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PROGRAMA COMPUTACIONAL PARA EL PRONÓSTICO DEL RIEGO EN LA REGIÓN CENTRAL DE MÉXICO

Computational Program for Crop Irrigation Scheduling at the Central Region of Mexico

Ernesto A. Catalán Valencia1*, Magdalena Villa Castorena1, Marco A. Inzunza Ibarra1, 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

RESUMENEn la mayoría de los distritos de riego del

país el riego se gestiona con eficiencias glo-bales menores al 40% y con valores entre 40 y 60% a nivel parcelario, lo cual implica consi-derables pérdidas de agua y disminución de la productividad de este recurso estratégico de la producción. Parte de estas pérdidas de agua se debe a la programación inadecuada del rie-go por la falta de soporte técnico para determi-nar el cuánto y cuándo regar los cultivos y con ello, precisar su régimen hídrico. El objetivo de este trabajo fue ampliar el ámbito de aplicación del programa DRIEGO del sistema IRRINET para que funcione en los Distritos y Unidades de Riego de la región Central del país. El p ro -grama DRIEGO estima las demandas de agua de los cultivos en tiempo real y ayuda al usuario para que decida cuánta agua aplicar y el momento oportuno para aplicar los riegos. Accede a la infor-mación de la Red de Estaciones Climatológicas Automáticas de los estados de Guanajuato, Que-rétaro, Tlaxcala, Hidalgo y Estado de México. Apli-ca las metodologías recomendadas por la Orga-nización Meteorológica Mundial y la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Ali-mentación (FAO) para estimar evapotranspiración y programar el riego en tiempo real de acuerdo con

el clima, tipo de cultivo, suelo, y manejo del riego propuesto por el usuario (https://www.cenidraspa.org).

Palabras clave: balance de agua, calendariza-ción del riego, coeficiente dual del cultivo, evapo-transpiración.

SUMMARYIn most irrigation districts of the country irriga-

tion is managed with overall efficiencies less than 40% and with values between 40 and 60% at farm level, which involves considerable water losses and decreased productivity of this strategic produc-tion resource. Some of these water losses are due to inadequate irrigation scheduling by the lack of technical support for determining how and when to irrigate crops and thus specify their water regime. The objective of this work was to broaden the sco-pe of the program DRIEGO of the IRRINET system to function in the Irrigation Districts and Units of the Central Region in Mexico. The program DRIEGO estimates crop water demands in real time and helps the user to decide how much water to apply and irrigation timing. It access information of the automatic climatological stations network of the states of Guanajuato, Queretaro, Tlaxcala, Hidalgo and Mexico State. Apply the methodologies recom-

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mended by the World Meteorological Organization and the United Nations for Food and Agriculture (FAO) to estimate evapotranspiration and irrigation scheduling in real time according to climate, crop type, soil and irrigation management proposed by the user (https://www.cenidraspa.org).

Key words: water balance, irrigation schedu-ling, dual crop coefficient, evapotranspiration.

INTRODUCCIÓNEn la mayoría de los distritos de riego del

país el riego se gestiona con eficiencias glo-bales menores al 40% y con valores entre 40 y 60% a nivel parcelario, lo cual implica con-siderables pérdidas de agua y disminución de la productividad de este recurso estratégico de la producción. En la región central (Guanajuato, Querétaro, Tlaxcala, Hidalgo y Estado de Méxi-co), el volumen de agua anual concesionado es de 12,029 millones de m3, de los cuales el 73.8% (8,880 millones de m3) se destina a uso agrícola (CNA, 2014). La superficie cultivada bajo riego al-canzó 664,200 hectáreas en el año 2013 (SIAP, 2013), lo cual implica que se aplicó una lámina de riego bruta promedio de 1.34 m y una eficien-cia global de 45% si se asume una lámina neta o requerimiento de riego promedio de 60 cm (SIAP, 2013).

La tecnificación del riego parcelario implica la aplicación de técnicas y métodos racionales y cuantitativos para mejorar la programación, dise-ño y operación de los sistemas de riego. La pro-gramación del riego es una técnica encaminada a determinar las cantidades de agua por aplicar y las fechas de aplicación de cada riego para mi-nimizar deficiencias o excesos de humedad en el suelo que pudieran causar efectos adversos sobre el crecimiento, rendimiento y calidad de los culti-vos (FAO, 1989). Con la programación adecua-da del riego se pueden lograr objetivos múltiples como ahorrar agua, disminuir costos por ahorro de energía y mano de obra, minimizar estrés hídrico y maximizar rendimiento, así como maximizar ca-

lidad, rentabilidad o ingreso (Catalán et al., 2007).

La tecnología disponible en materia de ingenie-ría de riego es amplia, sin embargo, los procesos de transferencia y adopción tecnológica se han rezagado por distintas razones. No obstante, con base en infraestructura actual como el Internet y las Redes Estatales de Estaciones Climatológicas Automáticas, se han podido adaptar las metodolo-gías de programación para desarrollar una aplica-ción como el programa DRIEGO. Esta aplicación funciona actualmente en línea y tiempo real como parte del sistema IRRINET de asistencia técnica para difundir y transferir la tecnología de riego dis-ponible directamente a los usuarios y agentes de cambio encargados de su capacitación. El objetivo de este trabajo fue ampliar el ámbito de aplica-ción del programa DRIEGO del sistema IRRI-NET para que funcione en los Distritos y Unida-des de Riego de la región central del país.

MATERIALES Y MÉTODOSEl programa DRIEGO forma parte del sistema

IRRINET de asistencia técnica en línea para la pro-gramación, diseño y operación sistemas de riego parcelario (https://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 programado utilizando el estilo de programación mixta JQUERY bajo JAVA y PHP.

El ámbito de aplicación actual del programa DRIEGO cubre los estados de la región norte del país. Para ampliar el ámbito a los estados de la re-gión central se reprogramaron algunas interfaces y rutinas del programa. También se respaldó, evaluó, depuró y analizó estadísticamente la información de las redes estatales de estaciones climatológicas automáticas. Enseguida se describen las caracte-rísticas más importantes del programa, así como su funcionamiento con base en un ejemplo o es-tudio de caso.

El programa resuelve el balance de agua en el suelo a partir de la estimación de cada uno de sus

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componentes: riego (R) y lluvia efectiva (P) como principales entradas de agua, así como evapo-transpiración del cultivo (ETc) y percolación o dre-naje (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 con-trol limitado por la profundidad 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 evapo-transpiración (ETr) del cultivo se estima a partir del cálculo de la evapotranspiración de refe-rencia (ET0), calculada con el método estándar FAO Penman-Monteith, y el uso del coeficiente dual del cultivo, ambos procedimientos reco-mendados por la Organización Meteorológica mundial y la FAO para la programación del riego en tiempo real (FAO, 1998):

(2)

Donde ET0 es la evapotranspiración de la su-perficie hipotética de referencia, similar a la de un cultivo de pasto bien irrigado 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 radiación solar).

En el enfoque del coeficiente dual, la transpi-ración (T) y la evaporación (E) se calculan por se-parado. Se utilizan dos coeficientes, el coeficiente basal del cultivo Kcb para determinar T y el coefi-ciente de evaporación Ke para determinar E (FAO, 1998). El coeficiente Kcb se define como el co-ciente 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 trans-piración de la planta. Por su parte, el coeficiente Ke describe el componente de la evaporación y se vuelve importante cuando el suelo se encuentra húmedo después de una lluvia o riego.

Datos de entrada. En la pantalla principal del sis-tema IRRINET se debe elegir la opción “DRIE-GO” para acceder a dicho programa. Posterior-mente se selecciona uno de los estados de la región central y aparece la pantalla principal del programa, la cual muestra cinco botones: 1. Sitio, 2. Cultivo, 3. Suelo, 4. Riego y 5. Resul-tados. 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 resultados (Figura 1). Enseguida se describen cada uno de ellos.

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Figura 1. Selección de la estación climatológica.

Sitio: Solicita al usuario la selección de la estación climatológica 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 imagen del satélite, la ubicación de cada una de las estaciones dentro del estado en cuestión (Figura 1). Una vez seleccionada la estación, el programa despliega la información correspon-diente como el nombre de la estación, coorde-nadas geográficas y altura del sitio.

Cultivo: Solicita el tipo de cultivo de un total de 62 cultivos distintos. Una vez seleccionado el cul-tivo, el programa propone datos predefinidos para la fecha de siembra, duración del ciclo ve-getativo (desde siembra o establecimiento has-ta la madurez fisiológica) y la altura máxima del cultivo, datos que el usuario puede modificar. También se despliegan los valores de las curvas de los coeficientes basales del cultivo recomen-dados por la FAO, los cuales el usuario no debe modificar, a menos que disponga de dicha in-formación derivada de estudios experimentales propios (Figura 2).

Figura 2. Ingreso de datos del cultivo.

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

(3)

Donde θCC y θPMP son los contenidos de hume-dad a capacidad de campo y punto de marchita-miento permanente que delimitan HA, y Pr es la profundidad radicular del cultivo. El programa da al usuario tres posibles opciones para determinar los valores de θCC y θPMP, dependiendo de la informa-ción disponible (Figura 3).

Figura 3. Primera opción para el ingreso de los datos del suelo.

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

Opción 2: Si no se conocen θCC y θPMP, proporcio-nar los contenidos de arena, arcilla y materia orgánica del suelo. El programa 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: mel-gas, 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 im-portante para estimar la evaporación directa del suelo. Este valor puede modificarse por parte del usuario, especialmente para los sistemas de riego presurizado.

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

También se solicita el tipo de control del riego: por abatimiento 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 abatimien-to máximo de la humedad aprovechable del suelo (PAM) para cada etapa:

(4)

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

Dependiendo del tipo de control del riego, el programa propone valores predeterminados y uni-formes (mismo valor para cada etapa) para PAM o para el intervalo entre riegos, los cuales pueden modificarse de acuerdo con la sensibilidad del culti-vo al estrés hídrico en cada etapa de su desarrollo. Valores mayores de PAM producirán mayor abati-miento de la humedad 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 frecuencia 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 localiza-do.

Para todos los campos de captura de informa-ción, el programa provee valores predeterminados derivados de una base de datos con valores pre-definidos de las diferentes variables y parámetros climáticos, edáficos y del cultivo considerados.

RESULTADOS Y DISCUSIÓNComo resultados de este trabajo se amplió

del ámbito de aplicación del programa DRIEGO a los estados de la región central. Enseguida se continúa con el ejemplo iniciado en la sección pre-cedente para describir los resultados proporciona-dos por el programa. El último botón de la pantalla principal del programa despliega el botón “Calcular resultados”, el cual al activarse muestra los ocho botones del menú de resultados (Figura 5).

El primer botón del menú de resultados presen-ta el calendario de riego que incluye el número de riegos, fechas de aplicación, intervalos entre riegos y láminas de riego. La Figura 6 muestra la pantalla que despliega el calendario de riegos resultante de la ejecución del programa realizada el 6 de Octubre del 2017 para un cultivo de ajo de 140 días de ciclo

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vegetativo, sembrado el 8 de septiembre del 2017 en una localidad cercana al campo experimental del INIFAP de Celaya, en un suelo con textura franca uniforme hasta los 90 cm de profundidad sin

humedad inicial aprovechable. La oportunidad de los riegos se decidió con base en el 40% de aba-timiento de la humedad aprovechable en el suelo en las cuatro etapas del ciclo vegetativo del cultivo.

Figura 5. Menú de resultados.

Figura 6. Calendario de riegos del cultivo.

Como encabezado del calendario de riegos aparecen fechas como la de siembra, la actual de ejecución del programa, la del fin del ciclo y la del próximo riego. Aparecen también la lámina o dosis del próximo riego, el consumo de agua proyectado en el ciclo, el consumo de agua máximo o poten-cial y el porcentaje de reducción del rendimiento

potencial, el cual se estima como una proporción de la diferencia entre los consumos de agua máxi-mo y proyectado (Doorenbos y Kassam, 1996).

El programa está diseñado para cubrir todo el ciclo del cultivo y puede utilizarse con fines de planeación o de operación. Si se ejecuta antes

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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 planea-ción 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 úl-timo riego y la fecha en que se pronostica el riego siguiente.

Desde la siembra y hasta la fecha de ejecución del programa o fecha actual, el programa utiliza información climática medida y registrada en tiem-po real para estimar consumo de agua, realizar el balance de agua en el suelo y definir la oportuni-dad de los riegos. Después de la fecha actual, el programa pronostica los riegos con base en infor-mación climática generada estadísticamente. Por lo tanto, el pronóstico del próximo o siguiente riego será más preciso a medida que se aproxime (has-ta un día antes) 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 resultan-tes en el calendario de riegos. Para cumplir con el tipo de control del riego considerado (abatimiento de humedad 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 di-cho riego.

El segundo botón del menú de resultados pre-senta datos tabulados de los componentes del ba-lance de agua del suelo 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 compo-nentes de la ET real, la lluvia efectiva y la percola-ción. Aparece también la humedad aprovechable disponible en la zona radicular del cultivo.

Figura 7. Balance de agua en el suelo.

El tercer botón del menú de resultados presen-ta gráficas del consumo de agua (ET máxima, ET real y Transpiración) a través del ciclo del cultivo (Figura 8). El cuarto botón presenta los mismos da-tos en valores acumulados. Por su parte, el quinto

botón de resultados presenta dos gráficas que ilus-tran la variación de la humedad aprovechable del suelo durante el ciclo del cultivo, tanto en porcenta-je como en lámina de agua (Figura 9).

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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 transpira-ción 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 (Figura 10).

Los dos últimos botones del menú de resulta-dos presentan gráficas con los valores de las va-

riables climatológicas durante la estación de creci-miento del cultivo. El penúltimo botón muestra los valores máximos y mínimos diarios de la tempe-ratura y la humedad relativa del aire (Figura 11), mientras que el último 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.

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

Figura 9. Variación de la humedad aprovechable del suelo.

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Figura 10. Variación de los coeficientes del cultivo.

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

CONCLUSIONESEl programa DRIEGO del sistema IRRINET es

una herramienta técnica importante para asistir a los usuarios del riego de los estados de la región central en la programación del riego de sus culti-vos. La ejecución en línea del programa y el ac-ceso irrestricto y gratuito por parte de los usuarios constituyen importantes mecanismos de difusión y transferencia de la tecnología de riego disponible.

La herramienta aquí propuesta hace una esti-mación del consumo de agua por el cultivo y del

balance de agua en el suelo utilizando datos cli-máticos recientes o actuales, lo cual constituye una mejora con respecto al uso de datos históricos del clima.

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

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El programa también puede utilizarse como herramienta para la planeación y toma de decisio-nes sobre el uso de los recursos hídricos de los estados del centro del país, tareas en las cuales el conocimiento de las necesidades hídricas de los cultivos es básico e indispensable.

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