planificación de los recursos hidráulicos con fines de riego en la
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1. Estimaci n de la avenida m xima de dise o Estimaci n de las demandas de riego de los cultivos Dise o de la obra de excedencias Generaci n de vol menes mensuales disponibles Obtenci n de la capacidad total de almacenamiento necesaria Termina Figura 1 Diagrama de flujo donde se muestran los principales procesos y etapas del estudio Figure 1 Flowchart depicting the main processes and stages of the study Cuadro 1 Patr n y pocas de establecimiento de cultivos en la regi n de estudio Table 1 Crop Pattern and establishing time in the study area Cultivos E F M Tomate Lycopersicon esculentum Mill Papaya Carica papaya L Aguacate Persea americana Forraje y abono verde Fuente OEA 1994 M J J A S O N D GONZ LEZ GONZ LEZ etal APROVECHAMIENTO DE ESCURRIMIENTOS EN EL ECUADOR 5 9555 Estaciones climatol gicas Estaciones pluviom tricas pe 9550 Estaci n de aforo Pol gonos de Thiessen 108 L mite de la cuenca 9545 Escala 1 200 000 A 9540 685 La Argelia Mhlacatos Figura 2 Ubicaci n de las estaciones consideradas y pol gonos de Thiessen respectivos Figure 2 Location of weather stations and their respective Thiessen polygons agrupar las alturas o l minas de lluvia de diferente duraci n 5 10 15 20 25 30 60 y 120 min de acuerdo con su periodo de retorno calculado mediante la f rmula de Weibull SARH 1978 para final mente de2. Ecuador Departamento de Desarrollo Regional y Medio Ambiente Loja Ecuador 141 p Palacios V E 1989 Introducci n a la Teor a de la Operaci n de Dis tritos y Sistemas de Riego Centro de Hidrociencias Colegio de Postgraduados Montecillo Edo de M xico 482 p SARH Secretar a de Agricultura y Recursos Hidr ulicos 1978 Re comendaciones para el Dise o y Revisi n de Estructuras para el Control de Avenidas M xico D F 296 p Smith M 1992 CROPWAT A Computer Program for Irrigation Planning and Management Irrigation and Drainage Paper NE46 Roma Italia 122 p Springall R 1968 Drenaje en Cuencas Peque as Instituto de Inge nier a Universidad Nacional Aut noma de M xico M xico D F 27 p Springall R 1990 Evoluci n de la Hidrolog a Superficial en M xico Facultad de Ingenier a UNAM Ingenier a Hidr ulica en M xi co N mero Especial 32 39 53 Tijerina Ch L 1992 Requerimientos y Calendarios de Riego Cole gio de Postgraduados Montecillo Edo de M x M xico 132 p Universidad Nacional de Loja UNL 1993 Comportamiento Hidrol gico de una Microcuenca Representativa del R o Catamayo Instituto de Investigaciones Loja Ecuador 218 p
3. s hydrograph The maximum design flow was approximately 106 m s and the peak time of the total hydrograph was 1 33 h According to the Ven Te Chow method which gives only an estimation of peak discharge Aparicio 1997 the maximum flow for a return period of 100 years and a storm duration equal to the Exceso de precipitaci n mm O ndice de infiltraci n Altura de precipitaci n mm 0 375 0 750 1 125 1 500 Tiempo horas Figura 5 Hietograma de la tormenta de dise o Figure 5 Design storm hyetograph GONZ LEZ GONZ LEZ etal APROVECHAMIENTO DE ESCURRIMIENTOS EN EL ECUADOR 9 120 100 80 60 Caudal m s 40 20 Tiempo horas Figura 6 Avenida de dise o donde se muestran con l nea delga da los cuatro componentes del hidrograma y con l nea gruesa la sumatoria de los mismos Figure 6 Design flood discharge where four hydrograph components are represented by thin lines the thick line is the sum of all components Requerimientos de agua por los cultivos La estaci n climatol gica base para el rea de riego fue la de Catamayo Con los valores de temperatura humedad relativa velocidad del viento y horas de brillo solar obtenidas en funci n de la nubosidad y la aplica ci n del CROPWAT se determin la ETP por el m todo de Penman Monteith Cuadro 5 De igual forma se esti m la ETP en funci n de la evaporaci n de tanque mul tiplicada por el coeficiente 0 7
4. Hidrograma Unitario Triangular propuesto por el Bureau of Reclamation SARH 1978 y el m todo emp rico de Ven Te Chow Aparicio 1997 Requerimientos h dricos de los cultivos La precipitaci n media mensual se ponder con base en el gradiente pluviom trico de la zona de riego La estaci n base fue la de Catamayo La evapotranspiraci n potencial se estim median te el m todo de Penman Monteith Para simplificar el proceso de c lculo se utiliz el programa de c mputo CROPWAT por medio del cual se determinaron los requerimientos h dricos de los cultivos Estimadas las disponibilidades de agua para riego y las demandas por parte de los cultivos se efectu el balance respectivo y se determi n el rea posible a beneficiar Luego se construyeron las curvas masa de demandas y aportaciones las cuales permitieron determinar el vo lumen del embalse requerido que fue ajustado por medio de la simu laci n del funcionamiento del embalse RESULTADOS Estimaci n de disponibilidades El modelo de regresi n aplicado entre la precipita ci n media mensual Y y la altitud X de las estaciones vecinas e instaladas dentro de la cuenca fue Y 0 477 X 110 02 3 El alto valor alto del coeficiente de determinaci n ob tenido 1 0 92 evidencia una dependencia estad stica en esta zona entre la precipitaci n y la altitud Al aplicar la Ecuaci n 3 y con base en los datos de la estaci n La Ar gelia se deter
5. Runoff volumes obtained by the runoff coefficients method were adjusted to a log normal distribution model Expected values at 50 probability are shown in Table 2 and Figure 4 Estimation of design maximum flood discharge After processing pluviographic information from La Argelia weather station based on an annual excess series rainfall depths were grouped into spans representing classification intervals and pluviometric station analysis then the following design storm model for a return period of 100 years was obtained hp 4 8418 d 041145 4 450 INERHI 400 E Polinomio ecol gico A Coeficiente de escurrimiento 350 300 5 E gt 250 gt 200 150 100 E FMAM J J A SOND Figura 4 Vol menes mensuales escurridos Dm en el rea de cap taci n calculados por los m todos indicados Figure 4 Monthly runoff volumes Dm in the basin contributing area calculated using described methods 8 AGROCIENCIA VOLUMEN 35 N MERO 1 ENERO FEBRERO 2001 usando la Ecuaci n 4 se cuantific la distribuci n de la lluvia para cuatro intervalos de 22 5 min para obte ner el hietograma de la tormenta de dise o Cuadro 3 Figura 5 Una vez conocida la tormenta de dise o se defini la relaci n lluvia escurrimiento la que permiti esti mar la avenida de dise o Se determin la lluvia en ex ceso para toda la duraci n de lluvia a trav s de la f r mula racional con un coeficiente de escorrent
6. completos que considera el balance de ener g a es el propuesto por Penman modificado por Doorenbos y Pruitt 1977 pero al observar que en cier tas condiciones sobrestimaba las evapotranspiraci n la FAO 1995 propuso el m todo de Penman Monteith como herramienta para estimar la evapotranspiraci n de los cultivos en zonas en las que se dispone de datos sobre temperatura humedad relativa velocidad del vien to y las horas de fuerte insolaci n o nubosidad Aguilar et al 1995 Adem s existen varios programas de c mputo que sirven para determinar las demandas h dricas de los cul tivos a trav s del m todo de Penman Monteith Uno de los m s utilizados y recomendados por la FAO es el CROPWAT til para la planificaci n y el manejo de sis temas de riego FAO 1995 MATERIALES Y M TODOS La cuenca del r o La Capilla se ubica al sur del Ecuador aproxi madamente a 20 km al suroeste de la ciudad de Loja capital de la Pro vincia de Loja La superficie total de la microcuenca es de 38 6 km La longitud total del r o es 18 3 km La pendiente media del cauce obteni da mediante la f rmula de Taylor y Schwarz es de 9 1 La topograf a de la cuenca es irregular predominando los terrenos con pendientes pronunciadas 57 las reas planas son escasas La media anual de precipitaci n es 796 3 mm y la de temperatura 20 2 C Crop water requirements Crop water requirements have not been determined experimentally
7. para estimar las necesidades h dricas de los cultivos Los m todos utilizados para estimar las avenidas m ximas presentaron resultados satisfactorios LITERATURA CITADA Aguilar A N Garc a y J Rodr guez 1995 C lculo de Calendarios de Riego NEC HID versi n 2 0 Manual del Usuario Instituto Mexicano de Tecnolog a del Agua IMTA Jiutepec Morelos M xico 74 p Aparicio F 1997 Fundamentos de Hidrolog a de Superficie Limusa Noriega 5a Reimpresi n M xico D F 303 p Doorenbos J y W Pruitt 1977 La Necesidades de Agua de los Cul tivos FAO Riego y Drenaje 24 Roma Italia 194 p FAO 1992 Manual de Campo para la Ordenaci n de Cuencas Hidrogr ficas Estudio y Planificaci n de Cuencas Hidrogr ficas Roma Italia 185 p FAO 1995 CROPWAT A Computer Program for Irrigation Planning and Management FAO Irrigation and Drainage Papers No 46 Rome Italy 126 p G mez F 1990 Observaci n y Medici n de Caudales en Cuencas de la Zona Andina del Ecuador Instituto Ecuatoriano de Recursos Hidr ulicos Quito Ecuador 75 p Hendricks J 1994 Riego Comunitario Andino y Organizaci n de Usuarios Universidad Nacional de Loja UNL SNV Loja Ecua dor 222p INERHI Instituto Ecuatoriano de Recursos Hidr ulicos 1991 Cau dales Medios Mensuales en Cuencas Agr colas en el Ecuador Revista del CICP Quito Ecuador 68 p OEA 1994 Plan Integral de Desarrollo de los Recursos H dricos Pro vincia de Loja
8. rainfall was estimated using Penman Monteith s ETP and USDA s Smith 1992 weighted rainfall for the irrigated zone Finally crop water requirements were determined utilizing information about crop cycles crop development coefficients root depth and desirable moisture content at irrigation time obtained by Palacios 1989 Tijerina 1992 and Doorenbos and Total J A S O N D 4 1 8 7 19 0 59 3 32 3 39 6 548 8 124 0 133 3 129 0 124 0 114 0 111 6 1388 4 1 8 5 18 3 52 3 30 2 36 5 470 7 299 0 274 0 266 0 159 0 240 0 178 0 2091 1 Pr Precipitaci n ponderada zona de riego mm mes ETP Evapotranspiraci n de referencia mm mes Pe Precipitaci n efectiva mm mes RR Requerimientos de riego mm mes 10 AGROCIENCIA VOLUMEN 35 N MERO 1 ENERO FEBRERO 2001 duraci n de los ciclos vegetativos los coeficientes de desarrollo de los cultivos las profundidades de las ra ces y los niveles de humedad deseable al momento de apli carlos riegos obtenida de Palacios 1989 Tijerina 1992 y Doorenbos y Pruitt 1977 se determinaron los reque rimientos h dricos de los cultivos Cuadro 5 Se calcul la l mina bruta total suponiendo una eficiencia de riego de 50 posteriormente de acuerdo con el rea a sem brarse de cada cultivo se determin la l mina ponderada que finalmente con la ayuda de los vol menes disponi bles para una probabilidad de 50 Cuadro 2 permite calcular el rea total de riego a benefic
9. 5 Palacios 1989 En la Figura 7 se puede observar que ambas estimaciones tu vieron un comportamiento similar Con la ETP calculada por Penman Monteith y la pre cipitaci n ponderada para la zona de riego mediante la metodolog a del USDA Smith 1992 se estim la preci pitaci n efectiva Finalmente con informaci n sobre la Cuadro 5 Requerimientos de riego mensual mm mes Table 5 Monthly irrigation requirements mm month Variable E F M A M Pr 52 0 102 8 103 5 86 0 30 1 11 3 ETP 108 5 95 7 102 3 102 0 108 5 144 0 Pe 46 6 81 7 82 1 71 2 28 3 11 0 RR 36 0 0 0 0 0 20 0 209 0 410 0 50 45 40 Evapotran spiraci n mm d a z ETP calculada 3 5 Ml ETP estimada 0 75xEV en tanque 30 Figura 7 ETP calculada y estimada como funci n de la evapora ci n Figure 7 Calculated and estimated ETP as a function of evaporation concentration time 1 87 3 minutes was 98 66 m s a value similar to the one we found 106 m s Crop water requirements Catamayo was the base weather station for the irrigation area ETP was determined by the Penman Monteith method in the CROPWAT program Table 5 as a function of temperature relative humidity wind velocity and hours of sunshine obtained as a function of cloudiness data ETP was also estimated as a function of tank evaporation multiplied by 0 75 Palacios 1989 Both estimations showed a similar behavior Figure 7 Effective
10. Base station La Argelia PE Runoff volumes obtained from the ecological polynomial method Dm IH Runoff volumes obtained from the INERHI method Dm CE Runoff volumes obtained from the runoff coefficients method Dm and P50 Expected values at 50 probability log normal 3 parameters GONZ LEZ GONZ LEZ etal APROVECHAMIENTO DE ESCURRIMIENTOS EN EL ECUADOR 7 para la cuenca en su conjunto con el prop sito de compa rarlos con los registros obtenidos en la estaci n de aforo de la cuenca El m todo que mejor se ajust a los valores observados fue el de los coeficientes de escurrimiento 12 0 80 frente a los m todos del polinomio ecol gico y del INERH con coeficientes de 0 70 y 0 72 respectiva mente Figura 3 Luego se aplicaron los m todos para el rea de captaci n Los vol menes escurridos obtenidos por el m todo de los coeficientes de escurrimiento se ajus taron a un modelo de distribuci n log normal Los valores esperados a 50 de probabilidad se presentan en el Cua dro 2 y en la Figura 4 Estimaci n de la avenida m xima de dise o Luego que la informaci n pluviogr fica de La Ar gelia se proces con base en una serie de excedentes anuales las l minas de lluvia se agruparon en duracio nes representativas de intervalos de clasificaci n y del an lisis de las estaciones pluviom tricas obteni ndose el siguiente modelo de la tormenta de dise o para un pe riodo de retorno d
11. L mina bruta total y ponderada cm mes y rea de riego por cultivo ha Table 6 Total gross and monthly weighted irrigation depths cm month and irrigation area per crop ha L mina L mina Cultivo bruta ponderada rea rea cm cm ha Tomate 104 3 41 3 110 39 6 Aguacate 68 5 18 5 75 26 9 Papaya 95 6 21 7 63 22 7 Forraje y abono verde 150 1 16 2 30 10 8 Pruitt 1977 Table 5 Total water depth was calculated assuming an irrigation efficiency of 50 then weighted water depth was determined according to area per crop This information and data on available water volumes for a 50 probability Table 2 allowed calculation of the total area to be irrigated Table 6 Monthly irrigation volume demand was determined using the area seeded per crop and calculated irrigation requirements Table 5 Mass curves were drawn using monthly data on water volumes available for irrigation and water volumes demanded by crops Finally we determined the useful reservoir capacity Table 7 Figures 8 and 9 According to Figure 8 and Table 7 the maximum difference is CI 801 6 Dm also considered as the initial useful reservoir volume This volume was adjusted to 950 Dm when applying the reservoir operation simulation model DISCUSSION Ecuador s agricultural basins like those in many Third World countries do not usually have hydrometric information only pluviometric information is available although in some cases i
12. PLANIFICACI N DE LOS RECURSOS HIDR ULICOS CON FINES DE RIEGO EN LA ZONA ANDINA DEL ECUADOR PLANNING OF HYDRAULIC RESOURCES IN THE ANDINA ZONE OF ECUADOR An bal Gonz lez Gonz lez Oscar Palacios V lez Enrique Palacios V lez Jes s Ch vez Morales y Rolando Springall Galindo Universidad Nacional de Loja Ecuador Instituto de Investigaciones Agr colas Especialidad de Postgrado en Hidrociencias IRENAT Colegio de Postgraduados 56230 Montecillo Edo de M xi co opalacioEcolpos colpos mx Basin S A de C V Calzada Las Aguilas 412 01710 Colonia Las Aguilas M xico D F basinOmexis com RESUMEN La planificaci n del aprovechamiento con fines de riego de pe que os escurrimientos sin informaci n hidrom trica ni del consu mo de agua de los cultivos fue analizada mediante un estudio de caso en la cuenca La Capilla ubicada en la provincia de Loja al sur del Ecuador En el estudio se estimaron mediante m todos indirectos las disponibilidades de agua para riego y las demandas h dricas mensuales de los cultivos Asimismo despu s de realizar un an lisis de intensidad magnitud periodo de retorno duraci n y frecuencia de las lluvias se seleccion la tormenta de dise o y despu s de restarle las p rdidas por infiltraci n se calcul el exce so de precipitaci n con el cual se determin la avenida m xima de dise o Finalmente se determin la capacidad de almacenamien to necesaria para sa
13. a de C 0 6 Springall 1990 Despu s mediante un proce dimiento de prueba y error se estim el ndice de infil traci n de manera que la suma de los excesos de preci pitaci n en cuatro intervalos resultara aproximadamente igual al exceso de lluvia anterior El ndice de infiltra ci n result p 8 02 mm h Se aplic el m todo del hidrograma unitario triangular SARH 1978 con un tiempo y gasto al pico del tri ngulo de 1 0 91 h y 0 6 38 h donde h es el exceso de precipitaci n y un tiempo base doble del tiempo al pico es decir un Tb 1 83 h Los resultados se presentan en el Cuadro 4 y en la Figura 6 En la Figura 6 se muestran los cuatro componentes triangulares del hidrograma de la avenida de dise o y se observa que el gasto m ximo de dise o es de 106 m s aproximadamente y el tiempo pico del hidrograma total es 1 33 h De acuerdo con el m todo de Ven Te Chow que s lo proporciona una estimaci n del gasto al pico Aparicio 1997 el gasto m ximo para un periodo de retorno de 100 a os y un tiempo de duraci n de la tor menta igual al tiempo de concentraci n t 87 3 min fue 98 66 m s valor similar al encontrado Cuadro 3 Hietograma de la tormenta de dise o Table 3 Design storm hyetograph Intervalo Duraci n Altura de lluvia Diferencia Hietograma min mm mm 1 22 5 17 43 17 43 2 45 0 23 19 5 75 3 67 5 27 40 4 21 4 90 0 30 84 3 44 Cuadro 4 Valores del hidrograma de la avenida de dise
14. ction and rejection process Springall 1968 GONZ LEZ GONZ LEZ etal APROVECHAMIENTO DE ESCURRIMIENTOS EN EL ECUADOR 3 de adaptar destacan los m todos de los coeficientes de escurrimiento SARH 1978 el del polinomio ecol gico G mez 1990 y el del INERHI 1991 El an lisis de lluvias es de importancia fundamental cuando no existen aforos de la corriente que se est ana lizando El an lisis de los registros de lluvia para estimar la avenida m xima de dise o de una estructura hidr uli ca es a trav s de la caracterizaci n de las tormentas en relaci n con su periodo de retorno SARH 1978 Aun que en la actualidad se dispone de numerosos m todos para estimar las avenidas m ximas ninguno de ellos se ha adoptado un nimemente lo cual enfatiza la impor tancia y complejidad del problema hidrol gico en la esti maci n de una avenida por lo que es necesario estudiar el problema mediante distintos m todos y disponer de una serie de resultados con base en los cuales y en un proceso de selecci n y rechazo se podr definir la mag nitud de la avenida estimada con mayor seguridad Springall 1968 Requerimientos h dricos de los cultivos En la zona de estudio los requerimientos h dricos de los cultivos no han sido determinados experimentalmen te por lo que se requiere estimarlos mediante el con cepto de evapotranspiraci n potencial o de referencia Al respecto existen varios m todos emp ricos Uno de los m s
15. del Ecuador DAC Adem s se dispu so de dos a os de informaci n sobre precipitaci n evaporaci n y caudales registrados en la cuenca UNL 1993 El patr n de cultivos fue tomado del Plan Integral de Desarrollo de los Recursos H dricos para la Provincia de Loja hecho por la OEA 1994 en coordinaci n con otras instituciones del pa s en 1992 Cua dro 1 La metodolog a aplicada en esta investigaci n se resume en la Figura l Disponibilidades de agua para riego Inicialmente se determinaron las caracter sticas f sicas del rea de captaci n la superficie es de aproximadamente 2100 ha la longi tud del cauce es de 7880 m y su pendiente media obtenida mediante la f rmula de Taylor y Schwarz es de 10 9 A continuaci n con la informaci n de las estaciones vecinas se ponder la precipitaci n media mensual para la cuenca de captaci n con base en el gradiente pluviom trico de las cuatro estaciones circundantes y las tres instala das dentro de la cuenca Se tom como estaci n base La Argelia que seg n los pol gonos de Thiessen es la que m s influye en esta zona Figura 2 Con la precipitaci n ponderada para el rea de captaci n se cal cul el escurrimiento mediante los m todos a Criterio de los coefi cientes de escurrimiento SARH 1978 b M todo del polinomio ecol gico G mez 1990 y c M todo del INERHI 1991 Para tener un criterio del m todo a elegir para continuar la planificaci n los
16. ducir a trav s de un an lisis de correlaci n m ltiple una expresi n del tipo hp y T d 0 donde hp es la altura o l mina de lluvia en mm Tes el periodo de retorno en a os d es duraci n de la tormenta en min y amp y yf son par metros estimados a trav s del an lisis de correlaci n Paralelamente con el prop sito de corroborar la Ecuaci n 1 se analiz la informaci n pluviom trica registrada en las estaciones cli matol gicas consideradas para este estudio La Argelia Malacatos Gonzanam y Catamayo Esta informaci n se orden en series excedentes anuales Para calcular el periodo de retorno se utiliz la f rmula de Weibull SARH 1978 A la informaci n de cada estaci n climatol gica analizada se ajust un modelo de regresi n simple para obtener una ecuaci n del tipo MP ma z Y T 2 donde hp es la altura o l mina de lluvia media correspondiente a una duraci n de tormenta d en mm Tes el periodo de retorno en a os Con esta informaci n mediante interpolaci n visual se elabor el plano de isoyetas y se determin la precipitaci n m xima promedio para estas condiciones Con este valor se modific la Ecuaci n 1 que station was defined as the central base station since according to Thiessen s polygons it had the most influence in the zone Figure 2 Weighted rainfall for the watershed contributing area was used to calculate runoff with the methods a ru
17. e 100 a os hp 4 8418 d041145 4 donde hp es la altura de precipitaci n en mm y d es la duraci n de la lluvia en minutos Se estim el tiempo de concentraci n en t 1 455 h y se tom una duraci n de tormenta de dise o aproxi madamente igual redonde ndola a 90 min Despu s 1000 INERHI Polinomio ecol gico 900 800 Coeficiente de escurrimiento Observados 700 600 500 Volumen Dm 400 300 200 100 E F MAMJ J A SOND Figura 3 Vol menes mensuales escurridos Dm en toda la cuen ca calculados por los m todos indicados Figure 3 Monthly runoff volumes Dm in the whole basin calculated using described methods Y 0 477 X 110 02 3 The high determination coefficient obtained 1 0 92 showed a statistical relationship between rainfall and topographic height in this zone Weighted average monthly rainfall Pp for the watershed contributing area was determined applying Equation 3 and using data from La Argelia weather station Table 2 Methods to estimate runoff volume for the whole basin were applied to compare them with records obtained from the flow measurement station located at the basin s outlet The method that best reflected observed values was the runoff coefficients method r 0 80 when compared against the ecological polynomial r 0 70 and INERHI 12 0 72 ones Figure 3 Afterwards all methods were applied to the watershed contributing area
18. flood discharge showed satisfactory results End of the English version HR 1000 900 O Almacenamiento 800 700 600 500 Volumen Dm 400 300 200 100 M J J A SONDE FEMA Mes Figura 9 Funcionamiento del embalse Figure 9 Reservoir operation 12 AGROCIENCIA VOLUMEN 35 N MERO 1 ENERO FEBRERO 2001 agricultura aproximadamente 280 ha con cultivo de to mate 110 ha aguacate 75 ha papaya 63 ha y forraje 30 ha Es importante mencionar que para aplicar cada uno de estos m todos utilizados en este trabajo se requiere que el profesional tenga experiencia y sobre todo cono cimiento de la zona en estudio Finalmente se recomien da instrumentar la cuenca con una estaci n de aforo con limn grafo y continuar registrando la informaci n clima tol gica dentro de la cuenca CONCLUSIONES Es factible seleccionar una metodolog a que permita a partir del an lisis de la informaci n climatol gica esti mar el potencial hidr ulico en cuencas peque as que no cuentan con informaci n hidrom trica y de consumo de agua de los cultivos con la finalidad de dise ar obras de riego en la zona andina del Ecuador En la estimaci n de los vol menes de escurrimiento el m todo que produjo los mejores resultados fue el de los coeficientes de escu rrimiento El m todo de Penman Monteith y el m todo basado en la evaporaci n del tanque proporcionaron re sultados similares
19. he CROPWAT computer program which determines crop water requirements Once water availability for irrigation and crop demand were estimated a balance was carried out to determine the area to be benefited with irrigation Demand and contributing mass curves were then built They allowed to determine the required reservoir volume which was adjusted by simulating reservoir functioning REsULTS Water availability estimation The applied regression model between average monthly rainfall Y and topographic height X of neighbor and within basin stations was Meses Variable Anual E F M A M J J A S O N D Pp 84 7 104 4 114 9 84 7 51 5 55 7 53 2 46 7 48 7 69 1 57 6 71 7 842 9 PE 324 3 335 9 378 7 214 9 253 7 249 3 255 5 239 8 237 4 294 2 256 5 298 0 3438 3 IH 349 8 364 7 412 3 334 9 267 0 260 7 268 3 250 1 246 3 313 6 269 3 318 1 3665 1 CE 312 2 383 0 411 0 300 8 184 6 205 0 193 8 168 3 175 5 248 9 209 1 257 2 3049 4 P50 256 7 359 7 395 4 293 1 170 4 161 1 169 5 131 7 148 1 242 3 176 4 230 1 2734 5 Pp Precipitaci n media mensual ponderada mm Estaci n base La Argelia PE Vol menes escurridos obtenidos por el m todo del polinomio ecol gico Dm IH Vol menes escurridos obtenidos por el m todo del INERHI Dm CE Vol menes escurridos obtenidos por el m todo de los coeficientes de escurrimiento Dm y P50 Valores esperados a 50 de probabilidad log normal 3 par metros Pp Weighted average monthly rainfall mm
20. iar Cuadro 6 Con el rea a sembrar de cada cultivo y los requeri mientos de riego calculados Cuadro 5 se determinaron los vol menes de demanda de riego mensual Con los valores de los vol menes mensuales disponibles para rie go y los de demanda por parte de los cultivos se constru yeron las curvas masa y finalmente de determin la ca pacidad til del embalse Cuadro 7 Figuras 8 y 9 De acuerdo con la Figura 8 y el Cuadro 7 la diferen cia m xima es CI 801 6 Dm que a su vez se considera como el volumen inicial til Este volumen luego de apli cado el m todo del Modelo de Simulaci n del funciona miento del vaso Figura 9 fue ajustado a 950 Dm DISCUSI N Las cuencas agr colas del Ecuador como en muchos otros pa ses en v as de desarrollo no cuentan en general con informaci n hidrom trica apenas se dispone de in formaci n pluviom trica que en algunos casos es incon sistente y poco confiable En los pa ses que cuentan con tecnolog a avanzada se est desarrollando modelos hidrol gicos obviamente respaldados con una buena informaci n de base As sur gen numerosos modelos emp ricos y de simulaci n para estimar por ejemplo m ximas crecidas que se pueden adaptar alas condiciones de los pa ses en desarrollo pre via calibraci n pero que requieren de abundante infor maci n hidrom trica hist rica En los pa ses desarrolla dos se han preocupado adem s de conocer y controlar Cuadro 6
21. idos Esta investigaci n estuvo orientada a seleccionar y adaptar metodolog as sencillas provenientes de diversas fuentes de informaci n para auxiliar a los t cnicos de campo en la estimaci n del potencial hidr ulico con fi nes de riego en peque as cuencas que no cuentan con informaci n hidrom trica y de consumo de agua de los cultivos como es la Zona Andina del Ecuador Por otra parte para dise ar obras de seguridad de la infraestruc tura hidr ulica se presentan m todos para estimar las ave nidas m ximas en sitios de inter s El estudio de caso se efectu en la microcuenca La Capilla ubicada en la provincia de Loja al sur del Ecuador La planificaci n de los recursos hidr ulicos Seg n la FAO 1992 las cuencas hidrogr ficas cons tituyen las unidades geogr ficas id neas para planificar el desarrollo socioecon mico de una regi n y el uso ra cional y sostenido de los recursos naturales b sicos sue lo agua y vegetaci n Dentro de ellas a medida que las presiones de desarrollo y la poblaci n aumentan la pla nificaci n de los recursos hidr ulicos con fines de riego se ha convertido en un campo de investigaci n impor tante Palacios 1989 se ala que esta planificaci n involucra un balance entre los vol menes de agua esti mados disponibles y los vol menes necesarios para sa tisfacer las demandas de los usuarios Springall 1990 manifiesta que como generalmente no existen estaciones de af
22. in the study area so it is necessary to estimate them using potential evapotranspiration or evapotranspiration from a reference crop Several empirical methods exist for this purpose The method proposed by Penman modified by Doorenbos and Pruitt 1977 which considers an energy balance is one of the most complete However under certain conditions it overestimates evapotranspiration thus FAO 1995 proposed the Penman Monteith method as a tool to estimate crop evapotranspiration in zones where temperature relative humidity wind velocity and hours of strong sunlight or cloudiness data are available Aguilar et al 1995 In addition there are several computer programs available to determine crop water demands using the Penman Monteith method The most popular method also recommended by FAO is CROPWAT which is useful for planning and managing irrigating systems FAO 1995 MATERIALS AND METHODS La Capilla river basin is located south of Ecuador approximately 20 Km southwest of the City of Loja capital city of the Province of Loja The total microbasin surface is 38 6 Km The total river length 1s 18 3 Km The Taylor and Schwarz formula estimated an average riverbed slope of 9 1 The basin topography is irregular with prevalence of prominent slopes 57 flat areas are scarce The average annual rainfall is 796 3 mm and the average temperature is 20 2 C Climatological information from a 27 year period 1964 to 1990
23. min la precipitaci n media mensual pon derada Pp para el rea de captaci n Cuadro 2 aplic n dose los m todos para estimar los vol menes escurridos Cuadro 2 Vol menes mensuales disponibles Dm Table 2 Available monthly volumes Dm Simultaneously in order to verify Equation 1 pluviometric information recorded from La Argelia Malacatos Gonzanam and Catamayo weather stations was analyzed This information was ordered in annual excess series Weibull s formula was used to calculate the return period SARH 1978 A simple regression model was fitted to data from each weather station to obtain an equation of the type HP y a y T 2 where Ap qis the average mean rainfall depth in mm corresponding to a d storm duration T is the return period in years Based on the previous information an isohyet map was constructed by visual interpolation and average maximum rainfall was determined for these conditions Once the design storm was defined the Triangular Unit Hydrograph proposed by the Bureau of Reclamation SARH 1978 and the Ven Te Chow empirical method Aparicio 1997 were applied Crop water requirements Average monthly rainfall was obtained based on the pluviometric gradient of the irrigation zone The base station was the Catamayo weather station Potential evapotranspiration was estimated using the Penman Monteith method The calculation process was simplified by t
24. ng potential evapotranspiration or a reference crop The study of runoff and crop water requirements in areas lacking climatological information is not very precise As a consequence hydraulic infrastructure has been designed 2 AGROCIENCIA VOLUMEN 35 N MERO 1 ENERO FEBRERO 2001 Las reas agr colas del Ecuador generalmente no dis ponen de informaci n sobre escorrent a la informaci n climatol gica se reduce a algunos registros de precipita ci n evaporaci n y temperatura De igual forma los re querimientos h dricos de los cultivos no han sido deter minados experimentalmente por lo cual es necesario estimarlos a trav s del concepto de evapotranspiraci n potencial o de un cultivo de referencia El estudio de la escorrent a y de los requerimientos h dricos de los culti vos en estas reas con poca informaci n es poco preciso lo que ha tra do como consecuencia que se hayan dise a do y construido obras de infraestructura hidr ulica con base en estimaciones incorrectas que han incidido en el incremento de los costos de los sistemas de riego Al res pecto Hendricks 1994 se ala que en la regi n andina ecuatoriana se han cometido errores t cnicos en el dise o de los sistemas de riego debido a la utilizaci n de m todos importados y obtenidos para otras condiciones naturales por lo que existe una impresi n generalizada de que varios sistemas de riego no han logrado alcanzar los objetivos para los que fueron conceb
25. noff coefficients criterion SARH 1978 b ecological polynomial G mez 1990 and c INERHI 1991 The three methods were applied in all the basin 36 8 Km to obtain a criterion to choose a planning method Later the best method was selected by comparing predicted and recorded values at the basin s outlet Finally runoff volumes calculated using the selected method were adjusted to a log normal distribution Expected volumes at 50 probability became useful monthly volumes Maximum flood discharge The methodology employed was an analysis of rainfalls linked to return periods since no hydrometric station was available in this case Pluviographic records from La Argelia station were used Pluviograph information was processed using well known techniques Springall 1990 consisting of grouping rainfall depths of different time lengths 5 10 15 20 25 30 60 and 120 minutes according to their return period calculated by the Weibull formula SARH 1978 Then by multiple correlation analysis the following type of expression was deduced hp y T d 09 where hp is the rainfall depth in mm Tis the return period in years d is the storm duration in minutes and y and f are parameters estimated by correlation analysis 6 AGROCIENCIA VOLUMEN 35 N MERO 1 ENERO FEBRERO 2001 finalmente se convirti en la tormenta de dise o a utilizar Una vez definida la tormenta de dise o se procedi a aplicar el m todo del
26. o Table 4 Design discharge hydrograph values Hietograma Hidrograma Incremento de tiempo Exceso de precipitaci n Gasto h mm m s 0 375 0 4 2 82 0 375 14 4 92 10 0 375 2 8 15 57 0 375 1 2 7 72 where hp is the rainfall depth in mm and dis the rainfall duration in minutes Concentration time estimation was t 1 455 h and design storm duration was rounded to 90 minutes Afterwards rainfall distribution was quantified using Equation 4 in four 22 5 minute intervals to obtain the design storm s hyetograph Table 3 Figure 5 Once the design storm was known the rainfall runoff relationship was defined allowing estimation of design maximum flood Excess rainfall for the whole duration of the rainfall period was determined by the rational formula using a runoff coefficient of C 0 6 Springall 1990 The infiltration index was estimated through a trial and error procedure in such a way that the sum of rainfall excesses in four intervals would turn out approximately equal to the previous rainfall excess The infiltration index turned out to be p 0 82 mm h The triangular unitary hydrograph method SARH 1978 was applied using triangle s peak time and discharge values of t 0 91 h and Q 6 38 h respectively where h is the rainfall excess and also using a base time two fold the triangle s peak time or Tb 1 83 h The results are shown on Table 4 and Figure 6 Figure 6 shows the four triangular components of the design flood
27. oro en cuencas peque as la estimaci n de los escurrimientos tiene que hacerse en la mayor a de los casos mediante m todos emp ricos los cuales utilizan solamente datos de precipitaci n Entre los procedimientos m s generalizados flexibles y f ciles and built based on incorrect estimations raising the cost of irrigation systems Hendricks 1994 has pointed out that in Ecuador s Andean region technical errors have been made when designing irrigation systems due to the use of imported methodologies designed for other natural conditions This is why there is a common conception that several irrigation systems have not been able to fulf111 the purpose they were conceived for The present work was oriented to select and adapt simple methods from different information sources to help field technicians to estimate potential water resources for irrigation in small basins like Ecuador s Andean Zone which lacks hydrometric and crop water consumption information Also methods to estimate maximum flood discharge in order to design safety structures for current hydraulic infraestructure are presented The case study was carried out in the microbasin La Capilla located in South Ecuador s Province of Loja Planning of water resources According to FAO 1992 hydrographic basins are ideal geographic units for planning aregion s social and economical development and the rational and sustained use of its basic natural resource
28. ould add a total of 280 ha to agricultural production in the zone tomato 110 ha avocado 75 ha papaya 63 ha and forage 30 ha GONZ LEZ GONZ LEZ etal APROVECHAMIENTO DE ESCURRIMIENTOS EN EL ECUADOR 11 Cuadro 7 Curvas masa de demandas CMD y de aportaciones CMA Dm Table 7 Demand DMC and contribution CMC mass curves Dm Meses M J J A S CMD 298 0 589 7 884 5 1051 9 1346 7 CMA 170 4 331 5 501 0 632 7 780 8 Diferencia 124 0 258 2 383 5 419 2 565 9 la calidad del agua que se utiliza no solo para usos do m sticos sino tambi n en la agricultura En pa ses en v as de desarrollo como el Ecuador la calidad de agua no es tan importante como lo es la canti dad m nima en poca de estiaje que justamente es cuan do m s agua necesitan los cultivos Se han desarrollado pocos modelos hidrol gicos para estimar vol menes de escurrimiento mensuales en cuencas agr colas peque as Cabe mencionar que los modelos analizados en esta in vestigaci n se han acoplado aceptablemente a las condi ciones de estudio pero ser a de suma importancia cali brar sus coeficientes para la regi n en estudio En lo que se refiere a los requerimientos h dricos de los cultivos instituciones como el Servicio de Conserva ci n de Suelos de los Estados Unidos la Organizaci n para la Agricultura y la Alimentaci n FAO y el Colegio de Postgraduados de M xico entre otras se han preocu pado por desarrollar tales modelos a pa
29. rtir del concepto de evapotranspiraci n potencial Al respecto los princi pales problemas que se tienen se deben a la escasa infor maci n de buena calidad disponible Los resultados indican que con el almacenamiento de los escurrimientos mensuales se puede incorporar a la 3000 E Aportaciones 2500 Demandas 2000 1500 Volumen Dm 1000 500 MJIJASONDEF MA Mes Figura Curvas masa de aportaciones y demandas Figure 8 Demand and contribution mass curves N D E F M A 1641 6 1936 4 2231 2 2476 0 2476 0 2476 0 2713 7 1023 1 1199 5 1429 6 1686 3 2046 0 2441 4 2734 5 618 5 736 9 801 6 739 7 430 0 34 6 20 8 In order to apply the methods used in this research it is necessary to have experience and above all knowledge of the study area It is recommended to install a discharge measurement station in the basin with a water level recording device and to keep gathering climatic information within the basin CONCLUSIONS It is feasible to select an appropriate methodology using climatic information analysis for estimating irrigation possibilities in small basins that have no hydrometric and crop water consumption information to develop irrigation infrastructure in Ecuador s Andean zone The runoff coefficients method provided the best estimate of runoff volume The Penman Monteith and the tank evaporation methods were similar in estimating crop water requirements The methods used to estimate maximum
30. s soil water and vegetation Within these basins as development and population pressures increase planning of water resources for irrigation purposes has become an important field of study Palacios 1989 pointed out that planning involves a balance between available and necessary water volumes to satisfy users demands Springall 1990 indicates that since there are usually no water measurement stations in small basins runoff estimation has to be made mostly through empirical methods which use only rainfall data Among the procedures most generally accepted flexible and easy to adapt stand out the Runoff Coefficients SARH 1978 the Ecological Polynomial G mez 1990 and the INERHI 1991 methods Rainfall analysis is extremely important when there are no stream discharge measurements to be analyzed Rainfall record analysis to estimate the design maximum flood discharge for a hydraulic structure is done by characterizing storms in terms of their return period SARH 1978 Although several methods are currently available for estimating maximum flood discharge none has been adopted unanimously which in turn emphasizes the importance and complexity of the hydrological problem involved in estimating a flood discharge Then it is necessary to study this problem using different methods so one may have at hand a series of results that could be used to accurately define the magnitude of the estimated flood discharge within a sele
31. t is incomplete and unreliable Developed countries are creating new hydrological models backed up by good quality and reliable information Hence empirical and simulation models are produced in developed countries to estimate for example maximum flood discharge This models could be adapted with proper calibration to Third World countries However this requires large records of historic hydrometric information Furthermore developed countries have taken to the task of knowing and controlling water quality not only for domestic uses but also for agricultural ones In developing countries like Ecuador water quality is not as important as water quantity particularly in the dry season when crops need more water Almost no hydrological models have been developed to estimate monthly runoff volumes in small agricultural basins Models analyzed in this research fitted research conditions acceptably but it would be extremely important to calibrate model coefficients to the study area As far as crop water requirements go institutions like the Soil Conservation Service in the United States the Food and Agriculture Organization FAO and the Colegio de Postgraduados in Mexico among others have made efforts to develop such hydrological models for small basins starting from potential evapotranspiration The main problems about these models are the scarce availability of good quality data The results of this study show that runoff storage w
32. thods The design storm was selected after performing a rainfall intensity depth return period duration and frequency analysis Rainfall excess was determined by subtracting infiltration losses then maximum flood discharge was calculated Finally reservoir capacity needed to satisfy water requirements of crops was obtained by simulation of reservoir operation The methodologies used supported by computer programs are useful tools that help the decision making process done by officials responsible for planning water resources use for small watersheds in this area of Ecuador Key words Maximum flood discharge small watersheds water consumption by crops hydrology computer programs INTRODUCTION opulation growth and the need to improve people s quality of life demand greater food production in several areas ofthe world such as in Latin America Frequently water more than soil is the restricting natural element for agricultural production this is why it is necessary to effectively plan water use Aside of financing problems the most common problem in agriculture is the lack of information about water resources availability and demand Ecuador s agricultural zones usually do not have information available about runoff Climatological information consists of only a few rainfall evaporation and temperature data Similarly crop water requirements have not been experimentally determined and it is necessary to estimate them usi
33. tisfacer la demanda de los cultivos mediante simulaci n de la operaci n del almacenamiento Se concluy que las metodolog as aplicadas apoyadas en programas de c mputo son herramientas tiles para auxiliar en la toma de decisiones a los responsables de la planificaci n de los recursos hidr ulicos en esta zona del Ecuador Palabras clave Avenida m xima cuencas peque as demandas h dricas de cultivos hidrolog a programas de c mputo INTRODUCCI N l crecimiento de la poblaci n as como la necesi dad de mejorar su nivel de vida demandan una mayor producci n de alimentos en varias partes del mundo principalmente en Am rica Latina Con fre cuencia el agua m s que el suelo es el elemento natural que restringe la producci n agr cola por lo que resulta imperativo hacer una planificaci n eficaz de su aprove chamiento Para hacer producir la tierra adem s de los problemas de financiamiento la dificultad m s com n es la falta de informaci n sobre la disponibilidad y de manda del recurso h drico Recibido Marzo 1998 Aprobado Agosto 2000 Publicado como ART CULO en Agrociencia 35 1 12 2001 ABSTRACT A case study for planning the use of water resources for irrigation was conducted at La Capilla basin located in South Ecuador s Province of Loja where no information is available on runoff and crop water consumption Monthly water availability and crop demand were estimated using indirect me
34. tres m todos se aplicaron en toda la cuenca 36 8 km Luego se eligi el m todo que present un comportamiento similar a los valores regis trados a la salida de la cuenca Finalmente los vol menes escurridos calculados por el m todo seleccionado fueron ajustados a una distri buci n log normal Los vol menes esperados a 50 de probabilidad se constituyeron en los vol menes aprovechables mensuales Avenida m xima de dise o En este caso al no disponerse de una estaci n hidrom trica la metodolog a empleada correspondi a un an lisis de lluvias ligadas a periodos de retorno Para esto se utilizaron los registros pluviogr ficos de la estaci n La Argelia La informaci n del pluvi grafo se proce s utilizando t cnicas conocidas Springall 1990 que consisten en Recopilaci n de la informaci n general cartogr fica hidrometeorol gica y de cultivos Estimaci n de las demandas de riego An lisis hidrol gico Estimaci n de variables climatol gicas ponderadas An lisis de informaci n pluviom trica y pluviogr fica Estimaci n de las caracter sticas fisiogr ficas de la cuenca Estimaci n de la precipitaci n media mensual ponderada Construcci n de curvas de intensidad altura duraci n y periodo de retorno Obtenci n de datos del patr n de cultivos Estimaci n de los vol menes mensuales de escurrimiento Estimaci n de la evapotranspiraci n potencial
35. was available from four weather stations surrounding the basin and it was gathered by the Instituto Nacional de Meteorolog a e Hidrolog a INAMHD and the Direcci n de Aviaci n Civil del Ecuador DAC Two year data on rainfall evaporation and river flow in the basin were also available UNL 1993 The crop pattern was taken from the Plan Integral de Desarrollo de los Recursos H dricos para la Provincia de Loja done by the OEA 1994 in coordination with other Ecuadorian institutions in 1992 Table 1 The methodology applied in this research is summarized in Figure 1 Water availability for irrigation Physical characteristics of the watershed contributing area were determined initially the surface is approximately 2100 ha the river flow length is 7880 m and the average slope obtained using Taylor and Schwarz formula is 10 9 Next information from neighbor weather stations was used to estimate weighted average monthly rainfall for the watershed contributing area This estimate was based on the rainfall gradient from four weather stations surrounding the watershed area and three stations installed within the basin La Argelia weather 4 AGROCIENCIA VOLUMEN 35 N MERO 1 ENERO FEBRERO 2001 Se dispuso de informaci n climatol gica de cuatro estaciones que rodean la cuenca para un periodo de 27 a os 1964 a 1990 obtenida del Instituto Nacional de Meteorolog a e Hidrolog a INAMHI y de la Direcci n de Aviaci n Civil
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