Programa CROPWAT para planeación y manejo del recurso hídrico*

CROPWAT software for scheduling and handling hidric resource

Ramón Arteaga Ramírez^1§, Vicente Ángeles Montiel¹ y Mario Alberto Vázquez Peña¹

¹ Departamento de Irrigación. Universidad Autónoma Chapingo. Carretera México-Texcoco, km 38.5. C. P. 56230. Chapingo, Estado de México. Tel. 01 595 9521649 y 9521652. (mavp52@hotmail.com). ^§Autor para correspondencia: arteaga@correo.chapingo.mx.

* Recibido: agosto de 2010
Aceptado: abril de 2011

Resumen

La superficie bajo riego en México es de 6.1 millones de hectáreas y más de 90% utiliza el sistema de riego por gravedad, éste presenta una baja eficiencia en el uso del agua, por lo cual es importante contar con programas de cómputo que auxilien a los profesionales en la administración y el manejo del agua de riego. Los objetivos de este trabajo fueron: definir los diferentes métodos del programa CROPWAT e indicar que datos necesitan, realizar una simulación en caña de azúcar con diferentes opciones de frecuencia y aplicación del riego, hacer la programación de riego para el plan de cultivos del módulo de riego III-1 del Distrito de Riego 035, la Antigua-Actopan, Veracruz y definir si las necesidades de agua calculadas para el plan de cultivos, son satisfechas con la disponibilidad de agua con que cuenta. Los métodos del CROPWAT determinan: la evapotranspiración de referencia (ET₀), necesidades de agua de los cultivos, precipitación efectiva y necesidades de riego; además el calendario de riego se basa en un balance diario de humedad del suelo con varias opciones de aplicación del agua y condiciones de manejo del riego de un patrón de cultivos y la programación del riego. Se determinó que la disponibilidad de agua del módulo de riego III-1 satisface conjuntamente con la precipitación las necesidades de agua del plan de cultivos del año agrícola 2005-2006 en la mayoría de los meses, el mes de octubre fue la excepción.

Palabras clave: calendario y requerimientos de riego, evapotranspiración de referencia, necesidades de agua del cultivo, precipitación efectiva.

Abstract

In Mexico surface under irrigation is 6.1 million hectares and in more than 90% irrigation system is by gravity, having low efficiency in water use, reason why is important to have computer software that help professionals in management and handling of irrigation water. Objectives of this work were: to define different methods of CROPWAT software and to indicate data need, to carry out simulation in sugar cane with different frequency options and irrigation application, to make irrigation schedule for cultivation plan of irrigation module III-1 from Irrigation District 035, at Antigua-Actopan, Veracruz and to define if needs of water calculated for cultivation plan are satisfied with water availability that has. Methods of CROPWAT determine: reference evapotranspiration (ET₀), water needs of cultivations, effective precipitation and irrigation needs; also irrigation calendar is based on a daily balance of soil humidity with several options of water application and conditions of irrigation handling for cultivations pattern and irrigation schedule. It was determined that water availability of irrigation module III-1 satisfies, together with precipitation, water needs of cultivations plan for agricultural year 2005-2006 in most of the months, except for October.

INTRODUCCIÓN

México cuenta con 6.1 millones de hectáreas bajo riego, las cuales se encuentran distribuidas en 79 Distritos de Riego (DR) con 3.5 millones de hectáreas y 1.8 millones en 18 487 unidades de riego para el Desarrollo Rural. De estas 6.1 millones de hectáreas el sistema de riego por gravedad destaca por que se utiliza en más de 90% de la superficie, siendo el restante ocupado por sistemas de riego presurizado (Palacios, 2002; COTENNSER, 2009). Por esto es necesario que las zonas con infraestructura hidroagrícola, se haga un mejor aprovechamiento del recurso hídrico, ya que la eficiencia en el uso del agua en las áreas bajo riego por gravedad es relativamente baja, con un aumento en ésta se incrementaría tanto la productividad por área sembrada y regada, como el área bajo riego. Para lograr lo anterior se requiere mejorar los métodos y técnicas en el manejo del recurso agua no sólo a escala parcelaria, sino también en la administración de las obras de riego.

La planeación de la operación de sistemas de riego consiste en la formulación de programas o planes de riego y presenta diferentes fases a saber: i) la estimación de volúmenes de agua que se esperan en la fuente de captación; ii) estimación de un plan de cultivos; y iii) las demandas de riego del sistema (Palacios y Exebio, 1989). Para tener una buena administración del recurso agua se requiere hacer una adecuada planeación, considerando los elementos atmosféricos y basándose en ellos, determinar los requerimientos de agua de cada cultivo y realizar el calendario de riego para la zona de riego (Shayya y Bralts, 1991; Smith et al., 1991; Smith et al., 1996).

Los modelos de simulación se utilizan en diversas ramas de la actividad humana, en la planificación de áreas agrícolas han permitido un gran avance sobre todo en la agilidad de los cálculos, en el procesamiento de la información, en la simulación de diferentes procesos, con lo cual se conocen mejor éstos y en la obtención de resultados confiables (Lhomme et al., 1984; Jones y Tardieu, 1998).

Una alternativa que se está presentando en la gestión de los recursos hídricos, es la utilización de computadoras personales y modelos de simulación (programas de cómputo), para la realización del calendario de los planes de riego; en la actualidad los expertos en riego de la FAO recomiendan el programa CROPWAT, como un instrumento práctico de ayuda a los profesionales relacionados con el manejo del agua, ya que éste auxilia en el cálculo de las necesidades de agua de los cultivos, a partir de información del clima y los cultivos. Además permite la preparación de planes de riego para varias condiciones de operación y la simulación de abastecimiento de agua para un terreno, con el mismo clima, en diferentes fechas de siembra y con varios planes de cultivo; para un mejor aprovechamiento del recurso agua (Smith et al., 1991; Smith et al., 1996; Smith, 2000; Cavero et al., 2000; González-González et al., 2001; Kassam and Smith, 2001).

Considerando la importancia que tiene la planeación y operación del recurso agua, los objetivos del trabajo fueron: definir los diferentes métodos en que se basa el programa CROPWAT, indicar que datos necesitan cada uno de éstos, realizar una simulación para la caña de azúcar con diferentes opciones de frecuencia y aplicación del riego, hacer la programación de riego del plan (patrón) de cultivos del modulo de riego III-1 del DR 035, La Antigua-Actopan, Veracruz y definir si las necesidades de agua calculadas para el plan de cultivos del modulo, son satisfechas con la disponibilidad (provisión) de agua con la que cuenta.

MATERIALES Y MÉTODOS

La información climatológica que se utilizó se obtuvo de las normales climatológicas publicadas por el servicio meteorológico (SARH, 1988) y corresponde a la estación José Cardel, Veracruz, ésta se proporcionó para todos los meses, para el caso de que sólo se requieran para ciertos meses, el programa tiene la opción para cuantos meses se desea realizar los cálculos. La provisión del sistema se obtuvo de los archivos del modulo III-1 del DR 035, así como la superficie de cada uno de los cultivos sembrados.

Los datos climatológicos que requiere el programa son los siguientes: a) información básica de la estación meteorológica: nombre del país, nombre de la estación, altitud, latitud y longitud; y b) datos climáticos mensuales de: precipitación (p), temperatura máxima, mínima y media, humedad relativa, insolación (horas brillo sol) y velocidad del viento.

La información de los cultivos que se necesita para calcular los requerimientos de agua es la siguiente: duración de la etapa de crecimiento, se consideraron la inicial (INIT), desarrollo (DEVE), media (MID) y final (LATE), se obtuvieron del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), en días; coeficiente de cultivo Kc (Doorenbos y Pruitt, 1980), profundidad de raíces (D), factor de reducción de rendimiento Ky (Doorenbos y Kassam, 1980), y las fechas de siembra son del plan de cultivos del modulo III-1, así como los siguientes cultivos: caña de azúcar, limón, maíz, mango, frijol, tomate, pasto, pepino, papaya y chile.

Para la programación del riego es necesaria la siguiente información del suelo: textura, humedad total utilizable del suelo (HTU), nivel de agotamiento de la humedad (fracción, %HTU), agotamiento inicial de la humedad del suelo (%HTUi), humedad inicial en el suelo y tasa máxima de infiltración de la precipitación en el suelo.

Finalmente para calcular las necesidades de agua, del sistema de riego se proporcionó la superficie de cada cultivo que se obtuvo del plan de riegos (2005-2006), del modulo de riego III-1 del distrito de riego 035 y se debe proporcionar en porcentaje de la superficie total del sistema de riego.

La evapotranspiración de referencia (ET₀), se calculó con el método de Penman-Monteith; Allen et al. (1998) hacen una presentación detallada y es el que utiliza el programa. Debido que se basa en principios físicos sólidos, realiza una mejor estimación, que la mayoría de los métodos empíricos (Jones y Tardiue, 1998). Para el cálculo de la precipitación efectiva (p_e) el programa presenta cuatro opciones (un porcentaje fijo de precipitación, precipitación probable a una probabilidad 80% de excedencia, métodos empíricos desarrollados localmente y el método del servicio de conservación de suelo del USDA), se utilizó un porcentaje fijo de la precipitación total (0.8). Los procedimientos para calcular las necesidades de agua de los cultivos y las necesidades de riego son las que se presentan en Doorenbos y Pruitt (1980); Doorenbos y Kassam (1980).

Para la programación del riego, el programa se basa en un balance diario de humedad del suelo, tiene dos categorías: opciones de frecuencia (cuando se debe de regar) y opciones de aplicación (cantidad de agua que se debe aplicar en cada riego). La primera categoría presenta ocho opciones de frecuencia: a= cada riego definido por el usuario; b= al agotamiento crítico (100% de HFU); c= debajo o encima de un agotamiento crítico; d= en intervalos fijos por etapa; e= un intervalo fijo de agotamiento; f = un valor dado de reducción de la evapotranspiración del cultivo (ETc); g= un valor de reducción del rendimiento; y h= sin riego (temporal). La segunda categoría presenta cuatro opciones de aplicación: a= cada riego definido por el usuario; b= hasta la capacidad de campo; c= por debajo o encima de la capacidad decampo; y d= dosis de aplicación fija según el método de riego.

El cálculo del volumen bruto (Q_b, m³ mes^-1 o L s^-1) de agua para abastecer el sistema se realiza con la siguiente expresión que presenta Smith (1992):

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En el Cuadro 1 de la columna 2 a la 4, se presenta la información climatológica que se obtuvo de la estación climatológica José Cardel , con altitud de 29 m, y coordenadas 19-23 N, 96-23 E, con estos datos el programa calculó la información que se tiene en las columnas 5 y 6, la primera es la radiación solar estimada y la última es la evapotranspiración de referencia (ET₀) obtenida con el método de Penman-Monteith.

En el Cuadro 2 se tienen los datos de precipitación media mensual proporcionada al programa y los datos calculados de la precipitación efectiva media mensual.

En los Cuadros 3 y 4 se observa la información proporcionada al programa que requieren los cultivos, en este caso se dan por razones obvias, la caña de azúcar y maíz respectivamente. Los valores que requieren los cultivos son los propuestos por default por el programa a excepción de la duración de las fases de los cultivos que se obtuvieron del campo del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP) y se adaptaron a las que requiere el programa.

Con la información de los Cuadros 3 y 4, el programa pide la fecha de siembra y calcula: el coeficiente de cultivo (Kc), la evapotranspiración del cultivo (ETc), la precipitación efectiva y las necesidades de riego de los cultivos (Nac), todos a nivel decadal (agrupación de diez días) durante todo el ciclo del cultivo, este cálculo el programa lo realiza por medio de interpolaciones para transformar los datos mensuales a decadales. En los Cuadros 5 y 6 se tiene la información que se obtuvo para los cultivos de maíz y caña de azúcar y las necesidades de riego para éstos, el primero debido a la época de su establecimiento requiere una cantidad mínima (15.2 mm) y para el segundo dado que su ciclo es todo el año, es mayor su lamina (762.8 mm).

Con las necesidades de agua de los cultivos obtenidas, el programa realiza la programación de los riegos, para lo cual presenta varias opciones dependiendo de las aplicaciones específicas que el usuario requiere y de las condiciones y restricciones que el sistema de riego impone.

En el Cuadro 7 se presenta parte de los resultados que genera el programa para el cultivo de maíz, con los siguientes datos de entrada: a) fecha de siembra 8 de junio; b) suelo de textura media; c) humedad disponible del suelo 140 mm m^-1; d) humedad inicial del suelo 140 mm m^-1; e) frecuencia: intervalo fijo de 20(A)/ 30(C)/ 10 (D) días; f ) aplicación: riego hasta la capacidad de campo; y g) eficiencia de aplicación en el campo: 70%; en donde se observa que el maíz no presenta reducción de rendimiento.

Con los datos del Cuadro 7, se obtuvieron los siguientes resultados: a) riego total bruto: 133.1 mm; b) total precipitación: 1056.8 mm; c) riego total neto: 93.2 mm; d) precipitación efectiva: 680.8 mm; e) pérdidas totales de riego: 0 mm; f ) pérdida total de precipitación: 376 mm; g) déficit de humedad a la cosecha: 7 mm; h) abastecimiento neto más retención del suelo: 100.2 mm; i) uso real de agua del cultivo: 527.2 mm; j) necesidades reales de riego: -153.6 mm; k) uso potencial de agua del cultivo: 527.2 mm; l) eficiencia programación de riego: 100%; m) eficiencia precipitación: 64.4%; n) deficiencia programación de riego: 0%; y ñ) no hubo reducción de rendimiento por los déficit de agua.

En el Cuadro 8a y 8b, se presenta parte de los resultados que genera el programa para el cultivo de caña de azúcar, con los siguientes datos de entrada: a) fecha de siembra 6 de mayo; b) suelo de textura media; c) humedad disponible en el suelo 140 mm m^-1; d) humedad inicial en el suelo 140 mm m^-1; e) frecuencia: intervalo fijo de 90 (A)/ 90 (B)/ 90 (C)/ 90(D) días; f) aplicación de riego hasta la capacidad de campo; g) eficiencia de aplicación en el campo de 70%; en donde se observa que en caña de azúcar presentó reducción de rendimiento.

Con los datos del Cuadro 8a, se obtuvieron los siguientes resultados: a) riego total bruto: 881.6 mm; b) total precipitación: 1297.8 mm; c) riego total neto: 617.1 mm; d) precipitación efectiva: 1177.6 mm; e) pérdidas totales de riego: 0 mm; f ) pérdida total de precipitación: 120.2 mm; g) déficit de humedad a la cosecha: 0 mm; h) abastecimiento neto más retención del suelo: 617.1 mm; i) uso real de agua del cultivo: 1289 mm; j) necesidades reales de riego: 111.3 mm; k) uso potencial de agua del cultivo: 1522.7 mm; l) eficiencia programación de riego: 100%; m) eficiencia precipitación: 90.7%; n) deficiencia programación de riego: 15.3%; en el Cuadro 8b se muestra la reducción de rendimiento por etapas.

Para la programación del riego de los cultivos, se manejo la opción de frecuencia de riego a intervalos fijos por etapa, debido que la programación del riego se ajusta al método de riego que se utilice y a las condiciones de abastecimiento de agua del sistema y especialmente utilizada en los sistemas de riego por gravedad con distribución rotacional del agua, como se practica en la mayoría de los distritos de riego y la opción de aplicación del riego hasta la capacidad de campo; en este caso el agua aplicada lleva la humedad del suelo hasta capacidad de campo, ella corresponde a la humedad del suelo agotada en la zona de raíces y como el agotamiento de agua de la zona radicular varía durante el ciclo de cultivo, la dosis variará sustancialmente en cada etapa del cultivo.

Sin embargo, el programa permite la programación del riego bajo diferentes opciones de frecuencia y aplicación de riego, así definir la mejor para cada cultivo y tipo de suelo, por lo que es importante hacer notar que la programación de riego de un cultivo en la misma fecha de siembra, presenta variaciones en función de la opción de frecuencia y de la aplicación de riego que se seleccione.

Para conocer las diferencias que se presentan según la frecuencia y la aplicación del riego seleccionada, se realizaron siete alternativas de programas de riego en una misma fecha de siembra para la caña de azúcar, generándose otros siete cuadros semejantes al Cuadro 8a y 8b; por lo tanto, se obtuvo un resumen de éstos en el Cuadro 9, las alternativas que no presentan reducción en el rendimiento del cultivo son: 2, 3 y 4. Además se mencionan los siguientes datos que no se dan en éste: la lamina de riego total bruto varió entre 143 (f, d) y 1613 (b, c) mm, con la primer lamina se tiene una reducción del rendimiento para todo el ciclo 41.7%, en la otra no se presentó. Además el usuario puede para un mismo cultivo, con los datos climatológicos de la misma estación y un mismo tipo de suelo, elegir distintas fechas de siembra, esto es muy útil en el análisis de distintas combinaciones de cultivos y cálculo de las necesidades del sistema.

Con la información presentada en los Cuadros 5 y 6 y la que se determinó para los otros ocho cultivos (el programa tiene la opción de almacenarlos), se generó el plan de cultivos que se muestra en el Cuadro 10.

El programa necesita también la superficie de cada cultivo en porcentaje, que en este caso correspondió a la que reporta el modulo III-1, para el año agrícola de 2005-2006, el total de la superficie de los cultivos en estudio fue 86% y representa 3 705 ha, 14% restante (603 ha) correspondía al rubro de cultivos varios, pero como no se especificaban éstos y no se calculó la evapotranspiración, por lo que no se consideraron, además el programa no admite superficies menores al uno por ciento.

Al considerar el plan de cultivos del año agrícola 2005-2006, del módulo de riego puente nacional del distrito de riego 035 y con las necesidades de riego del sistema que se calcularon y se compararon con la disponibilidad o abasto de agua de la región (provisión) que fueron proporcionadas por el modulo III-1, para realizar la evaluación de la disponibilidad con que contó el modulo en el ciclo indicado, se determinó que se satisfacen las necesidades de riego sin ningún problema excepto para el mes de octubre (Cuadro 12) al comparar la primera fila (Prov) con la última (Nec sist).

El programa de cómputo CROPWAT es una herramienta muy útil por las diferentes estimaciones y cálculos que realiza, así como la integración de todos éstos. Con lo que respecta al cálculo de la evapotranspiración de referencia (ET₀) utiliza el método de Penman-Monteith, que es propuesto por los especialistas de la materia (Smith et al., 1991; Smith et al., 1996; Allen et al., 1998) y que tiene un amplio uso actualmente en los trabajos científicos relacionados con el uso del agua. Parte de la información que este método utiliza, en la mayoría de las estaciones climatológicas tradicionales del país no se reporta, pero si no se cuenta con esta información (viento, humedad atmosférica y radiación solar) que requiere éste, se tiene la opción de proporcionar la ET₀ por medio del teclado, al utilizar los métodos que se proponen en el boletín 24 de la FAO, la selección de uno de éstos, se basa en la información que tenga disponible la estación de la región. En la actualidad la disminución del costo de las estaciones automáticas está permitiendo su uso creciente en los distritos de riego y unidades de riego, con lo cual se facilita el cálculo de la ET₀.

Con respecto al cálculo de la precipitación efectiva el programa presenta cuatro opciones, para definir cual se va a utilizar depende de la información con que se cuente y además de la experiencia y conocimiento que tenga el profesional responsable del manejo de la zona, datos que son importantes para estimar la precipitación efectiva en una región, son algunas propiedades físicas de los suelos, las características de la precipitación, así como de los cultivos. Además las cuatro opciones permiten determinar cuál es la que se adapta mejor a las condiciones de la región.

Si no se cuenta con la información que se necesita de los cultivos, se puede utilizar la que presentan los boletines 24, 33 y 56 de la FAO. Con las experiencias que se vayan teniendo en el uso del programa de los responsables de las zonas de riego, con el manejo de los cultivos por parte de los investigadores(as) de los Campos Experimentales del INIFAP y de los agricultores de la región, se puede determinar, cuál sería la mejor fecha de siembra, la duración de las etapas de los cultivos, ya que el programa permite hacer simulaciones, con lo cual esta información se aproxima más a la realidad, con lo que se obtendrán mejores resultados en el manejo y aprovechamiento del agua, en los rendimientos de los cultivos y en el conocimiento del programa (Fabeiro y Moratalla, 2005).

Para los valores de Kc y Ky se pueden utilizar los que se reportan en los boletines 24 y 56 y 33 respectivamente y se requiere que se validen a nivel regional, para lo cual es necesario realizar experimentación al respecto.

En el cálculo de las necesidades de agua de los cultivos (evapotranspiración de cultivo, ETc), se toma como base la información de clima (ET₀ y precipitación efectiva), cultivos (duración de las etapas, Kc, profundidad de raíces, nivel de agotamiento de agua del suelo y Ky) y se determina la ETc y las necesidades de riego de cada cultivo. Con esta última información se puede obtener el programa de cultivos, para lo cual es necesario conocer el área de establecimiento de cada uno. Un aspecto importante es que a partir del plan de cultivos se definen las necesidades de agua de todo el sistema y si se conoce el abastecimiento con que se cuenta, se realiza la evaluación al comparar éstos. Con lo anterior se pueden proporcionar indicaciones para realizar un ajuste al plan de cultivos y de riego, como en este estudio se definió que las provisiones de agua del sistema en el mes de octubre no son suficientes para satisfacer las necesidades de agua de los cultivos que se tienen, por lo que es necesario hacerle un ajuste.

Por último la programación del riego es un componente importante del programa CROPWAT, ya que permite realizar una serie de aplicaciones y proposiciones para un mejor manejo y aprovechamiento del agua del sistema, en esta parte se requiere información del suelo, que se puede obtener con más facilidad que los cultivos, con respecto al tiempo de su obtención.

El uso adecuado del programa, así como de las opciones de frecuencia y aplicación del riego, servirá para determinar si las prácticas de riego existentes son las adecuadas para el mejor manejo del agua y sino desarrollar y promover mejores prácticas de riego en la región.

El programa también permite simular programas de riego de campo en condiciones de déficit hídrico (un método que está teniendo auge, debido a la contaminación y la presión que está presentando el recurso hídrico en la actualidad), en este caso se propone la reducción de la evapotranspiración en una o varias etapas del cultivo y se valora cual es la mejor opción en función de la disminución del rendimiento y la disponibilidad del recurso hídrico, otra opción es en condiciones de temporal; en este caso el programa define la época en la cual se aprovecha mejor la precipitación y detecta los periodos de sequía, con lo cual se pueden realizar estudios de riego complementario tal y como lo presenta Smith (2000).

CONCLUSIONES

El programa de computo CROPWAT incorpora procedimientos para el cálculo de la evapotranspiración de referencia y los requerimientos de agua de los cultivos y permite la simulación del uso del agua por los cultivos bajo diferentes condiciones de clima, cultivos y suelos.

Los programas de simulación facilitan grandemente la estimación de las necesidades de agua de los cultivos y por ende el cálculo del programa de riego. Además permiten generar criterios para la planeación y manejo del riego, con lo cual se da un mejor uso al recurso hídrico.

Se determinó con la evaluación del sistema, que la disponibilidad del agua del modulo de riego III-1 satisface conjuntamente con la precipitación las necesidades de agua del plan de cultivos del año agrícola 2005-2006 en la mayoría de los meses, siendo la excepción el mes de octubre.

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