicos y privados a ser empleados durante la ejecución y operación del programa. Los indicadores de rentabilidad reflejaron que los sistemas de riego de ambos métodos son rentables, debido a que por un lado el VPN es mayor a cero, la TIR es mayor al 12% (tasa social de descuento recomendada por la SHCP) y la relación B/C es mayor a 1 (Cuadro 4).

Cuadro 4 Indicadores de rentabilidad para los métodos de Turnos y Clement. 

El valor presente del costo total (VPC) y el costo anual equivalente (CAE), considerando los costos de inversión, operación, mantenimiento y reparaciones fueron menores en $ 1 421 924.42 y $ 176 522.90, respectivamente, para el método de Turnos en comparación con los de Clement, lo cual representa una diferencia del 11.6% (Cuadro 5); tomando en cuenta estos valores el método de Turnos resulta ser más conveniente. Por el contrario, considerando solamente los costos de operación, mantenimiento y reparaciones se observa que el VPC y el CAE son menores en $ 91 659.40 y $ 11 378.93, respectivamente, para el método de Clement en comparación con el de Turnos, lo cual representa una diferencia del 1.7% (Cuadro 5); tomando en cuenta estos valores el método más conveniente resulta ser el de Clement. Este análisis se llevó a cabo debido a que los proyectos de infraestructura hidroagrícola en México son subsidiados en el monto de adquisición y el usuario aporta los gastos de operación y mantenimiento durante su vida útil.

Cuadro 5 Evaluación de costos inversión, operación, mantenimiento y reparaciones de los métodos de Turnos y Clement. 

El sistema de riego logra el uso óptimo y sostenible de los recursos hídricos, permitiendo la gestión del agua con estrategias de manejo adecuadas, tal y como lo mencionan ^{Planells et al. (1999)}; además de conseguir la rentabilidad de la inversión en infraestructura hidroagrícola; por ende, se incrementa la superficie de producción debido a que se mejora la eficiencia global del riego, garantizándose un suministro oportuno de agua, para incrementar el rendimiento de la producción agrícola.

El requerimiento de riego calculado muestra las necesidades de agua del cultivo que se debe proporcionar con el riego para garantizar condiciones óptimas de desarrollo (^{FAO, 2006}); no obstante, el requerimiento varía a lo largo de la República Mexicana, donde existen grandes diferencias climáticas y de distribución de lluvia.

Como lo mencionan ^{Rodríguez et al. (2006)}, el diseño óptimo de la red de distribución tiene aspectos de tipo hidráulico, rentabilidad, disponibilidad de tuberías, calidad de agua y distribución óptima de la demanda. Mismos que llevan a determinar el método más adecuado en determinado proyecto. Los aspectos mencionados fueron estudiados en el presente trabajo y se definió la viabilidad de los métodos con base en los costos de inversión, operación y mantenimiento.

En el método de Clement existió menor pérdida de energía al utilizar un diámetro mayor, conduciendo el mismo gasto dadas las condiciones de operación; mientras que en el método por Turnos, la pérdida de energía es mayor y al someterse a un tandeo riguroso de operación se puede conducir el mismo gasto con un diámetro mayor (Cuadro 1).

El costo del sistema por el método de Turnos es menor que el del método de Clement en $1 513 583.83, lo cual representa una diferencia del 22%. Esto, se debe principalmente a que hay un requerimiento de tubería con distintos diámetros en cada método; así para el primer método se ocuparon diámetros de tubería de 160 a 400 mm para su funcionamiento, mientras que para el segundo método se emplearon diámetros de 160 a 450 mm (Cuadro 2 y 3), confirmado esto por ^{Monserrat et al. (2012)}, con la ventaja del método de Clement en que el agricultor decide el momento y lámina de riego.

^{Tarjuelo et al. (2006)} compararon el método de Clement con la generación de curvas aleatorias de demanda diaria (CADD) y comprobaron que el primer método sobreestima el caudal en la cabecera de la red de un 35 a 40%, tal y como resultó en el presente estudio. En contraparte tiene la ventaja de originar sistemas con mayor capacidad de conducción, lo que incrementa la flexibilidad en el sistema de riego y mejora la velocidad de respuesta en el suministro de agua.

El estudio mostró la evaluación de costos de acuerdo a la ^{SHCP (2012)}, cumpliendo para ambos métodos de diseño con los parámetros necesarios para ser métodos rentables, mediante un VPN mayor a cero y una TIR mayor al 12% (Cuadro 4). Por tanto, lo que definirá al método de diseño son las condiciones económicas, sociales y de operación del sistema.

En lo que se refiere a la operación del sistema, el método de Turnos presentó mayor costo comparado con el método de Clement, debido a un mayor consumo de energía eléctrica derivado de una mayor demanda de potencia (175 HP) en el equipo de bombeo para la operación del sistema, mientras que para el método de Clement se requieren 150 HP. En cuanto al mantenimiento y reparación del sistema, se observó que en el diseño utilizando el método de Clement los costos fueron mayores en comparación al diseño con el método de Turnos, debido a que con el método de Clement se requirió de diámetros de tubería más grandes. El método a emplear está relacionado con la disponibilidad de agua, las condiciones sociales y económicas, y las restricciones de distribución del sistema, como lo menciona ^{Holzapfel et al. (2009)}.

Por lo anterior, el método de diseño por Clement se recomienda en sistemas de riego a hidrante parcelario con bombeo donde se disponga de apoyos económicos para la inversión inicial, tales como programas de tecnificación del riego, donde el gobierno o estado aporta un porcentaje del costo del sistema, y solo se consideren costos de operación, mantenimiento y reparaciones; en contraparte, el método de diseño por Turnos se recomienda en sistemas de riego a hidrante parcelario sin bombeo, cuando se tengan pocos usuarios y se consideren deban absorber todos los costos del sistema de riego; además de ser una alternativa factible gracias a la gestión automática aplicada a las redes de distribución que permite superar el problema de coordinación entre los hidrantes al momento de regar, tal y como lo señala ^{Monserrat et al. (2012)}; confirmando que en cuanto más rigidez experimenta la demanda los diseños serán más económicos.

Conclusiones