Comprobación de metodologías de optimización en sistemas de riego.

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CARÁTULA

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA

La Universidad Católica de Loja

ÁREA TÉCNICA

TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

Comprobación de metodologías de optimización en sistemas de riego.

TRABAJO DE TITULACIÓN.

AUTOR

: Briceño Escobar, Jhinson Marcelo.

DIRECTORA

: Lapo Pauta, Carmen Mireya, MSc.

LOJA - ECUADOR

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Esta versión digital, ha sido acreditada bajo la licencia Creative Commons 4.0, CC BY-NY-SA: Reconocimiento-No comercial-Compartir igual; la cual permite copiar, distribuir y comunicar públicamente la obra, mientras se reconozca la autoría original, no se utilice con fines comerciales y se permiten obras derivadas, siempre que mantenga la misma licencia al ser divulgada. http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.es

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APROBACIÓN DEL DIRECTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN

Master

Carmen Mireya Lapo Pauta

DOCENTE DE LA TITULACIÓN

De mi consideración:

El presente trabajo de titulación: _“Comprobación de metodologías de optimización en

sistemas de riego_”, realizado por Jhinson Marcelo Briceño Escobar, ha sido orientado y

revisado durante su ejecución, por cuanto se aprueba la presentación del mismo.

Loja, octubre de 2016.

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DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS

Yo, Jhinson Marcelo Briceño Escobar declaro ser autor del presente trabajo de titulación:

“Comprobación de metodologías de optimización en sistemas de riego_”, de la Titulación

de Ingeniería Civil, siendo MSc. Carmen Mireya Lapo Pauta directora del presente trabajo;

y eximo expresamente a la Universidad Técnica Particular de Loja y a sus representantes legales de posibles reclamos o acciones legales. Además certifico que las ideas, conceptos, procedimientos y resultados vertidos en el presente trabajo investigativo, son de mi exclusiva responsabilidad.

Adicionalmente declaro conocer y aceptar la disposición del Art. 88 del Estatuto Orgánico de la Universidad Técnica Particular de Loja que en su parte pertinente textualmente dice: “Forman parte del patrimonio de la Universidad la propiedad intelectual de investigaciones, trabajos científicos o técnicos y tesis de grado o trabajos de titulación que se realicen con el apoyo financiero, académico o _{institucional (operativo) de la Universidad”}

f)……….

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DEDICATORIA

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AGRADECIMIENTO

Primero a Dios que me ha guiado y nunca me ha dejado caer, a mis padres, Blanca Escobar y Marcelo Briceño, que nunca me han dejado solo, me han brindado su amor y me han sabido formar por un camino lleno de valores y principios.

A mi Directora de Tesis, MSc. Carmen Mireya Lapo Pauta, por toda la paciencia, esfuerzo y tiempo que ha dedicado a la realización de esta investigación, por la confianza y por su excelente calidez humana.

A los docentes de la Universidad Técnica Particular de Loja que han contribuido a mi formación profesional.

A mis compañeros de la gloriosa Titulación de Ingeniería Civil por acompañarme en esta gran aventura universitaria.

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ÍNDICE DE CONTENIDOS

CARÁTULA... i

APROBACIÓN DEL DIRECTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN ... ii

DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS ... iii

DEDICATORIA ... iv

AGRADECIMIENTO ... v

ÍNDICE DE CONTENIDOS ... vi

ÍNDICE DE FIGURAS ... ix

ÍNDICE DE TABLAS ... xii

RESUMEN ... 1

ABSTRACT... 2

CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN ... 3

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO ... 6

2.1. Estado del arte... 7

2.2. Sistemas de riego ... 8

2.3. Diseño de redes agrícolas ... 9

2.4. Costos en sistemas de irrigación ... 11

2.5. Optimización de sistemas de riego ... 12

2.6. Clasificación de los métodos de optimización ... 12

2.6.1. Método de programación no lineal (PNL) ... 13

2.6.2. Algoritmos genéticos (AG)... 15

2.6.3. Método de PNLYAG ... 16

2.6.4. Método heurístico ... 17

2.7. Riego por turnos ... 18

2.7.1. Dosis de riego ... 18

2.7.2. Dosis total ... 19

2.7.3. Frecuencia de riego... 19

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2.7.5. Turnos de riego ... 19

2.7.6. Tiempo de aplicación ... 20

2.8. Riego por aspersión ... 20

2.8.1. Marco de riego ... 21

2.8.2. Pluviometría del sistema ... 21

2.9. Diseño óptimo de redes de riego a turnos mediante el Software GESTAR ... 22

CAPÍTULO III: METODOLOGÍA DE DISEÑO ... 24

3.1. Topografía ... 25

3.2. Topología de la red ... 26

3.3. Diseño de parcela tipo ... 26

3.3.1. Elección del tipo de aspersor ... 27

3.3.2. Parcela ... 28

3.3.3. Análisis hidráulico de la parcela ... 29

3.4. Software CROPWAT 8.0 ... 31

3.5. Caudales de entrega a las parcelas ... 37

3.6. Diseño y cálculo de la red ... 41

3.7. Aplicación de las metodologías de optimización ... 49

3.7.1. Método Heurístico ... 52

3.7.2. Método PNLYAG ... 57

3.7.3. Diseño y modelación en el Software GESTAR ... 61

CAPÍTULO IV. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 65

4.1. Diseño de la red... 66

4.2. Métodos de optimización ... 67

4.2.1. Método Heurístico ... 67

4.2.2. Método PNLYAG ... 69

4.3. Red optimizada en GESTAR ... 70

4.4. Análisis hidráulico del sistema ... 72

4.5. Análisis económico de las metodologías aplicadas ... 74

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CAPÍTULO V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 79

5.1. Conclusiones ... 80

5.2. Recomendaciones ... 81

BIBLIOGRAFÍA ... 82

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Clasificación de los sistemas de riego. ... 8

Figura 2. Esquema característico con las infraestructuras de un sistema de riego... 9

Figura 3. Diferencial de presiones en un módulo de riego abierto. ... 9

Figura 4. Etapas de diseño de un sistema de riego... 10

Figura 5. Variación de los costos anuales con el diámetro. ... 11

Figura 6. Clasificación de las técnicas de optimización. ... 12

Figura 7. Funciones dadas de n variables de decisión. ... 14

Figura 8. Representación gráfica de la solución de un problema. Solución (3,3). ... 14

Figura 9. Esquema de procedimiento de un algoritmo genético. ... 15

Figura 10. Esquema de procesos del método de PNLYAG para diseño de redes a turnos. . 16

Figura 11. Cadena de sucesiones en una línea de ensamblaje. ... 17

Figura 12. Riego por aspersión. ... 20

Figura 13. a) Marco cuadrado; b) Marco rectangular; c) Marco triangular. ... 21

Figura 14. Ventana principal de la aplicación Gestar. ... 22

Figura 15. Módulos de aplicación. ... 23

Figura 16. Ubicación San Pedro de la Bendita (674046.30 E, 9564162.36 S)... 25

Figura 17. Topología de la red de distribución. ... 26

Figura 18. Aspersor de mini cañones. ... 27

Figura 19. Distribución de los aspersores dentro de la parcela tipo. ... 28

Figura 20. Cálculo hidráulico de la parcela tipo. ... 29

Figura 21. Comprobación de la parcela tipo en Epanet. ... 30

Figura 22. Flujograma de procesos en los módulos de Cropwat 8.0. ... 31

Figura 23. Ingreso de valores climatológicos en el software CROPWAT 8.0. ... 33

Figura 24. Ingreso de valores de precipitación mensual en software CROPWAT 8.0. ... 33

Figura 25. Ingreso de valores del cultivo maíz choclo en el software CROPWAT 8.0. ... 34

Figura 26. Ingreso de valores de suelo en el software CROPWAT 8.0. ... 35

Figura 27. Requerimiento de agua del cultivo maíz choclo. ... 35

Figura 28. Programación de riego para el cultivo de maíz choclo. ... 36

Figura 29. Patrón de cultivos adoptado. ... 36

Figura 30. Resultados obtenidos de caudal ficticio continúo del patrón de cultivo. ... 37

Figura 31. Programación de riego para el cultivo caña de azúcar. ... 38

Figura 32. Características del aspersor 7025 RD _– 2 _–_1”. ... 40

Figura 33. Flujograma del proceso de diseño. ... 42

Figura 34. Nudo de consumo ID 5 en el Ramal 1. ... 45

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Figura 36. Análisis y verificación de resultados. ... 50

Figura 37. Red importada a Epanet con nudos tipo emisor. ... 50

Figura 38. Análisis y verificación de la red con nudos tipo emisor. ... 51

Figura 39. Válvula reductora en la línea 19-28 de la red. ... 51

Figura 40. Hoja de cálculo para realizar las sucesiones de turnos. ... 53

Figura 41. Controles simples para la simulación por turnos. ... 54

Figura 42. Simulación de la red bajo el turno 1. ... 55

Figura 43. Simulación de la red bajo el turno 2. ... 55

Figura 44. Diagrama de procesos. ... 57

Figura 45. Curva de precios de tuberías. ... 59

Figura 46. Construcción de la topología de la red para el turno 1. ... 60

Figura 47. Construcción de la topología de la red para el turno 2. ... 60

Figura 48. Esquema de fases y alternativas de diseño. ... 61

Figura 49. Base de datos de tuberías. ... 62

Figura 50. Red creada en Gestar 2016. ... 62

Figura 51. Asignación de turnos a la red. ... 63

Figura 52. Asistente para el dimensionado de redes. ... 64

Figura 53. Análisis hidráulico de la red... 64

Figura 54. Resultados de la red a la demanda. ... 66

Figura 55. Balance de caudales para 24 horas. ... 68

Figura 56. Contorno de presiones al inicio de cada turno... 68

Figura 57. Informe de ejecución en el método de PNLYAG. ... 69

Figura 58. Presiones en el modelo de Gestar 2016. ... 70

Figura 59. Presión en nudos hidrantes, solución del método heurístico. ... 72

Figura 60. Presión en nudos hidrantes, solución del método de PNLYAG. ... 72

Figura 61. Presiones en nudos hidrantes, solución de GESTAR 2016. ... 73

Figura 62. Velocidades en tuberías de los nudos hidrantes, solución heurística. ... 73

Figura 63. Velocidades en tuberías de los nudos hidrantes, solución PNLYAG. ... 74

Figura 64. Velocidades en tuberías de los nudos hidrantes, solución GESTAR 2016. ... 74

Figura 65. Diámetros usados en cada método. ... 75

Figura 66. Costo global de tuberías por método. ... 76

Figura 67. Valores del cultivo caña de azúcar. ... 87

Figura 68. Valores del cultivo cedrón. ... 87

Figura 69. Valores del cultivo pepino. ... 87

Figura 70. Valores del cultivo fréjol. ... 87

Figura 71. Valores del cultivo frutales y cítricos. ... 88

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Figura 73. Valores del cultivo pimiento... 88

Figura 74. Valores del cultivo sábila. ... 88

Figura 75. Valores del cultivo tomate. ... 89

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1: Datos de análisis de la estación Catamayo, serie 1974-2002... 32

Tabla 2. Distribución de superficie de riego... 37

Tabla 3. Demandas máximas diarias de los cultivos. ... 38

Tabla 4. Caudales de entrega en las parcelas considerando la máxima necesidad diaria. .. 39

Tabla 5. Coeficientes de emisores acumulados en las parcelas. ... 40

Tabla 6. Datos de entrada para el análisis del nudo 5. ... 46

Tabla 7. Características y precios de tuberías. ... 56

Tabla 8. Cálculo del costo de tuberías. ... 56

Tabla 9. Datos de los hidrantes... 58

Tabla 10. Caudales circulantes por cada turno ... 58

Tabla 11. Datos de la curva de costos. ... 59

Tabla 12. Resultados de la optimización heurística en nudos hidrantes... 67

Tabla 13. Presupuesto global por ramal. ... 69

Tabla 14. Presiones en parte de los nudos de la red. ... 71

Tabla 15. Velocidades en una porción de las líneas de red. ... 71

Tabla 16. Caudal de entrega considerando la máxima necesidad diaria (Parte 1). ... 90

Tabla 17. Caudal de entrega considerando la máxima necesidad diaria (Parte 2). ... 91

Tabla 18. Coeficientes de emisores acumulados en las parcelas (Parte 1). ... 92

Tabla 19. Coeficientes de emisores acumulados en las parcelas (Parte 2). ... 93

Tabla 20. Resultados de la optimización, Ramal 1. ... 94

Tabla 21. Resultados de la optimización, Ramal 2 (Parte 1). ... 95

Tabla 34. Combinación y asignación de turnos, (Parte 1). ... 108

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Tabla 36. Combinación y asignación de turnos, (Parte 3). ... 110

Tabla 37. Resultado de la combinación de turnos en nudos hidrantes, (Parte 1). ... 113

Tabla 40. Presión en los nudos de la red, (Parte 1). ... 116

Tabla 52. Velocidad y caudales circulantes en las líneas de la red, (Parte 1). ... 127

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RESUMEN

Utilizar de manera eficiente los recursos a un costo mínimo es uno de los objetivos que busca la optimización. Se plantea con frecuencia la combinación de varios métodos, debido a que un solo modelo de diseño óptimo no siempre permite obtener resultados factibles en todos los casos de análisis.

En el presente trabajo de investigación se plantea realizar una comparación entre métodos híbridos o combinados para el diseño óptimo económico de redes de riego a presión, los cuales comprenden metodologías heurísticas, determinísticas y evolutivas. La metodología desarrollada se implementará en un sistema de irrigación existente en nuestro medio, se realizará el diseño de la red funcionando a la demanda y posteriormente se aplicarán las técnicas de optimización escogidas con la modalidad a turnos, a través de ellas se obtendrá la mejor combinación de métodos que permita obtener un costo mínimo con el cumplimiento de las restricciones hidráulicas. Al verificar los parámetros del sistema se seleccionará el método que mejor cumpla el criterio de optimización adoptado y que permita utilizar en forma eficiente el recurso agua.

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ABSTRACT

Efficiently use resources at minimal cost is one of the objectives that search the optimization. Frequently arises the combination of various methods, because a single model of optimal design can’t always allow obtaining feasible results in all cases of analysis.

In this research arises a comparison between hybrid or combined methods for economic optimal design of pressure irrigation networks, which comprise methodologies heuristics, deterministic and evolutionary. The methodology developed will be implemented in an existing irrigation system in our midst, will be performed the design of network operating at the demand and subsequently shall apply optimization techniques chosen with embodiment to shifts through them the best combination of methods for obtaining a minimal cost with the fulfillment of the hydraulic restrictions will be obtained. Upon verifying the system parameters shall be selected the method that best meets the criteria of adopted optimization and allowing efficiently use water resources.

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INTRODUCCIÓN

Es evidente que el consumo de agua para el sector agrícola se ha incrementado y seguirá incrementándose con el paso del tiempo y con el desarrollo del país, debido a que esta actividad contribuye considerablemente en su economía. Tomando en cuenta los diversos factores que contribuyen al consumo de este recurso, lograr optimizar su uso permitirá asegurar el desarrollo permanente de este importante sector. La gran mayoría de fuentes de abastecimiento para irrigar áreas de cultivo son de origen superficial, mediante sistemas presurizados donde las tuberías constituyen el principal elemento en su distribución. Esta consideración conlleva a que se conviertan en uno de los componentes más importantes de inversión, por tal razón determinar una metodología de diseño que permita obtener el mínimo costo económico e hidráulicamente funcional se convierte en una parte fundamental del análisis de una red presurizada de riego.

Según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) a finales del siglo XX, la agricultura empleaba en término medio el 70% de toda el agua utilizada en el mundo, y estima que el agua destinada a riego aumentará un 14% para el año 2030. Este consumo de agua agrícola y sus diversas proyecciones de incremento están en función al crecimiento poblacional mundial, ya que con estimaciones de la Organización de las Naciones Unidas (ONU) para el año 2050 se espera que esta supere los nueve mil millones de personas más del 40% de la población mundial actual. Estas características inducen a que existan grandes incrementos de demanda de agua y de producción mundial, por ello la ONU promueve la conmemoración del día mundial del agua con el fin que todos los países desarrollen practicas sostenibles de su uso.

El Ecuador no recibe ningún aporte hídrico de los países limítrofes, por ello el manejo de las microcuencas y de los recursos hídricos se convierte en una responsabilidad gubernamental con el fin de mantener el balance hídrico del país. En el año 2005 las extracciones de agua en el Ecuador eran de 9.918 _km , de las cuales el 81% son para uso agropecuario, 13% para el uso municipal y 6% para uso industrial (FAO, 2015). Nuestro país tiene una alta disponibilidad de recursos hídricos superficiales es por ello que la extracción de aguas subterráneas no se ve necesaria para ser utilizada en sistemas de riego, además supone un alto costo de extracción. Considerando que la gran mayoría de agua es utilizada en el sector agropecuario, los diseños óptimos de irrigación son una necesidad y responsabilidad actual con el fin de preservar esta disponibilidad.

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Lo que busca un diseño óptimo es minimizar ciertas variables sin descuidar las restricciones que permitan el correcto funcionar de una red, mediante metodologías que adaptan modelos matemáticos. Existen varios modelos de optimización y cada uno depende de la variable en estudio, ya que algunos lo que buscan es disminuir diámetros, caudales, velocidades etc., existen otros que procuran maximizar una red con la finalidad de incrementar el área de irrigación del sistema. En el presente caso de estudio lo que se busca es aminorar el costo de las redes lo cual implica reducir el diámetro de las tuberías.

Tomando en cuenta que el factor económico es determinante para implementar una obra civil, conseguir un modelo óptimo que cumpla con las restricciones de diseño y a la vez que su implementación represente el menor costo posible es la finalidad del presente trabajo, para ello se aplicarán metodologías como la heurística, la programación no lineal y algoritmos genéticos (PNLYAG), y el software GESTAR.

Los modelos de optimización señalados se implementarán en una red existente situada en la parroquia San Pedro de la Bendita perteneciente al cantón Catamayo, donde la variable de estudio es el factor económico, lo que permitirá establecer valores de diseño de costos en cada modelo, adoptando restricciones hidráulicas y contando con la topología de la red. Un diseño tiene que partir de las condiciones más reales posibles, refiriéndonos así a los caudales de demanda para cada parcela, los cuales están en función del tipo de cultivo y al área que ocupa el mismo. Por ello determinar el caudal de la manera correcta es el punto de partida, en terminología agrícola estos caudales se conocen con el nombre de caudal ficticio contínuo que provienen de un análisis hídrico. Muchas veces estos tienden a valores pequeños por estar en función al área de irrigación, ya que si el área a ser regada tiende a valores inferiores a una hectárea estos caudales serán pequeños, presentando valores menores a 1 L/s, lo cual no permite el funcionamiento adecuado del riego por aspersión. Considerando este factor surge la necesidad de trabajar con una parcela tipo que proporcionará dos valores esenciales para los puntos de entrega como es el caudal y la presión.

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2.1. Estado del arte.

El diseño de sistemas de riego constituye un proceso iterativo, el cual inicia con una definición previa de las dimensiones de los elementos que los constituyen, para luego en función a los resultados que se obtienen con cada iteración sea posible obtener un modelo con los límites o restricciones requeridos (González et al., 2008).

La optimización puede afrontarse mediante técnicas exactas o aproximadas. Las primeras se basan en programación matemática, mientras que las siguientes pueden abordarse mediante técnicas heurísticas y metaheurísticas. Dentro del segundo grupo se encuentran procedimientos como los algoritmos genéticos, las redes neuronales entre otros. La programación evolutiva desde sus inicios se ha utilizado para la optimización de estructuras, y fueron pioneras en minimizar pórticos metálicos (Payá, 2007).

Los métodos heurísticos se han utilizado para la optimización de estructuras de hormigón, minimizando el coste de las mismas, dentro de estas están muros, puentes, carreteras, etc. (Moragues, 1980).

La gran dificultad que presentan los diseños de sistemas presurizados es garantizar las demandas en los puntos de consumo, las cuales se ven afectadas por un conjunto de factores como son las restricciones hidráulicas y las condiciones topográficas del sector. La mayoría de sistemas se diseñan para satisfacer una fracción del caudal total, debido a la oferta de las fuentes de abastecimiento. La distribución muchas veces se realiza en función a los ramales que existen en las redes de distribución, ya que permiten un adecuado control al inicio de los mismos. Al utilizar métodos de optimización buscan a través de sus procesos equilibrar las demandas y garantizar una mejor distribución y equilibrio dentro de la red, lo cual permite disminuir costos de inversión.

Se ha utilizado la programación lineal como herramienta útil en la solución de problemas de ingeniería, ya que permite optimizar las entregas desde un conjunto de fuentes que poseen características diferentes desde el punto de vista de la variabilidad de la calidad de agua, ubicación espacial y distribución temporal de sus caudales, así como la dificultad o facilidad que ofrece el relieve (Ortega et al., 2009).

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2.2. Sistemas de riego.

Se denomina sistema de riego al conjunto de estructuras y técnicas que permiten la aplicación del agua necesaria a los cultivos siguiendo un método dado (Pereira, 2010). Pueden clasificarse en las siguientes categorías:

Figura 1. Clasificación de los sistemas de riego. Fuente: Pereira, 2010.

Elaboración: El autor.

Dependiendo de la organización del riego Aldán y Monserrat (2009), diferencian dos modalidades:

 A la demanda: En los sistemas bajo esta modalidad los usuarios pueden abrir los hidrantes durante el tiempo que ellos crean conveniente, limitados únicamente por el caudal y el volumen consumido.

 Por turnos: Riego basado en un reparto organizado del agua disponible entre los regantes del sistema.

Arviza y Balbastre (s/f), establecen que las diferentes obras o elementos que integran un sistema de riego como el que se ilustra en la Figura 2, pueden estructurarse en:

1. Obras de captación: Embalses, presas, toma lateral; si se utiliza agua subterránea pozos de extracción etc.

2. Obras de regulación y/o almacenamientos: Depósitos, diques, tanques, balsas y diferentes estructuras que permiten almacenar temporalmente volúmenes bajos de agua.

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4. Tomas de riego o hidrantes: Son los puntos finales de la redes de distribución, y consisten en instalaciones que permiten la toma de agua para su posterior distribución, también se denominan bocas de riego.

5. Elementos de protección, control y regulación: Permiten el manejo adecuado del sistema, adicionando válvulas, ventosas, reguladoras de caudal presión, dispositivos anti ariete etc.

6. Sistemas de riego en parcela: Emisores que permiten aplicación del método de riego adoptado.

Figura 2. Esquema característico con las infraestructuras de un sistema de riego. Fuente: Ruíz y Molina, 2010.

2.3. Diseño de redes agrícolas.

Los sistemas de riego se diseñan como redes ramificadas, ya que los puntos de entrega no se encontrarán suministrando caudal durante todo el tiempo, y por lo tanto no es necesario armar circuitos para garantizar un uso permanente del agua.

Este criterio se puede adoptar para el diseño de las redes principales y secundarias, para la distribución del fluido en las áreas del cultivo se puede armar redes malladas que permitan uniformizar las presiones de consigna.

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Para implementar un sistema de riego presurizado se deben cumplir con ciertas fases que permiten utilizar de forma eficiente el recurso agua. Cada una de estas etapas se ilustra en el siguiente flujograma de procesos:

Figura 4. Etapas de diseño de un sistema de riego. Fuente: Aldán y Monserrat, 2009.

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2.4. Costos en sistemas de irrigación.

Los costos de inversión en sistemas de riego dependen de muchos factores, entre los cuales se destacan como principales el caudal circulante, la topografía, condiciones de diseño, tratamientos de agua y valores de energía consumida.

Para aguas superficiales los costos se pueden dividir en tres categorías:



Costos directos de producción: En los cuales se consideran la infraestructura y los servicios para suministrar agua a los diferentes usuarios. Incluye valores de funcionamiento y conservación de elementos.

 Costos indirectos: Se refieren a los gastos generales de administración de los organismos que prestan el servicio de agua.

 Amortizaciones: Acumulan la depreciación económica de las inversiones de las diferentes estructuras que conforman un sistema de regadío.

Cuando se trata de impulsar o transportar un caudal a un determinado punto, se realiza mediante tuberías, convirtiéndose así en los elementos de mayor inversión dentro de las redes de irrigación. Muchos parámetros de diseño se ven afectados con el aumento o disminución del diámetro de estos elementos, como la velocidad y la presión.

En el diseño de sistemas de riego lo que se busca es minimizar la inversión inicial, como lo es el gasto en tuberías y que a su vez permita vencer las pérdidas de carga requeridas. El diámetro que permita cumplir estas condiciones se denomina óptimo; el cual se define como el mínimo valor entre la suma de costos anuales de energía consumida y los costes de amortización (Pérez, 1993).

Figura 5. Variación de los costos anuales con el diámetro. Fuente: Pérez, 1993.

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2.5. Optimización de sistemas de riego.

Los diseños que se realizan tradicionalmente en ingenieria, han sido el resultado de un conjunto de procesos de prueba y error, donde la solución adoptada es la que mejor se adapte a las condicIones del sistema. Partiendo de esta premisa, las restricciones se forman por un conjunto de variables que influencian el comportamiento de la estructura en análisis.

En el proceso de diseño conociendo el conjunto de diámetros comerciales y el número de tuberías de la red; existen varias formas diferentes de llegar a soluciones factibles que cumplan con las restricciones hidráulicas. Si se logra que estas alternativas permitan escoger el mínimo coste posible, se obtiene un proyecto optimizado. Sin embargo, el problema de optimización es el tamaño de la solución. Los avances computacionales que están innovando el desarrollo de la ingeniería han contribuido a resolver enormemente los algoritmos que forman las variables de ejecución (Saldarriaga, 2007).

2.6. Clasificación de los métodos de optimización.

[image:26.595.89.540.484.719.2]

El gran número de alternativas posibles para resolver un problema de optimización, ha llevado que se propongan métodos directos e indirectos para obtener como resultado el dimensionamiento más adecuado de un sistema de riego. Pérez (1993), clasifica los problemas y las técnicas disponibles para su solución de la siguiente forma:

Figura 6. Clasificación de las técnicas de optimización. Fuente: Pérez, 1993.

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Los métodos heurísticos son aquellos que con el fin de resolver un problema, ignoran cierta información aumentando su eficiencia en un proceso de búsqueda. Estos no garantizan la mejor respuesta pero casi siempre encuentra una solución aceptable (Ramos, 2007).

Dentro de esta clasificación nos referiremos a la optimización no lineal y al método heurístico, ya que el presente trabajo de investigación se enfoca a la aplicación de estas soluciones de optimización.

2.6.1. Método de programación no lineal (PNL).

La optimización o programación lineal (PL), busca el máximo o mínimo de una función objetivo sujeta a un conjunto de restricciones que se comportan tambien lineales (Pérez, 1993). La dificultad que presenta este método es la linealidad en planteamiento de las funciones y restricciones, ya que algunas hipótesis que se abordan para resolver un problema no cumplen esta condición, por lo que es necesario acudir a la programacion no lineal (PNL), (Merino, 2013).

Dependiendo del tipo y caracteristica del problema a resolver, Pérez (1993) propone las siguientes soluciones:

a) Linealización: El problema no lineal se transforma en lineal.

b) Programación cuadrática: Trata con funciones objetivo que varian de forma cuadrática y restricciones lineales.

c) Método de gradiente: Proceso interactivo en donde la solución se busca en la dirección a la función objetivo.

Las diferentes dificultades que se presentan en diseños de ingeniería, hacen que se recurra a utilizar métodos de resolución que no utilizan funciones lineales, con la finalidad que se adapten de mejor manera y simplifiquen ciertas condiciones de funcionamiento. Los problemas de optimización no lineal suelen ser más difíciles de solucionar, incluso cuando no se cuenta con un gran número de restricciones (Castillo et al., 2002).

Un problema no lineal es una ecuación matemática donde la función objetivo o alguna restricción no cumple la condición de linealidad. Las restricciones en las igualdades de una fúncion, permiten reflejar en términos matemáticos la realidad de los problemas de diseño y de ellos depende el número de ecuaciones a las que se restringue el modelo (García y Román, 2008).

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� � , � , … , � � �� , ∀�= , , … ,

Figura 7. Funciones dadas de n variables de decisión. Fuente: Programación no lineal, Merino (2013).

Para determinar la solución que se adoptará para resolver un problema de programación no lineal como el que se presentó en la Figura 7, se deben diferenciar las funciones que lo integran:

˗ Si la función objetivo representada como f (x) no es lineal y las restricciones si se optara por la solución de linealización.

˗ Cuando la función objetivo f (x) sea una ecuación con su variable (x) elevada al cuadrado se utilizará la programación cuadrática

˗ Cuando se agregan variables al problema con el fin de simplicar el espacio de búsqueda se recurrirá a la solución por el método de gradiente, que consiste en preparar un modelo sin restricciones que límiten la función objetivo f (x) (Merino, 2013).

A continuación se presenta la resolución a un problema de PNL con una función objetivo f (x) a maximizar:

�� − � + � − �

� � � � � + �

� , �

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2.6.2. Algoritmos genéticos (AG).

Son métodos que se usan normalmente para resolver diversos problemas de búsqueda y optimización. Están basados en el proceso de evolución de los seres vivos, donde cada generación se desarrolla en base a mecanismos de selección natural y genética, inspirados en la teorías evolutivas de Charles Darwin (Tolmos, 2011).

El proceso consiste en determinar una generación con las mejores combinaciones de solución. Para ello se inicia con una población suficientemente grande, de donde se seleccionan los mejores individuos para ser reproducidos y así obtener un nuevo grupo mejorado. Los pasos que se aplican se presentan en el siguiente diagrama:

Figura 9. Esquema de procedimiento de un algoritmo genético. Fuente: Tolmos, 2011.

(30)

16

2.6.3. Método de PNLYAG.

La metodología de Programación no Lineal y Algoritmos Genéticos (PNLYAG), que se ha incorporado en este trabajo de investigación pertenece a un modelo híbrido propuesto por Lapo (2012), en donde se integra dos métodos de optimización con el fin de alcanzar resultados de optimización en el factor económico para redes de riego presurizadas. En donde se obtiene la mejor combinación de nudos de consumo o hidrantes con algoritmos genéticos y el coste mínimo a través de programación no lineal, logrando un avance significativo en la aplicación de matemática operativa en redes de riego.

El proceso general de este método aplicado al diseño de redes de riego se presenta en el siguiente diagrama de flujo:

Figura 10. Esquema de procesos del método de PNLYAG para diseño de redes a turnos. Fuente: Lapo, 2012.

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17

2.6.4. Método heurístico.

Al tratarse de un método de tipo empírico, busca a través de la experiencia, del razonamiento lógico o deductivo encontrar la mejor solución a los diferentes problemas que representa el diseño o la solución de diferentes dificultades dentro de la ingeniería. La característica fundamental es que intenta o busca producir ecuaciones o formulaciones matemáticas que permitan plasmar su fundamentación (Díaz, 1996).

Con el avance de la tecnología es evidente observar los progresos obtenidos en cuanto a resoluciones exactas dentro de los procesos de optimización, frente a ello el método heurístico sigue siendo una alternativa que proporciona buenos desempeños, y son una opción cuando los métodos exactos no proporcionan una solución exitosa. En el diseño de una red lo que se busca es un equilibrio de demandas que permita garantizar el correcto funcionar del sistema. Lo que propone esta metodología es desarrollar técnicas para los problemas de optimización, y proponer una solución más realista (Burgos et al., 2013).

Cuando se busca optimizar un sistema, el primer paso es identificar la variable que permita este proceso. El riego por turnos o por reparto equitativo del agua busca a través de sucesiones de tiempo distribuir adecuadamente el caudal en las parcelas de riego. Según la distribución que se realiza se asigna un número de turno en los puntos de entrega, la aplicación del método heurístico busca la mejor asignación de turnos que proporcione un mejor equilibrio en la red, para ello propone, varias combinaciones que pretenden la mejor distribución de caudal. Estas sucesiones se representan en la Figura 11 donde se muestran las cadenas de ejecución (Theocharis et al., 2006, pág. 21).

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Como se observa en la Figura 11 el punto de inicio de las sucesiones es el punto A y el final el punto Q, para llegar al punto final existen diversos puntos por donde se debe pasar, el método busca una cadena de actividades que generen el mínimo tiempo inactivo en las líneas de ensamblaje, para ello propone diversas ciclos de empates entre actividades que permitan reducir la variable tiempo.

2.7. Riego por turnos.

El riego y los sistemas que dependen del recurso agua, están sufriendo varios cambios en sus diseños, debido a la escazes y el aumento de la demanda. Este déficit en la oferta ha llevado a realizar una repartición en su distribución, con el fin de asegurar el derecho al uso de este fluido (Landete et al., 2005).

El riego por turnos consiste en un reparto organizado del agua entre los usuarios que conforman un sistema de irrigación, previamente programado mediante una rotación que garantice cubrir los diferentes valores de parámetros que intervienen en los diseños (Asociación del Riego Sostenible, 2015).

Para determinar los turnos de irrigación se requieren definir dos parámetros indispensables como son la duración y la frecuencia del turno. El primero se refiere al tiempo que transcurre mientras cada parcela recibe la cantidad de agua requerida y el segundo al intervalo que pasa entre un riego y el siguiente. Estas características se pueden determinar posteriormente a un balance de necesidaddes hídricas de un cultivo y tras aplicar un conjunto de conceptos de riego los cuales se enlistarán a continuación (Universida de Sevilla, 2007).

2.7.1. Dosis de riego.

Es la cantidad de agua que se aplica a cada parcela por cada unidad de superficie, viene dada por la siguiente expresión:

= × × × − × (Ec. 1)

Donde:

-dosis neta (_{m /�a} .

-profundidad de raíces (m).

-densidad aparente del suelo (g/cc). -capacidad de campo (mm/cm). -punto de marchitez (mm/cm).

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2.7.2. Dosis total.

Se define como la relación entre la cantidad de agua necesaria y la eficiencia del método de aplicación:

= (Ec. 2)

Donde:

-dosis total (mm). -dosis neta (_{m /�a} . -eficiencia del sistema (%).

2.7.3. Frecuencia de riego.

Resulta de dividir las necesidades totales mensuales entre la dosis total, si este valor resulta un número decimal se debe redondear al inmediato superior.

= (Ec. 3)

Donde:

-frecuencia en aplicaciones por mes (u/mes). -necesidades netas (mm/mes).

-dosis total (mm).

2.7.4. Dosis real de riego.

Cantidad de agua se aplica a una parcela en cada frecuencia de riego. Se obtiene al dividir las necesidades totales entre el número de riegos o frecuencias de riego.

= (Ec. 4)

Donde:

-dosis real (mm).

-necesidades netas (mm/mes).

-frecuencia en aplicaciones por mes (u/mes).

2.7.5. Turnos de riego.

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= ° (Ec. 5)

Donde:

-turnos de aplicación (u/mes).

° -número de días de los meses en análisis. -frecuencia (u/mm).

2.7.6. Tiempo de aplicación.

Es el lapso de tiempo que se tarda en aplicar la dosis real a las unidades de riego, se lo puede expresar por la siguiente fórmula:

= (Ec. 6)

Donde:

-tiempo de aplicación (horas). -dosis real (mm).

-pluviometría del sistema método de riego (mm/h).

2.8. Riego por aspersión.

El método de irrigación por aspersión consiste en una distribución del agua simulando una lluvia. Ha sido ampliamente utilizado en diferentes zonas de producción agrícola donde la carga de presión permite el correcto funcionar del sistema sin la necesidad de incorporar un grupo de bombeo. La pluviometría de los elementos principales que son los aspersores permite adaptarse a láminas de riego grandes y pequeñas; debido a que solo depende del tiempo de aplicación (Zúñiga, 2004).

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21

Para un diseño de riego por aspersión se deben considerar los aspectos característicos del aspersor, como de las propiedades del suelo para determinar el tiempo de aplicación de este método. A continuación se detallan algunos de los parámetros principales a considerar (Cantamutto y Ancía, 2009).

2.8.1. Marco de riego.

Se conoce como marco de riego a la separación entre ramales y aspersores, viene expresada en dos cifras; la primera indica la distancia entre cada aspersor y la segunda indica el espacio entre líneas de distribución.

Figura 13. a) Marco cuadrado; b) Marco rectangular; c) Marco triangular. Fuente: Universida de Sevilla, 2007.

2.8.2. Pluviometría del sistema.

Es la cantidad de agua que suministra un aspersor por unidad de tiempo, se expresa normalmente en litros por hora (L/h). Para establecer este parámetro es necesario determinar su caudal máximo, el cual se puede expresar por la siguiente ecuación:

á . = × (Ec. 7)

Donde:

á . -caudal máximo del aspersor (L/h). -marco a utilizar (_m ).

-permeabilidad del suelo (mm/h).

El valor de pluviometría del aspersor elegido se calcula con la siguiente expresión:

= (Ec. 8)

Donde:

-pluviometría del aspersor (L/ _{m /}h). -marco a utilizar (_m ).

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22

2.9. Diseño óptimo de redes de riego a turnos mediante el Software GESTAR.

Las diferentes técnicas de codificación informática que se pueden optar para resolver una optimización han llevado al impulso de programas capaces de solucionar un diseño inteligente de riego. Conociendo esta necesidad un grupo de investigación, desarrollo e innovación de la Universidad de Zaragoza trabaja en un software para el diseño y gestión de riego a presión, para lo cual ha creado un paquete informático denominado GESTAR, el cual integra recursos avanzados de simulación numérica y optimización (Cebrián, 2015).

Figura 14. Ventana principal de la aplicación Gestar.

Fuente: V Congreso Nacional de equipos de riego y afines (Expo Riego 2015).

GESTAR se constituye en el paquete informático de referencia para el diseño y análisis de diversos tipos de sistemas de riego a presión, ya que sus diferentes módulos de ejecución permiten mejorar la gestión e innovar aplicaciones que intervienen en proyectos de irrigación de cultivos (Escuela Politécnica Superior de Huesca, 2016).

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23 Figura 15. Módulos de aplicación.

Fuente: Escuela Politécnica Superior de Huesca. Gestar 2016, guía y manual de usuario. Elaboración: El autor.

La herramienta de dimensionado óptimo se utiliza para sistemas de irrigación tanto a la modalidad de riego a la demanda como a turnos, y permite encontrar la mejor combinación de diámetros posible para satisfacer las condiciones hidráulicas y con el mínimo costo. El módulo de dimensionado óptimo de GESTAR 2016, incorpora el método de la serie económica, desarrollado por el grupo de investigación de modelos hidráulicos de la Universidad de Valencia, el cual considera a los diámetros como una variable continua, característica que le permite establecer una relación con su costo unitario, debido a que el precio varía proporcionalmente con el aumento del diámetro de una tubería, comportándose como una expresión de tipo potencial.

Para la simulación y dimensionado de una red trabajando a turnos, identifica los nudos críticos existentes, lo que le permite establecer una ruta prioritaria que limitará las condiciones mínimas que se deben garantizar (Escuela Politécnica Superior de Huesca, 2016).

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25

3.1. Topografía.

La red de estudio se encuentra ubicada en la parroquia San Pedro de la Bendita perteneciente al cantón Catamayo Provincia de Loja (ver Figura 16), con una superficie de riego de 94 hectáreas.

La zona presenta una topografía irregular con pendientes que oscilan entre 5 al 50%, lo que permite que la mayoría del sistema trabaje a gravedad desde el depósito principal hacia los emisores. Existen sectores con topografías mayores a 50%, las cuales no fueron consideradas dentro del área neta, por motivos de conservación de suelos y por cantidad de agua insuficiente en la fuente de abastecimiento. El levantamiento topográfico fue proporcionado por la empresa pública de riego y drenaje del sur del gobierno provincial de Loja (RIDRENSUR).

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3.2. Topología de la red.

La red está conformada por un reservorio principal con capacidad de almacenar 32160.47

m , ubicado en el sector denominado Yurushapa en la cota 1831.36 msnm. Del mismo se derivan 3 ramales de distribución hacia las parcelas de cultivos. El primer ramal posee 10 hidrantes, el segundo 15 y el tercero 118 (ver Figura 17).

Figura 17. Topología de la red de distribución. Fuente: El autor.

3.3. Diseño de parcela tipo.

Del análisis de los requerimientos de riego de cada cultivo, se establece una demanda por unidad de área (ha), que en función de la superficie de siembra o superficie a ser regada permite obtener un caudal de entrega.

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27

en los meses para el diseño hidráulico del sistema. Cuando las áreas a ser regadas corresponden a valores inferiores a una hectárea estos caudales tienden a ser pequeños, por tanto el método de riego no cumplirá las condiciones hidráulicas necesarias.

Un sistema de riego presurizado requiere carga de presión para entrar a funcionar adecuadamente, está conformado por dos elementos principales como tuberías y emisores. Se conoce como emisor a los dispositivos de entrega de agua a cierta superficie de riego. En los sistemas de irrigación agrícola se puede utilizar diferentes tipos de emisores, su elección dependerá de las condiciones de suelo, clima y eficiencia del método. Cuando se realizan diseños agrícolas se considera como mejor método de riego al que sea económicamente factible de implementar, frente a ello y con el fin de simular un emisor adecuado para el sistema, se implementará una parcela tipo para obtener caudal y presión en los nudos de entrega o hidrantes; con estos datos se busca un emisor que se adapte a las condiciones más reales posible.

El método de riego que se adapta a la presente red es el de aspersión, por ello se diseñará una parcela en función a los requerimientos de los mismos, donde se obtendrá la presión y caudal mínimo en el nudo cabecera para que la parcela funcione adecuadamente.

3.3.1. Elección del tipo de aspersor.

En el mercado existe un sin número de modelos y marcas de aspersores para diferentes diámetros, en un sistema de riego la distribución de las tuberías dentro de la parcela depende del usuario y por ende la elección del mismo. El área de ingeniería rural de la Universidad de Castilla-La Mancha, recomienda un diámetro de 1 pulgada para tuberías de distribución parcelaría en longitudes menores a 120 metros, lo cual conlleva al mismo diámetro de los aspersores. Para desarrollar nuestra parcela tipo se escogió un aspersor de la marca PLASTIGAMA-PVC modelo 7025 RD-1-_1”.

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28

De la tabla de requerimientos proporcionados por el fabricante se escogió los siguientes valores mínimos requeridos para obtener un cierto alcance inicial:

Caudal: 19.60 gpm – 1.24 L/s Presión: 35 psi – 24.61 mca

Diámetro de alcance inicial: 37.80 m

3.3.2. Parcela.

Se optó por elegir una parcela cuadrada unitaria (1 ha) de dimensiones 100 x 100 m cuya distribución se va a realizar de la siguiente forma:

Figura 19. Distribución de los aspersores dentro de la parcela tipo. Fuente: El autor.

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3.3.3. Análisis hidráulico de la parcela.

La distribución está conformada por tubería de 50 mm de diámetro exterior y por 9 aspersores donde la presión y caudal a satisfa cer individualmente es de 24.61 mca y 1.24 L/s respectivamente. Se considerará que la parcela se localiza en un sector plano donde los aspersores se encuentran en la misma cota. Se utilizó el módulo de pérdidas de presión en fluidos mediante la ecuación de Darcy-Weisbach.

Figura 20. Cálculo hidráulico de la parcela tipo. Fuente: El autor.

Una vez realizado el análisis hidráulico de la red en la parcela, se observó que la presión requerida en una conexión directa es de 32 m.c.a con un caudal de 11.16 L/s. Al finalizar el análisis se han determinado los valores que se requerían en caudal y en presión para que el método de riego (aspersión) funcione correctamente. Este análisis se lo comprobó en el software libre EPANET 2.0, mostrando los siguientes resultados:

PLASTIGAMA 0.8 MPa

TANQ 0 32

1 TANQ-1 10 10.0 0 0.0112 85.6 1.939 165030.49 0.016 0.3650 0.365 0 31.64 OK OK

2 1-2 31.1 41.1 0 0.0037 47 2.144 100188.72 0.018 2.8002 3.165 0 28.83 OK OK

3 2-3 18.9 60.0 0 0.0037 47 2.144 100188.72 0.018 1.7017 4.867 0 27.13 OK OK

4 3-4 31.1 91.1 0 0.0025 47 1.429 66792.48 0.020 1.3518 6.219 0 25.78 OK OK

5 4-5 31.1 122.2 0 0.0012 47 0.715 33396.24 0.023 0.3935 6.612 0 25.39 OK OK

6 1-6 18.9 28.9 0 0.0037 47 2.144 100188.72 0.018 1.7017 2.067 0 29.93 OK OK

7 6-7 31.1 60.0 0 0.0025 47 1.429 66792.48 0.020 1.3518 3.419 0 28.58 OK OK

8 7-8 31.1 91.1 0 0.0012 47 0.715 33396.24 0.023 0.3935 3.812 0 28.19 OK OK

9 1-9 31.1 41.1 0 0.0037 47 2.144 100188.72 0.018 2.8002 3.165 0 28.83 OK OK

10 9-10 18.9 60.0 0 0.0037 47 2.144 100188.72 0.018 1.7017 4.867 0 27.13 OK OK

11 10-11 31.1 91.1 0 0.0025 47 1.429 66792.48 0.020 1.3518 6.219 0 25.78 OK OK

12 11-12 31.1 122.2 0 0.0012 47 0.715 33396.24 0.023 0.3935 6.612 0 25.39 OK OK

RUTA CRITICA = 6.61 hf

CAUDAL TOTAL= 11.16 L/s Presión min = 24.61 m.c.a

SE VA A TOMAR UNA PRESIÓN DE= 32 m.c.a Nudos Líneas L (m) L.A

(m)

Cota

(m) Q VELOCIDAD

VERIFICACIÓN

PRESIÓN Hf. A (m) Z (m) Presión

(m.c.a) Diámetro

Interno (mm)

Velocidad

(m/s) Reynolds λ Barr hfi (m)

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Figura 21. Comprobación de la parcela tipo en Epanet. Fuente: El autor.

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31

3.4. Software CROPWAT 8.0.

Para el diseño de una red riego se requiere conocer las demandas en los puntos de consumo o entrega, las cuales provienen de las necesidades hídricas de los cultivos en las parcelas de irrigación. Determinar estos valores es el primer paso para la modelación y análisis de un sistema presurizado. Se realiza un balance hídrico cuyos principales elementos son el tipo de cultivo, las condiciones meteorológicas y climatológicas de la zona de estudio.

Existen muchas metodologías que permiten establecer las demandas hídricas por mes de varios cultivos o denominado también diseño agronómico, dentro de ellas se encuentra el software libre CROPWAT 8.0 desarrollado por la FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura), el cual permite determinar los caudales de entrega en función al área de las parcelas, basándose en el tipo de suelo, clima y cultivo.

Este programa maneja un interfaz con diferentes módulos de entrada, desarrollados de manera sucesiva para determinar los valores que intervienen en las demandas netas de los cultivos, hasta establecer el patrón de cultivo que es una combinación de los requerimientos de agua de varios plantas sembradas en una determinada área. El proceso a implementar se muestra en el siguiente flujograma:

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En función a los datos de entrada y contando con el estudio realizado por parte de la empresa pública de riego y drenaje del sur del gobierno provincial de Loja (RIDRENSUR), se consideró los datos climáticos de la estación meteorológica de Catamayo M-060 la cual se encuentra a cargo de la Dirección de Aviación Civil-DAC.

Se encuentra ubicada a 10 km del proyecto de estudio en las coordenadas 03º59´34¨S de latitud y 79º22´15¨W de longitud y a una altitud de 1230 msnm. Se analizó una serie de 28 años (1974-2002), del cual se obtuvo la Tabla 1.

Tabla 1: Datos de análisis de la estación Catamayo, serie 1974-2002.

Meteoro Tem. Med.

Tem Mín.

Tem.

Máx. Humedad Viento Viento Insolación

P media mensual

(°C) (°C) (°C) % m/s Km/día horas mm

Enero 24.06 11.4 34.8 61.66 3.89 335.77 3.7 41.87

Febrero 23.85 9.4 35.0 65.17 3.57 308.06 3.7 73.71

Marzo 24.03 11.7 35.5 64.52 3.43 296.14 3.6 84.10

Abril 24.03 13.0 35.0 64.79 3.81 329.51 3.6 53.90

Mayo 24.17 12.4 34.3 62.17 4.18 360.79 5.4 27.10

Junio 24.24 11.6 34.2 57.14 4.61 398.63 5.3 5.99

Julio 24.21 11.2 34.2 53.76 5.09 439.75 5.3 2.32

Agosto 24.57 10.3 36.0 51.83 5.10 440.94 5.4 5.25

Septiembre 24.74 12.0 35.4 54.48 5.05 436.47 5.4 10.76

Octubre 24.56 11.1 36.1 57.93 4.67 403.70 5.5 36.63

Noviembre 24.54 8.6 36.3 58.83 4.23 365.56 5.5 22.75

Diciembre 24.49 11.3 36.4 60.83 3.96 341.73 3.7 37.80

Promedio 24.29 11.2 35.3 59.43 4.30 371.42 4.7 33.51 Fuente: RIDRENSUR, 2015.

Elaboración: El autor.

Con los datos que se obtienen de la serie en análisis, se ingresó a los módulos del software con la finalidad de determinar al final del proceso el caudal ficticio continuo denominado así en términos agronómicos o el caudal de demanda en función al área de siembra.

En el primer módulo se ingresan los valores de temperatura máxima y mínima, humedad, viento, insolación y ubicación de la estación de referencia; parámetros que permiten obtener el valor de evapotranspiración de referencia (ETo) que se indica en la Figura 23, el cual depende exclusivamente de las condiciones del clima del lugar donde se encuentra la parcela o las parcelas.

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Figura 23. Ingreso de valores climatológicos en el software CROPWAT 8.0. Fuente: El autor.

Posterior a ello se continúa con el segundo módulo que corresponde a la precipitación, en la cual se ingresa el valor mensual con el fin de obtener la precipitación efectiva que se observa en la Figura 24, que corresponde al porcentaje de lluvia que llega a la superficie de la parcela.

Figura 24. Ingreso de valores de precipitación mensual en software CROPWAT 8.0. Fuente: El autor.

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En la Figura 25 se muestra el ingreso de los valores correspondientes al cultivo maíz, los demás se adjuntan en el Anexo 1.

Figura 25. Ingreso de valores del cultivo maíz choclo en el software CROPWAT 8.0. Fuente: El autor.

En la figura de la interfaz que corresponde a suelo, se ingresan los parámetros que corresponden a humedad disponible, tasa de infiltración, profundidad radicular máxima, agotamiento inicial y humedad de suelo inicial; valores que fueron tomados de la información proporcionada por la empresa RIDRENSUR.

El primer valor concierne a humedad de suelo disponible, que es la lámina de agua que almacena el suelo en mm por metro de profundidad, para ello se requiere de dos parámetros que se obtienen de estudios realizados en el suelo de las parcelas (ver Figura 26). Estos valores corresponden al punto de marchitez permanente PMP (%), capacidad de campo CC (%) y densidad aparente Da (gr/cm3_{). Con estos datos se utiliza la fórmula de la FAO del}

manual 56 para determinar el valor de la lámina de agua.

= − × × (Ec. 9)

= . − . × . × = . /

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Figura 26. Ingreso de valores de suelo en el software CROPWAT 8.0. Fuente: El autor.

Al llegar al módulo cinco del programa se realiza el balance hídrico, donde se determinan los requerimientos de agua del cultivo. En la Figura 27 se muestran los valores que corresponden al cultivo de maíz choclo, para los demás cultivos se realiza el mismo proceso hasta completar el patrón, ingresando de manera individual los valores de cada uno de ellos, ya que al llegar al módulo número seis se ingresan los diferentes cultivos que se debieron ingresar previamente.

Los valores que se muestran en este módulo son la evapotranspiración del cultivo ETc que corresponde al producto de la evapotranspiración de referencia ETo y el coeficiente del cultivo kc. El requerimiento de riego está expresado en unidades de mm/dec que corresponde a la cantidad de agua que se debe suministrar en milímetros cada diez días (decadiarios).

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El principal objetivo de utilizar este programa es determinar la programación de riego, es decir que caudal se necesita por hectárea en una determinada fecha, ya que el valor mayor se toma como crítico y al ser multiplicado por el área de parcela se obtiene el caudal de entrega en litros sobre segundos, en la Figura 28 se muestra la programación de riego para el cultivo de maíz choclo; para los cultivos restantes el proceso es similar.

Figura 28. Programación de riego para el cultivo de maíz choclo.

Fuente: El autor.

En lo que respecta al patrón de cultivos (ver Figura 29), se ingresó los valores correspondientes basándonos en la información suministrada por RIDRENSUR, donde se detallan los diferentes cultivos que predominan en esta comunidad y los respectivos valores de superficie que ocupan.

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Con este patrón se obtuvo el siguiente requerimiento del sistema (ver Figura 30), con el cuál se determinarán las frecuencias y tiempos de turno de los cultivos. El valor que se obtuvo como caudal ficticio contínuo para la red es de 0.84 l/s/ha valor que corresponde al mes de julio y agosto donde más necesidad de agua se presenta.

Figura 30. Resultados obtenidos de caudal ficticio continúo del patrón de cultivo. Fuente: El autor.

3.5. Caudales de entrega a las parcelas.

La red beneficiará a un total de 81 usuarios, abarcando una superficie de riego de 93.89 hectáreas dividas en 225 parcelas, cuya distribución en sus 3 ramales bien identificados (ver Figura 17) se presenta a continuación:

Tabla 2. Distribución de superficie de riego.

Ramal Área (ha) Usuarios Parcelas

1 5.58 6 9

2 6.34 12 17

3 81.96 63 199

TOTAL 93.89 81 225

Fuente: El autor.

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Figura 31. Programación de riego para el cultivo caña de azúcar. Fuente: El autor.

Este análisis proporciona un valor de demanda mayor que puede presentar un cultivo en un cierto día de su desarrollo, en el caso de la caña de azúcar que se ilustra en la Figura 31 el valor máximo corresponde a 1.73 L/s/ha en un día de su etapa media. Este proceso se repite para las demás plantaciones del patrón de siembra.

Tabla 3. Demandas máximas diarias de los cultivos.

Cultivo D máx.-día (L/s/ha)

Caña de azúcar 1.73

Frutales (cítricos-papaya) 1.11

Yuca 0.90

Medicinales-cedrón 1.05

Sábila 1.12

Pasto de corte 1.68

Pepino 1.37

Maíz choclo 1.24

Tomate 1.58

Fréjol 1.07

Pimiento 1.18

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Los valores obtenidos al multiplicarse por el área de cada parcela donde se va sembrar los cultivos del patrón, permite obtener un caudal de demanda máxima o caudal de diseño crítico para el punto de entrega, ya que este caudal es mayor al que se obtiene al realizar este producto con el caudal ficticio contínuo. Es decir se obtiene una demanda máxima en cada área individual de irrigación. Al usar este parámetro se cubrirá la frecuencia de riego ya que la misma puede coincidir con el día de máxima necesidad, o en el caso de que se cambie el cultivo de siembra, ya que al utilizar un caudal mayor, el tiempo de riego es menor y al ser menor libera más espacio dentro de cada período de aspersión.

Tabla 4. Caudales de entrega en las parcelas considerando la máxima necesidad diaria.

N° de Usuario N° Parcelas A. Regadas (ha) N ° hidrantes Cultivo Caudal (L/s)

1 2 1.13 2 frutales 1.26

2 2 1.06 2 maíz 1.32

3 1 0.47 1 pastos 0.79

4 1 1.02 2 frutales 1.14

5 1 0.24 1 cedrón 0.25

Fuente: El autor.

En la Tabla 4 se muestra el proceso para determinar el caudal de entrega para un número de cinco usuarios considerando el parámetro de máxima necesidad diaria de los cultivos del patrón, para el total de 81 que conforman el sistema de riego se ilustrará en el Anexo 2. Con respecto al segundo parámetro para determinar el caudal de entrega en las parcelas, se analiza los resultados obtenidos de la parcela tipo, que incluye la técnica de riego a implementar como es el método de pluviometría mediante aspersores. Al realizar el diseño hidráulico y la distribución de estos emisores en una superficie de 1 hectárea, y al obtener caudales máximos diarios en L/s/ha, lo que permite este análisis es determinar la cantidad de ellos que ocuparán las diferentes áreas a ser regadas.

Los aspersores funcionan hidráulicamente como emisores. La simulación de la red se la realizará en el software de libre acceso EPANET 2.0, donde en su manual de usuario especifica los datos necesarios para que un nudo de consumo trabaje bajo la condición de emisor, y para ello presenta la siguiente expresión:

= � � _{(Ec. 10)}

Donde:

(54)

40

-presión mínima requerida en el nudo en mca.

� -exponente de la presión que para rociadores es igual a 0.5.

Los fabricantes de aspersores muestran una tabla que relaciona la presión y el caudal de trabajo, el emisor escogido en el diseño de la parcela tipo presenta los siguientes valores:

Figura 32. Características del aspersor 7025 RD _– 2 _–_1”. Fuente: Plastigama, 2015.

En el análisis de la parcela tipo se utilizó los valores mínimos de la Figura 32 que corresponden a una presión de 35 psi (24.61 mca) con una dotación de 19.60 gpm (1.24 L/s), los mismos que al ser remplazados en la ecuación 10 nos permiten obtener el siguiente coeficiente.

� = _� = _.. _.5= .

Que corresponde a usar un aspersor de esa marca y modelo seleccionado, tomando la distribución que se realizó en el análisis de la parcela tipo, lo siguiente es determinar el número de emisores necesarios para cubrir cada área de las parcelas ya que se tiene una referencia que nueve de ellos cubren una hectárea.

Tabla 5. Coeficientes de emisores acumulados en las parcelas.

N° Usuario A. Regadas N° Hidrantes N° Asp. Total

# Asp. Parcela

Presión mín.

C (Emisor)

Q Emisores

(ha) (mca) 0.249 (L/s)

1 1.13 2 11 6 25 1.494 7.47

2 1.06 2 10 5 25 1.245 6.23

3 0.47 1 5 5 25 1.245 6.23

4 1.02 2 10 5 25 1.245 6.23

5 0.24 1 3 3 25 0.747 3.74

Fuente: El autor.

(55)

41

Anteriormente se mencionó que para determinar el caudal de entrega en las parcelas se analizarán dos parámetros, la máxima necesidad diaria del cultivo y los valores de la parcela tipo. Cada uno de ellos proporciona un cierto valor, es evidente que al realizar un contraste entre la Tabla 4 y la Tabla 5, las dotaciones son mayores en el segundo. Frente a estos resultados se debe considerar que es necesario proporcionar el caudal correspondiente para que el método de riego escogido funcione correctamente.

Si la red se diseña con los valores del primer parámetro no permitirá dotar el caudal mínimo para que el grupo de aspersión trabaje adecuadamente, lo que obligará a cambiar de método o tipo de emisor, es por esta razón que el diseño se realizará con las dotaciones del segundo, ya que cubren estos caudales. Al relacionar esta consideración con los resultados agronómicos, se evidencia que se está entregando más cantidad de agua de la que el balance hídrico específica, esta diferencia se puede cubrir en el período de riego ya que si se entrega más caudal para cubrir un valor de demanda baja, el tiempo de aplicación disminuye.

Al disminuir el tiempo de riego en las parcelas, se brinda un beneficio a la red ya que si se presenta un cambio del patrón de cultivos que requiera más cantidad de caudal del que se utilizó para diseñar la red, estos períodos solo aumentarían satisfaciendo la nueva demanda.

3.6. Diseño y cálculo de la red.

Con la topología de la red y los caudales de entrega por parcela, se procedió al diseño hidráulico del sistema. La red está conformada por un total de 546 nudos de los cuales 143 son nudos de consumo y consta de tres ramales.

Se utilizó el módulo de pérdidas de presión en fluidos mediante la ecuación de Darcy-Weisbach.

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Figura 33. Flujograma del proceso de diseño. Fuente: El autor.

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43  Gradiente disponible (J*):

∗₌� − + �

∑

(Ec. 11)

Donde:

� -altura de cabecera en m.

-altura topográfica del nudo en m.