UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR
DE LOJA
La Universidad Católica de Loja
TITULACIÓN DE INGENIERO CIVIL
Simulación del factor energético a la demanda y por
turnos en redes de riego presurizadas.
Trabajo de fin de titulación
Autor:
Chávez Sánchez, Gabriel Antonio
Directora:
Lapo Pauta, Carmen Mireya, Ing.
LOJA
–
ECUADOR
II
Certificación
Ing.
Carmen Mireya Lapo Pauta
DIRECTORA DEL TRABAJO DE FIN DE TITULACIÓN
CERTIFICA:
Que el presente trabajo denominado “Simulación del factor energético a la demanda y por turnos en redes de riego presurizadas”, realizado por el profesional en formación: Gabriel Antonio Chávez Sánchez, cumple con los requisitos establecidos en las normas generales para la Graduación en la Universidad Técnica Particular de Loja, tanto en el aspecto de forma como de contenido, por lo cual me permito autorizar su presentación para los fines pertinentes.
Loja, noviembre del 2012.
III
Cesión de derechos
Yo, Gabriel Antonio Chávez Sánchez, declaro ser autor del presente trabajo y eximo expresamente a la Universidad Técnica Particular de Loja y a sus representantes legales de posibles reclamos o acciones legales.
Adicionalmente declaro conocer y aceptar la disposición del Art. 67 del Estatuto Orgánico de la Universidad Técnica Particular de Loja que en su parte pertinente dice: “Forman parte del patrimonio de la Universidad la propiedad intelectual de investigaciones, trabajos científicos o técnicos y tesis de grado que se realicen a través, o con el apoyo financiero, académico o institucional (operativo) de la Universidad”
IV
AGRADECIMIENTO
Gracias a ti Señor, porque hiciste realidad este sueño, por estar conmigo en cada paso que doy, por fortalecer mi corazón e iluminar mi mente y por haber puesto en mi camino a aquellas personas que han sido mi soporte y compañía durante todo el período de mis estudios.
Gracias por todo Mamá y Papá por darme una excelente formación personal, este presente simboliza mi gratitud por todo el cariño, apoyo y confianza que me permitieron cumplir una de mis grandes metas, la culminación de mi carrera profesional.
Gracias a mis hermanas, quienes han vivido de cerca las distintas etapas de mi vida, y con quienes he compartido gratos momentos.
Gracias a todos y cada uno de mis familiares que siempre estuvieron preocupados y pendientes de mí, en la evolución de mis estudios.
Gracias, de corazón a mi Directora de Tesis, Ing. Mireya Lapo Pauta por su generosidad, al brindarme la oportunidad de recurrir a su capacidad y experiencia científica en un marco de confianza, afecto y amistad. Ha sido un privilegio poder contar con su orientación y apoyo para la concreción del presente trabajo.
A los Docentes de la Escuela de Ingeniería Civil de la UTPL, por haberme brindado su orientación con profesionalismo ético en la adquisición de conocimientos y afianzando mi formación.
V
DEDICATORIA
A mis Padres porque creyeron en mí, dándome ejemplos dignos de superación y entrega, por sus valores, sus consejos, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien y lograr mis metas y objetivos que me propuse.
A mis Hermanas Karina y Adriana, por estar junto a mí, dándome su cariño y apoyo moral cuando más lo necesitaba. Espero que este triunfo en mi vida sea un ejemplo a seguir.
A mis Abuelitas María y Rosa, tías, tíos, primas, primos y más familiares, quienes con su espíritu alentador contribuyeron al logro de mis objetivos.
VI
ÍNDICE
CERTIFICACIÓN... II CESIÓN DE DERECHOS ... III AGRADECIMIENTO ... IV DEDICATORIA ... V ÍNDICE ... VI RESUMEN EJECUTIVO ... XII ABSTRACT ... XIII
1. GENERALIDADES ... 14
1.1. INTRODUCCIÓN... 14
1.2. OBJETIVOS ... 15
1.3. ANTECEDENTES ... 15
1.4. JUSTIFICACIÓN ... 16
2. ESTADO DEL ARTE ... 18
2.1 PRIMER MODELO DE CLÉMENT ... 18
2.2 DISEÑO POR TURNOS DE RIEGO ... 23
3. CASO DE ESTUDIO ... 25
3.1 DATOS PRELIMINARES ... 25
4. METODOLOGÍA ... 27
4.1 SOFTWARE CROPWAT ... 27
4.2 DISEÑO DE LA RED A LA DEMANDA ... 32
4.2.1 DOTACIÓN DE RIEGO ... 32
4.2.2 PROBABILIDAD ELEMENTAL ... 33
4.2.3 CALIDAD DE OPERACIÓN ... 34
4.2.4 CAUDALES POR LÍNEA CUANDO SE ASIGNA UN VALOR GLOBAL DE DOTACIÓN ... 34
4.2.5 CAUDALES POR LÍNEA CUANDO SE CALCULAN LAS DOTACIONES POR CADA PARCELA ... 35
4.3 DISEÑO DE LA RED POR TURNOS DE RIEGO ... 36
5. CÁLCULO TIPO ... 38
5.1 CÁLCULO DE CAUDALES POR EL MÉTODO DE CLÉMENT ... 39
5.1.1 ÁREA EFECTIVA DE RIEGO ... 39
5.1.2 DOTACIÓN DE RIEGO ... 40
5.1.3 PROBABILIDAD ELEMENTAL ... 41
5.1.4 CALIDAD DE OPERACIÓN ... 41
5.1.5 CAUDALES POR LÍNEA ... 41
5.1.6 DISEÑO DE LA RED POR EL MÉTODO DE LA VELOCIDAD ... 42
5.1.7 PÉRDIDAS POR ACCESORIOS ... 44
5.1.8 PÉRDIDAS POR HAZEN-WILLIAMS ... 45
5.1.9 PÉRDIDAS POR DARCY-WEISBACH ... 46
5.1.10 SOBREPRESIÓN POR GOLPE DE ARIETE ... 48
VII
5.2.1 DOTACIÓN DE RIEGO ... 51
5.2.2 CAUDALES POR LÍNEA ... 51
5.2.3 DISEÑO DE LA RED POR EL MÉTODO DE LA VELOCIDAD ... 51
5.2.4 PÉRDIDAS POR ACCESORIOS ... 52
5.2.5 PÉRDIDAS POR HAZEN-WILLIAMS ... 52
5.2.6 PÉRDIDAS POR DARCY-WEISBACH ... 53
5.2.7 SOBREPRESIÓN POR GOLPE DE ARIETE ... 53
6. MODELACIÓN Y DISEÑO DE LA RED DE ESTUDIO EN LOS PROGRAMAS EPANET Y DIOPRAM ... 55
6.1 SOFTWARE DIOPRAM ... 55
6.1.1 RESULTADOS ... 57
6.2 SOFTWARE EPANET ... 59
6.2.1 MODELACIÓN DE LA RED A LA DEMANDA Y POR TURNOS DE RIEGO. ... 60
6.2.2 COEFICIENTE DEL EMISOR ... 61
6.2.3 SIMULACIÓN DEL FACTOR ENERGÉTICO ... 63
6.2.3.1 DATOS ENERGÉTICOS REQUERIDOS ... 64
6.2.3.2 CURVA CARACTERÍSTICA DE LA BOMBA ... 65
6.2.3.3 SIMULACIÓN DEL FACTOR ENERGÉTICO EN LA RED DISEÑADA A LA DEMANDA . 66 6.2.3.4 SIMULACIÓN DEL FACTOR ENERGÉTICO EN LA RED DISEÑADA POR TURNOS .. 67
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 69
7.1 DISEÑO DE LA RED A LA DEMANDA Y POR TURNOS DE RIEGO ... 69
7.2 DISEÑO DE LA RED A LA DEMANDA MEDIANTE EL USO DEL SOFTWARE DIOPRAM ... 71
7.3 MODELACIÓN DE LA RED EN PERÍODO DEL TIEMPO ESTACIONARIO EN EL SOFTWARE EPANET ... 72
7.4 MODELACIÓN DE LA RED EN PERÍODO DEL TIEMPO EXTENDIDO EN EL SOFTWARE EPANET ... 73
7.4.1 BALANCE DE CAUDALES ... 75
7.4.2 CURVAS DE EVOLUCIÓN ... 77
7.4.3 GRÁFICAS DE FRECUENCIA ... 80
7.5 FACTOR ENERGÉTICO ... 84
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 88
8.1. CONCLUSIONES ... 88
8.2. RECOMENDACIONES ... 90
BIBLIOGRAFÍA ... 91
VIII
ÍNDICE DE CUADROS
3. CASO DE ESTUDIO
Cuadro 1. Características de la Red ... 25
5. CÁLCULO TIPO
IX
ÍNDICE DE TABLAS
2. ESTADO DEL ARTE
Tabla 1. Calidad de operación U(Pq)... 21
3. CASO DE ESTUDIO
Tabla 2. Datos meteorológicos de la estación San Juan – Chimborazo ... 26
4. METODOLOGÍA
Tabla 3. Garantía de suministro ... 34
5. CÁLCULO TIPO
Tabla 4. Gama de tuberías de la línea plastigama ... 43
6. MODELACIÓN Y DISEÑO DE LA RED DE ESTUDIO EN LOS PROGRAMAS EPANET Y DIOPRAM
Tabla 5. Presiones de trabajo del aspersor Wobbler ... 62
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
X
ÍNDICE DE FIGURAS
4. METODOLOGÍA
Figura 1. Ingreso de datos meteorológicos del sector en el software Cropwat ... 28
Figura 2. Ingreso de datos de precipitación en el software Cropwat ... 29
Figura 3. Ingreso de datos del cultivo alfalfa en el software Cropwat ... 30
Figura 4. Ingreso de datos del suelo en el software Cropwat ... 31
Figura 5. Patrón de cultivo ingresado en el software Cropwat ... 32
6. MODELACIÓN Y DISEÑO DE LA RED DE ESTUDIO EN LOS PROGRAMAS EPANET Y DIOPRAM Figura 6. Ingreso de datos en el software Diopram del ramal Yulchirón 1 ... 57
Figura 7. Ingreso de datos de zanjas en el software Diopram del ramal Yulchirón 1 ... 57
Figura 8. Ingreso de datos de tuberías en la red ... 60
Figura 9. Ingreso de datos de válvulas reductoras de presión en la red... 61
Figura 10. Ingreso de datos en los nudos de la red ... 63
Figura 11. Curva característica de la bomba Ideal APM-50 50 HZ ... 65
Figura 12. Curva característica de la bomba Ideal RNI-125-26 60 HZ ... 66
Figura 13. Informe energético de la red diseñada a la demanda para una altura de bombeo necesaria de 10 metros. ... 66
Figura 14. Informe energético de la red diseñada a la demanda para una altura de bombeo necesaria de 20 metros.. ... 67
Figura 15. Informe energético de la red diseñada por turnos para una altura de bombeo necesaria de 10 metros. ... 67
Figura 16. Informe energético de la red diseñada por turnos para una altura de bombeo necesaria de 20 metros... ... 68
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS Figura 17. Perfil longitudinal de presión en la modalidad de riego a la demanda ... 72
Figura 18. Perfil longitudinal de presión en la modalidad de riego por turnos ... 73
Figura 19. Curva de modulación para el diseño a la demanda ... 74
Figura 20. Curva de modulación para el diseño por turnos ... 75
Figura 21. Balance de caudales en el sistema de riego a la demanda ... 76
Figura 22. Balance de caudales en el sistema de riego por turnos ... 76
Figura 23. Curva de evolución temporal de la presión en el sistema diseñado a la demanda ... 77
Figura 24. Curva de evolución temporal de la presión en el sistema diseñado por turnos ... 78
Figura 25. Curva de evolución temporal del caudal en el sistema diseñado a la demanda ... 78
Figura 26. Curva de evolución temporal del caudal en el sistema diseñado por turnos ... 79
Figura 27. Curva de evolución temporal de pérdidas unitarias en el sistema diseñado a la demanda . 79 Figura 28. Curva de evolución temporal de pérdidas unitarias en el sistema diseñado por turnos ... 80
Figura 29. Distribución de presión a las 15h00 en el sistema a la demanda ... 81
Figura 30. Distribución de presión a las 15h00 en el sistema por turnos ... 81
Figura 31. Distribución del caudal a las 15h00 en el sistema a la demanda ... 82
XI
Figura 33. Distribución de la velocidad a las 15h00 en el sistema a la demanda ... 83
Figura 34. Distribución de la velocidad a las 15h00 en el sistema por turnos ... 83
Figura 35. Distribución de las pérdidas unitarias a las 15h00 en el sistema a la demanda ... 84
Figura 36. Distribución de las pérdidas unitarias a las 15h00 en el sistema por turnos ... 84
Figura 37. Consumo energético para una altura de bombeo de 10 m en el sistema a la demanda ... 85
Figura 38. Consumo energético para una altura de bombeo de 20 m en el sistema a la demanda ... 85
Figura 39. Consumo energético total en dólares (USD) para una altura de bombeo de 10 m ... 86
XII
RESUMEN EJECUTIVO
En el presente proyecto de investigación se realizó el análisis técnico y económico del diseño redes de riego presurizadas en las modalidades a la demanda y por turnos, mediante la aplicación de hojas de cálculo de Microsoft Excel y de software basado en programación lineal. Los resultados obtenidos en los dos métodos, muestran una disminución significativa de los caudales por línea para el sistema diseñado por turnos, en el cual se utiliza diámetros de tubería de magnitudes inferiores, que implica menores costes de adquisición y construcción de obra.
XIII
ABSTRACT
In this research project was carried out a technical and economic analysis of pressurized irrigation networks design in the modalities on demand and by irrigation shifts, by applying spreadsheets Microsoft Excel and software based in linear programming. The results presented in the two methods, show a significant decrease of flow per line for the system designed by turns, in which pipe diameters showed lower magnitudes, which means lower costs of purchase and construction work.
1. GENERALIDADES
1.1 INTRODUCCIÓN
La falta de agua para el desarrollo adecuado de los cultivos constituye una de las preocupaciones más extendidas del agricultor. Es por ello que se han logrado grandes avances tecnológicos, mediante la construcción de importantes obras hidráulicas para el aprovechamiento del agua en la sociedad.
Desde hace mucho tiempo atrás se ha optado por el uso de tuberías y de canales a cielo abierto para llevar el agua hasta los campos de cultivo. En la actualidad se evidencia una gran extensión del diseño de sistemas a presión, debido a los beneficios que trae al agricultor en el empleo óptimo y sostenible del agua, que cada vez más es en un recurso con disponibilidad limitada, con condiciones de uso que definen lo que se conoce como riego a la demanda y por turnos.
El riego por aspersión es el sistema más conocido por su efectividad en grandes superficies, y por lo tanto fue utilizado en la presente investigación. Este sistema dispone de emisores, con su descarga de agua inducida por la presión disponible en las tuberías; la presión puede provenir de una bomba accionada por motor eléctrico, a diesel, a gasolina, etc., o presión de gravedad proveniente de la diferencia de nivel entre la captación y el área de riego.
15
encaminen a un mejor aprovechamiento de los recursos naturales. Es por ello que en este trabajo se desarrolla el diseño óptimo de una red de riego presurizada para que trabaje a la demanda con el primer modelo de Clément y por turnos.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo General
Determinar el factor energético en redes presurizadas por la modalidad de riego a la demanda y por turnos.
1.2.2 Objetivos Específicos
Realizar el diseño de la red de riego por el método probabilístico de Clément a la demanda y por turnos.
Modelar los sistemas de riego utilizando el programa Epanet.
Optimización del diseño de la red en el programa Diopram (versión profesional).
1.3 ANTECEDENTES
En un estudio realizado por la Secretaría Nacional del Agua (SENAGUA, 2011), se identificó que el área regable neta del Ecuador es de aproximadamente 3’136 000 hectáreas, que se encuentran sobre las cuencas de la vertiente del Pacífico y de la vertiente Amazónica. La cuenca más extensa es la del río Guayas, que representa el 40.4% de la superficie regable del país, seguida de la cuenca del río Esmeraldas con el 12.6%.
16
La mayor parte del consumo de agua del Ecuador se destina al riego, estimándose su uso en un 80.6% del consumo total (SENAGUA, 2011). Es imprescindible un mayor control y mejoras en el diseño de los sistemas de riego que aseguren el buen desempeño y ahorro del recurso hídrico.
El diseño de la red de riego por aspersión fue seleccionado según los datos proporcionados por el Consejo Provincial de Chimborazo, porque su implantación depende del tipo de cultivo que se produce en el sector, y la época del año en la que se utilice el sistema, además de las ventajas que ofrece al usuario, entre ellas:
1. Ahorro de tiempo y mano de obra al momento de operar. 2. Adaptable para sectores de riego con cualquier pendiente.
3. Su eficiencia es del 70% con relación a otros tipos de riego superficial. 4. Ideal para tipos de cultivos densos como: alfalfa, hortalizas, pastizales.
1.4 JUSTIFICACIÓN
El dimensionamiento óptimo de las redes presurizadas de riego a la demanda, permite una mayor flexibilidad en cuanto a la disposición del agua por el agricultor, que facilita una libre programación de riego de acuerdo a las necesidades concretas de los cultivos, las condiciones meteorológicas en las que se encuentren y de la tecnología disponible. Por otra parte existen ciertas características tales como la falta de recursos económicos, que conducen al diseño de redes de riego por turnos para no encarecer el coste de la instalación.
Considerando que el factor energético está directamente relacionado con el uso de bombas en sistemas de riego a presión, su estudio resulta muy beneficioso en la obtención de medidas cuantificadoras del recurso energético, cuando se diseña la red a la demanda y por turnos.
17
18
2. ESTADO DEL ARTE
2.1 PRIMER MODELO DE CLÉMENT
La distribución del agua mediante redes de riego presurizadas comenzó a implantarse hace unos 40 años en Francia y se ha ido extendiendo poco a poco a los demás países en desarrollo. Este gran avance tecnológico promovió el desarrollo de modelos estadísticos para calcular los caudales de diseño. Ejemplos de estos modelos son la primera y la segunda fórmula Clément (1966), sin embargo, sólo la primera fórmula ha sido ampliamente utilizada. En la actualidad se evidencia gran aplicación del primer modelo de Clément para sistemas de riego presurizados en países europeos, como el proyecto investigativo de calibración “Sinistra Ofanto” propuesto por Lamaddalena y Sagardoy (1993) en Italia.
Los sistemas de riego a la demanda ofrecen mayor beneficio potencial que otros tipos de programas de riego y otorgan flexibilidad a los agricultores para que puedan manejar el recurso hídrico de la mejor manera y de acuerdo a sus necesidades.
Por supuesto, se requiere una serie de condiciones preliminares que garanticen el riego a la demanda. Debe existir correcta disposición de los hidrantes de suministro en la red de riego, el diseño tiene que ser adecuado para el transporte de caudales, especialmente durante las temporadas de máxima demanda, y garantizar la presión mínima en las explotaciones agrícolas de una manera adecuada.
19
hidrante opera satisfactoriamente, en términos de presión mínima requerida, dependiendo de su posición y configuración en la red.
Uno de los estudios que se ocupan del cálculo de la capacidad de los sistemas de riego presurizado operando a la demanda, se resume en el trabajo realizado por Clément en el año de 1966, en el cual propone dos modelos. Aunque estos modelos son teóricamente correctos, las suposiciones que gobiernan la determinación de sus parámetros no toman en cuenta el actual funcionamiento de los sistemas de riego. En vista de estas limitaciones, se realizaron investigaciones simulando algunas estrategias de irrigación, en las cuales se utilizaron ciertos factores tales como: el área a ser irrigada, el tipo de suelo, el patrón de cultivos y la variación del clima.
“El primer modelo probabilístico de Clément considera que el número de hidrantes abiertos simultáneamente siguen una distribución binomial, donde el criterio probabilístico de simultaneidad de Clément rige la determinación de los coeficientes de consumo. Mediante la definición de los parámetros de funcionamiento de los hidrantes de riego y de las áreas abarcadas por cada uno de ellos se calcula el caudal de circulación por cada línea, que garantice el correcto funcionamiento y consumo de los hidrantes situados aguas abajo.” (Lamaddalena y Sagardoy, 1993)
Una de las aproximaciones probabilísticas más usadas en la actualidad corresponde a la propuesta por Clément (1966) y se resume como sigue:
Siendo d la dotación de riego por hidrante (l/s), A el área de riego (ha), qs el caudal ficticio continuo (l/s/ha), R el número de hidrantes, T la duración del periodo pico (h), T’ el tiempo de operación de la red (h) durante el periodo T, r el coeficiente de uso de la red. El tiempo de operación promedio t’ de cada hidrante durante el periodo pico (h) resulta:
20
La probabilidad elemental p de operación de cada hidrante es definida como:
Para una cantidad R de hidrantes, la probabilidad de encontrar un hidrante abierto es p, mientras que (1 - p) es la probabilidad de que esté cerrado. El número de hidrantes en operación es considerado como una variable aleatoria con distribución binomial:
y la varianza:
La garantía de suministro de R hidrantes con un valor máximo de hidrantes
N será:
donde:
El valor de es el número de combinaciones de R hidrantes tomando K en el tiempo. Donde R es suficientemente largo (R > 10) y p > 0.2-0.3, la distribución binomial aproxima la distribución normal de Laplace-Gauss cuya garantía de suministro con un valor máximo de x hidrantes operando simultáneamente (con -∞ < x < N) es:
Ec. 2
Luego,
Ec. 3
Ec. 4
Ec. 5
∑
Ec. 6
Ec. 7
√ ∫
21 U(Pq) es la variable normal estándar que corresponde a la garantía de suministro Pqy u es la diferencial normal estándar dada por:
[image:21.595.230.408.246.431.2]Las soluciones de la ecuación 8 han sido tabuladas en la tabla 1, y de acuerdo al valor de Pq, es posible determinar sus valores correspondientes de U(Pq).
Tabla 1. Calidad de operación U(Pq)
Garantía de
suministro (%) U(Pq)
90 1.285
91 1.345
92 1.405
93 1.475
94 1.555
95 1.645
96 1.755
97 1.885
98 2.055
99 2.324
Fuente: Lamaddalena y Sagardoy, 1993, p. 18
Luego se puede calcular el número de hidrantes operando simultáneamente
N, a través de la ecuación 9; y para u = U(Pq) tenemos:
Considerando hidrantes con la misma dotación, la descarga total aguas abajo en una sección k dada es:
La primera fórmula de Clément propone una solución probabilística para determinar el caudal por línea en una red presurizada de riego a la demanda basada en tres hipótesis iniciales:
√ Ec. 9
√ Ec. 10
22
1. La primera hipótesis se refiere al parámetro r, definido como el coeficiente de utilización del sistema, en el cual la duración del día para el riego, dentro del período de mayor consumo, es menor a 24 horas. Este parámetro debe tener un valor igual a uno debido a que el sistema de riego a la demanda puede trabajar las 24 horas del día. Desde un punto de vista conceptual, puede considerarse como un parámetro que ayuda a ajustar la formulación teórica del sistema a través de un enfoque estadístico. Por lo tanto, los valores del parámetro r deben ser seleccionados por regiones homogéneas y para determinados cultivos.
2. La segunda hipótesis se refiere a la probabilidad elemental de la apertura de cada hidrante, con una estimación del tiempo de funcionamiento medio de cada hidrante. Pero, la probabilidad de encontrar un hidrante funcionando en un tiempo dado, depende de su estado en el momento anterior, porque un agricultor abre su hidrante y lo deja funcionando por un gran número de lapsos de tiempo. La probabilidad elemental varía durante el día, de acuerdo a la forma de trabajar del agricultor.
3. La tercera hipótesis considera la independencia de los hidrantes y su funcionamiento al azar durante el periodo de mayor consumo. Esta hipótesis puede parecer justificada porque los agricultores trabajan de acuerdo a sus necesidades individuales de riego y no de acuerdo a la operación de los agricultores vecinos. (Lamaddalena y Sagardoy, 1993, p. 18)
23
2.2 DISEÑO POR TURNOS DE RIEGO
Los elementos de diseño para una red de riego organizada por turnos son los mismos que a la demanda, sin embargo, la funcionalidad de éstos sería diferente. El método de Clément a la demanda debe detectar la apertura de los hidrantes por parte del agricultor, mientras que en un sistema organizado por turnos la apertura y cierre se gestiona íntegramente desde la red. A diferencia del diseño a la demanda que funcionaría todo el tiempo, éste restringe el uso del agua y se ajusta a lo programado.
Debido a las restricciones por parte de este tipo de diseño, se utiliza la dotación promedio por ramal, y el número de turnos puede ser definido según las necesidades de riego por línea. Para cada ramal se procede al cálculo de los caudales de cabecera, sumando todas las dotaciones por turno aguas abajo y se parte con el caudal de cabecera que resultase mayor. El cálculo de caudales por línea se realiza mediante la acumulación de dotaciones aguas abajo dependiendo de la topología de la red
“El control de cierre y apertura de los hidrantes, y la secuencia de funcionamiento de los pertenecientes a un mismo turno, se incluirían en la programación establecida por la comunidad para cada usuario y no supondría un aumento en el presupuesto de automatización de la red. Los hidrantes pertenecientes a un mismo turno no pueden regar a la vez, sino que deben hacerlo de forma correlativa, primero uno y después otro.” (Alduán, 2006, p.42).
La programación de riego en parcela es necesaria en los dos sistemas, tanto a la demanda como por turnos, con la diferencia de que en el sistema de riego por turnos se estableció el horario de uso para cada uno de los hidrantes ubicados en la red.
24
25
3. CASO DE ESTUDIO
3.1 DATOS PRELIMINARES
La red de riego analizada del proyecto “San Francisco de Cunuguachay”, se encuentra ubicada en la parroquia Calpi, cantón Riobamba, provincia de Chimborazo, y está conformada por tres ramales claramente diferenciados: Yulchirón, Centro y Pausil, y dos subramales: Yulchirón 1 y Yulchirón 2 (véase anexo 6 red de riego, y el anexo digital 3 planos).
Cuadro 1. Características de la Red
Área total de la comunidad 201 ha
Área de riego 90.83 ha
Área efectiva de riego 53.23 ha Número total de hidrantes 545 ha Caudal del recurso disponible 16.5 l/s
Número de usuarios 109
Número máximo de parcelas por usuario 5
Fuente: El autor
Los datos preliminares son: superficie abastecida por cada uno de los ramales, área de todas las parcelas, distribución de hidrantes en la red, y topografía del sector. El sistema de riego cuenta con 109 usuarios con diversas áreas de riego, por esta razón se estableció la conveniencia de que cada usuario seleccione máximo 5 parcelas más idóneas, es decir que cada usuario dispondrá de 5 hidrantes.
Según el proyecto original, cuyos datos fueron facilitados por Consejo Provincial de Chimborazo, el sistema de producción agrícola se compone principalmente de los siguientes cultivos: papa, habas, cereales y alfalfa, este último con mayor incidencia, cubriendo un 50 % de la superficie de riego de la comunidad. El análisis físico del suelo del sector distingue el predominio de texturas franco-arenosas.
26
reservorio de agua en estado sólido; y que aporta caudales a las quebradas del sector producto de las filtraciones de los deshielos del nevado. Las obras de captación fueron realizadas por la comunidad desde el año 1977, fecha en que obtuvieron la concesión, y consiste en una serie de galerías de infiltración y canales de derivación que llegan al reservorio, ubicados en el sector Chinigua con una cota de 3652 metros sobre el nivel del mar. El reservorio dispone de 3500 m3, que para el caudal de concesión de 16.5 l/s permite realizar una regulación durante 2.5 días.
En la presente investigación se utilizará el software Cropwat debido a sus grandes ventajas en la obtención del caudal ficticio continuo, valor a ser utilizado más adelante como base de diseño del sistema a la demanda y por turnos. Para la aplicación de este software se requiere de ciertos datos de entrada en lo que respecta a datos meteorológicos del sector (ver tabla 2), como temperatura mínima, temperatura máxima, humedad, velocidad del viento e insolación, los cuales fueron obtenidos del anuario hidrológico 2008 del Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología (INAMHI), de la estación de San Juan – Chimborazo M393 ubicada en la ciudad de Riobamba.
Tabla 2. Datos meteorológicos de la estación San Juan - Chimborazo
MES
Temperatura
(°C) Humedad relativa (%)
Precip. mensual
(mm)
Número de días con
precip.
Velocidad media del viento
(m/s)
Horas de sol promedio al
día Mín. Máx.
ENERO 6.90 16.00 87 89.00 18 0.14 7.10 FEBRERO 6.70 15.10 87 94.70 18 0.16 7.00 MARZO 6.00 16.60 87 132.00 19 0.14 6.80 ABRIL 6.40 16.30 88 113.40 19 0.14 8.00 MAYO 7.00 16.00 83 108.20 7 0.17 7.80 JUNIO 5.60 16.80 77 41.80 15 0.22 9.00 JULIO 6.40 15.60 80 11.00 4 0.26 10.00 AGOSTO 6.10 16.60 73 21.80 8 0.24 7.80 SEPTIEMBRE 6.40 17.40 75 48.10 12 0.26 9.50 OCTUBRE 7.20 17.10 82 99.70 8 0.15 9.30 NOVIEMBRE 6.20 17.00 82 107.90 18 0.13 8.60 DICIEMBRE 6.20 17.30 83 108.10 13 0.12 7.70 VALOR ANUAL 6.43 16.48 82 975.70 159 0.18 8.22
27
4. METODOLOGÍA
Para el desarrollo de la metodología se consideró el trazado de la red, la disposición de parcelas y la distribución de hidrantes, definidos en el proyecto original. En primera instancia se procedió con un nuevo trazado de la red, según la topografía del sector y la ubicación de las parcelas de riego. La comunidad de San Francisco cuenta con 109 usuarios beneficiados con este sistema, a los cuales se asignó 5 hidrantes por usuario, con un total de 545 hidrantes para toda la red. Los pasos a seguir fueron los siguientes:
1. Nuevo trazado de la red de riego para la comunidad de San Francisco de Cunuguachay, con los datos proporcionados del sector.
2. Obtención del caudal ficticio continuo de la red a través del software Cropwat, para lo cual se usaron como datos de partida los proporcionados por la estación meteorológica del sector.
3. Aplicación del método probabilístico de Clément a la demanda y el cálculo de caudales por turnos de riego mediante el uso de una hoja de cálculo de Microsoft Excel.
4.1 SOFTWARE CROPWAT
28
Los valores de entrada para la utilización del software Cropwat son los siguientes:
1. Meteorología del sector. 2. Datos generales del suelo. 3. Tipos de cultivo.
Los datos meteorológicos fueron ingresados al programa y luego se obtuvieron los valores de radiación solar, evapotranspiración (ver figura 1), y los valores de precipitación efectiva utilizando el método del Servicio de Conservación de Suelos de los Estados Unidos (USDA, Soil Conservation Service Method) para calcular las abstracciones de la precipitación de una tormenta (ver figura 2).
La precipitación efectiva, es aquella que no se retiene en la superficie terrestre y tampoco se infiltra en el suelo, y después de fluir a través de la superficie, el exceso de precipitación se convierte en escorrentía directa. (FAO, 1998)
Figura 1. Ingreso de datos meteorológicos del sector en el software Cropwat
29
Figura 2. Ingreso de datos de precipitación en el software Cropwat
Fuente: El autor
En la comunidad de San Francisco de Cunuguachay predominan los cultivos de alfalfa, papa, haba y cereales; una de las ventajas del software Cropwat es que cuenta con una base de datos extensa de cultivos que incluyen:
1. Valores de coeficiente del cultivo (Kc) que describen las variaciones de la cantidad de agua que las plantas extraen del suelo a medida que se van desarrollando desde la siembra hasta la recolección.
2. Etapas o fases anuales del cultivo: inicial, desarrollo, mediados de temporada y fin de temporada.
3. Profundidad radicular que hace referencia a la profundidad en la que se encuentran las raíces de los cultivos.
4. Agotamiento crítico que representa el nivel crítico de humedad en el suelo a partir del cual ocurre estrés por falta de agua.
5. Factor de respuesta del rendimiento (Ky) que se refiere a la reducción del rendimiento relativo al déficit de evapotranspiración relativa.
6. Altura de cultivo como dato opcional y en caso de que no se ingrese, no se hará ningún ajuste.
30
cada tipo de cultivo y únicamente colocamos las fechas de siembra y cosecha según lo requerido (ver figura 3). Los porcentajes de siembra para cada cultivo cubren el área total del sector con un 50 % de alfalfa, 25% papa, 15% haba y el 10% de cereales.
Figura 3. Ingreso de datos del cultivo alfalfa en el software Cropwat
Fuente: El autor
El software requiere de los siguientes datos del suelo:
1. Humedad de suelo disponible total (CC-PMP) que es la lámina almacenable (La) en mm por metro de profundidad calculada con valores de capacidad de campo CC (%), punto de marchitez permanente PMP (%) y densidad aparente Da (gr/cm3). Calculada con la siguiente ecuación:
2. Tasa máxima de infiltración de la precipitación en mm/día, con un valor de 32 mm para este caso de estudio.
31
3. Profundidad radicular máxima del cultivo con un valor de 70 cm establecido con anterioridad.
4. Agotamiento inicial de humedad de suelo, si el suelo se encuentra a capacidad de campo, el agotamiento es de 0 %; mientras que si el suelo está seco el agotamiento es de 100%.
5. Humedad de suelo inicialmente disponible, mantenemos el valor de 190 mm/m calculado anteriormente. (FAO, 1998)
El sector de estudio tiene un tipo de suelo franco arenoso y los datos generales antes mencionados fueron tomados del proyecto original e ingresados en el software (ver figura 4).
Figura 4. Ingreso de datos del suelo en el software Cropwat
Fuente: El autor
Luego de ingresar los datos generales de clima, tipos de cultivo y suelo se procede al cálculo de los requerimientos de agua para cada cultivo y así obtenemos los valores de evapotranspiración (Etc) que son utilizados posteriormente para estimar la programación de riego para cada cultivo, (ver anexo 1 entorno del software Cropwat).
32
Figura 5. Patrón de cultivo ingresado en el software Cropwat
Fuente: El autor
Finalmente haciendo clic en la última opción “Sistema” del programa se obtiene una tabla de resultados con los requerimientos globales de agua para todos los meses del año, donde podremos establecer el valor del caudal ficticio continuo necesario en el mes de mayor demanda, como se puede apreciar en la figura 6.
Según la tabla de resultados obtenidos (anexo 1), se pudo estimar que se requiere mayor caudal en el mes de julio, por lo tanto el caudal ficticio continuo que se utilizará para el diseño de la red es de 0.31 l/s/ha.
Nota: Las tablas de cálculo, así como gráficas de precipitaciones, requerimientos hídricos, tipos de cultivo, se presentan en el anexo 1, y el fichero generado por el software se encuentra en el anexo digital 5.
4.2 DISEÑO DE LA RED A LA DEMANDA
4.2.1 Dotación de riego
Para calcular la dotación de riego d (l/s) en el diseño de la red se planteó lo siguiente:
33
disponibles para el riego (generalmente el agua se encuentra a disposición del regante las 24 horas al día) y la jornada efectiva de riego en horas (JER), que el agricultor tendría abierta su toma diariamente.
2. Caudal ficticio continuo de diseño: Las instalaciones de riego funcionan un cierto número de horas, es decir, en la jornada efectiva de riego, por lo tanto el caudal ficticio continuo de diseño que se utiliza para calcular la dotación será:
3. El coeficiente de uso (r) se obtiene dividiendo la JER entre el número de horas diarias (24 horas).
4. Finalmente calculamos la dotación por parcela y la dotación promedio que se utilizará más adelante para obtener la probabilidad elemental.
Donde:
di = dotación de riego (l/s) Si = área de la parcela (ha)
d = dotación promedio por ramal (l/s)
S = área promedio de la parcela por ramal (ha)
4.2.2 Probabilidad elemental
Debido a que el primer modelo de Clément es un método probabilístico que estima los caudales por línea se requiere calcular la probabilidad p de que
Ec. 13
Ec. 14
Ec. 15
Ec. 16
34
un hidrante se encuentre abierto o no, utilizando el número total de hidrantes acumulados aguas abajo, como se muestra en la ecuación 3.
4.2.3 Calidad de operación
Este valor se obtiene tomando en cuenta el número de hidrantes por ramal para establecer la garantía de suministro en porcentaje, y determinar la calidad de operación, donde los valores de U(Pq) son los percentiles de la función de distribución normal asociados a la garantía de suministro, y que han sido tabulados en una tabla de valores finales (ver tabla 1),que incluye la garantía de suministro en porcentaje y el valor de U(Pq) a ser utilizado más adelante en el cálculo de caudales por línea. (Lamaddalena y Sagardoy, 1993, p. 17)
La calidad de operación del sistema U(Pq) queda definida como una variable que fija el proyectista en función del nivel de garantía que se quiera dar al sistema dependiendo del número total de hidrantes asignados en la red. Cabe destacar que el modelo de Clément funciona únicamente para redes con un número de hidrantes superior a 10. Se puede establecer el valor de la garantía de suministro en función del número de hidrantes como sigue:
Tabla 3. Garantía de suministro
Número de hidrantes Garantía de suministro (%)
1-5 100
6-20 99
21-50 95
mayor a 50 90
Fuente: Lamaddalena y Sagardoy, 1993, p. 18
4.2.4 Caudales por línea cuando se asigna un valor global de dotación.
35
Los caudales por línea resultan del producto del número de hidrantes adoptado, operando simultáneamente por la dotación global de riego para todas las parcelas.
Donde:
Q = caudal por línea (l/s)
Na = número adoptado de hidrantes en valores enteros. d = dotación global de riego para todas las parcelas (l/s)
4.2.5 Caudales por línea cuando se calculan las dotaciones por cada parcela.
Se necesita determinar el caudal acumulado aguas abajo del ramal, sumando las dotaciones establecidas para cada parcela, valor que será finalmente comparado con el caudal por línea de Clément.
Donde:
di = dotación por parcela (l/s)
Los caudales por línea de Clément resultan del uso de las siguientes ecuaciones:
Caudal medio:
Varianza:
Ec. 18
∑
Ec. 19
∑
Ec. 20
∑
36
Caudal de Clément:
También se puede expresar como sigue:
Calculados todos los caudales por línea se procede a comparar los valores de los caudales acumulados con los caudales de Clément, optando como caudal de diseño el menor entre estos dos.
4.3 DISEÑO DE LA RED POR TURNOS DE RIEGO
El diseño de la red por turnos de riego implica ciertos cambios que difieren del diseño a la demanda en el sistema. Entre ellos se encuentran:
1. Jornada efectiva de riego. 2. Dotaciones por hidrante.
3. Cálculo de los caudales por línea.
El número de turnos debe satisfacer las necesidades del agricultor, facilitando su aplicación al momento de operar el sistema. Una vez ya definido el número de turnos de riego en la red, se establecen las dotaciones por parcela, para esto se usa los valores de dotación promedio por ramal, definidos en el proyecto original, facilitando así el cálculo de los caudales por línea.
Luego de establecer las dotaciones por ramal, se procede a calcular los caudales por línea tomando en cuenta los hidrantes aguas abajo para cada turno en los diferentes tramos y acumulando las dotaciones por hidrante dependiendo de su ubicación.
∑
√ ∑
Ec. 22
37
38
5. CÁLCULO TIPO
Los datos de entrada para el cálculo de caudales por línea en el ramal Yulchirón 1 son los siguientes:
Cuadro 2. Datos generales de entrada
Área total de riego 90.83 ha Caudal disponible 16.5 l/s Área total del ramal 0.86 ha Número total de parcelas 11 u
Caudal ficticio continuo 0.31 l/s/ha
Fuente: El autor
A continuación se detallará la obtención del caudal de la línea 15 del ramal Yulchirón 1 tanto a la demanda como por turnos de riego, utilizando el método de la velocidad para el diseño de la red. Para lo cual se calcularon pérdidas por accesorios, pérdidas por Hazen-Williams, pérdidas por Darcy-Weisbach y finalmente la sobrepresión generada por el fenómeno transitorio de golpe de ariete.
Se determinó que el área de riego es de 90.83 hectáreas, pero según el proyecto original se cuenta con el caudal disponible para el ramal Yulchirón de 16.5 l/s. Se calculó el área efectiva de riego global dividiendo el caudal del recurso disponible para el caudal ficticio continuo del software Cropwat, y se obtuvo el área efectiva de riego (Sefectiva).
39
obtención de las dotaciones de riego a emplearse en el cálculo de los caudales por el método de Clément.
5.1 CÁLCULO DE CAUDALES POR EL MÉTODO DE
CLÉMENT
Datos de entrada en la hoja de cálculo de Microsoft Excel para la línea 15:
Cuadro 3. Datos de entrada en la hoja de cálculo de Microsoft Excel
Área total efectiva de riego 53.23 ha Porcentaje de área de riego efectivo 58.60 % Área efectiva de riego del ramal 0.503 ha Área promedio de la parcela 0.046 ha Jornada efectiva de riego 16 horas
Nudo inicial 14
Nudo final 15
Longitud 67.09 m
Cota nudo 14 3433 m Cota nudo 15 3418 m
Fuente: El autor
5.1.1 Área efectiva de riego
El nudo 15 dispone de dos hidrantes, los cuales alimentan 2 parcelas que cubren un área de 0.04081 y de 0.08126 hectáreas, el área efectiva de cada parcela se calculó como sigue:
40
5.1.2 Dotación de riego
Para el presente diseño se optó por calcular las dotaciones individuales por parcela, para obtener valores más exactos en cuanto al cálculo de caudales por línea. Se requiere definir el valor de la jornada efectiva de riego (JER), que en el primer modelo de Clément varía entre 16 y 18 horas, y en este caso en particular se asignó una JER de 16 horas. Luego se calcularon el grado de libertad (GL) y el coeficiente de uso (r) con las ecuaciones 13 y 15, respectivamente.
Seguidamente se obtuvo el caudal ficticio de diseño con la ecuación 14:
Luego se calculan las dotaciones por parcela y la dotación promedio que se utilizará más adelante para obtener la probabilidad elemental. El área total de riego efectiva del ramal es de 0.5032 hectáreas con un total de 11 hidrantes, y se tiene un área promedio de 0.0457 hectáreas. Su dotación promedio fue:
Las dotaciones asignadas para cada parcela fueron las siguientes:
41
5.1.3 Probabilidad elemental
Para calcular la probabilidad elemental de Clément se utilizó la ecuación 3. Cabe destacar que la probabilidad es la misma para todos los ramales de estudio.
5.1.4 Calidad de operación
El presente ramal funciona con 11 hidrantes acumulados a lo largo del tramo y con ello tenemos una garantía de suministro del 99 % (ver tabla 3), con lo cual se dispone la elección de la calidad de operación U(Pq) de 2.324 (ver tabla 1). Los cuatro ramales que siguen suman un número de hidrantes acumulados de 534, y funcionarán con una garantía de suministro del 90% y calidad de operación de 1.285.
5.1.5 Caudales por línea
Primero se determina el caudal acumulado aguas abajo, que para el caso de este tramo resulta de la sumatoria de las dotaciones anteriormente calculadas:
Los caudales por línea de Clément se obtienen del uso de las ecuaciones 20, 21 y 23, respectivamente.
Caudal medio:
Varianza:
42
Caudal de Clément:
(√ )
El caudal de Clément fue de 0.074 l/s, mientras que el caudal acumulado es 0.050 l/s, por lo tanto el menor entre los dos resultó ser el segundo, que será el caudal de diseño para este tramo.
5.1.6 Diseño de la red por el método de la velocidad
El diseño óptimo de la red consiste en seleccionar el diámetro de tubería de cada tramo de la red, que satisface las condiciones hidráulicas de funcionamiento, es decir que el agua sea entregada en la cantidad y con la presión hidráulica requerida, con el menor costo de inversión.
El dimensionamiento de la red mediante el método de la velocidad implica que todas las tuberías tengan un diámetro tal que la velocidad con la que circula el fluido se encuentre en el rango recomendado, y para la presente investigación se planteó un rango de velocidades que oscilen entre 0.5 y 2 m/s. Para calcular la velocidad se utilizó la siguiente ecuación:
Remplazando valores:
Donde:
V = velocidad (m/s) Dint = diámetro interno (m) Q = caudal por línea (m3/s)
Para el diseño de la red mediante el método de la velocidad se sigue el proceso:
43
1. Cálculo del diámetro económico con la ecuación de Mannesman Rohren Werke.
Remplazando valores:
⁄
Donde:
D = diámetro económico (mm)
Q = caudal de diseño por línea (m3/s)
Para ajustar los diámetros calculados con diámetros comerciales, se escogió la gama de tuberías de la línea agrícola de plastigama como se detalla en la tabla 4, y para este tramo se seleccionó la tubería de 20 mm.
Tabla 4. Gama de tuberías de la línea plastigama
DIÁMETRO COMERCIAL
(mm)
Pérdidas VÁLVULA
(m)
Pérdidas TEE (m)
Pérdidas CODO 90 (m)
Pérdidas CODO 45
(m)
Diámetro interno
(mm)
PRESIÓN DE TRABAJO
(mca)
espesor (mm)
20 0.1 0.7 1.1 0.4 17 203.94 1.50
25 0.2 0.8 1.2 0.7 22 163.15 1.50
32 0.3 0.9 2 0.7 29 127.46 1.50
40 0.4 1.5 2 1 37 101.97 1.50
50 0.7 2.2 3.2 1.3 47 81.58 1.50
63 0.8 2.3 3.4 1.5 59 81.58 2.00
75 0.9 2.4 3.7 1.7 70.4 81.58 2.30
90 0.9 2.5 3.9 1.8 84.4 81.58 2.80
110 1 2.6 4.3 1.9 103.2 81.58 3.40
160 1.2 3.6 5.4 2.6 150 81.58 5.00
200 1.4 5 5.5 3.5 187.6 81.58 6.20
Fuente: Tubosistemas plastigama de Amanco. (n.d.). Tuberías y accesorios de PVC y de PE BD, uso agrícola. Obtenida el 18 de enero del 2012 de:
http://www.plastigama.com.ec/pdfs/agricola/complementos.pdf
44
2. Debido a que algunos hidrantes se encuentran cerca del tanque de reserva, es inevitable que se den velocidades bajas como la obtenida anteriormente, con lo que se corre el riesgo de sedimentación para estos sectores, lo que implica un mayor mantenimiento. Luego de obtener las velocidades con los diámetros ajustados, se procede a calcular los caudales máximos por diámetro comercial considerado, y en función del caudal calculado se escogieron los diámetros de la tabla 4.
Caudal máximo:
Remplazando valores:
Donde:
Vmáx = velocidad máxima de diseño (m/s)
D = diámetro seleccionado de la gama de tuberías (mm):
Se debe tener en cuenta que el sistema funciona con una presión mínima en el nudo, en este caso la presión base del aspersor es de 10 mca (los datos del aspersor se detallarán más adelante), y en los casos en los que el nudo no cumplía con la presión mínima se aumentó el valor de los diámetros.
5.1.7 Pérdidas por accesorios
Las pérdidas por accesorios fueron obtenidas del catálogo electrónico de plastigama, se calcularon únicamente las uniones por cada 6 metros de tubería y sus pérdidas:
Remplazando:
Ec. 27
45
Pérdidas por uniones:
Remplazando valores:
Donde:
L = longitud del tramo (m) hfu = pérdidas por uniones (m) V = velocidad (m/s)
g = gravedad (m/s2)
5.1.8 Pérdidas por Hazen-Williams
Para proceder con este método se utilizó la siguiente ecuación:
Remplazando:
( )
Las pérdidas totales por fricción (Hf) se obtienen sumando las pérdidas por Hazen-Williams más las pérdidas por accesorios.
Remplazando valores:
Ec. 29
( )
Ec. 30
46
Cota piezométrica:
Remplazando:
Luego se calcula la presión estática, la cual se obtiene de restar la cota del tanque menos la cota del terreno final, así:
Remplazando valores:
Finalmente se calcula la presión dinámica, la cual se obtiene de restar la cota piezométrica del tramo menos la cota del terreno:
Remplazando:
La presión dinámica obtenida es de 47.65 mca, valor mayor a 10 mca, por lo tanto se cumple la presión mínima requerida en el nudo, y la máxima permitida hasta 55 mca.
5.1.9 Pérdidas por Darcy-Weisbach
Número de Reynolds:
Remplazando valores:
Ec. 32
Ec. 33
Ec. 34
47
Factor de fricción con la ecuación de Swamme:
Donde:
ɛ = rugosidad PVC (m) Dint = diámetro interno (m):
Remplazando valores:
[ ( )]
Pérdidas por fricción
Donde:
hfD-W = pérdidas por Darcy-Weisbach (m) f = factor de fricción de Swamme L = longitud del tramo (m)
Dint = diámetro interno de la tubería (m) V = velocidad (m/s)
g = aceleración de la gravedad (m/s2)
Remplazando valores:
Resultado:
Ec. 36
48
La presión dinámica obtenida es de 47.29 mca, valor superior a 10 mca, por lo tanto se cumple la presión mínima requerida en el nudo, y la máxima permitida hasta 55 mca.
5.1.10 Sobrepresión por golpe de ariete
A continuación se calculó la sobrepresión generada por el fenómeno transitorio de golpe de ariete, para ello obtenemos los valores de celeridad de las ondas de presión (a) en m/s, el tiempo de fase (T) en segundos, y la longitud crítica (Lc) en metros.
Celeridad (a):
Donde:
a = celeridad de las ondas de presión (m/s).
K = módulo de elasticidad volumétrica del agua, 2.074 x 109 N/m2. ρ = densidad del agua, 1000 Kg/m3.
E = módulo de elasticidad de la tubería PVC, 2.758 x 109 N/m2. Dint = diámetro interior de la tubería (m)
e = espesor de la tubería (m)
Remplazando valores:
√
√
Tiempo de fase (T):
√ √
Ec. 38
49
Donde:
T = tiempo de fase en segundos. Lacum = longitud acumulada del tramo
a = celeridad de las ondas de presión (m/s).
Remplazando valores:
Longitud crítica (Lc)
Donde:
Lc = longitud crítica (m)
Remplazando valores:
Para calcular el golpe de ariete ΔH, se tomaron las siguientes consideraciones:
a). Si la longitud acumulada por tramo es menor a la longitud crítica (Lc), se trata de una conducción o impulsión corta, que corresponde a un cierre lento, y por lo tanto el golpe de ariete resultante se obtiene de la ecuación de Michaud:
b). Si la longitud acumulada por tramo es mayor a la longitud crítica (Lc), se trata de una conducción o impulsión larga, que corresponde a un cierre rápido, y por lo tanto el golpe de ariete resultante se obtiene de la ecuación de Allievi:
Ec. 40
50
En el presente tramo la longitud acumulada es de 372.17 m. mayor a la longitud crítica de 371.02 m., por lo tanto se utilizó la ecuación de Allievi:
Finalmente calculamos el valor de la sobrepresión generada, sumando el valor del golpe de ariete y las presiones dinámicas obtenidas anteriormente por Hazen-Williams y por Darcy-Weisbach, respectivamente.
Sobrepresión (Hazen – Williams):
Sobrepresión (Darcy – Weisbach):
Según la tabla 4, la tubería de 20 mm tiene una presión de trabajo de 203.94 mca, mucho mayor a los valores de sobrepresión obtenidos, por lo tanto la tubería resiste perfectamente al fenómeno transitorio de golpe de ariete.
5.2 CÁLCULO DE CAUDALES POR TURNOS DE RIEGO
En el diseño de la red por esta modalidad, se fijaron tres turnos de riego para una jornada efectiva de 12 horas, a diferencia del modelo de Clément con 16 horas. Como propuesta de riego para los usuarios se establecieron 3 horarios de riego para cada turno como se indica en el cuadro 4.
51
Cuadro 4. Turnos de riego
TURNO HORA 1 06h00-10h00 2 10h00-14h00 3 14h00-18h00
Fuente: El autor
5.2.1 Dotación de riego
El sistema de riego por turnos es más restrictivo que el diseño a la demanda, es por ello que para la asignación de dotaciones por hidrante, se optó por el uso de dotaciones promedio definidas en el proyecto original.
El tramo 15 de la red que se encuentra en el ramal Yulchirón 1, cuenta con un área efectiva de riego total de 0.503 hectáreas y 11 hidrantes, con lo que se obtiene un área promedio de 0.0457 ha. La dotación promedio fue de 0.06 l/s.
5.2.2 Caudales por línea
Los caudales por línea fueron obtenidos por acumulación de dotaciones aguas abajo, dependiendo de la topología de la red y del turno asignado a cada hidrante, siempre tomando como caudal de diseño el mayor que resulte de los 3 turnos de riego establecidos.
El tramo 15 cuenta con 2 hidrantes, para los cuales se fijó el primer y segundo turno respectivamente, por lo tanto tienen la misma dotación de 0.06 l/s, que corresponde al caudal de diseño para este tramo.
5.2.3 Diseño de la red por el método de la velocidad
52
Para ajustar los diámetros calculados con diámetros comerciales, se escogió la gama de tuberías de la línea agrícola de plastigama como se detalla en la tabla 4, seleccionando el diámetro de tubería de 20 mm. La velocidad calculada con la ecuación 25 resultó de 0.25 m/s.
Luego de obtener las velocidades con los diámetros ajustados, se procede a calcular los caudales máximos por diámetro comercial considerado.
5.2.4 Pérdidas por accesorios
Las pérdidas por accesorios fueron obtenidas del catálogo electrónico de plastigama, y se calcularon únicamente las uniones por cada 6 metros de tubería y sus pérdidas con las ecuaciones 28 y 29, respectivamente: el número de uniones fue de 10, y las pérdidas (hfu) de 0.01 m. Las pérdidas totales por accesorios resultan de la adición de las pérdidas por accesorios detalladas anteriormente en la tabla 4, más las pérdidas por uniones; para el tramo analizado no se cuenta con accesorios, por lo tanto la pérdida total por accesorios es de 0.01 m.
5.2.5 Pérdidas por Hazen-Williams
Para proceder con este método utilizamos la ecuación 30, resultando un valor de 0.43 m para el tramo de estudio. Las pérdidas totales por fricción (Hf) fueron de 0.45 m.
La presión mínima en el nudo es de 10 mca, y para comprobar que se cumpla este valor de presión mínima, calculamos la cota piezométrica, la presión estática y la presión dinámica, con las ecuaciones 32, 33 y 34, respectivamente:
53
La presión dinámica obtenida es de 48.02 mca, valor superior a 10 mca, por lo tanto se cumple la presión mínima requerida en el nudo, y la máxima permitida hasta 55 mca.
5.2.6 Pérdidas por Darcy-Weisbach
Los valores obtenidos con las ecuaciones antes expuestas fueron los siguientes:
- Número de Reynolds (Re) = 3242.82 - Factor de fricción (f) = 0.043526192 - Pérdidas por fricción (hfD-W) = 0.55 m - Pérdidas totales por fricción (Hf) = 0.56 m - Cota piezométrica = 3465.65 m - Presión estática = 54.55 mca - Presión dinámica = 47.65 mca
La presión dinámica obtenida fue de 47.65 m, valor superior a 10 mca, por lo tanto se cumple la presión mínima requerida en el nudo, y la máxima permitida hasta 55 mca.
5.2.7 Sobrepresión por golpe de ariete
A continuación se calculó la sobrepresión generada por el fenómeno transitorio de golpe de ariete, pero antes se obtuvieron los valores de celeridad, tiempo de fase y la longitud crítica, con las ecuaciones definidas con anterioridad:
- Celeridad (a) = 466.69 m/s - Tiempo de fase (T) = 1.59 s - Longitud crítica (Lc) = 371.02 m
54
una longitud acumulada de 372.17 m, superior a la longitud crítica de 371.02 m, y por lo tanto se utilizó la ecuación de Allievi obteniendo un valor de 11.89 mca.
Finalmente calculamos el valor de la sobrepresión generada, sumando el valor del golpe de ariete y las presiones dinámicas obtenidas anteriormente por Hazen-Williams y por Darcy-Weisbach
- Sobrepresión (Hazen – Williams) = 59.91 mca - Sobrepresión (Darcy – Weisbach) = 59.54 mca
Según la tabla 4, la tubería de 20 mm tiene una presión de trabajo de 203.94 mca, mucho mayor a los valores de sobrepresión obtenidos, por lo tanto la tubería resiste perfectamente al fenómeno transitorio de golpe de ariete.
55
6. MODELACIÓN Y DISEÑO DE LA RED DE ESTUDIO
EN LOS PROGRAMAS EPANET Y DIOPRAM
6.1 SOFTWARE DIOPRAM
El software Diopram es un programa desarrollado por del Grupo Multidisciplinar de Modelación de Fluidos de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Valencia. Es una herramienta de cálculo basada en programación lineal para el dimensionado óptimo de redes de distribución de agua en régimen permanente. Diseña redes ramificadas siguiendo el criterio económico, por lo cual presenta grandes ventajas como medio de optimización.
Para la presente investigación se utilizó la versión profesional 3.0 que ofrece características más completas, y funciona bajo el entorno Windows. Esta versión es la más actual del programa, que ha llegado a constituirse como un referente estándar en proyectos de redes de distribución de agua.
“El software Diopram como herramienta óptima de diseño está basado en la aplicación de un modelo de programación lineal con una función objetivo de tipo económico y restricciones de funcionamiento, referentes a características hidráulicas, y modelos que trabajan de forma versátil para su adaptación a diferentes consideraciones de diseño.” (Pérez, 1993, p. 5.2). Los diámetros candidatos para la simulación de la red, deberán cumplir ciertos requerimientos como: disponibilidad comercial y la velocidad de circulación dentro del rango de valores máximos y mínimos
El proceso de funcionamiento del software Diopram establece las siguientes etapas:
1. Entrada de datos.
56
La información necesaria para el diseño de una red mediante el software Diopram se puede resumir en tres parámetros:
1. Configuración física de la red: trazado, nudos, cotas, y longitud de líneas. 2. Requisitos que debe satisfacer la red como dotaciones por parcela, presión mínima en los nudos, y velocidad mínima y máxima.
3. Gama de tuberías y costes de excavación.
Diopram es una aplicación idónea para el diseño de redes de distribución de agua en zonas de nueva urbanización, áreas industriales y para redes de riego a presión. El programa desde sus inicios ha sido destinado al diseño de redes de riego, y nos da la opción de calcular los caudales por el método probabilístico de Clément.
Entre las ventajas principales que ofrece el programa tenemos:
- Estimación precisa de los costes energéticos a partir de la aplicación de tarifas eléctricas, cuyos datos pueden ser modificados por el usuario.
- Optimización del coste conjunto de la inversión más el coste energético de la operación del sistema.
- Dimensionamiento de algunas líneas, mientras que el diámetro de otras ha sido prefijado por el usuario en la red existente.
- Solución obtenida se presenta con tuberías comercialmente disponibles de la gama seleccionada por el usuario.
- Cálculo de costes por excavación de zanjas para toda la red de diseño.
57
Figura 6. Ingreso de datos en el software Diopram del ramal Yulchirón 1
Fuente: El autor
Nuestro país no cuenta con normativas para el diseño de sistemas de riego, por lo tanto los datos correspondientes al cálculo de excavación de zanjas fueron ingresados conforme lo describe la Norma INEN para el diseño y construcción de sistemas de agua potable y los costes de excavación vigentes (ver figura 7).
Figura 7. Ingreso de datos de zanjas en el software Diopram del ramal Yulchirón 1
Fuente: El autor
6.1.1 RESULTADOS
58
archivo (ver anexo digital 6 software Diopram). La secuencia utilizada para la modelación de la red de San Francisco se describe a continuación:
1. Se ingresaron los datos generales que requiere el software altura de cabecera conocida, que para el caso de estudio es de 3472.55 metros; ciertos parámetros de Clément como el caudal ficticio continuo de 0.31 m/s/ha, la jornada de riego de 16 horas y la garantía de suministro global del 99 y 95 % dependiendo del número de hidrantes por ramal.
2. En opciones de cálculo se insertaron los márgenes de velocidad mínima y máxima que para nuestro diseño fue de 0.50 y 2.00 m/s respectivamente. Para insertar los valores de las dotaciones por hidrante (l/s) y el área de la parcela abastecida (ha), se seleccionaron las líneas que disponían de hidrantes, una por una, y se insertaron dichos valores seleccionando la opción “Caudales de Clément”.
3. Uno de los objetivos principales del uso de este programa, es obtener los costes de la tubería seleccionada, para ello se dispuso una gama de tuberías personalizada con los diámetros utilizados anteriormente del catálogo de plastigama y de nuevos diámetros de fundición dúctil que presentan mayores presiones de trabajo. La gama de tuberías incluye datos de diámetros nominales, internos y externos; espesor de la tubería, presión máxima y costes por metro en dólares americanos. La gama completa se encuentra detallada en el anexo 2.
59
6.2 SOFTWARE EPANET
La complejidad en la simulación y análisis de sistemas de riego por métodos manuales hace que la utilización de distintos programas informáticos, se convierta en una herramienta útil dentro del dimensionamiento óptimo de las redes de distribución de agua.
El software Epanet es un programa gratuito desarrollado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, que realiza simulaciones en periodos prolongados del comportamiento hidráulico de una red de agua a presión. Una red puede estar constituida por tuberías, nudos, bombas, válvulas y depósitos de almacenamiento o embalses.
El programa efectúa un seguimiento de la evolución de los caudales y velocidades en las tuberías, las presiones en los nudos y los niveles en los depósitos, a lo largo del periodo de simulación definido en múltiples intervalos de tiempo. Ofrece un entorno de fácil comprensión para la edición de datos de entrada a la red, la realización de simulaciones hidráulicas y la visualización de resultados en una amplia variedad de formatos, tales como mapas de la red codificados por colores, tablas numéricas, gráficas de evolución y mapas de isolíneas. Entre las ventajas que se tomaron en cuenta para la modelación de la red de estudio se encuentran las siguientes:
- No hay límites para el tamaño de la red de distribución a modelarse. - Admite la simulación de cualquier tipo de bomba.
- Las pérdidas de carga pueden calculares mediante las fórmulas de Hazen Williams, Darcy-Weisbach o Chezy-Manning.
- Estima el consumo energético y sus costes.
- Considera varios tipos de válvulas, tales como las válvulas reductoras de presión.
