Introducción

EEl agua es un factor clave en la sociedad humana y su cuidado es un desafío constante (^{Samian et al., 2015}). A escala mundial, la disponibilidad de recursos de agua dulce fácilmente accesible es limitada (^{Yacoubi et al., 2012}; ^{Cisneros et al., 2014}). La actividad agrícola es el principal consumidor del agua, por lo que se deben tomar medidas para ser más eficientes en su uso (^{Castro et al., 2008}). La superficie cultivada en el mundo es aproximadamente de 1 527 millones de hectáreas, de las cuales 19.7% corresponde a la agricultura bajo riego (^{FAO, 2011}). Las grandes zonas de riego, en México, se ubican en las zonas áridas y semiáridas, las cuales requieren del riego para asegurar rendimientos comerciales (^{Flores et al., 2014}). El riego un factor limitante en la producción, por lo que un buen riego debe caracterizarse por presentar alta eficiencia y uniformidad para garantizar un uso racional de éste (Ortiz et al., 2012). Los métodos de riego por gravedad son los más comunes para aplicar el agua en los terrenos agrícolas en las zonas áridas, semiáridas y subhúmedas a nivel mundial y México no es la excepción (^{Benjamín et al., 1994}; ^{González et al., 2006}).

En México se destinan alrededor de 22 millones de hectáreas para la agricultura, 6.4 millones se cultivan bajo riego y de ellas, 10% utiliza sistemas de riego presurizados (^{CONAGUA, 2009}), pero con una eficiencia global del uso del agua que no sobrepasa 40% (^{INIFAP, 2010}). Como resultado de las bajas eficiencias de aplicación del riego por gravedad, es necesario estudiar diferentes alternativas de manejo del riego (^{Flores et al., 2014}).

Bajo estas condiciones, el uso eficiente del agua mejora el rendimiento económico a través de la reducción del consumo del agua y la energía (^{Yacoubi et al., 2012}; ^{Samian et al., 2015}), además minimiza el impacto ambiental negativo (^{Louis y Selker, 2000}). Las herramientas potenciales de manejo, para economizar el uso del agua, incluyen el uso de sistemas eficiente de riego y agricultura de precisión (^{Levy et al., 2013}), aunque la tecnificación del riego no implica que se alcancen altas eficiencias, si estos sistemas no se operan adecuadamente bajo las premisas de su diseño (^{Tun et al., 2011}), ya que aplicaciones insuficientes o excesivas de agua ocasionan pérdidas y limitan su eficiencia (^{Flórez et al., 2013}). Las máquinas de riego por aspersión autopropulsados han experimentado un gran éxito a nivel mundial con respecto a otros sistemas de riego (^{Ouazaa et al., 2015}), sus ventajas incluyen: 1) alto potencial de uniformidad y eficiencia de aplicación; 2) alto grado de automatización; y 3) capacidad para aplicar agua y nutrientes en un amplio rango de suelos, cultivos y condiciones topográficas (^{Evans y King, 2012}).

Las grandes ventajas del pivote central como sistema de riego, han despertado el interés entre los productores agrícolas, no solo por el menor costo de inversión por hectárea regada (a mayor longitud del equipo), sino también por otras características como su versatilidad para ser utilizado en diferentes condiciones de suelo, clima y cultivo, alto grado de automatización, posibilidad de aplicar cargas diferenciadas de agua de acuerdo a las necesidades reales del cultivo, inyección de agroquímicos y la uniformidad de aplicación del agua, la cual será alta cuando el diseño del equipo en fábrica, montaje en el terreno y operación, se ajusten a las características de la explotación y demanda hídrica del cultivo según sea su etapa de desarrollo (^{Montero et al., 2013}).

Los índices de desempeño más comunes son el coeficiente de uniformidad (CU) y la uniformidad de distribución (UD) (^{Baum et al., 2005}; Marjang et al., 2012; ^{Zhang and Merkley, 2012}), el coeficiente de uniformidad de Heermann y Hein es una modificación del coeficiente de Christansen, donde cada pluviómetro representa una corona circular de área creciente a medida que se aleja del punto pivote; es un indicativo del desempeño conjunto de emisores en condiciones de campo, ambiente y presión, donde un valor menor de 80% es caracterizado como malo, entre 80 y 84% regular, 85 y 90% bueno, y, sobre este valor, muy bueno (Cezar et al., 2008 ). La mayoría de los sistemas de riego por aspersión requieren de un valor mínimo de uniformidad de distribución de agua de 80% (^{Tun et al., 2011}), se debe considerar que bajos valores de uniformidad de distribución pueden deberse a diseños incorrectos de los sistemas de riego lo que limita su desempeño y funcionamiento óptimo (^{Buendía et al., 2004}).

El objetivo del estudio fue comparar la calidad del riego a partir de los indicadores de desempeño: coeficiente de uniformidad de Heermann y Hein (CUh), uniformidad de distribución (UD), área regada adecuadamente (ARA) y eficiencia de aplicación (Ea), obtenidos del análisis de la pluviometría total y por “tramos” del pivote central y determinar la relación entre ellos.

Materiales y métodos

Localización. El trabajo se realizó en el Distrito de Riego Nº 075 “Río Fuerte”, en el norte de Sinaloa, en dos máquinas de pivote central, compuestas por 9 tramos y un colgante (Cuadro 1), en parcelas de producción comercial de papa, operados de acuerdo al uso y costumbre de los productores de la región, con fuentes de abastecimiento de agua superficial, durante los ciclos agrícolas 2013-2014 y 2014-2015.

Cuadro 1 Características generales de las máquinas de pivote central evaluadas. 

Clima. Las variables de clima fueron medidas en una estación meteorológica automatizada localizada a 100 m de las parcelas de prueba, con lecturas cada cinco minutos durante las pruebas y hasta terminar de medir los volúmenes de los colectores. Las evaluaciones se realizaron en horas tempranas de la mañana en ausencia de viento o a velocidades por debajo de 2 m s^-1, cuando las velocidades fueron mayores se desecharon las pruebas.

Evaluación de la pluviometría. Se realizaron tres evaluaciones pluviométricas en cada máquina de pivote central, con tres láminas de riego diferentes, determinadas por el productor: Lr₁= 25.4 mm, Lr₂= 12.7 mm y Lr₃= 6.35 mm, durante el ciclo 2013-2014 y para Lr₄= 12.63 mm, Lr₅= 8.21 mm y Lr₆= 3.28 mm en el ciclo 2014-2015, de acuerdo con la metodología de ^{Merriam y Keller (1978)} y la norma ANSI/ASAE S436.1 (^{ANSI/ASAE, 2003}). Se utilizaron pluviómetros de plástico con un diámetro en el área de captación de 12.7 cm y una altura de 18 cm, colocados en una línea radial con una separación, entre ellos de 3 m, utilizando soportes metálicos para ubicarlos sobre el dosel del cultivo, cuando el follaje interfería en la captación del agua de riego. Los volúmenes fueron medidos con probeta graduada de 200 y 500 ml según fue necesario.

Indicadores de desempeño. Para cada evaluación pluviométrica se determinó el coeficiente de uniformidad de Heermann y Hein (CUh), uniformidad de distribución (UD), área regada adecuadamente (ARA) y eficiencia de aplicación (Ea), determinados de la siguiente manera.

El coeficiente de uniformidad de ^{Heermann y Hein (1968)} se calculó con la expresión siguiente:

Donde: n= número de colectores utilizados en el análisis; i= número asignado para identificar un colector (i =1, 2, 3, 4, … n); Ci= lámina de agua recogida en el colector i (con i variando entre 1 y n); Di= posición del colector i con respecto al punto pivote (con i variando entre 1 y n); Lmp= lámina media ponderada de las láminas de riego colectadas en los “n” pluviómetros (mm) y se calcula:

Uniformidad de distribución (UD). De acuerdo a ^{Keller y Bliesner (1990)} se obtiene a partir de la siguiente ecuación:

Donde: Lmp_{25% valores más bajos}= lámina media ponderada de 25% de los valores más bajos de las láminas de riego colectadas.

Área regada adecuadamente (ARA). Se considera a la lámina de riego que está dentro del rango de ± 15% de la lámina media ponderada (^{Tarjuelo, 2005}).

Eficiencia de aplicación del pivote central o proporción de agua que llega al suelo. Es la relación que existe entre la lámina media de agua recogida por los pluviómetros entre la lámina media descargada por los emisores, se define como:

Donde: Ea= eficiencia de aplicación del pivote central o proporción de agua que llega al suelo (fracción); Ln= lámina media de agua recogida por los pluviómetros (mm); y Lb= lámina media descargada por los emisores (mm).

Análisis estadístico. La determinación de los indicadores de desempeño se realizó con la pluviometría del pivote central en su conjunto; además se hizo por tramos individuales. Para el análisis estadístico se uso el programa Statistical Analysis System (SAS Institute, Inc. Versión 9.0), aplicando un análisis de varianza y una prueba de Tukey, con un nivel de significancia α= 0.05 para la comparación de medias de los valores de CUh, ARA y Ea por tramos, para cada lámina de riego; la comparación entre medias de los datos CUh, ARA y Ea, obtenidos de la pluviometría por tramos y de la pluviometría total, se realizó una prueba de T de “student” con un nivel de significancia α= 0.05, en tanto que para determinar las asociaciones CUh-ARA, CUh-Ea, Ea-ARA, CUh-UD, Ea-UD y ARA-UD, se realizó una regresión lineal.

Resultados y discusión

Análisis de la pluviometría total del sistema de riego

Coeficiente de uniformidad de Heermann y Hein. La información obtenida del análisis pluviométrico del total de las láminas precipitadas, de los dos sistemas de riego por pivote central, muestran valores mayores a 85% en el CUh (Cuadro 2) para Lr₁, Lr₂, Lr₄, Lr₅ y Lr₆, lo cual se clasifica como un “buen riego” según ^{Tarjuelo et al. (1999)}en tanto que para Lr₃ el valor es de 80.45%, aunque se considera inadecuado para estos sistemas de riego es un valor muy cercano a lo que se clasifica como “buen riego”.

Cuadro 2 Indicadores de desempeño calculados con la pluviometría total. 

Uniformidad de distribución. Los valores de UD (Cuadro 2) fueron muy variables, y van desde 36.27% en Lr₄ hasta el 86.31% en Lr₁, llegando a considerarse adecuados para Lr₁ y Lr₂ (mayores de 80%), pero inadecuados para el resto (< 80%) de acuerdo a ^{Tun et al. (2011)}. Se debe considerar que la UD se obtiene a partir de 25% de los valores más bajos de las láminas captadas en los pluviómetros, lo que puede deberse a un mal diseño, aunque generalmente se asocia a una falta de mantenimiento o inadecuada operación del sistema (desgaste de boquillas, alteración del diseño hidráulico, deterioro de reguladores de presión, fugas en el sistema hidráulico, cierre de emisores por los responsables del sistema, etc), tal como lo señalan ^{Keller et al. (1981)} que establecen que los valores de UD dependen más del manejo del sistema de riego.

Área regada adecuadamente. Con respecto al ARA (Cuadro 2), se muestra que para Lr₁, Lr₂, Lr₄, Lr₅ y Lr₆, se tiene un área “muy bien regada”, en tanto que para Lr₃ (54.63%) es “inadecuadamente regada”, aunque el valor es muy cercano a 55%, que lo clasifica como bien regada según ^{Tarjuelo (2005)} y ^{Jiménez (2010; 2012)}. Estos resultados muestran una clara correspondencia con los valores obtenidos para el CUh.

Eficiencia de aplicación del sistema de riego. Los valores obtenidos de Ea son adecuados para Lr₁ y Lr₂, pero no para Lr₃, por considerarse bajo para pivote central, ni para Lr₄, Lr₅ y Lr₆, por exceder 100% lo cual significa que se aplica más agua de la programada. Estos valores muestran una relación con los valores obtenidos para UD, teniendo su mejor desempeño en Lr₁ y Lr₂, y en el resto son inadecuados.

Pluviometría promedio. Al considerar los valores promedios de los indicadores de desempeño (CUh= 88.51%, UD= 64.7%, ARA= 78.33% y Ea= 91.77%), del total de las evaluaciones, se tendría que concluir que los dos sistemas de riego por pivote central proporcionan una “alta calidad” de riego y el área está “muy bien regada”. Los valores más bajos del CUh, ARA y Ea se encuentran en Lr₃, mientras que el más bajo y los mayores de 100% de Ea, junto con los más bajos de UD, se encuentran Lr₃, Lr₄, Lr₅ y Lr₆, lo que puede ser indicador de falla en el diseño o en la operación y mantenimiento del sistema de riego ya que, aunque baja, se encuentra una relación en la asociación Ea-UD con R²= 0.3482.

Asociaciones entre los indicadores de desempeño. Al analizar las asociaciones entre los indicadores de desempeño, con la pluviometría total (Figura 1), se encuentra una alta relación entre las asociaciones CUh-ARA, CUh-Ea y Ea-ARA (R²= 0.9262, 0.8661 y 0.9041, respectivamente), una baja relación Ea-UD (R²= 0.3482), y muy baja para las asociaciones CUh-UD y ARA-UD (R²= 0.0817 y 0.1971, respectivamente).

Figura 1 Relación entre indicadores de desempeño para valores totales de CUh, UD, ARA y Ea.  

Análisis de pluviometría por tramos del sistema de riego

Se realizó un análisis de varianza y una prueba de Tukey (α= 0.05) para los valores de CUh, ARA y Ea, obtenidos por lámina de riego y por tramos del pivote central, encontrando que no hay diferencia estadística significativa entre láminas de riego para el CUh (Cuadro 3), ni para ARA (Cuadro 4), en tanto que para Ea (Cuadro 5), no se encuentran diferencias significativa entre Lr₁, Lr₂, Lr₄, Lr₅ y Lr₆, pero si con Lr₃, tampoco se encuentran diferencias entre Lr₂, Lr₃ y Lr₄.

Medias con la misma letra no son significativamente diferentes (Tukey, α= 0.05).

Cuadro 3. Coeficiente de uniformidad de Heermann y Hein (CUh, %) por lámina de riego y tramos.  

Medias con la misma letra no son significativamente diferentes (Tukey, α= 0.05).

Cuadro 4 Área adecuadamente regada (ARA, %) por lámina de riego y tramos.  

Medias con la misma letra no son significativamente diferentes, (Tukey, α= 0.05).

Cuadro 5 Eficiencia de aplicación (Ea, %) por lámina de riego y tramos. 

Coeficiente de uniformidad de Heermann y Hein. Para el CUh se encontraron valores más bajos en el tramo uno y el colgante (68.17 y 84.92% en promedio, respectivamente), en tanto que en el resto del pivote central presentaron valores que fluctúan del 89.79 a 94.42%, con un valor promedio de 89.51%, en todo el sistema, lo que significó que el riego presenta una muy buena uniformidad al considerar que el tramo uno cubre solo 0.95% de la superficie total irrigada y el colgante 8.93%, pero con un valor muy cercano a 85% considerado como “bueno” por ^{Tarjuelo et al. (1999)}.

Área regada adecuadamente. Para el ARA, el comportamiento es similar al del CUh, los valores más bajos se encontraron en el tramo uno y el colgante (33.64 y 53.99% en promedio, respectivamente), en tanto que en el resto del pivote central se tienen valores entre 73.51 y 97.38% con un promedio de 81.25%, para todo el sistema, lo que significó que el área estuvo “muy bien regada”, sobre todo si se considera que el valor del ARA para el colgante es muy cercano a 55% que sugiere ^{Tarjuelo (2005)} para considerar un área “bien regada”, coincidiendo con ^{Alfonso (2005)} quien realizó estudios similares encontrando que todos los tramos en máquinas de pivote central recibían cantidades de agua comprendidas en 85% y 115% de la lámina media ponderada.

Eficiencia de aplicación del sistema de riego. De acuerdo a los valores encontrados de Ea, el tramo uno está aplicando una lámina de riego mayor a la programada (30.91%) aunque solo cubre 0.95% de la superficie irrigada, en tanto que el tramo dos cubre 2.93% de la superficie, pero con un sobre riego de solo 6.96% de la lámina programada, el resto del pivote central presentó valores entre 79.36 y 97.29%, con un promedio de 90.44% para el resto del sistema, lo cual es un valor mayor del esperado en estos sistemas de riego sobre todo considerando que el valor más pequeño fue de 79.36% (en el colgante) el cual está muy cercano al 80% usualmente utilizado para el diseño de estos sistemas de riego.

Asociaciones entre los indicadores de desempeño. Al analizar las asociaciones CUh-ARA, por tramos (Figura 2), se presentaron valores de R² entre 0.8012 y 0.965, con una ecuación general: ARA= 2.2764 CUh -122.51 y un R²= 0.7648, lo que indica una alta relación entre los valores del CUh y el ARA.

Figura 2 Relación CUh-ARA por lámina de riego y tramos del pivote central.  

Para el caso de la asociación CUh-Ea (Figura 3), el resultado fue diferente, se tuvieron valores de R² entre 0.3213 y 0.8848, con pendientes negativas en Lr₁, Lr₂, Lr₃ y Lr₆ y positivas en Lr₄, Lr₅ con valores de R² de 0.3725 y 0.8692, respectivamente, con una ecuación general: Ea= -0.9261 CUh + 179.04 y un R²= 0.1099. Para la relación Ea-ARA se encontró una ecuación general: ARA= -0.1737 Ea + 97.955 y un R²= 0.0348.

Figura 3 Relación CUh-Ea por lámina de riego y tramos del pivote central.  

Para realizar una comparación entre los resultados obtenidos de los indicadores de desempeño CUh, ARA y Ea, del análisis de la pluviometría total y por tramos (Cuadro 6), se utilizó una prueba de T de “student” con un nivel de significancia α= 0.05, encontrando que no hay diferencia estadísticamente significativa entre medias.

Medias con la misma letra no son significativamente diferentes (T “Student”, α= 0.05).

Cuadro 6 Coeficiente de uniformidad de Heermann y Hein (CUh, %) por lámina de riego y tramos. 

Conclusiones

No se encontraron diferencias estadísticamente significativas entre los indicadores de desempeño obtenidos del análisis de la pluviometría total y el promedio del análisis por tramos. El análisis pluviométrico por tramos muestra las variaciones de estos indicadores a lo largo del sistema de riego por pivote central y permite detectar el desempeño por cada tramo individual.

En el análisis pluviométrico total se encontró una alta asociación entre los indicadores CUh, ARA y Ea, en tanto que las asociaciones con UD resultaron ser muy baja con Ea y casi nulas con CUh y ARA. Al realizar el análisis pluviométrico por tramos, solo se encontró una alta relación para la asociación CUh-ARA.

Es recomendable realizar el análisis pluviométrico por tramos, nos permite determinar la calidad del riego con los parámetros CUh y ARA, en tanto que las determinaciones de UD y Ea contribuyen a detectar los tramos con el desempeño más bajo y sus posibles causas.