Efectos de la aplicación de coberturas de sombreo suspendidas sobre balsas de riego

Laburpena

En las últimas décadas la escasez de agua para riego ha aumentado en las regiones áridas y semiáridas. Así ocurre en la Cuenca del Segura (sureste de España), donde el incremento de la demanda agrícola ha ejercido una fuerte presión sobre los recursos hídricos, alcanzando un déficit estructural de 460 hm3 que afecta a 2,7¿105 ha de regadío (CHS, 2007). Con el objetivo de mejorar la eficiencia y la productividad del uso del agua en la agricultura de esta cuenca, los sistemas tradicionales de riego por gravedad se han transformado masivamente en sistemas de riego localizado. Actualmente, aproximadamente el 80% de la superficie regada en la cuenca (204.000 ha) se destina a riego localizado por goteo. La distribución de las dotaciones de riego en la Cuenca del Segura se organiza generalmente mediante turnos, existiendo la problemática de ajustar el momento en que las reciben los regantes con la demanda de los cultivos. Por esta circunstancia muchos agricultores requieren la construcción de pequeñas balsas de riego con el fin de almacenar el agua y garantizar el suministro a los cultivos. Sin embargo, estos almacenamientos de agua presentan dos inconvenientes muy importantes que deben ser tenidos en cuenta: 1- Experimentan importantes pérdidas de agua por evaporación en climas áridos y semiáridos. En la Cuenca del Segura existen mas de 14.000 balsas de riego, que ocupan aproximadamente el 1,81% de la superficie regada y donde se producen unas pérdidas anuales por evaporación superiores a los 58 hm3, cifra que equivale al 8,3% del agua distribuida para riego (Martínez-Alvarez et al., 2008). 2- Presentan frecuentes crecimientos de algas como consecuencia de la elevada carga de nutrientes en el agua de riego, sobre todo si es de origen subterráneo, y de las favorables condiciones climáticas. El desarrollo de estas algas incrementa la concentración de sólidos en suspensión y produce importantes problemas en los sistemas de riego localizado, sobre todo por obturación en los emisores, repercutiendo en gran medida a la uniformidad de aplicación del agua (Bucks y Nakayama, 1991; Brainwood et al., 2004). Actualmente existen nuevas tecnologías con elevado potencial para reducir la evaporación en balsas de riego (Craig et al., 2005). Resulta especialmente interesante la aplicación de Coberturas de Sombreo Suspendidas (CSSs). La aplicación de CSSs consiste en la instalación de una estructura reticular ligera sobre la balsa, fabricada mediante un doble entramado de cables de acero o plástico, los cuales se apoyan en el murete perimetral de la balsa o en postes de acero galvanizado anclados a zapatas o ¿muertos¿ de hormigón. Este doble entramado de cables sustenta una cobertura de polietileno y evita la succión del viento. La porosidad al aire y a la lluvia del material de cobertura es un requisito fundamental para evitar sobreesfuerzos estructurales. Las CSSs permiten alcanzar factores anuales de reducción de la evaporación superiores al 80% y son, desde un punto de vista técnico, la opción más adecuada para reducir las pérdidas de agua por evaporación en balsas de riego de la Cuenca del Segura (Gallego-Elvira et al., 2010). Un posible beneficio adicional de estas coberturas (Finn y Barne, 2007) es la mejora de la calidad del agua al reducir: (i) el crecimiento normal de algas como consecuencia de la reducción de los niveles de radiación solar en la balsa, (ii) la entrada de suciedad y otras partículas arrastradas por el viento, y (iii) la salinidad del agua almacenada. La primera línea de actuación de la tesis pretende evaluar el efecto de la instalación de las CSSs en la calidad del agua. Para ello se monitorizó una balsa de riego ubicada en la Estación Experimental de Investigación Agroalimentaria ¿Tomás Ferro¿ de la Universidad Politécnica de Cartagena (La Palma, Murcia). La balsa de riego, cuyas dimensiones son características de la zona de estudio, cuenta con una superficie de 2.400 m2 y una profundidad de 5 m, resultando en una capacidad de almacenamiento en torno a 9.790 m3. La balsa está impermeabilizada mediante una geomembrana para prevenir las pérdidas de agua por infiltración. El experimento se inició en abril de 2007 y se llevó a cabo durante dos años consecutivos, finalizando en abril de 2009. El primer año de experimentación la balsa permaneció descubierta, mientras que durante el segundo año se instaló una CSS de doble rafia de polietileno negro. Al inicio del ensayo, la balsa se llenó con agua de distinta procedencia, que se mezcló para obtener una conductividad eléctrica de 2 mS cm-1. Durante el periodo de experimentación la balsa no se usó para la regulación de riego, aunque se produjeron dos rellenos parciales. El primero, equivalente al 10,4% del volumen de almacenamiento de la balsa, se efectuó en septiembre de 2007 para compensar la evaporación estival. El segundo, equivalente al 3,8% de dicho volumen ocurrió en marzo de 2008, antes de la instalación de la CSS. Para analizar la calidad del agua, se evaluaron los siguientes parámetros del perfil en profundidad de la balsa: temperatura del agua, conductividad eléctrica, concentración de clorofila, turbidez y Oxígeno Disuelto (OD). Además se monitorizaron la tasa de evaporación, la precipitación, la velocidad del viento y la radiación solar en la balsa descubierta. Durante el segundo año de experimentación también se añadieron sensores para determinar la radiación solar y la velocidad del viento bajo la cobertura. Los principales resultados de este estudio indican que durante el primer año de experimentación la balsa se mantuvo en condiciones isotermas, apareciendo una fuerte estratificación térmica con la instalación de la CSS en marzo de 2008, que alcanzó un máximo de 12 ºC en verano. El balance positivo entre lluvia y evaporación durante el segundo año de experimentación provocó una reducción de la conductividad eléctrica del agua (aproximadamente del 10%) que es beneficiosa desde el punto de vista agronómico, especialmente cuando se riega con aguas de baja calidad (Parry et al., 2005). La instalación de la CSS produjo una fuerte reducción de los niveles de radiación solar transmitida al agua (99%) y, por tanto, de la actividad fotosintética. Como ejemplo, la concentración de clorofila en el agua, indicador habitualmente empleado para evaluar la concentración de algas, se redujo significativamente tras la instalación de la cobertura, llegando a 0,70 ¿g L-1 en el mes de julio. Además, la reducción de la velocidad del viento sobre la superficie del agua en la balsa (90%) limitó la difusión de oxígeno desde la atmósfera al agua (Gladyshev, 2002), circunstancia que, junto con la baja producción de oxígeno por la fotosíntesis y al consumo de oxígeno en la descomposición aerobia de la materia orgánica, redujo los niveles de OD hasta una situación de hipoxia (2 mg L-1). Este resultado es acorde con el publicado por Bonachela et al. (2007), donde también detectaron una reducción de la concentración de OD en balsas cubiertas suministradas con aguas tratadas de depuradora. Sin embargo, estos autores no identificaron reducciones en balsas cubiertas suministradas con aguas limpias, probablemente debido a (i) la baja concentración de nutrientes y carga microbiana, (ii) el deterioro de la cobertura que permitió la transmisión de la radiación solar y (iii) la alta frecuencia de regulación para riego. El OD es un parámetro de calidad del agua que puede llegar a representar un factor limitante en algunos sistemas de agricultura intensiva. Una baja concentración de OD en el agua de riego puede tener consecuencias críticas ya que su deficiencia en la raíz puede provocar reducciones de crecimiento, efectos negativos en el desarrollo e incremento de enfermedades (Bhattarai et al., 2005; Marfà et al., 2005). Morad (1995) estableció el umbral crítico de OD en el agua de riego en 3 mg L-1, aunque otros investigadores (Armstrong y Drew, 2002) indicaron que el umbral de concentración de OD debe seleccionarse con precaución debido a la continua variación que el OD experimenta en el suelo. Con el fin de evaluar la posible recuperación en la concentración de OD del agua almacenada en balsas cubiertas durante su tránsito por los sistemas de riego localizado, se realizó un estudio adicional sobre un sistema de riego localizado experimental. Este sistema estaba constituido por una bomba centrífuga que alimentaba cinco laterales de polietileno de 20 metros de longitud. Cuatro de ellos se destinaron a los tratamientos de baja concentración de OD mientras que el quinto fue el tratamiento control (agua saturada de OD). Dentro del grupo de los laterales destinados a agua con baja concentración de OD, tres de ellos se dotaron con emisores de riego localizado, mientras que el cuarto lateral se equipó con un inyector de aire tipo venturi. Se seleccionaron tres clases de emisores de riego localizado atendiendo a sus características hidráulicas y, por tanto, a la turbulencia de su flujo. De este modo, EM1 fue un emisor con laberinto insertado en la línea porta-goteros y caracterizado por su flujo turbulento, EM2 fue un emisor pinchado en la línea porta-goteros y caracterizado por un flujo turbulento intermedio y EM3 fue un microtubo caracterizado por su flujo cuasi-laminar. Después de pasar el agua a través de los emisores o del inyector de aire, ésta fluyó directamente al suelo. La concentración de OD se determinó mediante un oxímetro portátil en diferentes puntos de muestreo: (i) en la balsa de riego, (ii) después de la bomba, (iii) después de los emisores, (iv) después del inyector de aire venturi, (v) en el suelo 24 horas después del riego y (vi) en agua para el tratamiento control. El OD en el suelo se registró con cuatro muestreadores de agua subterráneos que se instalaron con el fin de succionar el agua del suelo a la profundidad de 0,40 m. Los resultados indican que el paso del agua por los emisores de riego y su posterior infiltración en el suelo fueron las etapas donde más oxigenación se produjo, siendo los emisores EM1 y EM2, caracterizados por su flujo más turbulento, los que mostraron mayores incrementos. Los niveles finales de OD en el suelo presentaron una correcta oxigenación del agua de riego, muy superior a los niveles críticos manifestados en la literatura (Marfà et al., 2005) y similares a los registrados en el tratamiento control. El aireador venturi aportó oxígeno al agua de riego, alcanzando concentraciones próximas a las del tratamiento control. La baja concentración de OD en el agua almacenada no parece ser una limitación para la instalación de las coberturas ya que se recuperan los niveles normales de OD en el tránsito por los sistemas de riego localizado y el suelo. El diseño del sistema de riego puede influir en la recuperación de los niveles de OD, siendo la elección del emisor el factor más importante. Bajo las condiciones de un riego en cultivo hidropónico, carente de emisores de riego, no existe la posibilidad de oxigenar el agua de riego. Se requiere, por tanto, la instalación de inyectores de aire tipo venturi que incrementen la concentración de OD en la solución de riego cuando éste se realiza con agua de baja concentración de OD. La segunda línea de actuación de la tesis es el estudio de los procesos de condensación sobre superficies. Los ensayos experimentales de distintos materiales de cobertura para balsas de riego, realizados a pequeña escala por Martínez-Alvarez et al. (2006), pusieron de manifiesto que una parte importante de la reducción de la evaporación estaba relacionada con los procesos nocturnos de condensación. Así, para el caso particular de la malla de doble rafia de polietileno negro, la condensación llegó a suponer el 20% de la reducción en la evaporación. Esta línea de actuación pretende analizar los factores físicos que condicionan la formación natural de la condensación de agua desde la atmósfera sobre superficies pasivas, como es el caso de las CSSs. Además, la recuperación de rocío en regiones áridas y semiáridas puede suponer una fuente alternativa de recursos hídricos no convencionales, por lo que el conocimiento de su potencial resulta de gran interés ya que podría ayudar a mitigar el impacto de eventos extremos como las sequías en estas regiones. Por tanto, el estudio que se recoge en esta tesis supone un punto de partida fundamental para la comprensión, análisis y futura modelización de los procesos de condensación de agua sobre CSSs. Se han desarrollado distintos métodos y equipamiento para medir y cuantificar la producción de condensación, destacando el uso de Condensadores Radiativos Pasivos (CRPs) (Beysens et al., 2005a), como la opción más prometedora desde el punto de vista técnico y científico, ya que permite usar diferentes films y tipologías estructurales. Los CRPs estándares consisten en una estructura de 1 m2 de superficie, inclinada 30º respecto al nivel del suelo, y revestidos con un film de un material altamente emisivo (normalmente polietileno de baja densidad). El estudio de la condensación se llevó a cabo mediante un diseño experimental consistente en dos CRPs, que se instalaron siguiendo las recomendaciones de la OPUR (International Organization for Dew Utilization) en la Estación Experimental de Investigación Agroalimentaria ¿Tomás Ferro¿. El primero de ellos se cubrió con un film blanco de polietileno de baja densidad, especialmente diseñado por la OPUR para la producción de condensación, mientras que el segundo se cubrió con un film negro de polietileno de baja densidad, usado habitualmente en agricultura para acolchados. Se determinaron mediante espectroscopía las propiedades ópticas de ambos films en la región espectral del infrarrojo medio (2,5 ¿ 25 ¿m) con el objetivo de determinar tanto su emisividad como la energía emitida, que son dos características fundamentales para el estudio de materiales utilizados en producción de agua de condensación. La condensación producida en los CRPs durante el periodo de observación (de mayo de 2009 a mayo de 2010) se recogió por gravedad en una canaleta, que la condujo hasta un recipiente donde se pesó a escala diaria mediante una balanza de precisión. El diseño experimental se completó con el registro de las principales variables meteorológicas, la radiación de onda larga y la temperatura de ambos films. La producción de condensación mostró una buena correlación con los valores nocturnos de humedad relativa, temperatura de rocío y radiación neta sobre los condensadores. Se desarrolló una relación empírica que explicó el 66% de la varianza total y que, por tanto, se considera adecuada para estimar la producción diaria de condensación. La producción de agua de los CRPs fue del orden de 20 mm anuales, cifra ligeramente superior a las producciones obtenidas en estudios previos en otras regiones mediterráneas (Muselli et al., 2002; Beysens et al., 2007; Muselli et al., 2009). Este resultado pone de manifiesto que los CRPs son una técnica adecuada para producir agua desde la atmósfera en regiones donde el acceso libre al agua y a la energía es extremadamente difícil y costoso. Los resultados también indican que el film negro presenta ciertas ventajas sobre el film blanco, como la mayor emisividad y energía emitida en el rango más bajo del infrarrojo medio (2,5 a 7 ¿m), circunstancia que le permitió obtener una mejor producción de condensación. El film negro también tuvo una mayor vida útil y un menor coste que el film blanco, por lo que se considera que resulta más adecuado para su uso a gran escala. Teniendo en cuenta que actualmente el umbral de precisión de los sensores de presión es aproximadamente ¿0,4 mm de columna de agua, resulta prácticamente imposible cuantificar la condensación de rocío sobre superficies de agua tales como balsas y embalses. Por tanto, el desarrollo y validación experimental de modelos de condensación sobre superficies pasivas basados en la resolución del balance de energía puede considerarse una futura línea de trabajo que permita estimar la condensación sobre CRPs, CSSs e incluso masas de agua. Los resultados obtenidos en esta tesis, ¿Efectos de la aplicación de coberturas de sombreo suspendidas sobre balsas de riego¿ conjuntamente con los resultados obtenidos por la doctora Belén Gallego Elvira en su tesis presentada en 2010, ¿Análisis de la evaporación en embalses de riego y de su reducción con coberturas de sombreo¿, ponen de manifiesto el notable interés del uso de CSSs sobre balsas de riego con el objetivo de reducir la evaporación y mejorar la calidad del agua en regiones áridas y semiáridas, donde la reducción en su disponibilidad, el deterioro de su calidad y su progresivo encarecimiento justifican su instalación. http://repositorio.bib.upct.es/dspace/