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IRRINET: SISTEMA EN LÍNEA PARA EL PRONÓSTICO DEL RIEGO EN TIEMPO REAL EN COAHUILA

IRRINET: Online System for Real Time Irrigation Scheduling in Coahuila

Ernesto A. Catalán Valencia1, Magdalena Villa Castorena1, Marco A. Inzunza Ibarra1, Abel Román López1, José L. González Barrios1, Gerardo Delgado Ramírez1

1Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Relación Agua Suelo Planta Atmósfera (CENID RASPA INIFAP), Canal Sacramento km 6+500, CP 35140, Gómez Palacio, Durango, México.

e-mail: catalan.ernesto@inifap.gob.mx

RESUMENLa programación del riego, es decir, la técnica consisten-

te en determinar la cantidad de agua y el momento en que han de regarse los cultivos es un instrumento fundamental para lograr un uso eficiente del agua. Regularmente se rea-liza sin soporte técnico, razón por la cual se requiere mayor sistematización y difusión de las técnicas disponibles para realizarla de una manera adecuada. El objetivo de este trabajo fue desarrollar un programa de cómputo para que los usuarios de los distritos y unidades de riego del es-tado de Coahuila calculen, en línea y tiempo real, las de-mandas de agua de sus cultivos y programen sus riegos. El subprograma DRIEGO COAHUILA de l s is tema IRRINET resuelve el balance de agua en el suelo a nivel diario a partir de la estimación de cada uno de sus compo-nentes: riego y lluvia efectiva como principales entradas de agua, así como evapotranspiración del cultivo y percolación o drenaje como salidas de agua más importantes (http://www.cenidraspa.org). Cuenta con acceso en tiempo real a los datos de las 27 estaciones que conforman la red de es-taciones climatológicas del estado de Coahuila e incluye una base de datos con información de 62 cultivos (ciclos de cultivo, fechas de siembra, profundidad de raíces, criterios de abatimiento de humedad del suelo y coeficientes de cul-tivo para la estimación de la evapotranspiración). Tanto el sistema IRRINET como el subprograma DRIEGO COAHUILA fueron programados utilizando el estilo de programación mixta JQUERY bajo JAVA y PHP.

Palabras clave: balance de agua, calendarización del riego, coeficiente dual del cultivo, evapotranspiración.

SUMMARYIrrigation scheduling, a technique for determining irrigation

amount and timing, is an essential tool to achieve efficient water use. As it is regularly performed without technical support, requi-res greater systematization and dissemination of the available techniques to do it in a proper way. The aim of this work was to develop an online computer program to perform real time irrigation scheduling, which is aimed at the users of Coahuila irrigation districts and units. The IRRINET subprogram DRIE-GO COAHUILA solves the water balance in the soil on a daily basis from the estimation of each of its components: irrigation and effective rain as major inputs of water, as well as evapo-transpiration and percolation or drainage as major water outputs (http://www.cenidraspa.org). It has real-time access to data from the 27 stations in the network of weather stations in the state of Coahuila and includes a database with information on 62 crops (crop cycles, planting dates, root depth, soil moisture depletion criteria and crop coefficients for estimating evapotranspira-tion). Both the IRRINET system and the DRIEGO COAHUILA subprogram were programmed using the JQUERY mixed pro-gramming style based on JAVA and PHP.

Keywords: water balance, irrigation scheduling, dual crop coefficient, evapotranspiration.

INTRODUCCIÓNLa falta de soporte técnico para la gestión del riego incide

de manera importante sobre los bajos niveles de eficiencia y productividad con que se utiliza el agua en las zonas de riego del país. Los distritos de riego operan con un nivel de eficiencia global promedio por debajo del 40%, lo cual significa que el 60% del volumen de agua total disponible se pierde durante la conducción y aplicación del agua (CNA, 2008). En Coahuila,

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el volumen de agua anual concesionado es de 1,940 millones de m3, de los cuales el 83% (1,606 millones de m3) se destina a uso agrícola. La superficie cultivada bajo riego alcanzó las 102,867 hectáreas en el año 2007, lo cual implica una lámina de riego bruta promedio de 1.56 m y una eficiencia global de 38% si se asume una lámina neta o requerimiento de riego de 60 cm (CNA, 2008)

La tecnificación del riego parcelario implica la aplicación de técnicas y métodos racionales y cuantitativos para mejorar la programación, diseño y operación de los sistemas de riego. La tecnología disponible en materia de ingeniería de riego es amplia, sin embargo, los procesos de transferencia y adopción tecnológica se han rezagado por distintas razones. Además de la falta de un esquema de valoración económica real del agua para riego, se tiene que la asimilación e implementación de la tecnología se complican por los altos grados de especialización y entrenamiento requeridos. También ha influido la supresión y/o desaparición de funciones como la capacitación y asistencia técnica anteriormente proporcionadas a los usuarios por parte del gobierno federal a través de las oficinas de ingeniería de riego y drenaje de los distritos y unidades de riego.

La creación de nuevas herramientas de investigación y la disponibilidad de cierta infraestructura han dado un nuevo im-pulso a la transferencia y adopción de la tecnología de riego existente, acercando el conocimiento a los productores. Infra-estructuras como la Red de Estaciones Climatológicas Automá-ticas del Estado de Coahuila y la Red de Internet permiten la adquisición, proceso y transmisión en tiempo real de la informa-ción climática requerida para estimar variables fundamentales de la gestión del riego de cultivos como la evapotranspiración o consumo de agua. Mediante la programación y el acceso en línea a bases de datos (clima, suelo y cultivo), es posible desarrollar aplicaciones de cómputo para sistematizar, difundir y transferir la tecnología de riego disponible, es decir, proveer asistencia técnica en línea y tiempo real a los usuarios del riego.

La programación del riego es una técnica encaminada a determinar las cantidades de agua por aplicar y las fechas de aplicación de cada riego para minimizar deficiencias o excesos de humedad en el suelo que pudieran causar efectos adversos sobre el crecimiento, rendimiento y calidad de los cultivos (FAO, 1989). Con la programación adecuada del riego se pueden lo-grar objetivos múltiples como ahorrar agua, disminuir costos por ahorro de energía y mano de obra, minimizar estrés hídrico y maximizar rendimiento, así como maximizar calidad, rentabili-dad o ingreso (Catalán et al., 2007).

OBJETIVOEl objetivo de este trabajo fue desarrollar un programa com-

putacional, en línea y tiempo real, para calcular las demandas de agua y calendarizar el riego de los cultivos en Coahuila.

MATERIALES Y MÉTODOSEl programa DRIEGO COAHUILA aquí presentado forma

parte del sistema IRRINET para la asistencia técnica en línea en el manejo del riego (http://www.cenidraspa.org/). Se desa-rrolló a partir de su antecesor, el cual funcionaba con base en datos climáticos históricos (Catalán et al., 2012). Fue progra-mado utilizando el estilo de programación mixta JQUERY bajo JAVA y PHP.

El programa resuelve el balance de agua en el suelo a partir de la estimación de cada uno de sus componentes: riego (R) y lluvia efectiva (P) como principales entradas de agua, así como evapotranspiración del cultivo (ETc) y percolación o drenaje (D) como salidas de agua más importantes:

(1)

Donde Δθ es el cambio del contenido de agua del suelo. La escala espacial es el volumen de control limitado por la profun-didad del suelo explorada por las raíces del cultivo, y la escala del tiempo es de un día, como la mayoría de los esquemas planteados para resolver la Ec. 1 (Fox et al., 1994, Ojeda et al., 1999).

Consumo de agua. El consumo de agua o evapotrans-piración (ETr) del cultivo se estima a partir del cálculo de la evapotranspiración de referencia (ET0), calculada con el mé-todo estándar FAO Penman-Monteith, y el uso del coeficiente dual del cultivo, ambos procedimientos recomendados por la Organización Meteorológica mundial y la FAO para la program-ación del riego en tiempo real (FAO, 1998):

(2)

Donde ET0 es la evapotranspiración de la superficie hipo-tética de referencia, similar a la de un cultivo de pasto bien irri-gado y sin limitaciones de agua (Allen et al., 1990; Jensen et al., 1990). La ET0 se estima con datos climatológicos del sitio (temperatura y humedad del aire, velocidad del viento y radia-ción solar).

En el enfoque del coeficiente dual, la transpiración (T) y la evaporación (E) se calculan por separado. Se utilizan dos co-eficientes, el coeficiente basal del cultivo Kcb para determinar T y el coeficiente de evaporación Ke para determinar E (FAO, 1998).

El coeficiente Kcb se define como el cociente entre ETc y ETo cuando la superficie del suelo se encuentra seca, pero donde el contenido promedio de agua en la zona radicular del suelo es adecuado para mantener totalmente la transpiración de la planta. Por su parte, el coeficiente Ke describe el componen-

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te de la evaporación y se vuelve importante cuando el suelo se encuentra húmedo después de una lluvia o riego. Por su parte, el parámetro Ks es un factor adimensional que restringe la transpiración del cultivo por efecto de la resistencia al flujo de agua inducida por el abatimiento o déficit de humedad del suelo, por lo que ETc depende también del manejo del riego propuesto por el usuario.

Datos de entrada. En la pantalla principal del sistema IRRI-NET se deben elegir sucesivamente las opciones “DRIEGO” y “Coahuila” para acceder a la pantalla principal del programa, la cual muestra cinco botones: 1. Inicio, 2. Cultivo, 3. Suelo, 4. Riego y 5. Resultados. Los cuatro primeros botones despliegan pantallas para la captura de información o datos de entrada del programa, mientras que el último botón muestra el menú de re-sultados (Figura 1). Enseguida se describen cada uno de ellos.

Inicio: Solicita al usuario la selección de la estación clima-tológica más cercana a su localidad para acceder en línea, y en tiempo real, a su base de datos. Proporciona la opción de visualizar en una interface Google Earth, en modo mapa o ima-gen del satélite, la ubicación de las 27 estaciones automáticas del estado de Coahuila (Figura 1). Una vez seleccionada la es-tación, el programa despliega la información correspondiente como el nombre, coordenadas geográficas y altura del sitio.

Cultivo: Solicita el tipo de cultivo de un total de 62 cultivos distintos. Una vez seleccionado el cultivo, el programa propone datos predefinidos para la fecha de siembra, duración del ciclo vegetativo (desde siembra o establecimiento hasta la madurez fisiológica) y la altura máxima del cultivo, datos que el usua-rio puede cambiar. También se despliegan los valores de las curvas de los coeficientes basales del cultivo recomendados por la FAO, los cuales el usuario no debe modificar, a menos que disponga de dicha información derivada de estudios expe-rimentales propios (Figura 2).

Suelo: Solicita información para determinar la humedad aprovechable (HA) o capacidad de retención de agua del perfil del suelo ocupado por las raíces del cultivo:

(3)

Donde θCC y θPMP son los contenidos de humedad a capa-cidad de campo y punto de marchitamiento permanente que delimitan HA, y Pr es la profundidad radicular del cultivo. El pro-grama da al usuario tres posibles opciones para determinar los valores de θCC y θPMP, dependiendo de la información disponible (Figura 3).

Opción 1: Seleccionar la textura del suelo de acuerdo a la clasificación del triangulo de texturas (USDA, 1952). El progra-ma luego asume valores típicos de θCC y θPMP de acuerdo a la textura del suelo (Catalán et al., 2006).

Opción 2: Si no conocen θCC y θPMP, proporcionar los conte-nidos de arena, arcilla y materia orgánica del suelo. El progra-ma luego ejecuta una subrutina para estimar indirectamente θCC y θPMP a partir de dichos datos y las funciones desarrolladas por Rawls y Brakensiek, (1982).

Opción 3: Proporcionar los valores de θCC y θPMP cuando éstos son conocidos.

Riego: Solicita la información referente al sistema de riego y su manejo (Figura 4). Para el sistema de riego existen seis tipos a considerar: melgas, surcos, camas anchas, aspersión, goteo y micro aspersión. Cada uno de estos sistemas tiene un valor predefinido para la fracción del terreno humedecida por el riego, el cual es importante para estimar la evaporación directa del suelo. Este valor puede modificarse por parte del usuario, especialmente para los sistemas de riego presurizado.

También se solicita el tipo de control del riego: por abati-miento de la humedad aprovechable del suelo o por intervalos de riego. Dependiendo de esta elección, el programa despliega la duración de cada etapa del cultivo (inicial, desarrollo, inter-media y final) y solicita, ya sea el intervalo entre riegos en días, o bien, el porcentaje de abatimiento máximo de la humedad aprovechable del suelo (PAM) para cada etapa:

(4)

Donde θC es un valor crítico mínimo hasta el cual puede dis-minuir el contenido de humedad del suelo entre un riego y otro.

Dependiendo del tipo de control del riego, el programa pro-pone valores predeterminados y uniformes (mismo valor para cada etapa) para PAM o para el intervalo entre riegos, los cua-les pueden modificarse de acuerdo con la sensibilidad del cul-tivo al estrés hídrico en cada etapa de su desarrollo. Valores mayores de PAM producirán mayor abatimiento de la hume-dad aprovechable, riegos más frecuentes (mayor número de riegos), láminas de riego menores y menor estrés hídrico. Lo contrario ocurrirá con valores de PAM mayores. La máxima fre-cuencia de riego proporcionada por el programa es de un día, ya que el balance de agua en el suelo se realiza a nivel diario. Intervalos de riego de uno o varios días pueden utilizarse para riego localizado.

Para todos los campos de captura de información, el programa provee valores predeterminados derivados de una base de datos con valores predefinidos de las diferentes varia-bles y parámetros climáticos, edáficos y del cultivo considera-dos.

RESULTADOSComo resultados de este trabajo se obtuvo un programa de

cómputo para pronosticar, en línea y tiempo real, el riego de los cultivos en el estado de Coahuila. El último botón de la pantalla

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principal del programa despliega el botón “Calcular resultados”, el cual al activarse muestra los ocho botones del menú de re-sultados (Figura 5).

El primer botón del menú de resultados presenta el calen-dario de riego que incluye el número de riegos, fechas de apli-cación, intervalos entre riegos y láminas de riego. La figura 6 muestra la pantalla que despliega el calendario de riegos resul-tante para el maíz cultivado en las inmediaciones del municipio de Matamoros Coahuila, de acuerdo con la información captu-rada en las pantallas previas.

El segundo botón del menú de resultados presenta los da-tos tabulados de los componentes del balance de agua del sue-lo a nivel diario (Figura 7). Aparecen el consumo de agua del cultivo en sus modalidades de evapotranspiración (ET) máxima y real; la evaporación y transpiración como componentes de la ET real, la lluvia efectiva y la percolación. Aparece también la humedad aprovechable disponible en la zona radicular del cultivo.

El tercer botón del menú de resultados presenta gráficas del consumo de agua (ET máxima, ET real y Transpiración) a tra-vés del ciclo del cultivo (Figura 8). El cuarto botón presenta los mismos datos en valores acumulados. Por su parte, el quinto botón de resultados presenta dos gráficas que ilustran la varia-ción de la humedad aprovechable del suelo durante el ciclo del cultivo, tanto en porcentaje como en lámina de agua (Figura 9).

El sexto botón del menú de resultados muestra los valores de los coeficientes del cultivo a través de su ciclo vegetativo. Se presentan los valores del coeficiente basal (Kcb) que determina la transpiración del cultivo, el coeficiente Ke que determina la evaporación directa desde la superficie del suelo, y la suma de ambos coeficientes que determina la evapotranspiración (Figu-ra 10).

Los dos últimos botones del menú de resultados presentan gráficas con los valores de las variables climatológicas durante la estación de crecimiento del cultivo. El penúltimo botón mues-tra los valores máximos y mínimos diarios de la temperatura y la humedad relativa del aire (Figura 11), mientras que el últi-mo botón muestra la radiación solar, velocidad del viento y la precipitación. Todas las gráficas desplegadas por el programa pueden habilitarse y deshabilitarse para visualizarlas una por una o todas juntas.

Consideraciones de la calendarización del riegoEl programa está diseñado para cubrir todo el ciclo del culti-

vo y puede utilizarse con fines de planeación o de operación. Si se ejecuta antes de la fecha de siembra, el programa produce un calendario de riegos típico o esperado, lo cual es importante desde el punto de vista de la planeación del riego. Sin embargo, el interés principal de la programación del riego en tiempo real se enfoca en el aspecto operativo del sistema de riego, por lo cual la mayor atención se centra en el período comprendido

entre la fecha en que se aplicó el último riego y la fecha en que se pronostica el riego siguiente.

Desde la siembra y hasta la fecha de ejecución del progra-ma o fecha actual, el programa utiliza información climática medida y registrada en tiempo real para estimar consumo de agua, realizar el balance de agua en el suelo y definir la opor-tunidad de los riegos. Después de la fecha actual, el programa pronostica los riegos con base en información climática gene-rada estadísticamente. Por lo tanto, el pronóstico del próximo o siguiente riego será más preciso y menos incierto cuando se realice lo más próximo posible (hasta un día antes) a la fecha pronosticada para dicho riego.

Por cuestiones operativas, las fechas en que se aplicaron los riegos previos a la fecha actual pueden diferir con respecto a las fechas resultantes en el calendario de riegos. Para cumplir con el tipo de control del riego considerado (abatimiento de hu-medad aprovechable o intervalo de riegos) en la definición de la fecha del próximo riego, la fecha resultante del último riego es forzada para que coincida con la fecha real en que se aplicó dicho riego.

CONCLUSIONESEl sistema IRRINET es una herramienta importante para

que los usuarios del riego del estado de Coahuila incorporen un mayor soporte técnico a la tarea de programar el riego de sus cultivos. La instalación y ejecución en línea del sistema y el acceso irrestricto y gratuito por parte de los usuarios a través de Internet constituyen importantes mecanismos de difusión y transferencia de la tecnología de riego disponible.

La herramienta aquí propuesta hace una estimación del consumo de agua por el cultivo y del balance de agua en el suelo utilizando datos climáticos recientes o actuales, lo cual constituye una mejora con respecto al uso de datos históricos del clima. Es por esta característica que su potencial de aplica-ción aumenta no sólo para la planeación de los recursos hidráu-licos sino también para la operación y manejo de los sistemas de riego.

Además de los usuarios del riego, maestros y estudiantes pueden utilizar el programa con fines didácticos, para entender mejor los principios teóricos involucrados en su desarrollo; así como investigadores para ayudar a definir posibles acciones de investigación orientadas al refinamiento de las técnicas utiliza-das en el programa.

El programa también puede utilizarse como herramienta para la planeación y toma de decisiones sobre el uso de los recursos hídricos del estado de Coahuila, tareas en las cuales el conocimiento de las necesidades hídricas de los cultivos es básico e indispensable.

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Figura 1. Selección del sitio y su estación climatológica.

Figura 2. Ingreso de datos del cultivo.

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Figura 3. Primera opción para los datos del suelo.

Figura 4. Pantalla de captura de las opciones del riego propuestas por el usuario.

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Figura 5. Menú de resultados.

Figura 6. Calendario de riegos del maíz.

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Figura 7. Balance de agua en el suelo.

Figura 8. Consumo de agua a través del ciclo del maíz.

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Figura 9. Variación de la humedad aprovechable del suelo.

Figura 10. Variación de los coeficientes del cultivo.

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Figura 11. Variación del clima durante el ciclo del cultivo.

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