Caudal de diseño para estaciones de piscicultura continental, más que un balance hídrico

I A Sánchez-Ortiz

Universidad de Nariño, Facultad de Ciencias Pecuarias, Departamento de Recursos Hidrobiológicos,
Ciudad Universitaria Torobajo, San Juan de Pasto (Colombia)
ivansaor@hotmail.com

Resumen

La correcta determinación del caudal de diseño en sistemas hidráulicos para la producción acuícola de agua dulce es un aspecto técnico de gran relevancia, ya que permite reponer el volumen de agua que se pierde por evaporación e infiltración, mantener la profundidad del líquido en los niveles deseados, llenar las unidades de cultivo en un periodo de tiempo razonable y, en algunos casos, cubrir la demanda de flujo que habilite los requerimientos de la especie cultivada. El dimensionamiento de la infraestructura hidráulica para piscicultura continental debe abordar de manera integral y rigurosa los aspectos relativos a un balance hídrico, en consonancia con los elementos de juicio productivos y operacionales, pues un sobredimensionamiento estará asociado a sobrecostos y uso ineficiente del líquido; un subdimensionamiento implica limitaciones en la cantidad y calidad del agua, lo que afectará la producción.

El objetivo principal de este artículo fue presentar los diferentes conceptos y criterios que deben estar simultáneamente involucrados en la determinación del caudal de diseño de una estación piscícola y algunas reflexiones que induzcan al diseñador a resolver el problema mediante una aproximación más ambiciosa que la definida por un simple balance hídrico, respaldadas por un considerable número de referencias bibliográficas especializadas.

Palabras clave: acuicultura, agua dulce, efectos hidrológicos, medio-ambiente, piscícultura

Design flow for fresh-water fish farming, more than a water budget

Abstract

The appropriate determination of design flow to hydraulic systems for water supply in fresh water fish farming culture is a highly relevant technical item, because it will allow the replacement of evaporation and seepage water loses, maintaining the desired liquid levels, the filling of culture units in reasonable periods of time, and in some cases, the water flow demand to cover the biological requirements of the cultured species. The hydraulic infrastructure dimensioning projects for freshwater fish culture must address the water budget related issues in a comprehensive and rigorous way in accordance with productive and operational facts, because, because an over dimensioning will be associated to overrun and an inefficient use of the liquid; the sub dimensioning implies water quality and quantity limitations, which affects the production.

The main objective of this article was to present the different concepts and criteria that should be simultaneously involved in the appropriate design flow calculations for a fish culture farm, and some reflections that induces the designer to solve the problem with a more ambitious approach than the defined by a simple water budget, supported by a considerable number of specialized bibliographic references.

Key words: aquaculture, environment, fish farming, hydrological factors

Introducción

Producción acuícola, caudal de diseño

La palabra acuicultura se usa para denotar todas las formas de cultivo de animales acuáticos y plantas en agua dulce, aguas salobres y ambientes marinos (Pillay 1995). Por cultivo se entiende la manipulación de la producción por diferentes técnicas de confinamiento, alimentación, protección de predadores y control de factores ambientales desfavorables al crecimiento de los organismos cultivados (Barroso et al 2007). La acuicultura se puede clasificar según diversos criterios (Figura 1) con base en los conceptos expuestos por DINARA (2010) y Salazar (2001).

Figura 1. Clasificación de la acuicultura

En el caso particular de la piscicultura, cuanto más intensiva sea la producción, es necesario un mayor control de diversos aspectos tales como los parámetros de la calidad del agua, que en buena medida dependen de la cantidad de flujo que pasa a través de las unidades de cultivo; de ahí la necesidad de determinar el caudal de diseño con altos criterios técnicos. La sobreestimación del caudal, además de las implicaciones éticas del aprovechamiento ineficiente de los escasos recursos hídricos presupone una mayor dificultad en la concesión del agua y el sobredimensionamiento de la infraestructura, que se refleja en sobrecostos innecesarios; por otro lado, el establecimiento de un caudal de diseño menor al realmente necesario se traduce en un subdimensionamiento hidráulico, con una cantidad insuficiente del líquido, que afectará el proceso productivo. El objetivo del presente artículo fue presentar los diferentes conceptos y criterios que el diseñador debe involucrar para calcular el caudal de diseño de una estación piscícola de agua dulce, así como algunas reflexiones que lo induzcan a abordar el problema por medio de una aproximación que supere la definida por un balance hídrico convencional.

Componente hidrológico en los proyectos piscícolas

La complejidad en la formulación de proyectos acuícolas crece en función del tamaño y diversidad del emprendimiento (Insull y Nash 1990); por tal motivo, el diseño definitivo de sus unidades constitutivas puede requerir del concurso de diversos perfiles profesionales. Los proyectos piscícolas industriales en aguas continentales justifican la incorporación de múltiples aspectos técnicos; uno de los más importantes se refiere al dimensionamiento hidráulico del sistema para captación, transporte y distribución del agua.

Como la producción piscícola se desarrollará en el ambiente acuático, ésta se encuentra supeditada a la variable disponibilidad del preciado líquido a lo largo del tiempo y del espacio lo que implica la solución de un problema de carácter hidrológico.

Problemas hidrológicos, cuenca hidrográfica

Desde el punto de vista hidrológico, los ingenieros normalmente abordan sus problemas de diseño considerando la interrelación entre las variables que caracterizan las entradas y las salidas del sistema analizado, por ello, dependiendo del elemento constitutivo del proyecto hidráulico podrá recurrirse al uso de datos extremos o valores medios (Eagleson 1970). Sin embargo, es común la carencia de informaciones hidrológicas en vastas zonas de los países en vías de desarrollo, lo que dificulta la realización de balances hídricos bien soportados. Adicionalmente, es recomendable que el diseñador contemple los posibles efectos de las acciones antrópicas que interfieren en el ciclo hidrológico natural, tales como construcción de represas, transferencia de agua entre cuencas hidrográficas, excesiva extracción del líquido de ríos y deforestación; acciones que no modifican el volumen de agua en la Tierra, pero que provocan alteraciones en las cantidades de agua disponibles (von Sperling 2006).

Con base en lo anterior, y con una visión más amplia que la del abastecimiento del líquido para la estación piscícola, algunas de las preguntas que típicamente el hidrólogo debe responder son: ¿qué caudal se espera que pase a través de un sistema de control de excesos de flujo o en un sistema de drenaje?, ¿cuál es la capacidad requerida en un reservorio para garantizar el suministro de agua durante condiciones de sequía?, ¿qué efectos producirán reservorios, diques y otras obras de control sobre el flujo de crecientes en cursos de agua? (Linsley et al 1975). Para responder a tales cuestiones, se hace necesario que el diseñador conozca aspectos relativos al área directamente involucrada en el proyecto piscícola y su entorno más próximo, así como los relacionados con los componentes de la dinámica del agua desde el punto de vista hidrológico.

Una cuenca hidrográfica o cuenca de contribución de la sección de un curso de agua es el área geográfica colectora de agua de lluvia y sus afluentes que, escurriendo por la superficie del suelo y a través de una red de drenaje formada por cursos de agua, llega hasta la sección considerada; todos los flujos que nazcan al interior de dicha área deberán atravesar la sección para poder continuar su flujo aguas abajo de la misma (Réméniéras 1980; Silveira 1993; Pinto et al 2008). Esta unidad fisiográfica se encuentra limitada por divisorias topográficas -divisorias de agua-, que son las crestas de las elevaciones del terreno que separan el drenaje de precipitaciones entre dos cuencas adyacentes (Naghettini 2010).

Estanques en tierra, balance hídrico

En piscicultura las unidades de cultivo pueden utilizarse para mantenimiento de una o múltiples especies, donde los ejemplares son criados en una o varias fases de desarrollo, pueden incluirse unidades con propósitos específicos como reproducción, profilaxis o cuarentena. En todos los casos, los estanques deberán mantener los individuos en un cierto volumen de agua, que por encontrarse a cielo abierto se encuentra expuesto a las condiciones atmosféricas y sus permanentes cambios, lo que implica que el diseñador conozca los aspectos que afectarán de manera positiva o negativa el mantenimiento de las cantidades y niveles del líquido en las unidades de cultivo.

De acuerdo con FAO and NSPFS (2005), los dos principales tipos de estanques utilizados para piscicultura son los del tipo presa, basados en la construcción de un dique en un curso de agua natural, y los estanques denominados de “derivación”, abastecidos por medio de una fuente de agua externa al estanque, que pueden ser excavados, o parcial o totalmente conformados por pequeños diques perimetrales y que ofrecen las mejores condiciones de manejo. Una vez los estanques estén llenos, debe preverse el suministro de agua de manera constante o intermitente para mantener el nivel deseado y compensar las pérdidas del líquido. Para los estanques de derivación el volumen de líquido es mantenido por medio de agua proveniente de pozos, cursos de agua o reservorios; mientras que los estanques presa usualmente son abastecidos por escorrentía superficial (Yoo y Boyd 1994).

Materiales y métodos

Para presentar de manera sintética pero completa los diferentes conceptos y criterios que el diseñador debe involucrar para calcular el caudal de diseño de una estación piscícola de agua dulce se recurrió a diversas fuentes bibliográficas constituidas por libros clásicos y contemporáneos así como artículos científicos seleccionados de revistas especializadas.

A continuación se presentan las principales ecuaciones utilizadas para calcular los componentes típicos involucrados en el balance hídrico de un cuerpo de agua convencional; los cuales deben ser contemplados en la determinación del caudal de diseño para la infraestructura hidráulica que manejará el flujo afluente como efluente del tanque de cultivo y de la estación de piscicultura. Su aplicabilidad será discutida posteriormente en el ítem correspondiente.

Balance hídrico

Para estimar el comportamiento del volumen de agua en los estanques en tierra se hace necesario realizar un balance hídrico, que establece que las entradas son iguales a las salidas más o menos el cambio de almacenamiento. Según Yoo y Boyd (1994) y Lawson (1995) dicho balance deberá incluir los términos correspondientes a las entradas (flujo afluente, precipitación, escorrentía) y las salidas (flujo efluente regulado –drenaje- y/o de rebose, evaporación, infiltración), cuya representación esquemática para un estanque se ilustra en la Figura 2.

Figura 2. Balance hídrico para un estanque en tierra

Con base en las anteriores consideraciones, un típico balance hídrico para estanques de derivación estará dado por la ecuación:

P+Fe+ES= {I+E}+ Fs ± ΔV                 [1]

Donde:

P : Precipitación

Fe : Flujo de entrada, transportada desde una fuente de agua controlada

ES : Escorrentía superficial

I : Infiltración, según las características del suelo de fondo de los estanques

E : Evaporación

Fs : Flujo de salida, regulado

ΔV : Cambio en el volumen almacenado

En la Ecuación 1, las variables son expresadas en términos de volumen, o más comúnmente en términos de profundidad (altura de columna de agua). Cabe anotar que en estanques conformados por diques perimetrales, la fracción del líquido proveniente de escorrentía de los taludes usualmente es considerada como despreciable pues sus áreas son muy pequeñas en comparación la del espejo de agua; así el factor ES se asumiría como cero.

Para estimar el caudal fruto del escurrimiento (ES)se debe calcular la fracción de la lluvia que se transforma en escorrentía superficial por medio de ecuaciones de infiltración o por índices y relaciones funcionales entre precipitación total y precipitación efectiva, para ello se pueden aplicar métodos empíricos que permiten predecir la escorrentía a partir de datos de precipitación, los más comúnmente utilizados son: el método Racional y el del número de la curva del SCS - USDA (Tucci 1993; Pruski et al 2003).

La fórmula por medio de la cual se estima el caudal máximo previsto por el método Racional, para cuencas con áreas entre 50 y 500 hectáreas es según Matos et al (2012), la siguiente:

[2]

Qub_máx : Caudal máximo esperable (m³/s)

C : Coeficiente de escorrentía superficial predominante, adimensional

i_m :  Intensidad media de máximas precipitaciones para una duración igual al tiempo de concentración (mm/h)

A : Área de la cuenca de drenaje (ha)

Donde:

T : Periodo de retorno (años)

t : Duración de la precipitación (min)

K,a,b,c: Parámetros de ajuste relativos a la estación pluviométrica estudiada; por ejemplo, para la ciudad de Viçosa, en el estado de Minas Gerais -Brasil-, dichos valores son respectivamente 1082.798, 0.265, 23.781, y 0.775 (Matos et al 2012).

Una de las maneras de calcular la evaporación (E) en el cuerpo de agua es por medio de la medición directa de la lámina (o columna) de agua que se evapora por día; sin embargo, es también factible determinar la evaporación de manera indirecta a partir de algunas variables climatológicas. Existen diversas ecuaciones empíricas o semiempíricas para estimar la evaporación potencial desde superficies de agua, entre ellas se encuentra la fórmula de Dalton, que según Silva (1985), es la base de muchas de las fórmulas experimentales que se han desarrollado para el cálculo de la evaporación potencial:

E_o= f  ( V )* (e_s  - e _d )      [4]

Donde:

E₀ : Evaporación potencial (mm/d)

f(V) : Función de la velocidad del aire que pasa sobre la superficie evaporante.

e_s : Presión de vapor, atmósfera saturada a la temperatura de la superficie evaporante

e_d : Presión de vapor de punto de rocío a la temperatura del aire

El mismo autor afirma que de las numerosas fórmulas que utilizan la ecuación de Dalton, es muy conocida la de Penman, que fue deducida en 1956 a partir de experiencias realizadas en el lago Hefner, Oklahoma. El volumen de agua que el lago pierde por evaporación se relaciona con las variables propuestas por Dalton de tal manera que se llega a la expresión:

Donde:

E_L: Evaporación del lago (mm/d)

V₂ : Velocidad del viento que circula sobre la superficie del lago, medida a 2 metros sobre la superficie evaporante (km/d)

e_s : Presión de vapor para atmósfera saturada a la temperatura de la superficie evaporante (mm de mercurio)

e_d : Presión de vapor de punto de rocío a la temperatura del aire (mm de mercurio).

El valor de e_s se determina con base en la temperatura media del aire para el día analizado; la velocidad y dirección del viento dependen de cuatro fuerzas impulsoras fundamentales: la fuerza del gradiente de presión, la de Coriolis, el rozamiento terrestre y la fuerza centrífuga (Cuadrat and Pita 2011), y se mide por medio de anemómetros o anemógrafos; e_d se calcula en función de la temperatura de punto de rocío, con la depresión del termómetro de bulbo húmedo mediante la tabla psicrométrica, o con la humedad relativa (Linsley et al 1977).

Monsalve (1999), presenta una alternativa para la determinación del calor disponible para evaporación “E’₀” con base en la expresión modificada de Penman, cuya ecuación es:

(5)

Donde:

E'₀ : Calor disponible para evaporación (cal/cm²día), igual a la evaporación potencial

Δ : Pendiente de la curva de saturación de vapor a la temperatura del aire

H : Energía remanente en la superficie terrestre disponible para varios fenómenos

γ: Constante psicrométrica = 0,49 mm Hg/°C

E'_a : Evaporación de la superficie libre de agua en el caso hipotético en que las temperaturas del agua y del aire sean iguales (cal/cm ².día)

H se obtiene mediante la diferencia entre la radiación de onda corta retenida en la superficie terrestre (R_I) y la radiación de onda larga reflejada a la atmósfera (R_B), en cal/cm².día.

R_I es una función de: la radiación que llega a la superficie terrestre según la duración astronómica del día, la latitud del lugar y la fecha del año, más específicamente en función de su cercanía al solsticio o al equinoccio (Vianello y Alves 2012); del albedo -relación de la energía reflejada sobre la incidente, que indica la fracción de radiación visible reflejada por una superficie– de la superficie evaporante, que para cuerpos de agua suele oscilar entre 0.06 y 0.10 (Ferreira 2006; Barry y Chorley 2013); del número de horas de sol franco por día, medidas mediante el heliógrafo; del máximo número de horas de sol por día, que es función de la latitud geográfica del lugar y del mes del año en el que se hace el estudio.

R_B es función de la temperatura absoluta del aire, la constante de presión de Stefan Boltzman, la presión de vapor a la temperatura ambiente, el número de horas de sol franco y el máximo número potencial de horas de sol para el mes del estudio.

E'_a se obtiene a partir de la presión de saturación del vapor de agua para atmósfera saturada y la presión de vapor, ambas para la temperatura del aire del día analizado, así como de la velocidad promedio del viento (en m/s) a dos metros sobre la superficie del cuerpo de agua.

Una vez calculado el valor de E'₀ (calor disponible para evaporación) se debe dividir entre la cantidad de energía necesaria para evaporar el líquido a la temperatura del aire, que es del orden de 59 calorías por cada 1/10 g de agua (Penman 1948), 580 calorías por cada cm³ (Potts 1988), o 58.5 cal/cm².dia para evaporar 1 mm de lámina (Guevara 2006).

Resultados y discusión

En esta sección se presentan y discuten los elementos de juicio y conceptos fundamentales para calcular el caudal de diseño de las unidades de cultivo con criterio ingenieril y de manera armónica con los propósitos productivos de la(s) especie(s) a cultivar.

Criterios para definición del caudal de diseño de una estación piscícola

Como se comentó anteriormente, las variables hidrológicas-climáticas juegan un papel relevante en la definición del balance hídrico de las unidades de cultivo; sin embargo, también existen elementos de juicio que pueden ser tanto o más importantes que los propios componentes hidrológicos, en función de: las características del cultivo y de la especie a producir -que en el presente artículo se denominarán “criterios biológicos y productivos”- , asociados al recambio requerido, y de un aspecto operacional como es el tiempo de llenado de los estanques. La Figura 3, esquematiza los diferentes elementos de juicio para definir el caudal de diseño de una estación para la producción de peces en aguas continentales.

Figura 3. Criterios para estimación del caudal de diseño de una estación piscícola

A continuación se presentan aspectos específicos para determinar los componentes del balance hídrico, el cual deberá ser aplicado a los diferentes tipos de estanques y a los reservorios de la estación piscícola.

Criterios hidrológicos para cálculo del caudal de diseño

El ciclo hidrológico es el nombre otorgado al continuo movimiento del agua en, sobre y debajo de la superficie de la Tierra, sin principio ni fin, en forma de líquido, vapor o hielo. Los criterios hidrológicos para estimar el cálculo de diseño tienen relación con los efectos que producen los factores climatológicos y del tipo de suelo en la conservación del volumen necesario para la producción acuícola; según Torres y Machado (2011), los principales factores del clima son: latitud, altitud, continentalidad y maritimidad, vegetación, suelos, disposición del relieve, corrientes marítimas e intervención antrópica. El clima ha sido uno de los más fundamentales temas de reflexión humana por siglos; sin embargo, la humanidad no es en todos los casos y en todas las épocas, una especie determinada por el clima, y el clima no es solo un objeto de la contemplación humana. El clima es también parcialmente el resultado de la actividad humana, condición que ha sido confirmada de manera creciente por la comunidad científica (Stehr y Storch 2010).

Ya que una cuenca hidrográfica es una porción de terreno geográficamente delimitada, en la cual el agua confluye hacia un solo lugar, en un estanque se puede generar fenómenos asimilables a lo que ocurre en el análisis de una microcuenca hidrográfica: existen aportes (entradas), pérdidas (salidas) del líquido y cambio de almacenamiento de agua en el sistema.

El almacenamiento del agua se refiere a la cantidad del líquido contenido en el estanque en el momento del análisis y que usualmente es regulado mediante dispositivos de control de nivel o de caudal tales como válvulas, vertederos y codos abatibles. El concepto del balance hídrico en estanques para piscicultura, las variables involucradas en el análisis de dicho balance y la fórmula básica para su planteamiento (Ecuación 1) se describieron previamente en el ítem Materiales y métodos.

Entradas de agua por precipitación.

Al ser calentadas por la radiación solar, las superficies de tierra y los océanos evaporan agua, que es posteriormente desplazada por los vientos en la atmósfera, se condensa para formar nubes y regresa a la superficie de la Tierra en forma de lluvia o nieve (Trenberth 2011). La distribución mundial de la precipitación sobre la superficie terrestre es mucho más compleja que la de la insolación o de la temperatura del aire, ello ocurre porque prácticamente toda la precipitación es resultado del enfriamiento adiabático debido al ascenso de las masas de aire (Ayoade 2011). Según Vinatea (2004), cada día, únicamente el 0.005% de toda el agua que existe en el planeta se mueve por medio del ciclo hidrológico; una gota de agua permanece cerca de nueve días en el aire (como vapor), para después precipitarse cobre la tierra; si dicha gota cae en un glaciar, puede permanecer en ése lugar por cerca de cuarenta años, en un lago por cerca de cien años y en el subsuelo entre doscientos y diez mil años; una molécula de agua puede permanecer en el océano cerca de cuarenta mil años antes de entrar nuevamente en el ciclo hidrológico.

La cantidad total de precipitación que llega al suelo durante un determinado periodo de tiempo es expresada como la profundidad de líquido con la cual ésta podría cubrir una proyección horizontal de la superficie de tierra analizada (WMO 2008), los dispositivos más comúnmente utilizados para su medición son los pluviómetros y los pluviógrafos.

Ya que en estanques tipo presa, la lluvia y la escorrentía superficial son el mecanismo exclusivo de ingreso del agua a la unidad de cultivo, es de fundamental importancia disponer de registros pluviográficos multianuales. Para proyectos basados en estanques de derivación, el estudio de datos de precipitaciones históricas estará enfocado principalmente a los efectos que las lluvias extremas generan en términos del aumento del nivel de agua con posibles desbordamientos en captaciones, canales, reservorios y/o estanques, y como fruto de ello producir erosión, desgaste y eventual colapso de las estructuras. Por ello es necesario el análisis y dimensionamiento de sistemas de drenaje, evacuación de excesos y control de niveles de las unidades del proyecto mediante vertederos de exceso, monjes o codos abatibles para estanques de derivación, o mediante spillways en estanques presa.

Si bien es cierto, en este manuscrito se ha enfatizado en los estanques presa y de derivación, también existen los estanques excavados, normalmente no drenables, los cuales se ejecutan en zonas con altos índices de precipitación, donde dependiendo de su profundidad y las características del suelo podrían ser perennes o temporales. Cuando el fondo del estanque es excavado por debajo del nivel freático el líquido ingresa por flujo a través del suelo (Kumar 1992); al ser no drenables, se limita la operación, mantenimiento y reparación adecuados, impidiendo su eficiente manejo (WRC 2010).

Para estimar la cantidad de lluvia que podría recibirse en un cierto periodo de tiempo en la estación piscícola –de especial interés para predecir el abastecimiento de los tanques por este concepto - se hace necesario determinar la precipitación media de la cuenca. De acuerdo con Pinto et al (2008), los métodos más comúnmente utilizados para tal fin son: el cálculo de la media aritmética, que consiste en sumar las precipitaciones observadas en un cierto periodo de tiempo, simultáneamente en todos los puntos –estación pluviométrica-, y dividir el resultado por el número de puntos; el método de los polígonos de Thiessen, el cual consiste en unir en un plano a escala, por medio de líneas rectas las estaciones pluviométricas adyacentes formando triángulos, trazar mediatrices a dichas líneas y proyectarlas hasta los límites de la microcuenca analizada formando polígonos con una cierta área asociada a cada estación, calcular el área ponderada para cada pluviómetro (en términos decimales), para que al sumar los productos de la precipitación de cada pluviómetro por su respectivo ponderador de área se obtenga la precipitación media ponderada; y el método de las Isoyetas, en el que se asume que la precipitación varia de forma lineal entre una y otra estación pluviométrica, de tal manera que es factible determinar la posición de las isoyetas (líneas que unen puntos de igual intensidad de lluvia) y trazarlas sobre el plano, para posteriormente calcular el área entre dos isoyetas consecutivas con su respectivo ponderado respecto al área total; finalmente al sumar los productos de la isoyeta promedio por su respectivo ponderador de área se obtendrá el valor de la precipitación media ponderada. Para estimar las lluvias extremas y tomar las decisiones de diseño pertinentes, se puede recurrir a métodos para cálculo de precipitaciones máximas en un área determinada como el de las curvas intensidad – duración – frecuencia o través del cálculo de la precipitación máxima probable (Bertoni y Tucci 1993).

Entradas de agua por escorrentía superficial.

El escurrimiento superficial corresponde al segmento del ciclo hidrológico relacionado con el desplazamiento del agua sobre la superficie del suelo. El conocimiento de esta fracción es de fundamental importancia para el diseño de obras de ingeniería, pues la mayoría de los estudios hidrológicos está ligada al aprovechamiento del agua superficial y a la protección contra los fenómenos provocados por su desplazamiento (Pruski et al 2003). El estudio de este fenómeno marcó el inicio de la hidrología científica, cuando en 1674 en dos puntos de la cuenca del río Sena, Perrault y Mariotte analizaron las precipitaciones y los flujos producto de escorrentía superficial para cuencas con 121.5 y 60.36 km² de área (Rodda 1976).

La precipitación efectiva es la fracción del volumen total precipitado que genera el escurrimiento superficial, para su determinación es necesario retirar los volúmenes evaporados, retenidos en las depresiones y los infiltrados (Tucci 1993). Los factores que influencian la velocidad de infiltración del agua en el suelo –que será analizada más adelante- influyen a su vez en el escurrimiento superficial, dichos factores pueden clasificarse en: agroclimáticos, tales como la cantidad, intensidad, duración y distribución de la precipitación en la cuenca hidrográfica, dirección del movimiento de la lluvia, evapotranspiración, cobertura y condiciones de uso del suelo; y en fisiográficos, tales como área, forma y pendiente de la cuenca, topografía y red de drenaje, tipo de suelo, obras hidráulicas presentes en la cuenca (Calsans et al 2002).

Pérdidas de agua por evaporación.

La evaporación es el proceso por medio del cual el agua en estado líquido se convierte en vapor, incluye la vaporización en superficies de agua, superficies de tierra y campos de nieve, sin incluir la evaporación desde superficies de hojas y ramas (Carter et al 2002). Los principales factores que intervienen en la evaporación son: humedad relativa del aire, temperatura, irradiación solar, insolación, viento y salinidad del agua (Barbosa et al 1987).

La cuantificación de este aspecto del ciclo hidrológico a partir de datos históricos es de gran interés en la evaluación de los recursos y demandas hídricas de un proyecto piscícola, pues permite determinar la cantidad de agua necesaria para reponer las pérdidas del líquido en el sistema de producción. Los valores de evaporación pueden ser directamente medidos o estimados a partir de datos de algunas variables climatológicas; la medición directa suele realizarse en tanques evaporímetros, con evaporímetros de balanza o con “atmómetros”, que son dispositivos que miden las pérdidas de agua en superficies porosas humedecidas, ejemplo de ellos son los evaporímetros Piché (WMO 2012; Jiménez 1992).

Para calcular la evaporación esperable en un proyecto piscícola se debe multiplicar el área total de estanques (espejo de agua productivo) y el valor representativo de la evaporación diaria registrada en tanque evaporímetro Clase A; normalmente se utiliza el dato promedio, aunque al usar valores máximos se realiza un diseño más conservativo. Cabe mencionar que de acuerdo con Coche y Van der Wal (1981), el agua se evapora más rápidamente en los tanques Clase A que en superficies mayores; por ello, cuando se usan los valores de evaporación de dichos tanques, para aproximarse a las pérdidas efectivas, en general se deben multiplicar por un coeficiente de corrección de 0.75 para estanques en tierra, aunque Sharma et al (2013) determinaron valores de 0.68 para estanques en concreto. La estimación indirecta de la evaporación potencial en el espejo de agua también puede realizarse con base en algunas variables climatológicas, cuya inclusión en el análisis se realiza mediante la aplicación de fórmulas, algunas de las cuales fueron descritas previamente en el ítem Materiales y métodos.

Pérdidas de agua por infiltración.

En la producción piscícola deben considerarse las pérdidas de agua por infiltración como importante elemento para calcular el caudal de diseño para dimensionamiento de la infraestructura pertinente, ya que en caso de no optar por un control riguroso de éstas (tal como la impermeabilización con capas de material arcilloso, núcleos de material impermeable en los diques o el uso de plásticos o geomembranas), se deberá dimensionar hidráulicamente el proyecto de manera que garantice la compensación de esas pérdidas mediante un suministro permanente o periódico del agua.

La infiltración es el paso del agua a través de la superficie del suelo hacia el interior del mismo. Según Coche (1986), la permeabilidad es la propiedad que tiene el suelo de transmitir el agua y el aire y es una de las cualidades más importantes a considerarse para la piscicultura; mientras más permeable sea el suelo, mayor será la filtración. De acuerdo con Das (2011), la conductividad hidráulica de los suelos depende de varios factores: viscosidad del fluido, distribución del tamaño de poros del suelo, distribución granulométrica, índice de vacíos, rugosidad de las partículas minerales y grado de saturación del suelo. En suelos arcillosos la estructura tiene una función importante en la conductividad hidráulica. Otros factores importantes que afectan la permeabilidad de las arcillas son la concentración iónica y el espesor de las capas de agua retenidas en las partículas arcillosas.

El valor de la conductividad hidráulica (también conocido como coeficiente de permeabilidad) varía mucho entre los diferentes suelos. La Tabla 1 presenta algunos valores de conductividad reportados por Pinto (2006) y Das (2011), que pueden servir como referencia.

La permeabilidad del suelo se mide en función de la velocidad del flujo de agua a través de éste durante un período determinado. Existen diversos métodos para determinar la conductividad hidráulica; según Peck et al (2000) y Juarez y Rico (2000), básicamente se pueden dividir en métodos directos (como los permeámetros de cabeza constante y de cabeza variable y las pruebas “in situ”) y métodos indirectos (estimaciones a partir de otros parámetros como la granulometría y la prueba de consolidación).

En un estanque el agua de infiltración se refiere al agua que se pierde verticalmente a través del fondo del estanque, horizontalmente a través de las paredes por infiltración y por el sistema de desagüe del mismo. En terraplenes bien construidos y con sistemas de desagüe impermeables, las pérdidas por infiltración horizontal serán muy pequeñas, por ello solo será necesario calcular la infiltración vertical. Para estimar las pérdidas por infiltración de manera conservativa se puede multiplicar el índice de permeabilidad por el área del espejo de agua, contemplando parcialmente posibles pérdidas por infiltración horizontal en los taludes; o utilizando el área de fondo de los estanques y reservorios con igual tipo de suelo.

Criterios biológicos - productivos para cálculo del caudal de diseño

En piscicultura la calidad del agua utilizada es muy importante, pues con ella se propician las condiciones de manejo y cría. Durante el proceso productivo se modifican progresivamente los parámetros físico químicos del agua pues disminuye el contenido de oxígeno disuelto, se altera el pH, se incrementa la turbidez, aumentan las concentraciones de materia orgánica, amonio, fósforo, nitritos, entre otros; tales cambios se generan por descomposición de materia orgánica, respiración de los peces y la presencia de alimento no consumido, heces y secreciones de los animales. Según Vinatea (2004), el oxígeno disuelto debe ser el parámetro más importante en acuicultura, ya que al bajar sus niveles en los estanques, los organismos cultivados se pueden estresar o inclusive pueden morir.

De acuerdo con Avnimelech (2006), para controlar la calidad del agua en los estanques existen tres alternativas: reciclar el agua mediante una unidad externa para purificar el agua; tratar el agua dentro de la propia unidad de cultivo; reemplazar el líquido con agua fresca, usualmente con altos recambios, del orden de cinco veces por día. Con base en lo anterior, para conservar la calidad del líquido respecto a parámetros fundamentales como oxígeno disuelto, pH, amonio y sólidos se debe garantizar la sustitución parcial o total del volumen de agua con una periodicidad que puede ser muy exigente como en el caso de los salmónidos, del orden de varias veces por hora. Dependiendo de la rusticidad de la especie a cultivar existen grandes variaciones en el grado de sensibilidad ante los parámetros físicos y químicos del agua y por ello hay también gran variabilidad en las exigencias de recambio; asociado a la rusticidad se encuentra el tipo de producción y de piscicultura a ejecutar, la fase de crecimiento de la(s) especie(s) de cultivo y la densidad de biomasa.

A continuación se presentan valores específicos de recambio recomendados por diversos autores para algunas especies, fases de crecimiento y tipos de cultivo.

Trucha arcoiris (Oncorhynchus mykiss).

 Los salmónidos como la trucha son especies altamente exigentes en cuanto a la calidad del agua del medio de cultivo, y uno de los parámetros que garantizan la producción de truchas a altas densidades de siembra es el oxígeno disuelto, por ello en ausencia de aireación mecánica eficiente es indispensable practicar recambios permanentes para que sea el agua que entra al estanque la que garantice el nivel de oxígeno disponible para el buen desarrollo de los animales. Según Blanco (1995), la cuantía de recambio es la correcta cuando la relación entre la capacidad de almacenamiento de agua del estanque (m³) y el caudal que lo abastece en una hora (m³/h) es menor o igual a uno. La misma autora recomienda que los estanques sean de forma rectangular, con relación largo/ancho del orden de 10; para evitar la sedimentación de los sólidos y su fermentación en el fondo de los estanques, recomienda una velocidad de flujo de mínimo 3cm/s y un caudal equivalente a cuatro recambios por hora.

Para el caso de ciertas especies de aguas cálidas, los valores recomendados se presentan de manera sintética en la Tabla 2.

Criterios operacionales – tiempo de llenado

Según Yoo y Boyd (1994), es esencial disponer de un sistema de abastecimiento del agua para el llenado de los estanques en un tiempo razonable, por ello es importante considerar para el dimensionamiento hidráulico del sistema los caudales necesarios para llenar las unidades de cultivo en diferentes lapsos de tiempo contemplando las pérdidas por evaporación y eventualmente por infiltración, así como el no ingreso de agua por precipitación. Coche and Muir (1992), recomiendan que para estanques con volumen menor a 1500 m³ se utilice un tiempo de llenado de ocho días; sin embargo, los criterios de operación que establezca el productor son los que determinarán el tiempo necesario para llenado de las unidades de cultivo, ya que entran en juego consideraciones como la necesidad de llenarlos nuevamente después de un vaciado rápido por cosecha, mantenimiento de diques, vertimiento accidental de sustancias nocivas, entre otros.

Ejemplo de estimación del caudal de diseño con los diferentes criterios

Se desea determinar el caudal de diseño para abastecimiento de agua de cada estanque en una estación piscícola para cultivo de tilapia bajo la modalidad semi-intensiva, con una densidad de 15 peces/m². El proyecto en cuestión se localiza en el estado de São Paulo (Brasil) en las coordenadas geográficas: 20°12’42” latitud Sur y 50°55’35” de longitud Oeste, a una altitud de 390 metros sobre el nivel del mar; el espejo de agua disponible por cada estanque es de 5000 m² y su profundidad media es de 1.2 m; adicionalmente, la permeabilidad del suelo de fondo de los estanques es de 0.08 mm/h.

La época más crítica en términos de evaporación a lo largo del año es el mes de agosto, por ello se recurrirá al uso de los datos climatológicos medios de la zona del proyecto para el mes en cuestión: número real de horas de sol por día 9.5 h; temperatura media 24.2°C, humedad relativa media 53.8%; velocidad media del viento a 2 metros de altura 7.92 km/h.

Para efectos de ejemplificar los cálculos correspondientes, se recurre al uso de las ecuaciones descritas por FAO (2006); documento que pese a tener un énfasis en cálculo de la evapotranspiración para cultivos, debido a su simplicidad y carácter didáctico se toma como referencia, con las adecuaciones respectivas para el cálculo de la evaporación en el estanque.

En los siguientes párrafos se presenta la secuencia de cálculo para determinar los componentes del caudal de diseño para un estanque, las fórmulas comúnmente utilizadas y su aplicación específica para el problema tal como se ilustra a continuación:

Caudal necesario por concepto de evaporación

Presión de saturación de vapor (e^o(T)). Se calculará en función de la temperatura media del aire

y dado que la temperatura promedio diaria fue 24.2°C

Presión real de vapor (e_a). Se determina a partir de los datos de temperatura media y humedad relativa del aire:

Radiación extraterrestre (R_a). Puede ser obtenida a partir de diversas tablas que expresan la cantidad de radiación que incide en el límite superior de la atmósfera y que la expresan en diversas unidades como MJ/m²*d ó calorías/cm²*d.

Con base en la localización geográfica del lugar –latitud- se tiene que la radiación media en la parte superior de la atmósfera para el mes de agosto es R _a = 681,56 cal/cm²día; como el factor de conversión de cal/cm²día a MJ/m²*d es 4.1868*10^-2, por lo tanto:

 
Radiación solar (Rs). Dicha radiación puede ser calculada a través de la aplicación de la fórmula de Angstrom que relaciona la radiación solar con la radiación extraterrestre y la duración relativa de la insolación que llega a la superficie terrestre

R_a : Radiación extraterrestre;

a_s : constante de regresión, que expresa la fracción de la radiación extraterrestre que llega a la tierra en días muy nublados (n = 0),

a_s+ b_s : fracción de la radiación extraterrestre que llega a la tierra en días despejados (n = N). Cuando no se han realizado calibraciones previas a la ecuación, se recomienda usar valores de as= 0.25 y de bs = 0.50.

n : duración real de la insolación, que para el caso en estudio es de 9.5 h.

N : duración máxima posible de la insolación (horas), la cual puede ser obtenida a partir de tablas ya elaboradas para las diferentes latitudes y meses del año. Con base en la latitud del lugar, y para el mes en estudio el valor tabulado es de 11.39 h.

A partir de las anteriores informaciones, la aplicación de la ecuación de Angstrom es la siguiente:

Radiación neta solar o de onda corta (R_ns). La radiación neta de onda corta, resultante del equilibrio entre la radiación solar entrante y la reflejada se puede calcular por medio de la ecuación.

R_{ns =} R_s ^*( 1- α ); donde

R_ns : Radiación neta solar o de onda corta,

R_s : radiación solar entrante

α : albedo (relación de la energía reflejada sobre la incidente, que para el caso estudiado de adopta de 0.06

Con las informaciones disponibles, el valor de R_ns será

Radiación solar en un día despejado (R_so). La radiación en días despejados, en casos en que los valores calibrados de a_s y b _s no estén disponibles puede calcularse de la siguiente manera:

R_so= [0,75+(2*10 ^-5 *Z)]* Ra ; Donde

z : elevación de la estación sobre el nivel del mar, que para el caso en estudio es de 390 msnm.

A partir de los datos del problema, el valor de R_so es:

Radiación neta de onda larga R_nl. Se calcula mediante la expresión:

R_nl : Radiación neta de onda larga (Cal/cm²*d),

σ : constante de presión de Stefan-Boltzmann 4.903*10^-9 MJ/(m²*K⁴*d),

T_media : temperatura media absoluta del aire durante un periodo de 24 horas; K=°C+273,16, que para el caso analizado será 24.2+273.16= 279.36 K

e_a : presión de vapor real (kPa),

R_s : radiación solar medida o calculada (MJ/m²*d),

R_so : radiación en un día despejado (MJ/m²*d).

Con base en las informaciones del problema, el valor de R_nl será:

R_nl = 4.0441MJ/m²*d

Radiación neta (Rn). Es la diferencia entre la radiación neta de onda corta (R_ns) y la radiación neta de onda larga (R_nl):

 R_n =  R_ns -R_nl

 A partir de los datos disponibles:

Evaporación de referencia (E_o) . La evaporación de referencia (o también conocido en algunos textos como “calor disponible para evaporación”) puede determinarse a partir del denominado método FAO Penman-Monteith (FAO 2006) a partir de la siguiente expresión:

E_o : Evaporación de referencia (mm/d),

Δ : pendiente de la curva de presión de vapor (kPa/°C),

R_n : radiación neta en la superficie evaporante (MJ/m²*d),

G : flujo del calor del cuerpo de agua (MJ/m²*d),

γ : constante psicrométrica (kPa/°C)

T : temperatura media del aire a 2 m de altura (°C)

u₂ : velocidad del viento a 2 m de altura (m/s)

e_s : presión de vapor de saturación (kPa)

e_a : presión real de vapor (kPa)

La pendiente de la curva de presión de saturación de vapor para la temperatura media del aire (T) puede calcularse por medio de la siguiente expresión:

Con los datos disponibles se tiene que:

 La constante psicrométrica se determina a partir de la ecuación:

c_p : calor específico a presión constante = 1.013*10^-3 MJ/kg*°C,

P : presión atmosférica del lugar en estudio (kPa),

ε : cociente del peso molecular de vapor de agua /aire seco = 0.622,

λ : calor latente de vaporización = 2.45 MJ/kg.

Para calcular P puede emplearse una simplificación de la ley de los gases ideales, a una temperatura atmosférica estándar de 20°C con la fórmula:

.

A partir de los datos suministrados, se tiene que la velocidad del viento a 2 metros de altura de 7.92 km/h equivale a 2.2 m/s. Adicionalmente, debe considerarse que para periodos de un día, la magnitud del flujo de calor bajo la superficie de referencia es relativamente pequeña, y que esta puede ser ignorada, por lo tanto G = 0.

Utilizando las informaciones disponibles, la evaporación de referencia será entonces:

Determinación del volumen de agua perdido por evaporación (V_e). El volumen de agua que se perdería diariamente por evaporación en cada estanque equivale al producto del área superficial (espejo de agua por estanque = 5000 m²) multiplicado por la lámina de agua evaporada (3.045 mm/d = 0.003045 m/d):

Esto quiere decir que se evaporarían 152.25 m³ de agua en un día promedio del mes más crítico (agosto) en cada estanque. Para reponer dicho volumen de agua por medio de un sistema de flujo continuo (Q_Ve), se requeriría un caudal de:

Caudal de recambio en función de la especie y densidad de cultivo

Ya que se realizará el cultivo de tilapia bajo la modalidad semi-intensiva, con una densidad de 15 peces/m², se adopta lo recomendado por Espejo and Torres (2001), en el sentido de practicar un recambio del agua del orden del 10% del volumen total por hora.

A partir de las dimensiones medias del estanque, se tiene que el volumen medio (V_medio) de cada unidad productiva es:

 V_medio =  A_sup* H_{med ; Donde:}

A_sup : Área de la superficie del espejo de agua del estanque

H_med : profundidad media en el estanque.

Utilizando los datos del problema, se tiene que el volumen medio es:

V_medio =  50000 m²*1.2 m;V_medio = 60000 m³

El volumen de líquido que deberá utilizarse diariamente para efectuar el recambio (V_R) necesario es:

Con base en lo anterior, el caudal por concepto de recambio (Q_Rec), basado en un sistema hidráulico de flujo continuo será:

Caudal por concepto de infiltración (V_inf).

El volumen de agua que se perdería diariamente por infiltración en cada estanque –de manera conservativa- es el producto del área superficial del estanque (5000 m²) multiplicado por la permeabilidad del suelo de fondo de los estanques (0.08 mm/h = 0.00008 m/h).

El caudal para reponer las pérdidas de agua por concepto infiltración en el estanque (Q_Inf), a partir de un sistema hidráulico de flujo continuo será:

Determinación del caudal diario de diseño por estanque

El caudal de diseño para cada estanque (Q_DisE) será aquel que al mismo tiempo logrará atender los requerimientos por concepto de reposición de las pérdidas por evaporación (Q_ve), pérdidas por infiltración (Q_Inf) y recambio (Q_Rec), de acuerdo con la especie –tilapia- y la densidad de cultivo adoptada (15 peces/m²), que para el problema abordado es:

Como se puede apreciar, para el cultivo de la especie con elevadas densidades (producción semi-intensiva o intensiva), la mayor fracción del caudal de diseño está enfocada a atender los requisitos por concepto de recambio, representando para el caso estudiado aproximadamente el 99.8% del flujo requerido, lo que pone en evidencia la relevancia de adoptar criterios de diseño que trasciendan a concepción hidrológica. Vale la pena reiterar que las pérdidas de agua por infiltración corresponden a un tipo de situación que el diseñador del sistema de producción podrá -y preferiblemente, deberá- controlar dada la diversidad de alternativas para tal fin y las agudas condiciones de escasez del agua.

Conclusiones

• La combinación de los elementos de juicio citados propicia el cálculo del caudal de diseño para una estación piscícola que regirá las dimensiones de las obras de captación, transporte y distribución del líquido. Los proyectos piscícolas para especies rústicas, con grandes espejos de agua y construidos en terrenos con coeficientes de permeabilidad bajos, tales como arcillas o arcillas limosas, presentarán bajas pérdidas de agua por infiltración y muy probablemente los criterios que regirán el caudal de diseño sean la reposición de pérdidas por evaporación y tiempo de llenado. En casos de producción industrial de trucha, que usualmente se realiza en canales de ladrillo revestido o en concreto, las pérdidas de agua por infiltración pueden considerarse como nulas y las pérdidas por evaporación serán muy bajas, de tal forma que el criterio predominante para cálculo del caudal de diseño será el recambio requerido por la especie, lo que va un poco más allá de los criterios hidrológicos convencionales.
  
  
• Los proyectos de piscicultura en estanques, requieren de un cuidadoso estudio de los aspectos antes discutidos, pues ello garantizará el dimensionamiento de las unidades hidráulicas con solvencia técnica, para los caudales estrictamente necesarios que sustenten el uso racional del agua con criterios de funcionalidad, seguridad y economía. Aun son necesarias investigaciones que definan los flujos de agua recomendables para garantizar el mayor bienestar animal y el cultivo óptimo de muchas especies nativas promisorias.

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