Drenaje

Primera edición.

Editorial Tecnológica de Costa Rica, 2007.

631.62

V762d         Villón Béjar, Máximo.

Drenaje / Máximo Villón Béjar. -1a ed.–

Cartago: Editorial Tecnológica de Costa Rica, 2006.

544 p.

ISBN 9977-66-184-7

ISBN EPUB 978-9977-66-282-4

ePub x Hipertexto Ltda. / www.hipertexto.com.co

1. SISTEMAS DE DRENAJES. 2. AGUA

 SUBTERRÁNEA. 3. TUBERÍAS. 4. DRENAJE

SUPERFICIAL. 5. DRENAJE SUBTERRÁNEO

©    Editorial Tecnológica de Costa Rica

Correo electrónico: [email protected]

Instituto Tecnológico de Costa Rica

Apdo. 159-7050, Cartago

Tel: (506) 550-2297 / 550-2336 / 550-2392

Fax: (506) 552-5354

Hecho el depósito de ley.

Esta obra se ha podido desarrollar, gracias

al aliento, apoyo y cariño de los miembros de

mi familia, por lo que en reconocimiento a ello,

dedico esta publicación:

a mi querida esposa Lucrecia,

y a mis más preciados tesoros, mis hijos

Máximo Adrián y Bertha Luz.

No pueden quedar por fuera de esta

dedicatoria, mis padres Jorge y Bertha

quienes con su ejemplo me formaron para

asumir retos como éste, y me supieron inculcar

la dedicación y perseverancia al trabajo.

El autor

Prólogo

El drenaje, es la remoción de los excesos de agua. En este trabajo se aborda el drenaje agrícola, el cual consiste en un conjunto de técnicas, que permiten eliminar cualquier exceso de agua y/o sales, que se presente sobre la superficie del suelo, o en la zona radicular de los cultivos, con el objetivo de proporcionar a éstos, un medio adecuado para su normal desarrollo, y mantener el suelo en condiciones favorables.

La presente publicación bajo el nombre de Drenaje, está orientada a ayudar a comprender los principios fundamentales del drenaje agrícola, tanto superficial como subterráneo, así como mostrar algunas herramientas prácticas que han sido aplicadas con éxito, en la solución de problemas que se presentan en el diseño de un sistema de drenaje.

La implementación del drenaje agrícola, es de suma importancia, a fin de cuidar la estructura del suelo, así como sin él, en ciertos casos, los cultivos no podrían producir.

La Escuela de Ingeniería Agrícola del Instituto Tecnológico de Costa Rica, cumpliendo con su misión educativa y comprometida con una mejor formación científica y tecnológica pone a su disposición esta publicación, la cual se ofrece en primer lugar, como texto para estudiantes de cursos de drenaje en las carreras de ingeniería agrícola, agronomía y ciencias afines, y en segundo lugar, como guía de diseño para profesionales y técnicos, dedicados al diseño de drenaje.

Cualquier libro de drenaje, refleja una percepción personal del tema desarrollado por sus autores a lo largo de años de enseñanza, investigación y experiencia profesional. Este libro, constituye la visión del autor sobre el tema, en la cual se ha tenido la intención de hacerla rigurosa, unificada, numérica y sobre todo práctica.

En el libro se incluyen, en los diferentes capítulos, ejemplos prácticos para que el lector aprenda trabajando, así como problemas propuestos, para propósitos de auto estudio y tareas.

Los ejemplos propuesto se resuelven manualmente, excepto los correspondientes al cálculo de espaciamiento de drenes, tanto para régimen permanente y no permanente, así como también los ejemplos de diseño de drenaje con tuberías, los cuales además de resolverlos manualmente, se resuelven haciendo uso de Espadren, software para cálculos de espaciamiento de drenes. Espadren, es una tecnología computacional, desarrollada por el autor, en la Escuela de Ingeniería Agrícola del iTCR.

El libro cubre los elementos básicos del drenaje, los cuales se desarrollan, con el rigor necesario pero siempre con un criterio de utilidad.

La  publicación cubre los siguientes temas:

Capítulo 1, se indica el concepto de drenaje, los diferentes drenes que existen, como se relaciona el drenaje con el suelo y los cultivos y la caracterización de los suelos con problemas de drenaje.

 Capítulo 2, se indican las propiedades del suelo relacionado con el drenaje, la retención del agua por el suelo, la curva pF y las curvas de retención de humedad.

 Capítulo 3, se indican los principios del flujo del agua subterránea, se definen los acuíferos, los parámetros hidrogeológicos y la ley de Darcy.

Capítulo 4, se indican los métodos para determinar la conductividad hidráulica, tanto los métodos de laboratorio como los de campo.

Capítulo 5, se indican cuales son la investigaciones necesarias a realizar, a fin de afrontar un problema de drenaje subterráneo.

Capítulo 6, se indica como se debe mostrar la información, a fin de visualizar fácilmente los problemas de drenaje.

Capítulo 7, se indican las ecuaciones del cálculo de espaciamiento de drenes, como son: Donnan, Hooghoudt, Dagan, Ernst, Glover-Dumm y jenab.

Capítulo 8, se indican los cálculos en tuberías de drenaje, incluyendo las ecuaciones para flujo no uniforme.

Capítulo 9, se indican la técnica de los drenes topo y los implementos usados para su construcción.

Capítulo 10, se indica la técnica del drenaje de tierras en ladera.

Capítulo 11, se indican los materiales usados para las tuberías de drenaje y para los envolvente, así como el uso de las estructuras auxiliares.

Capítulo 12, se indican las técnicas para el mantenimiento de los sistemas de drenaje.

Capítulo 13, se indican las técnicas para afrontar el drenaje superficial.

La elaboración de un libro, después de escribir el manuscrito, conlleva mucho trabajo y dedicación para su edición final, lo cual es una labor titánica, por lo que se requiere del concurso de personas para estos menesteres, y esta publicación no está exenta de esto, por lo que sale a la luz gracias a la colaboración desinteresada de muchas personas a quienes deseo expresar mi gratitud: a los estudiantes Luis Carlos Damián y Adrián Vargas, quienes trabajaron con las ilustraciones, a los ingenieros agrícolas Manuel Chavarría de Caribana S.A. y Ricardo Casasola de Standard Fruit Company, especialistas con más de 16 años de trabajar en el campo de drenaje y que han construido muchos kilómetros de drenes, por revisar el borrador del libro, y por incluir en él sus observaciones y el cúmulo de sus conocimientos prácticos desarrollados en esta área. A los estudiantes de nuestra Escuela, de los cursos Drenaje I y Drenaje II, por haber utilizado el borrador como libro texto, en esos cursos. Un agradecimiento muy especial al Dr. Luis Gerardo Meza Vicerrector de Docencia, por el apoyo con las horas de un estudiante especial, precisamente para la elaboración de las ilustraciones.

El autor considera que una adecuada utilización de este libro, redundará en mejores y más económicos diseños de las obras de drenaje en Costa Rica y demás países, por lo que los invita a su uso, además espera cualquier sugerencia, comentarios u observaciones, a fin de mejorar su enfoque y utilización.

Cualquier sugerencia o comentarios lo pueden hacer llegar a:

Teléfono: (506) 550-2595 Fax: (506) 550-2549

Celular: (506) 837-6413

Correo electrónico: [email protected] ó [email protected]

Máximo Villón Béjar

Drenaje, suelo, cultivos

Definición de drenaje

La palabra drenaje, en general significa descarga o remoción de los excesos de agua.

Los excesos de agua, se pueden presentar en muchas situaciones, por lo que el agua es descargada con muchos fines:

 drenaje de una casa

drenaje de una urbanización

drenaje de una ciudad (figura 1.1)

drenaje de una carretera

drenaje de un aeropuerto

drenaje de un campo deportivo

drenaje de un campo agrícola

En este trabajo se trata sobre los conceptos del drenaje y su relación con el suelo y los cultivos.

Drenaje agrícola

El drenaje de tierras agrícolas, consiste en un conjunto de técnicas que permiten eliminar cualquier exceso de agua y/o sales que se presente sobre la superficie del suelo, o en la zona radicular de los cultivos, con el objetivo de proporcionar a éstos un medio adecuado para su normal desarrollo, y mantener el suelo en condiciones favorables (figura 1.2).

Al atacar los problemas de drenaje, debe hacerse contemplando simultáneamente el drenaje superficial y el subterráneo.

Drenaje superficial

El drenaje superficial, tiene como finalidad la remoción del exceso de agua sobre la superficie del terreno (figura 1.3) y consiste en una serie de canales poco profundos que recogen la escorrentía superficial y la descargan a drenes colectores. Normalmente se trata de aprovechar cauces naturales o depresiones para los colectores y algunos secundarios.

La necesidad del drenaje superficial se justifica en zonas donde los factores climáticos, las condiciones hidrológicas, las características de los suelos, la topografía y la utilización de la tierra, dan lugar a que el agua permanezca inundando la superficie del suelo, durante un tiempo superior al que los cultivos pueden soportar sin manifestar serios efectos sobre los rendimiento y/o sobrevivencia.

Drenaje subterráneo

El drenaje subsuperficial o subterráneo, tiene como finalidad controlar la posición de la tabla de agua, nivel freático o napa freática, de forma que el balance de agua y sales en la zona radicular sea favorable para los cultivos. Para ello se elimina el agua infiltrada procedente de la lluvia, riego u otros orígenes. Se llama nivel freático, a la superficie de agua presente en el suelo, la cual marca el límite entre el suelo saturado y el suelo no saturado y que tiene la particularidad de que la presión es igual a la presión atmosférica. Generalmente, el nivel freático se ubica sobre un estrato impermeable, el cual impide el movimiento vertical del agua, produciendo la condición de suelo saturado.

En la figura 1.4, se muestra un dren subterráneo evacuando excesos de agua del subsuelo.

Drenaje en zonas húmedas

En las zonas húmedas como Costa Rica, las condiciones climáticas presentan una precipitación mayor que la evapotranspiración. Si se tiene una topografía desfavorable y los suelos presentan una baja capacidad de transmisión, es muy probable que se presente problemas de drenaje superficial. En estas zonas el exceso de precipitación, casi siempre garantiza el mantenimiento del balance salino del suelo, por lo cual, el objetivo del drenaje es asegurar a los cultivos, un espesor de suelo suficientemente aireado para que su desarrollo radicular sea normal (figura 1.5).

Drenaje en zonas áridas

En las zonas áridas, la precipitación es reducida, por lo que ésta es menor que la evapotranspiración. El desarrollo de los cultivos es posible gracias a la aplicación del riego. Una aplicación inadecuada del riego, provoca que los excesos eleven el nivel freático. Por otro lado, dado que el agua de riego contiene algo de sales, con el tiempo éstas se van acumulando en el terreno. En estas zonas, el drenaje tiene como objetivo principal abatir los niveles freáticos y eliminar la salinidad del perfil, donde se desarrolla el sistema radicular.

¿Cómo realizar el drenaje?

El drenaje o la eliminación de los excesos de agua, puede ser natural o artificial.

Drenaje natural

Cuando el terreno tiene capacidad para eliminar los sobrantes de agua, sobre o dentro del suelo, no importando la cuantía de la fuente (lluvia, sobre riego), debido a ser suelos permeables profundos o a su posición topográfica.

Drenaje artificial

Cuando para la evacuación de los excesos del agua interviene la mano del hombre.

El drenaje artificial, se realiza con los drenes, los cuales son canales naturales o artificiales, que sirven para la evacuación de los excesos de agua. Los drenes se construyen en las partes más bajas del terreno, con esto se aprovecha la topografía, para que el agua se encauce por gravedad hacia los drenes.

Clases de drenes

Los drenes por su construcción se pueden agrupar en dos clases: abiertos o cerrados (figura 1.6).

Los drenes abiertos (zanjas abiertas), se utilizan tanto para el drenaje superficial como para el subterráneo. Estos tipos de drenes tienen un costo de mantenimiento mayor que los drenes cerrados.

Los drenes cerrados (tuberías enterradas), se utilizan para drenaje subterráneo. Las tuberías enterradas, dejan pasar el agua a través de perforaciones o por las junturas de cada dos tubos. Se pueden utilizar para el drenaje superficial, siempre y cuando se construyan sumideros que capten el agua superficial y lo transporten a las tuberías enterradas. Estos tipos de drenes tienen un costo de construcción mayor que los drenes abiertos.

Sistema de drenaje

En un sistema de drenaje subterráneo (figura 1.7) se pueden distinguir:

Drenes de parcela o laterales (terciarios), son drenes generalmente paralelos cuya misión es controlar la profundidad de la tabla de agua, a fin de proporcionar a los cultivos un medio adecuado para su normal desarrollo.

Drenes colectores (secundarios), cuya misión es recoger el agua de los drenes de parcela y transportarlos a los drenes principales.

Drenes principales (primarios), cuya misión es transportar el agua fuera del área cultivada.

No siempre hay una distinción clara de las funciones de los drenes, por ejemplo, todos los drenes colectores y de parcela tienen también una misión de transporte, y todos los drenes colectores y principales controlan también en parte la profundidad de la tabla de agua.

El drenaje y su relación

con el suelo y los cultivos

Para que las semillas germinen, las plantas crezcan, se desarrollen adecuadamente y produzcan altos rendimientos, es necesario que en el suelo coexistan adecuadamente tres fases: una fase sólida, representada por las partículas de suelo; una fase líquida, representada por el agua; y una fase gaseosa, representada por el aire (figura 1.8).

Bajo condiciones de mal drenaje o de exceso de agua, el aire presente en el suelo es removido y el espacio libre es ocupado por el agua. En tales condiciones, las plantas son afectadas en sus procesos esenciales, debido a que el oxígeno es indispensable para la respiración de las raíces.

La condición de humedad excesiva influye, por una parte, en muchas propiedades del suelo; por otra, afecta directamente a los cultivos que en ellos se desarrollan.

Influencia del mal drenaje en las propiedades del suelo

Propiedades físicas

El exceso de humedad afecta desfavorablemente a algunas propiedades físicas del suelo, de importancia para el desarrollo de los cultivos; el efecto más importante es la disminución de la aireación en la zona radicular, otras son:

 Estructura

 Permeabilidad

 Textura

 Temperatura

Aireación

Para la respiración y otras actividades metabólicas, las raíces requieren oxígeno. Ellas absorben agua y nutrientes disueltos desde el suelo y producen dióxido de carbono, el cual se intercambia con el oxígeno de la atmósfera. Este proceso de aireación, el cual tiene lugar por difusión y transporte de masas, requiere que en el suelo existan espacios porosos llenos con aire. Para que las raíces estén bien desarrolladas, se requiere que agua, nutrientes y aire estén disponibles simultáneamente.

El aumento de humedad del suelo, se hace mediante el desplazamiento del aire que ocupa los poros del mismo, por el agua.

un exceso de humedad ocasiona una disminución del contenido de aire del suelo. El oxígeno (O2) es rápidamente consumido y en consecuencia, a los pocos días, el nivel de O2 se reduce y aumenta el anhídrido carbónico (CO2). Esta situación influye en el comportamiento de las raíces, en las propiedades químicas del suelo y en las actividades microbianas que en él tienen lugar.

La falta de oxígeno en la zona radicular trastorna la fisiología de las raíces, dificultando la absorción de agua y nutrientes y su transporte a las partes aéreas, todo lo cual se traduce en disminución de la producción.

Estructura

Se entiende por estructura, la agregación y ordenamiento de las partículas (arena, limo y arcilla) de un suelo. Una buena estructura significa que esta agregación y ordenamiento crea condiciones favorables simultáneamente para la aireación y mantenimiento de la humedad. Asimismo, significa que la resistencia mecánica a las raíces se reduce y se provee un buen soporte para las labores de mecanización.

La saturación del suelo puede afectar a su estructura por distintos mecanismos. Uno de ellos es a través de la salinización. El exceso de sales suele ir asociado al mal drenaje, y ocasiona en ciertas condiciones, alteraciones en la estructura que pueden llegar hasta su total deterioro.

Otra forma en que el exceso de humedad afecta a la estructura, es facilitando la compactación, que ocasiona el paso de la maquinaria agrícola cuando el suelo está húmedo.

En suelos saturados, el desarrollo de las raíces es menor, sobre todo en profundidad, lo que indirectamente también afecta a la estructura.

Por todas estas razones, es frecuente que los suelos mal drenados presenten una estructura más desfavorable, compacta y poco permeable que la de los suelos con buen drenaje.

Permeabilidad

Todos los agentes que modifican la estructura tienen un efecto sobre la permeabilidad; por ejemplo, la degeneración de la estructura que puede ocurrir en suelos sódicos disminuye la permeabilidad. Lo mismo ocurre con la compactación.

La mejora del drenaje, ocasiona un cierto aumento en la permeabilidad, debido a las grietas que se forman como consecuencia de la alternancia de estados secos y húmedos y a la mayor penetración de las raíces. Este efecto mejorador de la permeabilidad, es más acentuado en terrenos arcillosos.

Textura

Más que una relación causa-efecto entre el mal drenaje y la textura, lo que se da con mucha frecuencia, es la coincidencia de texturas arcillosas con áreas mal drenadas.

Del mismo modo que el mal drenaje tiene poco efecto con la textura, la mejora del drenaje no tiene prácticamente consecuencias en esa propiedad del suelo, un suelo arenoso lo continuará siendo después de drenado, e igual ocurre con los arcillosos, francos, etc.

Temperatura

La reducción del contenido de agua y el aumento del aire en el suelo, como consecuencia del drenaje, resulta en una disminución del calor específico del mismo. En general, el agua requiere cinco veces más calor que el suelo seco para elevar su temperatura. Por lo anterior, suelos con aproximadamente 50% de humedad requieren 2.5 veces más calor que un suelo seco para calentarse. Además, el efecto de enfriamiento debido a la mayor evaporación desde un suelo mojado, impide que la temperatura aumente. En primavera, en climas templados, ambos efectos causan un retraso en el crecimiento. En general, puede decirse que cuando un suelo es drenado, el clima del suelo superficial cambia favorablemente, lo cual permite siembras o plantaciones más tempranas en regiones con inviernos fríos.

La temperatura del suelo, incide directamente sobre el crecimiento de la planta, por su efecto sobre la disponibilidad de nutrientes, relaciones de humedad y absorción de agua. Bajas temperaturas del suelo desaceleran la descomposición de la materia orgánica, de modo tal, que sólo escasos nutrientes quedan