TRABAJO DE GRADO

DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALMACENAMIENTO Y DISTRIBUCIÓN DE AGUAS LLUVIAS PARA PRODUCCIÓN AGRICOLA EN EL MUNICIPIO DE LA

MESA - CUNDINAMARCA.

JOSE GIOVANNI OVALLE CARO

LUIS FERNANDO PRIETO JIMÉNEZ

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN RECURSOS HÍDRICOS

BOGOTA D.C

2020

TRABAJO DE GRADO

DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALMACENAMIENTO Y DISTRIBUCIÓN DE AGUAS LLUVIAS PARA PRODUCCIÓN AGRICOLA EN EL MUNICIPIO DE LA

MESA - CUNDINAMARCA.

JOSE GIOVANNI OVALLE CARO

LUIS FERNANDO PRIETO JIMÉNEZ

Trabajo de grado presentado para optar al título de Especialista en Recursos Hídricos.

Docente

FELIPE SANTAMARIA ALZATE

Msc. Ingeniería Civil

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN RECURSOS HÍDRICOS

BOGOTA D.C

2020

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NOTA DE ACEPTACIÓN

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Firma del presidente del jurado

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Firma del jurado

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Firma del jurado

Bogotá, 18 de mayo de 2020

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DEDICATORIA

Este trabajo investigativo lo dedicamos principalmente a Dios, quien con su bendición nos inspira y da fuerza para continuar en este proceso de obtener

uno de los anhelos más deseados.

A nuestros padres, por su amor, trabajo y sacrificio incondi

convertirnos en lo que somos.

A nuestros hermanos por estar siempre presentes, acompañándonos y por el apoyo moral, que nos brindaron a lo largo de esta etapa de nuestras vidas. Y a todas las personas que nos han apoyado y han hecho que el trabajo se realice

con éxito.

AGRADECIMIENTOS

Le expresamos nuestros más sinceros agradecimientos a:

A Dios por darnos la vida y la oportunidad de llevar a cabo la mejor manera el desarrollo del proyecto.

A la universidad la cual cumplió un papel fundamental en nuestra educación.

A los profesores quienes nos brindaron su colaboración en el momento que

necesitamos aclarar dudas.

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TABLA DE CONTENIDO

Pág. 1. Introducción 9

2. Generalidades 11 2.1. Línea de Investigación 11

2.2. Planteamiento del Problema 11

2.2.1. Antecedentes del problema 13

2.2.2. Pregunta de investigación 15

2.2.3. Variables del problema 15

2.3. Justificación 16

3. Objetivos 17

3.1. Objetivo general 17

3.2. Objetivos específicos 17

4. Marcos de referencia 18 4.1. Marco conceptual 18

4.2. Marco teórico 22

4.2.1. Requerimientos hídricos de frutales de mayor producción en el municipio. 24

4.2.2. Componentes del sistema 26

4.2.3. Estimación de le escorrentía superficial a través de los datos de lluvia 27

4.2.4 Red de distribución 29

4.3. Marco jurídico 37

4.4. Marco geográfico 39

4.5. Estado del arte 41

5. Metodología 44 5.1. Fases del trabajo de grado 44

5.2. Instrumentos o herramientas utilizadas 81

5.3. Alcances y limitaciones 83

6. Productos a entregar 84

7. Entrega De Resultados E Impactos 85 8. CONCLUSIONES 86 9. ANEXOS 88 10. BIBLIOGRAFIA 97

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LISTA DE FIGURAS

Pág.

FIGURA 1. SISTEMA BASICO DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS. .................................... 26 FIGURA 2. MAPA DE LOCALIZACIÓN NACIONAL Y DEPARTAMENTAL DEL MUNICIPIO DE LA

MESA - CUNDINAMARCA. ..................................................................................... 39 FIGURA 3. VEREDAS DEL MUNICIPIO DE LA MESA - CUNDINAMARCA ............................... 40 FIGURA 4. LOCALIZACIÓN FINCA EL TREBOL - VEREDA LA CONCHA LA MESA -

CUNDINAMARCA. ................................................................................................ 40 FIGURA 5. RESERVORIO IMPERMEABILIZADO PARA RIEGO AGRÍCOLA VEREDA EL ESPINO

PROPIEDAD DEL SEÑOR JORGE CAVIEDES. .......................................................... 42 FIGURA 6. RESERVORIO IMPERMEABILIZADO PARA RIEGO AGRÍCOLA VEREDA CAPATA

PROPIEDAD DE LA SEÑORA ELSA CIFUENTES ....................................................... 43 FIGURA 7. LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA MEDIANTE LA PLANCHA NÚMERO 277IIIC4. ........ 45 FIGURA 8. LOCALIZACIÓN DEL PREDIO RESPECTO AL CASCO URBANO. ........................... 45 FIGURA 9. IDENTIFICACIÓN DE TOPOGRAFÍA MEDIANTE USO DE SISTEMA DE INFORMACIÓN

GEOGRÁFICA LIBRE QGIS. .................................................................................. 47 FIGURA 10. GRAFICA DE LA REGRESIÓN DE LAECUACIÓN. ............................................ 54 FIGURA 11. GRAFICA IDF PARA 5 AÑOS. .................................................................... 56 FIGURA 12. GRAFICA IDF PARA 10 AÑOS. .................................................................. 56 FIGURA 13. GRAFICA IDF PARA 25 AÑOS. .................................................................. 57 FIGURA 14. VIVIENDA PREDIO EL TRÉBOL .................................................................. 63 FIGURA 15.CUBIERTA VIVIENDA FINCA EL TRÉBOL. ..................................................... 64 FIGURA 16. CUBIERTA GALPÓN FINCA EL TRÉBOL ....................................................... 64 FIGURA 17. VISTA CORTE TRANSVERSAL. .................................................................. 69 FIGURA 18.VISTA CORTE LONGITUDINAL. ................................................................... 69 FIGURA 19. VISTA PLANTA GENERAL. ........................................................................ 70

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LISTA DE TABLAS

Pág.

TABLA 1. REQUERIMIENTOS HÍDRICOS DEL MANGO...................................................... 25 TABLA 2. FACTOR DE SALIDAS ................................................................................... 33 TABLA 3. COORDENADAS FINCA EL TREBOL ............................................................... 46 TABLA 4. RESULTADO DEL ANÁLISIS ALTIMÉTRICO REALIZADO CON QGIS ....................... 47 TABLA 5. DISTRIBUCIÓN DE PROBABILIDADES PLUVIOMÉTRICAS MEDIANTE GUMBEL ....... 49 TABLA 6. PRECIPITACIÓN CORREGIDA. ....................................................................... 50 TABLA 7. VALORES CONCLUIDOS PARA LAS RELACIONES A LA LLUVIA DE DURACIÓN 24

HORAS .............................................................................................................. 50 TABLA 8. PRECIPITACIÓN MÁXIMA PROBABLE ............................................................. 51 TABLA 9. INTENSIDAD MÁXIMA PROBABLE .................................................................. 52 TABLA 10. TABLA RESUMEN DE CONSTANTES Y COEFICIENTES DE LAS REGRESIONES ... 53 TABLA 11.VALORES PARA REGRESIÓN DE LA ECUACIÓN. ............................................. 54 TABLA 12. TABLA DE INTENSIDAD - TIEMPO DE DURACIÓN - PERIODO DE RETORNO ........ 55 TABLA 13.TABLA DE INTENSIDAD - TIEMPO DE DURACIÓN - PERIODO DE RETORNO ......... 58 TABLA 14: CARACTERIZACIÓN DE CULTIVOS FINCA EL TREBOL. ..................................... 59 TABLA 15: REQUERIMIENTOS PARA 1 HA EN LA FINCA EL TREBOL ÁRBOLES DE MANGO

TOMMY DE 2,5 AÑOS ......................................................................................... 60 TABLA 16:PRECIPITACIONES MENSUALES ESTACIÓN 2120639 - LA MESA .................... 61 TABLA 17: PRECIPITACIONES MENSUALES MÁXIMAS PROMEDIO ESTACIÓN 2120639 - LA

MESA ............................................................................................................... 61 TABLA 18: COEFICIENTES DE ESCORRENTÍAS. ............................................................ 62 TABLA 19. ÁREAS DE CUBIERTAS PARA CAPTACIÓN. ................................................... 65 TABLA 20. RESULTADOS INTENSIDAD DE LA CURVA IDF. ............................................. 65 TABLA 21. CAUDALES DE LA CUBIERTA SEGÚN PERIODOS DE RETORNO. ........................ 66 TABLA 22. DIÁMETROS Y ÁREAS DE TUBERÍAS COMERCIALES ...................................... 66 TABLA 23. VELOCIDADES PARA TUBERÍAS DE 4” .......................................................... 67 TABLA 24. VELOCIDADES PARA TUBERÍAS DE 3” .......................................................... 67 TABLA 25, VELOCIDADES PARA TUBERÍAS DE 2” .......................................................... 67 TABLA 26. VELOCIDADES PARA TUBERÍAS DE 1 5” ....................................................... 67 TABLA 27. DIMENSIONAMIENTO DE RESERVORIO CON VOLUMEN APROX DE 50 M3. ........ 68 TABLA 28. DIMENSIONAMIENTO DE RESERVORIO CON VOLUMEN APROX DE 66,79 M3. ... 68 TABLA 29. ELEMENTOS CLAVES PARA SELECCIÓN. ...................................................... 71 TABLA 30.PRESUPUESTO PARA APROVECHAMIENTO DE AGUAS LLUVIAS PARA LA FINCA EL

TRÉBOL ............................................................................................................ 73 TABLA 31. INFORMACIÓN GENERAL PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA. ............................... 74 TABLA 32. ESTIMACIÓN DEL ÁREA AFERENTE POR ÁRBOL ............................................. 75

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1. INTRODUCCIÓN El abastecimiento de agua para la producción agrícola a nivel mundial siempre será un tema de constante debate en aras de buscar un uso de mayor eficiencia, ya que es la actividad socio-económica de mayor consumo del recurso hídrico, llegando a estar por casi un 70% del consumo a nivel global anualmente1. Según el banco mundial se cuentan con 330 millones de hectáreas, para realizar actividades agrícolas en el mundo, se estima que solamente el 40% de esta superficie productora de alimentos está acondicionada para funcionar bajo sistemas de riego, dejando el restante operando de manera precaria a merced de los eventos climáticos que se presenten durante la producción. Debido al fenómeno del cambio climático, se está apreciando cómo este afecta a los ciclos hidrológicos, agudizando el efecto que se tiene sobre la agricultura en los periodos secos, lo cual restringe la producción y calidad del sector agrícola, generando un mayor impacto a los pequeños productores, debido a que son ellos los que generalmente no poseen una forma de mitigar este impacto negativo usando agua para riego. En Colombia solo del 17% de los pequeños agricultores tiene acceso a algún tipo riego2, estando el 83% de esta población restante en su gran mayoría vulnerables a las condiciones climáticas, el país cuenta con clima de comportamiento bimodal, por esto se hace indispensable el poder garantizar el agua en épocas de sequía para disminuir la presión que normalmente se está ejerciendo de manera tradicional sobre las fuentes hídricas y mejorar las condiciones de seguridad alimentaria de la población y el modo de vida del productor. El municipio de la Mesa, se localiza en la región central del departamento de Cundinamarca, se le conoce a nivel regional como el primer productor de frutas como mango, naranja y limón3, motivo por el cual se escoge esta zona para proponer un sistema de almacenamiento y distribución de aguas lluvias el cual aproveche de mejor las lluvias que se presenten, garantizando una mejor sostenibilidad y manejo de los recursos hídricos, basándose en una fundamentación de parámetros hidrológicos propios de la zona y de conceptos de hidráulica, generando una propuesta técnicamente viable y de fácil replicación para la comunidad de la zona.

1 Banco Mundial, https://www.bancomundial.org/es/topic/water-in-agriculture.

2 Censo Nacional Agropecuario 2016, Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín.

3 Boletín 2018, Estadísticas Agropecuarias – Gobernación de Cundinamarca.

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La Finca el trébol está ubicada en la Vereda La concha sector bajo, es una predio de pequeña extensión el cual sufre serias afectaciones en la producción de sus cultivos en épocas secas, las cuales se podrían afrontar de una mejor manera mediante la implementación de medidas de adaptación, como el uso de recolección y almacenamiento provenientes las aguas lluvias, interceptadas por las cubiertas de estructuras presentes y conduciéndolas a un sistema de reservorio que minimicen el impacto negativo durante las épocas donde el agua sea limitada. Basándose en el comportamiento de los eventos climáticos de la zona, y modelando los eventos futuros se conocerá la disponibilidad de agua con la que se cuenta para la mitigación de los efectos de los periodos secos en la producción de mango y brindándole una alternativa al pequeño productor para sobrellevar estos periodos. Mediante el construcción de las curvas Intensidad-Duración-Frecuencia IDF, el uso del método racional se obtendrán las diferentes variables hidrológicas necesarias para dimensionar la capacidad del sistema de almacenamiento y de esta manera realizar el modelamiento hidráulico para la distribución de agua de manera eficiente, esto en función de una viabilidad económica para un pequeño productor y de facilidad.

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2. GENERALIDADES 2.1. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN Gestión y Tecnología para la sustentabilidad de las comunidades. 2.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El desarrollo de la humanidad se ha dado ya que ésta siempre ha girado en torno al recurso hídrico, tal como las grandes civilizaciones que surgieron cerca a fuentes sostenibles de agua, las cuales garantizaron las necesidades básicas logrando el desarrollo de la comunidad y generando que muchas actividades se puedan realizar sedentariamente. En Colombia gracias a su localización geográfica y su relieve se puede encontrar diversidad climática y una gran riqueza natural, la cual brinda una ventaja hídrica que lo coloca en el sexto lugar de países con mayor disponibilidad de este recurso, pero las diversas actividades e impactos ambientales, están generando una disminución de su calidad y disponibilidad4 La variación de la ocurrencia de eventos climáticos en Colombia intensificado por el fenómeno del cambio climático, ha generado que el comportamiento que se presentaba generalmente en los meses secos de Enero - Febrero para el primer semestre y de Julio - Agosto para el segundo semestre se hayan ampliado en duración, teniendo períodos secos más prolongados y eventos torrenciales más cortos pero de mayor intensidad. La variación de los periodos secos en la zona rural de Colombia ha hecho que la actividad agrícola, sea vulnerable ante los efectos del cambio climático, afectando el cronograma de labores del cultivo, donde ya no hay riego tradicional por lluvia como se esperaba, lo que termina generando una problemática social y económica para la zona, ya que al afectar la producción agrícola, afecta la generación de recursos económicos para los diferentes actores involucrados. El sector agrícola es el motor económico de la región donde los cultivos frutales que predominan son (Mango, Mandarina, Naranja, Limón, Aguacate) los cuales dada sus requerimientos fisiológicos necesitan un abastecimiento adecuado de agua en el cultivo para su desarrollo y producción, la agricultura en Colombia, es el mayor consumidor de agua rondando los 30 mil millones de m3, (Rincón-Pérez 2006), sin tener en cuenta la poca eficiencia por falta de implementación técnica en el almacenamiento y aplicación del recurso hídrico.

4 Ministerio de ambiente Colombia, Boletín 4, octubre 2010.

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Las fuentes hídricas presentes en la zona como ríos, quebradas y manantiales no cubren la capacidad productiva agrícola del municipio. El costo elevado de este recurso es otro factor que influye en la productividad de los cultivos frutales presentes en la zona, ya que las fincas de los pequeños productores no cuentan con obras de infraestructura adecuada para el correcto almacenamiento y distribución de agua. La finca el Trébol cuenta con suministro de agua gracias a un pequeño acueducto rural de caudal limitado, estableciendo su uso primordial para consumo doméstico, negando la posibilidad de riego agrícola; en los periodos secos presenta limitaciones en su producción agrícola, a causa del estrés hídrico del cultivo normal, en la zona cuenta con la presencia la quebrada la carbonera la cual aguas arriba de su microcuenca, tiene captaciones ilegales lo que ha generado que esta fuente se seque aguas abajo, esto ha generado un problema ambiental y social ya que productores que aunque dispongan de una concesión no puedan acceder al recurso. En el presente trabajo de grado se propone un sistema de almacenamiento de aguas lluvias y su respectiva distribución con fines de riego agrícola, para ser implementada en un cultivo frutal de mango Tommy recién sembrado, localizado en el municipio de la Mesa - Cundinamarca, finca el Trebol de la vereda la concha baja, con el fin de ser un modelo de fácil replicación en los diferentes predios de la región. Como se mencionó anteriormente lo que se propone es realizar el diseño de un sistema de almacenamiento y distribución de aguas lluvias, aprovechando que estas han sido subvaloradas y no se les ha cuantificado de manera correcta para usar su verdadero potencial, la gestión del recurso hídrico hace que la producción sea más productiva y competitiva, influyendo directamente en la calidad de vida del agricultor. En la zona no se ha presentado algún proyecto de riego eficiente, por lo cual se hace necesario plantear el uso de alternativas tal como lo son el manejo de las Aguas Lluvias, para este caso es el uso de dicho sistema propuesto el cual tenga como fin la de darle una posibilidad al productor de mantener su cultivo durante los periodos secos.

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2.2.1. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA Los diseños de sistemas de recolección de aguas lluvias en general constan básicamente de tres (3) elementos: la captación, la conducción y el almacenamiento. Se diferencian es por el uso que le va a dar, incluyendo elementos complementarios, como sistemas de distribución por gravedad o por bombeo, estaciones de tratamiento si es para consumo humano por ejemplo, dependiendo de su grado de complejidad y finalidad va estrechamente sus costos de construcción. Respecto a la captación, sus diferencias más significativas se dan a la forma con la que se capta el agua lluvia, en función de las áreas, la geometría y el tipo material receptor, y para el almacenamiento, es por el material escogido para su construcción. De igual manera la configuración que se maneje en su diseño influirá con sus costos de construcción y la viabilidad del mismo. En el ámbito internacional se ha tenido un gran interés en Latinoamérica desarrollar modelos de elaboración de estructuras de captación de agua lluvia5, las cuales presentan grandes beneficios para el sector agropecuario, este es el caso del ministerio de agricultura y ganadería de Costa Rica el cual mediante el programa de uso eficiente del recurso hídrico, se generaron recomendaciones prácticas para desarrollar en campo, sistemas constructivos simplificados que se basan en la elaboración de diferentes tipos de reservorios para almacenar aguas lluvias, se hace énfasis en los elementos que se deben considerar para la construcción de reservorios, como lo son la infiltración, la evaporación, selección del sitio, capacidad de almacenamiento, adicional a esto se enfatiza en los elementos de construcción de un reservorio, teniendo en cuenta material impermeabilizante, costuras , anclajes, desagües, zanjas de confinamiento, taludes, material de conformación y su ángulo de reposo, nivel de compactación de estos y un cálculo del volumen de movimiento de tierras, calidad de materiales para la elaboración de sistemas de riego y reservorios. Este se considera una buena guía general ya que presenta una metodología adecuada para la selección de sitios para la construcción y todos los elementos para llevar a cabo un incremento en los volúmenes disponibles de aguas, siendo innovadora la técnica de impermeabilización mediante membranas lo cual reduce a 0 la tasa de infiltración en comparación con la pérdida de agua generada en reservorios convencionales donde ésta es mayor.

5 Manual de especificaciones técnicas básicas para la elaboración de estructuras de captación de

agua de lluvia SCALL, Consultoría SP -16-2009, Ministerio de Agricultura y Ganadería, Costa Rica.

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Se encuentra literatura como Historia de los sistemas de aprovechamiento de aguas lluvias6 donde se hace una revisión a la experiencia de diferentes países, acerca del aprovechamiento de aguas lluvias en diferentes actividades, haciendo una comparativa en las diversas tecnologías en sistemas de abastecimiento de agua, desde sistemas del año 4000 AC, hasta las actuales, donde se enfoca en la captación y almacenamiento de aguas lluvias, lo anterior impulsado por la necesidad de disponer del recurso hídrico para diferentes actividades. La situación actual tal como la afectación por reducción de disponibilidad de agua ha llevado en diferentes lugares a nivel global a generar medidas para mitigar el déficit hídrico, una muestra de esto es: África: La falta de transferencia de tecnología en este continente a dado que a nivel general no sea común los sistemas de acueducto y alcantarillado, en los sectores urbanos lo cual hace más difícil encontrar sistemas de adecuación de tierras, en países del sur de África a nivel general se ha implantado sistemas de recolección de muy bajo costo los cuales no superan los 120 dólares, pero con una muy baja eficiencia ya que la técnica implementada y los materiales usados suelen no ser los más adecuados, esto en pequeños productores de recursos limitados, para grandes productores se encuentra que se utilizan mejores materiales y diseños intentando aprovechar al máximo el recurso hídrico, logrando almacenar grandes volúmenes pero ante la falta de técnica en su aprovechamiento no se logra mitigar de manera eficiente el déficit. Asia: Por la densidad demográfica de países como China y la India, se ha impulsado los sistemas de almacenamiento de aguas lluvias, un caso de resaltar en el continente es la zona septentrional que comprende Bangladesh y la India las cuales presentan zonas áridas donde se han implementado reservorios excavados e impermeabilizados con geomembranas en los que se logra almacenar grandes volúmenes de agua, aprovechando las lluvias del monzón7 anual que se presenta en esta zona. Norteamérica y Europa: Encontramos que es la zona donde mayor uso de sistemas de almacenamiento de agua se pueden encontrar, se estima que más de de un medio millón de personas utilizan en Norteamérica sistemas de aprovechamiento, sea para uso agrícola o doméstico, donde es calculado la capacidad de almacenamiento vs el requerimiento, en el cual la capacidad de inversión es muy superior a nivel general comparado con las obras de

6 V SEREA, Seminario Iberoamericano sobre sistemas de abastecimiento urbano de agua, José

Alejandro Ballen Suarez, Miguel angel Galarza Garcia, Rafael Orlando Ortiz Mosquera, 2006., 7 Evento climático de viento estacional que fluye de regiones frías a regiones cálidas,

determinando. Se representa con nublados intensos, un importante aumento de la humedad atmosférica, precipitaciones y tormentas eléctricas. Tomado de: Geoenciclopedia. https://www.geoenciclopedia.com/monzones/

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infraestructura de Asia o África además de que su uso es fomentado mediante diferentes programas institucionales. En Colombia la problemática de déficit de agua para uso doméstico y agropecuario en algunas zonas del país ha generado que se implementen programas de uso y manejo eficiente del agua, tanto para acueductos como en sistemas de adecuación de tierras, por parte de las entidades gubernamentales medidas como colocar micro y macro medidores para conocer el gasto, ha hecho que los usuarios valoren el recurso y de la mano de diversas entidades se desarrollen e implementen técnicas de cosechas de agua.

2.2.2. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN ¿Se puede brindar a los pequeños agricultores una medida de adaptación que aproveche las aguas lluvias y sea técnicamente adecuada para que ayude a suplir necesidades hídricas de los cultivos en la zona?

2.2.3. VARIABLES DEL PROBLEMA Las variables que están presentes al abordar el problema son:

1. Cantidad Disponible de agua lluvia en la zona. 2. Las necesidades hídricas de la actividad agropecuaria 3. Infraestructura hidráulica para satisfacer ese requerimiento Hídrico

3.1. Tipo de captación 3.2. Tipo de reservorio. 3.3. Tipo de sistema de distribución.

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2.3. JUSTIFICACIÓN En la actualidad el agua es el recurso natural por el cual se genera más interés para hacer un uso eficiente del recurso hídrico, esto con el fin de garantizar una cantidad y calidad adecuada para suplir las necesidades de la población.

En el sector rural del municipio de la mesa Cundinamarca, existe una topografía ondulada lo cual conlleva a la existencia de un conjunto de drenajes naturales, los cuales son de pequeño caudal y no sostenibles en época de estiaje.

Razón por la cual los pequeños agricultores de la región no poseen una fuente de donde proporcionar riego a sus cultivos, considerando el caso particular del área de estudio se propone un diseño de sistema de almacenamiento y distribución de aguas lluvias para poder suplir los requerimientos hídricos en épocas secas para el cultivo de mango el cual es el producto principal de la producción agrícola.

El municipio de la mesa posee la mayor extensión de hectáreas de cultivo de mango en el departamento de Cundinamarca, rondando entre 1274 ha a 18038, la mayor producción es desarrollada por pequeños productores.

Siendo una agricultura de pequeña escala económicamente la afecta los periodos de sequía y la falta de infraestructura, pudiendo mitigar esta problemática mediante la implementación de un modelo de almacenamiento y distribución de aguas lluvias para uso agrícola.

Un tipo de sistema de recolección de aguas lluvias puede ser para la comunidad productora una alternativa para sobrellevar los períodos de sequía que vienen aquejando sus cultivos, calculando la disponibilidad del recurso usando herramientas hidrológicas y teniendo en cuenta los requerimientos del cultivo se puede cuantificar un volumen aproximado de almacenamiento que logre suplir por algún tiempo la necesidad de riego en el cultivo de mango durante periodos secos dando la oportunidad de programar riego, para minimizar el estrés hídrico.

Al tener esta posibilidad, se busca que la comunidad de pequeños productores generen nuevas oportunidades de negocios y desarrollo para la región.

8 Boletín 2018, Estadísticas Agropecuarias 2, vol. 26 – Gobernación de Cundinamarca.

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3. OBJETIVOS

3.1. OBJETIVO GENERAL Elaborar el diseño de un sistema de almacenamiento y distribución de aguas lluvias para uso en riego agrícola para frutales en el municipio de la Mesa – Cundinamarca, tomando como base suplir los requerimientos hídricos presentes p ‘E éb ’ – Vereda la Concha Baja.

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

▪ Diseñar un sistema de almacenamiento y distribución de agua lluvia mediante el uso de parámetros hidrológicos y de modelación hidráulica.

▪ Presentar un sistema de almacenamiento y distribución de aguas lluvias

para uso agrícola de fácil cálculo e implementación para pequeños productores.

▪ Conocer la disponibilidad hídrica para realizar cosecha de aguas, teniendo en cuenta la infraestructura existente en el predio El trébol.

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4. MARCOS DE REFERENCIA

4.1. MARCO CONCEPTUAL Requerimiento hídrico del cultivo Es la necesidad que tiene los cultivos de tener disponible una cantidad de agua para satisfacer sus requerimientos fisiológicos y la pérdida por tasa de evapotranspiración de manera que el cultivo pueda desarrollarse de manera adecuada sin ser afectado por estrés hídrico. Cada tipo de cultivo posee unos requerimientos diferentes que corresponden a su fisiología y su etapa vegetativa, se debe tener en cuenta las características propias del entorno como son tipos de suelo, radiación solar, evaporación para el cálculo adecuado de las pérdidas. Cosecha de aguas lluvias Consiste en la captación y almacenamiento de precipitación fluvial para ser usado en actividades domésticas y agrícolas utilizando generalmente infraestructura de bajo costo con el fin de bajar la presión a las fuentes hídricas ya sean aguas superficiales o del subsuelo. Este sistema básicamente consta de captación, conducción y almacenamiento. Área de captación Superficie donde cae la lluvia, las áreas de aprovechamiento comunes para este fin son cubiertas de diferentes estructuras y con diferentes materiales generalmente impermeables de preferencia que no alteren las características fisicoquímicas y organolépticas para este líquido. Se debe tener en cuenta el área y la pendiente en estas zonas rurales, los materiales comunes para éstas áreas son tejas galvanizadas y tejas de asbesto cemento para uso agrícola. Se debe priorizar materiales que no desprendan residuos contaminantes esto con el fin de evitar tratamiento, así mismo se recomienda para tejas de asbesto cemento, impermeabilizarlas con algún tipo de pintura adecuada para este fin. Cubiertas tipo cuenca Este tipo de cubiertas se construyen sobre el área del almacenamiento generalmente sobre reservorios tiene la finalidad de aprovechar el área expuesta de estos disminuyendo la tasa de evaporación y se compone generalmente de dos secciones las cuales pueden ser de láminas de zinc, tejido de polisombra o cualquier otro tipo de material de bajo peso estas dos secciones convergen la recolección de agua al sistema de almacenamiento; de reservorio su función principal es aprovechar el área.

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Sistemas de conducción Es el conjunto de canales y bajantes de diversos materiales acopladas en el área de captación pueden ser de diversos materiales como polietileno, PVC (policloruro de vinilo), cemento. FACTORES A TENER EN CUENTA EN UN SISTEMA DE CAPTACIÓN DE AGUA LLUVIA PARA USO AGRÍCOLA Factor técnico Oferta de agua Es el volumen proporcionado de manera directa por la precipitación durante periodos temporales y eventos climáticos, para el diseño de captación se debe recolectar información hidrológica generada por los organismos competentes como por ejemplo para Colombia el IDEAM o las CAR. Demanda de agua La demanda debe suplir las necesidades del interesado en este caso los requerimientos hídricos de cultivo durante un periodo de sequía teniendo en cuenta variables externas ambientales características del suelo, comportamiento atmosférico y variables propias del cultivo como requerimiento hídrico y estado fenológico del cultivo. Factor económico El área de captación y volumen de almacenamiento están directamente relacionadas con la oferta y la demanda del recurso hídrico y dependen en el aspecto económico de restricciones adquisitivas de los interesados por lo cual los sistemas propuestos deben ser evaluados por análisis de costo - beneficio. Factor social La implementación de obras de ingeniería para el sector rural debe tener presente los hábitos y cultura presentes en el uso del recurso hídrico por parte de los agricultores se debe evaluar con estos las ventajas y desventajas que trae la implementación de tecnologías y técnicas nuevas generando participación en la escogencia de soluciones individuales o colectivas. Componentes de un sistema de almacenamiento y distribución de aguas lluvias con fines agrícolas

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El sistema propuesto se compone de: 1. Captación 2. Conducción. 3. Almacenamiento. 4. Distribución. Captación Se realiza mediante el aprovechamiento del área de cubiertas presentes en la vivienda, bodegas, corrales y el acople a estos de canales y bajantes. Principalmente se busca el aprovechamiento de aguas lluvias. Conducción Proceso de transporte del agua a través de manguera o tuberías conectadas desde la zona de cubierta hasta el almacenamiento, generalmente impulsado por la fuerza de gravedad. Unidad de almacenamiento Para almacenar aguas lluvias con fines agrícolas generalmente se poseen grandes volúmenes de almacenamiento, siendo estructuras excavadas en tierra con forma geométrica trapezoidales y con pendientes de taludes que dependen de las características del suelo, éstas deben garantizar un volumen de almacenamiento mínimo calculado teniendo como características principales: Estar impermeabilizado con un material resistente a la abrasión y a la radiación generalmente se usa geomembrana HDPE. Poseer un rebose lateral para evacuar excesos de agua evitando socavaciones. Poseer un cercado para evitar entrada de animales que dañen la geomembrana. Poseer cubierta con polisombra con el fin de captar aguas lluvias y disminuir la evaporación. Poseer sistema de limpieza, preferiblemente tubería en PVC y válvula de corte, con diámetro adecuado ubicado en la solera del reservorio con el fin de hacer limpieza según necesidad (acumulación de sedimentos y materia orgánica). Distribución Etapa donde el agua lluvia es llevada mediante impulsión mecánica o por gravedad a la zona de aplicación del cultivo consta de una red principal la cual puede ser en tubería de aluminio, PVC o polietileno. La aplicación debe ser mediante un tipo de emisor adecuado al cultivo, aspersión, microaspersión o goteo.

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Parámetros básicos de diseño Para hacer el dimensionamiento de un sistema de almacenamiento y distribución de aguas lluvias es necesario tener en cuenta los siguientes aspectos: Precipitación de la zona: conocer los datos pluviométricos de al menos una estación meteorológica cercana, preferiblemente de los últimos 15 años. siendo lo ideal 3 estaciones meteorológicas. Idoneidad del material impermeable. Área a beneficiar. Cantidad de árboles. Tipo de cultivo. Densidad de siembra. Área a beneficiar. Criterios básicos de diseño Calculo de volumen del tanque o reservorio del sistema de almacenamiento. Conocer las áreas y medidas de la zona de construcción. Determinar la cantidad de agua recolectada mediante la información de las áreas de cubierta disponible en el predio, éstas en m2, con esto se determina el dimensionamiento del sistema de almacenamiento promedio según volúmenes mensuales a captar en estas áreas.

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4.2. MARCO TEÓRICO La historia de la captación de sistemas de aguas lluvias se a desarrollado durante varios milenios en diferentes civilizaciones como: la azteca, inca, indu y china, donde la implementación de canales para transporte de agua suple las necesidades de consumo. La evolución de sistemas de almacenamiento captación y distribución para fines agrícolas a sido una necesidad, su desarrollo ha aumentado la capacidad de producción adaptándose a factores ambientales y culturales. La implementación de estas tecnologías ha sido una alternativa para abastecimiento de agua en zonas con baja y media precipitación donde en épocas secas no hay fuentes sostenibles para riego agrícola.9 Actualmente la presión existente sobre las fuentes hídricas es muy alta, debido a la alta demanda de agua para uso en riego agrícola este recurso se afecta con dicha actividad generando un alto grado de contaminación de las fuentes superficiales y subterráneas, en base a esto, muchas poblaciones tanto urbanas como rurales cuentan ya un alto grado de desabastecimiento de agua10. El agua luego de su precipitación11 en forma de lluvia puede tomar alguno de los siguientes caminos: 1) Ser depositada en la superficie vegetal y se evapora desde la superficie de esta retornando a la atmósfera, sin haber llegado al suelo. 2) Llegar a la superficie del suelo e infiltrarse. El suelo es un medio poroso y, por lo tanto, permeable, que presenta diferentes velocidades de infiltración del agua en el perfil. 3) Alcanzar la superficie del suelo y escurrir. Cuando la intensidad de la precipitación supera la velocidad de infiltración del suelo se produce la escorrentía superficial. La escorrentía puede causar erosión y es negativa porque, además de representar un volumen de agua no aprovechado, causa daños en el área y aguas abajo (crecidas, sedimentación, contaminación).

9 Rubén Medina Carrillo, Wagner Peña Cordero, María Félix Obando Briseño. SISTEMAS DE

CAPTACION DE AGUA LLUVIA PARA LA PRODUCCION AGROPECUARIA SOSTENIBLE. 10

Instituto De Hidrología Meteorología y Estudios Ambientales. Estudio Nacional del Agua. 2000 11

CEPIS, Guía y diseño para captación del agua de lluvia, Obtenido de:

https://www.itacanet.org/esp/agua/Seccion%204%20Lluvia/Guia%20de%20dise%C3%B1o%20para%20captaci%C3%B3n%20del%20agua%20de%20lluvia.pdf

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Para el aprovechamiento de aguas, las características principales del régimen de precipitación son:

- Frecuencia de las lluvias y volumen. - Intensidad.

La infiltración12 es el flujo de agua que atraviesa la superficie del suelo y se redistribuye desde las zonas saturadas hacia las no saturadas del perfil. El índice de infiltración del suelo es igual al flujo de agua por unidad de tiempo. Los factores que afectan la infiltración son:

- Tipo de cubierta vegetal. - Características hidráulicas del suelo y del terreno. - Estado de humedad del suelo. - Formación de costras superficiales. - Trabajos agrícolas.

Con el aumento de la duración de los periodos de sequía, posible efecto del periodo del cambio climático13, que se traduce en un aumento de las temperaturas medias terrestres, agudizando los problemas de escasez de agua en muchas regiones del mundo (IPCC, 2007). Se debe considerar mejorar las obras de infraestructura para el aprovechamiento de aguas lluvia con fines de riego ya que es la actividad que se tiene un uso más restrictivo en la región del Tequendama donde se localiza el municipio de La Mesa – Cundinamarca. En sistemas de almacenamiento los reservorios se presentan como la primera alternativa de infraestructura para almacenar aguas de escorrentía o lluvias, lo que se puede definir como cosecha de agua de lluvia. P FAO (2000) p ó v á f “ recolección de escorrentía superficial para su uso productivo, y que puede lograrse de las superficies de tejados, así como de corrientes de agua f ”

12

CEPIS, Guía y diseño para captación del agua de lluvia, Obtenido de:

https://www.itacanet.org/esp/agua/Seccion%204%20Lluvia/Guia%20de%20dise%C3%B1o%20para%20captaci%C3%B3n%20del%20agua%20de%20lluvia.pdf 13

CEPIS, Guía y diseño para captación del agua de lluvia, Obtenido de:

https://www.itacanet.org/esp/agua/Seccion%204%20Lluvia/Guia%20de%20dise%C3%B1o%20para%20captaci%C3%B3n%20del%20agua%20de%20lluvia.pdf

24

4.2.1. Requerimientos hídricos de frutales de mayor producción en el municipio.

La actividad agrícola en el municipio de la Mesa se basa principalmente en cultivo tecnificado de frutales tales como mango en sus variedades tommy, hilacha, fairchild, cítricos como naranja, mandarina y limón en variedades tangelo, arayana, tahiti.14 La caracterización para el establecimiento de estos cultivos en especial el del mango se muestran a continuación y se relacionan con la disponibilidad de hídrica para que tenga una producción óptima son las siguientes: Cultivo de Mango Las precipitaciones ideales para el desarrollo del cultivo de mango están en el rango de 1.500 a 2.000 milímetros de lluvia, bien distribuidos durante el año. En zonas muy lluviosas, los árboles son frondosos, pero su producción es menor a un cultivo en condiciones de producción plena con un porte y manejo cultural adecuado (altura máxima de 3 metros y radio del plato de 3 metros), el cual necesita 20 litros/día de precipitación15. Según Toribio: El periodo crítico de los árboles son sus primeros años donde necesitan aproximadamente de 16 a 20 litros semanales por árbol. Este requerimiento llega a ser constante durante los dos primeros años y siempre que el árbol esté en terreno; ya que no es lo mismo que este en el vivero, donde sus exigencias son menores16. Tomando esta fuente, un árbol de mango necesita aproximadamente 2,57 litros/día de precipitación. Tomando otra fuente se considera que el mango necesita de 700 mm de lluvia bien distribuida como el mínimo necesario. También, hay que considerar que el exceso de agua antes de la floración es perjudicial para la planta ya que esta necesita de un período de sequía para que el árbol no aborte las flores, también pueden promover el desarrollo de hongos capaces de dañar la floración17.

14

Estadísticas agropecuarias 2018. Gobernación de Cundinamarca. 15

Boletín mensual: Insumos y factores asociados a la producción agropecuaria, Enero 2015, Núm.

31. DANE. 16

TORIBIO. Constantino. Cultivo del mango. Madrid: Ministerio de agricultura. s.f.

17

HUETE. Mauricio. y ARIAS salvador. Manual para la producción de mango. La Lima: Programa

de diversificación económica rural. 2007.

25

En términos generales se hacen las siguientes recomendaciones de riego:

Edad del árbol (años) Cantidad de agua (litros diarios)

1 2-5

2 10-15

3 20-25

4 30-35

Mayor de 4 40-50

Tabla 1. Requerimientos hídricos del Mango

Huete y Arias sugieren para el riego cierta cantidad de litros/día dependiendo de la edad del árbol. La mayoría de los cultivos presentes en la zona de estudio son mayores de 4 años lo que quiere decir que cada árbol necesita entre 40 y 50 litros/día. Teniendo en cuenta que esta cantidad puede variar según la variedad y el porte del árbol relacionándolo con su producción. Cítricos Dentro de los cítricos generalizamos los cultivos de naranja, mandarina y limón, donde se estima que la cantidad de agua necesaria para un huerto de cítricos oscila entre 9.000 y 1.200 m3, por hectárea por año, lo que equivale a una precipitación anual de 900 a 1.200 mm, sin embargo, las precipitaciones mayores no son problemáticas siempre y cuando haya un buen drenaje del suelo18. Con distancias de siembra para estos cultivos: 6 * 8 m, cada planta cítrica requeriría aproximadamente 0,16 litros/día de precipitación. En otra fuente encontrada, se explica que en condiciones de trópico bajo, como en el piedemonte del Meta el requerimiento hídrico anual es de 1046 mm año19. Lo que quiere decir que aproximadamente un árbol necesita 0,135 litros/dia de precipitación.

18

. Aspectos Técnicos sobre Cuarenta y Cinco Cultivos Agrícolas de Costa Rica, Dirección General

de Investigación y Extensión Agrícola. San José: Ministerio de Agricultura y Ganadería. 1991 19

. ORDUZ, J. Características de la citricultura en el departamento del Meta y avances en el

proceso de desarrollo tecnológico. En: Actualización tecnológica en ajonjolí, caucho, hortalizas y frutales para la Orinoquia colombiana. Villavicencio: Corpoica – Plante. 1998. p. 25-32.

26

4.2.2. COMPONENTES DEL SISTEMA Un sistema básico está compuesto por los siguientes componentes: a. Captación b. Recolección c. Interceptor de primeras aguas d. Almacenamiento e. Red de distribución de agua lluvia (sistema de bombeo)

Figura 1. Sistema basico de captación de aguas lluvias.

Fuente: Guía de Diseño para Captación de Agua de Lluvia. CEPIS, 2004

a) Captación

Los componentes del sistema de captación en techos son los siguientes20: Techo El techo es el componente más importante del sistema. Debe ser de material impermeable, liso y uniforme (sin deformidades) para que el coeficiente de escorrentía sea elevado (arriba de 0,8 u 80%). En las zonas rurales, los materiales constructivos varían bastante.

20

. FAO. Captación y almacenamiento de agua lluvia. Opciones técnicas para la agricultura familiar

en América Latina y el Caribe. Chile. 2013

27

Canaletas

Las canaletas son las estructuras que se colocan en la parte donde termina el techo para captar el agua que escurre y cae por el declive y conducirla a un lugar de almacenamiento. Acople canaleta-tubo de conducción y sistema de limpieza Normalmente se utilizan tubos de 100 mm ó 4 pulgadas para la conducción o desagüe. El tubo de desagüe es conectado al fondo de la canaleta de tal forma que cualquiera sedimento pueda salir a través de él.

b) Recolección y Conducción Es el conjunto de canaletas adosadas en los bordes más bajos del techo, con el objeto de recolectar el agua lluvia y de conducirla hasta el sitio deseado. Las canaletas se deben instalar con una pendiente no muy grande que permitan la conducción hasta los bajantes21. 4.2.3. ESTIMACIÓN DE LE ESCORRENTÍA SUPERFICIAL A TRAVÉS DE LOS DATOS DE LLUVIA La escorrentía superficial que se necesita conocer resulta ser la lluvia de producir una creciente en algún curso de agua. Formula racional De la definición de coeficiente de escorrentía como la relación que tiene un volumen de agua de escorrentía superficial total y el volumen total de agua precipitado, en un intervalo de tiempo establecido. El coeficiente se puede definir como relativo a una lluvia aislada o a un intervalo de tiempo donde ocurran varias lluvias. Si se conoce el coeficiente de escorrentía en una determinada lluvia con cierta intensidad y duración e un área dada, se puede determinar la escorrentía superficial de otras precipitaciones de intensidades diferentes, desde que la duración de la lluvia sea la misma.

(

)

21

. PALACIO. Natalia. Propuesta de un sistema de aprovechamiento de agua lluvia, como

alternativa para el ahorro de agua potable, en la institución educativa Marìa Auxiliadora de Caldas Antioquia. Medellín. 2010.

28

Además se sabe:

En donde: QE: caudal de escorrentía directa I: intensidad de la lluvia T: tiempo de duración de lluvia A: área de drenaje Entonces,

Dando la relación entre el volumen de escorrentía superficial por unidad de tiempo de duración de la lluvia, y el denominador representa el volumen de lluvia por unidad de esta duración.

QE=CiA

Al momento de utilizar la formula racional, el caudal QE toma un valor de caudal máximo QP, a causa de la intensidad de lluvia sobre el área de drenaje, debido por una precipitación que se mantiene por un tiempo igual al periodo de concentración del caudal en el punto de interés. Se plantea teóricamente que este tiempo de concentración es el requerido para que a escorrentía superficial desde el punto más alejado hasta nuestro punto de interés. Entonces el caudal QP que corresponde a una lluvia con intensidad i en un área de drenaje, la cual esta con una duración de tiempo tal que toda el área de drenaje contribuya a la escorrentía superficial dando que QP sea el caudal máximo de escorrentía superficial:

Qp=CiA

Donde la intensidad [i esta en mm/hr, el área A en Km2 y caudal Qp en m3/s

29

4.2.4 RED DE DISTRIBUCIÓN En la red de distribución se opta por un sistema de riego por goteo autorregulado o auto compensado, para el diseño se tendrán los siguientes parámetros:

Información general Cultivo: Mango Tommy Separación entre radios húmedos (sp) Separación entre radios húmedos entre hileras (sr) Numero de goteros por planta (n) Franja humedecida por gotero (sw) Evapotranspiración promedia del mes pico (Td) Frecuencia de riego (Fr) Temperatura del agua (T) Relación de transpiración (Tr) Uniformidad de emisión (EU) Tipo de emisor Gotero auto compensado caudal y presión por catalogo Caudal Disponible para riego diario Área (A) Lateral longitud y diámetro Terreno plano, ascendente o descendente Altura de succión (hsuc) Perdida menores (hm) como % de (hf) de la principal Área de riego simultaneo

DISEÑO HIDRÁULICO Porcentaje de área humedecida (pw) % El área humedecida, viene dado por la influencia que tiene el gotero, cada uno de estos influye en una pequeña área de la superficie y a una profundidad entre los 15 y 100 cm debajo de la ubicación de cada gotero, dividida por el área que ocuparía cada planta en el cultivo. Si bien no existe un valor ideal de relación para este porcentaje, se estima que para el caso de árboles frutales sea mínimo de un 30% para su primer año después de su trasplante y que se vaya aumentando para un mínimo de 50%, luego de su primer año de que el cultivo este establecido.

30

El pw viene dado por la siguiente ecuación:

( )

( )

Siendo, n = Numero de goteros por planta Se = Separación entre radios húmedos sw = Franja humedecida por gotero sp = Separación entre plantas (sp) sr = Separación entre radios húmedos entre hileras (sr) Lamina de riego (Ln) mm Hace referencia a la lámina de agua con la cual se debe suplir o reponer el agua que se pierde por la evapotranspiración. Esta viene dada por la siguiente ecuación:

Td = Evapotranspiración promedia diaria del mes pico Fr = Frecuencia de riego Lamina bruta de riego (Lb) mm Hace referencia a la lámina de agua que se debe aplicar para reponer teniendo en cuenta la eficiencia del sistema de riego. Esta viene dada por la siguiente ecuación:

( )

( ⁄ )

Siendo, Ln = Lamina de riego Tr = Relación de transpiración Eu = Uniformidad de emisión

31

Volumen bruto de agua por planta (Vb) LPD Hace referencia al volumen de agua para aplicar a cada planta del cultivo. Viene dada por la siguiente ecuación

( ( ) )

Siendo, sp = Separación entre plantas sw = Franja humedecida por gotero Lb = Lamina bruta de riego Tiempo de aplicación diario del riego (Ta) min/dia Es el tiempo de riego de aplicación del sistema de riego, dado por la relación entre el volumen requerido y el caudal de agua del sistema. Viene dado por la siguiente ecuación:

( )

Siendo, Vb = Volumen bruto de agua por planta n = Numero de goteros q = Caudal del gotero Numero de goteros por lateral (Ng) Unidad El número de goteros viene dado para suplir todo el tramo de cultivo perpendicular a la línea principal de distribución. Viene dado por la siguiente ecuación.

Siendo, L = Longitud del lateral Se = Separación entre goteros n = Numero de goteros por planta

32

Caudal del lateral (ql) m3/s Es la relación de cuanto caudal ira por cada línea lateral cuando este en operación el sistema. Viene dado por la siguiente ecuación.

Siendo, Ng = Numero de goteros en el lateral q = Caudal del gotero Numero de Reynolds (Re) Para calcular el factor de fricción (f) en un determinado tramo recto de tubería, previamente se deberán calcular los valores del número de Reynolds (Re) para el agua en ese tramo El número de Reynolds se puede expresar por la siguiente ecuación:

Siendo, v la velocidad del agua en el interior de la tubería (m/s) D el diámetro interior de la tubería (m) ϑ es la viscosidad cinemática del agua (m2/s) Donde,

( ⁄ ) (

⁄ )

( ) Y,

( )

Pérdida total de energía en función del número de goteros (hfLat) m La pérdida de energía en los tramos de tuberías de los laterales los cuales tendrán múltiples salidas por el número de goteros, se calculan como tramos rectos de tubería con la ecuación de Darcy-Weisbach el cual se afecta por un factor de salidas o coeficiente de Christiansen (F), el cual su valor dependerá del número de salidas y será menor que la unidad.

33

Tabla 2. Factor de Salidas

La pérdida de energía vendría dada por la ecuación:

Siendo, hf= Perdidas de presión sin incluir barbilla y orificio F= Factor de salidas L = Longitud del tramo V = Velocidad del agua D = Diametro g = Gravedad

Cabeza inicial en el lateral (hiLat) m

Siendo, ha: Diferencia de cabeza altura a lo largo del lateral. EL/2: el coeficiente de relación de la pendiente del terreno, donde es 1 para pendiente bajando, 0 para terreno plano y -1 para pendientes subiendo. Presión final al extremo del lateral (hc) m La presión con la que contara el final del tramo del lateral, para que funcione todo el tramo como corresponda.

No de Salidas F No de Salidas F

1 1.000 20 0.376

2 0.639 30 0.368

3 0.535 50 0.361

4 0.486 100 0.356

5 0.457 150 0.354

10 0.402 300 0.353

15 0.384 > 300 0.351

34

Diseño del múltiple Variación permisible en cabeza de presión (hs) m Hace referencia al límite de operación que tiene el sistema en relación a la perdida de energía del sistema respecto a la cabeza de altura inicial menos la energía con la que cuenta al final del lateral, por un factor de seguridad.

( ) Siendo, ha = Cabeza de operación del gotero Numero de laterales por múltiples (#LAT) Unidad Hace la relación al número de laterales necesarios para cubrir el área de trabajo del sistema.

Siendo, L= longitud del múltiple

No de filas = Numero de filas Sr = separación entre hileras

Caudal del múltiple (Qm) m3/s Caudal necesario para la operación normal del múltiple en el sistema. Viene dada por la siguiente ecuación:

Siendo, #LAT = Numero de laterales por múltiples ql = Caudal del lateral Diámetro del múltiple (fm) mm Para el cálculo del diámetro del múltiple se realiza mediante iteración, variando el valor del diámetro a usar, siguiendo el presente procedimiento, esto con el fin de determinar el diámetro con el cual el sistema podrá operar superando las perdidas en él.

Se asume un diámetro.

Se calcula el área.

Se calcula la velocidad.

Se halla el Re.

35

Si Re>105, entonces por diagrama de Moody.

Se calcula e/D.

Se entra al gráfico con el e/D y Re para hallar f.

Se calculan las perdidas.

Se hallan las perdidas en el múltiple hfm.

Se comparan variación permisible en cabeza de presión hs y las perdidas

en el multiple hfm.

Si hfm>hs, se repite el procedimiento hasta hallar un diámetro que permita

que hfm<hs

Presión inicial en el múltiple (Himul) m

Siendo, hiLat = Cabeza inicial en el lateral. hfm = perdida en el múltiple. EL/2: el coeficiente de relación de la pendiente del terreno, donde es 1 para pendiente bajando, 0 para terreno plano y -1 para pendientes subiendo.

Diseño del principal Para el diseño de la principal se mantendrá el diámetro y longitud establecido en el múltiple, por lo cual se comportara igual.

Cabeza dinámica total (CDT) Hace referencia a la energía necesaria que necesita el sistema para operar tras suplir las pérdidas a través del sistema. Viene dada por la siguiente ecuación:

Siendo, Him = Presión inicial en el múltiple. hfpri = Perdida de energía en la principal. hsucc = Cabeza de succión. Fd = perdidas por filtros. hm = Factor de ajuste de perdida de la principal. (hfpri x 0.2)

36

Potencia de la bomba (BHP) Potencia requerida para poder generar el caudal de agua necesaria a lo largo del sistema. Viene dada por la siguiente ecuación:

( )

( )

Siendo, Q = Caudal total del sistema εμ = Ef ncia del motor εβ = Ef cia de la bomba

37

4.3. MARCO JURÍDICO Según la legislación vigente que tiene relación con el uso de los recursos hídricos en Colombia tenemos. LEY 373 DE 1997 (Junio 6). Por la cual se establece el programa para el uso eficiente y ahorro del agua. NOTAS DE VIGENCIA: 1. Modificada por la Ley 812 de 2003, publicada en el Diario Oficial No. 45.231, de 27 de junio de 2003, "Por la cual se aprueba el Plan Nacional de Desarrollo 2003-2006, hacia un Estado comunitario". ARTÍCULO 1o. PROGRAMA PARA EL USO EFICIENTE Y AHORRO DEL AGUA. Todo plan ambiental regional y municipal debe incorporar obligatoriamente un programa para el uso eficiente y ahorro del agua. Se entiende por programa para el uso eficiente y ahorro de agua el conjunto de proyectos y acciones que deben elaborar y adoptar las entidades encargadas de la prestación de los servicios de acueducto, alcantarillado, riego y drenaje, producción hidroeléctrica y demás usuarios del recurso hídrico. Las Corporaciones Autónomas Regionales y demás autoridades ambientales encargadas del manejo, protección y control del recurso hídrico en su respectiva jurisdicción, aprobarán la implantación y ejecución de dichos programas en coordinación con otras corporaciones autónomas que compartan las fuentes que abastecen los diferentes usos. ARTÍCULO 6o. DE LOS MEDIDORES DE CONSUMO. Todas las entidades que presten el servicio de acueducto y riego, y demás usuarios que determine la Corporación Autónoma Regional o la autoridad ambiental competente, disponen de un plazo de un año contado a partir de la vigencia de la presente ley, para adelantar un programa orientado a instalar medidores de consumo a todos los usuarios, con el fin de cumplir con lo ordenado por el artículo 43 de la Ley 99 de 1993 y el artículo 146 de la Ley 142 de 1994. La Comisión de Regulación de Agua Potable y las autoridades ambientales podrán exonerar de esta obligación a las empresas cuyos usuarios no superen en promedio el consumo mínimo o básico por ellas establecido, según sus respectivas competencias legales. DECRETO 1323 DE 2007 (Abril 19) Diario Oficial No. 46. 604 de 19 de abril de 2007 Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial Por el cual se crea el Sistema de Información del Recurso Hídrico, SIRH.

38

DECRETO 2858 DE 1981 (Octubre 13) Por el cual se reglamenta parcialmente el Artículo 56 del Decreto-Ley 2811 de 1974 y se modifica el Decreto 1541 de 1978 (Ministerio de Ambiente, vivienda y Desarrollo Territorial, 1981) DECRETO 2811 DEL 18 DE DICIEMBRE DE 1974.Por el cual se dicta el Código Nacional de Recursos Naturales Renovables y de Protección al Medio Ambiente.

39

4.4. MARCO GEOGRÁFICO La población de La Mesa22 se encuentra 65 kilómetros distante de la capital del país, Bogotá D.C, La Mesa, se constituye por 20 barrios en el sector urbano, 3 Inspecciones San Joaquín (11 Veredas), San Javier (7 Veredas) y La Esperanza (9 Veredas) y zona periférica I y II (15 veredas).Límites del municipio: Limita al norte con los municipios de Quipile, Cachipay y Zipacón, por el este con Bajaca y Tena, por el sur con El Colegio y Anapoima y por el oeste con Anapoima y Quipile Extensión total: 148 Km2 Extensión área urbana: 2.75 Km2 Extensión área rural:145 Km2 Altitud de la cabecera municipal (metros sobre el nivel del mar):1200, Temperatura media:22º C. Distancia de referencia:65 Km a Bogotá. La comunicación con el Municipio de La Mesa desde la capital de la república se hace desde el occidente por una carretera totalmente pavimentada que cuenta con dos peajes, saliendo por Fontibón, conectando los municipios de Mosquera, Anapoima, Apulo y Tocaima para llegar hasta Girardot. La Mesa tiene comunicación con los municipios de San Antonio del Tequendama, Tena, El Colegio, Cachipay, Anapoima y Viota, por carreteras totalmente pavimentadas.

Figura 2. Mapa de localización nacional y departamental del municipio de la mesa - Cundinamarca.

La vereda de estudio se localiza en la parte central del municipio.

22

. Alcaldía municipal de la mesa, tomado de:

http://www.lamesa-cundinamarca.gov.co/MiMunicipio/Paginas/Informacion-del-Municipio-.aspx

40

Figura 3. Veredas del municipio de la mesa - Cundinamarca

23

El predio donde se plantea este trabajo de grado se encuentra localizado en la vereda la concha sector bajo, con coordenadas en el sitio de la vivienda principal latitud 4.6349, longitud -74.4981 Se llega al predio por vía terrestre desde la cabecera municipal del municipio tomando la vía que conduce a la inspección de San Joaquín aproximadamente a 4 km desviar por el carreteable que conduce a la vereda la concha baja, por 2 km y se llega a el predio.

Figura 4. Localización finca el trébol - vereda la concha la Mesa - Cundinamarca.

24

23

Localización de las veredas del municipio de la mesa - Cundinamarca.

https://www.google.com/search?q=veredas+municipio+de+la+mesa&tbm=isch&ved=2ahUKEwjizvmO0LPpAhXNVzABHYYIDcUQ2-cCegQIABAA&oq=veredas+municipio+de+la+mesa&gs_lcp=CgNpbWcQA1Dm5QFYlo4CYIiQAmgAcAB4AIABzAGIAZgIkgEFMC41LjGYAQCgAQGqAQtnd3Mtd2l6LWltZw&sclient=img&ei=4129XqLRFc2vwbkPhpG0qAw#imgrc=kjZdlBUCQveZVM 24

Tomado de Google Earth Pro mediante coordenadas gps garmin oregon t27.

41

4.5. ESTADO DEL ARTE En la actualidad los sistemas de almacenamiento y aprovechamiento de aguas lluvias en el municipio de la mesa han tenido mayor desarrollo en el área urbana donde se a implementado sistemas de cosecha de aguas mediante acople de canales y bajantes a las cubiertas de las construcciones según requerimientos de la oficina de planeación municipal. Estos sistemas de cosechas de agua utilizan generalmente para el almacenamiento tanques subterráneos construidos en concreto impermeabilizado el cual va acoplado a un sistema de bombeo automático el cual distribuye estas aguas sin realizar ningún tratamiento para usos de riego de jardines y baños un ejemplo claro de esto es el centro comercial Tequendama ubicado sobre la vía principal que conduce hacia Bogotá, donde las áreas grandes de cubiertas son aprovechadas para diversos fines. En el sector agrícola se encuentra que en los últimos años gracias a políticas gubernamentales locales por medio de la secretaría de desarrollo rural y ambiente, se ha impulsado la construcción de sistemas de aprovechamiento de aguas v z b x b j “ de zinc, canaletas de láminas galvanizada, acopladas a bajantes de polietileno ( ) á 2” 4” p almacenamiento reservorio excavado en tierra. Este sistema representa una muy baja eficiencia ya que debido a el tipo de suelo con alto contenido de arenas presente en la región se presenta una infiltración alta lo cual hace no viable el aprovechamiento de las aguas lluvias las cuales bajo este sistema tendrían que ser distribuidas casi que de manera inmediata a las zonas de uso sin representar una garantía de almacenamiento para las épocas secas. Por lo anterior en los dos últimos años se ha probado la implementación de impermeabilizar en los reservorios con geomembrana siendo la relación costo - beneficio para este tipo de estructuras la más adecuada frente a alternativas como:

● Casquetes esféricos en concreto sin refuerzo los cuales debidos a la dilatación del terreno presentan fisuras rápidamente.

● Recubrimientos en plástico de polietileno el cual es degradado rápidamente por la radiación solar directa y algunos agentes químicos contenidos en el agua.

● Tanquillas en mampostería con concreto sin reforzar alto costo generalmente no impermeabilizados sin cimentación lo cual conlleva a un corto periodo de vida por efectos de asentamientos diferenciales.

42

Los sistemas de almacenamiento impermeabilizado con geomembrana son constructivamente rápidos respecto a los métodos anteriores y con costos moderados siendo la mayor inversión la implementación de la geomembrana la cual es rígida y de alta resistencia química especialmente hecha para contención de hidrocarburos, tratamiento de lodos lixiviados rellenos sanitarios, embalses, canales, techos, túneles, tanques, existen dos tipos de geomembrana la HDPE y la PVC siendo más común la HDPE que es una lámina de polietileno de alta densidad resistente a rayos UV y amplia gama de productos químicos como aceites, alcoholes, sale y ácidos.

Figura 5. Reservorio impermeabilizado para riego agrícola vereda el espino propiedad del señor Jorge

Caviedes.25

25

Impermeabilización sistema de almacenamiento de aguas lluvias para riego agrícola desarrollado

por secretaria del municipio de la mesa vereda el espino, registro persona Giovanni Ovalle, secretaria de desarrollo económico de la mesa - Cundinamarca.

43

Figura 6. Reservorio impermeabilizado para riego agrícola vereda capata propiedad de la señora Elsa

Cifuentes26

La implementación de estos sistemas de almacenamiento de aguas lluvias ha mejorado la disponibilidad en épocas secas de agua con fines de riego, sin embargo estos sistemas fueron estandarizados para ser implementados, sin tener en cuenta ningún tipo de información hidrológica ni requerimientos hídricos por lo cual no se conocería la disponibilidad en el tiempo de este según las condiciones propias en el cultivo del predio realizando un uso poco eficiente del recurso hídrico.

26

Impermeabilización de reservorio del año 2018 vereda el espino propiedad del señor Jorge

Rodriguez

44

5. METODOLOGÍA

5.1. FASES DEL TRABAJO DE GRADO Luego de haber identificado la problemática que conlleva el déficit de disponibilidad de agua para riego los productores agrícolas de frutales en el municipio de La Mesa, lo que constituye sufrir bajas producciones que en términos económicos equivale a una disminución de la calidad de vida, se plantea el cálculo y diseño de una alternativa para el aprovechamiento de aguas lluvias implementando a las cubiertas existentes un sistema de almacenamiento y distribución que se pueda desarrollar fácilmente en condiciones específicas de otros predios. La disponibilidad hídrica en la vereda la concha donde se encuentra el predio es p é v “ ” j b z predio hacienda la concha y posee una concesión de aguas emitida por la CAR con un caudal de 6 litros por segundo siendo esta distribuida mediante una red p p b PVC 4” p 350 intraprediales en tuberías de media pulgada. Esta agua no posee tratamiento químico alguno para mejorar su potabilidad y se almacena en dos tanques de concreto de 50 metros cúbicos cada uno, como medida de impulsión para las zonas altas se maneja una estación de bombeo eléctrica, estos sistemas no son calculados por lo cual ninguno de los elementos del sistema de acueducto rural fue diseñado siguiendo algún tipo de metodología lo que ha repercutido en fallas de su funcionamiento como faltas de presión en algunas redes, sub diseños de los tanques de almacenamiento, cavitación en las bombas y en las tuberías, no se garantiza el suministro diario a los usuarios motivo por el cual deben implementar medidas de almacenamiento de agua potable. Teniendo en cuenta lo anterior la situación de agua para riego en la vereda es muy limitada, algunos de los productores realizan captaciones ilegales con fines de riego para las actividades agrícolas, de una fuente hídrica no sostenible llamada quebrada la carbonera, estas captaciones son realizadas de manera artesanal sin ningún tipo de estructura de presa. Usando mangueras de polietileno de máximo 2” v v b p la alta tasa de infiltración presente en los suelos de la región donde predominan suelos franco arenosos con baja capacidad de retención de humedad.27

27

IGAC Instituto geográfico Agustín Codazzi. Boletín 79. Caracterización edafológica de suelos de

Cundinamarca.

45

Para la propuesta del diseño de sistema de almacenamiento y distribución de aguas lluvias con fines agrícolas se da inicio haciendo la localización geográfica del predio en estudio obteniendo mediante la plancha número 277IIIC4 en escala 1.10.00 suministrada por el instituto colombiano Agustín Codazzi.28

Figura 7. Localización geográfica mediante la plancha número 277IIIC4.

Mediante esta observación determinamos que el predio finca El trébol se localiza en la afectación de la cuenca del río Apulo sobre la inspección San Joaquín. Se procede a realizar en campo visita al predio y levantamiento mediante gps navegador garmin etrex legend hgx de las coordenadas de los límites del predio.

Figura 8. Localización del predio respecto al casco urbano.

28

https://geoportal.igac.gov.co/contenido/consulta-de-planchas

46

Tabla 3. Coordenadas Finca El Trebol

47

Coordenadas de los vértices del predio tomados con gps garmin etrex legend hgx.

Figura 9. Identificación de topografía mediante uso de sistema de información geográfica libre Qgis.

Tabla 4. Resultado del análisis altimétrico realizado con Qgis

Con lo anterior se realizó la búsqueda de información hidrológica de las estaciones cercanas al lugar de estudio, esto mediante consulta en las bases de datos del instituto de hidrología y meteorología de estudios ambientales29 IDEAM, CAR y la Federación Nacional de cafeteros, encontrando que las siguientes estaciones son las más cercanas:

29

http://www.ideam.gov.co/capas-geo

48

1. Estación El Refugio ubicada en la Inspección de San Javier, estación activa desde el 1977, Estación Pluviométrica, con una ubicación de 4,65°; -74,46° propiedad de la federación nacional de cafeteros.

2. Estación San Joaquín, ubicada en la Inspección de San Joaquín, tipo climática Principal, establecida desde 2005, con una ubicación de 4,63°, -74,51° propiedad del IDEAM.

3. Estación La Mesa localizada sobre el casco urbano del Municipio tipo climática principal propiedad de la CAR establecida desde 1975, con una ubicación de 4° 37’ 28 7”N 74° 28’ 54 3”W p p CAR.

4. Estación La Guaca, ubicada en vereda San Pedro, estación especial, establecida desde 1987, con ubicación de 4,58°; -74,48°.

Luego se realizó la búsqueda de la información de precipitación de estas encontrando que:

1. Estación el Refugio propiedad de la federación nacional de cafeteros tiene muchas deficiencias en la información encontrándose intermitencia en la toma de datos motivo con lo cual es difícil hacer ajuste mediante método de masa a los datos existentes por lo que no se tiene en cuenta esta información.

2. Estación san Joaquín propiedad del IDEAM presenta al igual que la estación anterior muchas inconsistencias en la toma de datos como información faltante mensual de manera reiterada lo cual hace difícil el ajuste por cualquier método de estos valores.

3. Estación La Mesa propiedad de la CAR se encuentra información completa

desde el año 1986, se encontraron pocos datos faltantes por lo cual se procede a hacer el ajuste de estos completando la tabla y utilizando estos datos de precipitación como referencia para los siguientes cálculos.

4. Estación la Guaca propiedad del IDEAM después de hacer la revisión

geográfica de su localización se encuentra que esta estación está ubicada sobre el costado adyacente de la cuenca hidrográfica del río Bogotá motivo por el cual se toma como irrelevante la información obtenida de esta.

Con la información de precipitación obtenida de la estación La Mesa se procede a calcular un evento de lluvia típico en la región para una duración máxima de 30 minutos.

49

Distribución de probabilidades pluviométricas mediante Gumbel

No Precipitación (mm)

xi (xi - x)^2

1 40 968.45

2 47 581.77

3 54 293.09

4 57 199.37

5 58 172.13

6 59 146.89

7 62 83.17

8 63 65.93

9 64 50.69

10 65 37.45

11 66 26.21

12 67 16.97

13 68 9.73

14 70 1.25

15 70 1.25

16 70 1.25

17 71 0.01

18 76 23.81

19 81 97.61

20 85 192.65

21 86 221.41

22 94 523.49

23 98 722.53

24 100 834.05

25 107 1287.37

Suma 1778 6558.64

Promedio 71.12 262.3456 Tabla 5. Distribución de probabilidades pluviométricas mediante Gumbel

Cálculo de variables probabilísticas

√∑ ( )

= 16.17

√

0.5772* =63.84

∑

50

Según L. L. Welss en su estudio concluye que, los resultados de un análisis probabilístico con lluvias máximas anuales registradas en un fijo y único intervalo de observación, al incrementarlas en un 13% permiten magnitudes más aproximadas a las que se obtienen en análisis basadas en lluvias máximas verdaderas. Por lo cual, los valores representativos adoptados para el estudio serán multiplicados por 1.13.

Periodo

Retorno

Variable

Reducida

Precipitación

(mm)

Probabilidad

de ocurrencia

Corrección

intervalo fijo

Años YT XT'(mm) F(xT) XT (mm)

2 0.3665 68.4643 0.5000 77.3647

5 1.4999 82.7509 0.8000 93.5085

10 2.2504 92.2098 0.9000 104.1971

25 3.1985 104.1612 0.9600 117.7022

50 3.9019 113.0274 0.9800 127.7210

75 4.3108 118.1808 0.9867 133.5443

100 4.6001 121.8282 0.9900 137.6658

500 6.2136 142.1654 0.9980 160.6469

Tabla 6. Precipitación corregida.

ECUACIÓN DE INTENSIDAD

Las relaciones o cocientes a la lluvia de 24 horas se emplean para duraciones de varias horas. D. F. Campos A. propone los siguientes cocientes:

Duraciones en horas

1 2 3 4 5 6 8 12 18 24

0.30 0.39 0.46 0.52 0.57 0.61 0.68 0.80 0.91 1.00

Tabla 7. Valores concluidos para las relaciones a la lluvia de duración 24 horas

Valores concluidos para las relaciones a la lluvia de duración 24 horas. D. F. Campos A., 1978

51

Estos datos se obtienen como un porcentaje de los resultados de la precipitación máxima probable para un lapso de 24 horas, para cada uno de los períodos de retorno, se representan diferentes porcentajes de este valor según los tiempos de duración de lluvia adoptados.

En la siguiente tabla quedan consignadas las precipitaciones máximas probables para diferentes tiempos de duración según diferentes periodos de retornos.

Tiempo de

Duración

(hr)

Cocientes

Propuesto

s (%)

Precipitación Máxima Probable (mm) para diferentes tiempos de duración

según Periodo de Retorno (años)

2 5 10 25 50 75 100 500

24 100 77.36 93.51 104.20 117.70 127.72 133.54 137.67 160.65

18 91 70.40 85.09 94.82 107.11 116.23 121.53 125.28 146.19

12 80 61.89 74.81 83.36 94.16 102.18 106.84 110.13 128.52

8 68 52.61 63.59 70.85 80.04 86.85 90.81 93.61 109.24

6 61 47.19 57.04 63.56 71.80 77.91 81.46 83.98 97.99

5 57 44.10 53.30 59.39 67.09 72.80 76.12 78.47 91.57

4 52 40.23 48.62 54.18 61.21 66.41 69.44 71.59 83.54

3 46 35.59 43.01 47.93 54.14 58.75 61.43 63.33 73.90

2 39 30.17 36.47 40.64 45.90 49.81 52.08 53.69 62.65

1 30 23.21 28.05 31.26 35.31 38.32 40.06 41.30 48.19

Tabla 8. Precipitación Máxima Probable

Se procede a calcular la intensidad para cada precipitación máxima probable usando la siguiente ecuación y consignadas en la siguiente tabla:

Dónde: I = Intensidad en (mm/hr)

t = Duración de la lluvia en (min)

P = Precipitación (mm)

52

Tiempo

de

Duración

(hr)

Tiempo

de

Duració

n (min)

Intensidad Máxima Probable (mm) para diferentes tiempos de duración

según Periodo de Retorno (años)

2 5 10 25 50 75 100 500

24 1440 3.22 3.90 4.34 4.90 5.32 5.56 5.74 6.69

18 1080 3.91 4.73 5.27 5.95 6.46 6.75 6.96 8.12

12 720 5.16 6.23 6.95 7.85 8.51 8.90 9.18 10.71

8 480 6.58 7.95 8.86 10.00 10.86 11.35 11.70 13.65

6 360 7.87 9.51 10.59 11.97 12.98 13.58 14.00 16.33

5 300 8.82 10.66 11.88 13.42 14.56 15.22 15.69 18.31

4 240 10.06 12.16 13.55 15.30 16.60 17.36 17.90 20.88

3 180 11.86 14.34 15.98 18.05 19.58 20.48 21.11 24.63

2 120 15.09 18.23 20.32 22.95 24.91 26.04 26.84 31.33

1 60 23.21 28.05 31.26 35.31 38.32 40.06 41.30 48.19

Tabla 9. Intensidad Máxima Probable

Para la representación matemática de las curvas Intensidad - Duración - Período de retorno, dada por Sg. Bernard, se expresa la intensidad en función de un cambio de variable, esto para practicidad en el manejo de los datos, esto se representa en la siguiente serie de ecuaciones:

dónde: I = Intensidad en (mm/hr)

t = Duración de la lluvia en (min)

T = Período de retorno en (años)

a,b,c = Parámetros de ajuste

La representación matemática se realiza basándose en que la intensidad se comporta como una ecuación potencial, al resolverla se encuentran los valores de los parámetros de ajuste de la ecuación. Los valores entrados están consignados en las siguientes tablas para cada uno de los periodos de retorno, de igual manera tendrán su representación gráfica de la ecuación.

53

A continuación se presenta una tabla resumen de los parámetros y coeficientes para cada periodo de retorno.

Tabla Resumen de Constantes y Coeficientes de las Regresiones

Periodo de Retorno

(años)

Término cte. De

regresión (d)

Coef. de regresión [ c ]

2 292.4792 -0.6164

5 353.5112 -0.6164

10 393.9197 -0.6164

25 444.9760 -0.6164

50 482.8524 -0.6164

75 504.8676 -0.6164

100 520.4491 -0.6164

500 607.3295 -0.6164

Promedio 450.0481 -0.6164

Tabla 10. Tabla Resumen de Constantes y Coeficientes de las Regresiones

En función del cambio de variable realizado, se procede a realizar otra regresión de potencia entre las columnas del periodo de retorno (T) y el término constante de regresión (d), para obtener valores de la ecuación:

54

Regresión para hallar valores de la ecuación

Nº x y ln x ln y ln x*ln y (lnx)^2

1 2 292.48 0.69 5.68 3.94 0.48

2 5 353.51 1.61 5.87 9.44 2.59

3 10 393.92 2.30 5.98 13.76 5.30

4 25 444.98 3.22 6.10 19.63 10.36

5 50 482.85 3.91 6.18 24.18 15.30

6 75 504.87 4.32 6.22 26.87 18.64

7 100 520.45 4.61 6.25 28.80 21.21

8 500 607.33 6.21 6.41 39.83 38.62

Total 8 767 3600.38 26.87 48.69 166.45 112.51

Ln (a) 5.65 a 283.71 b 0.130

Tabla 11.Valores para regresión de la ecuación.

Figura 10. Grafica de la regresión de la ecuación.

55

Entonces se obtiene reemplazando que la ecuación sería:

Con la ecuación se procede a darle valores tanto para los periodos de retorno como para la duración de la precipitación, los valores obtenidos se consignan en la siguiente tabla:

Tabla 12. Tabla de intensidad - Tiempo de duración - Periodo de retorno

De la anterior tabla vamos a tomar en cuenta los valores para tres eventos específicos que son los periodos de retorno de retorno de 5, 10 y 25 años, debido a que la estructura a dimensionar es un reservorio impermeabilizado el cual nos servirá para suplir una necesidad casi inmediata la cual es abastecer requerimientos hídricos de un cultivo en periodo secos que pueden oscilar de 1 a 3 meses.

Tabla de intensidad - Tiempo de duración - Periodo de retorno

Frecuencia Duración en minutos

Años 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

2 115.16 75.12 58.51 49.00 42.70 38.16 34.71 31.96 29.72 27.86 26.27 24.89

5 129.78 84.65 65.93 55.22 48.12 43.01 39.11 36.02 33.50 31.39 29.60 28.05

10 142.05 92.66 72.17 60.44 52.68 47.08 42.81 39.43 36.67 34.36 32.40 30.71

25 160.08 104.42 81.33 68.12 59.36 53.05 48.24 44.43 41.32 38.72 36.51 34.61

50 175.23 114.30 89.03 74.56 64.98 58.07 52.81 48.64 45.23 42.39 39.97 37.88

75 184.74 120.51 93.86 78.61 68.51 61.22 55.68 51.28 47.69 44.69 42.14 39.94

100 191.81 125.12 97.45 81.61 71.13 63.57 57.80 53.24 49.51 46.40 43.75 41.46

500 236.60 154.34 120.21 100.67 87.74 78.41 71.30 65.67 61.07 57.23 53.97 51.15

56

Figura 11. Grafica IDF para 5 años.

Figura 12. Grafica IDF para 10 años.

57

Figura 13. Grafica IDF para 25 años.

Caudal de Diseño

Para estimar el caudal de diseño se utilizó el método racional, este método fue

desarrollado por Lloyd-George 1906 con las bases establecidas por Mulvaney

1850, el cual establece el caudal instantáneo máximo de descarga en una zona

determinada, bajo el supuesto que será para una lluvia de intensidad máxima

invariable y una duración igual al tiempo de concentración. Este método se ha

convertido en el modelo hidrológico más simple para uso en diseños de drenaje

urbano (Fernández & Rivera,2000).

La ecuación del método racional es:

Dónde:

Q = Caudal máximo expresado en m3/S

C = Coeficiente de escorrentía.

I = Intensidad de lluvia en un periodo de retorno dado en m/s.

A = Superficie que drenara en el punto de cálculo.

58

Los sistemas de reservorios impermeabilizados con geomembrana se destacan por tener un sistema constructivo simplificado comparado con los métodos anteriores en los cuales se realiza una excavación hecha generalmente con retroexcavadora de forma trapezoidal donde tenemos un área superior de corona mayor al área inferior del piso del reservorio teniendo taludes con diferentes pendientes dependiendo de las características del suelo generalmente se usan pendientes uno a uno o a 45° en la parte baja del piso se realiza una excavación adicional con el fin de implementar un sistema de tubería para hacer la captación del reservorio desde la zona más baja de este

Tabla 13.Tabla de intensidad - Tiempo de duración - Periodo de retorno

Tabla de intensidad - Tiempo de duración - Periodo de retorno

Frecuencia Duración en minutos

Años 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

5 129.78 84.65 65.93 55.22 48.12 43.01 39.11 36.02 33.50 31.39 29.60 28.05

10 142.05 92.66 72.17 60.44 52.68 47.08 42.81 39.43 36.67 34.36 32.40 30.71

25 160.08 104.42 81.33 68.12 59.36 53.05 48.24 44.43 41.32 38.72 36.51 34.61

59

DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE AGUAS LLUVIAS.

Para el dimensionamiento del reservorio que se usara para almacenar las aguas lluvias interceptadas por las superficies de las estructuras presentes, se realizará bajo las dos (2) siguientes premisas volumen de agua requerido por el cultivo y volumen máximo de agua lluvia promedio mensual disponible.

Dimensionamiento del Reservorio

1. Volumen de agua que requiere el cultivo.

Para la primera premisa se tiene en cuenta la caracterización de finca el trébol, realizada mediante Qgis tenemos un área Total de 4,92 Ha, para obtener las áreas de los diferentes cultivos establecidos, se calcula mediante conteo de árboles por densidad de siembra , para las siguientes áreas aproximadas.

Nombre del Predio El trébol

Departamento Cundinamarca

Municipio La Mesa

Propietario Isabel Caro

Área del Predio (m2) 49.280

Cultivo 1 Mango Tommy

Área del Cultivo 2,5 Ha

Cultivo 2 Mandarina Arrayana

Área del Cultivo 1,0 Ha

Cultivo 3 Limón Tahití

Área del Cultivo 1,0 Ha

Tabla 14: Caracterización de cultivos finca el Trebol.

Tomamos como cultivo principal de referencia el mango Tommy ya que sobre este cultivo se basa la Producción Agrícola de la Finca, El trébol y de la mayoría de las fincas de la zona donde la cantidad arboles sembrados del cultivo de Mango Tommy de 156 árboles aproximadamente por Hectárea, con distancias entre árboles de 8 m x 8 m en forma rectangular, con una edad de establecimiento de aproximadamente 2 años.

60

Para los requerimientos de agua por parte del cultivo, hacemos referencia a la información propia para una hectárea con los siguientes parámetros.

Parámetros Unidad Cantidad

Número de árboles por hectárea Unidad 156

Necesidad hídrica por árbol diario Lt. 20

Necesidad hídrica total del cultivo diario Lt 3120

Necesidad hídrica total del cultivo mensual Lt 93600

Necesidad hídrica neta total de cultivo mensual M3 93,6

Tabla 15: Requerimientos para 1 Ha en la Finca el Trebol árboles de mango Tommy de 2,5 años

El volumen requerido para el cultivo será de 93.6 m3 de agua en un solo mes para una hectárea de cultivo, según la etapa fenológica establecida de crecimiento o como lo encontramos en el lote principal del predio de una hectárea de extensión.

2. Volumen de aguas lluvias promedio máximo mensual

Para la segunda premisa debemos analizar los volúmenes que tenemos disponibles mediante las precipitaciones de la zona para el volumen de aguas lluvia se tiene la siguiente información de la estación La Mesa:

61

Tabla 16:Precipitaciones Mensuales Estación 2120639 - La Mesa

El promedio de la precipitación anual según la estación N°2120639 - La Mesa, es de de 1260,31 mm, con una precipitación promedio máxima mensual de 190,2 mm para el mes de Noviembre.

Tabla 17: Precipitaciones Mensuales máximas promedio Estación 2120639 - La Mesa

62

Para calcular el volumen de precipitación tenemos que:

Dónde:

V: Volumen de agua captada. m3

A: Área de interceptación de aguas lluvias. m2

C: Coeficiente de escorrentía.

Ppm: Precipitación promedio mensual máxima. mm.

Tomando como coeficiente de escorrentía, el respectivo para el periodo de retorno del evento de precipitación máximo estimado para 25 años, de 0,85.

Tabla 18: Coeficientes de Escorrentías.

Realizando la verificación de las dimensiones de las estructuras disponibles para realizar la captación de aguas lluvias en el predio tenemos.

1. Cubierta de la vivienda: El predio posee una vivienda con una cubierta a dos aguas, la cual es en teja tipo eternit en cemento, la que se encuentra canalizada con bajantes y canaletas en lámina galvanizada, la totalidad de la cubierta tiene una longitud de 14 ml x 10 ml de ancho, para un área de 140 ml.

2. Cubierta del galpón: Se cuenta con una estructura pequeña que sirve de galpón para aves, la cual tiene como cubierta teja tipo eternit en cemento, a media agua, con dimensiones de 4 ml de ancho x 5 ml de longitud para un área de 20 m2, los cuales se encuentran una canal y bajante en polietileno

63

3. Cubierta Bodega de almacenamiento: Estructura para guardar herramienta y Agroquímicos, techo a media agua con teja tipo eternit en cemento, el cual se acopla a canales y bajantes en Polietileno, con unas dimensiones de 6 ml de Ancho x 8 m de Longitud, para un área de 48 m2.

4. Área del mismo reservorio: Se estima un área de aproximadamente 100 m2, de superficie del mismo reservorio el cual puede captar de manera directa las aguas lluvias.

Figura 14. Vivienda Predio el Trébol

64

Figura 15.Cubierta Vivienda Finca el Trébol.

Figura 16. Cubierta Galpón Finca el Trébol

65

Área de la Cubierta Vivienda (m2) 140

Área de la Cubierta de Galpón (m2) 20

Área de la Cubierta de Bodega (m2) 48

Área propuesta del posible reservorio (m2) 100

Área Total de Captación (m2) 308

Coeficiente 0.85

Tabla 19. Áreas de Cubiertas para Captación.

El Volumen posible total a captar calculado según la ecuación anterior es de 50 m3.

El Caudal a captar para eventos con periodos de retorno de 5, 10 y 25 años, de una duración de con duración de 30 min, como duración de lluvia promedio está dada por la Siguiente ecuación

.

Donde Tenemos Q = Caudal (m3/s)

C = Coeficiente de Escorrentía

A = Área de Captación.

Según los resultados de la Ecuación Intensidad que se encuentran en la tabla IDF, para periodos de retorno de 5, 10 y 25 años tenemos que

Tabla 20. Resultados Intensidad de la Curva IDF.

66

Con el cálculo del caudal captado por las cubiertas se establece el diámetro necesario de la tubería para hacer la Conducción de estas al sistema de Almacenamiento.

Razón por la que se calcula el Caudal generado por las tres estructuras de captación.

Tabla 21. Caudales de la cubierta según periodos de retorno.

Tomando el caudal para el periodo de retorno máximo de 25 años, que corresponde a 2,7 l/s, para buscar una tubería que sea de un diámetro comercial y logre transportar a una velocidad adecuada el agua captada de las cubiertas al reservorio.

Por lo cual según manual de Tubería sanitaria de Pavco en la sección de Aguas Lluvias

Diámetro Nominal

Diámetro exterior (mm)

Espesor de Pared (mm)

Diámetro Interno (mm)

Diámetro Interno (m)

Área Interna del Tubo (m2)

1 5” 48,26 1,52 45,22 0,0452 0,0016

2 60,33 1,78 56,77 0,0567 0,0025

3 82,55 1,78 78,99 0,0789 0,0049

4 114,30 2,10 110,1 0,1101 0.0095

Tabla 22. Diámetros y Áreas de Tuberías Comerciales

67

Usando la Ecuación de Q = V*A, despejar la velocidad

Periodo Retorno (Años) Caudal (m3/s) Área (m2) Velocidad (m/s)

5 0,00199 0.0095 0,02094

10 0,00226 0.0095 0,02378

25 0,00270 0.0095 0,02842

Tabla 23. Velocidades para Tuberías de 4”

Periodo Retorno (Años) Caudal (m3/s) Área (m2) Velocidad (m/s)

5 0,00199 0,0049 0,0406

10 0,00226 0,0049 0,0461

25 0,00270 0,0049 0,0551

Tabla 24. Velocidades para Tuberías de 3”

Periodo Retorno (Años) Caudal (m3/s) Área (m2) Velocidad (m/s)

5 0,00199 0,0025 0,0796

10 0,00226 0,0025 0,0904

25 0,00270 0,0025 0,1080

Tabla 25, Velocidades para Tuberías de 2”

Tabla 26. Velocidades para Tuberías de 1,5”

Como no se conoce la pendientes exactas de cómo se instalan las tuberías en campo, se opta por usar la tubería del mayor diá 4”.

Periodo Retorno (Años) Caudal (m3/s) Área (m2) Velocidad (m/s)

5 0,00199 0,0016 0,1245

10 0,00226 0,0016 0,1412

25 0,00270 0,0016 0,1687

68

Dimensionamiento de Reservorio

Las dimensionamiento del reservorio, se calcula a partir del área de las bases (ABaseMayor y ABasemenor) y de la altura (h) del que tendrá el reservorio. El volumen viene determinado como un tercio de la altura del tronco de pirámide (h) por la suma del área de las bases (ABM y ABm) y la media geométrica de las mismas. Su fórmula es:

Calculando para obtener un volumen aproximado a 50 m3, se obtienen las siguientes dimensiones.

Tabla 27. Dimensionamiento de reservorio con Volumen aprox de 50 m3.

Teniendo en cuenta que en este cálculo el nivel de agua para lograr un volumen de 53,43 m3, es llegando a nivel de la corona del reservorio, se procede a redimensionar el este teniendo en cuenta que no es recomendable superar una altura de 1,6 m en el nivel de la lámina de agua, y que de este al borde libre del reservorio de deben dejar 0,4 m para evitar desbordamientos con subsecuentes problemas de Socavación.

Tabla 28. Dimensionamiento de reservorio con Volumen aprox de 66,79 m3.

69

Con estas dimensiones calculadas para tener el nivel de desborde de 0,4 m, con AutoCAD 2018, se procede a realizar el plano de la posible forma Geométrica que cumple con las condiciones estipuladas de Volumen.

Se presentan la Vista en planta y los dos cortes Transversal y Longitudinal.

Figura 17. Vista Corte Transversal.

Figura 18.Vista Corte Longitudinal.

70

Figura 19. Vista Planta General.

Al Realizar el dimensionamiento del Sistema de Almacenamiento de Aguas lluvias (Reservorio) según disponibilidad del recurso escogemos por condiciones propias del predio y el tipo de reservorio a implementar el cual sería excavado revestido con material impermeabilizante

Este tipo de reservorio excavado almacena al agua debajo del nivel del suelo original, por lo cual se debe escoger un terreno plano para su ubicación, de no existir se debe mediante métodos manuales o mecanizados realizar el nivelado del terreno.

El nivel de agua contenida en este sistema reservorio nunca excederá el nivel superior del suelo donde se ubicara.

71

ELEMENTOS A CONSIDERAR PARA LA CONSTRUCCION DEL RESERVORIO

La localización adecuada del reservorio es indispensable para asegurar el éxito de la obra, de ser posible se debe siempre localizar el reservorio en una zona de la finca donde se pueda realizar una distribución de estas aguas por gravedad, con el fin de disminuir costos de operación para actividades de bombeo, teniendo en cuenta que cada predio posee condiciones tanto topográficas como espaciales diferentes.

El conjunto de elementos claves a considerar son:

Selección del Sitio

TOPOGRAFIA

TEXTURA DEL SUELO

UBICACIÓN DEL AREA DONDE SE CAPTARA EL AGUA

FUENTE Y POSIBLE DRENAJE DE EXCESOS

DEFINICION DEL VOLUMEN DE AGUA POSIBLE A CAPTAR

Tabla 29. Elementos claves para selección.

a) Topografía: El predio el trébol es modernamente quebrado por lo cual se considera necesario realizar una zona de terraza para su localización, quedando está por debajo de la altura de las cubiertas, con lo cual se garantiza que mediante la gravedad se realice el transporte de las aguas lluvias captadas en las cubierta al reservorio, y se debe realizar bombeo para hacer uso de las aguas almacenadas en este.

b) Textura del suelo: Teniendo en cuenta que en general el predio posee suelos de textura Franco Arenosa, es indispensable en que este sea impermeabilizado, la opción comercial y económica evaluada es el uso De Geomenbrana en Polietileno (HDPE), las cuales están diseñadas para estar expuestas y con una aplicación general para contener líquidos, se encuentran en el mercado en rollos que pueden oscilar en ancho de 6 m a 8 m, y longitudes variables según requerimiento, su periodo de duración y resistencia al la radiación ultravioleta es de aproximadamente 25 años30

30

Ficha Técnica Geosistemas Durman, http://www.durman.com.co/uploads/documents/carta/5892449990bf9.pdf

72

c) Ubicación del área de captación del agua: Teniendo en cuenta que las tres

estructuras de captación se localizan relativamente cerca entre si, el sitio indicado será un sitio central que minimice las longitudes a usar en tubería de conducción de las zonas de captación a reservorio.

d) Fuente y posible drenaje de excesos: La localización deberá tener un área adyacente por la cual se pueda encausar fácilmente a un drenaje natural de preferencia, el agua resultante de los excesos

e) Definición del dimensionamiento de reservorio: Teniendo en cuenta el volumen disponible de agua a captar se debe dimensionar el reservorio teniendo en cuenta el espacio disponible para su localización.

SISTEMA CONSTRUCTIVO

Los sistemas de reservorios excavados e impermeabilizados con geomenbrana se destacan por tener un sistema constructivo simplificado y eficiente el cual disminuye la tasa de infiltración a 0, siendo esta la pérdida más crítica de agua almacenada en reservorios sin revestir con impermeabilizante, esto dado por la naturaleza arenosa presente en los suelos del predio El sistema constructivo es realizar primero la localización, replanteo y descapote del sitio donde se va a localizar el reservorio. Luego de realizar el nivelado de la zona donde se situara el reservorio, con retroexcavadora se hace la excavación, siendo generalmente de forma trapezoidal donde tenemos un área superior de corona mayor y un área menor en el piso del reservorio, los se recomienda dejarlos mínimo en relación 1:1 para evitar posibles ángulos de reposo inestables del terreno, Después de realizar perfilado manual de la excavación con el fin de mejorar su forma geométrica y retirando piedras y materiales punzantes que puedan dañar la membrana, se dispone a la instalación de esta, haciendo una cama de arena en el fondo del reservorio con un espesor de aproximadamente 5 cm. La instalación se hace con una cuadrilla de al menos 5 personas utilizando una cosedora por termo fusión para polietileno de alta densidad, el cual servirá en caso de que sea necesario unir segmentos de máximo 6m u 8m, dejando en la base una excavación par p b p z 2” con su respectivo registro, esta tubería se puede usar tanto de salida para distribución como también de limpieza.

73

Se presenta la Tabla 29 se ilustra cantidades y presupuesto para el sistema de almacenamiento.

OBJETO: TRABAJO DE GRADO ESPECIALIZCION RECURSOS HIDRICOS

PROYECTO SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE AGUA (RESERVORIO IMPERMEABILIZADO

DE 67 M3

DEPARTAMENTO: CUNDINAMARCA MUNICIPIOS LA MESA

ITEM DESCRIPCION UNIDAD VALOR

UNITARIO CANTIDAD VALOR TOTAL

1 CONSTRUCCION RESERVORRIO

1.1 Localización y Replanteo m2 $ 1,925 162 $ 311,850

1.2 Excavación a Maquina sin Clasificar de la Explanación y del Reservorio

m3 $ 10,075 62 $ 624,650

1.3 Excavación Manual perfilada de

Taludes y otros m3 $ 18,563 5 $ 92,815

1.4 Geomembrana HDEP de 30 mills m2 $ 13,207 160 $ 2,113,120

1.5 Pegado por termofusion ml $ 6,342 27 $ 171,234

1.6 Relleno con material del sitio con

compactación manual m3 $ 19,762 6.5 $ 128,453

SUBTOTAL ELEMENTOS DE LA EXCAVACION $ 3,442,122

2 ACCESORIOS

2.1 Registro de Bola en PVC de 2" Unidad $ 42,000 1 $ 42,000

2.2 Tubería de PVC de 2" RDE 26 mL $ 16,223 6 $ 97,338

2.3 Salida Tanque plástico 2" en PVC y

Caucho Unidad $ 28,450 1 $ 28,450

2.4 Codo de 45° en PVC de 2" Unidad $ 17,580 1 $ 17,580

SUBTOTAL ELEMENTOS ACCESORIOS $ 185,368

SUBTOTAL $ 3,627,490

TOTAL $ 3,627,490

Tabla 30.Presupuesto para aprovechamiento de aguas Lluvias para la finca el Trébol

74

DISEÑO DE LA RED DE DISTRIBUCION

Para el diseño de la red de distribución de las aguas lluvias almacenadas en el

reservorio diseñado anteriormente, se basó en los parámetros mencionados

anteriormente para este propósito.

Información General para Diseño del sistema de Distribución de Aguas lluvias

Parámetro Unidad Cantidad

Cultivo Mango Tommy - -

Separación entre radios húmedos (Sp) metros 4

Separación entre radios húmedos entre hileras (Sr) metros 4

Numero de Goteros por Planta (n) Unidades 4

Franja Humedecida por Gotero (Sw) metros 0,6

Evapotranspiración Promedio del mes Pico mm/día 6

Frecuencia de riego (Fi) día 1

Temperatura del agua °C 20

Relación de Transpiración (Tr) - 1,05

Uniformidad de Emisión (EU) % 95

Goteros Autocompensados de caudal lph 4

Goteros Autocompensado presión de operación mca 20

Caudal Disponible para riego diario lpd 5000

Área del lote rectangular con fuente de agua en un costado zona baja

Ha 1

Lateral tubería de 16 mm m 100

Pendiente: Se asume terreno plano m 20

Altura de succión m 1,5

Perdidas menores (hm) % de (hf) % 20

Perdidas filtros hidrociclon m 7

Perdidas filtros arena m 7

Perdidas filtros malla m 3,5

Área regada simultáneamente ha 1

Rugosidad para PVC mm 0,0021

Tabla 31. Información general para el diseño del sistema.

75

Con la información general se procede a realizar el diseño hidráulico del sistema.

Diseño Hidráulico del sistema

Nomenclatura Parámetro Unidad Cantidad

Sp Separación entre radios húmedos m 4

Sr Separación entre radios húmedos entre hileras m 4

n Numero de Goteros por planta Unidad 4

Sw Franja humedecida por gotero m 0,6

Se Separación entre goteros m 2

Tabla 32. Estimación del área aferente por árbol

Para laterales y goteros en línea:

Porcentaje de área Humedecida (Pw)

( )

( )

Lamina neta de riego (Ln)

Lamina Bruta de Riego (Lb)

( )

( ⁄ )

( )

( ⁄ )

Volumen Bruto de Agua por planta (Vb)

( ( ) )

( ( ) )

76

Volumen Bruto de Agua para la Ha con una densidad de siembra de 8m x 8m, con

esta densidad de siembra rectangular tendríamos una cantidad de 156 árboles por

hectárea.

Tiempo de Aplicación diario del riego (Ta)

( )

( )

DISEÑO DEL LATERAL

Numero de Goteros por lateral (Ng)

Caudal del Lateral (ql)

77

Numero de Reynolds (Re)

( ⁄ ) (

⁄ )

( ) y,

( )

( ⁄ )

( ⁄ ) ⁄

⁄

Factor de Fricción según Blassius

Pérdida Total de Energía en Función del Número de Emisores (hf_lat) (Perdidas de presión sin barbilla y sin orificio). Por seguridad como el número de salidas es 50 entonces F = 0.361 coeficiente de christianansren.

( ⁄ )

78

Cabeza Inicial en el Lateral (hi_lat)

Se asume terreno plano entonces

Presión final al extremo del lateral (hc)

DISEÑO DEL MULTIPLE EN NUESTRO CASO ES EL PRINCIPAL

Variación Permisible en cabeza de presión (hs)

( )

( )

Numero de Laterales por Múltiple # Lat

79

Caudal del Múltiple (Qm)

Diámetro del Múltiple (fm) Asumimos el diámetro inicial como f = 3" = 76.2 mm

( ⁄ ) (

⁄ )

( ) y,

( )

( )

( ⁄ )

( ⁄ ) ⁄

⁄ ( )

Como Re se encuentra entre 2000<11395.81<100000, hallamos f con la ecuación de

Blasius.

( ⁄ )

80

Se compara el hs con el hf_mul, hf_mul = 0.02 m < hs = 0.21 m, entonces sirve el

á p ú p 3”.

Presión inicial en el Múltiple (Hi_mul)

Se asume terreno plano entonces

Cabeza dinámica Total

Potencia de la Bomba (B_Hp)

( )

( )

( ⁄ )

( )

81

5.2. INSTRUMENTOS O HERRAMIENTAS UTILIZADAS Para el desarrollo del proyecto se utilizó:

GPS garmin oregon t27, su elección se basó en que su operación es de manera sencilla y agradable lo cual permite que no se generen dificultades para alguna persona que no esté familiarizada al manejo de GPS, además de que ya se contaba con uno para su uso. La principal función del GPS fue la de la toma de las coordenadas del perímetro de la finca el trébol, para poder luego delimitar y georeferenciarla.

Google Earth Pro, para la primera Georreferenciación de la finca sobre un mapa: a partir de las imágenes satelitales que maneja Google se establece la localización de la finca, su perímetro y la ubicación de las estructuras presentes, se utiliza este software al ser de uso libre.

QGIS Desktop 3.4.2, ya establecida la imagen satelital de Google, se procedió a subir las coordenadas de la finca para generar el shape de información con la cual se determinará las propiedades de área y perímetro, con los registros de las elevaciones de las coordenadas del perímetro se generan un shape de curvas de nivel con el fin de brindarnos una idea muy general de la topografía del terreno en la finca. Se utiliza este software al ser de uso libre.

Herramientas ofimáticas, en primera parte se utiliza Excel para la parte del diseño de las curvas IDF con sus respectiva base de información y procesos para su generación, gracias a su catálogo de funciones y facilidad de operación. Seguido de la generación de tablas con información para el dimensionamiento del reservorio. El uso de Word fue para la elaboración del documento para cada una de sus versiones. Se utiliza este software por se cuenta con su licencia para uso, además de la familiaridad de manejo del mismo.

AutoCAD 2018, su uso fue para el dibujo del dimensionamiento del reservorio obtenido en el proyecto y generar el plano entregable, se utilizó esta versión por contar con una licencia de estudiante. Información climatológica e hidrológica dela estación La Mesa, de la base de datos de la CAR.

82

Tabla 33. Datos de precipitación máxima en 24 horas.

Tabla 34. Valores totales mensuales de precipitación.

83

5.3. ALCANCES Y LIMITACIONES

El proyecto tiene como finalidad entregar un diseño que sea de fácil replicación en la zona, el cual consiste en el dimensionamiento del sistema de almacenamiento (Reservorio) en función de las condiciones hidrológicas que rigen la zona y las características del predio en estudio (Áreas de estructuras para captación y los tipos de cultivos) siendo semejantes a las que se pueden encontrar a lo largo de la región productora. Además se entrega un diseño tipo de un sistema de distribución, en este caso para una hectárea de mango Tommy usando goteros autocompensados, asumiendo un terreno casi plano para su planteamiento y diseño.

El tiempo es el mayor limitante para la puesta en marcha de un proyecto más robusto, el cual abarque y entregue más resultados en beneficio de la producción de los cultivos con el fin de una mayor eficiencia de uso de los recursos hídricos de la zona, por este motivo la idea principal se divide para que se realice en dos partes, siendo la primera la que se describe y realiza en este documento cuya finalidad es la del dimensionamiento del almacenamiento (Reservorio) y de una red de distribución por goteo, brindando las bases para la segunda etapa que incluiría la construcción y la respuesta de ambos diseños en un ciclo de producción, la cual deberá tener en cuenta una topografía a mejor detalle y un estudio de suelos, para generar una programación de riego acorde con las necesidades reales del cultivo, ayudando a la producción de cultivos predominantes en la región en las temporadas de sequía.

84

6. PRODUCTOS A ENTREGAR

1. Documento que incluye la metodología del diseño y dimensionamiento del sistema de almacenamiento (Reservorio) y de distribución de aguas lluvias para fines agrícolas.

Trabajo de Grado en formato ICONTEC norma 1484 Contiene: Introducción, Generalidades, Marcos de Referencia, Metodología, Resultados, Conclusiones, Bibliografía

2. Anexos de tablas y curvas IDF para soporte del documento principal. Tablas y Gráficas (Curvas IDF) para periodos de retorno de eventos

de 2, 5, 10, 25, 50, 75, 100, 500 años.

3. Plano del Sistema de almacenamiento (Reservorio). Plano del Sistema de Almacenamiento (Reservorio

Impermeabilizado) en formato PDF con la vista en planta y los cortes transversales y longitudinales, dimensionados)

4. Presupuesto del Sistema de almacenamiento (Reservorio) Presupuesto en formato PDF, donde se enlistan de elementos

básicos a tener en cuenta para la construcción del reservorio, con valores consultados en el primer trimestre del año 2020.

5. Artículo IEEE Artículo Científico descriptivo del Proyecto

Contiene: Título, Introducción, Descripción del Problema, Localización, Metodología y Cálculos, Resultados.

85

7. Entrega De Resultados E Impactos Con los resultados obtenidos en este trabajo se obtiene una solución, la cual es parte de un conjunto de acciones para generar un mayor impacto positivo y ayude a generar una medida de choque para las variaciones hidrológicas que se están presentando a causa del cambio climático y de esta manera brindarle a la comunidad productora una herramienta basada en un análisis que esté acorde a las condiciones propias de la zona.

Se espera que de base a la continuación de la idea integral de este proyecto, se logre una verificación del sistema de almacenamiento y de la red de distribución ajustada para el terreno y necesidades del cultivo, en un futuro cercano, ya sea como parte de un grupo académico o de uno laboral, viendo el potencial que tienen las veredas de la zona como productoras agrícolas.

86

8. CONCLUSIONES

El Diseño del sistema de almacenamiento y de distribución de aguas lluvias propuesto en este trabajo, brinda la posibilidad de aprovechar el recurso hídrico procedente de las lluvias, haciendo uso de las cubiertas existentes en el predio de la mano de la implementación del reservorio diseñado, además de un sistema tipo para una hectárea de riego localizado para mango, brindando la posibilidad de generar una medida de adaptación que ayude a mitigar el déficit hídrico en épocas secas para sus actividades agrícolas.

El agua lluvia que puede ser captada mediante el uso de las áreas de las cubiertas existentes son insuficientes para abastecer los requerimientos hídricos del cultivo de mango establecidos en la Finca el Trébol, ya que en las áreas de captación actuales se puede suplir en un 57,08% del requerimiento de una sola hectárea en un mes crítico de sequía, sin embargo se estima que es un buen comienzo para iniciar un plan de uso eficiente de aguas lluvias al ponerlo en práctica ya que no se ha desarrollado alguno en la zona.

Teniendo en cuenta la capacidad de captación y de almacenamiento para nuestro reservorio impermeabilizado el cual llega a un volumen de 53,43 m3 de aguas lluvia, y la implementación del sistema de distribución propuesto, puede brindar a un cultivo de una hectárea de mango lograr tener riego continuo durante casi 17 días durante un periodo de sequía, pero con la posibilidad de aumentar este periodo de riego con el uso de herramientas que optimicen el uso del recurso hídrico, tales como tensiómetros, hidroretenedores, entre otros.

El presente trabajo puede generar un gran impacto económico, ecológico y

social, ya que propone aumentar la disponibilidad de un recurso limitado el cual puede mejorar la productividad del renglón agrícola para los pequeños productores, a causa del almacenamiento de las aguas lluvias brindarían la disminución a la afectación que se vienen presentando en los afluentes de la zona.

El sistema de almacenamiento de aguas lluvias presentado en este trabajo brinda la posibilidad de ser calculado, diseñado y replicado en otros sistemas productivos de pequeños y medianos productores, se requiere la implementación de conocimientos específicos pero garantiza una cuantificación técnicamente adecuada de la disponibilidad del recurso hídrico, justificándose la inversión del presupuesto establecido para la construcción del reservorio impermeabilizado de 67 m3, ya que se reducen

87

las perdidas por infiltración y se logra tener disponibilidad de agua para labores agrícolas en lapsos de tiempos de muy poca precipitación.

El sistema de distribución presentado está diseñado para brindar una idea general de cómo sería el comportamiento de un riego localizado con ciertas características, las cuales se podrían modificar según los parámetros reales de la zona a utilizar.

La propuesta presentada se debe complementar para aumentar su eficiencia y de esta manera disminuir las perdidas por un mal uso del recurso hídrico en actividades agrícolas; ya que con un sistema de riego tecnificado, siendo el de goteo o uno de micro aspersión según las condiciones del predio y del cultivo, y de una elaboración del balance hídrico correspondiente con la integración de las diferentes variables o parámetros como la evapotranspiración de cultivo, tasa de infiltración, pendientes, áreas, densidades para cuantificar el gasto efectivo del agua y valorar las pérdidas; de esta manera se planificaría de manera correcta el uso del agua lluvia captada generando un plan de diseño agronómico que brinde las bases reales del cultivo y así de esta manera generar un diseño hidráulico ajustado..

Se concluye la necesidad por parte de los entes reguladora de los recursos hídricos, incentivar al productor para que enfoque su producción agrícola hacia un uso eficiente de los recursos disponibles, esto con el fin de que se pueda maximizar la oferta de agua para sus cultivos en época seca, mejorando las condiciones económicas y ambientales.

Se recomienda analizar una mayor cantidad de información hidroclimática de la región, aumentando el número de estaciones meteorológicas de la zona, ya que en este trabajo no se logró obtener información de todas las estaciones adyacentes, por ser de entidades privadas; todo esto con el fin de disminuir la incertidumbre de la calidad de los datos y mejorando la información generada en el cálculos para las respuestas a eventos hidrológicos.

88

9. ANEXOS

Regresión Periodo de retorno para T = 2 años

Nº x y ln x ln y ln x*ln y (lnx)^2

1 1440 3.22 7.27 1.17 8.51 52.89

2 1080 3.91 6.98 1.36 9.53 48.79

3 720 5.16 6.58 1.64 10.79 43.29

4 480 6.58 6.17 1.88 11.63 38.12

5 360 7.87 5.89 2.06 12.14 34.65

6 300 8.82 5.70 2.18 12.42 32.53

7 240 10.06 5.48 2.31 12.65 30.04

8 180 11.86 5.19 2.47 12.84 26.97

9 120 15.09 4.79 2.71 12.99 22.92

10 60 23.21 4.09 3.14 12.87 16.76

Total 10 4980 95.77 58.16 20.94 116.38 346.94

Ln (a) 5.678 a 292.48 b -0.616

89

Regresión Periodo de retorno para T = 5 años

Nº x y ln x ln y ln x*ln y (lnx)^2

1 1 1440 3.90 7.27 1.36 9.89

2 2 1080 4.73 6.98 1.55 10.85

3 3 720 6.23 6.58 1.83 12.04

4 4 480 7.95 6.17 2.07 12.80

5 5 360 9.51 5.89 2.25 13.26

6 6 300 10.66 5.70 2.37 13.50

7 7 240 12.16 5.48 2.50 13.69

8 8 180 14.34 5.19 2.66 13.83

9 9 120 18.23 4.79 2.90 13.90

10 10 60 28.05 4.09 3.33 13.65

Total 10 10 4980 115.75 58.16 22.83 127.40

Ln (a) 5.867 a 353.51 b -0.616

90

Regresión Periodo de retorno para T = 10 años

Nº x y ln x ln y ln x*ln y (lnx)^2

1 1 4.34 7.27 1.47 10.68 52.89

2 2 5.27 6.98 1.66 11.61 48.79

3 3 6.95 6.58 1.94 12.75 43.29

4 4 8.86 6.17 2.18 13.47 38.12

5 5 10.59 5.89 2.36 13.89 34.65

6 6 11.88 5.70 2.47 14.12 32.53

7 7 13.55 5.48 2.61 14.28 30.04

8 8 15.98 5.19 2.77 14.39 26.97

9 9 20.32 4.79 3.01 14.42 22.92

10 10 31.26 4.09 3.44 14.09 16.76

Total 10 4980 128.9 58.16 23.92 133.69 346.94

Ln (a) 5.97 a 393.92 b -0.616

91

Regresión Periodo de retorno para T = 25 años

Nº x y ln x ln y ln x*ln y (lnx)^2

1 1 4.90 7.27 1.59 11.56 52.89

2 2 5.95 6.98 1.78 12.46 48.79

3 3 7.85 6.58 2.06 13.55 43.29

4 4 10.00 6.17 2.30 14.22 38.12

5 5 11.97 5.89 2.48 14.61 34.65

6 6 13.42 5.70 2.60 14.81 32.53

7 7 15.30 5.48 2.73 14.95 30.04

8 8 18.05 5.19 2.89 15.02 26.97

9 9 22.95 4.79 3.13 15.00 22.92

10 10 35.31 4.09 3.56 14.59 16.76

Total 10 4980 145.7 58.16 25.13 140.78 346.94

Ln (a) 6.09 a 444.98 b -0.616

92

Regresión Periodo de retorno para T = 50 años

Nº x y ln x ln y ln x*ln y (lnx)^2

1 1440 5.32 7.27 1.67 12.16 52.89

2 1080 6.46 6.98 1.87 13.03 48.79

3 720 8.51 6.58 2.14 14.09 43.29

4 480 10.86 6.17 2.38 14.72 38.12

5 360 12.98 5.89 2.56 15.09 34.65

6 300 14.56 5.70 2.68 15.28 32.53

7 240 16.60 5.48 2.81 15.40 30.04

8 180 19.58 5.19 2.97 15.45 26.97

9 120 24.91 4.79 3.22 15.39 22.92

10 60 38.32 4.09 3.65 14.93 16.76

Total 10 4980 158.1 58.16 25.95 145.53 346.94

Ln (a) 6.179 a 482.85 b -0.616

93

Regresión Periodo de retorno para T = 75 años

Nº x y ln x ln y ln x*ln y (lnx)^2

1 1440 5.56 7.27 1.72 12.48 52.89

2 1080 6.75 6.98 1.91 13.34 48.79

3 720 8.90 6.58 2.19 14.38 43.29

4 480 11.35 6.17 2.43 15.00 38.12

5 360 13.58 5.89 2.61 15.35 34.65

6 300 15.22 5.70 2.72 15.53 32.53

7 240 17.36 5.48 2.85 15.64 30.04

8 180 20.48 5.19 3.02 15.68 26.97

9 120 26.04 4.79 3.26 15.61 22.92

10 60 40.06 4.09 3.69 15.11 16.76

Total 10 4980 165.3 58.16 26.40 148.13 346.94

Ln (a) 6.2243 a 504.87 b -0.616

94

Regresión Periodo de retorno para T = 100 años

Nº x y ln x ln y ln x*ln y (lnx)^2

1 1440 5.74 7.27 1.75 12.70 52.89

2 1080 6.96 6.98 1.94 13.55 48.79

3 720 9.18 6.58 2.22 14.58 43.29

4 480 11.70 6.17 2.46 15.19 38.12

5 360 14.00 5.89 2.64 15.53 34.65

6 300 15.69 5.70 2.75 15.70 32.53

7 240 17.90 5.48 2.88 15.81 30.04

8 180 21.11 5.19 3.05 15.84 26.97

9 120 26.84 4.79 3.29 15.75 22.92

10 60 41.30 4.09 3.72 15.23 16.76

Total 10 4980 170.4 58.16 26.70 149.89 346.94

Ln (a) 6.2547 a 520.45 b -0.616

95

Regresión Periodo de retorno para T = 100 años

Nº x y ln x ln y ln x*ln y (lnx)^2

1 1440 6.69 7.27 1.90 13.83 52.89

2 1080 8.12 6.98 2.09 14.63 48.79

3 720 10.71 6.58 2.37 15.60 43.29

4 480 13.65 6.17 2.61 16.14 38.12

5 360 16.33 5.89 2.79 16.44 34.65

6 300 18.31 5.70 2.91 16.58 32.53

7 240 20.88 5.48 3.04 16.66 30.04

8 180 24.63 5.19 3.20 16.64 26.97

9 120 31.33 4.79 3.44 16.49 22.92

10 60 48.19 4.09 3.88 15.87 16.76

Total 10 4980 198.8 58.16 28.24 158.87 346.94

Ln (a) 6.409 a 607.33 b -0.616

96

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