ARTÍCULO ORIGINAL

Determinación de la eficiencia hídrica y energética en el riego localizado, bajo condiciones protegidas

Dr.C. Norge Tornés Olivera^{I  *} 

MSc. Yarisbel Gómez Masjuan^I 

Ing. Eduart Myor Robles^I 

Dr.C Oscar Brown Manrique^II 

^I Universidad de Granma (UDG), Facultad de Ciencias Técnicas, Bayamo, Granma, Cuba.

^II Universidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez (UNICA), Centro de Estudios Hidrotécnicos (CEH), Ciego de Ávila, Cuba.

RESUMEN

La investigación se desarrolló en la UEB de Cultivos Protegidos y Semiprotegido perteneciente a la Empresa Agropecuaria Paquito Rosales Benítez ubicada en el poblado de Veguitas, municipio Yara, provincia Granma, con el objetivo de determinar la eficiencia hídrica y energética del riego localizado en condiciones de casas de cultivos protegidos. Para el cálculo de los distintos indicadores se seleccionaron dos casas de cultivo, una sembrada de pepino (Casa 1) y otra de pimiento (Casa 2). La evaluación del riego localizado se realizó siguiendo la metodología de la Sociedad Americana de Ingenieros Agrícolas de Estados Unidos, a través de sus estándares ASAE EP-438. Los parámetros de calidad del riego y de caracterización hidráulica del sistema, confirmaron el buen funcionamiento del mismo. El costo de la energía fue de 210.00 CUP ha ^-1 para el pepino y de 378.00 CUP ha ^-1 para el pimiento; mientras que el costo de la energía para producir una tonelada fue de 4.69 CUP t ^-1 para el pepino y de 10.46 CUP t ^-1 para el pimiento. En cultivo de pepino la productividad del agua (40,7 kg m ^-3 ) fue mayor que en el pimiento (17,91 kg m ^-3 ). La productividad del agua en términos monetarios resultó ser de 129.83 CUP m ^-3 y 81.14 CUP m ^-3 para los cultivos de pepino y pimiento respectivamente.

Palabras clave: diagrama de operación; energía; productividad del agua

INTRODUCCIÓN

Según Laura y López (2017) el interés del riego por goteo, se debe a que aumenta la eficiencia en el uso del agua y reduce los costos de operación. Este método de riego constituye una mejora en la aplicación del agua a la planta. Como toda innovación requiere de un manejo adecuado que garantice el retorno de la inversión, por tanto, es conveniente evaluar una instalación para comprobar los criterios de diseño y monitoreo de obturación en emisores mediante pruebas de evaluación de uniformidad.

Por otra parte ^{Tarjuelo et al. (2015)} y ^{Stambouli et al. (2014)} consideran que es importante no sólo llevar a cabo una rutina de evaluación para determinar la eficiencia energética de un sistema de riego, sino también ayudar en el proceso de toma decisiones considerando las mejoras en el sistema de distribución de agua, para optimizar el consumo de energía y la planificación económica.

En el futuro cercano debido a las limitaciones de agua y energía, los cotos de producción aumentarán en las áreas agrícolas (Brenon et al., 2018) por lo que habrá la necesidad de explorar nuevas tecnologías y metodologías para manejo de sistemas de riego.

Con la realización de estudios de hidroeficiencia en instalaciones de riego, es posible la comprobación del funcionamiento de los equipos de bombeo, la identificación de deficiencias y proponer las correspondientes mejoras, viables desde un punto de vista económico (^{Ríos et al., 2016}). Este trabajo tuvo como objetivo determinar la eficiencia hídrica y energética del riego localizado en la producción de pepino y pimiento en condiciones de casas de cultivos protegidos.

MÉTODOS

Localización del ensayo experimental

La investigación se desarrolló en la Unidad Empresarial de Base Cultivos Protegidos y Semiprotegidos perteneciente a la Empresa Agropecuaria Paquito Rosales Benítez de Veguitas, municipio Yara, provincia Granma.

Metodología de campo

Para el cálculo de los distintos indicadores se seleccionaron dos casas de cultivo, una sembrada de pepino (Cucumis sativus L. híbrido HS-008) (Casa 1) y otra de pimiento (Capsicum annuum híbrido LDPS) (Casa 2). Cada casa tenía un área productiva de 0,0540 ha. La siembra del cultivo del pepino fue el 17 de enero de 2018 y tuvo un ciclo 70 días $.$ La siembra del cultivo del pimiento fue 20 de noviembre de 2017 y tuvo un ciclo 126 días. El total de líneas laterales por casa fue 12, con una longitud de 45 m y 100 goteros por línea. Se aplicó un riego diario durante 15 min.

La evaluación del riego localizado se realizó siguiendo la metodología de la Sociedad Americana de Ingenieros Agrícolas de Estados Unidos, a través de sus estándares ^{ASAE EP-438 (1998)}. Para el cálculo de las presiones se utilizó un manómetro modelo EN837-1. La medición del caudal de los emisores se realizó mediante aforo volumétrico. También se realizaron mediciones eléctricas en el motor con Pinza Amperométrica Digital UT-232.

Las características de la electrobomba se describen en la tabla(1) siguiente:

TABLA 1 Características de la electrobomba 

Bomba	$Pe \left(kW\right)$	$Pf \left(kW\right)$	$PMan\left(kW\right)$	Q( $L S^{-1}$ )
Sumergible T.4-33	6,50	5,53	4,85	10

Nota: Pe significa potencia eléctrica; Pf potencia de la flecha; PeMan potencia manométrica; Q caudal de entrega.

Cálculo de los parámetros de calidad del riego

La evaluación de los parámetros de calidad del riego se realizó por la metodología propuesta por la ^{ASAE (1998)}. Se calcularon los indicadores siguientes:

$CU=\frac{H_{Lq}}{\overline{H}}100$ (1)

$U{D}_{Lq}=\frac{H_{Lq}}{\overline{H}}100$ (2)

$UE=1-\left(\frac{\mathrm{1,27}\text{*}CV}{e}\right)\text{*}\left(\frac{H_{Lq}}{\overline{H}}\right)\text{*}100$ (3)

$U_{sh}=\left(1-C{V}_{qh}\right)100$ (4)

$US=\left(1-CV\right)100$ (5)

donde:

CU	es el coeficiente de uniformidad, %;
H Lq	la media del cuarto menos regado, cm ^-3 ;
$\overline{H}$	la media de todos los volúmenes aplicados, cm ^-3 ;
UD Lq	la uniformidad de distribución, %;
UE	la uniformidad de emisión absoluta, %;
CV	el coeficiente de variación debido a los caudales, %;
U sh	la uniformidad estadística debido a la hidráulica, %;
$C{V}_{qh}=\frac{S_h}{\overline{h}}$	el coeficiente de variación de descarga del emisor debido a la hidráulica;
S h	la desviación estándar de la carga de presión m.c.a y $\overline{h}$ la media de la carga de presión, m.c.a;
US	la uniformidad estadística, %.

Evaluación y mejora del riego

La dosis neta de riego (Dn=1L planta ^-1 ), se obtuvo del ^{Manual Técnico de Organopónicos y Huertos Intensivos (2007)}. Para el cálculo de dosis total (Dt=Dn/0,9 L planta ^-1 ) se consideró una eficiencia del 90%.

Para el ajuste de la función de distribución normal a los datos de campo se calculó el volumen de riego relativo (Hr) dividiendo cada lámina aplicada (Hi) entre $\overline{H}$ y se asumió que cada medición representa equitativamente el área de riego, obteniendo así la fracción del área regada (f) mediante la división de cada área (Ai) por el área total (At). Para comprobar si los datos podían modelarse adecuadamente con una distribución normal, se realizó la Prueba de Normalidad usando el Estadístico (W) de Shapiro-Wilk y para determinar si era razonable que los datos provenían de la distribución ajustada se realizó la Prueba de Kolmogorov-Smirnov. El paquete estadístico utilizado fue el Statgraphics 18 centurion.

Para elaborar el diagrama de operación del riego en función de la distribución normal, se utilizaron cuatro variables, una independiente, (Hr) , y tres dependientes, (f), la eficiencia de aplicación (EA) y el coeficiente de déficit (Cd).

Para el cálculo de EA se utilizó la expresión siguiente:

$EA=1+Xf\left(\frac{U{D}_{Lq}-1}{\mathrm{1,27}}\right)-\left(\frac{U{D}_{Lq}-1}{\mathrm{1,27}}\right)\frac{1}{\sqrt{2\pi }}{e}^{-\frac{x^2}{2}}$ (6)

donde: $X=\frac{H-\overline{H}}{S}$ variable tipificada; S es la desviación estándar de los volúmenes aplicados, cm ³ .

Para el cálculo de Cd se utilizó la expresión siguiente:

$cd=1-\frac{EA }{H_r}$ (7)

Cálculo de los indicadores de consumo energético

El cálculo de los indicadores de consumo energético se realizó según metodología propuesta por ^{López et al. (2012)}:

$EB=PMan{t}_r$ (8)

$PMan=\frac{\gamma Qg{H}_{man}}{1000}$ (9)

${\text{EC}}_{\text{c}}={\text{EB C}}_c$ (10)

$E{C}_{ha}=\frac{E{C}_c}{A}$ (11)

${\text{EC}}_{{\text{m}}^3}=\frac{{\text{EC}}_{\text{c}} }{{\text{V}}_{\text{a}}}$ (12)

donde:

EB	es la energía de bombeo, kWh;
PMan	la potencia manométrica, kW;
γ	la masa específica del agua, kg m ^-3 ;
Q	el caudal de entrega de la bomba, m ^3 s ^-1 ;
g	la aceleración de la gravedad, m s ^-2 ;
Hman	la carga dinámica total de bombeo, m.c.a; tr el tiempo de riego, h;
ECc	la energía consumida en el ciclo del cultivo, kWh; Cc el ciclo del cultivo, d ;
EC ha	la energía consumida por hectárea, kWh ha ^-1 ;
A	el área cultivada, ha; EC m ^3 la energía consumida por metro cubico, kWh m ^-3 .

Cálculo de los indicadores de productividad y uso eficiente del agua

El cálculo de los indicadores de productividad y uso eficiente del agua se realizó siguiendo la metodología propuesta por ^{Salazar et al. (2014)}:

$RR=\frac{P}{A}$ (13)

$PAR=\frac{P}{V_a}$ (14)

$EUA=\frac{V_a}{P}$ (15)

donde:

R	es el rendimiento agrícola, t ha ^-1 ;
P	producción agrícola, t;
PAR	productividad del agua de riego, kg m ^-3 ;
Va	el volumen de agua aplicado, m ^3 ;
EUA	la eficiencia en el uso del agua, m ^3 t ^-1 .

Cálculo de los indicadores económico

El cálculo de los indicadores económico se realizó mediante las fórmulas siguientes:

$C{E}_{ha}=E{C}_{ha}{P}_e$ (16)

$C{E}_{m^3}=E{C}_{m^3}{P}_e$ (17)

$C{E}_t=\frac{E{C}_c}{P}{P}_e$ (18)

$C{A}_t=\frac{V_a}{P}{P}_a$ (19)

$PA=\frac{I}{V_a}$ (20)

donde:

CE ha	es el costo de la energía por hectárea, CUP ha ^-1 ;
Pe	el precio de la energía ( 0. 027 CUP kWh ^-1 );
CE m ^3	el costo específico por metro cubico de agua, CUP m ^-3 ;
EC t	el costo de la energía por tonelada, CUP t ^-1 ;
CA t	el costo del agua por tonelada, CUP t ^-1 ;
P a	el precio del agua ( 0.025 CUP m ^-3 );
PA	la productividad del agua, CUP m ^-3 ; $I$ los ingresos, CUP.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Análisis de los parámetros de calidad del riego

El CU alcanzó valores de 90% y 81% para las casas 1 y 2 respectivamente (Tabla 2). El valor promedio fue de 85%, por lo que el grado de aceptabilidad es bueno según el criterio de ^{Rodrigo et al. (1992)} y Álvaro (2014).

TABLA 2 Valores del coeficiente de uniformidad, variación de flujo del emisor y uniformidad de distribución 

Descripción	$CU\left(\%\right)$	$U{D}_{qL}\left(\%\right)$	$UE\left(\%\right)$	$U_{sh}\left(\%\right)$	$Us\left(\%\right)$
Casa 1	90	84,90	74,48	87,32	87,04
Casa 2	81	92,64	73,82	84,31	79,74
Promedio	85	88,77	74,15	85,815	83,39

El CU es tanto una medida de la uniformidad del riego, como un indicador del estado técnico del sistema. Un valor bajo del CU puede ser motivado por alguna causa de obturación, ya sea física, química o biológica y en tales casos

será necesario realizar tratamientos preventivos o de limpieza, los valores obtenidos no reflejan que existan estas deficiencias, lo cual se debe, a que se cumplen con los tratamientos preventivos.

La uniformidad de distribución UD _Lq tuvo mejor comportamiento en la Casa 2 (92,64%) comparado con el valor obtenido en la Casa 1 (84,90%), lo cual se debe a que la lámina media del cuarto menos regado, fue menor en la Casa 2. Hay que destacar que valores elevados de uniformidad no implican, necesariamente, un buen manejo del riego. Un valor elevado de uniformidad puede, bajo ciertas circunstancias, estar asociado con un riego insatisfactorio.

Los valores de la UE, U _sh y Us obtenidos en la Casa 1 superaron a los de la Casa 2 (Tabla 2). Las menores diferencias (3,01%) se observaron en U _sh , esto se debe a que las presiones son menos variables que los caudales, razón por la cual, la diferencia de Us fue de 7,3%. El valor intermedio correspondió a UE (4,66%) lo cual se justifica porque el producto de los factores de este indicador, tiene en cuenta la variabilidad debido a la fabricación del emisor y los cambios de presión del sistema (^{Turégano, 2014}). De acuerdo con el criterio de ^{Carmenates et al. (2014)} la aceptabilidad del método sería regular, ya que la uniformidad de emisión no supera el 75%.

Análisis de la evaluación y mejora del riego

A partir de la construcción de la curva de distribución adimensional normalizada, se pueden identificar un grupo de parámetros importantes en riego (Figura 1). La curva de esta función tiene generalmente forme de S y, en la medida que mejora la uniformidad, se hace más horizontal. En este caso la curva no tiene una forma de S, lo cual se debe a la característica del riego localizado de presentar elevados valores de uniformidad, CU promedio 85%; UD _Lq promedio 88,77%.

FIGURA 1 Ajuste de la función de distribución normal a los datos de campo. 

En esta evaluación se comprobó que aplicando una dosis neta de1 L planta ^-1 , se garantizó que el 64% del área menos regada recibiera esa dosis. Debe señalarse que este resultado es muy difícil de lograr en los métodos de riego superficial y aspersión debido, fundamentalmente, a los problemas de uniformidad.

Las alturas medias descargadas fueron similares 1,17 y 1,19 L planta ^-1 para las casas 1 y 2 respectivamente. Se aplicó 17% y 19% más de agua al comparar alturas medias descargadas en ambas casas con la dosis neta. Al analizar la dosis total, el resultado mostró igual tendencia 30% y 32% de incremento con relación a la dosis neta para las casas 1 y 2 respectivamente.

El diagrama de operación de riego (Figura 2), relaciona el resultado independiente de cada volumen de riego relativo, H _r , con los parámetros dependientes de su aplicación. Aunque se pueden considerar un número mayor de variables, solo se analizaron tres, para facilitar las tendencias contrapuestas de aplicación.

Así valores altos de eficiencia de aplicación, EA, se corresponden con fracciones de área adecuadamente regadas, f, pequeñas. De particular interés resultó la relación entre H _r y el Cd. Ambos valores muestran tendencias similares de aumento o disminución en función de H _r ; sin embargo esto en la práctica es un problema, considerando que aumentar la EA, significa aumentar zonas con déficits de agua en el campo y en consecuencia afectación al rendimiento del cultivo. El mismo resultado se obtiene si se incrementa el Cd para aumentar la EA.

Un ejemplo de aplicación del diagrama utilizando los resultados de la Casa1 es el siguiente: si se considera no tener déficits durante el riego, sería necesario aplicar 1,06 veces la altura media descargada o dosis media 1,30 L planta ^-1 (Figura 1) y se conseguiría más del 80% del área adecuadamente regada o regada en exceso; si se considera lograr una eficiencia del 100%, sería necesario aplicar 0,96 veces la altura media descargada o dosis media 1,30 L planta ^-1 (Figura 1) y se conseguiría regar adecuadamente 50% del área .

FIGURA 2 Diagrama de operación del riego función de distribución normal. 

Análisis energético del riego

La $EB$ para un riego alcanzó un valor de 0,60 kWh para las casas 1 y 2 respectivamente (Tabla 3). Este resultado se justifica porque la bomba trabaja con las sumas de las cargas y los volúmenes de agua de ambas casas, los cuales son iguales, lográndose una distribución equitativa de la energía.

El indicador ECc mostró una diferencia de 33,6 kWh Cc ^-1 , lo anterior obedece a la diferencia de ciclo del cultivo (56 d). Un comportamiento similar se observó en EC _ha , el cual tuvo una diferencia de 622,22 kWh ha ^-1 por las mismas razones que ECc; el indicador EC _m3 presentó una diferencia de 0,02 kWh m ^-3 , dada por la variabilidad de descarga de los emisores (Tabla 3). Estos resultados son similares a los reportados por ^{Pérez et. al (2016)} y ^{Rocamora et. al (2006)} en auditorías realizadas a la Comunidades de Regantes en España.

TABLA 3 Valores de la energía consumida 

Descripción	$EB$ $\left(kWh\right)$	$E{C}_c$ $\left(kWh C_c{ }^{-1}\right)$	$E{C}_{ha}$ $\left(kWh h{a}^{-1}\right)$	$E{C}_{m^3}$ $\left(kWh m^{-3}\right)$
Casa 1	0,60	42,00	777,78	0,71
Casa 2	0,60	75,60	1400,00	0,69

Análisis de la productividad y uso eficiente del agua

El rendimiento obtenido en la Casa 1 fue 44,7 t ha ^-1 y en la Casa 2 de 36, 11 t ha ^-1 , con diferencia de 8,59 t ha ^-1 (Figura 3). Al analizar la PAR se observó que el cultivo (pepino) establecido en la Casa 1 fue más productivo que el establecido en la Casa 2 (pimiento) al superarlo en 22,79 kg m ^-3 . En el indicador EUA el comportamiento fue diferente, es decir, el pimiento superó las necesidades de agua en 31,25 m ³ t ^-1 (Figura 3); sin embargo al tratarse de eficiencia en el uso del agua, el pepino sigue con mejores resultados. Lo anterior permite asegurar, que para una situación de limitación del recurso hídrico, sería más conveniente sembrar pepino que pimiento, pues se garantiza mayor volumen de producción con menos agua. ^{Fernández (2006)} tuvo resultados distintos de los de esta investigación al reportar valores de 33,2 y 21,0 kg m ^-3 .de pepino y pimiento, respectivamente.

FIGURA 3 Valores del rendimiento e indicadores de uso del agua. 

Análisis económico del riego

El CE _ha varió entre 210.00 CUP ha ^-1 (pepino) y 378.00 CUP ha ^-1 (pimiento) (Tabla 4). Este resultado se justifica por la diferencia del ciclo de cultivo, explicado anteriormente. El $$ CE _m ³ tiene correspondencia con EC _m3 (indicador explicado en la Tabla 2), por tanto presenta una diferencia de 0.01 CUP m ^-3 .

TABLA 4 Valores de los indicadores económico 

Descripción	$C{E}_{ha}$ $CUP h{a}^{-1}$	$C{E}_{m^3}$ $CUP m^{-3}$	$CE{ }_t$ $CUP t^{-1}$	$C{A}_t$ $CUP t^{-1}$	$PA$ $CUP m^{-3}$
Pepino	210,00	0,19	4,69	0,61	129,83
Pimiento	378,00	0,18	10,46	1,39	81,14

Para producir una tonelada de pepino se gastó por concepto de energía 4.69 CUP, mientras que para el pimiento se gastó 10.46 CUP t ^-1 . Con relación al costo del agua para producir una tonelada de pepino solo se requieren 0.61CUP y para el pimiento 0.39 CUP t ^-1 , estos valores son bajos por el precio del agua en Cuba.

La productividad del agua demostró que el cultivo del pepino produjo 129.83 CUP m ^-3 , mientras que el cultivo de pimiento 81.14 CUP m ^-3 . Debe señalarse que el cultivo del pepino tuvo mayores rendimientos y mejores precios.

CONCLUSIONES

Los parámetros de calidad del riego y de caracterización hidráulica del sistema, confirmaron el buen funcionamiento del mismo.

El costo de la energía fue de 210.00 CUP ha ^-1 para el pepino y de 378.00 CUP ha ^-1 para el pimiento; mientras que el costo de la energía para producir una tonelada fue de 4.69 CUP t ^-1 para el pepino y de 10.46 CUP t ^-1 para el pepino.

En cultivo de pepino (40,7 kg m ^-3 ) garantizó mayores volúmenes de producción que el pimiento (17,91 kg m ^-3 ) para igual consumo de agua.

La productividad del agua en términos monetarios resultó ser de 129.83 CUP m ^-3 y 81.14 CUP m ^-3 para los cultivos de pepino y pimiento respectivamente.

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Recibido: 25 de Enero de 2019; Aprobado: 19 de Diciembre de 2019

^*Author for correspondence: Norge Tornés Olivera, e-mail: [e-mail]