8 Redes de conducción, distribución, y líneas fijas de parcela

8
8.1
Redes de conducción, distribución, y líneas fijas de parcela
Introducción
Una vez determinados los planes de cultivo, los requerimientos en agua, el área total
regable, la reparticiiin del Brea total entre los usuarios, el caudal de diseño, y la distribución
de los sectores de riego y de los hidrantes, se puede proceder al diseño de las obras de
conduccion y de repartición de agua desde la fuente hasta los hidrantes.
El concepto básico del planteamiento hidráulico de los pequeños sistemas de riego
desarrollado en este curso, consiste en:
Una repartición del flujo de agua desde la captación o de la fuente, a través de una
red de conduccion y distribución, en forma proporcional hasta los sectores, en caudales
continuos que alimentan pequeños reservorios 1cámaras de carga. Esta parte del sistema
tiene que ser diseñado de tal manera que en las obras de repartición haya presion
atmosférica para poder asegurar una repartición proporcional correcta. Significa que esta
parte del sistema consiste de canales abiertos y10 tubería con presión atmosférica. En
algunas partes pueden ser necesarios tramos presurizados para atravesar pendientes
fuertes o quebradas (con sifones) que luego desembocan a presion atmosférica en una obra
repartidora o en un reservoriolcámara de carga.
A partir de los reservorios/cámaras de carga el flujo continuo que corresponde a cada
sector entra en una red de tuberías presurizada, que tiene como salida uno o varios
hidrantes. En esta red no se puede lograr reparticiones del agua en forma proporcional entre
los hidrantes, y por lo tanto la distribución es en forma de turno o rotación (ver figura 9).
8.2
Líneas de conducción y de distribución
De acuerdo al caudal que tiene que pasar por la tubería, se puede considerar 2
opciones: conducción con tubos llenos, y conducción con tubos con tirante hasta 75% del
diámetro del tubo. Para trabajar con tubos llenos debemos asegurar que en el perfil
longitudinal la linea de presion en la tuberia no baje de la línea de altura del terreno, ya que
esta condición representa presiones negativas en el tubo, con los problemas que esto
implica (formación de bolsas de aire, implosion de tuberías}.
Con tubos llenos, se aplicará la siguiente formula para tubos de PVC o con rugosidad
igual a PVC, basada en Hazen-Williams:
D = (0,349 * Q * S "m')0,369
Con: Q = caudal en Ils
S = pendiente del tubo en rnlm
D = diámetro del tubo en pulgadas
El resultado D de este calculo tiene que ser redondeado hacia arriba para obtener
diámetros de tuberías comerciales.
También se pueden hacer los cálculos utilizando la hoja de cálculo en Excel "perdida
de carga.xlsn.
Para calcular los tirantes de agua en tubos parcialmente llenos, se puede utilizar el
programa HCANALES.
Figura 9: Esquema de la distribución de agua, conducción, distribución proporcional, línea
fija y línea móvil
Hidrante
8.3
Obras de arfe en las Iíneas de conduccion y de disfribución
A continuación van a ser presentados algunos tipos de obras que podemos necesitar
en las líneas de conducción y de distribución.
Captación o bocatoma
Sedirnentador
Obras de repartición
Cámara rompe-presión
Cajas de válvulas de purga y de desfogue
Reservoriolcamara de carga
Se asume que los diseños de pequeñas captaciones, bocatomas, sedim'entadores,
cámaras rompe-presión y válvulas de purga y de desfogue son suficientemente conocidos,
y nos limitamos a dar más detalles sobre las obras de repartición, y las reservorios1camaras
de carga.
8.4
Obras de repartl'ciún
El objetivo de una obra de repartición en el contexto del riego por aspersión es:
asegurar una repartición proporcional del flujo de agua de acuerdo a una proporción
preestablecida: 50% - 50%, 60% - 40%, 113 - 213, independientemente de la variación del
caudal de entrada. Esto asegura que las diferentes secciones del sistema siempre reciban la
misma proporción del caudal total.
Trataremos 2 tipos de obras de repartición (van Drunen, 1998 ii):
Los vertederos triangulares de cresta aguda, en que las proporciones de la reparticibn
del agua son dadas por los ángulos inferiores de tos vertederos (ver figura 10).
Los orificios circulares, en que el numero de orificios con diámetro determinado
determina la repartición de agua entre 2 o más partes (ver figura 13)
Ejemplo: Para realtzar una repan'ición de 60%- 40% de un caudal de 2 Ys, uufilamos
10 orificios de-0,2 I/s cada uno. 6 De estos or/ficiosseparan e/ agua para un ramal y 4
//evan e/re.cfndel f l h a nfrn rama/.
La elección del tipo de obra repartidora depende de los caudales que se van a
repartir: Un repartidor con vertederos es apropiado cuando se requiere repartir caudales
relativamente grandes. La repartición es poco sensible a manipuleos o atascos porque los
vertederos son metálicos. Normalmente se ubican en las reparticiones principales del
sistema, por ejemplo el primer repartidor después de la captación en figura 9 que separa 2
Ils a la derecha y 1 11s a la izquierda.
Repartición mediante orificios tienen la ventaja de ser muy transparente para los
usuarios, de tal manera que existiria la opción de que la misma organización puede
modificar tos números de orificios si hubiera cambios en la repartición del agua. Para
modificar un vertedero la intervención de un ingeniero siempre es necesario.
Figura 10: Tanque repartidor con vertederos triangulares
fo.id
im
l
Vista en Planta
Corte Transversal
Iia&rwrrr*rumi8
Corte Longitudinal
I
m
la rd
Vertedero triangular
Para repartir el flujo de agua proporcionaimente en dos o más partes, se construye
una caja en concreto con una sección donde entra el caudal a repartir. Esta sección está
separada de las secciones de salida mediante una plancha metálica de 3 o 4mm que tiene
para cada sección de salida una apertura triangular. Los vértices inferiores de los triangulos
están todos a un mismo nivel.
Variando el ángulo entre 2 verfedores, se llega a una diferencia entre los caudales
que pasan por cada vertedero con una proporción constante. El cuadro 12 muestra 3
ángulos de vertederos y la relación entre los caudales que pasan por cada vertedero.
Cuadro 12: Angulos específicos para vertederos triangulares
1 Proporción del caudal Q
1 ~ n a u l odel vertedero 0
Ejemplo: si co/ocamos en una caja repartidora un vertedero de 90°y uno de 35"46; e/
caudal de entrada de 7 //S sera repartido en 2 caudales: O, 75 Ys y 0,25fs.
En el caso de reemplazar e/ vertedero de 35"46'por uno de 53"8:la divsión del
mismo caudal seria: O,66 //s y 0,33//s.
La formula para determinar la relación entre el caudal Q y el ángulo 8 del vertedero es la
siguiente:
Q = Ce
8 4 29 tan ~ ( h +, U,,)23
15
2
Con: Q = caudal en m 3 k
8 = ángulo del vertedero en grados
h, = altura del nivel del agua, aguas arriba del vertedero, medido a
partir del vértice inferior del triángulo (m)
Ce = coeficiente en función de 0, véase figura 12
Kh= coeficiente en funcion de 0, véase figura 11 (la lectura es en mm,
se convierte en m para introducir en la formula).
Figura 11: Valor de Khi
función de 0
Fuente: Bos, 1976
ángulo del vertedero en grados
Figura 5: Coeficiente de descarga Ce, función de 0
Fuente: Bos, 1976
ángulo del vertedero en grados
Manteniendo constante la altura hl, se puede variar el ángulo O e iterativamente
calcular los caudales para llegar a proporciones de caudal entre dos vertedores, diferentes
de los presentados en el cuadro 11.
Condiciones a respetar:
Sabiendo los caudales máximos que
tienen que repartirse y la proporción, se
determina el .,h,
La caja repartidora
tiene que ser diseñado de tal manera que
la distancia P entre el fondo de la cala y
los vértices de los vertederos respete la
condicion:
Foto 6. Tanque repartidor proporcional con
vertederos triangulares
La anchura de la caja tiene que ser
suficiente para que sea igual a la suma
de los anchos mínimos de fiujo B
requeridos para cada vertedero. Para
cada uno, 6 tiene que respetar la
condición:
El nivel del agua, aguas abajo de los
vertederos, no tiene que superar 0,05m
por debajo del vértice inferior, para
garantizar una caída libre del agua a
través de los vertedores
Es de suma importancia para el buer
funcionamiento de esta obra la fabricación
correcta de los vertederos. Luego, su
instalación debe de hacerse con la máxima
precisión para que los vértices estén a la
misma altura y los vertederos en una
posición perfectamente horizontal.
I
Repartidor con orificios
Cuando nos interesa incorporar cierta flexibilidad en las proporciones, se puede optar
por un repartidor de orificios perforados en tubos de PVC verticales "tipo chimenea* como
demuestra la figura 13. Los orificios son perforados en tubo de PVC de desagüe de 4" o de
6",para caudales hasta 4 lit/seg. Para repartir caudales mayores es preferible optar por
repartidores del tipo vertedero, ya que tos accesorios para tubo de 8" son bastante caros. Es
preferible no pegar el tubo perforado a la unionlreduccion en la base del tanque, para que
pueda ser removida. A parte de ser una solución relativamenteflexible, el_costoes bajo
porque las dimensiones de los tanques son reducidas.
.
-Ftgu%13: ianque repartidor con orificios en tubos verticales
La descarga de un orificio sumergido que descarga libremente en el aire es:
Q = c ~ * % * x * d~( ~ g* h)
*
Cd = coeficiente de descarga (ver tabla siguiente)
d = di8metro del orificio
g = 9,s
h = carga hidráulica
Cuadro 13 presenta los valores de la coeficiente de descarga Cden función del
diámetro de orificios con salida libre en el aire.
Foto 7. Tanque repartidor de tubos verticales con orificios
Cuadro 13: Valores de Cd como función de d, orificios con salida libre
/ diámetro orificio (metros) 1 C. (coeficiente de descaiga)l
Orificios de W" (12 mm) sumergidos 0 , l metros tienen una descarga de
aproximadamente 0 , l litlseg. Entonces, si los aspersores a usar tuvieran un caudal
aproximado de 0,2 litlceg, podríamos establecer la repartición proporcional del agua
mediante dos orificios de este tamaño por cada aspersor que estuviera operando bajo la
salida del repartidor.
Ejemplo: en un tubo de 6" se pueden perforar 20 orificios con un diámetro de 12
mm a una sola altura. Sumergidos con 0,I metros de agua, por los 20 orificios
pasarán cerca de 2 liWseg.
Cuando por algún motivo, la repartición tiene que ser cambiada posteriormente, los
mismos usuarios podrán realizar los cambios con la ayuda de un mecánico que puede
perforar los orificios. Orificios que estin demas pueden ser tapados temporalmente o
permanentemente.
Para asegurar la proporcionalidad, es necesario que las alturas de los orificios sean
perfectamente iguales. Cuando el numero de orificios sea mayor que el numero que se
puede ubicar en un corte del tubo, se puede perforar en dos o más filas, siempre y cuando
se mantenga la proporcidn de los números de orificios de las salidas en cada fila (por
ejemplo, cuando la repartición tiene que ser 213 - 113, se debe asegurar que en cada altura
la proporción de orificios sea dos por uno).
8.5
Reseworios/ cámaras de carga
La obra descrito en este párrafo'tiene 2 funciones:
Cámara de carga para dar la presion a la red presurizada
Regulación para permitir el buen funcionamiento del sistema con caudales variables de
entrada y salida a estas camaras de carga.
Figura 14: Reservorio / cámara de carga de 8 m3, concreto reforzado con malla galvanizada
La regulación es necesaria por el hecho que el sistema de riego está diseñado con
un caudal máximo pero que debe de poder funcionar con caudales más pequeños sin que la
red presurizada aspire aire: el reservorio permite almacenar el agua entrando durante cierto
tiempo, para que despues se pueda regar con toda la capacidad del sistema. Mas que todo
esta obra asegura la flexibilidad del sistema cuando los caudales disminuyen, y deja a los
agricultores de escoger las opciones que ellos prefieren para regar:
pueden regar con toda la capacidad que tienen, es decir con todos los aspersores y
boquillas con qué también riegan en la epoca de máximos caudales. En este caso los
tiem~osde rieao serán más cortos, y van a tener que esperar con mas frecuencia que se
llene de nuevo el reservorio.
pueden sacar unos aspersores, poner boquillas mas pequeños, o poner otro tipo de
aspersor que gaste menos, para adecuar el riego al caudal disminuyente, maximizando
asi los tiempos de Nego y minimizando el tiempo para esperar que se llene el reservorio.
Foto 8: Fases de construcción de un reservorio/cárnara de carga.
1) Preparación del vaso
Foto 9: Reservorio: 2) Pañoteado
Foto 10: Reservorio: 3) Acabado y protección
El volumen de un reservorio se calcula en base a los factores siguientes:
Las diferencias entre el caudal de entrada y de salida del reservorio que se preven
durante el funcionamiento normal del sistema. Por ejemplo, si hay grandes diferencias
entre el caudal de máximo estiaje, y de inicio de la época de riego, se puede aumentar o
reducir el número de aspersores. Sin embargo no se puede reducir con un medio
aspersor, entonces las diferencias de caudales de menos del caudal de un aspersor
deberían ser reguladas mediante la capacidad de almacenamiento del reservorio.
El tiempo de riego previsto en una-posiciónde la linea de riego. Generalmente de 8 o 12
horas.
-E/sistema de nkgu por aspersión de San José, Sbiiac, fbe diseñado tomando en
wnsideración un caudal minimu de 0,3 Us (afumdo en sefiembre) y un caudal máximo
de 0,5 //S (estimado para e/ mes dejunio). La capaMdad de/ sistema está entonces
para pode/ funcionar con O,5 //s.
E/ rese~uriu/&mara de carga se diseñd de la siguiente manera:
Se detemino que los agn'cutores tienen que poder regar un mínimo de 8 bocas en e/
tiempo de caudales mínimos (0,3 Us), mn toda la capacidad del sistema, es ddec cun
un caudal de O,5 1/s.
El volumen de la diferencia enfre O,3 f s y 0,5 //S durante 8 horas tiene que ser
entonces almacenado en un reservun'o:
V reservorio = (0,5
- 0,3)
8 3600 = 5760 litros
Se considerb construk un r e s e d o de 6 d , que se llenaria en 6OOW 0,3/ 36170 = 35
horas.
La construccion de los reservorios puede hacerse (en orden descendiente de costos) en
concreto armado, en mampostería, en concreto refonado con malla galvanizada
(ferrocemento), o con revestimiento de geomembrana de PVC o de polietileno.
La forma tra~ezoidalda mayor estabilidad y una construcción menos costoso en el
caso de concreto. Para revestimientos con geomembrana esta forma es indispensable.
Es difícil de dar criterios para la selección del tipo de impermeabilización de los
reservorios, por la multitud de factores que pueden influir: Experiencias locales;
disponibilidad de materiales y de asesoramiento; tipo de suelos; calidad del manejo y de la
vigilancia de las obras; presupuesto disponible.
Los anexos 3 y 4 muestran dimensiones y un análisis de costos de 2 tipos de
revestimiento: concreto armado y manta de polietileno de 0,1 mm.
Los reservorios tienen que ser equipados con un tubo de rebozo y de limpieza, y un
filtro para evitar el ingreso de partículas en las líneas de presión. Los filtros comerciales son
de fácil instalación y son fáciles de limpiar, pero tienen un costo algo elevado. También se
puede fabricar con tubo de PVC perforado y malla de nylon un filtro artesanal, a un costo
algo menor (vea figura 15).
8.6
Redes presutizadas
Una vez que se conoce el caudal que tiene que pasar por una red presurizada, a
partir de su rese~voriolcámarade carga, calculan los diámetros de tubería para llegar a las
presiones óptimas al nivel de cada hidrante, a través de las pérdidas de carga dentro de la
tuberia.
Para calcular la perdida de carga en un tubo de PVC o de PE se aplica la formula de
Hazen-Williams:
H = 10.64 * L * G?Ina5 con:
c'''~* D~~~~
H = Perdida de carga hidráulica en m
L = longitud del tubo en m
D = diámetro interno del tubo en m
Q = caudal en m' I
S
C = coeficiente de rugosidad cuyo valor es 140 para PVC y PE
Las pérdidas de carga de un tramo de tubería (de un colo diámetro a compuesto de
varios diámetros) se calcula con esta flimula, utilizando una hoja de cálculo para facilitar el
trabajo. Existen para tal fin un sinnúmero de herramientas de cómputo muy prácticos, en
PRONAMACHCS Cajamarca se ha diseñado una hoja de calculo en Excel "perdida de
carga.xlsnpara deteminar las presiones en los diferentes puntos de la red presurizada, las
cantidades de tubos de diferentes diámetros necesarios, y el costo por tramo y total.
Para las redes de presión de riego es importante lograr mediante la selección de
diametros de tuberías que en cada hidrante la presion dinámica sea mayor a 12 metros, y
que no haya muchas variaciones de presión dentro del sector, para evitar grandes
diferencias en los caudales de los aspersores.
Algunas veces no se logrará que la presión dinámica a nivel de un hidrante sea la
adecuada con un solo diámetro de tubería. En estos casos se pueden combinar tubos de
diferentes diámetros en un solo tramo, cuidando que el mayor diámetro se encuentre en la
parte baja del tramo, para evitar obstrucciones en la reducción.
Figura 15 presenta en croquis los elementos y accesorios necesarios para una red
presurizada, un hidrante, y un equipo móvil de aspersión.
Figura 15: Esquema de red presurizada, hidrante, equipo móvil de aspersión
L
filtro 2"
,
RED PRESURIZADA
union mixta %"
enlace rosca
hembra 25mm-%"
reducción1% "'-1"
tee ?%"
elevador PVC%"
L l h l C A
La
8.7
Tanque hidrante
Los hidrantes generalmente se ubican en medio de las chacras y es necesario
protegerlos contra golpes de arado y otro tipo de amenazas con un pequeñ~tanque de
concreto. Es recomendable además fijar los codos y las vakulas en estos tanques con
cemento, a fin de evitar el robo y para asegurar que en el manipuleo de las mangueras no
podrán ser arrancadas las partes vulnerables del hidrante (tubos de PVC, codos, válvula).
Además es importante ubicar la salida de la válvula pocos centímetros encima de la cota del
terreno para facilitar el acople de las mangueras. Una tapa de concreto sirve para evitar que
personas ajenas y niños fácilmente metan la mano.
En la siguiente figilra presentamos un diseño de un tanque hidrante que cumple los
requisitos minimos. Aun así, el hidrante sigue siendo un elemento vulnerable del sistema y
hay que insistir en el cuidado que requiere.
Figura 16: Diseño de un tanque hidrante
u
Tubo de PVC 1.5" o 2
e
H
collarin con toma laterai
9
Costos y presupuesto
Para calcular los costos de un sistema de riego presurizado hemos definido los
rubros siguientes, con referencia a los componentes del sistema:
Captación
Conducción (que incluye los tanques de repartición y las redes de distribución)
Reservorios reguladores/ cámaras de carga
Redes presurizadas (que incluye líneas de riego fijas y enterradas, hidrantes, y líneas de
riego móviles)
Mano de obra calificada (maestros, residentes de obra)
Mano de obra no-calificada
Elaboración de proyecto y supervisión (IngOque diseña y supervisa el sistema, topógrafo,
etc.)
Capacitación
Como ejemplo están presentados aquí los costos de 2 proyectos ejecutados en 1998
y 1999 por la Dirección Departamental de PRONAMACHCS Cajamarca.
Cuadro 14 da un resumen de los costos totales del proyecto de riego por aspersión
Hierba Santa que capta el agua de un manantial con Q = 0,3 I/s y lo reparte entre 8 familias
de tal manera que cada familia puede regar unos 1250 m'. Hay varios cultivos (papa,
hortalizas, alfalfa, alverja, cebada), para autoconsumo y para venta al mercado. De los
beneficiarios se esperaba la contribución de la compra de los aspersores y mangueras. Sin
embargo no tuvieron que realizar el gasto ellos mismos porque fueron apoyados por el
Municipio Distrital.
Cuadro 15 muestra los costos del proyecto de riego Pedregal que se alimenta de una
fuente de 8,5 Ils que antes fue aprovechado deficitariamente mediante un sistema de riego
por gravedad. Cada beneficiario recibe ahora un caudal continuo proporcional al área que
puede regar. Los beneficiarios son ganaderos vendedores de leche y riegan mayormente
pastos. Los beneficiarios asumieron el gasto para las redes presurizados (rubro D) mediante
un crédito.
Cuadro 14: Resumen de costos del proyecto de riego Hierba Santa
Proyecto:
Area regada:
Beneficiarios:
Rubro
A. Captación
B. Conducción
Hierba Santa, provincia San Marcos
1 ha
8 familias
Especificación
Cantidad
Captación
1
Tubería + accesorios
296 m
1
Tanque repartidor
Reservorios 3m3
2
C. Reservorios
reguladores
D. Redes presurizados
Costo US$ *
94
133
37
131
Líneas de riego
- fijas
.
Mangueras
Aspersores
Hidrantes
Accesorios
E. Mano de obra calificada 1
F. Mano de obra no1
calificada
G. Elaboración de
proyecto y supervisión
1
H Canacitación
I u l r\L
57
1
I
Costo por hectárea
* Valor del dólar en Abril 2000 es S/.3,50
i
-1 1 a1
1737
Cuadro 15: Resumen de costos del proyecto de riego Pedregal
Proyecto:
Area regada:
Beneficiarios:
Pedregal, provincia Celendín
20 ha
18 familias
Uubro
Cantidad
A. Captación
Captacion
B. Conducción
Tubería + accesorios
Tanques repartidor
Tanques de válvula
C. Reservorios
Reservorios 3m3
reguladores
D. Redes
Líneas de riego fijas
presurizados
Mangueras
Aspersores
Hidrantes
Accesorios
E. Mano de obra
calificada
F. Mano de obra nocalificada
G. Elaboración de
proyecto y
supervisión
H. Capacitación
TOTAL
Costo por hectárea
1 Costo US$
943
1857
257 1
1571
19333
967
10 Análisis de costo 1 beneficio
Una vez determinado el presupuesto para la obra planteada, y el área neta a regar,
se puede realizar un análisis de los costos en relación a los beneficios esperados. Una
relación favorable entre estos dos es necesario para que las inversiones en este tipo de
obras, tanto de las instituciones como de los agricultores, sean justificables.
Para las condiciones Altoandinas los beneficios generalmente no deben ser
sobrestimados, ya que la realidad agraria tiene bastantes limitaciones, fuera del agua de
riego, que impiden altas tasas de renta. Para los dos casos presentados en el capitulo
anterior se han hecho estimaciones de los beneficios de la introducción del riego tecnificado.
Para el caso de Chirac, donde el riego posibilita una segunda campaña (chica) en el
año, en el caso estudiado con papa, se encontró una renta neta de la inversión en riego de
$714lha/campaña. En el caso de Pedregal el riego permite una mayor constancia en la
producción de los pastos y el beneficio es estimado en $3501halaño. Las inversiones totales,
presentadas en el capitula anterior, de $17371ha y $9671ha parecen ser justificadas por
estos aumentos de ingresos campesinos, ya que las inversiones se recuperan en pocos
años (dependiendo de la tasa de interés que se quiera aplicar a la inversion).
Por limitaciones de tiempo esta guía no puede proporcionar indicaciones prácticos
para el calculo de la rentabilidad de las inversiones en pequeños sistemas de riego por
aspersión, sin embargo encontramos allí una necesidad que debe ser atendida con
urgencia. Mientras tanto se recomienda analizar el nivel de costos por hectárea incorporada
al riego. Los valores dados como ejemplo pueden servir como referenciales. Si se encuentra
un nivel de costos demasiado alto, se deben reconsiderar algunas decisiones de diseño, por
ejemplo la inclusión de las parcelas más alejadas, e incluso reconsiderar la viabilidad del
proyecto.
Foto 11: Riego por Aspersión de papas
Foto 12: Riego por aspersión de pastos