Drenaje de baldosas

El drenaje subterráneo es un sistema de drenaje agrícola que elimina el exceso de agua subterránea de los campos para permitir una adecuada aireación del suelo, un cultivo correcto y el acceso de maquinaria pesada para el cuidado y la cosecha. Si bien el agua superficial se puede drenar mediante bombeo, zanjas abiertas o ambos, el drenaje subterráneo suele ser el método más eficaz para drenar el agua subterránea.

La expresión «drenaje con tejas» deriva de su composición original: tejas de arcilla cocida , similares a las tuberías de terracota , aunque no siempre con forma de tubería. En el siglo XIX, se colocaba comúnmente una teja acanalada en forma de C sobre una teja plana, denominadas respectivamente «taza» y «suela». Hoy en día, cualquier variación de este sistema original que funcione de la misma manera se denomina drenaje con tejas. Generalmente se utilizan tuberías de HDPE y PVC , conocidas como «línea de tejas», si bien también se emplean tejas de hormigón prefabricado y cerámica.

La figura ilustra las técnicas de riego más utilizadas, así como las opciones menos utilizadas para el tratamiento y reciclaje del agua de drenaje. Recolectar agua de riego rica en nutrientes en embalses y bombearla de regreso a los campos de cultivo durante los períodos de sequía es una práctica asequible y cada vez más popular entre los agricultores en estados como Iowa, Indiana, Ohio, Illinois y Minnesota. ^{[ 1 ]} En los estados del oeste de EE. UU., la salinidad del agua suele ser mayor y el reciclaje directo no es una opción viable. ^{[ 2 ]} Se requieren técnicas de tratamiento avanzadas, como la ósmosis inversa, para que el agua de drenaje sea apta para su reutilización. ^{[ 3 ]}

Hay dos tipos de sistemas de drenaje que utilizan los agricultores: ^{[ 4 ]}

• Drenaje superficial: Facilitado por zanjas y por el mantenimiento de cauces naturales que permiten que el agua se desplace hacia abajo por la fuerza de la gravedad.
• Drenaje subterráneo: Se construye enterrando tuberías bajo tierra para eliminar el exceso de agua del perfil del suelo.

El drenaje subterráneo es ampliamente utilizado por los agricultores. Tiene muchas ventajas: ^{[ 5 ]}

• Aumenta la humedad del suelo y conduce a mejores cosechas.
• Detiene la acumulación de sales y ofrece a los agricultores mayor flexibilidad para plantar diferentes tipos de cultivos.
• Reduce la acumulación de sedimentos en la superficie del terreno, lo que disminuye la concentración de fósforo.

Generalmente se utilizan dos técnicas para controlar el drenaje: ^{[ 5 ]}

• Agregar estructuras como elevadores de compuertas en los canales de salida para controlar el tiempo de residencia del agua de riego en la zona radicular: Cuando se retiran estas estructuras, el drenaje subterráneo se produce más rápidamente y la cantidad de agua en las zanjas disminuye. Esta técnica permite no solo gestionar el nivel de agua en los campos, sino también maximizar el almacenamiento de agua dentro del campo para su aprovechamiento por el cultivo.
• Un sistema de drenaje controlado más avanzado consiste en tuberías subterráneas conectadas a una tubería colectora que descarga las aguas pluviales en depósitos de control. Estos depósitos se denominan sistemas de recuperación de aguas residuales. Conservan las aguas pluviales y las bombean de vuelta para el riego de los campos de cultivo. Actúan como biofiltros y eliminan diversos contaminantes, como bacterias, nutrientes y pesticidas, de las aguas pluviales agrícolas.

El reciclaje de aguas de drenaje agrícola es un método no convencional eficaz para superar la escasez de agua en zonas áridas. En Estados Unidos, si bien la Ley Federal de Control de la Contaminación del Agua regula la calidad del agua y la contaminación a nivel nacional, las leyes y regulaciones sobre la reutilización del agua son responsabilidad de los estados y los gobiernos locales. El uso de agua regenerada en la agricultura es una práctica que crece rápidamente, especialmente en estados áridos como Texas, Nevada, Arizona y California. Estos estados han promulgado las siguientes leyes para hacer cumplir las normas de reutilización del agua en la agricultura. ^{[ 6 ]}

• La Junta Estatal de Control de Recursos Hídricos de California introdujo en 2009 una Política de Agua Reciclada que propone planes de gestión de sales y nutrientes y aborda los contaminantes emergentes en el agua regenerada. El Código de Aguas de California regula el reciclaje de agua para riego y paisajismo residencial.
• En Arizona, el Departamento de Recursos Hídricos y el Departamento de Calidad Ambiental son los principales organismos involucrados en el reciclaje de agua. El Título 18 del Código Administrativo de Arizona regula los permisos y la calidad del transporte del agua regenerada.
• En Nevada, la División de Recursos Hídricos es el principal organismo encargado de la legislación sobre reutilización del agua , según lo estipulado en el Código Administrativo, secciones 445A.274 a 445A.280.
• En Texas, el Título 30 del Código Administrativo, implementado por la Comisión de Calidad Ambiental de Texas, rige la reutilización del agua para fines agrícolas.
• Muchos otros estados, como Nueva York y Connecticut, no cuentan con regulaciones que regulen el reciclaje de agua para fines agrícolas. Otros estados, como Alabama, Georgia y Hawái, no han llegado a implementar directrices generales de obligado cumplimiento.

La agricultura de regadío depende de una cantidad adecuada y una calidad aceptable. ^{[ 7 ]}

La cantidad de sal disuelta en el agua es un factor primordial para determinar su idoneidad para el riego. A medida que la sal se acumula en el suelo, retiene el agua y la hace inaccesible para los cultivos, lo que provoca estrés hídrico en las plantas. ^{[ 7 ]} Según las Directrices de Calidad del Agua del Comité de Consultores de la Universidad de California: ^{[ 7 ]}

• Una conductividad eléctrica superior a 3 dS/m se considera un nivel de salinidad severo que provocaría una reducción en los rendimientos.
• Una relación de adsorción de sodio (SAR) normal debe estar dentro del rango de 3 a 9 SAR.
• Los sólidos disueltos totales (SDT) son otro factor que contribuye a la salinidad del agua; las plantas experimentan graves limitaciones de crecimiento cuando el valor supera los 2000 mg/L.
• Ciertos iones presentes en el agua de riego pueden ser tóxicos para las plantas en altas concentraciones. La concentración de cloruro no debe superar los 10 miliequivalentes por litro (me/L) para el riego superficial.
• El boro es un micronutriente esencial para las plantas cuando su concentración en el agua se encuentra entre 0,7 y 3,0 mg/L.
• La presencia de nitrógeno en niveles excesivos es tóxica para los cultivos. Una concentración superior a 30 mg/L podría retrasar la maduración de los cultivos y provocar un crecimiento excesivo.
• Se debe mantener un nivel de pH adecuado, dentro del rango de 6,5 a 8,4.
• El nivel de bicarbonato en el agua de riego no debe superar los 8,5 me/L.

Las raíces de la mayoría de los cultivos necesitan suficiente aire para prosperar. El exceso de agua subterránea llena los poros del suelo e inhibe su crecimiento al privar a las raíces de aire, lo que provoca la pudrición de las raíces y la muerte de la planta.

Otra razón para la necesidad de drenaje subterráneo es garantizar una firmeza suficiente del suelo para facilitar el laboreo y el acceso de maquinaria pesada para el cuidado y la cosecha de los cultivos.

La mayoría de los cultivos requieren condiciones específicas de humedad en el suelo y no crecen bien en suelos húmedos y fangosos. Incluso en suelos que no son fangosos, las raíces de la mayoría de las plantas no crecen mucho más allá del nivel freático. Al principio de la temporada de crecimiento, cuando el agua es abundante, las plantas son pequeñas y no requieren tanta agua. Durante este tiempo, las plantas no necesitan desarrollar sus raíces para alcanzar el agua. A medida que las plantas crecen y consumen más agua, esta se vuelve más escasa. Durante este período, el nivel freático comienza a descender. Entonces, las plantas necesitan desarrollar raíces para alcanzar el agua. Durante los períodos de sequía, el nivel freático puede descender más rápido que la velocidad a la que las plantas desarrollan raíces para alcanzarlo, lo que puede estresar gravemente a las plantas.

Mediante la instalación de drenajes subterráneos, se reduce eficazmente el nivel freático, lo que permite que las plantas desarrollen adecuadamente sus raíces. La menor saturación de agua en el suelo permite que el oxígeno permanezca en los poros, donde las raíces pueden absorberlo. Los drenajes subterráneos evitan que las raíces queden sumergidas durante los periodos de lluvia, lo que puede estresar a las plantas. Al eliminar el exceso de agua, los cultivos aprovechan mejor el agua disponible para sus raíces. Un aumento en el rendimiento de los cultivos se puede resumir en que las plantas desarrollan más raíces para absorber más nutrientes y agua.

El mismo principio se aplica a las macetas de plantas de interior: los orificios de drenaje en la base evacuan el exceso de agua del sustrato para que el aire pueda llenar los poros y estar disponible para las raíces, las cuales, si se ven privadas de aire por la saturación de agua durante un tiempo prolongado, se pudrirán y morirán. La instalación de drenaje subterráneo en un campo, con un patrón de cuadrícula, logra el mismo efecto en un campo de varios cientos de acres. ^{[ 8 ]}

En un sistema de drenaje subterráneo, se instala una especie de "tubería" bajo la superficie de los campos agrícolas, que consiste en una red de tuberías subterráneas que permiten que el agua subterránea salga de entre las partículas del suelo y entre en la línea de drenaje. El agua que fluye por las líneas de drenaje suele depositarse finalmente en puntos de agua superficiales (lagos, arroyos y ríos) situados a una elevación inferior a la de la fuente. El agua entra en la línea de drenaje a través de los huecos entre las secciones de las tuberías, en el caso de los diseños de drenaje más antiguos, o a través de pequeñas perforaciones en las tuberías de plástico modernas. ^{[ 9 ]} La instalación de las tuberías o la línea de drenaje puede requerir una zanjadora ( Ditch Witch ), un arado topo , una retroexcavadora u otro equipo pesado .

El tipo de suelo influye enormemente en la eficacia de los sistemas de drenaje subterráneo y determina la extensión del drenaje necesario para garantizar un drenaje adecuado. Los suelos arenosos requerirán poco o ningún drenaje adicional, mientras que los suelos con alto contenido de arcilla retendrán mejor el agua, lo que obligará a colocar las tuberías de drenaje más juntas.

Los antiguos autores romanos Catón el Viejo y Plinio el Viejo describieron sistemas de drenaje subterráneo en el año 200 a. C. y el siglo I d. C., respectivamente. Según la granja Johnston, ^{[ 11 ]} el drenaje subterráneo se introdujo por primera vez en los Estados Unidos en 1838, cuando John Johnston utilizó la práctica de su Escocia natal en su nueva granja en el condado de Seneca, Nueva York . Johnston instaló 116 km (72 millas) de tuberías de arcilla en 1,3 km² (320 acres ) ^. Este esfuerzo aumentó su rendimiento de trigo de 12 bushels por acre a 60. Johnston, el "padre del drenaje subterráneo en América", ^{[ 12 ]} continuó defendiendo el drenaje subterráneo durante toda su vida, atribuyendo su éxito agrícola a la fórmula "D, C y D", es decir, estiércol, crédito y drenaje. ^{[ 13 ]}  

La expansión de los sistemas de drenaje fue un aspecto técnico importante de la expansión hacia el oeste en los Estados Unidos durante el siglo XIX. Si bien la tierra en los Estados Unidos se dividió según el Sistema de Catastro Público establecido por la Ordenanza de Tierras de 1785 , el desarrollo, especialmente de las tierras agrícolas, a menudo se vio limitado por la velocidad a la que se hacían aptas para el cultivo. Por ejemplo, aunque Iowa fue admitida como estado de los Estados Unidos en 1846, los mapas que representaban la propiedad de la tierra indicaban densidades de población inferiores al promedio en la región noroeste de Iowa hasta bien entrada la década de 1870, siendo esta una zona del estado aún conocida por su alto nivel freático y sus numerosos lagos y humedales .

Los estados occidentales presentaban limitaciones similares para la intensificación agrícola. Muchos ofrecían incentivos gubernamentales para mejorar las tierras agrícolas. Por ejemplo, la legislación de Indiana impulsó una ley federal en 1850 que permitía la venta de pantanos con descuento a los agricultores, a cambio del drenaje de sus tierras y su mejora para aumentar la productividad agrícola. Para facilitar dicha mejora, la mayoría de los estados crearon agencias gubernamentales para regular la instalación de drenajes subterráneos. Incluso hoy en día, las elecciones locales en los estados más rurales suelen incluir la elección de los miembros de las juntas supervisoras de drenaje; por ejemplo, en Michigan, el Comisionado de Drenaje del Condado sigue siendo elegido por voto popular.

En las décadas posteriores a la Guerra Civil Estadounidense, los sistemas de drenaje se expandieron rápidamente. Por ejemplo, la literatura histórica de Ohio ^{[ 14 ]} registra que en 1882 la superficie drenada era aproximadamente igual a la superficie total drenada en todos los años anteriores. En la década de 1930, el Cuerpo Civil de Conservación amplió los sistemas de drenaje subterráneo en todo el Medio Oeste , muchos de los cuales aún se utilizan.

Hasta después de la Segunda Guerra Mundial, la tecnología de instalación de tejas siguió siendo similar a los métodos utilizados por primera vez en 1838. Aunque posteriormente las secciones de cemento reemplazaron a las tejas de arcilla originales y se utilizaron máquinas para excavar las zanjas para las líneas de tejas, el proceso siguió siendo bastante laborioso y limitado a contratistas especializados.

La primera zanjadora mecánica exitosa para tuberías de drenaje fue la Buckeye Steam Traction Ditcher de James B. Hill , inventada a finales de la década de 1880. Las máquinas zanjadoras de Hill drenaron el Gran Pantano Negro en Ohio. ^{[ 15 ]} En 1995, algunas de sus máquinas todavía se utilizaban en Nueva Orleans, Luisiana; Ontario, Canadá; y partes de África. ^{[ 16 ]}

La introducción de las baldosas de plástico redujo tanto el costo de instalación como la mano de obra necesaria. En lugar de colocar secciones individuales de baldosas de cemento una tras otra en la zanja, los instaladores solo tenían que desenrollar una sección continua de tubería de drenaje ligera y flexible. Hacia finales del siglo XX, cuando los tractores grandes de tracción a las cuatro ruedas se hicieron más comunes en las granjas estadounidenses, aparecieron en el mercado implementos para la instalación de baldosas. Al abaratar la instalación y permitir que se realizara según el horario del propietario, los agricultores pueden drenar zonas húmedas localizadas que no representan un problema lo suficientemente grave como para justificar operaciones más costosas. De esta manera, los agricultores pueden obtener mayores rendimientos de sus cultivos a la vez que ahorran en los costos de instalación de las baldosas.

Ecológicamente, la expansión de los sistemas de drenaje ha tenido enormes efectos negativos. Cientos de miles de especies de humedales sufrieron importantes descensos poblacionales a medida que su hábitat se fragmentaba y se destinaba a otros usos. Si bien la caza comercial en la ruta migratoria central contribuyó al declive de muchas especies de aves acuáticas en las primeras décadas del siglo XX, la pérdida de hábitat de reproducción debido a la expansión agrícola es sin duda el factor más significativo. Los primeros mapas de los estados del medio oeste muestran numerosos lagos y marismas que hoy en día son inexistentes o han visto reducida significativamente su superficie. La canalización , un proceso relacionado que consiste en concentrar y facilitar el flujo de agua procedente de zonas agrícolas, también contribuyó a esta degradación.

El drenaje subterráneo y los cambios correspondientes en el paisaje —drenaje de humedales, suelos húmedos y canalización de arroyos— han contribuido a una mayor erosión fluvial. ^{[ 17 ]} Esta respuesta de los ríos debido al drenaje es el resultado de la reducción del tiempo de residencia del agua en el paisaje. Por ejemplo, la precipitación solía retenerse en los humedales y en la superficie del suelo, evaporándose continuamente o siendo utilizada por la transpiración de las plantas. El agua drenaba lentamente a través del paisaje y finalmente desembocaba en los ríos. El proceso de drenaje subterráneo, utilizado para secar los suelos de forma rápida y eficiente, resulta en una transmisión eficiente del agua al río, tan eficiente que se suministran mayores volúmenes de agua a los ríos. El efecto de mayores volúmenes de agua es una mayor energía en el agua; el estado de equilibrio dinámico en el que existieron los ríos durante siglos (cambiando lentamente de forma y transportando continuamente sedimentos limitados) estaba, y actualmente está, desequilibrado. Esta pérdida de equilibrio produce cantidades extremas de erosión de las riberas, lo que resulta en cargas de sedimentos excesivas e impactos críticos en los entornos naturales y los hábitats fluviales.

El drenaje subterráneo a veces reduce la erosión del suelo y la escorrentía de algunos nutrientes, incluido el fósforo. ^{[ 18 ]} El fósforo es un nutriente crucial que debe controlarse porque es el nutriente limitante en la mayoría de los ecosistemas acuáticos. Por lo tanto, el fósforo es el principal culpable de la eutrofización de las aguas superficiales; sin embargo, el otro nutriente limitante, el nitrógeno, causa daños sustanciales a la calidad del agua. Por ejemplo, el nitrógeno se ha relacionado con la hipoxia del Golfo. El drenaje subterráneo a veces mejora la calidad del agua porque el agua fluye hacia el suelo y luego hacia el drenaje, en lugar de escurrirse del campo a una zanja, arrastrando consigo suelo y nutrientes. El suelo puede filtrar el agua antes de que entre en los arroyos y ríos. Sin embargo, al eludir mejoras superficiales como la labranza de conservación o las franjas de protección ribereñas, el drenaje subterráneo también puede crear problemas con la calidad del agua ^{[ 19 ]} y el efluente del drenaje subterráneo tiende a tener un contenido extremadamente alto de nitrógeno. Además, el drenaje subterráneo a veces contiene niveles muy altos de otros productos químicos. Dado que las formas superficiales de agricultura de conservación son menos efectivas en sistemas de drenaje subterráneo, otras prácticas, como el drenaje controlado o los humedales artificiales, pueden ser más efectivas. ^{[ 19 ]} En áreas muy planas, donde la topografía natural no proporciona la pendiente necesaria para el flujo del agua, se pueden excavar pozos agrícolas para proporcionar a las tuberías de drenaje una salida suficiente. Sin embargo, los pozos de drenaje pueden poner en riesgo la calidad del agua subterránea.

Las operaciones ganaderas intensivas (OLI) y las explotaciones ganaderas concentradas (OCC) han generado dificultades en la gestión de los efluentes ganaderos. Estos efluentes contienen nutrientes valiosos, pero su uso inadecuado puede provocar graves problemas ecológicos, como la sobrecarga de nutrientes. La inyección directa de efluentes en el suelo es un método que emplean los aplicadores de estiércol para mejorar la absorción de nutrientes. Los drenajes subterráneos pueden aumentar la filtración del estiércol inyectado hacia los cursos de agua superficiales, ya que el estiércol líquido se filtra a través del suelo y drena fuera del campo hacia los cursos de agua a través de dichos drenajes.

Actualmente, diversas iniciativas estatales y federales buscan revertir la pérdida de hábitat. Muchos programas incentivan e incluso compensan a los agricultores por interrumpir el drenaje de zonas húmedas localizadas en sus propiedades, a menudo rompiendo las tuberías de drenaje o retirando los desagües. Los propietarios suelen recibir una compensación parcial o total por renunciar a la posibilidad de cultivar en esas tierras. Estos programas y la cooperación de los propietarios de tierras en todo el país tienen efectos positivos significativos en las poblaciones de diversas aves acuáticas.

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• Control de la salinidad mediante drenaje subsuperficial
• Ecuación de espaciamiento de drenajes utilizando el balance energético del flujo de agua subterránea.
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