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Revista mexicana de ciencias agrícolas

versão impressa ISSN 2007-0934

Rev. Mex. Cienc. Agríc vol.8 no.2 Texcoco Fev./Mar. 2017

http://dx.doi.org/10.29312/remexca.v8i2.61 

Nota de investigación

Sistema para programar y calendarizar el riego de los cultivos en tiempo real

Miguel Servín Palestina1  § 

Leonardo Tijerina Chávez1 

Guillermo Medina García2 

Oscar Palacios Velez1 

Héctor Flores Magdaleno1 

1Posgrado de Hidrociencias-Colegio de Postgraduados. Carretera México-Texcoco, km 36.5. Montecillo, Texcoco, Estado de México. CP. 56230. (tijerina@colpos.mx, medina.guillermo@inifap.gob.mx, mhector@colpos.mx, fpedraza@colpos.mx).

2Campo Experimental Zacatecas-INIFAP. (medina.guillermo@inifap.gob.mx).

Resumen

La actividad agrícola consume más de 70% del agua disponible a nivel mundial, se considera una gran consumidora de los recursos hídricos, esto se debe al desperdicio de agua que se presenta, aun en sistemas tecnificados ya que se desconocen los requerimientos hídricos de los cultivos. Este estudio se centra en la programación del riego, que es una técnica que consiste en determinar la cantidad de agua y el momento en que han de regarse los cultivos, es un instrumento fundamental para lograr un mejor uso del agua. Regularmente se realiza sin soporte técnico con base únicamente en la experiencia de los usuarios, razón por la cual se requiere mayor sistematización y difusión de las técnicas disponibles para realizarla de una manera adecuada. El objetivo de esta investigación fue desarrollar un sistema en línea para que los usuarios de riego del estado de Zacatecas estimen las demandas de agua de los cultivos (ajo, chile, frijol y maíz) y programen sus riegos en tiempo real. Este sistema resuelve la tarea mediante un balance hídrico climático y con el uso de datos climáticos obtenidos de la red de 36 estaciones agroclimáticas automatizadas distribuidas en el estado de Zacatecas. Lo que permite estimar el consumo de agua a través del tiempo, y determinar el calendario de riegos de los cultivos; el programa se ejecuta vía internet y fue codificado en lenguaje PHP que, junto con HTML, permite crear sitios WEB dinámicos.

Palabras clave: agua-suelo; balance hídrico; cultivos; estaciones climáticas; evapotranspiración

El agua es el elemento fundamental para el desarrollo de la actividad agrícola, la agricultura consume más del 70 por ciento del agua disponible a nivel mundial (WWAP, 2014). En México se utiliza 77%, con 6.3 millones de ha. bajo riego con eficiencias globales menores al 50% (Sánchez et al, 2006). En el estado de Zacatecas en el ciclo 2008-2009 se sembraron 10 890 ha de riego (CNA, 2010). El estado se sitúa en zonas áridas y semiáridas con valores altos de déficit evapotranspirativo. El riego es la mejor opción para la producción de alimentos (Geerts y Raes, 2009). A pesar de su enorme importancia, la mala distribución y la contaminación hacen que este recurso sea cada día más escaso y costoso (Castro et al., 2008).

Esto se debe a que desconocen los requerimientos hídricos de los cultivos (McCarthy et al., 2013). Se debe entender la importancia de aplicar técnicas y métodos racionales y cuantitativos para mejorar en: programación, diseño y operación de los sistemas de riego. Varios software se han desarrollado para el mejoramiento de la programación del sistema riego. Cropwat (Cropwat, 1993). DRiego Ver 1.0. (Catalán et al., 2007) Irrinet (Catalán et al., 2013), Sistema Irriga® y SEPOR ver 2.1, los cuales se basan en la aplicación del principio de conservación de la masa, (Fernández, 1996). Resuelven el balance de agua en el suelo, mediante un balance hídrico climático (BHC) (Botey et al., 2009).

Con apoyo de datos climáticos de estaciones agrometereológicas automatizadas (Smith, 1991). El BHC se fundamenta no solo las características del suelo, sino también en la medición de todas las variables necesarias para el cálculo de la evapotranspiración (ETo) y de la precipitación efectiva (Pe). El modelo de Penman-Monteith (Allen et al., 2006) para el cálculo de ETo muestra ventaja ante los otros modelos por que combina el balance de energía, factores aerodinámicos (temperatura, presión de vapor y velocidad del viento) y resistencia aerodinámica del cultivo (Jensen et al., 1990).

La programación del riego en los cultivos normalmente se ejecuta sin soporte técnico y se requiere una mayor sistematización y difusión de las técnicas disponibles para realizarla de una manera adecuada (Catalán et al., 2007). El objetivo de este trabajo de investigación fue desarrollar un sistema en línea vía internet para calcular las demandas de agua y calendarizar el riego de los cultivos (ajo, chile, frijol y maíz) y programar el riego en tiempo real.

El trabajo de investigación se realizó en el Campo Experimental Zacatecas (CEZAC), Calera, Zacatecas, México. (22° 54’ latitud norte, 102° 39’ longitud oeste), a una altitud de 2 197 m, con temperatura media anual de 14.6 °C, precipitación media anual de 416 mm, y evaporación promedio anual de 1 700-2 200 mm. El CEZAC administra la información climática obtenida de una red con 36 estaciones climáticas automáticas distribuidas estratégicamente en el estado. Cada una cuenta con sensores para medir la temperatura del aire, humedad relativa, precipitación, dirección y velocidad del viento, radiación solar y humedad de la hoja, cada 15 minutos las 24 horas del día. Esta red provee al estado de Zacatecas de información meteorológica en línea y en tiempo real, mediante una plataforma Adcon, (Servin, 2015).

Método de balance hídrico climático

Según la ecuación del balance de agua en el suelo el contenido de agua del suelo en un día particular, θi, se estima con base en el contenido de agua del día previo, θi-1, tal como se muestra en la siguiente ecuación (Silva, 2001).

θi=θi-1+Ri+Pei-ETci-Di 1)

Donde: Ri= riego del día particular; Pi= precipitación efectiva del día particular, ETci= evapotranspiración del cultivo del día particular; Di= drenaje de un día particular se considera “0”, lo anterior expresado en (mm dia-1).

Para iniciar con el balance hídrico se requirió determinar el inicio del periodo de riego (fecha de siembra) y llevar a capacidad de campo, (humedad aprovechable (HA) al 100%) donde los valores de capacidad de campo (θCC) y punto de marchites permanente (θPMP) en (cm3 cm-3), se consultan en función de la textura del suelo (Saxton et al., 1986) y Pr es la profundidad de exploración de las raíces en cm. Este será el punto de partida para iniciar el BHC que posteriormente se acumula continuamente la pérdida de agua por evapotranspiración del cultivo (ETc) del día anterior, y se va restando la cantidad de precipitación efectiva (Pe) y de riego (R). Cuando la ETc acumulada es igual o mayor al punto crítico (θc) (ecuación 2) se debe regar y regresar al suelo la cantidad de agua que previamente se perdió debido a la evapotranspiración. Entonces la cantidad de agua, lámina neta (Ln) a regar estará en función de la ecuación 3.

θc= θcc-FAM100θCC-θPMP 2)

LN=θCC-θCPr 3)

Donde: FAM es la fracción de abatimiento máximo; es decir, la cantidad de agua que sale del sistema antes de aplicar el siguiente riego.

Para estimar la ETc (Ecu 4) del cultivo, el programa utiliza el Kc específico de cada cultivo que reportó Bravo et al. (2006). Con fines de facilitar la codificación del sistema en línea se ajustaron los valores a un polinomio cúbico. (Cuadro 1). Ks es un coeficiente adimensional por efecto del agua residual almacenada en el suelo, por ser una zona de riego y se prevé que la plantas no se someta a estrés hídrico su valor es 1.

Cuadro 1 Modelos de Kc para diversos cultivos.  

ETc=Ks*Kc*ETo 4)

Con los valores de fracción de ciclo vegetativo eje de las X y el coeficientes de cultivo eje de las Y se realizó una gráfica para cada cultivo, y se suavizo la curva tomando 10 puntos a mano alzada para obtener el modelo del Kc. Que se ajustaron a un modelo polinomial de tercer grado con el método de mínimos cuadrados (SAS, 1999). Los modelos obtenidos para cada cultivo se muestran en el Cuadro 1.

Para obtener ETo el programa consulta la base de datos climatológicos de la estación agrometeriologica previamente seleccionada. El cálculo de la ETo se realiza diariamente de acuerdo al modelo de Penman-Monteith (Allen et al., 2006). El método de FAO Penman-Monteith para estimar ETo, se deriva de la ecuación original de Penman-Monteith y las ecuaciones de la resistencia aerodinámica y superficial, obteniéndose la ecuación 5.

ETo= 0.408Rn-G+γ900T+273u2es+ea+γ1+0.34u2 5)

Donde: ETo= evapotranspiración de referencia (mm día-1), Rn= radiación neta en la superficie del cultivo (MJ m-2 día-1), G= flujo del calor de suelo (MJ m-2 día-1), T= temperatura media del aire a 2 m de altura (°C), u2 = velocidad del viento a 2 m de altura (m s-l), es= presión de vapor de saturación (kPa), ea = presión real de vapor (kPa), (es - ea)= déficit de presión de vapor (kPa), Δ= pendiente de la curva de presión de vapor (kPa oC-1), γ= constante psicrométrica (kPa oC-1).

Para el cálculo de la precipitación efectiva (Pe) se multiplica la precipitación por un factor de corrección de acuerdo a las condiciones climáticas (0.75) cuando esta es mayor a 5 mm. y si es menor la Pe= 0 (Serna et al., 2011). Para definir el tiempo y la lámina de riego bruta (Lb) en (mm). Que se va a aplicar al sistema de riego, Lr se divide entre la eficiencia de aplicación (Ea) que es la relación entre el agua aplicada por el sistema de riego y el agua almacenada en zona de raíces considerando un rango de 0.85 a 0.95 para riego por goteo y 0.45 a 0.65 para riego por multicompuertas expresada en (%).

Para el cálculo de tiempo de riego (Tr) expresada en horas, en necesario calcular la tasa horaria (TH) que se refiere a la cantidad de agua en milímetros que sirve el sistema en una hora (mm h-1). En el sistema de riego por goteo con cintilla, TH se estima con base al gasto del emisor en lph, (Qe), al espaciamiento entre emisores en m, (Ee), y espaciamiento entre líneas regantes en m, (ELr), (ecuación 6). Para riego por multicompuerta se toma en cuenta el gasto de entrada a la sección de riego en lps (Qsec) y la superficie que se desea regar en ha (Sha) (ecuación 7).

THcinta=QeEe*ELr   6)

THmulti=Qsec*3.6Sha 7)

El tiempo de riego en horas (Tr) es la relación que hay entre la lámina bruta de riego a aplicar entre la TH lo cual indica el número de horas que se regará. Al regar se lleva al θC al 100% de HA, y se reinicia el cálculo hasta llegar al fin del ciclo del cultivo obtenido un balance de agua en el suelo a través del tiempo.

Lenguajes de programación: para el desarrollo del sistema en plataforma WEB se utilizó PHP y HTML. Juntos son: un lenguaje de programación muy potente que permite crear sitios web dinámicos. Este sistema permite obtener de manera integral el calendario de riego que consta de fecha de riego, lamina de riego y tiempo de aplicación de agua para cubrir los requerimientos hídricos del cultivo. Para acceder al sistema para la programación de riegos es necesario ingresar al sitio de internet http://www.zacatecas.inifap.gob.mx/riego, con lo cual aparecerá la pantalla de acceso y registro. Al entrar al sistema se muestra el mapa de la red de estaciones agroclimáticas, donde el usuario seleccionará la estación más cercana a su predio.

Y seguido de ese se solicitarán los datos de entrada divididos en tres secciones 1) datos generales y de cultivo; 2) datos de suelo y criterio de riego; y 3) datos sobre el sistema de riego (Figura 1). Para facilitar el uso del programa se incluyen textos de ayuda que describen conceptos y variables de entrada y salida. 1) datos generales y de cultivo: estación, nombre de la parcela, coordenadas de la parcela, cultivo, fecha de siembra o trasplante, ciclo del cultivo; 2) datos de suelo y criterio de riego: textura, profundidad radicular, criterio de riego: a) abatimiento; b) por días; y 3) datos sobre el sistema de riego: en esta sección se seleccionará el tipo de sistema de riego a) multicompuertas; y b) cintilla. Al seleccionar el tipo de riego a utilizar se deben llenar los siguientes datos para el cálculo de la tasa horaria: a) multicompuertas: gasto del sistema, superficie de riego; y b) cintilla: gasto del emisor, espaciamiento entre emisores, espaciamiento entre líneas regantes, eficiencia de aplicación.

Figura 1 Datos de entrada. 

El reporte principal de esta aplicación es mostrado en la Figura 2 iniciando con la fechas de siembra o trasplantes y muestra tres columnas con: fecha de riego. Lámina neta y tiempo de riego.

Figura 2 Reporte de riego.  

En la Figura 3 se muestra el balance de agua en el suelo a través del tiempo de manera gráfica de la siembra o trasplante hasta la cosecha del cultivo.

Figura 3 Gráfico de balance de humedad en el suelo.  

Se realizaron corridas para el cultivo de chile y el resultado fue 557.5 mm (5 575 m3 ha-1) de lámina total de riego en todo el ciclo. Serna y Zegbe (2012) reportaron volúmenes promedio de agua aplicados en tres años, en el cultivo de chile de 5 010 ± 821 m3 ha-1. Khah et al. (2007) determinó un volumen total de 5 560 m3 ha-1 como el adecuado para obtener el mayor rendimiento comercial en riego por goteo.

La programación y calendarización del riego en tiempo real, da un acercamiento muy preciso del comportamiento real de la humedad en el suelo, lo cual auxilia en la toma de decisiones con respecto a cuándo y cuánto regar con mayor precisión. Este sistema en línea es una herramienta útil para la mayoría de los usuarios del riego, que no realizan algún tipo de medición del estado hídrico del suelo o las plantas para decidir cuándo y cuánto regar sus cultivos.

Conclusiones

Esta aplicación puede utilizarse con fines didácticos por maestros y estudiantes, para entender los principios teóricos involucrados en su desarrollo; así como por investigadores para establecer acciones de investigación orientadas hacia la definición de tratamientos de riego o al mejoramiento de las técnicas utilizadas. Se recomienda para la siguiente versión agregar sistemas de control y dispositivos móviles de comunicación vía radio o mensajería MSN para automatizar el sistema de riego y obtener mayor provecho de esta aplicación.

Literatura citada

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Recebido: Fevereiro de 2017; Aceito: Março de 2017

§Autor para correspondencia: servin.miguel@inifap.gob.mx.

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