Introducción

La distribución irregular e incertidumbre de los recursos hídricos, así como la necesidad de producir alimentos en México, ha ocasionado la apertura de grandes zonas de riego en regiones áridas y semiáridas (^{Ojeda-Bustamante, Hernández-Barrios, & Sánchez-Cohén, 2008}), ya que, aproximadamente, el 50 % de la producción agrícola nacional proviene de las áreas bajo riego (^{Ojeda-Bustamante et al., 2008}). La mayor parte de la infraestructura construida en los distritos de riego de México fue dimensionada bajo el criterio de la extinta Secretaría de Recursos Hidráulicos (^{SRH, 1973}). El método de diseño utilizado tradicionalmente para determinar la capacidad de los canales fue propuesto por dicha Secretaría; sin embargo, en otros países se utilizan diferentes métodos que generan más eficiencia (^{Íñiguez-Covarrubias, de León-Mojarro, Prado-Hernández, & Rendón-Pimentel, 2007}; ^{Íñiguez-Covarrubias, Ojeda-Bustamante, & Rojano-Aguilar, 2011}). Cabe señalar que en años recientes, la Gerencia de Distritos de Riego (DR) de la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA) de México ha realizado diversos estudios en los DR denominados “Planes directores”, con la finalidad de diagnosticar y planear inversiones (^{Instituto Mexicano de Tecnología del Agua [IMTA], 2007}).

El método de distribución de agua dominante en zonas de riego de México es por demanda controlada semanal, y consiste en programar el volumen de extracción de agua de la fuente de abastecimiento por la red de distribución para su entrega a los usuarios en un periodo de siete días, esto de acuerdo con las solicitudes de riego recibidas de los usuarios en la semana previa (^{Arista-Cortes, González-Camacho, & Ojeda-Bustamante, 2009}). Según la clasificación de los métodos de distribución, la responsabilidad del control de la distribución del riego dominante en México es compartida (Usuario-Autoridad [CONAGUA]), y se conoce como demanda controlada (^{Íñiguez-Covarrubias et al., 2007}).

En el proceso de entrega del servicio de riego, se requieren conocer las eficiencias promedio del sistema de distribución de agua. Estas eficiencias deben considerarse al momento de realizar la programación de la distribución de agua. En consecuencia, resulta vital la puesta en marcha de esquemas de calendarización robusta del riego, de preferencia en “casi tiempo real”, para lograr un uso eficiente de los recursos y operar, hidráulicamente, en forma satisfactoria la red de canales (^{Spare, Wang, & Hagan, 1980}).

Para obtener la evapotranspiración de referencia (ET_o) del cultivo, con fines de determinar la capacidad del canal, se recomienda a los diseñadores de zonas de riego estimarla con base en métodos robustos como el de Penman-Monteith modificado por la FAO (^{Allen, Pereira, Raes, & Smith, 2006}); además, utilizar el concepto de grados día desarrollo (°D), ya que es una herramienta adecuada para predecir la fenología y desarrollo de los cultivos, lo que ayudará a ajustar mejor la oferta del riego a las necesidades hídricas de los cultivos. ^{Íñiguez-Covarrubias et al. (2011)} utilizaron esta metodología para determinar la capacidad de canales. Para ello, estimaron la evapotranspiración en una zona de riego (ET_zr) en cinco pasos. Adicionalmente, es importante considerar que el cálculo de láminas de riego corresponde con la capacidad útil de almacenamiento del suelo dentro de la profundidad radicular (^{SRH, 1973}).

Actualmente, con la innovación y aplicación de herramientas informáticas, que facilitan el manejo de la información de diferentes variables útiles, es posible realizar cálculos numéricos laboriosos. Un ejemplo de esto es la estimación de los requerimientos de riego que son importantes para acoplar las demandas hídricas de los cultivos con la aplicación del riego a través de la infraestructura hidráulica (^{Ojeda-Bustamante, Sifuentes-Ibarra, Íñiguez-Covarrubias, & Montero-Martínez, 2011}). No obstante, la idea conservadora de operación actual limita la evolución natural de las zonas de riego y la información actualizada de las variables de interés, lo que impide mejorar el servicio y genera grandes pérdidas de agua por operación deficiente en periodos de máxima demanda de riego (^{Íñiguez-Covarrubias et al., 2007}, ²⁰¹¹).

Hoy en día, uno de los principales retos para los investigadores relacionados con la gestión de grandes zonas de riego, dividida en varios módulos o secciones de riego, es realizar de manera eficiente los cálculos y generar recomendaciones certeras y oportunas. Con ello, sin duda alguna, los grandes sistemas de riego se pueden diseñar y operar de forma más eficaz (^{Ojeda-Bustamante, Sifuentes-Ibarra, & Unland-Weiss, 2006}; ^{Ojeda-Bustamante et al., 2008}).

Con base en la revisión bibliográfica efectuada para el desarrollo del presente documento, y en los trabajos realizados por los autores en varios DR, para las Asociaciones Civiles de Usuarios (ACURs), las federaciones de ACURs llamadas SRLs y la CONAGUA, se sabe que no existe un procedimiento explícito, e integrado, para implementar una gestión hidrosistémica con aplicación en sistemas de riego complejos que tienen diferentes cultivos, variedades, suelos, fechas de siembra y ciclos agrícolas. Un DR en México puede tener una o más SRLs, las cuales tienen la responsabilidad de ejecutar las obras y actividades que son comunes a dos o más ACURs.

Por lo anterior, el objetivo de este trabajo fue proponer y analizar una función en la que converjan tres variables: evapotranspiración (ET) de los cultivos, programación de distribución del agua y capacidad de los canales. Posteriormente, desarrollar una propuesta de gestión hidrosistémica en la que se conjuguen las variables con el mayor grado de flexibilidad para satisfacer al usuario y cumpla con las expectativas de aprovechamiento de los recursos hídricos. Para ello, es importante considerar las condiciones agronómicas, edáficas, climáticas y tipo de infraestructura del riego.

Materiales y métodos

Resultados y discusión

Los resultados se presentan de acuerdo con el desarrollo de las seis etapas de la propuesta metodológica para la gestión hidrosistémica. De esta manera, se estimó la ET_o y se obtuvo la ET_p por cultivo y la fecha de siembra de acuerdo con la Ecuación 1. En las Figuras 1 y 2 se muestra la distribución de la superficie establecida por día juliano (%) para cada cultivo en el ciclo O-I y P-V, respectivamente, en el DR-075 (^{IMTA, 2007}). En la curva de cada cultivo se indica con un punto la fecha de siembra considerada para generar las curvas.

Figura 1 Distribución de fechas de siembra en el ciclo otoño-invierno. Fuente: Elaboración propia con datos del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (^{IMTA, 2007}).  

Figura 2 Distribución de fechas de siembra en el ciclo primavera-verano. Fuente: Elaboración propia con datos del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (^{IMTA, 2007}) 

Las láminas de riego se aplican por cultivo de acuerdo con la política de riego y donde el número de riegos es variable, ya que el siguiente riego se aplica al consumirse el déficit de humedad permisible de acuerdo con el cultivo y la etapa fenológica. La lámina neta aplicada a los cultivos es del orden de 10 cm para los riegos de auxilio, excepto para el tomate, el cual requiere una lámina neta del orden de 8 cm. Por su parte, la lámina bruta es afectada por la eficiencia reportada por el módulo “Santa Rosa” para los ciclos O-I, P-V y perennes.

En la Figura 1 se observa que el periodo de siembra del maíz es desde los primeros días de octubre a finales de diciembre, el de frijol es de finales de septiembre a mediados de noviembre, el de papa es de finales de septiembre a finales de diciembre y el de jitomate es de principios de septiembre a finales de diciembre. Además, se observa que el cultivo de jitomate no presenta ningún ciclo con toda la superficie establecida, ya que tiene un periodo amplio de siembra, por lo que las primeras cosechas se presentan en el periodo global de siembra considerado. Para el caso del frijol, la papa y el maíz, la siembra termina antes de las primeras cosechas, por lo que presentan un ciclo donde la superficie establecida es de 100 %.

Por ser el maíz el cultivo más representativo de la zona, se muestran los resultados de la aplicación de la Ecuación 1 en este cultivo (etapa 1). En la Figura 3 se puede observar la curva de la ET_p diaria del maíz para una fecha de siembra (día juliano 350, siembra decena 8), en la cual se suministraron cinco riegos con ET_p acumulada de 50.62 cm. La superficie establecida en la decena fue de 1 135.51 ha, lo que representó el 10.4 % de la siembra de maíz en el ciclo O-I.

Figura 3 Evapotranspiración potencial (ET_p) diaria del maíz para la fecha de siembra decenal 8 (16 de diciembre de 2004) con cinco riegos. 

La programación del suministro hídrico en esta propuesta es decenal; el día 1 se da el primer riego, y riegos subsecuentes los días 67, 87, 107 y 125. La lámina de riego es de 10 cm por evento y el intervalo de riego mínimo es de 17 días. El gasto en el canal es de 1.87 m³·s^-1, el cual es necesario por las condiciones del canal con eficiencia de 49 %.

En la Figura 4 (etapa 4) se muestra la curva de la superficie establecida acumulada del maíz para el ciclo O-I, además presenta las hectáreas de riego para los periodos decenales, iniciando con la primera decena el día juliano 281 hasta llegar a la última decena, para tener una superficie establecida total de 10 918 ha. El volumen máximo requerido por el maíz en el ciclo O-I fue estimado en 557 134.56 m³·día^-1, lo cual se demanda en el día juliano 99 (9 de abril de 2005), que corresponde a la ET_1c máxima de 5.3 mm·día^-1 y a una superficie establecida de 10 383.36 ha (Figura 4). La superficie programada decenal es de 7 129.8 ha, con un gasto de capacidad de diseño en el canal de 8.18 m³·s^-1, gasto necesario de 8.17 m³·s^-1 e intervalo de 16 días, esto para una programación semanal con entrega lunes o jueves, y eficiencia global de 63 %. Al aumentar la eficiencia de conducción de 70 a 90 % se alcanza un intervalo de 10 días.

Figura 4 Superficie total establecida y hectáreas de riego decenal para el maíz en el ciclo otoño-invierno. 

En la Figura 5 se presenta el proceso de integración de las curvas de ET; primero por fechas de siembra para un cultivo (ET_1C), después por ciclo agrícola (ET_ciclo), que corresponde a la ET de cada ciclo analizado (ET_O-I, ET_P-V y ET_PER), y por último la curva integrada para la zona de riego (ET_zr) (^{Íñiguez-Covarrubias et al., 2011}).

Figura 5 Proceso de integración de la evapotranspiración (ET) desde una siembra hasta su integración por cultivo, ciclo y zona de riego. 

En la Figura 6 (correspondiente a la etapa 5) se integran las curvas ET _1c-i de todos los cultivos del ciclo O-I para obtener la ET_O-I. Se destacan los valores para el ciclo O-I con el volumen pico requerido para el día juliano 105 (15 de abril de 2005), con un volumen máximo demandado de 672 200.7 m³·día^-1, ET_OI de 5.172 mm·día^-1, superficie de 11 643.0 ha establecidas (papa con 1 051.33 ha, maíz con 10 383.36 ha y jitomate con 208.42 ha), superficie programada decenal de 7 416.8 ha, gasto de capacidad en el canal de 8.18 m³·s^-1, gasto necesario de 8.17 m³·s^-1 y un intervalo de 16 días; esto para una programación semanal con entrega lunes o jueves, y una eficiencia global de 63 %. Para este caso ya se dispone de la capacidad de todo el canal; es decir, no existe restricción por capacidad.

Figura 6 Superficie total establecida y hectáreas de riego decenal para los cultivos del ciclo otoño-invierno. 

Finalmente, al completar la metodología propuesta en la etapa 6, se obtiene la matriz general integrada de los tres ciclos (P-V, O-I y perennes) para el año agrícola. En la Figura 7 se muestra la relación de las hectáreas establecidas para cada día para toda la zona de riego, además de las hectáreas con requerimiento de riego decenal para todas las decenas del año. El valor más alto se presenta el día juliano 105 (15 de abril de 2005), con un volumen máximo de 918 487.63 (m³·día^-1), ET_ZR pico de 4.07892 mm·día^-1 y una superficie de 22 518.0 ha establecidas. Para la decena del 105 al 115, con una eficiencia global de diseño de 51.3 %, se necesitaría un gasto de 21.70 m³·s^-1.

Figura 7 Superficie total establecida y hectáreas de riego decenal para los tres ciclos agrícolas (otoño-invierno, primavera-verano y perennes). 

La decena con máxima demanda al sistema de riego es del día juliano 101 al 111 (del 11 al 21 de abril de 2005), con superficie de 13 548 ha, de las cuales 1 985 ha son del ciclo P-V, 7 416 ha de O-I y 4 146 ha de perenne. En este caso también se dispone de toda la capacidad del canal, por lo que no existen restricciones y se dispone del gasto de 27.185 m³·s^-1. El gasto en el diseño del canal con el método de Clement es de 27.86 m³·s^-1, el cual es mayor al gasto necesario en la decena máxima.

Con respecto al volumen programado utilizado bajo el plan de los cultivos, la ACUR reporta un volumen bruto programado (sin eficiencia en el punto de control al inicio del módulo) de 226 480 millares de m³, y el volumen estimado al integrar la curva de la Figura 7 es de 154 544.00 millares de m³, esto es 47 % menor al programado por los usuarios. Lo anterior constituye un indicador real de la eficiencia global del hidrosistema, es decir, del DR bajo la propuesta de gestión hidrosistémica.

Conclusiones

La sistematización decenal de la demanda hídrica de los cultivos facilita el conocimiento de la superficie asociada con el requerimiento de riego desde el inicio de la primera siembra de cada cultivo y para cada ciclo hasta el último riego demandado en una zona de riego. Con el conocimiento temporal de las hectáreas con requerimiento de riego se ajusta la distribución semanal del agua por la red; asimismo, se estima el gasto necesario diario por aplicar para todos los ciclos, esto al conocer la fecha y decena requerida.

En este caso, se concluye que la capacidad del canal, en cualquier sección de riego, no es limitante para aplicar el plan de riego. Esto implica que para cualquier otro plan de riego se tendría que repetir la metodología de gestión hidrosistémica propuesta, en la que concurren las tres principales variables de las grandes zonas de riego; es decir, la demanda hídrica de los cultivos, la programación de distribución del agua y la determinación de la capacidad hidráulica de los canales.

Con respecto al servicio de riego, se puede decir que la satisfacción plena del usuario depende únicamente de la correcta administración de la Asociación de Usuarios de Riego, ya que por la infraestructura y por las condiciones del plan de riego no existen limitantes siempre que se programen los riegos, esto de común acuerdo Autoridades - Usuarios.

Con base en los resultados obtenidos, se recomienda, ampliamente, la implementación de una gestión hidrosistémica como la propuesta para cualquier DR, acorde con los adelantos tecnológicos en materia de computación, medición, comunicación y control. Por ello, necesariamente se requiere de programas de apoyo y personal capacitado para la gestión del agua en complejos sistemas de riego de gran extensión con diferentes cultivos, fechas de siembra, tipos de sistemas de aplicación del riego, ciclos agrícolas y diferentes módulos o secciones de riego.