Canales de riego y acequias: diseño, pérdidas y organizaciones de usuarios

Un canal de riego es un cauce artificial abierto que conduce agua por gravedad desde una bocatoma hasta los predios, en una red de canal matriz, derivados y acequias con obras que regulan, reparten y miden el caudal. Se dimensiona con la demanda de los cultivos, las eficiencias de la red y la ecuación de Manning, y en Chile lo administran sus usuarios, que reparten el agua según sus acciones.

Red de riego y obras de arte

El Código de Aguas de Chile (art. 36) define el canal como un acueducto artificial del que forman parte bocatomas, canoas, sifones, tuberías, marcos partidores y compuertas. La FAO recomienda trazar el matriz por el borde alto del área regable, casi siguiendo las curvas de nivel, y evitar cambios bruscos de pendiente, que erosionan o sedimentan el lecho.

Los aforadores y métodos de medición se revisan en caudal y aforo y en aforadores Parshall.

Acequia: origen del término y uso

Según el Diccionario de la lengua española, acequia viene del árabe hispánico assáqya (del árabe clásico sāqiyah, «irrigadora») y es la zanja o canal por donde se conducen las aguas para regar; reguera es el canal hecho en la tierra para conducir el agua de riego. En Chile, el Manual del Regante de la Comisión Nacional de Riego (CNR) habla de «canales y acequias».

En el uso chileno, acequia suele designar cauces pequeños en tierra, a menudo excavados a pala, que reparten el agua dentro del predio mediante una acequia principal y ramales; se diseñan igual que un canal en tierra.

Tipos de canal según revestimiento

Valores de $n$ de Chow (1959) según HEC-RAS (mínimo, normal y máximo), y taludes y velocidades máximas de la FAO:

La geomembrana enterrada va cubierta de suelo y se comporta como un canal en tierra; para lámina expuesta no se encontró $n$ en las fuentes consultadas. Más valores en rugosidad n de Manning.

Diseño hidráulico

En régimen uniforme se usa la ecuación de Manning en unidades SI:

con $Q$ el caudal (m³/s), $n$ la rugosidad (s/m^1/3), $A$ el área mojada (m²), $P$ el perímetro mojado (m), $R$ el radio hidráulico (m) y $S$ la pendiente (m/m). En un trapecio de fondo $b$, tirante $y$, talud $z$ (H:V) y ancho superficial $T$, todos en metros:

El tirante normal se obtiene por tanteo y el régimen se verifica con el número de Froude, $F = V/\sqrt{g\,D}$, con $V = Q/A$ (m/s), $g$ = 9,81 m/s² y $D = A/T$ (m): si $F$ es menor que 1, el flujo es subcrítico (véase número de Froude).

Velocidades admisibles

La velocidad máxima evita la erosión. El NRCS reproduce la tabla de Fortier y Scobey (1926) para canales en tierra rectos, de poca pendiente, envejecidos y con tirantes menores que 0,9 m:

Las fuentes consultadas no dan una velocidad mínima universal: la FAO advierte que la sedimentación y las plantas reducen la capacidad, y el mínimo se fija según el sedimento del agua.

Borde libre y taludes

El borde libre, entre el nivel máximo del agua y la corona del terraplén, debe ser según la FAO (1992) de al menos 0,20 m con tirantes de hasta 0,40 m y de la mitad del tirante si este es mayor. La norma NRCS 320 exige un tercio del tirante y no menos de 0,15 m, con una corona de al menos 0,61 m y no menor que el tirante. Los taludes por tipo de suelo están en taludes según material.

Sección hidráulica óptima

Para un área dada, la sección más eficiente es la de menor perímetro mojado. En un trapecio de talud $z$ fijo, al imponer $dP/dy = 0$ con $A$ constante resulta:

Con talud libre, el óptimo es medio hexágono ($z = 1/\sqrt{3} \approx 0{,}577$). Es una sección profunda que aumenta la excavación y puede exigir taludes inestables, por lo que sirve de referencia.

Pérdidas por infiltración y su medición

Según la FAO, un canal en tierra pierde por evaporación de 1 % a 2 % del caudal y por infiltración de 5 % a 40 %, y un revestimiento duro ahorra aproximadamente de 60 % a 80 % de las pérdidas, sin eliminarlas. Tasas medias indicativas por metro cuadrado de perímetro mojado:

La pérdida de un tramo es $Q_i = q_s\,P\,L$, con $q_s$ la tasa, $P$ el perímetro mojado (m) y $L$ la longitud (m). La norma india IS 9452 acepta tres métodos de medición en canales existentes:

• Entrada-salida. Se aforan los caudales que entran y salen de un tramo en régimen permanente, con las tomas cerradas o medidas, y la diferencia corregida por evaporación y lluvia es la infiltración. No interrumpe el servicio, pero falla si la pérdida es menor que el error de los aforos.
• Estanque. Se aísla y llena un tramo; por balance de volumen, $q_s = (\Delta h - E)\,T/(P\,\Delta t)$, con $\Delta h$ el descenso (m), $E$ la evaporación (m), $T$ el ancho superficial (m) y $\Delta t$ el tiempo (días). Requiere sacar el tramo de servicio.
• Medidor de infiltración. Mide en un punto del lecho y no sirve en fondos rocosos o con malezas densas.

Eficiencias de riego

Doorenbos y Pruitt (1977) dividen la eficiencia en conducción, $E_c$ (de la bocatoma a un bloque de potreros), canales de campo, $E_b$ (del bloque al potrero), y aplicación, $E_a$ (del potrero al agua disponible para el cultivo); $E_d = E_c\,E_b$ es la de distribución y la global es $E_p = E_c\,E_b\,E_a$. Eficiencias de conducción (%) para canales bien mantenidos, según Brouwer, Prins y Heibloem (1989):

Una mala mantención puede reducirlas hasta en 50 %. El mismo manual indica una eficiencia de aplicación de 60 % en riego superficial, 75 % en aspersión y 90 % en goteo, y califica una eficiencia global de 50 % a 60 % como buena y de 40 % como razonable.

Demanda de riego y caudal continuo

La necesidad neta mensual es la evapotranspiración del cultivo menos la precipitación efectiva, ambas en mm/mes: $IN = ET_c - P_e$. Sin datos locales, y con pendientes de hasta 4 % o 5 %, Brouwer y Heibloem (1986) proponen:

con $P$ la precipitación mensual (mm) y $P_e$ nunca negativa. La lámina bruta es $IB = IN/E_p$ y, como 1 mm/día equivale a 10 m³/ha/día, el caudal continuo en L/s/ha es $q = 10\,IB/86{,}4 = 0{,}1157\,IB$, con $IB$ en mm/día. FAO-24 dimensiona la capacidad con la demanda del mes punta.

Ejemplo resuelto

Datos ilustrativos: 600 ha regadas por surcos; enero (31 días) con $ET_c$ = 6,2 mm/día y 20 mm de lluvia; matriz revestido ($E_c$ = 0,95), derivados y acequias en tierra franca de 200 a 2.000 m ($E_b$ = 0,75) y $E_a$ = 0,60.

Paso 1: caudal de diseño

$ET_c$ = 6,2 × 31 = 192,2 mm; $P_e$ = 0,6 × 20 − 10 = 2 mm, e $IN$ = 190,2 mm/mes = 6,135 mm/día. La eficiencia global es 0,95 × 0,75 × 0,60 = 0,4275, razonable, e $IB$ = 14,35 mm/día. Entonces $q$ = 0,1157 × 14,35 = 1,661 L/s/ha y $Q$ = 600 × 1,661 = 996,6 L/s: se adopta 1,00 m³/s, 2,34 veces el caudal neto.

Paso 2: canal de hormigón

Hormigón frotachado ($n$ = 0,015), talud 1:1, $b$ = 0,80 m y $S$ = 0,001. Por tanteo y bisección, $y$ = 0,650 m, $A$ = 0,942 m², $P$ = 2,638 m, $R$ = 0,357 m, $V$ = 1,06 m/s y $D$ = 0,449 m:

El régimen es subcrítico y la velocidad queda bajo 2,5 m/s. El borde libre FAO es 0,5 × 0,650 = 0,33 m (NRCS: 0,22 m); se adoptan 0,35 m y 1,00 m de altura total. La sección óptima con talud 1:1 ($b$ = 0,594 m, $y$ = 0,717 m) solo reduciría el perímetro en 0,6 %.

Paso 3: alternativa en tierra

En franco firme con $n$ = 0,025 (valor FAO para condición media), talud 1,5:1 y $b$ = 1,50 m:

Con $S$ = 0,001, el canal en tierra cumple los 0,76 m/s de Fortier y Scobey y el 1,0 m/s de la FAO, pero exige 55 % más área y 0,30 m de borde libre. Con $S$ = 0,004 erosionaría: se mantiene 0,001 y se intercalan caídas.

Paso 4: infiltración en 3 km de tierra

Si 3 km del matriz quedaran en tierra franca, con $q_s$ = 0,40 m³/día/m²:

Es el 5,1 % del caudal; revestir ahorraría de 30,7 a 41,0 L/s (60 % a 80 %).

Paso 5: reparto con marco partidor

Al marco partidor llegan 0,95 × 1.000 = 950 L/s para tres derivados con 1.200, 750 y 450 acciones, es decir, 0,396 L/s por acción. Por la ecuación de vertedero, $Q = C\,L\,H^{3/2}$, si las bocas tienen el umbral a la misma cota, igual carga $H$ y descarga libre, el caudal es proporcional al ancho $L$, y el ancho total de 2,40 m se reparte según las acciones:

Organizaciones de usuarios en Chile

El Código de Aguas (art. 186) permite que los titulares de derechos en un mismo canal, embalse o acuífero formen una comunidad, una asociación de canalistas u otra sociedad para captar y repartir el agua y conservar las obras; en cauces naturales pueden organizarse como junta de vigilancia.

En las juntas de vigilancia, los derechos se dividen en acciones proporcionales (art. 268), y los comuneros extraen el agua con dispositivos de aforo, como compuertas o marcos partidores (art. 206), que dividen el caudal en proporción a los derechos de cada derivado. Más detalle en juntas de vigilancia de Chile.

Fomento al riego: Ley 18.450

La Ley 18.450 dispone que el Estado, por intermedio de la CNR, bonifique mediante concursos estudios, construcción y rehabilitación de obras de riego o drenaje. En el texto vigente, la bonificación máxima va de 95 % para pequeños productores y comunidades indígenas y agrícolas a 50 % para ingresos anuales de hasta 50.000 UF, y es de 90 % u 80 % para organizaciones de usuarios según su composición.

Errores frecuentes

• Omitir la eficiencia global. Con la necesidad neta, el ejemplo daría 426 L/s en vez de 1,00 m³/s.
• Usar el mismo $n$ para capacidad y velocidad. La NRCS 320 pide la capacidad con la rugosidad más desfavorable, incluidas malezas, y la verificación de velocidad con $n$ no mayor que 0,025.
• Adoptar la sección óptima como obligatoria. Puede exigir taludes inestables y más excavación.
• Suponer que revestir elimina las pérdidas. La FAO estima un ahorro de 60 % a 80 %; las grietas y juntas siguen perdiendo agua.
• Construir un partidor con umbrales a distinta cota o bocas ahogadas. La carga difiere entre bocas y el reparto pierde la proporción de las acciones.

Preguntas frecuentes

Fuentes

• FAO (1992). Irrigation Water Management: Canals. Training Manual 7. fao.org
• Brouwer, C. y Heibloem, M. (1986). Irrigation Water Needs. Training Manual 3; Brouwer, C., Prins, K. y Heibloem, M. (1989). Irrigation Scheduling. Training Manual 4, anexo I. FAO. fao.org (manual 3), fao.org (manual 4)
• Doorenbos, J. y Pruitt, W. O. (1977). Crop Water Requirements. FAO Irrigation and Drainage Paper 24. fao.org
• FAO (s. f.). Water transport structures, capítulo 8. Material de capacitación en acuicultura. fao.org
• USACE Hydrologic Engineering Center (s. f.). HEC-RAS Hydraulic Reference Manual, tabla 3-1, según Chow (1959). hec.usace.army.mil
• USDA NRCS (2007). National Engineering Handbook, Part 654, cap. 8; NRCS (2002). Conservation Practice Standard 320: Irrigation Canal or Lateral. nrcs.usda.gov, efotg.sc.egov.usda.gov
• Bureau of Indian Standards (1980). IS 9452 (Part II): Measurement of seepage losses from canals, inflow-outflow method. archive.org
• República de Chile. Código de Aguas (DFL 1.122, 1981) y Ley 18.450 (1985). Biblioteca del Congreso Nacional. bcn.cl (Código de Aguas), bcn.cl (Ley 18.450)