DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DEL DESIERTO–MÉTODOS DE RIEGO 59 6.- DISEÑO DE RIEGO POR ASPERSIÓN 6.1.- Introducción El riego por aspersión, es un método presurizado de aplicación del agua, en donde el chorro es pulverizado, cayendo el agua al suelo en forma de pequeñas gotas, simulando una lluvia. Las principales características operativas de este método son: a) La velocidad de aplicación del agua debe ser menor que la velocidad de infiltración estabilizada. b) En los laterales las pérdidas de carga deben ser inferiores al 20%. c) En la línea principal la pérdida de carga debe ser inferior al 15%. d) Los laterales debieran colocarse en forma perpendicular a la dirección del viento. e) Los laterales debieran ir en el sentido de la pendiente para ahorrar energía. La decisión de usar este método, implicará una serie de ventajas y desventajas, respecto de otros métodos de riego, estas pueden resumirse en las siguientes: 6.1.1.- Ventajas a) Se adapta a todo tipo de superficies y topografías. b) Es posible regular la tasa de aplicación de agua en el suelo. c) El sistema es de fácil operación. d) Tiene una alta eficiencia de riego. e) Es posible aplicar agroquímicos por línea de riego. f) Se puede regular fácilmente el caudal aplicado g) El sistema puede ser automatizado DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DEL DESIERTO–MÉTODOS DE RIEGO 60 6.1.2.- Desventajas a) El sistema requiere estar presurizado para funcionar, lo cual podría implicar consumo de energía. b) El costo de cañerías y fitting c) Sectores ventosos disminuyen eficiencia del riego d) Existiría poca eficiencia en extremos de potreros, esto se agrava en terrenos muy irregulares e) Pueden incrementarse los riesgos fitosanitarios. f) Si el agua es de mala calidad, al quedar esta sobre el follaje o tallos y evaporarse, deja en la superficie de la planta sales u otros residuos que pueden ser tóxicos, tanto para la planta o para los animales, en caso que, por ejemplo, sea un forraje como la alfalfa. g) Cuando las texturas predominantes son predominantemente arcillosas o limosas, se pueden ocasionar problemas por sellamiento superficial del suelo, disminuyendo la infiltración del agua. 6.2.- Cálculos básicos 6.2.1.- Humedad disponible Esta corresponde a la altura de agua que se debe reponer en cada riego: hd = (CdC - PMP) * Da * HR * UR [48], donde hd CdC PMP Da HR UR altura de agua que se debe aplicar en cada riego (cm) capacidad de campo punto de marchitez permanente densidad aparente profundidad de raíces (cm) umbral de riego. 6.2.2.- Tasa de riego. Tasa =(ΣEtci)*10/ef [49], donde Tasa tasa de riego del cultivo (m3/hectárea/período) ΣEtci sumatoria de evapotranspiraciones de los distintos meses (mm) ef eficiencia de riego DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DEL DESIERTO–MÉTODOS DE RIEGO 61 6.2.3.- Frecuencia de riego mínima. Esta corresponde a la frecuencia de riego durante el período de mayor demanda de agua. El diseño de riego debe estar en función de esta frecuencia. Durante los meses cuando sea menor la evapotranspiración la frecuencia entre un riego y otro se puede alargar. El cálculo se hace a partir de la expresión [50]. FRm = hd/Etmax [50], donde FRm hd ETmax frecuencia de riego mínima (días) humedad disponible (expresión [48]) máxima evapotranspiración (cm) 6.2.4.- Tiempo de riego TR = hd/(ef * va) [51], donde TR tiempo de riego (horas) hd altura de déficit (expresión [48]) ef eficiencia de riego va velocidad de aplicación (cm/hora) TR1 = TR + tc [52], donde tc tiempo de demora para cambiar equipo de un sector a otro. Esto sólo es válido si se trata de equipos portátiles. 6.2.5.- Máxima área diaria de riego Esta es la mayor superficie que podrá ser regada de acuerdo con el diseño y condiciones del sector y del cultivo. MADR = Area * 7 * TR1/(FRm * JSemana * JDiaria ) [53], donde MADR Area TR1 FRm JSemana JDiaria área diaria de riego área del predio tiempo de riego (exp [51]) frecuencia de riego mínima (exp[50]) días por semana que se trabajan horas al día que se trabajan DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DEL DESIERTO–MÉTODOS DE RIEGO 62 6.2.6.- Numero de laterales (Nlat) Esto corresponde al número de laterales requeridos para regar superficie de riego (MADR) Nlat = MADR / (Largo * Espac) [54] , donde Largo largo de los laterales (metros) Espac distancia entre un lateral y otro (metros). Este valor estará en función del tipo de aspersor usado y de la disposición de los aspersores en el terreno. 6.2.7.- Número de aspersores (Nasp) Nasp = (Largo / dist) + 1 [55], donde dist distancia entre un aspersor y otro (metros) 6.2.8.- Caudal requerido Esto corresponde a la cantidad de agua requerida para realizar el riego: Caudal1 = Gasto * Nasp * Nlat (litros/segundo) [56] , donde Gasto gasto del aspersor (l/segundo) Caudal2 = Caudal1 * TR * 3,6 (metros cúbicos/jornada) [57] 6.2.9.- Pérdidas de carga Se usa Hazen y Williams: hf = 3157 * Q 1,852 * L/(C 1,852 * D 4,869) hf Q L C D pérdida de carga (metros) caudal (litros/hora) largo de tubería (metros) constante (150 para tuberías de PVC) diámetro interno de tubería (milímetros) [58], donde DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DEL DESIERTO–MÉTODOS DE RIEGO 63 6.2.9.1.- Cálculo de coeficiente F Cuando una tubería tiene muchas salidas, la pérdida de carga variará en la misma, ya que se produce una disminución en el caudal. Mediante el coeficiente F de Christiansen se corrige la pérdida de carga considerando las n salidas que tenga: F = 0,351 + 1/(2*n) + 0,154/n2 [59], donde F factor de Christiansen n numero de derivaciones de la tubería 6.2.9.2.- Pérdida de carga efectiva (pdce) Este valor se obtiene multiplicando la pérdida de carga obtenida de [58] por el valor de F. Esto sólo es válido si es que entre una salida y otra existe la misma distancia y si es que todos los emisores considerados tienen el mismo gasto: Pdce = hf * F [60] 6.2.10.- Requerimientos de potencia La potencia requerida se calculará por: HP = Q * H/(75*efm*efb) [61], donde HP Q H efm efb requerimientos de potencia caudal (litros/segundo) altura total que debe impulsarse el agua (metros) eficiencia del motor (0,95) eficiencia de la bomba (0,8) Kwatt/hora = HP * 0,746 [62] 6.2.11.- Uniformidad de funcionamiento de aspersores. Al diseñarse un riego por aspersor, un buen funcionamiento del mismo requiere de 2 condiciones: que los aspersores estén operando dentro de los rangos de presión y gasto definidos por el fabricante y, que exista entre ellos un traslape apropiado entre sus radios de mojamiento.. DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DEL DESIERTO–MÉTODOS DE RIEGO 64 6.2.11.1.- Coeficiente de Uniformidad. Si no existe un buen traslape se producirá un mojamiento disparejo del terreno, con lo cual disminuirá la eficiencia del riego. Una metodología usada para determinar la eficiencia del método de riego es a través del llamado Coeficiente de Uniformidad (CU) o Coeficiente de Christiansen. Este coeficiente se calcula a partir de la siguiente expresión: Σ abs(X – Xprom)) CU = 100 * 1 - -----------------------Xprom * n abs() X Xprom n (63) donde valor absoluto de lo contenido en el paréntesis altura de agua medida altura promedio del agua número de observaciones realizadas En el terreno las mediciones se tienen que disponer con un conjunto de recipientes dispuestos en cuadrado en el terreno y con una separación (máxima) de 1 metro entre ellos Se considera que la CU es apropiada si es que alcanza valores iguales o mayores al 85%. 6.2.11.2.- Coeficiente de Hart. En forma práctica, el coeficiente de Hart (CH) corresponde al coeficiente de variación y que relaciona la desviación estándar con el promedio poblacional. Mientras mayor sea CH, menos uniforme será el riego que se esté aplicando. Este coeficiente se calcula por: S CH = 100 * -----------Xprom S (64), donde desviación estándar. El CH no debiera sobrepasar los valores del 20-25%. Si CH supera el límite superior, entonces implicaría que existiría una alta desuniformidad entre los aspersores dispuestos en el terreno. DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DEL DESIERTO–MÉTODOS DE RIEGO 65 6.3.- Ejemplo 6.3.1.- Características generales El predio analizado es un romboide que tiene las siguientes características: Límites norte y sur Límites est y oeste Superficie Pendiente N-S Pendiente E-O Jornada semana Jornada diaria Eficiencia de riego Distancia aspersores : 350 metros : 250 metros : 8,75 hectáreas : 2,40 % : 3,76 % : 6 días : 12 horas : 85% : 12 m (entre) x 12,5 m (sobre lateral) 6.3.2.- Características agronómicas 6.3.2.1.- Características del suelo Los valores característicos serían: Texturas predominantes : Franco arenosa Densidad aparente : 1,7 Capacidad de campo : 16,0 % PMP : 8,0 % Velocidad de infiltración estabilizada : 4,99 cm/h 6.3.2.2.- Características del cultivo Será una plantación adulta de cultivo de alfalfa de la variedad Alta Sierra siendo de 1,0 metros la profundidad de las raíces. 6.3.2.3.- Evapotranspiración máxima. Esta se produce durante el mes de octubre y es de 6.4 mm/día 6.3.2.4.- Humedad Disponible (hd) Según [48], esta es: hd = (16-8) * 1,7 * 1 * 0,5 = 6,8 cm. DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DEL DESIERTO–MÉTODOS DE RIEGO 66 6.3.2.5.- Tasa de riego (TR) A partir de la expresión [49], se calcula: Tasa = 1.450,1* 10 / 0,85 = 17.060 metros cúbicos/hectárea 6.3.2.6.- Frecuencia de riego mínima (FRm) Considerando [50] y a partir de ETmax=6,4 mm/día , se tiene: FR = 6,8/0,64 = 10 días 6.3.2.7.- Disposición de tuberías El agua se obtendrá desde el punto mas alto del predio (punto A en el plano), y se conducirá por una tubería paralela al límite norte del predio, en un tramo de 125 metros, posteriormente, la tubería principal cruza el predio en forma paralela al límite oeste con un tramo de 350 metros. Los laterales serán paralelos al límite oeste del predio y debieran tener una longitud de 125 metros, ya que al final de la línea se tendrá un aspersor con un radio de mojamiento de 180º. 6.3.2.8.- Aspersor usado Para el desarrollo de este informe, se considerará el aspersor Rain-Bird modelo 20B-ADJ, el cual tendrá las siguientes características: Presión requerida Radio de mojamiento Caudal Velocidad de aplicación Altura de operación : 4,0 bares : 12,5 metros : 0,34 l/s : 8,0 mm/hora : 2,1 metros 6.3.2.9.- Tiempo de riego (TR1) Considerando que el tiempo de cambio (tc) entre un sector y otro es de 1 hora, y con [52]: TR = 6,8/(0,85 * 0,8) + 1 = 10 + 1 = 11 horas Es decir, se alcanzaría a regar 1 sector por día. DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DEL DESIERTO–MÉTODOS DE RIEGO 67 6.3.2.10.- Máxima área diaria de riego (MADR) Esto se calcula por [53] MADR =(87.500 * 7 * 11)/(10 * 6 * 12 ) = 9.357,6 m2 La superficie anterior, es lo mínimo que debiera regarse cada día durante el mes de mayor demanda de agua, para lograr un riego según lo planificado. 6.3.2.11.- Número de laterales por riego (Nlat) Considerando que: a) Cada lateral estará a 12,5 metros uno de otro, b) Ellos tendrán 119 metros de largo, c) La superficie mínima de riego es 9.357,6 m2 , d) No existen restricciones de agua y, e) Usando [54] Nlat = 9,357,6/(125 * 12,5) = 6 laterales por riego. 6.3.2.12.- Número de aspersores por lateral (Nasp) Teniendo en cuenta que cada aspersor esta a 12,5 metros del otro, y usando [55] se tiene: Nasp = (125/12,5) + 1 = 11 aspersores/lateral 6.3.2.13.- Caudal requerido Aplicando expresiones [56] y [57], y considerando que el último aspersor de cada lateral tiene en su parte terminal un aspersor con un gasto de 0,17 l/s, se tiene: Caudal1 = (0,34 * 10 + 0,171) * 6 = 21.42 litros/segundo DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DEL DESIERTO–MÉTODOS DE RIEGO 68 6.3.3.- Diseño hidráulico A partir de la información anterior, los siguientes son los datos con los cuales se harán los cálculos para el diseño hidráulico (ver figura 18): * Número de laterales por riego * Número de aspersores por lateral * Gasto de cada aspersor 360 º * Gasto cada aspersor 180 º * Gasto de cada lateral * Caudal total conducido : 6,00 : 11,00 : 0,34 litros/segundo : 0,17 litros/segundo : 3,57 litros/segundo : 21,42 litros/segundo Dependiendo de las condiciones consideradas, pueden ser múltiples los diseños posibles que se puedan lograr para un sistema de riego determinado. Sin embargo, en la decisión final se deben considerar cuales son los costos relevantes del diseño, tales como: • • • • Valor de las bombas requeridas. Costo de la energía Costo de las tuberías Tipo de emisores disponibles en el mercado Al momento de elegirse el diámetro óptimo debe tenerse en consideración que la pérdida de carga producida tiene que ser igual o menor que la máxima permitida. Para lo anterior, debe tenerse en cuenta: a) Si se eligen los menores diámetros posibles, entonces se aminorará el costo de las tuberías, pero será mayor el requerimiento de potencia, requiriéndose de bombas de mayor capacidad (mas caras) y se consumirá una mayor cantidad de energía, y b) Si se eligen mayores diámetros, entonces serán menores los requerimientos de potencia, pero serán mayores los costos de las tuberías usadas, ya que estas serán de mayor diámetro y, eventualmente, de mayor clase. 6.3.3.1.- Pérdida de carga en tubería principal Esta se dividió en tres sectores, dependiendo de las condiciones del diseño. Cada tramo se ha delimitado por letras que se encuentran en plano. DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DEL DESIERTO–MÉTODOS DE RIEGO 69 125 m B A Bomba x--x--x--x--x--x--x--x--x--x--x- -x--x--x--x--x--x--x--x--x--x--x x--x--x--x--x--x--x--x--x--x--x- -x--x--x--x--x--x--x--x--x--x--x x--x--x--x--x--x--x--x--x--x--x- -x--x--x--x--x--x--x--x--x--x--x 350 m C 250 m Figura 18. Características del terreno y del diseño de riego DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DEL DESIERTO–MÉTODOS DE RIEGO 70 Dado a que el terreno presenta pendiente a favor, esta se aprovechará permitiendo una pérdida de carga igual a la pendiente, de tal forma de disminuir los requerimientos de potencia y eliminar las diferencias de presión entre un extremo y otro de la tubería. 6.3.3.1.1.- Sector A-B Este va desde la bomba hasta que se conecta con tubería dispuesta en sentido este - oeste, sus características son: * Largo * Pendiente del terreno * Desnivel : 125,0 metros : 2,4 % : 3 metros Para la situación antes descrita, existe un desnivel de 3 metros, por lo tanto, interesará conocer cual será el diámetro de tubería que causará un pdca lo más cercana posible a la diferencia de cota entre los puntos A y B. Para lo anterior, de la expresión (52) se ha despejado el término D (diámetro), quedando: D = (3.157 * Q 1,852 * L/C 1,852 * hf)0,2053 [65] D = (3.157 * 77.112 1,852 * 125/(150 1,852 * 3))0,2053 = 120.7 mm 6.3.3.1.2.- Sector B-C En este tramo se usará el mismo criterio, es decir, permitir que la tubería tenga una pérdida de carga menor o igual al desnivel del terreno. * Largo : 350,0 metros * Cota inicio : 97,0 metros * Desnivel : 13,1 metros * Cota fin : 83,9 metros * Pendiente del terreno : 3,76 % Usando [17], se tiene: D = (3.157 * 77.112 1,852 * 350/(150 1,852 * 13,1))0,2053 = 110.18 mm DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DEL DESIERTO–MÉTODOS DE RIEGO 71 6.3.3.1.3.- Todo al tramo A-C Una de las condiciones de diseño, es que en este tramo exista una variación de presión menor al 15%. Para el tramo A-B la tubería de diámetro más cercano es la de 125 mm, la cual tiene 117,6 mm de diámetro interno. El tramo B-C también se hará con tubería de 125 mm de diámetro externo. Con lo anterior, y teniendo en cuenta que en el punto B del plano debiera haber una presión de 42,1 metros (40 m de presión mas 2,1 metros de altura del aspersor), se calcularon los datos contenidos en cuadro 1. Para el cálculo de la variaciones de presión, se emplea la siguiente expresión: Var(j) = Var(j-1) – hf ± pendiente [66], donde Var(j) hf variación de altura piezométrica (hpz) en tramo j. pérdida de carga Las pérdidas de carga siempre tendrán un signo negativo. Para el caso de las pendientes del terreno, estas tendrán signo positivo si el terreno desciende y negativo si el terreno asciende. TRAMO A–B B-C PÉRDIDA DE CARGA (m) -3,4 -9,6 CAMBIO EN PENDIENTE (m) + 3,0 +13,1 VARIACIÓN EN hpz (m) -0,4 +3,5 Presión en sistema (m) INICIO FIN 42.5 42.1 42.1 45,6 Cuadro 17.- Cálculo de presiones en distintos tramos de tubería principal. Las presiones extremas (42,1 y 45,6 metros), implican un 7,1 % de variación, estando dentro del rango de variación permitida. DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DEL DESIERTO–MÉTODOS DE RIEGO 72 6.3.3.2.- Pérdidas de carga en laterales En cada oportunidad se regará con 6 laterales. Hay que controlar que en el lateral, las pérdidas de carga sean inferiores al 20% de la presión total. Para lo anterior, se usa la expresión [60] . Las características de los laterales son: * Largo * Aspersores por lateral * Caudal por lateral : 112,5 metros (con aspersores de igual gasto) : 11,0 : 3,57 litros/segundo (12.852 litros/hora) Para 42,1 metros de presión, se podría aceptar una diferencia de hasta un 20%, es decir hasta 8,4 metros. Con fines prácticos del ejercicio, se aceptarán 6 metros como máxima diferencia aceptada. Teniendo en cuenta que la variación en el caudal hará que varíe las pérdidas de carga, hay que usar el coeficiente F de Christiansen (calculado por expresión [59]). Considerando que cada lateral tiene 11 salidas, la expresión queda: F = 0,351 + 1/(2 x 10) + 0.154/100 = 0,0,40254 Reemplazando en [60], se tiene 6 = pdca * 0.40254 pdca = 6/0.40254 = 14,9 metros Es decir, se debe buscar una tubería cuyo diámetro produzca una pdca de 14,9 metros cuando por ella circulen 3,57 litros por segundo Usando [65], se tiene D = ((3.157 *12.852 1,852 * 112,5)/(150 1,852 * 14,9))0,2053 = 43,008 mm Con lo anterior, el diámetro de la lateral debiera ser de 50 milímetros y clase 6, la cual tiene un diámetro interno de 46.4 milímetros, con esto, la pérdida de carga total en lateral será de 11,52 metros. DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DEL DESIERTO–MÉTODOS DE RIEGO 73 Por lo anterior, la pérdida de carga en el lateral sería: pdca = 11,52 * 0.40254= 4,63 metros Considerando que: a) La presión al inicio del lateral será aproximadamente 42,1 metros. b) La pendiente del terreno implicará que en los 125 metros del lateral la altura del terreno varíe en +/- 3 metros. En el sector con pendiente a favor se tendrá: Presión final = 42,1 – 4,63 + 3,0 = 40,47 m (variación = 3,87 %) En el sector con pendiente en contra se tendrá: Presión final = 42,1 – 4,63 - 3,0 = 34,47 (variación = 18,1 %) En ambos casos la variación esta bajo el máximo (20%), por tanto el diámetro usado es correcto. 6.3.3.3.- Requerimientos de potencia En este punto para el cálculo se usará [61]. Los datos del problema serán: Caudal : 21,42 litros/segundo Altura de impulsión a) 42,53 (altura en inicio del tramo A) b) 8,00 (pdca por filtros) c) 5,10 (pdca por fitting, se asume un 10% de a + b) d) 2,00 (profundidad del agua) ======= 57,63 metros HP = 21,42 * 57,63 / (75 * 0,95 * 0,8) = 21,65 Dados los valores obtenidos, habría que comprar una bomba con una potencia mayor que 21,65 HP, lo cual dependerá de lo que exista en el mercado y de sus curvas de rendimiento.
