UNIVERSIDAD AUTONOMA DE CAMPECHEFacultad de Ingeniera

MEMORIA DE CLCULO

SISTEMA DE RIEGO POR GOTEO Y ASPERSION

Champotn, Campeche

OBRAS PARA MANEJO Y APROVECHAMIENTO DEL AGUA

8 A

Por: Gael Candelario Aguilar Angulo Victor Zapata Euan

Prof.: Alejandra del Carmen Castro Gngora.

San Francisco de Campeche, Campeche a 15 de Junio del 2015 Sistema de riego por goteo

Ubicacin del Sistema de riegoChampotn es una localidad del estado de Campeche en Mxico, est localizada al sur de la capital del estado y es cabecera del Municipio de Champotn.

LocalizacinEl municipio de Champotn limita al norte con los municipios de Campeche y Hopelchn, al este con Calakmul, al sur con Escrcega y el municipio del Carmen y al oeste con el municipio del Carmen y el Golfo de Mxico.

Poblaciones y datos climatologicosConforme al ltimo censo del ao 2010 el municipio tiene una poblacin de 83.021 habitantes. Su clima es clido-hmedo, siendo su temperatura media de 26 grados centgrados.

ClimaEsta regin cuenta con un clima clido hmedo y clido subhmedo tropical lluvioso, con lluvias monznicas en verano. La mxima oscilacin absoluta encontrada en la temperatura anual es de 25 C. La precipitacin en la regin de Champotn es de aproximadamente 1700 mm, abarcando el periodo de mayo a diciembre, con mayor frecuencia en los meses de septiembre y octubre.

PoblacinChampotn cuenta con cuatro juntas municipales: Seybaplaya, Felipe Carrillo Puerto, Sihochac y Hool, adems de otras poblaciones, ejidos, congregaciones, rancheras y heredades que constituyen la circunscripcin jurisdiccional de la cabecera y secciones municipales.

Diseo de Sistema de riego por goteo.

Proyectar un sistema de riego y que adems funcione correctamente es ante todo una labor compleja, propia de ingenieros agrcolas y agrnomos. No obstante, en el siguiente artculo vamos a dar todas las pautas, para que al final de este texto, que constar de varias partes, el lector sea capaz de proyectar un sistema de riego por goteo sencillo pero con todos sus componentes.

El ejemplo con el que vamos a ilustrar el tema es un proyecto real de transformacin de regado llevada a cabo en una explotacin de ctricos en el municipio de candelaria. Los clculos se han simplificado al mximo para facilitar la comprensin del caso.

A la hora de dimensionar un sistema de riego localizado se distinguen dos fases:

Diseo agronmico, que basndose en factores de produccin vegetal (clima, suelo, planta,) permitir conocer el caudal de agua necesario para cubrir las necesidades hdricas del cultivo.

Diseo hidrulico, que garantice una ptima distribucin del caudal arriba determinado, mediante un dimensionado ptimo de la red de riego y de los elementos que la componen.

Diseo agronmico

Determinacin de las necesidades hdricas

La planta solo utiliza una pequea parte del agua disponible en sus procesos metablicos, el resto se pierde por la transpiracin del propio vegetal y por evaporacin en el suelo, fenmeno conocido como evapotranspiracin del cultivo (ETc).La cantidad de agua a aportar deber ser igual a la ETc para as compensar dichas prdidas.

ET0 es la evapotranspiracin de referencia, dato que se puede obtener de las estaciones meteorolgicas ms cercanas de cada provincia. Para el clculo del riego debemos asegurarnos de que nuestro sistema podr satisfacer las necesidades del cultivo en las condiciones ms desfavorables, en este caso el mes de julio (Et0 mxima y precipitaciones mnimas). El valor es 155,47 mm.

Kc es un coeficiente propio de cada cultivo, dato que se puede consultar en multitud referencias, una de ellas es FAO. segn sus tablas para el naranjo hemos tomado un valor de 0,65. En algunos cultivos, por ejemplo rboles frutales, la Kc vara en funcin de la poca del ao. Los ctricos al ser de hoja perenne mantienen su Kc durante todo el ao, aunque se aplican diferencias en cuanto a cobertura de la parte area. De manera que:

ETc= Et0 x Kc;

ETc= 155,47 x 0,65= 101,05 mm mensuales

Clculo de las necesidades de riego

Para obtener las necesidades netas de riego (Nn), a este resultado deben restarse las ganancias por lluvias o precipitacin efectiva (Pef), aunque en esta zona y por la poca del ao, suele ser un valor despreciable y no se tiene en cuenta. Por lo tanto :

Nn= ETc

Ningn sistema de riego es perfecto, por lo que el anterior valor se multiplica por la eficiencia de riego (Ea) del sistema empleado para obtener las necesidades brutas (Nb) de riego. Se considera una Ea del 90% en riego por goteo (y del 75% en aspersin).

Nb= Nn x Ea;

Nb= (101,05 / 0,90) x 100= 112,27 mm

Ahora dividimos 112,27 entre 30 das y obtenemos las necesidades diarias: 3,74 mm

3,74 x 6 x 4 (marco de plantacin)= 89,76 L / planta y da

Frecuencia y tiempo de riego

Una de las ventajas del riego por goteo es el ahorro de agua, precisamente porque no es necesario mojar todo el terreno como ocurre en el riego por inundacin. El rea a mojar equivale al marco de plantacin, sabiendo que en ctricos se recomienda mojar el 30-50% del suelo. El rea mojada por el gotero vara segn el caudal del mismo, y de la textura del suelo. El caudal de los goteros va a ser 4 L/h (a menor caudal, mayor obstruccin), y la superficie aproximada que moja un gotero es de aproximadamente un dimetro de 1,25 m, aunque este dato vara en funcin de la textura del suelo. Para evitar clculos vamos a servirnos de las tablas de la normativa de produccin integrada, diseadas para tal efecto.

Nuestro suelo es de textura media, un suelo franco, y la plantacin tiene una edad media de 12 aos, con lo que emplearemos 6 goteros por rbol. Recordemos que dimensionaremos el sistema para satisfacer las necesidades del cultivo en la poca ms desfavorable, el mes de julio, que segn la segunda tabla nos da una frecuencia de riego diaria.

Nmero de emisores por rbol en riego por goteo.

Frecuencia de riego recomendados en sistemas localizados.

Pero cuanto tiempo hay que regar al da? Para ello debemos saber que cada rbol constar de 6 goteros, de 4 L/h, los cuales van a aportar un total 24 L/h. De aqu obtenemos que:

Tiempo de riego (t) = 89,76 L planta y da / 24 L/h = 3,74 horas al da

Calculo del caudal

Finalmente, calculamos el caudal necesario para abastecer nuestra superficie de ctrcos (1,5 Ha), multiplicando las necesidades por planta por el nmero de rboles, que por el marco de plantacin sabemos que son 625 (15.000 m2/ 64):

89,76 L planta y da x 625 rboles= 56100 L/da para las 1,5 Ha

Estos datos nos van a servir como punto de partida a la hora de dimensionar todos los componentes de la instalacin en la segunda parte del proyecto.

Diseo hidraulico

En el capitulo anterior aprendimos a calcular el caudal necesario para satisfacer las necesidades hdricas del cultivo en el periodo ms desfavorable del ao. en base a unos parmetros edafoclimticos. El siguiente paso vamos a disear el trazado de la red de distribucin de nuestro sistema de riego localizado. Nuestra finca de naranjos tiene unas dimensiones de 375 x 400 metros. El agua procede de una balsa y es bombeada desde un cabezal de riego. Desde el grupo de bombeo existe una pendiente ascendente del 2% y otra lateral del 0,1%.

Componentes de nuestra red de distribucin

Tubera primaria. Es la encargada de conducir el agua desde el cabezal hasta cada sector de riego de nuestra finca. El material escogido (PVC o PE), depender de los resultados de los clculos que realizaremos ms adelante, teniendo en cuenta que a partir de 50 mm normalmente se emplea PVC, por ser ms econmico. Las tuberas de PVC se colocan enterradas para protegerlas de la luz solar.

Tuberas secundarias (PE). Conducen el agua que circula por la primaria a cada unidad de riego.

Tuberas terciarias o portarramales. De polietileno (PE), dispuestas en superficie, en perpendicular a las lneas de cultivo.

Tuberas portagoteros o laterales de riego. De PE, son las tuberas sobre las que se insertan los goteros. Se disponen en paralelo a las lneas de cultivo.

El tamao de la parcela determinar cuantas ramificaciones debemos hacer. En pequeas parcelas de menos de una hectrea, puede ser suficiente con colocar los laterales portagoteros unidos a una tubera portarramales y esta al hidrante, mientras que en fincas de mayor tamao debemos emplear una mayor ramificacin. En parcelas llanas los laterales de riego nunca deben superar los 140 metros de longitud (100 metros en pendientes ascendentes), ya que las prdidas de carga seran excesivas y los goteros no funcionaran adecuadamente por diferencias de presin excesivas entre el primer gotero y el ltimo.

Por este motivo, las grandes longitudes van a ser cubiertas por tuberas de mayor dimetro, produciendo una menor prdida de carga, en lugar de tender directamente los laterales desde la principal.

Diseo de la red de distribucin

Sobre un plano de dimensiones conocidas, sealamos la ubicacin de la toma de agua y anotamos la pendiente de la parcela. La pendiente se obtiene mediante mtodos topogrficos (nivel, estacin total o GPS), aunque en fincas pequeas nos podemos hacer una idea recurriendo al mtodo de la manguera. Tendemos una manguera llena de agua desde el hidrante hacia el final del terreno. Desde la zona ms baja elevamos la manguera hasta que deje de salir agua, teniendo en cuenta que esta siempre ha de estar bien llena de agua. Con un metro, medimos la altura desde el suelo y obtenemos la pendiente en funcin de la longitud de la manguera.

Empezamos por el final, es decir por los laterales de riego o portagoteros, que disponemos en el sentido de la menor pendiente, para que las diferencias de presin en goteros sean mnimas. En nuestro caso la menor pendiente es en el eje x, es decir de derecha a izquierda.

Como hemos visto anteriormente, debemos emplear laterales de riego de 100 m como mximo, de manera que dividimos la finca en segmentos de 100 metros, obeteniendo 4 en nuestro caso.

Con este planteamiento ya solo nos queda unir los laterales con el cabezal de riego de la mejor manera posible. Obsrvese que en el paso anterior tambin hemos dividimos la finca horizontalmente, en dos partes, ya que vamos a obtener un mejor comportamiento del sistema uniendo las tuberas por su punto medio, como se observa a continuacin.

Primeramente hemos tendido las terciarias que conectan con los portagoteros, luego unimos la secundaria con cada tubera terciaria por su punto medio, y de igual manera la primaria con la secundaria. Adems hemos dividido la parcela en dos sectores. En la siguiente imagen se muestra el resultado final.

Econmicamente la disposicin ms ventajosa sera la siguiente, por el ahorro en tubera principal, aunque la descartamos, pues nos dara unas tuberas terciarias de 375 metros, en desnivel ascendente. Preferimos optar por unir tuberas por el punto medio para suavizar estas diferencias de presin.

Cada uno de los dos sectores dispondr, aguas arriba, de un regulador de presin, un manmetro, y una llave de regulacin, permitiendo su aislamiento cuando sea necesario.

Contaremos con goteros autocompensantes y antidrenantes, que dan el mismo caudal aunque vare ligeramente la presin. Sern de 4L/h y trabajan a una presin nominal de 10 m.c.a (1kg/cm2 o 1 bar).

Sistema de riego por aspersinIntroduccin El calentamiento global est provocando entre otros factores la disminucin de la masa de hielo de los glaciares lo que repercutira en la escasez del agua como recurso vital para la supervivencia de los seres vivos. Segn el Informe sobre el Desarrollo de los Recursos Hdricos en el mundo provistas por la FAO, se observa que aproximadamente el 70% del agua disponible se utiliza para el riego, y que las extracciones de agua utilizadas para riego se estiman en unos 2.000 a 2.555 km3 /ao. Considerando estas cifras, se hace entonces imprescindible hacer un uso eficiente del agua mediante riegos tecnificados no solamente para disminuir los costos de produccin y aumentar las ganancias, sino tambin por los intereses generales que esto implica. En nuestro pas, la siembra de Palma Africana cobra fuerza, segn censo realizado por ANCUPA existe 240 mil hectreas cultivadas; un crecimiento alto comparado con las 50 Ha. que se sembraron inicialmente en los aos 60. El objetivo de esta tesis es satisfacer las necesidades hdricas de 50 Ha. de Palma Africana, ubicadas en la provincia del Guayas sector Cerecita va Safando, donde las precipitaciones mensuales no abastecen los requerimientos del cultivo. Para cumplir con este objetivo se dise e instal un sistema de riego por aspersin utilizando como fuente de agua el canal de CEDEGE.Diseo Agronmico. Clculo de la Evapotranspiracin Potencial (ETo).Para realizar el clculo de la evapotranspiracin potencial se utiliz la ecuacin de Penman modificado: ETo = c ( (W*Rn + (1-W)*F(u)*(ea-ed) ) En la tabla 1 se tiene los resultados de Eto para cada mes del ao.

Clculo de la Evapotranspiracin del cultivo. El coeficiente del cultivo Kc utilizado es de 1 correspondiente a la etapa de mximo desarrollo y produccin. La evapotranspiracin del cultivo de naranja es:ETc = ETo*Kc ETc= 4.32mm/da * 1 ETc = 4.32 mm/da = 0.00432 m/da. Clculo de la Dosis de riego. Para el clculo de la dosis de riego se utiliz la ecuacin siguiente: DR = y(CC PMP)Da * Pr*10 / Ef La hacienda tiene tres tipos de suelos; por lo tanto se obtuvieron tres dosis de riego, las mismas que es muestran en la Tabla 2:

Clculo del Intervalo de tiempo de riego.El intervalo del tiempo de riego se lo calcul con la ecuacin: Ir = DR / ETc . En la tabla 3 se muestran los intervalos de riego para los tres tipos de suelos de la hacienda.

Observando la tabla 3, se aprecia que el riego debe programarse para un intervalo mximo de 3 das en el suelo FArA, 4 das en el suelo Far y 5 das en el suelo Ar.Diseo Hidrulico y GrficoEleccin del aspersor a utilizar.Para la etapa inicial del cultivo y en funcin del sistema radicular que hasta esta etapa no ha alcanzado su total desarrollo se seleccion el aspersor TRIAD. Este aspersor est diseado con tres boquillas para direccionar cada chorro a una planta La distribucin del aspersor en el terreno fue determinada en base a los distanciamientos de siembra y considerando un aspersor para 3 plantas, quedando una distancia entre aspersores de 12.75m y una distancia entre lneas de aspersores de 14.72m, para regar dos lneas de cultivo con una lnea de aspersores. La figura 1 muestra la distribucin de los aspersores en el cultivo de naranja sembrada con distanciamientos de 8.5 m entre planta y 7.36 m entre lnea.

Cuando la planta alcance una mayor zona radicular se cambiar el aspersor TRIAD por otro aspersor que cubra toda el rea de riego. Debido a que ya se tiene una distancia entre aspersores determinada por las distribucin de las plantas, al cambiar el aspersor se consider un aspersor que tenga un dimetro mojado que cumpla con traslape del 60% en forma triangular (segn Heerman y Kohi). Para calcular el dimetro mojado del nuevo aspersor se utiliza el espaciamiento de 12.75m que se tiene entre los aspersores TRIAD y el 60% de traslape: Dimetro del aspersor= 12.75m/0.60 Dimetro del aspersor= 21.25m Otro factor que se debe considerar es la velocidad del viento en el sector (alcanza valores de hasta 4m/sg). Se consider un 10% adicional. Dimetro del aspersor corregido= 23.375m. De acuerdo a datos tcnicos, se eligi el aspersor Senninger 2013, boquilla de 2.78mm, presin de 35psi, caudal de 1.99 gpm y dimetro mojado de 23.5m, que se aproxima a valores calculados en el diseo. Grado de aplicacin Para calcular el grado de aplicacin del aspersor se utiliza la ecuacin: GA = Qe /(SaxSl) GA= 452lt/hr/(12.75m*14.72m) GA= 2.41mm/hr El valor calculado, cumple con la condicin de ser menor que la velocidad de infiltracin de los tres tipos de suelo que existen en la hacienda.Clculo del Caudal Requerido. Primero se calcul el tiempo de riego que se necesita para cubrir la evapotranspiracin mxima, dividiendo ETc para el GA

Con el tiempo de riego diario y el tiempo total disponible, se calcula el nmero de sectores de riego.

Se utiliza el valor de 6, es decir, se divide la hacienda en 6 sectores de riego; teniendo en cuenta que la superficie de la hacienda es de 50 hectreas, cada sector ser de 8,33 Ha regados cada uno en 1 hora 47 minutos, empleando un total de 10 horas 45 minutos para regar toda la hacienda. Con el grado de aplicacin se calcula el caudal por hectrea: Qha= GA*10 Qha= 2.41mm/hr*10 Qha= 24.1m3/hr Finalmente, el caudal requerido se obtiene multiplicando el caudal por hectrea por el rea del sector de riego:

Este valor es referencial y est basado en las horas de riego disponibles, el caudal requerido de cada sector de riego ser finalmente determinado por la distribucin que se obtenga en los bloques de riego.Determinacin del Bloque de Riego. El rea del sector de riego se subdividi en bloques de riego, para obtener menores caudales que permitan conseguir operaciones de riego eficientes con valores mnimos en prdidas por friccin y por consiguiente en dimetros de tubera. En la figura 2 se puede observar dos bloques de riego, uno con un rea de 1 Ha y otro de 2 Ha. Cada bloque tiene un ancho mximo de 102 m. que significa 8 aspersores en una misma lnea terciaria, en el bloque de 1 Ha. se tiene 7 lneas terciarias y en el 2 Ha 14 lneas, correspondiente a un caudal de 112 gpm y 224 gpm respectivamente.

Trazado del Diseo en el Plano. En total se trazaron 31 bloques, entre 1 y 2 Ha. Luego se procedi a dibujar las lneas secundarias en direccin de la pendiente del terreno y ubicando las vlvulas de control en los puntos altos. La tubera principal se traz uniendo las vlvulas de control de forma tal que, el recorrido de la tubera no cambie abruptamente de altura. Los bloques que pertenecen a un mismo sector, fueron elegidos de la misma unidad de manejo del suelo, puesto que cada unidad ser tratada de diferente forma en su manejo agrotcnico.Determinacin de los dimetros de la lnea terciaria. Para poder determinar el dimetro en la lnea terciaria se consider el criterio de Cristianse, que indica que las prdidas por friccin en la terciaria y secundaria deben ser menor al 20% de la presin de trabajo del aspersor. Se tomar como referencia el bloque 1A para explicar los clculos realizados. La variacin de presin permisible del 20% en relacin a la presin de trabajo del aspersor SENNINGER 2013 es: H = 20% 35PSI = 0.2 35PSI H = 7PSI Entonces, se observa que las prdidas de carga en la lnea terciaria y secundaria, y considerando tambin el desnivel no debe ser mayor a 7PSI: hf terciaria + hf secundaria hdesnivel 7PSI Conociendo estas limitantes se procedi a determinar el dimetro de la tubera terciaria utilizando la ecuacin: 2 1273 D Q V = Despejando el dimetro (D): V Q D 1237 = Debido a que la lnea secundaria se conecta en la mitad de la lnea terciaria el caudal (Q) que ingresa a la lnea terciaria ser el que se necesita para 4 aspersores funcionando: a Q = 4 q Q = 4 99.1 gpm Q = 96.7 gpm = 50.0 l /s Para el clculo del dimetro de tubera a utilizar se adopta el criterio de que la velocidad media no debe superar el valor de 1.5 m/sg, reemplazando los valores de caudal y velocidad se obtiene m s l s D 5.1 / 1237 5.0 / = D = 20 30. mm Revisando los dimetros interiores de las mangueras de PE existentes en el mercado, se tiene que la ms cercana es la de 25mm con un dimetro interno de 22.20mm. En la figura 3 se muestra el detalle de los caudales, longitudes y cantidad de aspersores de la lnea terciaria.

Para calcular las prdidas de carga por friccin en las lneas terciarias, primero se procedi a determinar el nmero de Reynolds, con la finalidad de establecer que ecuacin o modelo matemtico se debe utilizar en el clculo de prdidas; en este caso el nmero de Reynolds es menor a 40 000, rango en el que no es aplicable la frmula de Hazen-Williams, debido a esto se utiliz la ecuacin de Darcy-Weisbach. La prdida de carga por friccin total incluidos accesorios y altura del elevador en la lnea terciaria es: hf terciaria =2.86psi 7psi En base a este resultado se decidi utilizar manguera de polietileno de 25mm para todas las lneas terciarias.Determinacin de los dimetros de la lnea secundaria. La lnea secundaria distribuye el agua uniformemente en un nmero establecido de lneas terciarias 14 lneas (bloque tipo 1A). Se disearon varios dimetros para la lnea secundaria, la mayor dimensin al inicio y disminuyendo el dimetro al final (tubera telescpica). En la figura 4 se muestra el bloque 1A con la distribucin de los caudales, dimensiones y dimetros de tubera secundaria; para calcular la prdida en la lnea secundaria se procedi igual que para la tubera terciaria, utilizando la frmula de Darcy-Weisbach; el caudal de diseo de la lnea secundaria fue 224 gpm (de las 14 lneas terciarias donde cada lnea terciaria contiene 8 aspersores):Qterciaria=8x1.99 gpm=15.92 gpm= 16 gpm Qbloque= 16gpmx14= 224 gpm Qbloque= 224 gpm = 14.13 lt/sg

El valor de este dimetro interno correspondera a una tubera de 125mm, pero si se observa la figura 4 se tiene una ganancia de presin de 18m (25.56psi) por disminucin de altura, desde la vlvula de control hasta el final de la tubera; para contrarrestar esta ganancia se utiliz tubera de menores dimetros.

Revisando las prdidas se observa que, hf terciaria + hf secundaria hdesnivel