Libro de Irrigaciones 2012

IRRIGACIONES1

CONTENIDO MODULO I : PLANEAMIENTO Y DISEÑO DE OBRAS DE RIEGO UNIDAD I: PLANIFICACION Y FORMULACION DEL PROYECTO DE RIEGO 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 1.6

Generalidades Irrigación y sistemas de riego Generalidades del riego en el Perú y la región El Sistema Nacional de Inversión Pública El proyecto de riego Identificación Formulación Evaluación Conclusiones Consideraciones básicas de diseño

UNIDAD II: 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

La evapotranspiración Procedimientos de cálculo para determinar la ETP y ETR. Eficiencia de riego y cédula de cultivo. Precipitación equivalente y caudal de captación Programación de riego y calendario de cultivos. Calidad de agua de riego.

UNIDAD III: 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

DOTACION DE RIEGO Y CAUDAL DE CAPTACIÓN

PLANEAMIENTO Y DISEÑO DE OBRAS DE CAPTACIÓN

Generalidades Tipos de Obras de captación. Ubicación. Captación con presa de derivación. Captación tipo tirolesa. Partes de una captación para riego Diseño de la ventana de captación Diseño de presa o barraje Diseño de obras de limpia

UNIDAD IV: DISEÑO DE CANALES 4.1 4.2

Generalidades Flujos en canales abiertos

Edgar Vidal HURTADO CHAVEZ 2

4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

Clasificación de canales Elementos de la sección de un canal Ecuaciones básicas de diseño Diseño de canales abiertos Planeamiento hidráulico

UNIDAD V: 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

DISEÑO DE OBRAS COMPLEMENTARIAS

Generalidades Diseño de pozas de amortiguamiento Aliviadero lateral Aforadores Transiciones

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I UNIDAD: PLANIFICACION Y FORMULACION DEL PROYECTO DE RIEGO 1.1

GENERALIDADES La vida en la tierra depende del agua. Dos terceras partes de la Tierra están cubiertas de agua, que paradójicamente no puede utilizarse para el consumo humano por su alto contenido sódico, aún cuando conforman un amplio y complejo ecosistema que permite la vida de ingente cantidad de seres vivos –desde plancton casi microscópico hasta grandes cetáceos como la ballena, o aves como el martín pescador o el alcatraz, entre otros muchos-. En el tercio de la superficie terrestre, la vida depende del agua dulce, y por allí comienzan los problemas, que se generan en particular por el crecimiento desmedido de la población mundial, la contaminación bioquímica del agua, el uso indiscriminado de éste recurso sin eficiencia o eficacia, y el ya alarmante calentamiento global, que hace del agua uno de los recursos actualmente más preciados y que deben preservarse para las generaciones futuras. Dentro de los muchos usos que se le da al agua en beneficio del ser humano en particular, está el riego, específicamente, la producción de alimentos por medio de la agricultura, que hoy en día igualmente ha cobrado extrema importancia por su desagarradora escasez en zonas como África específicamente. América del Sur y más puntualmente nuestro país, no escapa de esa situación, por lo que en la actualidad se han continuado e iniciado diversas obras hidráulicas para afianzar grandes cuencas y lograr áreas de producción que garanticen en un futuro combatir la escasez de alimentos. El riego de tierras agrícolas supone la utilización del un 70% de los recursos hídricos en el mundo. En los países en vías de desarrollo –donde se encuentra el Perú-, muchas veces el agua utilizada para regadío representa el 95% del total de usos del agua, y juega un papel esencial en la producción y seguridad de los alimentos. No olvidemos que aún en nuestros países, se sigue cultivando en épocas de avenida, utilizando directamente el agua por precipitación y supeditados a la capacidad del suelo para retener la humedad, que en definitiva determinará cuales son los cultivos que van a producir con éxito y también, cuál será la época del año en que se les puede plantar. Los agricultores que tienen un sistema de irrigación pueden controlar la cantidad de humedad del suelo. También pueden plantar en cualquier época del año si los factores climáticos lo permiten. Es importante que el agricultor sepa los períodos cuando los cultivos necesitan más agua. A largo plazo, el


desarrollo y mejora de las estrategias agrícolas para nuestros países esta condicionado al mantenimiento, mejora y expansión de la agricultura de regadío. La necesidad de riego en el Perú tiene particular importancia, especialmente en la Sierra donde las inversiones ejecutadas en proyectos de aprovechamiento hidráulico se encuentran en una proporción de 5 a 95% con respecto a la Costa. Considerado Puno uno de los departamentos del Perú con mayor cantidad de habitantes, de los cuales la mayoría se encuentra en las zonas rurales ya sean altas o bajas los cuales carecen de medios de desarrollo social y económico en tal sentido los esfuerzos de los gobernantes como una Política de Desarrollo Sostenido, desarrollan proyectos los cuales están orientados a mejorar estas condiciones de vida realizando proyectos de Inversión Pública. 1.2 1.2.1

Irrigación y sistemas de riego Conceptos Un científico que dio un concepto de irrigación fue el Dr. Orson Wilson Israelsen1: “irrigación es la aplicación artificial del agua en el suelo con el propósito de suplir a éste de la humedad esencial para el crecimiento de las plantas”. Otro concepto define: “Irrigación es el aporte a los terrenos de cultivo de un volumen controlado y oportuno de agua, descontando de dicho volumen la masa aprovechable de las lluvias a fin de lograr el desarrollo de los cultivos hasta la maduración de sus frutos”. Por lo que considero que irrigación es: “un sistema artificial de riego para complementar la humedad necesaria en el suelo para el desarrollo de las plantas; usando para el efecto, técnicas de planificación, formulación, construcción, operación y seguimiento”.

1.2.2

Sistemas de riego Se entiende por SISTEMA “Al conjunto de elementos que se interrelacionan e interactúan entre sí con el propósito común de lograr un objetivo. A su vez, los elementos pueden ser igualmente subsistemas bajo el mismo concepto”. Bajo éste concepto, un sistema de riego estará compuesto por varios subsistemas que interrelacionados entre sí, interactúan para lograr la producción agrícola de un área de riego o parcela. Los subsistemas para Un riego superficial por gravedad son: Sistema de almacenamiento y regulación, sistema de captación, sistema de conducción, sistema de distribución y el sistema de drenaje.

1

Principios y Aplicaciones de Riego, Editorial REVERTE SA edición 1985, reimpresión marzo 2005.

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1.2.3

Métodos de riego Para definir que método de riego utilizar, deben considerarse diversos factores que permitirán decidir al respecto. Estos factores son:

       

La topografía del terreno y la forma de la parcela. Las características físicas del suelo, en particular la capacidad para almacenar el agua de riego. Tipo de cultivo, (conocer sus requerimientos de agua para maximizar su producción y su comportamiento cuando falte agua). La disponibilidad de agua y su precio. La calidad del agua de riego. La disponibilidad de la mano de obra. El costo de las instalaciones de cada sistema de riego (inversión inicial, ejecución del riego y mantenimiento del sistema). El efecto en el medio ambiente.

Existen tres métodos de riego: métodos superficiales (de gravedad y de gravedad tecnificados), métodos presurizados (aspersión, micro aspersión y goteo) y métodos sub superficiales. Un método experimental de buenos resultados es el riego por hidroponía. 1.2.3.1 Riego por superficie Son métodos, en los que el agua se aplica directamente sobre la superficie del suelo por gravedad o escurrimiento. Existen dos métodos: el riego por gravedad y el riego por gravedad tecnificado.  En el riego por gravedad: Se identifican dos métodos, el riego por gravedad propiamente dicho y el riego por anegamiento o inundación. El riego por gravedad se caracteriza por distribuir el agua sobre la superficie terrestre por medio de canales y conductos, donde el agua fluye por acción de la gravedad o por el desnivel o pendiente de los mismos. Es común cuando se tiene alta disponibilidad del recurso hídrico. La principal ventaja de éste método de riego es su bajo costo de aplicación. Las desventajas son varias, por ejemplo: El alto desperdicio de agua en el proceso de riego que obliga a construir obras de drenaje, las labores agrícolas de distribución del agua requiere de una capacitación a los regantes hasta su dominio del proceso, el exceso de agua de riego puede originar la salinización del suelo o el lavado de los nutrientes y abonos, la necesidad de pendiente en las áreas de riego, entre otras. Dependiendo de la forma de conducción del agua se pueden dividir en dos tipos: riego por surcos y riego por melgas. Según la topografía y el tipo de sistematización que se haya realizado en la parcela se pueden dividir en dos grupos principales: Con pendiente o Sin Pendiente. Cuando se riega sin pendiente, es decir, cuando la superficie a regar es “llana”, el método consiste en “cubrir” el surco o la melga con el volumen


deseado de agua y luego cerrar éste y pasar a regar otro surco o melga. El surco o la melga permanecen con agua hasta que el volumen se infiltra. Las pérdidas se producen por percolación excesiva en cabecera. Cuando se riega con pendiente, el riego consiste en hacer escurrir el agua durante un tiempo suficientemente para que se infiltre el volumen que se desea aplicar. Las pérdidas además de producirse por infiltración diferencial en cada punto se producen por escurrimiento al pie de la parcela. El riego por anegamiento o inundación consiste en inundar completamente la superficie de la parcela. El agua tiene un movimiento descendente homogéneo y total. Es aconsejable solo para cultivos específicos como el arroz.  El riego por gravedad tecnificado: Es un método que busca evitar pérdidas que se producen en el método por gravedad tradicional, con el objeto de mejorar el control y la homogeneidad en que el agua es aplicada. En éste método destacan: o

Conducción por tuberías: Reducen las pérdidas por conducción fuera de los límites de los cuadros de cultivo.

o

Dosificadores a los surcos: Son métodos que logran que el caudal que recibe cada surco sea el mismo, esto se logra mediante el uso de “sifones” para tomar agua de canales o de orificios uniformes y regulables.

o

Riego discontinuo o con dos caudales: Especialmente diseñado para riego con pendiente. Buscan mejorar la uniformidad de infiltración a lo largo de los surcos y reducir a un mínimo las pérdidas por escurrimiento al pie, mediante la interrupción del caudal o el uso de caudales variables (con caudales grandes se logra un mojado más rápido del surco, aportando luego un caudal mínimo que se infiltra casi en su totalidad).

1.2.3.2 Riego presurizado Este tipo de métodos, requieren de una terminada presión de agua para operar y se diferencian por las características de emisores que se utilicen. La presión se obtiene por una diferencia de cota entre la fuente de agua y el sector a regar, o mediante un equipo de bombeo. El agua se conduce al suelo mediante tuberías. Las ventajas que presenta el método son varias, por ejemplo: Se adaptan mejor a las aplicaciones frecuentes de escaso volumen a las que las plantas reaccionan mejor. Son más eficientes en el uso del agua. Manejo mas económico al no requerir mucha mano de obra y al no humedecer todo el suelo. No precisan sistematización del terreno. El principal inconveniente radica en la mayor inversión que requiere, tanto en lo que a equipos de riego se refiere como a la infraestructura de riego.

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Por éste método se tienen tres tipos: el riego por aspersión, el riego por micro aspersión y riego por goteo.  Riego por aspersión: Este método simula el aporte de agua por lluvia, mediante el uso de aspersores conectados a un sistema de tuberías que distribuyen el agua en la parcela o área de riego. Se busca aplicar una lámina que sea capaz de infiltrarse en el suelo sin producir escorrentía. Los diversos sistemas existentes van desde los equipos autopropulsados como los cañones regadores o los equipos de avance frontal, hasta equipos de diferentes dimensiones de alas móviles. Sus ventajas son: La conducción hasta el cultivo se hace por tuberías sin pérdidas, la aplicación (si el sistema está bien diseñado) es uniforme, los equipos móviles se prestan para la aplicación de riegos complementarios debido a que pueden desplazarse y no precisan sistematización de los terrenos.  Riego por micro aspersión: Similar al anterior pero a escala muy reducida. Se disponen de una gran cantidad de mangueras de riego que recorren las líneas del cultivo con emisores individuales o para un grupo de plantas. Moja una superficie relativamente pequeña. Las ventajas son: No moja la totalidad del suelo, permite el riego por debajo de las copas de las plantas sin mojarlas. Se utiliza para regar arbustos o árboles bajos (por ejemplo la vid, frutales, etc.)  Riego por goteo (o localizado): El agua se conduce a presión por tuberías y luego por mangueras de riego que recorren las hileras del cultivo. El emisor, externo o incorporado a la manguera de riego, es un “gotero” de caudal y separación variable según el suelo y los cultivos. Aplica el agua en forma de gotas que se van infiltrando a medida que caen. Las ventajas son: No moja la totalidad del terreno, no moja las hojas por lo que no es tan exigente en calidad de agua, no tiene piezas móviles y es de fácil mantenimiento, es de gran uniformidad. Su uso es en general para frutales y arbustos y para cultivos en general. 1.2.3.3

Riego sub superficial En éste método se aplica el agua de riego bajo la superficie del suelo de manera que en un área insaturada se produce el humedecimiento del perfil del suelo por desplazamiento de un frente húmedo por capilaridad desde el emisor a su alrededor hasta mojar la zona radicular. El riego sub superficial tiene el mismo diseño que el de goteo la única diferencia entre ellos, estriba que el goteo coloca el agua gota a gota en la superficie, mientras que el otro la deja escurrir poco a poco a través de la pared de un tubo semipermeable o también a través de pequeños agujeros o emisores construidos a lo largo del lateral, enterrados en el suelo a una profundidad no mayor a los 0.60 m.


Sus ventajas son: Trabaja a baja presión (lo que determina la posibilidad de conectarlo directamente con una cañería de conducción o con un pequeño equipo de bombeo). Ahorro sensible del agua (sólo se consume agua para la evapotranspiración, no hay gastos de evaporación debido a que el suelo no se humedece superficialmente). Ahorro de tareas culturales (como no hay un humedecimiento superficial las malezas no crecen). La percolación del suelo se reduce (la aplicación no es superficial). Las labores culturales se pueden realizar durante el riego (no entorpece para nada el pasaje y el movimiento de la maquinaria por estar los tubos enterrados). Puede ser totalmente automatizado. Las desventajas son el elevado costo de instalación (a pesar de no tener goteros, las alas laterales tienen una construcción especial que eleva su costo). Se necesita agua absolutamente limpia (desprovista de elementos tales como el hierro y el calcio que puedan taponar los emisores). 1.3

EL RIEGO EN EL PERU, POLITICAS Y REALIDADES

1.3.1 Política y estrategia nacional de riego en el Perú El 10 de junio de 2003, por Resolución Ministerial Nº 0498-2003-AG se aprueba la POLITICA Y ESTRATEGIA NACIONAL DE RIEGO, tienen el propósito de precisar el conjunto de acciones respecto a las cuales el Estado prioriza su participación, así como la modalidad de su intervención en el riego, en base a los Lineamientos de Política Agraria, los acuerdos internacionales y la legislación peruana sobre la materia y la legislación sobre Regionalización y Gobiernos Regionales. Como Objetivo General se plantea: “contribuir a mejorar la rentabilidad y competitividad de la agricultura de riego, mediante el aprovechamiento intensivo y sostenible de las tierras y el incremento de la eficiencia en el uso del agua”. Las políticas nacionales de riego se establecen en ocho temas básicos: I. Institucionalidad del riego: Políticas 1. Ordenar la institucionalidad del sector público relacionada con la gestión del agua de riego y delimitar claramente ámbitos de competencia, funciones y responsabilidades, reconociéndose: a. Un Organismo Nacional de los Recursos Hídricos, responsable de normar y controlar el aprovechamiento multisectorial sostenible del agua. b. Una Autoridad Nacional del Subsector Riego, responsable de promover supervisar y monitorear el aprovechamiento eficiente del agua de riego, la operación y mantenimiento adecuado de la infraestructura de riego y drenaje, y la protección de recursos aguasuelo.

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c. Organismos de cuencas responsables de elaborar planes maestros de gestión del agua y de supervisar y controlar el aprovechamiento del recurso hídrico y su preservación; con la participación de los Gobiernos Regionales y Locales como promotores del manejo sostenible del agua de riego 2. Fortalecer la participación del sector privado: a. Reconociendo a las organizaciones de usuarios de agua de riego como responsables en su ámbito de la administración y operación y mantenimiento de la infraestructura de riego y drenaje. b.

Promoviendo la reestructuración y modernización de las organizaciones de usuarios para alcanzar el auto sostenimiento para aprovechar eficientemente del recurso hídrico y la operación y mantenimiento de la infraestructura de riego a su cargo.

II. Consolidación de la infraestructura hidráulica mayor: Políticas 1. Subsidiar, en los casos necesarios, las inversiones en proyectos de rehabilitación, reconstrucción y protección de la infraestructura mayor, con el propósito de asegurar la actual oferta de agua, en tanto tengan características de bien público. 2. Garantizar la adecuada administración, operación y mantenimiento de la infraestructura hidráulica mayor de uso multisectorial a cargo del Estado mediante subsidios temporales decrecientes y con plazo determinado. 3. Promover la inversión privada para la conclusión de obras hidráulicas mayores rentables a fin de aprovechar la oferta de agua. III. Tecnificación del riego y drenaje: Políticas 1. Promover y subsidiar parcialmente, según características de bien público, inversiones privadas de acuerdo con el orden de prioridad: a. Proyectos para mejorar las características técnicas de la infraestructura menor de distribución, medición y control y la eficiencia de aplicación del agua de riego; b. Proyectos para consolidar (rehabilitar, mejorar y proteger) la infraestructura de captación, conducción y obras complementarias de riego; c. Proyectos para mejorar o incrementar el aprovechamiento conjuntocolectivo de aguas subterráneas para fines agrícolas; y d. Proyectos para recuperar suelos afectados con problemas de drenaje y salinidad.


2. Promover la inversión privada en proyectos para mejorar el riego e incorporar tierras a la agricultura, reasignando los recursos hídricos ahorrados por mejoramiento de la eficiencia de riego. 3. Promover la inversión privada en proyectos para tratamiento de aguas residuales y utilizarlas en fines agroforestales y cultivos de tallo largo. IV. Investigación y capacitación en riego: Políticas 1. Generar y adaptar tecnologías de riego mejorado en función a las actividades productivas de cada valle y a los requerimientos de las organizaciones de usuarios, aprovechando la capacidad instalada en las universidades y de las instituciones públicas y privadas. 2. Capacitar y difundir paquetes tecnológicos integrados de riego, promoviendo la participación de las universidades e instituciones publicas y privadas que trabajan brindando asistencia técnica a agricultores organizados. 3. Capacitar a las organizaciones de usuarios en la administración y aprovechamiento eficiente y eficaz del agua de riego, así como la adecuada operación y mantenimiento de la infraestructura de riego y drenaje bajo su responsabilidad. V. Derechos de agua en bloque (colectivo) para riego: Políticas 1. Propiciar el otorgamiento de derechos registrables de agua por bloques (corporativo) de riego, sobre la base de una dotación básica de hasta 10000 m3 por hectárea-año. 2. Regular el otorgamiento de dotaciones de agua adicionales al básico, de acuerdo a la disponibilidad de agua y la demanda de los usuarios, hasta un límite máximo que cautele el uso eficiente del agua y la protección del agua y del suelo. VI.

El riego en la gestión integrada de recursos hídricos: Política

1. Gestionar la oferta y demanda de agua de riego en el marco del manejo integrado de los recursos hídricos de las cuencas hidrográficas, considerando su uso multisectorial, la protección de la cuenca, y la prevención de emergencias. VII.

Medidas ambientales relacionadas con el riego: Políticas

1. Integrar el control de la calidad del agua de riego con el volumen de agua dentro de un sistema de gestión integrado de la cuenca hidrográfica, descentralizado y participativo, que integre el desarrollo regional con la protección del medio ambiente, tanto de los organismos no destinatarios como beneficiarios que se encuentran en la flora y fauna de la tierra cultivada y los medios acuáticos.

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2. Priorizar en forma concertada con otros sectores la conservación de suelos en las zonas productoras de sedimentos perjudiciales a los reservorios y a la infraestructura de riego. 3. Concertar con otros sectores, la implementación de acciones para proteger a la agricultura de los daños ocasionados por la contaminación del agua, entre otras por las provocada por los pasivos ambientales de otros sectores. 4. Desincentivar los cultivos de alto consumo de agua en áreas con problemas de degradación de suelos, de riesgo para la salud, y problemas ambientales en general. 5. Reducir la contaminación de las aguas de riego residuales y evitar que sus descargas contaminen fuentes de agua superficial y subterránea. VIII. Financiamiento de la gestión del agua de riego: Políticas 1. El financiamiento de los costos de administración operación y mantenimiento de la infraestructura de riego y drenaje, dentro de los bloques, será exclusiva competencia de los usuarios. 2. El financiamiento de los costos de suministro (administración, operación y mantenimiento de la infraestructura de riego y drenaje) a cargo del Estado, será de exclusiva competencia de los usuarios a través de tarifas de agua de riego establecidas sobre la base de las dotaciones básicas de riego. 3. Promover el uso técnico y eficiente del agua mediante cargas adicionales a la tarifa para las dotaciones de agua complementarias a las dotaciones básicas. 4. Regular la tarifa y sus cargas adicionales a través de la Autoridad Nacional de Recursos Hídricos, estableciendo plazos para su gradual implementación. 1.3.2 Breve historia del riego en el Perú La agricultura en el Perú se remonta más de 5.000 años, cuando la cultura Chavín construía sistemas de riego simples y redes de canales al norte de Lima. La cultura Nazca desarrolló un sistema de riego con canales cubiertos para reducir el efecto de evaporación y pérdida consecuente del agua. Más al sur, la cultura Tiahuanaco desarrolló sistemas de riego y cultivos basados en los waru waru. El imperio Inca (siglo XI al XVI), desarrolló un sistema avanzado de riego, que suministraba agua a 700.000 hectáreas de diversos cultivos en la fértil zona costera y en la sierra. Un claro ejemplo de su alta tecnología se aprecia en Tipón, Pisac, Ollantaytambo, Tambomachay y otros valles interandinos. Con la colonización española, éstos adelantos en riego quedaron postergados por más de 300 años (la minería se convirtió en la actividad


económica principal), lo que provocó una reducción de la producción agrícola y el estancamiento del desarrollo de la infraestructura del riego. El siglo XX inició con la creación del Cuerpo de Ingenieros de Minas y Aguas (1904) y el Servicio Hidrológico (1911). En 1914, el gobierno peruano contrató al ingeniero estadounidense Charles Shutton para asesorar en obras públicas para el desarrollo del riego. En la década de los años 20 se lanzaron los primeros proyectos de riego estatales a gran escala. La inversión pública en riego creció de 8,7% en 1905 hasta el 18,62% en 1912, tendencia que continuó hacia 1930. Desde 1945 hasta 1948, el Gobierno aprobó el Plan Nacional de Riego y Mejoramiento del Riego. Hacia 1956, la inversión pública alcanzó niveles sin precedentes con hasta el 50% de inversión total. Se tienen por ejemplo las transferencias de agua del río Quinoz al río Piura (Región Piura) y del río Chotano al río Chancay-Lambayeque (Región Lambayeque), proyectos implementados en ese momento y durante la década del 60. Entre 1950 y 1980, el 90% de la inversión en riego se dirigió a la región costera y solo el 10% a la sierra del Perú incluyendo el Altiplano. La reforma agraria de 1969 y la inestabilidad política contribuyeron a un escaso rendimiento de la agricultura, ya que cambiaron profundamente las relaciones de producción en el campo, interrumpieron la organización de sistemas productivos en las mejores tierras agrícolas y forzaron parte de la capacidad empresarial. En 1989, el Gobierno por el Decreto Supremo 037-89-AG transfirió las responsabilidades de operación y mantenimiento de los sistemas de riego a las juntas de usuarios, con el objetivo de desvincular al estado, fomentar la inversión privada y estimular la independencia y la sostenibilidad financiera de las juntas mediante el establecimiento de tarifas de agua. El fracaso de las juntas de usuarios, obligó al gobierno peruano a seguir siendo el mayor actor en el desarrollo del riego, que estaba concentrada en la región costera. El 76% de la inversión en la región costera entre 1978 y 1982 se concentró en los tres proyectos más importantes de riego en Majes (Región Arequipa), Chira-Piura (Región Piura) y Tinajones (Región Lambayeque). Esta tendencia se mantuvo durante los años 90. En 1996, el Gobierno, con el apoyo del Banco Mundial, creó el Programa Sub sectorial de Irrigaciones (PSI), que, con éxito desarrolló las capacidades de las juntas de usuarios en la costa, redujo la importancia de la inversión pública en el sector, mejoro la sostenibilidad financiara de las juntas y aumento la inversión privada en la mejora técnica de los sistemas de riego. En la actualidad, aproximadamente 1,7 millones Ha de los 2,6 millones totales cultivados de Perú tienen disponible algo de infraestructura de riego. Sin embargo, solo 1,2 millones Has. se irrigan realmente cada año debido al pobre rendimiento de los sistemas de riego.

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1.3.3

Realidad del riego para el desarrollo agrícola y rural La agricultura de riego es cada vez más importante en el desarrollo y crecimiento de Perú. La agricultura emplea al 30% de la población de Perú, representa más del 13% del PIB y más del 10% de las exportaciones totales (US$ 1.600 millones en 2005). Dos tercios del PIB agrícola se producen en la costa del Pacífico, debido a que los cultivos de alto valor y la tecnología de riego han tenido un gran impacto en el desarrollo rural de la costa. Perú tiene aproximadamente 107 cuencas fluviales y una disponibilidad per cápita de 77.600 m3, la más alta de América Latina. Los Andes dividen al Perú en tres cuencas naturales de drenaje: la cuenca del Pacífico (53 ríos), la cuenca del Atlántico (32 ríos) y la cuenca del Titicaca (13 ríos). Sin embargo, solo un 4.3% del territorio peruano, es decir 5.5 millones de hectáreas se dedica a la agricultura, de los que 3.75% son de secano y 1.75% están dotados de infraestructura para riego (ver tabla 01). TABLA 01: Área con infraestructura de riego y áreas de regadío (en miles de hectáreas) Región

Infraestructura (a)

%

De regadío (b)

%

(b/ a)

Costa

1.190

6 8

736

6 6

61

Sierra

453

2 6

289

2 6

63

Selva

109

6

84

8

77

Total

1.752

1 0 0

1.109

1 0 0

“Fuente”: Portal Agrario (1994) El Perú tiene una extensión territorial de 1'285,215 Km 2 y comprende tres grandes regiones naturales con características muy diferentes en topografía y clima: costa, sierra y selva. a) Costa: Esta región se caracteriza por su topografía plana y normalmente exenta de lluvias, dispone de 13 millones de hectáreas. Las áreas bajo riego tienen una extensión aproximada de 760,000 Ha, es decir, 5.6% de su superficie, distribuida en 52 valles que cruzan el desierto costero desde las estribaciones de la cordillera de los Andes en su flanco occidental hasta su desembocadura en el Océano Pacifico. En la costa existen 1'637,000 Ha con aptitud agrícola (para cultivos en limpio y permanentes). b) Sierra: Esta región posee una superficie total de 39 millones de hectáreas, de las cuales 1'361,000 Ha son tierras aptas para cultivos, es decir, 3.5% de su superficie total. Sin embargo, se explotan 1'517,000 has debido a la presión demográfica, cultivándose las tierras en laderas aptas para otros usos como cultivos permanentes y pastos naturales. c) Selva: Esta región es la más extensa del país. Con una superficie aproximada de 75 millones de hectáreas. En la actualidad se dedican 440,000 Ha para cultivos en limpio, es decir 0.6% de su extensión, pese a que esta región tiene una capacidad de uso mayor de sus tierras en agricultura de 4'600,000 Ha (6.1 %). ONERN, 1985


. La árida cuenca del Pacífico, con 37 millones de metros cúbicos (m3) disponibles por año, contiene solo el 1,8% de los recursos hídricos de Perú. Unos 53 ríos que fluyen hacia el oeste desde los Andes hasta la costa, suministran la mayor parte del agua usada para el riego. Solo cerca del 30% de estos ríos son perennes. El abastecimiento de agua irrigada durante todo el año para aproximadamente el 40% del área de regadío es poco confiable, sin ningún tipo de almacenamiento regulador. La cuenca del Atlántico contiene el 97% de toda el agua disponible y recibe casi 2 mil millones m3 anuales. El área del lago Titicaca recibe 10 millones m3 anualmente. La mayoría de las precipitaciones ocurren entre noviembre y mayo, el resto del año, el riego depende de sistemas de baja tecnología.

Cuenca fluvial

Área de superficie (1.000 km2)

Disponibilidad de agua (miles de m3 anuales)

Disponibilidad de agua (m3 per cápita/año)

Cantidad de ríos

Pacífico

279,7

37.363,0

2.027,0

53,0

Atlántico

958,5

1.998.405,0

291.703,0

32,0

Titicaca

47,0

10.172,0

9.715,0

13,0

Total

1.285,2

245.940,0

77.534,0

98,0

“

FFuente: INEI 2007

Aproximadamente el 80% de la extracción de agua en el Perú se utiliza para el riego; sin embargo, la mayor parte del agua (65%) se pierde debido a sistemas de riego ineficientes. Se estima que la eficiencia total del uso del agua en riego es aproximadamente del 35%, debido a sistemas de distribución con fugas, uso extensivo de métodos de riego por gravedad o inundación, con una eficiencia total estimada de 50%. Muy pocas veces se mide el agua y las tarifas se calculan, en su mayoría, en función de las hectáreas más que del volumen de agua utilizado. El manejo inadecuado del riego unido a sistemas ineficientes de riego, conducen

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a las prácticas generalizadas de riego, con agricultores que utilizan agua por encima de las necesidades de los cultivos y de la disponibilidad de agua.

1.3.4

Marco legal e institucional El marco constitucional de Perú establece que los recursos hídricos son propiedad exclusiva y responsabilidad administrativa del gobierno nacional. El gobierno permite el uso del agua en condiciones especiales y tras el pago correspondiente de una tarifa, aunque mantiene la propiedad y el control total. La Ley General de Aguas 17752 de 1969 considera el agua como un producto básico agrícola y, por tanto, no reconoce otros usos del agua. En 2003, el Gobierno aprobó la Estrategia Nacional de Riego, Resolución Ministerial Nº 0498-2003-AG, que tiene como objetivo mejorar la rentabilidad y la competitividad de la agricultura de regadío. Igualmente, el Programa de Riego Tecnificado (PRT, Ley Nº 28585 y su Reglamento DS 004-2006-AG), aprobado en 2006, tiene como objetivo reparar, desarrollar y mejorar los sistemas de riego en todo Perú. Un proyecto de ley de Estrategia Nacional para la Gestión de los Recursos Hídricos, actualmente en fase de revisión de la Comisión Agraria, reconocerá la naturaleza multisectorial del agua y modificará el marco institucional y legal anterior, incluido el riego, para llevar a cabo una gestión integrada de los recursos hídricos. En el marco institucional, las reformas de la última década redujeron las tareas técnicas que eran responsabilidad del Ministerio de Agricultura y crearon numerosas unidades ejecutivas semiautónomas y programas especiales en los ámbitos nacional, regional y local. En 2008, el gobierno peruano creó la Autoridad Nacional del Agua, organismo adscrito al MINAG. La Autoridad Nacional del Agua (ANA) es responsable del diseño y puesta en marcha a escala nacional de las políticas sobre recursos hídricos sostenibles y riego. El Instituto Nacional de Investigación Agraria estudia tecnologías innovadoras y de bajo costo para mejorar la gestión de los recursos hídricos y riego. El Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI) estudia y divulga información acerca de los eventos climáticos y su impacto en los recursos hídricos. El gobierno nacional está transfiriendo funciones a los gobiernos regionales y locales. Finalmente, cuatro agencias de cuencas fluviales (Jequetepeque, Chira-Piura-Chancay-Lambayeque, Chillón-Rímac-Lurín y Santa) completan los organismos involucrados en la gestión de los recursos hídricos.

1.4

El Sistema Nacional de Inversión Pública El Sistema Nacional de Inversión Pública –SNIP- es un sistema administrativo del Estado que a través de un conjunto de principios, métodos,


procedimientos y normas técnicas certifica la calidad de los Proyectos de Inversión Pública (PIP). Con ello se busca: 

Eficiencia en la utilización de recursos de inversión



Sostenibilidad en la mejora de la calidad o ampliación de la provisión de los servicios públicos intervenidos por los proyectos.



Mayor impacto socio-económico, es decir, un mayor bienestar para la población.

La inversión pública debe estar orientada a mejorar la capacidad prestadora de servicios públicos del Estado de forma que éstos se brinden a los ciudadanos de manera oportuna y eficaz. Esto se consigue con proyectos sostenibles que operen y brinden servicios a la comunidad permanentemente. Hay diferentes actores en el SNIP y cada uno de ellos es responsable de cumplir determinadas funciones a lo largo de la preparación, evaluación ex ante, priorización, ejecución y evaluación ex post de un proyecto. Conforman el SNIP: 

El Órgano Resolutivo o más alta autoridad ejecutiva de la entidad, (Alcaldes, Presidentes de Gobiernos Regionales, Ministros, etc.)



Las Unidades Formuladoras (UF) u órganos responsables de la formulación de los estudios de preinversión.



Las Oficinas de Programación e Inversiones (OPI) encargadas de la evaluación y declaración de viabilidad de los PIP y



Las Unidades Ejecutoras (UE) responsables de la ejecución, operación y mantenimiento y evaluación ex post de los PIP en las diferentes entidades públicas de todos los niveles de Gobierno.

Las disposiciones del SNIP se aplican a más de 1980 Unidades Formuladoras (UF) y más de 920 Oficinas de Programación e Inversiones (OPI) de alrededor de 850 entidades sujetas al sistema entre Ministerios, Institutos, Escuelas Nacionales, Universidades Nacionales, Empresas de FONAFE, Gobiernos Regionales, Gobiernos Locales, Empresas de Tratamiento Empresarial, etc. 1.4.1

El ciclo del proyecto El Ciclo de Proyecto contempla las Fases de Preinversión, Inversión y Post inversión. Durante la Fase de Preinversión de un proyecto se identifica un problema determinado y luego se analizan y evalúan -en forma iterativaalternativas de solución que permitan para encontrar la de mayor rentabilidad social. En la Fase de Inversión se pone en marcha la ejecución proyecto conforme a los parámetros aprobados en la declaratoria de viabilidad para la alternativa seleccionada de mientras que, en la Fase de Post Inversión, el

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proyecto entra a operación y mantenimiento y se efectúa la evaluación ex post.

(*) La declaración de viabilidad es un requisito para pasar de la fase de preinversión a la fase de inversión.

1.4.2

El proyecto de riego: Guía metodológica para un proyecto de riego menor Con la creación del Sistema Nacional de Inversión Pública, se ha reordenado la inversión pública de los diferentes sectores estatales. Para ello, el Ministerio de Economía y Finanzas por intermedio de la Dirección General de Política de Inversiones (que controla el SNIP), ha publicado una serie de guías, pautas y procedimientos para facilitar la identificación, formulación y evaluación social de proyectos de inversión, como es el caso del sector agricultura y particularmente, para la elaboración de proyectos de riego menor a nivel de perfil, cuyo contenido se detalla a continuación:  MÓDULO I: ASPECTOS GENERALES 1.1 Nombre del proyecto 1.2. Unidad formuladora y unidad ejecutora del proyecto 1.3. Matriz de involucrados 1.4. Marco de referencia  MÓDULO II: IDENTIFICACIÓN 2.1. Diagnostico de la situación actual 2.2. Definición del problema, sus causas y efectos 2.3. Objetivo del proyecto 2.4. Alternativas de solución  MÓDULO III: FORMULACIÓN 3.1. Análisis de la demanda 3.2. Análisis de la oferta 3.3. Balance oferta demanda. Balance hídrico 3.4. Planteamiento técnico de las alternativas de solución


3.5. Costos a precios de mercado  MÓDULO IV: EVALUACIÓN 4.1. Evaluación social 4.2. Análisis de sensibilidad 4.3. Sostenibilidad 4.4. Impacto ambiental 4.5. Selección de alternativas 4.6. Organización y gestión 4.7. Cronograma de ejecución del proyecto 4.8. Matriz del marco lógico (MML)  MÓDULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES  MÓDULO VI: ANEXOS 1.4.2.1 Aspectos generales Describe brevemente el proyecto incluyendo una adecuada definición del nombre del proyecto, la identificación de la Unidad Formuladora y la Unidad Ejecutora, la matriz de involucrados y el marco de referencia del proyecto. El nombre del proyecto Debe tener tres características fundamentales: Naturaleza de la intervención (instalación, mejoramiento o ampliación del sistema de riego) para solucionar el problema identificado. Objeto de la intervención (Servicio de agua para riego). Localización geográfica (ubicación de los beneficiarios dentro del área de influencia del proyecto). Se señala el nombre de la Unidad Formuladora (del responsable del perfil, dirección, teléfono y fax). Se detalla la Unidad Ejecutora (UE), (nombre de la unidad propuesta para la ejecución del proyecto, competencias y funciones de la UE, su capacidad técnica y operativa para ejecutar el proyecto). La Matriz de involucrados Incluye información sobre los grupos sociales y entidades, públicas o privadas, que se relacionarán con las inversiones, la operación y el mantenimiento del proyecto (gobierno nacional, gobiernos regionales y locales, junta de regantes, organizaciones de productores, comunidades campesinas y potenciales beneficiarios, ONGs nacional e internacional). El marco de referencia indaga sobre los antecedentes del proyecto, realiza una breve descripción del proyecto y de la manera cómo éste se enmarca en los Lineamientos de Política Sectorial-funcional, los Planes de Desarrollo Concertados y el Programa Multianual de Inversión Pública, en el contexto nacional, regional y local. Es fundamental que tome en consideración la Política y la Estrategia Nacional de Riego del Perú, aprobadas con la RM 0498-2003-AG en junio de 2003. 1.4.2.2 Identificación del proyecto

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Este punto tiene como finalidad definir el problema a solucionar y las alternativas de solución.  Diagnóstico de la situación actual  Definición del problema: Se debe consignar claramente cuál es el problema que se va a resolver, para lo cual es muy importante que se haga un diagnóstico que incluya los siguientes puntos como mínimo: a. b. c. d. e.

Características del problema Población y zona afectada Características socioeconómicas y culturales de la población afectada Intento de soluciones anteriores Posibilidades y limitaciones para implementar la solución al problema

 Análisis de objetivos: La definición y análisis de los objetivos se realizará a partir de la definición del árbol de medios y fines. La solución del problema central constituye el objetivo central o propósito del proyecto.  Planteamiento de Alternativas: A partir del análisis realizado en el punto 2.2. se definirán las alternativas posibles que serán evaluadas. 1.4.2.3 Formulación Se establecerá la demanda que atenderá el proyecto; sobre la base de ésta se definirán los recursos necesarios para la inversión y operación, así como los respectivos presupuestos, para cada una de las alternativas a analizarse.

 Horizonte

del proyecto: En función de la naturaleza del proyecto, aplicando criterios establecidos en el sector o para proyectos similares se determinará el horizonte temporal de evaluación del proyecto. Uno de los criterios podrá ser la vida económica del PIP (período de maduración) o del activo principal.

 Análisis de demanda: Se deberá describir las características generales de la demanda, así como la identificar las principales variables que inciden en ella. Hecho esto podrá realizarse una proyección de la misma, sobre la base de supuestos que deberán describirse.

 Análisis

de oferta: Se analizará cuáles son las formas de provisión del bien o servicio que existen y si son suficientes para cubrir la demanda o se requiere incrementarlas.

 Costos en la situación “sin proyecto”: Se consignarán todos los costos del proceso de producción o dotación del bien o servicio y su proyección en el mismo horizonte determinado en el punto 3.1.

 Costos

en la situación “con proyecto”: Se deberá presentar una proyección de los costos para las diferentes alternativas del proyecto, tanto


los costos de inversión como los de operación y mantenimiento, para el horizonte determinado en el punto 3.1.

 Costos incrementales: Se calculan como la diferencia entre la situación “con proyecto” menos la situación “sin proyecto”. 1.4.2.4 Evaluación del Proyecto Es muy importante identificar adecuadamente cuáles son los beneficios directos atribuibles al proyecto, para tratar, de ser posible, de valorarlos en la misma moneda en que se valoraron los costos. De no ser posible la valoración de los beneficios, se deberán determinar indicadores que estén relacionados con el logro de metas de provisión del bien o servicio analizado, que permitan luego una comparación de las alternativas.  Beneficios en la situación “sin proyecto”: Se deberán estimar los beneficios derivados de la satisfacción de la demanda actual por el bien o servicio que se provee y su proyección en el mismo horizonte determinado en el punto 3.1.  Beneficios en la situación “con proyecto”: Se deberá presentar una proyección de los beneficios para las diferentes alternativas del proyecto, para el horizonte determinado en el punto 3.1.  Beneficios incrementales: Se calculan como la diferencia entre la situación “con proyecto” menos la situación “sin proyecto”.  Impacto ambiental: Es necesaria la identificación de los impactos directos positivos y negativos del proyecto y el planteamiento de medidas de mitigación. De igual modo, se deberá elaborar un plan de manejo ambiental, sobre la base de cifras estimadas gruesas.  Evaluación económica: o

Metodología costo/beneficio: Este método se aplica a proyectos en los que, los beneficios se pueden valorar y por tanto, se pueden comparar directamente con los costos. Los beneficios y costos que se comparan son los “incrementales”. Se utilizarán indicadores de Valor Actual Neto (VAN) y Tasa Interna de Retorno (TIR). Se seleccionan las alternativas cuyo VAN sea mayor que 0 y TIR mayor a 1.

o

Metodología costo/efectividad: Este método se aplica cuando los beneficios atribuidos al proyecto no se pueden valorar monetariamente. Se debe hacer una buena selección de los Indicadores de metas, para permitir la evaluación de las diferentes alternativas. Generalmente se seleccionan las alternativas de menor costo por indicador y cuyo valor está por debajo de las líneas de corte previamente establecidas.

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 Análisis de sensibilidad: Se deberá analizar escenarios en los cuales se puede generar un cambio sustantivo en alguna variable que afecte ya sea los beneficios o costos del proyecto.  Análisis de Sostenibilidad: La sostenibilidad se refiere a la posibilidad que el proyecto genere los beneficios esperados a lo largo de su vida. Se deberá analizar en referencia a: a. los arreglos institucionales previstos para las fases de operación y preoperación del proyecto; b. la capacidad de gestión de la organización encargada del proyecto en su etapa de inversión y operación c. la disponibilidad de recursos; d. financiamiento de los costos de operación y mantenimiento, señalando cuáles y para qué serían los aportes de las partes interesadas(Estado, beneficiarios, otros); e. la participación de los beneficiarios.  Selección y priorización alternativas: De acuerdo con el resultado de los indicadores utilizados en la evaluación económica se ordenarán las alternativas en orden de prioridad, procediendo luego a seleccionar la(s) mejor(es) alternativa(s).  Matriz del marco lógico para la alternativa seleccionada: Se presentará la matriz definitiva del marco lógico de la alternativa seleccionada o de las alternativas priorizadas; es importante la definición de indicadores medibles y verificables, así como la realización de líneas de base a efectos de un adecuado seguimiento, monitoreo y evaluación de los proyectos. 1.4.2.5 Conclusiones Según el resultado de la evaluación económica, de impacto ambiental y del análisis de sostenibilidad del proyecto, se concluirá respecto a la viabilidad del proyecto. 1.5

Consideraciones básicas para un proyecto de riego Un proyecto de riego o aprovechamiento hidráulico, sea éste grande o pequeño, complejo o simple, debe tomar en cuenta diversos aspectos que se interrelacionan entre si y que pueden ser decisivos en una buena ejecución y operación del sistema de captación -que viene a ser la parte más importante del sistema de riego-, incluso en las decisiones a nivel económico, porque pueden definir su ejecución, postergación o archivo definitivo. De allí que deben tomarse en consideración, inicialmente, tres factores que van a incidir en un diseño óptimo, en una construcción con calidad y en una operación y mantenimiento eficiente. Estos factores son:  Calidad del proyecto de riego  Conocimiento de la fisiografía y geomorfología del ámbito del proyecto  Incidencia del factor humano en todas las etapas del proyecto (desde su concepción hasta su operación y mantenimiento en el período de vida útil)


Hay que tener en cuenta que en el diseño de estructuras hidráulicas, por sus características y porque el agua es un recurso impredecible, es siempre de difícil diseño y debe recurrirse a métodos analíticos y de investigación en modelos hidráulicos. La observación y análisis del comportamiento de las obras hidráulicas en un proyecto de riego, están vinculadas a una serie de requerimientos de carácter técnico, legal, ambiental y de diseño, más aún cuando estas obras son para el uso y beneficio del ser humano, las consideraciones a tenerse en cuenta son:              

La necesidad del proyecto de riego por los beneficiarios La voluntad política y social de su financiación El análisis social y económico de los beneficiarios La disponibilidad del área de riego y del recurso hídrico Ubicación de la bocatoma, área de riego, embalses, túnel o trasvase. Topografía de la posible zona de captación y embalses Fisiografía y morfología y geodinámica de la zona de captación Daños y reparaciones ambientales y cambios hidrológicos en la zona Hidráulica fluvial del cauce del río. Planeamiento hidráulico. Diseño hidráulico y estructural. La viabilidad del proyecto de riego. Procedimientos constructivos. Ejecución, operación y mantenimiento.

Por otro lado, la planificación del sistema de riego -que incluye los subsistemas de captación, conducción, distribución y drenaje-, implica considerar acciones y actividades relacionadas que concluyen con el éxito del proyecto, eliminando la posibilidad de cualquier imprevisto en su formulación, diseño, ejecución, operación y mantenimiento. El Plan debe considerar algunas actividades de importancia como son:               

Definir las necesidades, objetivos y estrategias del Proyecto. Magnitud del proyecto. Datos básicos. Reconocimiento en campo y gabinete. Condiciones geográficas de apoyo y obstrucción Condiciones locales de servicios que apoyen o afecten la construcción. Levantamientos de apoyo e investigación. Perfiles de emplazamiento. Investigaciones hidrológicas. Investigaciones geotécnicas. Materiales para la construcción. Protección del ambiente. Ingeniería de proyecto. Formulación de costos y presupuestos. Operación y mantenimiento posterior.

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II UNIDAD: DOTACION DE RIEGO Y CAUDAL DE CAPTACIÓN 2.1

GENERALIDADES La realidad agrícola del Perú se ha convertido en un tema discutible. Mientras que en la Costa se realizan grandes obras de riego como Tumbes, Chira-Piura, Olmos, Chinecas, Jequetepeque, Chavimochic, Pasto Grande, Majes o Tacna, entre otros; en la sierra se tienen escasos proyectos como Río Cachi, PELT (en Puno), y en selva prácticamente ninguno.


La respuesta es fácil, toda la franja costera tiene terrenos en limpio, fácilmente cultivables pero no tienen el agua necesaria o dependen de los ríos de la sierra. En cambio, la sierra y la selva, tienen abundante agua pero los terrenos agrícolas son pequeños, en ladera, valles interandinos o altiplanicies (caso de Puno), que son susceptibles a fenómenos como heladas, precipitaciones sólidas (granizadas, nevadas) o la sequía. Temores que hacen de la agricultura, una práctica de riesgo, además de no poseer grandes áreas de riego cultivables. De allí que, hacer riego extensivo en la sierra se descarta de plano. Lo que se tiene que desarrollar en la sierra y particularmente en nuestra zona, es el riego menor, vigorizando las estrategias de producción y productividad en base a cultivos resistentes a las inclemencias del tiempo, a cultivos de alto valor comercial y a cultivos ancestrales. De modo que se exploten adecuadamente las pocas tierras aptas para el cultivo con sistemas de riego por gravedad y aspersión, dependiendo de la disponibilidad de agua y de la inversión que éstos generen en relación a los beneficiarios del proyecto. 2.2 EVAPOTRANSPIRACION 2.2.1Evaporación La evaporación es un proceso físico por el cual el agua (o sustancia en estado líquido) es devuelta a la atmósfera en forma de vapor de agua 2, tras haber adquirido energía suficiente para vencer la tensión superficial 3. La evaporación está determinada por el poder evaporante de la atmósfera4. 2.2.2Transpiración La transpiración es el resultado del proceso físico–biológico, por el cual el agua cambia del estado líquido al gaseoso a través del metabolismo de las plantas, pasando finalmente a la atmósfera. Las plantas, con el desarrollo de las hojas y los sistemas conductores (xilema y floema)5, pueden captar el agua junto con el alimento y repartirlos a todas las células del vegetal. El agua llega en gran cantidad a las hojas, absorbida por las raíces, y por medio de los estomas 6 (ver gráfico adjunto) pierden agua en gran cantidad, sólo una pequeña parte se utiliza en la fotosíntesis, el resto pasa al exterior en forma de vapor (la vaporización ocurre 2

Vapor de agua es el proceso de condensación del agua contenida en la atmósfera en forma gaseosa. Es una concentración muy pequeña de agua, inferior al oxígeno y nitrógeno, vital tanto para la generación de la precipitación y del efecto invernadero en la atmósfera. 3

Tensión superficial es la fuerza que actúa tangencialmente por unidad de longitud en el borde de una superficie libre de un líquido en equilibrio y que tiende a contraer dicha superficie. 4 El poder evaporante de la atmósfera se caracteriza por la altura de agua que la atmósfera es capaz de absorber si dispone de toda el agua necesaria. El poder evaporante de la atmósfera está influido por una serie de variables de mayor o menor importancia como: del déficit higrométrico, la temperatura del aire, la insolación, la velocidad y turbulencia del aire, la presión atmosférica, la salinidad del agua. 5

El xilema, transporta agua e iones desde las raíces hasta las hojas. El floema, transporta sacarosa en solución y otros productos de la fotosíntesis desde las hojas hacia las células no fotosintéticas de la planta.

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dentro de la hoja, en los espacios intercelulares, y el intercambio del vapor con la atmósfera es controlado por la abertura estomática), proceso conocido como transpiración. 2.2.3Evapotranspiración La evapotranspiración es la suma de la evaporación y la transpiración, fenómenos que se dan simultáneamente. La evapotranspiración es el resultado del proceso por el cual el agua cambia de estado líquido a gaseoso directamente o a través de la planta y vuelve a la atmósfera en forma de vapor. 2.2.4Evapotranspiración potencial La evapotranspiración potencial es la máxima evapotranspiración posible bajo las condiciones climáticas existentes cuando el suelo está a capacidad de campo y cubierto completamente de cobertura vegetal. Thornthwaite definió el término de evapotranspiración potencial como la cantidad máxima posible de agua que perdería el suelo por evaporación y transpiración, suponiendo que éste estuviera saturado. 2.2.5Evapotranspiración de referencia (ETo) Dado que el concepto de (ETP) es difuso, pues cada tipo de planta evapotranspira una cantidad de agua diferente, la Organización Mundial de las Naciones Unidas para la Alimentación y Agricultura (FAO) en su Guía para las necesidades hídricas de los cultivos, de Doorembos y Pruitt (1975, 1977) adopta el concepto de evapotranspiración de referencia. La evapotranspiración de referencia se define como la tasa de evapotranspiración de una superficie de referencia, que ocurre sin restricciones de agua, y se denomina ETo. La superficie de referencia corresponde a un cultivo hipotético de pasto con características específicas. El concepto de una superficie de referencia fue introducido con el fin de obviar la necesidad de definir los parámetros únicos de evaporación para cada cultivo y etapa de crecimiento. La superficie de referencia se asemeja a una superficie extensa de pasto verde de altura uniforme, creciendo activamente, sombreando totalmente la tierra y con un adecuado aporte de agua (Allen, Pereira, Smith, & Raes, 1998). Expertos de la FAO definieron la superficie de referencia como: “Un cultivo hipotético de referencia con una altura asumida de 0,12 m, una resistencia superficial fija de 70 s/m y un albedo de 0,23”. Los valores de evapotranspiración de los diferentes cultivos se relacionan con la evapotranspiración de la superficie de referencia (ETo) por medio de los coeficientes de cultivo.

6

Estos son pequeñas aberturas en la hoja de la planta a través de las cuales atraviesan los gases y el vapor de agua de la planta hacia la atmósfera


2.2.6Evapotranspiración real La evapotranspiración real o actual, es la que se produce en condiciones reales, teniendo en cuenta que la cobertura no es siempre completa y los niveles de humedad en los suelos son variables. ETP es mayor o igual que ETR El valor de la evapotranspiración real con relación a la potencial, depende del estado de energía del agua en el suelo y de factores fisiológicos de la planta. Así, es diferente para las distintas especies y para las diferentes fases del ciclo vegetativo de los cultivos. En irrigación se usa el término Uso Consuntivo de agua para los cultivos, comprende la cantidad de agua usada en un área dada por unidad de tiempo, en transpiración, formación de los tejidos, evaporación del suelo y precipitación interceptada por la vegetación. Dado que la proporción de agua usada en formación de tejidos es muy pequeña en relación con la evapotranspiración total, el uso consuntivo se supone igual a la evapotranspiración real. 2.2.7Factores que afectan a la Evapotranspiración Los factores que intervienen en el proceso de evapotranspiración son diversos, variables en el tiempo y en el espacio y se pueden agrupar en aquellos de orden climático, los relativos a la planta y los asociados al suelo. Son todos aquellos factores que influyen a la evaporación y la transpiración. Se pueden agrupar de la siguiente manera: a) Factores meteorológicos:

 Radiación

solar: la energía necesaria para que se desarrollen los procesos de evaporación y transpiración es proporcionada en su mayor parte por la radiación solar. La cantidad potencial de radiación disponible depende de la localización geográfica (latitud) y del momento del año en el que se quiere evaluar el proceso de evapotranspiración. La radiación real que incide en la superficie evaporante viene determinada por la turbidez atmosférica y la presencia de nubes, las cuales pueden reflejar o absorber una parte de la radiación. Se define como radiación neta a la suma algebraica del balance de radiación solar de onda corta y el balance de radiación de onda larga. El balance de radiación de onda corta es la diferencia entre la radiación solar global incidente en una superficie y la reflejada por esa superficie. El balance de radiación de onda larga es la diferencia entre la radiación emitida por las nubes y partículas atmosféricas hacia la superficie y la emitida a su vez por esta superficie. Una parte de la energía disponible como radiación neta se utiliza en el proceso de

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evapotranspiración, y otra parte se utiliza también en el calentamiento o enfriamiento del aire y del suelo. Si una superficie vegetal está bien provista de agua, lo normal es que la mayor parte de la radiación neta se utilice en el proceso de evapotranspiración (Martín de Santa Olalla y De Juan, 1993). 

Temperatura del aire: La temperatura del aire varía en función de la radiación solar que incide sobre una superficie y el calor emitido y/o transmitido por el suelo. Esa variación en la temperatura del aire influye en el proceso de ET en la medida que modifica los valores del déficit de presión de vapor. Cuanto más cálido es el ambiente mayor será la ET a igualdad del resto de condiciones. Esto se debe a que la capacidad de retención de vapor de agua por parte del aire y por lo tanto, el déficit de presión de vapor son mayores en esas condiciones Allen et al. (1998).

 Velocidad del Viento: Durante el proceso de ET, la atmósfera que rodea a la superficie de evapotranspiración se va saturando de vapor de agua. Si no hay renovación de esa masa de aire, la tasa de ET va disminuyendo, pero si el viento reemplaza el aire húmedo por otro más seco, el proceso continúa. Cuanto mayor sea la velocidad de viento, mayor será esa renovación y por lo tanto mayor será la cantidad de vapor que pierde la superficie de evapotranspiración hasta llegar a un límite máximo. Este límite estará determinado por factores propios de la vegetación y del suelo (conductividad hidráulica, estado hídrico, etc.) Allen et al. (1998).  Humedad del aire: El movimiento de vapor de agua desde la superficie de evapotranspiración al aire que la rodea dependerá de la diferencia de presión de vapor entre ambos medios. En ambientes áridos, la atmósfera tiene un gran poder desecante y la tasa de ET es muy elevada (si existe suficiente agua disponible) mientras que en ambientes más húmedos, a igualdad de otros factores, esta tasa es menor Allen et al. (1998). b) Factores ambientales o de manejo: Factores como la salinidad del suelo, la fertilidad, la presencia de horizontes impenetrables, el grado de afección por plagas o enfermedades u otros que puedan afectar al desarrollo normal del cultivo pueden modificar la tasa de ET disminuyendo su valor. También deben tenerse en cuenta la cobertura del suelo, la densidad de plantación, el área foliar, la altura del cultivo y por supuesto, la disponibilidad de agua en el suelo. Cuando el cultivo crece y va cubriendo el suelo, la tasa de ET aumenta como consecuencia del incremento del área foliar y de la altura de las plantas. c) Factores relacionados con la vegetación: La temperatura de una superficie cubierta por un vegetal dependerá de su estructura y de su capacidad de regulación térmica. Estas características pueden hacer variar el balance de energía y, por lo tanto, la evapotranspiración de esa cubierta vegetal (Martín de Santa Olalla y De Juan, 1993). El albedo de una cubierta vegetal, su área foliar o su


rugosidad aerodinámica son consideradas por muchos autores como determinantes de la ET. Estas características dependen del tipo de planta, de la variedad, de su estado de desarrollo y altura, etc. Evapotranspiración (ET)

Lluvia

Transpiración (T)

Evaporación (E)

Riego (R)

Contenido de humedad del suelo

Profundidad de raíces regada Profundidad de raíces no regada

2.2.8

Flujo lateral Drenaje

10

26/04/03 Factores que intervienen en el uso consuntivo

Se entiende por uso consuntivo (UC), como la cantidad de agua gastada en un área de cultivo por unidad de tiempo; que en términos generales vendría a ser igual a la Evapotranspiración real.

UC  ETR Los factores que intervienen en el uso consuntivo son: los factores de caracterización del suelo, factores agrológicos, factores climáticos y los factores hidrológicos. a) Factores de caracterización del suelo Son factores relativos al suelo donde se cultivan las plantas, referidos a sus características externas como internas. Estos factores son: CARACTERISTICAS EXTERNAS: Corresponden al estudio exterior, horizontal y visible del terreno o de la superficie del suelo. 

Pendiente: Se define como la inclinación o declive del terreno con respecto al plano horizontal se expresa en porcentaje. CLASES DE PENDIENTE - Casi a nivel - Ligeramente inclinado - inclinado - moderadamente empinado - empinado

% 0-2 2-7 7-15 15-25 25 a más.

DESCRIPCION Arable y riego intensivo Arable y riego intensivo Arable y riego con limitaciones Regable por métodos especiales Sin aptitud para riego

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 Relieve: Referido a la conformación de la superficie del terreno, puede limitar el riego. CLASES - - Plano - - Casi plano - - Ligero ondulado - ondulado - Muy ondulado

DESCRIPCION REQU. DE NIVELACION Superficie uniforme No requiere nivelación Superficie con microaccidentes Nivelación ligera o de espaciados emparejamiento Superficie con microaccidentes Nivelación moderada poco espaciados Superficie con microaccidentes Nivelación fuerte o juntos pesada Superficie accidentada o Nivelación remota quebrada

 Erodabilidad: Se refiere a la presencia de erosión del suelo por efectos del agua. CLASES - Nula - Ligera - Moderada - Severa - Extremadamente severa

DESCRIPCION Sin peligro de erosión Erosión Laminar Erosión por canalículos Erosión por surcos Erosión por cárcavas

CARACTERISTICAS INTERNAS: Se refieren al estudio interior, vertical y no visible del perfil del suelo.  Profundidad: Corresponde al espesor de la capa de suelo efectivo hasta donde serían o son capaces de penetrar las raíces de las plantas sin limitaciones parta su crecimiento.

Clases Profunda Mediana Superficial Muy superficial Efímera

Profundidad (cm) Mayor de 100 60-100 30 - 60 15 - 30 Menos de 15

 Textura: Se define como la proporción porcentual relativa de partículas de arcilla, limo y arena, hasta un diámetro de 2 mm ; incluyendo dentro de su estudio a los elementos gruesos denominados modificadores texturales, como las gravas y las piedras. Las clases texturales están definidos por el triángulo de Atterberg. Grupos texturales Arenosos Franco-arenosos Francos Franco arcillosos Arcillo arenosos Arcillosos

Clases texturales Arenoso Arena franca, franco-arenoso Franco, franco-limoso, limoso Franco-arcilloso-arenoso, Francoarcilloso-limoso, franco-arcilloso Arcillo arenoso Arcillo limoso, arcilloso


 Densidad aparente y real (Da, Dr): La densidad aparente refleja el contenido total de porosidad en un suelo y es importante para el manejo de los suelos (refleja la compactación y facilidad de circulación de agua y aire). Su valor varía entre 1.20 a 1.80 expresado en gr/cm3 o kg/dm3. La densidad real es el peso de las partículas sólidas del suelo por unidad de volumen, viene a estar por los 2.65 expresado en gr/cm3, TM/m3.  Porosidad (N): Es la relación que existe entre los espacios vacíos ocupados por el agua y/o el aire y el volumen bruto total del mismo suelo.

N  (1 

Da )100 Dr

 Contenido de humedad del suelo: Es la relación de pesos o volúmenes de la cantidad de agua existente en el suelo y la cantidad de suelo seco correspondiente, expresado en porcentaje.

Hs  Donde:

h s

= =

h 100 s

Peso del agua del suelo Peso del suelo seco

 Permeabilidad (k): Es el grado de rapidez que permite el suelo para dejar pasar fluidos como el agua a través de su masa, expresado en términos de velocidad y que tiene y/o viene a constituir la conductividad hidráulica.

Clase muy lenta lenta Moderadamente lenta moderadamente Rápida rápida muy rápida

Velocidad de flujo (cm/h) Menor de 0.1 de 0.1 a 0.5 de 0.5 a 2 de 2 a 5 de 5 a 25 de 25 a más

 Drenaje: Es la facilidad y rapidez con que el agua excedente o gravitacional del suelo es eliminada fuera de éste a fin de proporcionar las condiciones adecuadas a la planta. Depende de muchos factores, especialmente de la permeabilidad del suelo y del a topografía del terreno. Clases Muy pobre Pobre Imperfecto

Descripción El agua es eliminada muy lentamente. Nivel freático en la superficie, gran parte del año El agua es eliminada muy lentamente, permanece el suelo mojado por largos períodos de tiempo El agua es eliminada lentamente, permanece el suelo mojado por algún período significativo de tiempo.

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Bueno Ligeramente excesivo Excesivo Muy excesivo

El agua es eliminada del suelo, pero no rápidamente El agua es eliminada del suelo algo rápida El agua es eliminada rápidamente del suelo, siendo el suelo de escasa retentividad. El agua es eliminada muy rápidamente del suelo, siendo éste de retentividad casi nula o nula.

 Salinidad: Es la concentración de sales solubles y de sodio intercambiable en el suelo. Esta característica se relaciona con el drenaje del suelo, el desarrollo y crecimiento de las plantas y los niveles de aplicación del agua de riego. b) Factores agrológicos Son los valores relativos a las Plantas, donde influye la especie, la variedad y desarrollo vegetativo. c) Factores climáticos La variación del clima es determinante y depende principalmente de la precipitación, temperatura, humedad, luminosidad y viento. d) Factores hidrológicos Los factores hidrológicos están en función a la disponibilidad de agua, práctica y eficiencia de riego, para evitar la exageración del agua o la poca cantidad e agua en las plantas. 2.2.9Métodos de cálculo de la evapotranspiración 2.2.9.1

Métodos directos Permite la determinación de las dotaciones de riego haciendo pruebas en campo y laboratorio. Dentro de éstos métodos tenemos:

a. Parcelas demostrativas (granjas experimentales) Consiste en seleccionar dentro del área de riego, una parcela que, a criterio del proyectista, sea un área representativa (debe seleccionarse por similitud de las condiciones estructurales y agrológicas del suelo), y que permita analizar en ese suelo:     7

Insolación (temperatura) Pendiente (para drenaje) Temperatura del suelo Tipo de suelo (horizontes7)

Horizontes del suelo se denominan a una serie de niveles horizontales que se desarrollan en el interior del mismo y que presentan diferentes caracteres de composición, textura, adherencia, etc. El perfil del suelo es la ordenación vertical de todos estos horizontes. Clásicamente, se distingue en los suelos completos o evolucionados tres horizontes fundamentales: Horizonte A, o zona de lavado vertical: Es el más superficial y en él enraíza la vegetación herbácea. Su color es oscuro por la materia orgánica o humus elaborado. Horizonte B o zona de precipitación: Carece de


Luego de saber todo eso se hace un análisis en la parcela con diferentes tipos de Plantas y controlar:      

Temperatura Riego Crecimiento Maduración Drenaje Nutrientes.

Finalmente, con los resultados obtenidos (base de datos), se gen realiza parta toda el área de riego. b. Lisímetros Un lisímetro se puede definir como un contenedor de suelo, con o sin cultivo, instalado en una parcela que representa las condiciones ambientales de la zona y que se utiliza para determinar el consumo de agua del suelo desnudo, de un cultivo o de una pradera de gramíneas. Aboukhaled (1982), Los lisímetros basan su funcionamiento en el control y medida de los componentes del balance hídrico y son los únicos instrumentos que realmente permiten medir directamente la ET. Hay varios tipos de lisímetros los cuales presentan distintas formas de medición de los componentes del balance hídrico. Según Jensen (1973), se pueden establecer tres categorías:  Lisímetros de capa freática constante: Donde parte del contenedor se mantiene saturado artificialmente de forma que desde allí llegue el agua por ascenso capilar hasta la zona donde se sitúan las raíces. Controlando el volumen de agua necesario para mantener el freático al mismo nivel durante un tiempo, el aporte de agua por riego o lluvia y la variación de la humedad en el suelo, se puede obtener el valor de la ET en ese periodo.  Lisímetros de drenaje: Permiten la medida del volumen de agua de percolación profunda mediante un sistema de drenaje o succión. El funcionamiento de lisímetros de capa freática constante y de drenaje se pueden integrar en uno sólo que permita tanto medir como controlar y variar la capa freática y el drenaje. Faci (1992).

humus, en él se depositan los materiales arrastrados desde arriba (materiales arcillosos, óxidos, hidróxidos metálicos, carbonatos, etc.), Horizonte C o roca madre, o subsuelo, constituido por la parte más alta del material rocoso in situ, sobre el que se apoya el suelo, más o menos fragmentado por la alteración mecánica y la química. Horizonte D u horizonte R o material rocoso: es el material rocoso subyacente que no ha sufrido ninguna alteración química o física.

IRRIGACIONES33

 Lisímetros de pesada: Permiten la medida de la variación de la masa del contenedor en el tiempo. Ese cambio de peso indica las entradas y salidas de agua dentro del contenedor. Si la variación es positiva (aumento de masa) indica una entrada por riego o lluvia, si es negativa (pérdida de masa) indica una salida por drenaje (controlado) o por ET. Este tipo de instrumentos permiten medidas de ET muy exactas en periodos muy cortos de tiempo: días, horas o fracciones de hora y con precisiones de décimas de milímetro. Existen diversos sistemas de pesada: mecánicos, hidráulicos y de flotación. Faci (1992). Para éste método, se selecciona un área representativa de la parcela de riego, en la que se construye el lisímetro. El lisímetro consiste en un recipiente impermeable enterrado y cerrado lateralmente, de modo que el agua drenada por gravedad (la que hubiera infiltrado hasta el acuífero), es captada por un drenaje. En su construcción debe tenerse cuidado de restituir el suelo que se excavó, en las mismas condiciones o similares a las que se encontraba. Próximo a él debe existir un pluviómetro, termómetros ambiental y de suelo. La ETP se despeja de la siguiente ecuación de balance hídrico en el lisímetro. Precipitación = ETP + Infiltración + Δ almacenamiento Para calcular Δ almacenamiento, se mide la humedad del suelo, se calcula una lámina de agua equivalente expresada en mm. Mediante riego el método es más simple, debido a que se debe mantener el suelo en condiciones de humedad óptima y la ecuación sería la siguiente: Precipitación + Riego = ETP + Infiltración

c. 8

Tanque evaporímetro Clase A8

El tanque Clase A es circular, 120,7 cm de diámetro y 25 cm de profundidad. Está construido de hierro galvanizado o de láminas de metal (0,8 mm). El tanque se sitúa sobre una plataforma de madera en forma de reja que se encuentra a 15 cm por encima del nivel del suelo. El tanque debe estar a nivel. Una vez instalado, el tanque se llena con agua hasta 5 cm por debajo del borde y el nivel del agua no debe disminuir hasta más de 7,5 cm por debajo del borde. Si el tanque es galvanizado, debe ser


Este método consiste en encontrar una relación entre la tasa de evapotranspiración producida en un lisímetro y la tasa de evaporación producida en un tanque de evaporación clase A, en base al cual se determina un coeficiente empírico con el que se puede efectuar luego las lecturas de evaporación y obtener indirectamente la evapotranspiración potencial para condiciones ambientales específicas. El tanque de evaporación clase A permite estimar los efectos integrados del clima (Radiación, temperatura, viento y humedad relativa), en función de la evaporación registrada de una superficie de agua libre de dimensiones estandar. ETP = Ktanque * E Donde:

ETP Ktanque E

: Evapotranspiración potencial (mm/día) : Coeficiente empírico de tanque : evaporación libre de tanque clase A (mm/día)

Existe una metodología alternativa propuesta por FAO para determinar la evapotranspiración potencial a partir de registros de evaporación de tanque clase A.

Las lecturas del tanque se realizan diariamente temprano en la mañana a la misma hora que se mide la precipitación. Las mediciones se realizan dentro de un área estable (comúnmente un cilindro de metal de cerca de 10 cm de diámetro y 20 cm de profundidad con una pequeña abertura en la base para permitir el flujo de agua, con un micrómetro de medición), situada cerca del borde del tanque. d. Evapotranspirómetro Consta de un tanque que se ha llenado de tierra y sembrado con un cultivo que cubre completamente la superficie. Una sección de abastecimiento permite mantener en forma continua un plano freático alto, de modo tal que dicho suelo se puede suponer en las condiciones óptimas de humedad (CC). El control del volumen del agua en el tanque de abastecimiento permite determinar la evapotranspiración en función pintado con pintura de aluminio. El lugar de instalación debe estar cubierto preferentemente con pasto, en un área de 20 por 20 m, abierto a todos lados para permitir la circulación del aire.

IRRIGACIONES35

del tiempo. La estimada por este sistema es por lo tanto la evapotranspiración potencial. 2.2.9.2

Métodos Indirectos Son métodos que se realizan en laboratorio y son teóricos, existen varios métodos para estimar o medir la ETP. La precisión y confiabilidad varía de unos a otros, muchos solo proveen una aproximación. Las medidas directas son muy costosas y mayormente se usan para calibrar los métodos que utilizan los datos climatológicos. Las técnicas más frecuentes usadas son:   

Métodos micrometeorológicos. Método hidrológico o de balance de agua Métodos climatológicos

a) Métodos micrometeorológicos. Balance de energía Ya que el proceso de evapotranspiración depende del intercambio de energía en la superficie vegetal y está limitado por la cantidad de energía disponible, la tasa de ET puede determinarse a partir del principio de conservación de la energía. La energía que llega a una superficie debe ser igual a la que se libera en un periodo de tiempo determinado. El balance de energía que se puede establecer en una superficie en un periodo, por ejemplo, diario, es el siguiente, expresando todos sus términos en MJ/ m2 día: Rn - G - λ ΕΤ - Η = 0 Siendo:

Rn G λ ET H λ

= = = = =

Radiación neta. Flujo de calor del suelo. Flujo de calor latente. Flujo de calor sensible. lambda

La radiación neta (Rn), es positiva durante el día y negativa durante la noche. El valor total de 24 horas es casi siempre positivo salvo en condiciones de extrema nubosidad o de gran altitud. El flujo de calor del suelo (G) es la energía utilizada en calentar el suelo. Toma valores positivos cuando el suelo está calentándose y negativos cuando se enfría. En términos relativos a la Rn, G es lo suficientemente pequeño como para poder ser ignorado en la mayoría de los casos, al menos, a escala diaria. El flujo de calor latente (λ ET) es la energía necesaria para realizar el cambio de fase del agua líquida a vapor sin aumentar su temperatura. Será positivo cuando se esté produciendo evaporación y negativo cuando haya condensación. El flujo de calor sensible (H) es la energía empleada en calentar el aire. Es positivo cuando éste se calienta y negativo cuando se enfría.


En el balance de energía solo se consideran flujos verticales y por lo tanto se ignoran los flujos advectivos de energía. Así, la ecuación se ha de aplicar sobre superficies de vegetación homogénea y lo suficientemente extensas para eliminar la posibilidad de interferencia de flujos horizontales en el balance. Tampoco se tiene en cuenta otros términos de energía como el calor almacenado o liberado por la planta o la energía necesaria para actividades metabólicas ya que no son significativos respecto a los otros cuatro componentes del balance.

b) Método hidrológico. Balance de agua La evapotranspiración también se puede calcular a partir de la obtención de los componentes del balance de agua en una porción de suelo con una superficie determinada y una profundidad correspondiente al alcance de las raíces. Este balance se puede establecer en un periodo, por ejemplo, diario. La siguiente expresión define este balance. Todas las variables se indican en mm/día: ET = R + Pr ± ΔSF − RO − PP + CR ± ΔSW Siendo:

ET R Pr ΔSF RO PP CR ΔSW

= = = = = = = =

Evapotranspiración Altura de agua aportada por riego. Precipitación Flujo sub superficial Pérdidas por escorrentía. Pérdida por percolación (fuera de alcance de raíces). Ascenso capilar de agua. Variación del contenido de agua en el suelo.

El método exige la determinación de los flujos de entrada y salida del balance durante un periodo de tiempo. La diferencia entre el agua aportada a esa porción de suelo y la extraída en un cierto periodo de tiempo será igual al cambio en su contenido de agua en ese tiempo. Los aportes por riego (R) y precipitación (PE) son fácilmente cuantificables. Generalmente, salvo en casos de pendiente del terreno elevada, el flujo sub superficial (ΔSF) a través de las paredes laterales del volumen de suelo considerado se puede ignorar. En el caso de terrenos sin pendiente, se pueden despreciar también las pérdidas por escorrentía (RO). Para poder definir correctamente el ascenso capilar (CR) o el drenaje (PP) sería necesario disponer de tensiómetros de forma continua en las parcelas estudiadas. Teóricamente estas variables se podrían calcular si se conoce la conductividad hidráulica del terreno y su variación en función del contenido de agua. En éste método, todas las variables pueden medirse con precisión mediante el uso de lisímetros. En áreas grandes estos pueden ser estimados y la ET calculada como un residual. Para medir las variaciones de humedad en el suelo (ΔSW) es necesario conocer la evolución y la distribución de las raíces en el perfil

IRRIGACIONES37

del suelo. Esto depende tanto de la evolución de la parte aérea del cultivo como del medio edáfico donde se desarrolla la planta. El contenido hídrico en esa zona del perfil se puede medir directamente o estimarse a partir de datos del potencial hídrico del suelo. Estos valores se pueden conseguir por métodos gravimétricos, dispersión de neutrones, reflectometría en el dominio del tiempo o de la frecuencia, etc. (Martín de Santa Olalla y De Juan, 1993).

c) Métodos climatológicos Muchos investigadores han propuesto ecuaciones en base a datos meteorológicos. Además éstas, han sufrido modificaciones para ser aplicables a diferentes regiones. 

Método de Penman-Monteith modificado por la FAO En 1990, la FAO convocó a un panel de expertos e investigadores en riego para que, en colaboración con la Comisión Internacional y Drenaje y con la Organización Meteorológica Mundial, para la revisión de metodologías para el cálculo de ETo para los cultivos. Este panel recomendó el método combinado de Penman-Monteith como nuevo método estandarizado para el cálculo de la evapotranspiración. El método FAO Penman-Monteith fue desarrollado haciendo uso de la definición del cultivo de referencia como un cultivo hipotético con una altura asumida de 0,12 m, con una resistencia superficial de 70 s/m y un albedo de 0,23 y que representa a la evapotranspiración de una superficie extensa de pasto verde de altura uniforme, creciendo activamente y adecuadamente regado. El método reduce las imprecisiones del método anterior de FAO Penman y produce globalmente valores más consistentes con datos reales de uso de agua de diversos cultivos. Su dificultad radica en la cantidad de datos que lo sustentan. El método de FAO Penman-Monteith para estimar ETo, es:

ETo  Donde:

900 u 2 (e s  e a ) T  273    (1  0,34u 2 )

0,408( Rn  G )  

ETo= Evapotranspiración de referencia (mm/día) Rn = Radiación neta en la superficie del cultivo (MJ m-2 día-1) Ra = Radiación extraterrestre (mm/día) G = Flujo del calor de suelo (MJ m-2 /día) T = Temperatura media del aire a 2 m de altura (°C) U2 = Velocidad del viento a 2 m de altura (m/s) es = Presión de vapor de saturación (kPa) ea = Presión real de vapor (kPa) es - ea = Déficit de presión de vapor (kPa)  = Pendiente de la curva de presión de vapor (kPa/°C)



= Constante psicrométrica (kPa/°C)


 Método de Thornthwaite Thornthwaite (1948) desarrolló una ecuación empírica basada en la temperatura para la determinación de la evapotranspiración potencial mensual en mm. Esta ecuación se expresa de la siguiente forma:

1)

Se calcula un “índice de calor mensual” (i) a partir de la temperatura media mensual (t):

 t i   5

2)

1.514

Se calcula el “índice de calor anual (I ) sumando los 12 valores de i:

I 

i

3) Se calcula la ETP mensual “sin corregir” mediante la fórmula:

 10.t  ETPSinCorr  16   I 

a

Donde: ETPsin corr = ETP mensual en mm/mes para meses de 30 días y 12 horas de sol (teóricas) T = temperatura media mensual (ºC) I = índice de calor anual a = 675 x 10-9 x I3 - 771 x 10-7 x I2 + 1792 x 10-5 x I + 0,49239 4)

Corrección para el nº de días del mes y el nº de horas de sol:

ETP  ETPsin corr ( Donde:

ETP = N = D

=

N d )*( ) 12 30

Evapotranspiración potencial corregida Número máximo de horas de sol, dependiendo del mes y de la latitud (Tabla Nº 1) Número de días del mes

IRRIGACIONES39

Tabla Nº 01: Número máximo de horas de sol, por mes y latitud  Método de Hargreaves ajustado (1975) En 1975, George H. Hargreaves ajusta el método de Jerald D. Christiansen. Para hacerlo más sencillo y aplicable, anulando el proceso convectivo de la altura y por tanto el incremento de la ETP. La relación es la siguiente:

ETP  0.0075.RSM .º F .FA 9 º F  ( )º C  32 5 Donde:

ETP = Evapotranspiración potencial mensual 0.0075= Constante de interrelación entre ETP y radiación RSM = Radiación solar incidente mensual en su equivalente de evaporación (mm/mes) ºF = Temperatura media mensual en grados Farenheit FA = Factor de altitud (en miles de metros)

La radiación solar incidente mensual se calcula por:

RSM  0.075.RMM .S Donde:

RMM = S

=

1

2

Radiación solar mensual al tope de la atmósfera o extraterrestre en su equivalente de evaporación (mm) Porcentaje de horas de sol mensual, observado, referido al tope probable mensual.


Tabla Nº 02: Duración Máxima Media diaria de horas Brillo Solar para diferentes meses y Latitudes. Lat. Sur.

Ene

Feb

Ma

Ab

May

Jun

40º

14.7

13.7

12.5

11.2

10.0

35º

14.3

13.5

12.4

11.3

10.3

30º

13.9

13.2

12.4

11.5

25º

13.5

13.0

12.3

20º

13.2

12.8

15º

12.9

10º 5º 0º

Julio

Ago

Set

Oct

Nov

Dic

9.3

9.6

10.7

11.9

13.3

14.4

15.0

9.8

10.1

11.0

11.9

13.1

14.0

14.5

10.6

10.2

10.4

11.1

12.0

12.9

13.6

14.0

11.6

10.9

10.6

10.7

11.3

12.0

12.7

13.3

13.7

12.3

11.7

11.2

10.9

11.0

11.5

12.0

12.6

13.1

13.3

12.6

12.2

11.8

11.4

11.2

11.3

11.6

12.0

12.5

12.8

13.0

12.6

12.4

12.1

11.8

11.6

11.5

11.6

11.8

12.0

12.3

12.6

12.7

12.3

12.3

12.1

12.0

11.9

11.8

11.8

11.9

12.0

12.2

12.3

12.4

12.1

12.1

12.1

12.1

12.1

12.1

12.1

12.1

12.1

12.1

12.1

12.1

Fuente: FAO, Riego y Drenaje N° 24. Las Necesidades de agua de los cultivos. Roma 1976 pag. 25

Tabla Nº 03: Radiación extraterrestre media diaria (RMD) expresada en equivalente de evapotranspiración (mm/día) para diferentes latitudes y meses Latit ud 50 48 48 44 42 40 38 38 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

Hemisferio Sur Ene 17.5 17.6 17.7 17.8 17.8 17.9 17.9 17.9 17.8 17.8 17.8 17.7 17.6 17.5 17.4 17.3 17.1 16.9 16.7 16.6 16.4 16.1 15.8 15.5 15.3 15.0

Feb 14.7 14.9 15.1 15.3 15.5 15.7 15.8 16.0 16.1 16.2 16.4 16.4 16.4 16.5 16.5 16.5 16.5 16.4 16.4 16.3 16.3 16.1 16.0 15.8 15.7 15.5

Ma 10.9 11.2 11.5 11.6 12.2 12.5 12.8 13.2 13.5 13.8 14.0 14.3 14.4 14.6 14.8 15.0 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.5 15.6 15.6 15.7 15.7

Ab 7.0 7.5 7.9 8.4 8.8 9.2 6.6 10.1 10.5 10.9 11.3 11.6 12.0 12.3 12.6 13.0 13.2 13.5 13.7 14.0 14.2 14.4 14.7 14.9 15.1 15.3

May 4.2 4.7 5.2 5.7 6.1 6.6 7.1 7.5 8.0 8.5 8.9 9.3 9.7 10.2 10.6 11.0 11.4 11.7 12.1 12.5 12.8 13.1 13.4 13.8 14.1 14.4

Jun 3.1 3.5 4.0 4.4 4.9 5.3 5.8 6.3 6.8 7.3 7.8 8.2 8.7 9.1 9.6 10.0 10.4 10.8 11.2 11.6 12.0 12.4 12.8 13.2 13.5 13.9

Julio 3.5 4.0 4.4 4.9 5.4 5.9 6.3 6.8 7.2 7.7 8.1 8.6 9.1 9.5 10.0 10.4 10.8 11.2 11.6 12.0 12.4 12.7 13.1 13.4 13.7 14.1

Ago 5.5 6.0 6.5 6.9 7.4 7.9 8.3 8.8 9.2 9.6 10.1 10.4 10.9 11.2 11.6 12.0 12.3 12.6 12.9 13.2 13.5 13.7 14.0 14.3 14.5 14.8

Set 8.9 9.3 9.7 10.2 10.6 11.0 11.4 11.7 12.0 12.4 12.7 13.0 13.2 13.4 13.7 13.9 14.1 14.3 14.5 14.7 14.3 14.9 15.0 15.1 15.2 15.3

Oct 12.9 13.2 13.4 13.7 14.0 14.2 14.4 14.6 14.9 15.1 15.3 15.4 15.5 15.7 15.7 15.8 15.8 15.8 15.8 15.8 15.9 15.8 15.7 15.6 15.5 15.4

Nov 16.5 16.6 16.7 16.7 16.8 16.9 17.0 17.0 17.1 17.2 17.3 17.2 17.2 17.1 17.0 17.0 16.8 16.7 16.5 16.4 16.2 16.0 15.8 15.5 15.3 15.1

Dic 18.2 18.2 18.3 18.3 18.3 18.3 18.3 18.2 18.2 18.1 18.1 17.9 17.8 17.7 17.5 17.4 17.1 16.8 16.6 16.5 16.2 16.0 15.7 15.4 15.1 14.8

Fuente: FAO, Boletín Riego y Drenaje N° 24. Las Necesidades de agua de los cultivos. Roma 1976 pag. 24

La radiación solar mensual RMM, se calcula por:

IRRIGACIONES41

RMM  RMD.DM Donde:

RMD =

DM

=

Radiación solar diaria al tope de la atmósfera o extraterrestre en su equivalente de evaporación (mm), dado para cualquier latitud y mes del año según el mapa de radiación solar mundial. Número de días del mes

2.3 Determinación de la Evapotranspiración del cultivo (real) 2.3.1Coeficiente de cultivo El coeficiente de cultivo Kc, describe las variaciones de la cantidad de agua que las plantas extraen del suelo a medida que se van desarrollando, desde la siembra hasta la cosecha. En los cultivos anuales normalmente se diferencian 4 etapas o fases de cultivo: o o o o

Inicial: Desde la siembra hasta un 10% de la cobertura del suelo aproximadamente. Desarrollo: Desde el 10% de cobertura y durante el crecimiento activo de la planta. Media: Entre floración y fructificación, correspondiente en la mayoría de los casos al 70-80% de cobertura máxima de cada cultivo. Maduración: Desde madurez hasta la cosecha o recolección.

El Kc presenta valores pequeños al inicio del desarrollo del cultivo y aumenta a medida que se incrementa la cobertura del suelo. El valor máximo se alcanza durante la floración, se mantienen durante la fase media y finalmente decrecen durante la maduración. Lo mejor es disponer de valores de Kc para cada cultivo obtenidos en la zona y para distintas fechas de siembra, pero en ausencia de esta información se pueden usar valores referenciales de Kc, presentados en la bibliografía especializada.

Kcmed

Kcinic Kcfin

Tiempo (días) inicial

desarrollo

media

final

Figura 04:26/04/03 Esquema de la variación del coeficiente de cultivo (Kc) 32


2.3.2Evapotranspiración del cultivo Cuando la evapotranspiración se produce sin ninguna restricción de agua en el suelo se conoce como evapotranspiración del cultivo (ETc) y corresponde a la cantidad de agua que debe ser aportada al suelo estacionalmente mediante lluvia y/o riego. La evapotranspiración del cultivo se calcula mediante la ecuación: ETc = ETo x Kc Donde:

ETc = Evapotranspiración del cultivo, en mm/día ETo = Evapotranspiración de referencia, en mm/día

Kc = Coeficiente de cultivo (adimensional) 2.4 Precipitación efectiva Para establecer las necesidades hídricas de un cultivo en una zona determinada es necesario conocer los aportes de agua por precipitación que ocurren durante el ciclo del cultivo. De esta precipitación habrá una fracción variable que contribuirá a compensar parte de la evapotranspiración del cultivo (ETc) y se conoce como precipitación efectiva (PE) ya que no toda el agua que llega en forma de lluvia es aprovechable por el cultivo. Algunas veces éste agua se recibe en un momento, intensidad o cantidad que no es la óptima para el estado del cultivo. Incluso en determinadas circunstancias puede resultar perjudicial (Dastane, 1978). Según este autor, la precipitación efectiva incluye el agua de lluvia que:    

Es interceptada por el cultivo. Es evaporada desde la superficie del terreno. Es utilizada por el cultivo en el proceso de transpiración. Contribuye al lavado de sales.



Facilita determinadas operaciones culturales.

Del mismo modo se puede hablar de precipitación inefectiva como el agua de lluvia que:    

Es arrastrada en forma de escorrentía superficial. Percola por debajo de la profundidad de raíces. Se mantiene en el suelo después de la cosecha pero no será utilizada en el siguiente ciclo de cultivo. Implica un proceso perjudicial o destructivo del cultivo.

Para la medida de la precipitación efectiva sería necesario tener en cuenta los componentes que influyen en su caracterización. Estos componentes son (Dastane, 1978):     

Precipitación total. Pérdidas por escorrentía superficial. Profundidad del suelo explorable por las raíces. Percolación profunda. Evapotranspiración del cultivo.

IRRIGACIONES43

Dastane (1978) ofrece una revisión de los posibles métodos disponibles para la determinación de la precipitación efectiva por medio de ecuaciones empíricas. Entre estos métodos se pueden encontrar:  Ecuación Renfro (Chow, 1964).  Método de U.S. Bureau of Reclamation (Stamm, 1967).  Método del índice de aridez (evapotranspiración potencial / precipitación) (Dastane, 1978).  Método de Soil Conservation Service (SCS), U.S. Department of Agriculture (Dastane 1978). El método del Servicio de Conservación del Suelo del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA, SCS), es recomendable por considerar la ETc como variable en su ecuación. Esto implica que la precipitación efectiva (PE) en una misma región y mes es diferente para cada cultivo. La ecuación general del método es (Cuenca, 1989):





PE  f ( d ) 1.25( Pt ) 0.824  2.93 * 10 ( 0.00095*ETcmes ) Donde: f(D) D riego (mm). Pt ETc=

PE = Precipitación efectiva (mm/mes) = Coeficiente derivado del nivel de agotamiento del suel = Nivel de agotamiento de la humedad del suelo antes de un = Precipitación total (mm/mes) Evapotranspiración del cultivo (mm/mes)

El coeficiente f(D) se obtiene como sigue:

f ( D )  0.53  0.116 D  8.94 * 10 5 ( D ) 2  2.32 * 10 7 ( D ) 3 Cuenca (1989) propone considerar D =75 mm (que implica f(D) =1), salvo que se tenga información específica de este valor. D varía en función del cultivo (especie y variedad), tipo de suelo, manejo del cultivo, sistema de riego, etc. Por las características de precipitación en la sierra del Perú, donde el período de lluvias se concentra entre los meses de octubre a marzo, es necesario calcular la precipitación efectiva (PE) en función a la precipitación mensual al 75% de persistencia, es decir al 75% de probabilidades de que ocurra el evento. Una ecuación apropiada es la relación de Goodrich, que sin ser muy precisa, brinda resultados satisfactorios:

PE  0.6745 * SD  PM

 x   x 2

SD 

n 1

2

/n


Donde:

2.5

PE = SD = PM = 0.6745=

Precipitación efectiva o confiable al 75% de persistencia Desviación estandar de la serie estudiada por mes. Precipitación media mensual en mm Valor para el nivel del 75% de persistencia

Eficiencia de riego y cédula de cultivo Finalmente, el objetivo del riego es restituir la humedad del suelo consumida por los cultivos. Es fundamental que el agua sea aplicada en el momento oportuno y en la cantidad suficiente, por lo que es necesario conocer la relación agua-suelo-planta, teniendo en cuenta el diseño del sistema de riego. Esto significa conocer la cédula de cultivo y la eficiencia con la que debe dotarse de éste agua.

2.5.1Eficiencia de riego En el sistema de riego se producen pérdidas de agua, a partir del sistema de distribución y durante su aplicación a las parcelas de riego. La cantidad de pérdidas de agua es muy variable ya que dependen de diversos factores, como las características de la red de distribución, el método de riego empleado, la naturaleza de los suelos regados, las condiciones climatológicas, etc. Estas pérdidas se evalúan por la eficiencia del sistema de riego, es decir por la relación entre la manera en que se ha realizado el riego, aprovechamiento de agua por parte del cultivo y el ahorro de agua en su aplicación. Son tres eficiencias a analizar: eficiencia de conducción (Ec), eficiencia de distribución (Ed) y eficiencia de aplicación (Ea). El producto de estas eficiencias viene a ser la Eficiencia total del riego. 2.5.1.1 Eficiencia de Conducción En los canales de conducción de un sistema de riego, ocurren pérdidas de agua por evaporación (espejo de agua expuesto) y por infiltración a través de las juntas y paredes del canal. Se entiende que ésta eficiencia será igual al caudal o agua total aplicada con el riego a la parcela (Ao), entre el caudal originalmente captado (Ao).

 Ap   x100  Ao 

Ec  

En general, el agua que se pierde por evaporación del espejo de agua del canal es muy reducida en comparación del agua que se pierde por infiltración. 2.5.1.2 Eficiencia de Aplicación Es la relación entre el agua que queda almacenada en la zona de raíces para ser aprovechada por el cultivo (Ar) y el agua total aplicada con el riego a la parcela (Ap). Su valor dependerá del diseño, estado de los componentes de

IRRIGACIONES45

la instalación y del manejo del riego. En el riego por superficie está entre 55% y 85%.

 Ar   x100 Ea    Ap  La eficiencia de aplicación (Ea), representa hasta cierto punto, la habilidad del agricultor para aplicar el agua de manera uniforme y precisa en la zona de absorción de las plantas. La eficiencia de aplicación (Ea) del sistema de riego depende de las características de su diseño y de su manejo. En la Tabla 2.2 se dan algunas (Ea) de orientación:

Tabla 2.2. Eficiencia de Aplicación para distintos sistemas de riego (Clemmens-Dedrick (1994). SISTEMA DE RIEGO EA (%) Inundación 40-60 Cañón de riego 60-75 Surcos 60-80 Superficie (escorrentía) 65-90 Cobertura móvil 65-85 Lateral de avance frontal 75-90 Goteo 85-90 Microaspersión 85-90

2.5.1.3 Eficiencia de uso o de déficit Es la relación entre el agua transpirada por las plantas (At) y el agua almacenada en la zona radicular (Ar).

 At   x100  Ar 

Eu  

2.5.1.4 Factores que influyen en la eficiencia de riego Los factores que influyen en la eficiencia de riego son:  Superficies con topografía irregular que provocan el estancamiento del agua en las depresiones y que dificultan la distribución uniforme del agua.


 Métodos inadecuados para distribuir y aplicar el agua de riego.  Cuando el caudal aplicado no se ajusta a las condiciones de permeabilidad del suelo: caudales excesivos en suelos poco permeables (escorrentía) y caudales deficientes en suelos muy permeables.  Riego de los campos cuando los suelos están todavía húmedos.  Aplicación de volúmenes excesivos, sobrepasando la capacidad de almacenamiento del suelo en la zona de raíces.  Falta de atención personal del agricultor durante la operación de riego 2.6 Demanda de riego  Demanda unitaria neta o consumo teórico Hallados los factores básicos que necesita un cultivo (evapotranspiración real o del cultivo ETc y la cantidad de agua de lluvia que queda disponible para el cultivo o precipitación efectiva PE), puede calcularse la Demanda Unitaria Neta o Consumo Teórico, que representa la cantidad de agua que el cultivo debería tener a su disposición de forma artificial para lograr su completo desarrollo. Esa cantidad de agua es inferior a la que se debería aplicar a la parcela debido a que todos los sistemas de riego tienen una eficiencia de aplicación (EA) inferior al 100 %, debido a que en el diseño y/o manejo del riego, se producen pérdidas de agua por escorrentía, evaporación o percolación profunda que suponen un volumen de agua de riego que el cultivo no va a aprovechar. La demanda unitaria neta se calcula:

DN  ETR  PE Donde:

DN = ETR = PE =

Demanda Unitaria Neta de riego (mm/mes) Evapotranspiración real o de cultivo (mm/mes) Precipitación efectiva (mm/mes)

 Demanda unitaria bruta de riego Dependiendo de las condiciones de salinidad del suelo y del agua se han de tener en cuenta unas necesidades de lavado expresadas como una fracción (fl) de la Demanda Unitaria Bruta de riego (DB), que se calcula por:

DB 

Donde:

DB Ea f1

= = =

DN (1  f1 ) Ea

Demanda unitaria bruta de riego (mm/mes) Eficiencia de aplicación (%) Fracción de lavado (%).

IRRIGACIONES47

La DN de riego para cambiar de mm a m3 se aplica: 1 mm/Ha = 10 m3/Ha 2.7 Programación de riego 2.7.1 Constantes de humedad  Humedad equivalente (He): Es el contenido del agua en el suelo en porcentaje (%), después que este ha sido sometido a una fuerza centrifuga 1000 veces mayor que la fuerza de la gravedad por 30 min de tiempo.  Capacidad de campo (CC): Es el contenido máximo de de humedad del suelo en porcentaje (%), cuando este ha sido sometido a la fuerza de gravedad terrestre, ha cesado el drenaje y la fuerza de retención de humedad es de 0.1 a 0.5 bares para suelos arenosos y arcillosos respectivamente. El método de humedad equivalente (de laboratorio), permite el cálculo de la CC:

CC  0.856 He  2.62  Punto de marchitez permanente (PMP): Es el contenido de Humedad del suelo en porcentaje (5), cuando dicho contenido es tan bajo que la fuerza de succión de las raíces de la planta se hace insuficiente para continuar extrayendo agua y la fuerza de retención del agua por las partículas del suelo es de 15 bares. La ecuación de Briggs, permite calcular el PMP en función de la humedad equivalente:

PMP 

He 1.84

 Humedad aprovechable (Ha): Es la cantidad de agua en porcentaje (%), comprendida entre los puntos de la Capacidad de Campo (CC) y el Punto de Marchites Permanente (PMP), y que es posible de ser aprovechada por la planta para su crecimiento y desarrollo.

Ha  CC  PMP  Humedad Actual o presente (Hs): Es el contenido de agua del suelo en porcentaje (%), en cualquier momento en el que se desea hacer su determinación, especialmente cuando a de aplicarse el riego. El valor de (Hs) se utiliza en el cálculo de la lámina de riego a aplicarse al suelo. En éste sentido, el riego debe efectuarse cuando se ha consumido entre el 50% al 60% de la humedad aprovechable (Ha), máximo el 75%.

Hs  PMP  0.5 Ha


2.7.2Lamina de riego La lámina de riego o dosis de riego se define como la cantidad de agua, en términos de altura o tirante (en función de sus constantes hídricas, densidad aparente, profundidad de enraizamiento y humedad), aplicada en cada riego para compensar el déficit de humedad del suelo, proporcionándole el agua suficiente para su crecimiento y desarrollo durante un período de tiempo denominado frecuencia de riego. El cálculo de la lámina de riego debe hacerse para cada horizonte de suelo, se determinan las láminas parciales que sumadas dan la lámina total. La ecuación para su cálculo es:

Para riego de machaco9:

Ln 

 CC  PMP  Da * Pr

Para riego complementario:

Ln 

 CC  HS  Da * Pr

Donde:

Ln = CC = PMP= HS = Da = Pr =

100

100

Lámina neta de riego (cm) Capacidad de campo (%) Punto de marchites permanente (%) Humedad del suelo actual o presente (%) Densidad aparente (gr/cm3) Profundidad de enraizamiento (cm)

La lámina de riego será la lámina neta entre la eficiencia del sistema.

Lr  Donde:

Lr = Ea =

Ln Ea

Lámina bruta de riego (cm) Eficiencia de aplicación

El cálculo de la lámina de riego debe hacerse por cada horizonte de suelo, determinando las láminas parciales y por suma de éstas, la lámina total. 2.7.3Tiempo de riego (Tr) Es el tiempo necesario para que la lámina de agua que corresponde exactamente al descenso de humedad existente, se infiltre en el terreno. Es decir es el período de tiempo en que el agua permanece en contacto con el suelo superficial en el proceso de riego dependiendo este de la capacidad del suelo y la velocidad de infiltración del agua, de la lámina a aplicarse y otros

9

Riego de machaco es el riego al inicio del período de labranza, y se realiza para humedecer el suelo apropiadamente para preparar los surcos de siembra.

IRRIGACIONES49

factores. El tiempo de riego se usa para el riego de machaco y riego complementario.

 Ln    K 

1/ m

Tr   Donde:

Ln K T m

= = = =

Lámina neta de riego o de infiltración acumulada (cm) Constante10 (cm/min). Tiempo de riego (min). constante de infiltración (m=0.44)

En función del gasto sostenible el área de riego y la profundidad del agua almacenada.

T * Q  A * Da Donde:

Da T Q A

= = = =

densidad aparente o Profundidad del agua almacenada Tiempo de duración del riego (min). Caudal o gasto Area de riego

2.7.4Frecuencia de riego (Fr) Depende del tiempo que debe transcurrir entre dos riegos sucesivos. La frecuencia de riego o el intervalo entre riegos, es el número de días que ha de transcurrir entre un riego y el siguiente. Se calcula con el valor de la lámina de neta (Ln) y de la evapotranspiración real o del cultivo (ETR), mediante:

Fr 

Fr 

Ln ETR

 CC  CH  Da * Pr 100 * Ud

(En función de la lámina neta)

(En función del consumo de agua)

Donde: Ud = Consumo de agua (cm/día), correspondiente al mes que se considera. Fr = Frecuencia de riego entre dos aplicaciones consecutivas (días). Da = Densidad aparente (gr/cm3) Ln = Lámina neta de riego (mm) Pr = Profundidad de las raices (cm) CH = % de humedad que se quiere dejar en el suelo (>PMP) 2.7.5Numero de riegos: Depende del intervalo o frecuencia de riegos por mes para un cultivo cualquiera. El número anual de riegos puede estimarse a partir de las necesidades hídricas de los cultivos y de la dosis de riego. Por ejemplo, para un cultivo, instalado en un suelo ligero, cuyas necesidades hídricas sean de 7000 m3/ha, al que se aplica una dosis de 500 m3/ha, serán necesarios 14 riegos. Si el suelo fuera más pesado, a aplicarse una dosis de 700 m 3/ha, se 10

La constante K, se deduce de la lámina de infiltración en el primer minuto de la prueba de infiltración y se da en cm. o cm/min.


requerirá 10 riegos. En este aspecto los terrenos pesados son más favorables para el riego que los ligeros debido que a igualdad de cultivo requieren menos riegos y por tanto dan lugar a un menor costo de la mano de obra. 2.7.6Calendario de cultivos El calendario de cultivos es la sistematización de la estadística disponible llevada a números relativos y que permiten observar el comportamiento bajo estudio, en un determinado espacio de tiempo. De acuerdo a este calendario se realiza la programación de riegos en donde se considera la (Lr), (Fr), (Tr), con el fin de obtener una mayor productividad. CALENDARIO DE COSECHAS Y SIEMBRA EN LA SIERRA (ejemplo) Leguminosas

Ago. Sep. Oct. Nov. Dic. Ene. Feb. Mar. Abr. May. Jun. Jul.

Arveja, Alverjón verde Frijol asociado Haba verde Lenteja Tarwi

2.8 Factores que determinan la programación de riego  Demanda unitaria neta (m3/Ha): Es el consumo de agua calculado para una especie determinada. Se tienen ya estadísticas determinadas en función a climas, cultivos, características agronómicas, época de siembra, variedad de cultivos, eficiencia de riego, etc.  Demanda unitaria bruta (m 3/Ha): Depende de la efectuada en la zona.

calidad

de riego

 Profundidad radicular: Depende de la edad de la planta, del suelo y de la cantidad de agua a aplicarse.  Dosis bruta: Depende del cultivo y del suelo.  Consumo diario: Depende de la cantidad de agua a consumirse diariamente por el cultivo. Está determinada por la demanda bruta en función al número de días del indicado mes. 2.9 Calidad de agua de riego Un sistema de riego conlleva a tomar en cuenta, factores preponderantes en su éxito, eficiencia y desarrollo. 

El agua es el elemento esencial para el desarrollo agrícola; su aprovechamiento, utilización y conservación son la base en cualquier estrategia de desarrollo agrícola.

IRRIGACIONES51



El suelo, es un factor a ser tomado en cuenta en todo programa de riego, en cuanto a sus características físico-químicas iniciales.



El clima afecta el uso y manejo del agua de riego debido principalmente a la temperatura, precipitación, evaporación, etc.



El cultivo, como objetivo final de toda actividad agrícola deberá estar en función directa de los tres factores antes mencionados, enfocados desde el punto de vista de la tolerancia relativa a la salinidad y sequía.

Finalmente las prácticas de riego y drenaje así como las prácticas culturales en general, son las que están más directamente controladas por el hombre, deberán estar orientadas, al manejo racional del agua, del suelo y del cultivo, teniendo como objetivo final la objeción de rendimientos económicamente rentables sin deterioro de los mismos. 2.9.1 Factores ecológicos La calidad de los constituyentes del agua de riego están relacionados al análisis y anticipo de cuatro problemas: salinidad, permeabilidad, toxicidad (por absorción radicular y foliar) y problemas misceláneos. 2.9.2 Composición química del agua (Calidad) a)

Salinidad: Es una medida de la cantidad de sales disueltas en el agua de riego. La conductividad eléctrica (CE) es una de las más usadas, en tanto que el total de sólidos disueltos (TDS) lo es en menor proporción. La reducción del crecimiento de los cultivos por la salinidad es causado por el potencial osmótico (PO) ya que reduce la capacidad de las raíces de las plantas a extraer agua del suelo. La disponibilidad del agua en el suelo está relacionada a la suma del potencial métrico y potencial osmótico. El daño por sales vía foliar puede ocurrir en el riego por aspersión, éste daño depende de la salinidad del agua, sensibilidad del cultivo, frecuencia de aspersión y de factores medioambientales (temperatura, humedad relativa, luz, etc). Algunos factores de conversión son usados para las aguas basados sobre todo en el tipo y cantidad de sales: - CE en dS/m x 640

=

- CE en dS/m x 0.36 - CE en dS/m x 10

= =

Total de Sólidos Disueltos (TSD) en ppm (mg/l) Presión Osmótica Total (P.O.) en KPa Concentración (C) Σ Aniones = Σ Cationes en meq/l.

NOTA: Estos factores correlacionan bien entre los rangos de 0.5ª 1.5 dS/m de salinidad Componentes solubles del agua de riego: 1) Constituyentes Mayores (en función de su origen)


a) Agua de Lluvia: Gases disueltos (N2, Ar, O2, CO2) b) Agua Superficial: Mayores constituyentes (Ca2+, Na+, Mg2+ Cl-, SO42- , HCO3 - ) c) Aguas Subterráneas d) Agua de Mar: Cl- = 55%, Na+ = 30%, SO42- = 7%, Mg2+ = 3.7%, K+ = 1.1% 2) Constituyentes Menores Li, Rb, Co, Be, Sr, Ba, Ra, Se, Ar, Sb, Cu, Co, Ni, Zn, Ti, Zr, Vn, Cr, Mo.

3) Variaciones Estacionales. b)

Permeabilidad: Los problemas de permeabilidad están relacionados a dos factores en el análisis del agua de riego: Baja salinidad y alto sodio. 

B aja salinidad (baja CE): Aguas puras no pueden penetrar en el suelo como las aguas contienen sales.



A lto sodio (alto RAS): Aguas con alto sodio (Alta Relación de Absorción de Sodio (RAS) usadas por el riego muchas veces resultan en problemas de permeabilidad en el suelo debido a los altos niveles de Na con respecto al nivel del Ca y Mg; el RAS es expresado y calculado como:

RAS 

Na (Ca  Mg ) 2

El RAS es usado para estimar el problema de permeabilidad esperado en el suelo después de un período de uso del agua de riego de un RAS alto; éste es medido en el suelo por el PSI (Porcentaje de Sodio Intercambiable). El PSI es un problema potencial, puede ser que se desarrolle o no. El PSI es calculado por la ecuación:

PSI 

100(0.0126  0.0145 RAS ) A  (0.0126  0.01475 RAS )

El sodio es uno de los factores que influyen en la calidad de agua, por su efecto en el suelo y en la planta. Varios métodos han sido propuestos para expresar el peligro de sodio, siendo el porcentaje de sodio soluble (PSS) el más usado y que es calculado por la fórmula:

IRRIGACIONES53

PSS 

 Na .meq / l 

 cationes.meq / l

x100

Para aguas que tienen menos de 10 meq/l 11 de sales totales el límite permisible es 80% y para aguas en mayor contenido de sales, 60% es considerado como peligroso.

c)

Toxicidad Los problemas de toxicidad están referidos a los constituyentes (iones) en el suelo o agua que pueden ser tomados y acumulados por las plantas hasta concentraciones altas, causando daño a los cultivos o baja en su rendimiento. El grado del daño depende de la asimilación y la sensibilidad del cultivo. Por ejemplo, árboles frutales u ornamentales son más sensitivos el cloro (Cl), sodio (Na) y Boro (B) que muchas plantas anuales. Por tratarse de iones que causan daños drásticos en las plantas, tocaremos en forma muy resumida el efecto específico de algunos iones.

d)

11



Cloro (Cl).- El cloro es movido por la corriente transpiratoria y acumulado en las hojas, cuando excede la tolerancia del cultivo, se produce daño en las hojas o secándose las mismas. En casos extremos puede haber necrosis y caída de hojas. Toxicidad de cloro puede ocurrir por absorción directa durante el riego por aspersión.



Sodio (Na).- Su toxicidad no es fácilmente diagnosticada como el cloro, pero se han reportado casos usando aguas con alta concentración de sodio (alto % Na o alto RAS). Síntomas de toxicidad típicos como “chamuscado” y muerte de tejidos y, quemaduras fuera del borde de las hojas son encontrados (contrariamente al cloro). Es corregida si se aumenta suficientemente el calcio al suelo.



Boro (B).- El Boro, a diferencia del Sodio, es un elemento esencial para el desarrollo de la planta y es necesario relativamente en cantidades mínimas; sin embargo, si está presente en apreciables cantidades que la necesaria, causa toxicidad. Los síntomas de toxicidad son normalmente mostrados en las hojas viejas como amarillamiento, parcelamiento o secado del tejido de las hojas, de las puntas y bordes hacia adentro.

Misceláneos

Meq/l = Los miliequivalentes/litros no son más que una medida para cuantificar en teoria las moléculas o unidades fórmulas (en el caso de los electrolitos y demás iones) presentes en una unidad de peso o volumen (en este caso, Litro) que son efectivos en una reacción química, a esto se le llama concentración.


Otros problemas se dan por la alta concentración de nitratos (N-NO3) y amonio (N-NH4+) que pueden causar problemas de un excesivo desarrollo vegetativo, detenimiento y retrazo de la madurez. Otro riesgo son las sales de bicarbonatos (HCO3 -), yeso (CaSO4) o fierro (Fe). Otros problemas están asociados con un pH normal. Sustancias orgánicas suspendidas como también sedimentos inorgánicos causan problemas en el sistema de riego, a través de atoros en la entrada, cabezal de aspersores y en goteros. Ellos pueden causar daño a la bomba misma si ésta no tiene un filtro para excluirlos. 2.9.3Cultivos La planta es el resultado de la interacción de su dotación genética y el medio ambiente, que es mejorada por la intervención de la técnica agronómica que cambia los procesos naturales. Por lo que una producción creciente de alimentos puede enfocarse bajo las siguientes estrategias: a) Mejora biológica conducente a seleccionar variedades de plantas con mayor tolerancia a la salinidad y a la sequía. b) Mejoras tecnológicas conducentes a:  Un control de la salinidad de los suelos irrigados en función de la tolerancia de los cultivos.  Empleo de sistemas de riego de alta frecuencia que permitan una mejor distribución y acumulación de sales en el suelo sin deterioro de los rendimientos.  Prácticas de cultivos que maximicen la eficiencia de utilización de agua en agricultura de secano. La evaluación de las aguas muchas veces esta basada sobre la tolerancia de un cultivo en partículas a la concentración total de sales o de un ión especifico. Al respecto, Mass (1986) sostiene que la tolerancia de las plantas a la salinidad es apreciada por uno de estos tres factores:  La habilidad de las plantas a sobrevivir sobre sales solubles.  El crecimiento o rendimiento absoluto y,  El crecimiento o rendimiento relativo de suelos salinos con respecto al rendimiento sobre suelos no salinos. 2.9.4Suelos El comportamiento de un suelo en contacto con el agua salada depende de las propiedades físicas iniciales del suelo y el contenido de sales del agua. Por lo tanto, la composición inicial del suelo, influencia las propiedades de cambio durante el contacto agua–suelo. Condiciones de alta humedad y temperatura pueden acelerar dicho proceso. En cualquier caso, las condiciones que favorezcan dicho proceso, como el predominio de bicarbonatos en el agua, pérdida de CO2 , mal drenaje, etc, contribuyen a un enriquecimiento relativo de Na en la solución suelo y consecuentemente en el complejo de cambio. Los términos a usarse para evitar confusiones son:  Suelo salino (C.E.> 4 dS/m, pH<8.5 y PSI<15) se refiere a la acumulación de sales totales (sulfatos y cloruros de Ca, Mg y Na), en cantidades que afectan a las plantas por la alta concentración osmótica de la solución suelo y la limitación impuesta a la absorción de agua, pero que no incidan desfavorablemente sobre las propiedades físicas del suelo ni aún después de eliminarlas por lixiviación con agua.

IRRIGACIONES55



Suelo sódico (C.E.< 4 dS/m, pH, 8.5 – 10.0 y PSI>15) es aquel cuya acumulación de sodio en solución y en forma intercambiable, ha conducido a un deterioro tal de sus propiedades físicas, que se hace difícil el manejo práctico del riego, por la difícil penetración y almacenamiento del agua en el suelo, requerida para el cultivo. Suelo salino-sódico (C.E. > 4 dS/m, pH≤ 8.5 y PSI>15) se dice cuando existen suficientes sales en solución (sulfato de Na), para afectar la absorción de agua por las plantas y la producción económica de los cultivos y que al ser lixiviados con agua sufren un deterioro marcado de sus propiedades físicas, que les da características de suelos sódicos.



2.9.5Clima La evapotranspiración y la lluvia son dos elementos climáticos más considerados cuando se evalúa el suministro del agua de riego. La evapotranspiración ET (cultivo) indica la tasa de evapotranspiración de un cultivo exento de enfermedades, que crece en un campo extenso (una o más hectáreas) en condiciones óptimas de suelos, incluida la fertilidad y una agua suficiente, en el que se llega a un potencial de plena producción con arreglo al medio vegetativo dado. La lluvia a su vez, aporta en algunos casos, grandes cantidades de agua las mismas que deben ser evaluadas (en calidad y cantidad), finalmente ser consideradas en otro programa de riego. 2.10 Protocolo de análisis de agua para riego 2.10.1 Toma de muestras Se recomienda que la toma de muestras se realice en el punto de toma, a 100 m. aguas arriba y aguas abajo de la bocatoma. La muestra debe considerar las siguientes características:  Recipiente: de preferencia de plástico y un litro de capacidad  La muestra debe ser representativa, relativamente reciente (no mas de una semana entre la toma y el análisis), conservada en congeladora a 4ºC, perfectamente identificada, indicando origen, localización, cultivo de destino, características de los suelos a regar. 2.10.2 Parámetros a analizar  En el protocolo de análisis debe aparecer: o o o

Cationes: calcio, magnesio, potasio y sodio Aniones: cloruros, sulfatos, carbonatos, bicarbonatos y nitratos. Parámetros de calidad: - RAS, se calcula a partir de las concentraciones de sodio, calcio y magnesio, según la figura 1. - A partir del RAS se determina el RAS ajustado, según la tabla 1. RAS ajustado = RAS [1 + (8,4-pHc)] PHc = (pK2 -pKc) + p (Ca+Mg) + p(AlK)


-

Dureza 

mg / Ca 2,5  mg / Mg 4,12 10

, Se expresa en

grados hidrotimétricos. - Carbonato sódico residual CRS=(CO3 H- ) + (CO32- ) – (Ca2+ ) – (Mg2+ ) - Índice de Scott o coeficiente alcalinométrico. Relaciona el posible exceso de sodio respecto al cloruro y sulfato con el álcali nocivo para la planta. Para su cálculo deben diferenciarse tres casos, que aparecen en la tabla 2. o o o

pH Conductividad eléctrica (CE). Boro.

2.10.3 Interpretación de resultados Para interpretar los resultados deben tenerse en cuenta de forma simultánea las características del agua, cultivo y suelo correspondientes. A partir del CRS puede clasificarse el agua de la siguiente forma: - Agua recomendable: CRS < 1,25. - Agua poco recomendable: CRS entre 1,25 y 2. - Agua no recomendable: CRS > 2. En la tabla 3 se muestra la clasificación de las aguas de riego según su dureza. El agua también puede clasificarse según los valores del índice de Scott (tabla 4).

IRRIGACIONES57

Figura.1-Diagrama para determinar el RAS de las aguas de riego y para estimar el valor correspondiente del PSI del suelo en equilibrio con el agua. Fuente: Richars L.A (1974)

Tabla 1.- Cálculo del SAR ajustado. Valores correspondientes a las relaciones de cationes Ca, Mg y Na y de carbonatos y bicarbonatos Suma de Ca2+, Mg2+ y Na+(meq/l)

Valor de (pK2pKc)

Suma de Ca2+ y Mg2+ (meq/l)

Valor de p(Ca + Mg)

Suma de CO3 2-y CO3H(meq/l)

Valor de p(AlK)

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,40 0,50 0,75 1,00 1,25

2,0 2,0 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,1 2,1 2,1 2,1

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,40 0,50 0,75 1,00 1,25

4,6 4,3 4,1 4,0 3,9 3,8 3,7 3,6 3,4 3,3 3,2

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,40 0,50 0,75 1,00 1,25

4,3 4,0 3,8 3,7 3,6 3,5 3,4 3,3 3,1 3,0 2,9


1,50 2,00 2,50 3,00 4,00 5,00 6,00 8,00 10,00 12,50 15,00 20,00 30,00 50,00 80,00 Fuente: FAO 1976

2,1 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,3 2,3 2,3 2,3 2,4 2,4 2,5 2,5

1,50 2,00 2,50 3,00 4,00 5,00 6,00 8,00 10,00 12,50 15,00 20,00 30,00 50,00 80,00

3,1 3,0 2,9 2,8 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 1,8 1,6 1,4

1,50 2,00 2,50 3,00 4,00 5,00 6,00 8,00 10,00 12,50 15,00 20,00 30,00 50,00 80,00

2,8 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9 1,8 1,7 1,5 1,3 1,1

Tabla 2: Cálculo del índice de Scott meq/l

mg/l

1er caso: Cl- ≥ Na+

K1 

2040 Cl

2º caso: Cl- < Na+ ≤ (Cl- + SO4 2-) 3ercaso: Na+ > (Cl- + SO4 2-)

K2 

6.62 D 2.6C 7  Na

662 Na  0.32Cl  0.43SO4

Fuente: Canovas K 3 1986 

Tabla 3: Clasificación de las aguas de riego según los grados hidrotimétricos franceses Tipo de agua

Grados hidrotimétricos franceses

Muy blanda

Menor de 7

Blanda

.7-14

Semiblanda

14-22

Semidura

22-32

Dura

32-54

Muy dura

Más de 54

Fuente:Junta de Extremadura 1992 Tabla 4: Calidad del agua según los valores de Scott Calidad del agua

Valores del Índice de Scott

IRRIGACIONES59

Buena

> 18

Tolerable

18-.6

Mediocre

6-1,2

Mala

<2 Fuente: Canovas (1986).

El contenido en boro del agua de riego también determina su calidad (tabla 5), pero hay que considerar la tolerancia del cultivo a este microelemento. Tabla 5: Calidad del agua de riego en relación con su contenido de boro Clase respecto al boro

Cultivos sensibles ppm

Cultivos semitolerantes ppm

Cultivos tolerantes ppm

1

< 0,33

< 0,67

> 1,00

2

0,33 a 0,67

0,67 a 1,33

1,00 a 2,00

3

0,67 a 1,00

1,33 a 2,00

2,00 a 3,00

4

1,00 a 1,25

2,00 a 2,50

3,00 a 3,75

5

> 1,25

> 2,50

> 3,75

Fuente: Cadahía 1997 A partir de los datos de CE y RAS se establece la clasificación del agua según las normas Riverside (tabla 6 y figura 2) que es un método fundamental para definir su calidad.


e

respecto

al

boro

Cultivos

Figura 2-Normas de Riverside para evaluar la calidad de las aguas de riego.(U.S. Soild Salinity Laboratory). Fuente: Blasco y de la Rubia (Lab. de suelos IRYDA,1973)

IRRIGACIONES61

Tabla 6.- Clasificaciones de las agues según las normas Riverside Tipos

Calidad y normas de uso

C1

Agua de baja salinidad, apta para el riego en todos los casos. Pueden existir problemas sólo en suelos de muy baja permeabilidad.

C2

Agua de salinidad media, apta para el riego. En ciertos casos puede ser necesario emplear volúmenes de agua en exceso y utilizar cultivos tolerantes a la salinidad.

C3

Agua de salinidad alta que puede utilizarse para el riego de suelos con buen drenaje, empleando volúmenes de agua en exceso para lavar el suelo y utilizando cultivos muy tolerantes a la salinidad.

C4

Agua de salinidad muy alta que en muchos casos no es apta para el riego. Sólo debe usarse en suelos muy permeables y con buen drenaje, empleando volúmenes en exceso para lavar las sales del suelo y utilizando cultivos muy tolerantes a la salinidad.

C5

Agua de salinidad excesiva, que sólo debe emplearse en casos muy contados, extremando todas las precauciones apuntadas anteriormente.

C6

Agua de salinidad excesiva, no aconsejable para riego.

S1

Agua con bajo contenido en sodio, apta para el riego en la mayoría de los casos. Sin embargo, pueden presentarse problemas con cultivos muy sensibles al sodio.

S2

Agua con contenido medio en sodio, y por lo tanto, con cierto peligro de acumulación de sodio en el suelo, especialmente en suelos de textura fina (arcillosos y franco-arcillosos) y de baja permeabilidad. Deben vigilarse las condiciones físicas del suelo y especialmente el nivel de sodio cambiable del suelo, corrigiendo en caso necesario

S3

Agua con alto contenido en sodio y gran peligro de acumulación de sodio en el sujelo. Son aconsejables aportaciones de materia orgánica y empleo de yeso para corregir el posible exceso de sodio en el suelo. También se requiere un buen drenaje y el empleo de volúmenes copiosos de riego.

S4

Agua con contenido muy alto de sodio. No es aconsejable para el riego en general, excepto en caso de baja salinidad y tomando todas las precauciones apuntadas.

Por otro lado, la permeabilidad del sustrato influye de forma notable en la definición de la calidad del agua de riego, ya que es necesario conocer el suelo para determinar el riesgo de salinidad y de sodio. En las figuras 3 y 4 se muestra gráficamente la incidencia de la permeabilidad del suelo. También es aconsejable considerar el análisis de suelo, para prever la interacción del agua de riego, que va a ser determinante sobre la nutrición de la planta. Normas L. V. Wilcox: Considera como índices para la calificación de las aguas el porcentaje de sodio respecto al total de cationes y la conductividad eléctrica. % Na+ = 19,1 % C.E. = 500 μmhos/cm Como puede observarse en el gráfico IV.3, tenemos un agua de excelente a buena.


Figura 3- Normas L. V. Wilcox: Clasificación del agua de riego en función de la conductividad y el % de sodio. “ Tratado de fitotecnia general”Clasificación de las aguas de riego basada en el riego de salinidad.

IRRIGACIONES63

Figura 4-Clasificación de las aguas de riego basada en el riego de sodio.Fuente:Cánovas(1986)

Figura 5 -Normas de L.V. Wilcox. Diagrama para la interpretacion de un agua de riego.(Adaptado de "The Quality of Water for Irrigation USE¨,U.S.D.A).Fuente Cánovas (1986)


IRRIGACIONES65

III. DISEÑO DE CANALES 3

Introducción Los sistemas de riego cobran cada vez mayor importancia, debido principalmente al incontrolable crecimiento poblacional, que obliga a adoptar sistemas de riego donde la producción debe ir paralelamente a la productividad. Sin embargo, esta constante preocupación por la producción y productividad ha descuidado otros factores importantes en la producción agrícola, como por ejemplo. La calidad del suelo, cada vez más deteriorado, el uso de fertilizantes químicos que aumentan la producción, pero dañan irremediablemente los suelos y afectan a la salud humana, el recurso hídrico cada vez más escaso, y sobre todo los niveles de contaminación de los suelos y aguas sub superficiales en conjunción con el deterioro ambiental, que se tornan en limitantes para una producción agrícola sostenida y con futuro. A ello se suma la producción transgénica, que puede ser una solución al hambre en un futuro corto, pero que igualmente afecta a la salud humana aún cuando no se ha probado fehacientemente. Lo mencionado, permite analizar con detenimiento, cuál debe ser el futuro responsable de los proyectistas, ingenieros, agricultores y población en general, en relación a la producción alimentaria y por consiguiente, a los sistemas de riego y metodologías más eficientes en la producción agrícola y la productividad de los campos de cultivo. Bajo éste contexto, considero que la ingeniería juega un papel importante, tanto en el diseño como en la construcción de sistemas de riego, que siendo económicos, puedan igualmente permitir el incremento de la producción sin desmejorar las condiciones naturales de los suelos, y potenciando el uso de fertilizantes de origen orgánico, sin presencia de compuestos que dañen la salud humana. Esta cuarta unidad, precisamente conlleva a los estudiantes a lograr un concepto claro de su participación futura como profesionales en el diseño de canales dentro de un sistema de riego, teniendo por principio, “LA CALIDAD EN EL DISEÑO, LA ECONOMIA EN SU CONSTRUCCION Y LA EFICIENCIA EN SU USO”, los que redundarán en su profesionalismo y su participación en una sociedad que exige cada vez más de sus conocimientos y sus aptitudes sociales. No debemos olvidar también, que los peruanos provenimos de una cultura que cultivó una aptitud de riego con altos rendimientos y con sistemas de riego de alta ingeniería, de los que tenemos muestras en Cumbemayo (Cajamarca),


Pisac, Tambomachay, entre otros (Cusco), Nasca y Tiahuanaco y otras culturas y pueblos preincas. Los Preincas, y sobre todo los Incas, lograron una sinergia que hizo posible la provisión de alimentos para una población que, en la sierra, fue mayor que la actual, y que no solo creció a mayor velocidad que la expansión física en los setenta años finales del Imperio Inca, sino que se urbanizo, y creo con ella la demanda de mayor eficiencia agrícola. Adjunto como corolario, un articulo publicado en la revista Technology Review, donde Lester Thurow, renombrado economista norteamericano que analiza la influencia de la Tecnología en el bienestar, afirma: "... los Incas tenían un sistema muy elaborado de irrigación. Cuando los españoles los conquistaron no efectuaron la necesaria inversión en los canales. Medio siglo después esa sociedad, una vez rica era pobre". Finalmente es necesario entender que un proyecto de riego comprende el diseño de los canales y obras de arte, los que son de vital importancia en el costo de la obra, pero no más importantes que el caudal, factor clave del diseño y el mas importante en un proyecto de riego, porque es un parámetro que se obtiene basándose en el tipo de suelo, cultivo, condiciones climáticas, métodos de riego, hidrología, relación del trinomio agua - suelo – planta, y primordialmente el regante. Lo que exige del profesional, una planificación de canales, con pleno conocimiento de estas disciplinas y un amplio panorama social, cultural y ambiental para lograr de su diseño, la eficiencia, eficacia y sobre todo, el reconocimiento a su trabajo. 3.1 Concepto Se denomina canal al conducto natural o artificial que permite transportar fluidos -generalmente agua- por gravedad, debido a que está en contacto continuo con la atmósfera. El estudio hidráulico en canales se caracteriza porque el movimiento del agua se realiza por su propio peso, sin ningún gasto energético y aprovechando la fuerza de la gravedad. Además hay que considerar que en el funcionamiento de un canal, actúan diversas fuerzas. Por ejemplo, al circular el agua por los canales, provoca un rozamiento que desgasta las paredes del canal (fuerza de rozamiento); el flujo del agua, transporta partículas sólidas, debido a la energía cinética que se genera por el movimiento, ésta es la fuerza tráctil; el efecto de erosión del canal se debe a la fuerza erosiva. Por tanto para el estudio hidráulico de los canales se aplican las ecuaciones de la mecánica clásica. 3.2

Clasificación de los canales Los canales se clasifican como sigue:

3.2.1 Según su origen:  Canales Naturales: Son los cursos de agua existentes en forma natural como consecuencia del escurrimiento de la lluvia, varían desde un riachuelo hasta un río, se incluye entre estos los cauces subterráneos que llevan agua a superficie libre.

IRRIGACIONES67

 Canales Artificiales: Pueden ser con revestimiento y sin revestimiento. Son los construidos por el hombre tales como: los canales de navegación, túneles, canales de riego y otros.

Canal natural

C a n a l a rtific ia l

3.2.2Según su función en el sistema de riego:  Canal de Derivación: Denominado también canal aductor, es el que recibe las aguas después de una captación que previo vertedor de demasías, deriva sus aguas hacia el canal de conducción.  Canal de Conducción: Es el canal que conduce las aguas desde la bocatoma hasta el punto de entrega al canal principal o Madre.  Canal de Distribución: Denominado también canal Principal, Madre o de Primer Orden, es el canal que recorre por los puntos mas altos del terreno por regar y desde le cual se inicia la distribución mediante canales laterales. Se le traza siempre con pendiente mínima.  Canales Laterales: Denominados también canal secundario o de segundo orden: Son aquellos que salen del canal de distribución y el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia los sub laterales. El área de riego que sirve un lateral se conoce como Unidad de Riego.  Canales sub laterales: Denominados también canal terciario o de tercer orden: Nacen de los canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades individuales a través de las tomas de parcela, el área de riego que sirve un sub lateral se conoce como Unidad de Rotación.  Surco: Que son los canales que distribuyen el agua directamente a la planta, son en tierra y permiten la infiltración hacia la zona radicular de la planta. Se puede deducir que, varias unidades de rotación, constituyen una unidad de riego y varias unidades de riego, constituyen un área de riego. 3.2.3Según su sección transversal Pueden clasificarse en canales abiertos y canales cerrados. Son canales abiertos aquellos en los que la lámina de agua en contacto con la atmósfera se encuentra visible. Sus características principales son: bajo coste de limpieza, rápidos de limpiar, necesitan un camino de servicio paralelo para limpieza, crean una barrera artificial que impide el acceso a distintas


zonas, requieren de obras singulares (sifones, acueductos, etc), para cruzar depresiones, caminos, ríos, arroyos. Entre éstos canales se tienen:  Canales Rectangulares: Se utilizan en conductos cubiertos, transiciones, estructuras menores, etc.  Canales Trapezoidales: Son los mas empleados en irrigaciones.  Canales Triangulares: Utilizados en modelos, en obras de drenaje de carreteras.  Canales Semicirculares: Utilizados en canales prefabricados y para pruebas de laboratorio, en sistemas de riego, su construcción es muy limitada porque requieren de calidad en la mano de obra. Son canales cerrados, aquellos en los que la lámina de agua en contacto con la atmósfera se encuentra sin visibilidad. Se caracterizan por: costos elevados de limpieza, secciones mínimas con dificultad para limpieza, no requieren obras singulares para cruzar depresiones u otros obstáculos, no requieren de caminos de servicio para limpieza, la mayor parte de estos canales son prefabricados.  Canales Rectangulares: Se utilizan en conductos cubiertos, transiciones, estructuras menores, etc.  Canales Circulares: Trabajan parcialmente llenos se emplean en túneles, conductos cubiertos, alcantarillas y desagüe.  Canales en Herraje: Se utilizan en túneles, alcantarillas y conductos cerrados. La sección transversal más eficiente de los canales abiertos es un semicírculo, porque reduce al mínimo el perímetro sumergido y ofrece un máximo de radio hidráulico, sin embargo su dificultad está en el proceso constructivo, lo que lo limita. Se recomienda un amplio radio hidráulico para los canales que transporten caudales mayores.

Sección transversal abierta: Canales abiertos

IRRIGACIONES69

Sección transversal cerrada: canales cerrados 3.2.4Según el material de su construcción:  Canales de tierra: Sólo en canales abiertos. Tienen un bajo costo de construcción, pero un elevado costo de explotación y grandes pérdidas de agua.  Hormigón en masa y hormigón prefabricado: Válido para canales abiertos.  Materiales asfálticos: Para canales abiertos.  Membranas plásticas: como PVC, para canales abiertos.  Tuberías de hormigón en masa, hormigón armado PVC, polietileno, fibrocemento, acero, Poliéster reforzado con fibra de vidrio: para canales cerrados. 3.2.5Flujos en canales abiertos El diseño de un canal abierto, dependerá del comportamiento del flujo que va por él. Igualmente incidirá en su mantenimiento y conservación, así tenemos:  Flujo permanente y no permanente Esta clasificación obedece a la utilización del tiempo como variable. El flujo es permanente si los parámetros (tirante, velocidad, área, etc.), no cambian con respecto al tiempo, es decir, en una sección del canal en todos


los tiempos los elementos del flujo permanecen constantes. Matemáticamente se puede representar:

y v  0; 0; t t y  0; t

A  0 ; (flujo permanente) t

v A  0;  0 ; (flujo no permanente) t t

 Flujo uniforme y variado El flujo es uniforme si los parámetros (tirante, velocidad, área, etc.), no cambian con respecto al espacio, es decir, en cualquier sección del canal los elementos del flujo permanecen constantes. Matemáticamente se puede representar:

y v A  0; 0;  0 ; (flujo uniforme) l l l y  0; l

v  0; l

A  0 ; (flujo variado) l

El flujo variado se puede a su vez clasificar en gradual y rápidamente variado. El flujo gradualmente variado es aquel en el cual los parámetros cambian en forma gradual a lo largo del canal, como es el caso de una curva de remanso producida por la intersección de una presa en el cauce principal elevándose el nivel del agua por encima de la presa. El flujo rápidamente variado es aquel en el cual los parámetros varían instantáneamente en una distancia muy pequeña, como es el caso del resalto hidráulico.  Flujo laminar y turbulento El comportamiento de flujo en un canal está gobernado principalmente por efectos de las fuerzas viscosas y de gravedad en relación con las fuerzas de inercia internas del flujo. En relación con el efecto de la viscosidad, el flujo puede ser laminar, de transición o turbulento. En forma semejante al flujo en conductos forzados, la importancia de la fuerza viscosa se mide a través del número de Reynolds (R), que relaciona fuerzas de inercia de velocidad con fuerzas viscosas, definidas en este caso como:

Re 

VR 

IRRIGACIONES71

Donde:

R

= Radio hidráulico de la sección transversal, en metros (m) = Velocidad media en metros por segundos (m/s)

V



=

Viscosidad cinemática del agua, en m2/s

En los canales se han comprobado resultados semejantes a flujos en tuberías, por lo que respecta a este criterio de clasificación. Para propósitos prácticos, en el caso de un canal, se tiene: Flujo laminar para Re<580: En este estado las fuerzas viscosas son relativamente más grandes que las fuerzas de inercia. Flujo de transición para 580 ≤ 750: Estado mixto entre laminar y turbulento. Flujo turbulento para Re > 750: En este estado las fuerzas viscosas son débiles comparadas con las fuerzas de inercia.  Flujo crítico, subcrítico y supercrítico En relación con el efecto de la gravedad, el flujo puede crítico, subcrítico y supercrítico; la importancia de la fuerza de gravedad se mide a través del número de Froude (F), que relaciona fuerzas de inercia de velocidad, con fuerzas gravitatorias, definidas en este caso como:

F  Donde:

V

g

y

A T

V gy

y

A T

= Velocidad media de la sección, en m/s =

Aceleración de a gravedad, en m/s2 = Tirante medio del canal = Área hidráulica = Espejo del agua

Entonces, por el número de Froude, el flujo puede ser: Flujo subcrítico si F <1, en este estado las fuerzas de gravedad se hacen dominantes, por lo que el flujo tiene baja velocidad siendo tranquilo y lento. E este tipo de flujo, toda singularidad, tiene influencias hacia aguas arriba. Flujo crítico si F = 1, en este estado, las fuerzas de inercia y gravedad están en equilibrio. Flujo supercrítico si F>1, en este estado las fuerzas de inercia son más pronunciadas, por lo que el flujo tiene una gran velocidad, siendo rápido o torrentoso. En este tipo de flujo, toda singularidad, tiene influencia hacia aguas abajo.


GRÁFICO: REPRESENTACION DE LOS DIVERSOS FLUJOS EN CANALES ABIERTOS

3.3 Elementos de la sección de un canal Los elementos que influyen en el estudio y diseño de un canal son: 3.3.1 Elementos geométricos Definen la forma del canal. Se identifican por la forma de la sección transversal:          

Base de solera del canal (B) Área hidráulica (A) Perímetro mojado (P) Radio hidráulico (R) Tirante hidráulico normal y crítico (Y, Yc) Talud o inclinación de las paredes del canal (z) Ángulo de inclinación (  ) Ancho de espejo de agua (T) Borde libre (h) Ancho de corona, banqueta o berma (C)

IRRIGACIONES73

3.3.2 Elementos cinéticos Definen la condición de flujo. Tenemos:     

Velocidad media Velocidad en el punto de escurrimiento Caudal o gasto Radio hidráulico Sección mojada.

3.3.3 Elementos dinámicos de escurrimiento Definen las condiciones de movilidad. Se tienen:  Coeficiente de rugosidad (clase y calidad del material de las paredes)  Pendiente longitudinal (cociente entre el desnivel del fondo y la longitud que hay entre estos dos puntos de distinto nivel)  Coeficientes pérdida de carga (presencia de curvas, estrechamientos, ensanchamientos) 3.4 Sección de máxima eficiencia hidráulica y mínima infiltración Se sabe que la conductividad de una sección de canal se incrementa con el aumento del radio hidráulico o la disminución en el perímetro mojado. La sección del canal que tenga el menor perímetro mojado para un área determinada tiene la máxima conductividad, tal sección se conoce como sección hidráulica optima. 3.4.1Máxima eficiencia hidráulica Se dice que un canal es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor caudal, ésta condición está referida a un perímetro húmedo mínimo, la ecuación que determina la sección de máxima eficiencia hidráulica es:

Donde:



b y

= = =

Ángulo que forma el talud con la horizontal, arctg (1/z) Ancho de base o solera del canal Tirante hidráulico

3.4.2 Mínima infiltración Se aplica cuando se quiere obtener la menor pérdida posible de agua por infiltración en canales de tierra, esta condición depende del tipo de suelo y del tirante del canal, la ecuación que determina la mínima infiltración es:


ELEMENTOS GEOMETRICOS DE SECCIONES HIDRAULICAS OPTIMAS Area

Sección Transversal

A

Trapecial: medio hexágono

3y 2

Rectángulo, medio cuadrado

2y2

Triángulo, medio cuadrado

y2

Perímetro Mojado

Radio Hidráulico

P

R

2

3y

4y

2

2y

Profundidad Hidráulica

Factor de sección

T

D

Z

l

1 y 4 3y 3 y 2 3 4 1 y y 2y 2 1

4  2 y 1 y Semi circulo y 2 2 Parábola 82 4 1 T  2 2y 3 2y 3 2y 2 y Catenaria Hidrostática

Ancho Superficia

2y 2y 2y 2

2y

1 y 2 

4

y

2 y 3

3 y 2 .5 2 2 y 2.5

2 2.5 y 2



4

8

y 2 .5

9

3 y 2.5

2 2y .9836 0 y.46784 1.y 917532 0.72795 y 1.39586 1y.19093 y 2.5

La siguiente tabla presenta estas condiciones, además del promedio el cual se recomienda. Tabla: Relación plantilla vs. tirante para, máxima eficiencia, mínima infiltración y el promedio de ambas. Talud

Angulo

Máxima Eficiencia

Mínima Infiltración

Promedio

Vertical

90°00´

2.0000

4.0000

3.0000

1/4:1

75°58´

1.5616

3.1231

2.3423

1/2:1

63°26´

1.2361

2.4721

1.8541

4/7:1

60°15´

1.1606

2.3213

1.7410

3/4:1

53°08´

1.0000

2.0000

1.5000

1:1

45°00´

0.8284

1.6569

1.2426

1¼:1

38°40´

0.7016

1.4031

1.0523

1½:1

33°41´

0.6056

1.2111

0.9083

2:1

26°34´

0.4721

0.9443

0.7082

3:1

18°26´

0.3246

0.6491

0.4868

De todas las secciones trapezoidales, la más eficiente es aquella donde el ángulo a que forma el talud con la horizontal es 60°, además para cualquier sección de máxima eficiencia debe cumplirse: R = y/2

IRRIGACIONES75

Donde:

R = Radio hidráulico y = Tirante del canal

3.5

Diseño de canales

3.5.1Factores a considerar en el diseño El diseño de un canal involucra la selección y equilibrio de distintos parámetros en juego, tales como:  Velocidad de caudal, buscando la mínima permisible para evitar la sedimentación y la máxima para evitar la erosión.  Borde libre, revancha o bordo libre necesario para evitar desbordes  Pendiente longitudinal del canal, en relación a la zona de riego y punto de captación.  Rugosidad de revestimiento del canal.  Tipo de revestimiento.  Geometría de la sección transversal del canal En relación a la geometría del canal, la sección transversal más práctica en su construcción, es la trapezoidal en cuanto a diseño, replanteo y costos. Un canal con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático. Esta sección es muy común en canales sin recubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias para la estabilidad.

3.6

Relaciones geométricas de las secciones transversales más comunes


3.7

Elementos para el diseño de canales En el diseño de canales, los elementos a considerar según su grado de importancia son:

3.7.1Velocidad de agua en el canal La velocidad en un canal depende de dos factores fundamentales: la velocidad máxima que no produzca erosión y por otro lado, la velocidad mínima que no produzca sedimentación en el canal.  Velocidad máxima permisible: Es difícil una estimación general, más está en el criterio del proyectista y su experiencia. Sin embargo debe tomarse en cuenta que el agua es portadora de elementos erosivos (arenas, limos, aún gravas), que pueden erosionar el canal (ver tabla adjunta).  Velocidad mínima permisible: Es la menor velocidad que no permite sedimentación y no induce al crecimiento de plantas acuáticas y musgos. Este valor es muy variable y no puede ser determinado con facilidad. Tabla: Cuadro de velocidades máximas permisibles en canales (Fortey y Scobey) Velocidad (m/s) en aguas:

MATERIAL DE LA CAJA DEL CANAL

"n" Mannin g

limpias

con partículas coloidales

Con arena, grava o fragmentos

Arena fina no coloidal

0.020

0.45

0.75

0.45

Franco arenoso no coloidal

0.020

0.50

0.75

0.60

Franco limoso no coloidal

0.020

0.50

0.90

0.60

Limo aluvial no coloidal

0.020

0.60

1.10

0.60

Franco normal

0.020

0.75

1.10

0.70

Ceniza volcánica

0.020

0.75

1.10

0.60

Arcilla consistente firme

0.025

1.15

1.50

0.90

Suelo limoso

0.025

1.20

1.70

1.50

Pizarra y capas duras

0.025

1.83

1.83

1.52

Grava fina

0.020

0.75

1.50

1.15

Suelo franco no coloidal

0.030

1.13

1.50

0.90

Suelo franco coloidal

0.030

1.20

1.70

1.50

Grava gruesa

0.025

1.20

1.80

1.95

Piedras redondeadas

0.035

1.50

1.70

1.95

Fuente: Manual de Hidráulica H.W. King F. Brater. Ed. Uteha México 1962 pag. 264

IRRIGACIONES77

En general pueden adoptarse velocidades medias entre 0.60 0.90 m/s cuando la presencia de limos es pequeña. Una velocidad media de 0.76 m/s prevendrá el crecimiento de vegetación.  Velocidad crítica Moritz Otra forma de estimar la velocidad mínima es con la siguiente relación:

Vmin  0.8.V0 Donde:

Vmin = V0 = Vmáx =

Velocidad mínima Velocidad crítica u óptima Velocidad máxima

La velocidad óptima se obtiene según la siguiente relación:

V0 

Vmáx 1.20

 Cálculo de la velocidad (Ecuación de Manning): En 1889 el Ingeniero Irlandes Robert Manning presentó una ecuación, la cual modificó mas adelante en unidades del SI: 2

V  Donde:

1

1 3 2 R S n

V

=

Velocidad en el canal (m/s)

R

=

S n

= =

Radio hidráulico (m). El exponente en el radio hidráulico (2/3) no es constante, varia en función de la forma del canal y la rugosidad, entre 0.6499 a 0.8395, adoptándose un valor de 2/3 Pendiente del canal Coeficiente de rugosidad de Manning

3.7.2Coeficiente de rugosidad “n” Para entender la aplicación del coeficiente de rugosidad, se tiene que saber cuales son los factores que afectan las paredes del canal. Estos son:


 Rugosidad superficial: Esta representada por el tamaño y forma de los granos del material que forman el perímetro mojado. Por lo general es el único factor considerado para la selección de “n”.  Vegetación: Es una rugosidad superficial que depende de su densidad en la superficie del canal.  Irregularidad del canal: Está relacionada al proceso constructivo (acabado de la superficie del canal).  Alineamiento del canal: Las curvas suaves y de radios grandes reducen el valor de “n” en valores relativamente bajos, en tanto en curvas bruscas con meandros severos se incrementara el valor de “n” tan alto como en un 30%. Es recomendable incrementar “n” en 0.001 por cada 20 grados de curvatura en canales.  Sedimentación y socavación: La sedimentación puede ocasionar una superficie uniforme y disminuir el valor de “n”. En cambio la socavación ocasiona una superficie irregular y aumenta el valor de “n”.  Obstrucciones: La presencia de obstrucciones (troncos, pilares o estructuras similares), tienden a incrementar el valor de “n”, dependen de su tamaño, forma, cantidad y la forma como están distribuidas.  Tamaño y forma del canal: El radio hidráulico puede aumentar o disminuir el valor de “n” aunque no existe una evidencia definitiva a cerca de la influencia en “n”.  Nivel y caudal: En la mayor parte de corrientes el valor de “n” disminuye con el aumento del nivel del agua excepto en canales naturales (Tierra y pasto).  Cambio estacional: Es debido al crecimiento estacional de plantas acuáticas que pueden aumentar o disminuir el valor de “n” según la estación.  Material en suspensión y carga de lecho: El material en suspensión y la carga de lecho ya sea en movimiento o no consumirá energía y causara una perdida de altura e incrementar la rugosidad aparente del canal. Diversos investigadores han desarrollado valores para el coeficiente de rugosidad “n”, como por ejemplo, Kutter, Manning, Horton, Ganguillet, etc. En la tabla siguente se adjuntan valores de Kutter-Ganguillet:

IRRIGACIONES79

n

Cuadro: Valores de rugosidad “n” de Manning Superficie

0.010

Muy lisa, vidrio, plástico, cobre.

0.011

Concreto muy liso.

0.013

Madera suave, metal, concreto frotachado.

0.017

Canales de tierra en buenas condiciones.

0.020

Canales naturales de tierra, libres de vegetación.

0.025 0.035

Canales naturales con alguna vegetación y piedras esparcidas en el fondo Canales naturales con abundante vegetación.

0.040

Arroyos de montaña con muchas piedras.

3.7.3Pendiente longitudinal del canal La pendiente longitudinal depende por lo general de la topografía y la altura de energía requerida para el flujo de agua, así como el propósito del canal. Teniendo siempre en consideración, la zona de riego en relación al punto de captación. Lo más conveniente es una pendiente pequeña, con la finalidad de mantener la energía requerida, sin ello signifique generar velocidades de sedimentación o en extremos, de erosión. En la tabla siguiente se recomiendan algunas pendientes según el tipo de suelos. Cuadro: Pendientes recomendables e º/oo, según las condiciones del suelo Tipo de suelo Pendiente (S) o/oo Suelos sueltos 0.5 – 1.0 Suelos francos 1.5 – 2.0 Suelos arcillosos 3.0 – 4.5 Fuente: Hidráulica de canales, Máximo Villón B. Ed. Horizonte Latinoamericano Lima-Perú 1985.


3.7.4 Inclinación de los taludes La inclinación de los taludes de un canal trapezoidal, depende del grado de estabilidad que presente la textura del material de excavación del canal, es decir, mientras más sueltos sean los suelos (granulares por ejemplo), los taludes serán más tendidos, en contraposición, un suelo de roca tendrá un corte vertical. También dependen de la estabilidad del material de revestimiento para las condiciones más favorables. Otros factores a considerarse para determinar las pendientes laterales son el método de construcción, la condición de perdidas por infiltración, los cambios climáticos, el tamaño del canal.

Tabla: Taludes apropiados para distintos tipos de material MATERIAL

TALUD (horizontal : vertical)

Roca

Vertical

Suelos de turba y detritos

0.25 : 1

Arcilla compacta o con recubrimiento de concreto Tierra con recubrimiento de piedra emboquillada

0.5 : 1 hasta 1:1 1:1

Arcilla firme o tierra en canales pequeños

1.5 : 1

Tierra arenosa suelta, franco arenosa

2:1

Greda arenosa o arcilla porosa

3:1

Fuente: Aguirre Pe, Julián, "Hidráulica de canales", Centro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Mérida, Venezuela, 1974

3.7.5Borde libre o revancha Es el margen de seguridad adicional que se incrementa al tirante hidráulico. Sirve para aumentar la capacidad del canal contra posibles incrementos de caudal (por efecto de mala operación de las compuertas de regulación, precipitaciones pluviales, aportes de quebradas próximas, etc), que pueden originar desbordes. También incide la acumulación de sedimentos en el canal (disminuye su sección), el incremento de la rugosidad en las paredes y fondo del canal, de las curvas (por la velocidad de ingreso, el tirante varía). Existen diversos criterios, todos relacionados con el tirante hidráulico. El US BUREAU OF RECLAMATION, recomienda estimativos preliminares del borde libre se haga con la siguiente ecuación:

F  Donde:

F

=

Borde libre.

Cy

IRRIGACIONES81

y C

= =

Tirante hidráulico en el canal en pies. Coeficiente (varia de 1.5 para canales hasta 20 pies 3/s, hasta 2.5 para canales = 3,000 pies3/s o mayores).

Otro criterio considera: Para canales grandes (mayor a 1 m3/s): Para canales pequeños (menores a 1 m3/s):

d=0.3+0.25y, d=1/3 y

La secretaría de Recursos Hidráulicos de México, recomienda los siguientes valores en función del caudal: Tabla: Borde libre en función del caudal Caudal m3/seg

Revestido (cm)

Sin revestir (cm)

< 0.05

7.5

10.0

0.05 – 0.25

10.00

20.0

0.25 – 0.50

20.0

40.0

0.50 – 1.00

25.0

50.0

> 1.00

30.0

60.0

Fuente: Ministerio de Agricultura y Alimentación, Boletín Técnico Nº 7 Lima 1978

3.7.6Coronamiento o banqueta La construcción de la corona o banqueta cumple diversas funciones, siendo principalmente la de mantenimiento del canal, supervisión de las actividades agrícolas, ingreso de insumos, semillas y abonos, extracción de productos agrícolas. Por ello, estas obras variarán en función al tamaño del área de riego, en sistemas de riego grandes, será necesario el uso de vehículos pesados (camiones u otros), y en áreas pequeñas, acceso peatonal o vehículos menores (carretillas o triciclos). Igualmente, existen muchos criterios para su diseño, considerando que el ancho mínimo permisible debe ser de 0.45 m, que es el espacio por el cuál puede circular una persona sin problemas. El USBR (US Bureau of Reclamation), considera el ancho de banquetas como se ve en el cuadro que precede. Otro criterio interesante es la siguiente relación: C >= Y, donde C es el ancho de Cuadro: Ancho de banquetas recomendables en banqueta y canales USBR Y es el tirante Para canales hasta: Banqueta (m) hidráulico 3 1.00 m /s 0.50 del canal. 2.00 m3/s 0.55 3 3.00 m /s 0.60 5.00 m3/s 0.70 10.00 m3/s 1.00 20.00 m3/s 3.50 50.00 m3/s a más. 4.00 Fuente: Regadíos. José Liria. Universidad de Santander, España 1981


3.7.7Pendiente de los canales La pendiente planteada para el diseño hidráulico de los canales debe ser la máxima que permita dominar la mayor superficie posible de área de riego, cuidando que no generen velocidades erosivas o de sedimentación de material de azolve. Incidirá la textura del suelo y las características topográficas, por lo que las pendientes en un canal pueden varias. 3.7.8Ancho de la solera o base de canal En la práctica, para facilitar el diseño hidráulico de canales, resulta práctico asumir el valor de la solera, plantilla o base de canal, considerando que ya se tienen definidos los taludes y se conocen las características de los suelos. El siguiente cuadro, propone valores para la base de canal en función del caudal. Cuadro: Valores de solera en función del caudal Caudal de conducción (m3/s) Solera “b” (m) Menores de 0.1 0.30 De 0.1 a 0.2 0.50 De 0.2 a 0.4 0.75 Mayores a 0.4 1.00 Fuente: Manual de riego por gravedad, Olarte, Walter. Comisión de Coordinación de tecnología andina. 1987

3.8 Resalto hidráulico en canales El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada velocidad, generando un estado de fuerzas en equilibrio, cambiando violentamente el régimen de flujo de supercrítico a subcrítico. El esquema que precede, resume éste fenómeno:

IRRIGACIONES83

En la sección 1, actúan las fuerzas hidrostática F 1h y dinámica F1d; en forma similar pero en sentido contrario en la sección 2, F 2h y F2d. En ambas secciones la sumatoria de fuerzas da como resultado F1 y F2 respectivamente. En el estado de equilibrio, ambas fuerzas tienen la misma magnitud pero dirección contraria (la fuerza F 1h es menor a F 2h, inversamente F1d es mayor a F2d). Debido a la posición de las fuerzas resultantes, ambas están espaciadas una distancia d, lo cual genera un par de fuerzas de la misma magnitud pero de sentido contrario. En razón a la condición de líquido, las partículas que la componen adquirirán la tendencia de fluir en la dirección de las fuerzas predominantes, presentándose la mezcla del agua con líneas de flujo superficiales moviéndose en sentido contrario a la dirección de flujo y de manera inversa en la zona cercana a la solera. El repentino encuentro entre las masas de líquido y el inevitable choque entre partículas, provocan la generación de un medio líquido de gran turbulencia que da lugar a la absorción de aire de la atmósfera, dando como resultado un medio mezcla agua-aire.

El análisis del resalto se plantea para el escurrimiento de una masa de fluido en un metro de ancho de un canal, por unidad de tiempo. Ese impulso deberá estar en equilibrio con las fuerzas resultantes. Utilizando, la ecuación de continuidad, eliminado q y v2 se obtiene el tirante conjugado aguas abajo del resalto:

 y1  y2 

2

y1 

8 2 . y1 .v1 g

; y con la expresión de Froude:

2

Fr1 

v1 g .y1

Se llega a la expresión adimensional de tirantes conjugados:

 y1 .v1  y 1   v1 1 .v1    y 2  y1  g y2  2  Las características del resalto hidráulico han sido aprovechadas para reducir las velocidades de flujo en canales a valores que permitan el escurrimiento sin ocasionar tensiones de corte superiores a los límites permitidos por los materiales que componen el perímetro mojado. El lugar geométrico en el que se presenta el resalto se denomina colchón hidráulico. Se han investigado diferentes formas de colchones hidráulicos con el objeto de lograr una mejor disipación de energía en una menor longitud. El Bureau of Reclamation investigó diferentes tipos de resalto hidráulico en canales horizontales, cuya base de clasificación es el número de Froude, como se aprecia en el cuadro adjunto: Cuadro: Tipos de resalto hidráulico Número de Froude Fr1 = 1

Descripción flujo crítico, por lo que no se forma ningún resalto.


Fr1 = 1 a 7 Fr1 = 1.7 a 2.5 Fr1 = 4.5 a 0.9 Fr1 > 9

La superficie de agua presenta la tendencia a la formación de ondulaciones. Resalto hidráulico ondular. El ondulamiento de la superficie en el tramo de mezcla es mayor y aguas abajo las perturbaciones superficiales son menores. Resalto hidráulico débil. Resalto plenamente formado, con mayor estabilidad y el rendimiento es mejor, pudiendo variar entre 45 % a 70 % Resalto hidraúlico permanente. Resalto con gran disipación de energía (hasta 80 %), gran ondulación de la superficie con tendencia de traslado de la zona de régimen supercrítico hacia aguas abajo.

Fuente: Manual de Hidráulica H.W. King F. Brater. Ed. Uteha México 1962

En la práctica, se recomienda mantener el resalto hidráulico en la condición de resalto oscilante, por cuanto se trata de un resalto bien formado y accesible en las condiciones de flujo reales, si bien la disipación que se logra no alcanza los mejores niveles. En los casos de resaltos permanente y fuerte, las condiciones hidráulicas aguas abajo son muy exigentes y difíciles de cumplir en la práctica. 3.8.1Diseño del colchón hidráulico Para el diseño de colchones hidráulicos se consideran los siguientes aspectos: o

Pérdida de energía: Se define como la diferencia de energías específicas antes y después del resalto.

o

Eficiencia: Se define la eficiencia de un resalto hidráulico como la relación de energía específica después y antes del resalto. Por lo que se puede advertir, la eficiencia de un resalto hidráulico depende únicamente del número de Froude antes del mismo:

IRRIGACIONES85

o

Longitud del resalto hidráulico: Define la necesidad de incorporar obras complementarias para reducir esta longitud y/o aplicar medidas de protección de la superficie para incrementar su resistencia a las tensiones de corte. El Bureau of Reclamation, da los siguientes resultados:

o

Perfil de la superficie de resalto: Este dato tiene utilidad para el diseño de las paredes laterales de la obra, tanto en lo que se refiere a su altura como a su estabilidad. Bakhmeteff y Matzke, encontraron que el perfil de la superficie de un resalto hidráulico, se puede representar por curvas adimensionales en función de Fr1, como se muestra en el siguiente gráfico:


o

Localización del resalto: La ubicación del resalto hidráulico depende de las condiciones de flujo tanto aguas arriba como aguas abajo. El siguiente gráfico permite una explicación adecuada:

Considerando el flujo a través de un conducto inferior, a manera de un desfogue de fondo. Aguas abajo, el nivel de agua es influenciado por algún elemento de control, como por ejemplo una estructura transversal. Por un lado, el tirante alcanza su mínimo valor inmediatamente después de la compuerta, este se incrementa gradualmente en régimen supercrítico en dirección aguas abajo. Por otro lado el tirante aguas abajo se desarrolla a través de una curva de depresión incrementándose hacia aguas arriba en régimen subcrítico. En alguna sección A, el chorro que se desplaza desde la compuerta, tiene un tirante h1A y requiere, para la formación del resalto, un tirante conjugado h 2A, sin embargo el tirante real en esa sección es menor al requerido. Bajo estas condiciones el chorro líquido continúa su movimiento hacia aguas abajo, incrementando el tirante y por lo tanto reduciendo su energía cinética. En una sección G el tirante conjugado requerido h 2A alcanzará una magnitud equivalente al tirante existente, presentándose las condiciones para la formación de un resalto hidráulico.

3.9 Ejemplo del diseño de un canal 3.9.1Diseño de canales revestidos Los canales revestidos son conductos en general artificiales, en los cuales el agua fluye con una superficie expuesta a la atmósfera, resisten la erosión de manera satisfactoria. Pueden ser de concreto, mampostería, piedra, geosintéticos, etc. Tienen por finalidad el transporte de agua a alta velocidad con un costo reducido, asegurando la estabilidad de la sección transversal del canal, disminuir la infiltración, conservando el agua y reduciendo la sobrecarga en los terrenos adyacentes al canal, además de reducir el costo anual de operación y mantenimiento. a) Criterios de diseño Previo al diseño de canales, se requiere considerar lo siguiente: o o

Siempre y cuando las condiciones lo permitan, el diseño de la sección transversal del canal trapezoidal debe ser próxima a la semicircunferencia, con ello se logra la máxima eficiencia en la relación caudal: caja de canal. Información básica de demanda de agua de acuerdo a la cédula de cultivo planteada.

IRRIGACIONES87

o o o o o o o o o

Las demandas unitarias por cada mes, adecuándose a las condiciones locales (meses de alta, baja o nula precipitación, generalmente estacionales), de las que se toma la máxima demanda señalada. Definir el método de riego (para el ejemplo: por gravedad y surcos). Cantidad de horas por jornada diaria de riego. El tipo de revestimiento del canal (para asumir el coeficiente de rugosidad) Conocer la extensión a irrigarse Las características topográficas de todo el trayecto del canal (para definir las diversas pendientes a emplear y los puntos en las que cambia). Calcular o asumir las eficiencias de conducción y aplicación. Tener claro el concepto de velocidades erosivas y sedimentables. Talud a asumir para las paredes del canal trapezoidal.

b) Datos de diseño: En el Plan operativo de la Región Puno se tiene que proyectar un sistema de riego en la Parcialidad de Jayu Jayu, Distrito de Acora en la Provincia de Puno. Los estudios básicos en agrología e hidrología han reportado el cálculo de la cédula básica como sigue: Mes Cédula (m3/Ha) Mes Cédula (m3/Ha)

Ene 120 Jul 350

Feb 150 Ago 720

Mar 178 Set 1250.0

Abr 65 Oct 790

May

Jun

Nov 420

Dic 215

El área de riego del Sistema de riego Jayu Jayu (ubicado a16º 00' 30" latitud sur y 69º 45' 15" longitud oeste, a una altitud de 4,220 msnm, y temperatura promedio de 14ºC), es de 600 Hás y como método de riego se ha considerado a el riego por gravedad y surcos, con una jornada de riego de 12 horas. La eficiencia de aplicación de riego es de 60% y la eficiencia de conducción del 85%. Se desea diseñar el canal de derivación (rectangular) en una longitud de 45 ml y pendiente de 0.001, el canal de conducción (trapezoidal con z=0.5) en mampostería de piedra con 7860 ml con pendientes de 0.002 al 30%, 0.005 por 20%, y 0.006 en 50%. El canal de distribución (trapezoidal con z=1) de concreto, con pendiente de 0.002, en una longitud de 450 m. c) Cálculo del caudal de captación o derivación Es el que debe captarse por la ventana de captación o bocatoma, para satisfacer las necesidades de los cultivos en el área de riego (600 Ha), y para el mes de máxima demanda. Se ubica la máxima demanda: Mes de setiembre: 1250 m3/Ha que viene a ser el consumo neto. Luego se halla el consumo bruto que es el consumo neto dividido por la eficiencia de aplicación.

Consumo.bruto 

Consumo.neto 1250m 3 / Ha   2083.3.m 3 / Ha eficiencia 0.60


Siguiendo se halla el caudal ficticio continuo12, que se expresa por:

CFC 

Consumo.bruto * 1000 2083.3 * 1000   segundos. por.mes * días.mes * jornada.diaria 3600 * 30 * 12

El caudal en cabecera o punto de entrega, en m3/s será: QE =0.00161 m3/s/Ha x 600 Ha = 0.966 m3/s A éste caudal se la incrementa las pérdidas por conducción (eficiencia de conducción = 85%), por tanto las pérdidas serán de 15% QCAPT = 0.966 x 0.10 + 0.966 = 1.063 m3/s Que finalmente viene a ser el caudal de captación con el que se diseñaran las obras de captación, de conducción y distribución, en el sistema de riego d)

Diseño del canal de derivación

Para el cálculo del canal de derivación, previamente debe conocerse cuanto de agua en exceso ingresa por la ventana de captación en épocas de avenida (es cierto que no se capta agua en épocas de avenida, sin embargo puede malograrse la compuerta de captación o por mala operación del operador, ingresar agua en avenida). o

Cálculo de caudal en exceso: Se utiliza la siguiente relación:

3 2  2 3  2  CL  2 g  H1  H 2 2  3   



1

Qingreso Donde:

12

 

C = Coeficiente de descarga (0.60) L = Longitud de la ventana de captación (= 1.30 m) Qingreso = Caudal de ingreso por la ventana, en exceso. H1 = Altura de carga hidráulica sobre el alfeizer de la ventana H2 = Altura de carga sobre el vano de la ventana

El Caudal Ficticio continuo (CFC), mal llamado en nuestro medio módulo de riego, es el caudal que en forma continua se establece para una Há de riego, según la demanda de los cultivos.

IRRIGACIONES89

Cc=4101.20

He = 0.75 m

0.20

H=0.40

VENTANA DE CAPTACIÓN L=1.30 m

P=1.20 m BARRAJE

Co=4100.00

Ho=0.60

lecho del río

FIGURA: Ventana de captación y barraje fijo

Hallando H1 y H2 : H1 = 0.40+0.20+0.75 = 1.35 m. H2 = 0.20+0.75 = 0.95 m.

Qingreso  o

1 3 3     2 * 0.60 *1.30  2 * 9.812  1.35 2  0.95 2    1.48.m3 / s 3    

Cálculo de la sección del canal: El canal de derivación es de sección rectangular, cuyos datos conocidos serán:    

Caudal de ingreso = 1.48 m3/s Pendiente del canal = 0.01 ó 1 % Coeficiente de rugosidad n = 0.014 (concreto enlucido) Ancho de base o plantilla b = 1.30 m (asumiendo el mismo ancho de la ventana de captación, para evitar contracción o pérdidas de carga)

Aplicando las fórmulas de Manning y continuidad: 2

1

2

Q  AV , v  1 R 3 S 2

Entonces se tiene:

n

Además el área será: A = bY = 1.30 Y

Q

1

A 3 2 R S n

y por eficiencia hidráulica: R = Y/2

Por tanto Q será:

(1.30Y )  Y  1.48    0.014  2 

2 3

1

(0.001) 2

Y = 0.88 m

= despejando Y se tiene:


Calculando el Area:

A = bY = 1.30*0.88 = 1.137 m2

A = 1.144 m2

El perímetro mojado: P = b + 2Y = 1.30 + 2*0.88 = 3.05 m

P = 3.06 m

El radio hidráulico:

R = 0.44 m

R = Y/2 = 0.88/2 = 0.44 m

La velocidad en el canal: V = Q/A = 1.48/1.144 = 1.294 m/s

V = 1.30 m/s

Borde libre: F = Y/3 = 0.88/3 = 0.29, se asume 0.27

F = 0.27 m.

El espejo de agua T = b = 1.30 m

T = 1.30 m

CANAL DE DERIVACION T = 1.30 m

F = 0.27 m

Y = 0.88 m

e)

Cálculo del canal de conducción Se calcula para el caudal de captación, considerando que todo el agua en exceso ha sido aliviada por el vertedero de demasías, ubicado entre el canal de derivación y el canal de conducción. Los datos de diseño son los siguientes: Qcapt S z n

= = = =

0.97 m3/s 0.002 (tramo 1), 0.005 (tramo 2), 0.006 (tramo3) 0.5 0.025 (paredes de mamposteria de piedra)

Según la máxima eficiencia hidráulica: Para un z= 0.5 se tiene que la relación b/Y = 2 ó b = 2Y El área para un canal trapezoidal es: entonces: si: R = Y/2

A = bY + zY2

A = 2Y2 + 0.5Y2 = 2.5 Y2 Reemplazando en Manning

IRRIGACIONES91

(2.5Y 2 )  Y  0.97    0.025  2  La base del canal será:

2 3

1

(0.002) 2

y= 0.45 m

b = 2Y = 2*0.45 = 0.90m

El área: A = 2.5 Y2 = 2.5*0.45 = 1.125 m2

b = 0.90 m A = 1.125 m2

Perímetrohidráulico:

P  b  2Y 1  z 2  0.90  0.90 1  0.52  1.91m Radio hidráulico:

R = A/P = 1.125/1.91 = 0.59 m

R = 0.59 m

Velocidad: 2

v Borde libre:

1

2 1 1 3 2 1 R S   0.59 3  0.002 2  1.26m n 0.025

F = Y/3 = 0.45/3 = 0.15 m

Canal de Conducción F = 0.15 m Y = 0.45 m

F = 0.15 m


UNIDAD III. DISEÑO DE OBRAS DE CAPTACION 3.1 Obras hidráulicas Las obras hidráulicas constituyen un conjunto de estructuras construidas con el objeto de manejar el agua, cualquiera que sea su origen, con fines de aprovechamiento o de defensa. Una aproximación del uso de las obras hidráulicas se tiene a continuación:  Con fines de aprovechamiento hidráulico: o o o o o

Abastecimiento de agua a poblaciones Riego de terrenos para cultivo. Producción de fuerza motriz o hidroenergía. Navegación fluvial. Recreación.

 Con fines de defensa y prevención: o Contra desbordes e inundaciones o Defensas ribereñas o Contra azolves. 3.2 Clasificación y selección de presas

IRRIGACIONES93

Las presas son obras hidráulicas trascendentes en el proyecto hidráulico, con mayor razón en obras de riego, donde su uso puede relacionarse a la regulación, almacenamiento o derivación del recurso hídrico. Las presas pueden variar en tamaño, uso, forma o material, lo que determina su clasificación:   

El uso El Proyecto Hidráulico Materiales que forman la estructura.

3.2.1 Clasificación según su uso Se clasifican de acuerdo a la función más generalizada que van a cumplir o desempeñar:  Presas de almacenamiento  Presas de regulación o reguladoras  Presas de derivación. Las presas de almacenamiento se construyen para almacenar agua en los períodos en que sobra y ser utilizada en los períodos en que escasea, estos períodos pueden ser estacionales, anuales o largos. Las presas de derivación se construyen para proporcionar la carga necesaria para derivar el agua hacia sistemas de captación para riego u otros usos. Las presas de regulación se construyen para retardar el escurrimiento de las avenidas y disminuir el efecto de las avenidas ocasionales. 3.2.2Clasificación según su proyecto hidráulico Se clasifican en:  Presas vertedoras  Presas no vertedoras. Las presas vertedoras se proyectan para descargar el fluido sobre sus coronas. Deben estar construidas con materiales que no se erosionen con las descargas. Las presas no vertedoras, se proyectan para que el fluido no rebase su corona. 3.2.3Clasificación según sus materiales Se clasifican en:  Presas de concreto  Presas de tierra  Presas de enrocado. Las presas de concreto se clasifican en: Presas de gravedad y presas de arco.


3.3 Sistemas de captación 3.3.1Definición Los sistemas de captación, estructuras de captación, o comúnmente llamadas bocatomas, son estructuras hidráulicas construidas con el objeto de aprovechar las aguas superficiales en forma controlada y sin alterar el régimen de la fuente de abastecimiento (arroyos, ríos, lagos, lagunas y manantiales), disponiéndolas de tal manera que se puedan conducir hasta el sitio de utilización ya sea por gravedad, presión o bombeo, para fines de aprovechamiento hidráulico, generación de energía, abastecimiento para uso poblacional o riego agrícola, entre otros fines. Las Estructuras de Captación pueden construirse desde una simple toma rústica de captación directa, hasta grandes obras de concreto, dependiendo principalmente del caudal a captar, de la disponibilidad del recurso hídrico, de las características hidrológicas de la cuenca, del área de riego, de los materiales de construcción, facilidades en su construcción, etc. Para que su diseño sea óptimo y de calidad, se debe determinar su ubicación con diversos criterios que permitan su funcionalidad, economía en su diseño y construcción, fácil maniobrabilidad y daños mínimos o nulos al medio ambiente. Debe ser de aceptación de los regantes y de las comunidades beneficiarias, y debe asegurarse la recuperación de la inversión. 3.3.2Clasificación de las bocatomas Existen diversos tipos de sistemas de captación. Los factores determinantes para la selección de la estructura de captación mas adecuada son:    

La naturaleza del cauce del río Las características del flujo La topografía de la zona de captación La hidráulica fluvial

Bajo esas consideraciones, las estructuras de captación se clasifican según el régimen hidráulico del río, según los elementos que la conforman y según el tipo de toma.  Según el régimen hidráulico del río o o

Bocatoma de régimen subcrítico. Bocatoma de régimen supercrítico.

 Según los elementos que la conforman o o

Bocatoma sin barraje. Bocatoma con barraje.  Barraje fijo: Cuando la presa de derivación es rígida, (de concreto o enrrocamiento o gaviones). Se utiliza cuando el volumen de captación es menor que el caudal medio del río.

IRRIGACIONES95

Barraje móvil: Se denomina así, cuando se tienen una serie de compuertas (o ataguías), que regulan el tirante de aguas del río, permitiendo su captación. Normalmente se utiliza en ríos muy caudalosos con pendientes suaves. Barraje mixto: Cuando una parte del cauce es cerrado con un elemento fijo y la otra parte del mismo con una estructura móvil. Esta solución para los ríos de la costa peruana, donde las crecidas y estiajes de los ríos son muy diferenciados.  Según el tipo de toma o

Bocatomas de captación directa (frontal o lateral): Que tiene la captación normal a la dirección del flujo y por lo general permite el ingreso de un caudal mayor al que se va a captar. No requiere la construcción de presas o barrajes, con la desventaja de permitir el ingreso de sedimentos y basuras hacia el canal. Se obstruye fácilmente, por lo que requiere permanente mantenimiento.

o

Bocatomas de captación convencional y mixta: que tiene la captación por un bocal que puede funcionar como orificio o vertedero (según el tirante del río), derivándose el río por un barraje que cierra el cauce, garantizando el caudal captado. El barraje o presa puede ser fijo o móvil, o ambos (mixto.

o

Bocatomas de captación sumergida, caucasiana o tirolesa: Es una toma, cuyas estructuras de captación se encuentran dentro de la sección del vertedero azud, dejando un espacio en el protegido por una rejilla que impide el ingreso de materiales grueso. Estas tomas no son recomendables en ríos donde el arrastre de sedimentos es intenso, ya que podrían causar rápida obstrucción de las rejillas. La construcción de este tipo de bocatomas es solo recomendable donde las condiciones la favorezcan.


 Según el tipo de río 

Bocatomas en ríos de montaña: Este tipo de bocatomas tienen que considerar las fuertes pendientes y el arrastre de sedimentos gruesos, el bajo caudal y el flujo crítico a supercrítico o torrentoso. Según sea la captación en valle (captaciones convencionales) o en pendiente fuerte (captaciones sumergidas), variarán sus características de diseño.



Bocatomas en ríos de llanura: Las bocatomas en ríos de llanura tiene que considerar, que están sobre ríos de cauce poco profundo, pequeña pendiente, flujos laminares sub críticos a críticos. La presencia de sedimentos finos y medianos hace que las bocatomas consideren obras de limpieza y desarenamiento. Por otro lado la captación debe hacerse alta respecto al fondo del río para que le canal pueda alcanzar a salir fuera del cauce y comenzar a regar inmediatamente a terrenos ribereños.

3.3.3Partes que conforman un sistema de captación Un sistema de captación debe integrarse con partes que permitan su óptimo funcionamiento, garantizando el caudal de captación y evitando deterioros en el medio ambiente. En particular, deben tener presente las características topográficas de la zona de ubicación, el arrastre de sólidos, la profundidad del cauce, la geología y geotécnica del cauce, el volumen del recurso hídrico, tanto en avenida como en estiaje y la cantidad a captarse.

IRRIGACIONES97

Las partes básicas son: Ventanas de captación que pueden o no, tener compuertas o válvulas para regular el caudal de ingreso. Canal y compuerta de limpia para eliminar sedimentos, particularmente de la zona de captación. Presa de derivación, barraje o Azud. Rejillas para retener basura o material flotante. Disipadores de energía para los cambios de régimen. Aliviadero de demasías para evacuar excedentes de la captación. Medidores o aforadores. Muros de encauzamiento y muros de protección de la estructura. Desarenadores o sedimentadores, para captaciones de hidreoenergía. 3.3.3.1 Bocal, toma o ventana de Captación Es una abertura rectangular a cierta altura del lecho del río (para evitar ingreso de sedimentos y basura por arrastre de fondo, que permite el ingreso del caudal de captación. Esta trabaja como vertedero en mínimas y como orificio ahogado en máximas. Se determinan sus dimensiones, según el caudal a captar, a consideraciones económicas y a las características de flujo del río. Su geometría se debe acondicionar a los siguientes ángulos fundamentales: a. Angulo (α) de ingreso entre el eje longitudinal del río y el bocal. b. Angulo (β) de derivación entre la margen del río y el extremo de aguas arriba del bocal.


eje de la bocatoma

c. Angulo (θ) de desviación formado entre el eje longitudinal del bocal y la margen del río.

d eje

el

ca

er ed ld a n

iva

n ció

sentido del flujo

margen del río

na r ge ma

gu

as

d iba arr

el

ca

l na

de

n tra

Fron tal d

i ón sic

el bo cal d e

capta ción

 Altura del bocal de captación: Para evitar el ingreso de material de arrastre en suspensión, basuras, etc. Se recomienda que el bocal de captación se ubique a no menos de 0.40 a 0.60 m. de altura, dependiendo del tipo de cauce, del caudal a captar y del arrastre de sólidos. Una relación recomendable es la siguiente:

H 3

h0  Donde:

h0 = altura del bocal de captación H = Altura de carga hidráulica en el río

El cálculo de las dimensiones de la ventana o bocal de captación se realiza por dos procedimientos: o o

En función a las dimensiones hidráulicas del canal aductor (o de conducción) Cuando se considera la ventana o bocal como un vertedero u orifico ahogado.

En el primer caso, se procede calculando las dimensiones hidráulicas del canal aductor para un caudal de captación determinado, y por medio de la fórmula de Bernoulli, retrotraer el tirante calculado hasta el punto de ubicación del bocal de captación, calculando así la altura de l bocal. Es el método más adecuado aún cuando es más tedioso. El segundo método se determina por la fórmula de vertederos: 3

Q  c.L.h 2 Donde:

Q: c: L:

Caudal de captación más caudal para operación del sistema de purga Coeficiente de vertedero (para éstos casos 1.84). Longitud de la ventana o bocal de captación.

IRRIGACIONES99

2

h1  ( Donde:

h1: Q: N: Ln:

Q 3 ) cNLn

Altura del bocal (m.) Caudal de captación Número de ventanas (si se consideran varias) Ancho de ventana (m.)

Para un mejor funcionamiento hidráulico del bocal, conviene que el orificio trabaje ahogado y es recomendable que como mínimo tenga un ahogamiento de 10 cm. En esas condiciones la formula más recomendable que une la carga, caudal y área en un orifico es: Q  C A

Donde:

L/P

Q: g: h: C: A:

2 gh

Caudal de captación (m3/s). Aceleración de gravedad (m/seg2)) Carga hidráulica del orificio (m.) Coeficiente de descarga (para perfiles se considera 0.8) Área del orificio (m2).

Cuadro 01: Coeficiente de descarga para Vertederos: Coeficiente de descarga C para diferentes tubos sumergidos extraído de experimentos efectuados por Stowart, Roger y Smith. L= Longitud del ducto, P= perímetro de ducto. Condiciones de bordes o Crestas en la Entrada Todos los bordes a escuadra

Contracciones suprimidas en el fondo

Contracciones suprimidas en el fondo y en un costado

Contracciones suprimidas en el fondo y los costados

Contracciones suprimidas en el fondo, costados y parte superior


0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 0.35 0.40 0.60 0.80 1.00

0.61 0.62 0.63 0.65 0.66 0.67 0.69 0.71 0.72 0.74 0.75 0.77 0.78 0.78 0.79 0.79 0.80 0.80 0.80 0.80

0.63 0.34 0.65 0.66 0.67 0.68 0.69 0.70 0.71 0.73 0.74 0.75 0.76 0.76 0.77 0.78 0.79 0.80 0.80 0.81

0.68 0.68 0.69 0.69 0.69 0.70 0.71 0.72 0.73 0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 0.80 0.80 0.81 0.81 0.82

0.77 0.77 0.76 0.74 0.73 0.72 0.72 0.72 0.72 0.73 0.75 0.78 0.81 0.82 0.83 0.84 0.84 0.84 0.85 0.85

0.95 0.84 0.94 0.93 0.93 0.93 0.92 0.92 0.92 0.92 0.91 0.91 0.91 0.91 0.91 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90

3.3.3.2 Estructura de limpia La estructura de limpia se compone de la compuerta de limpia y del canal de limpia. El canal de limpia tiene por función, permitir la eliminación de los sedimentos acumulados en la zona del bocal de captación para evitar que éstos ingresen en el canal de derivación o aducción. Es recomendable que la compuerta de limpia se ubique perpendicularmente al sentido del flujo del río, formando un ángulo de 60º a 90º con respecto al eje del canal de derivación y lo más cercana posible a la ventana de captación.  Velocidad de arrastre de sedimentos en el canal Se debe proyectar la descarga libre del canal en base a un régimen rápido o supercrítico, donde la velocidad en el canal sea superior a la velocidad del río, cuidando que la elevación de la superficie libre del agua en el canal sea superior o igual al agua del río a fin de garantizar una descarga sin posibilidades de ahogamiento. Para que el canal de limpia pueda evacuar los sedimentos acumulados en el entorno de la ventana de captación, el flujo del río que pase por el canal debe tener una velocidad (V0) capaz de arrastrar estos sedimentos. La fórmula es la siguiente:

Vo  1.5  c  d 1 / 2  1.5V

( ver figura Nº 20)

Donde: V0 : Es la velocidad requerida para iniciar el arrastre c : Coeficiente en función de del tipo de material (cuadro Nº 02) d : Diámetro del grano mayor. V : Velocidad de arrastre

IRRIGACIONES101

CUADRO Nº 02: COEFICIENTE EN FUNCION DEL TIPO DE MATERIAL DE FONDO C

Descripción

3.2

Arena y gravas redondas

3.9

gravas de sección cuadrada

4.5 a 3.5

mezcla de arena y grava

 El ancho del canal de limpia Para el diseño inicial, es recomendable un ancho que no obstruya el paso del material de arrastre. Por lo que previo al diseño debe evaluarse el tipo de material de arrastre y si hay elementos de flotación (ramas, basura, etc.). Para estimar éste ancho se tiene:

B Donde:

Qc q

3

V q c g

B : Ancho del canal de limpia (m.) Qc : Caudal por el canal de limpia para eliminar el material de arrastre (m3/s) Vc : Velocidad en canal de limpia para eliminar material de arrastre (m/s) Q : Caudal por unidad de ancho en m3/s/m.


G : Aceleración de la gravedad en m/s2. Algunas consideraciones de diseño son: o El caudal en el canal de limpia debe ser no menos que el caudal medio del río o más de 2 veces el caudal de captación. o La velocidad del flujo para el arrastre de sedimentos debe ser mayor a 1.5 m/s. o La pendiente del canal de limpia debe ser tal que permita una velocidad del flujo lo suficientemente alta para el arrastre de sedimentos. Una relación que calcula la pendiente crítica es:

Ic  Donde. Ic : g: q: n:

n 2  g 10 / 9 q2/9

Pendiente Critica Aceleración de la gravedad en m/seg2 Caudal por unidad de ancho en m3/seg/m Coeficiente de rugosidad de Manning.

3.3.3.3 Presa de derivación, barraje o azud Es una estructura que represa el agua hasta una elevación suficiente que permita derivar el caudal hacia la ventana de captación. Vierte el exceso de caudal sobre su corona hacia un colchón de amortiguamiento y luego al río. La presa de derivación considera varios elementos de diseño, por ejemplo, altura y forma del barraje, descarga sobre su cresta, solado, colchón disipador, colchón o cuenca de amortiguamiento.  Altura del Barraje Tiene por objeto asegurar la derivación del caudal necesario hacia el canal principal o de conducción y permitir el paso de los excedentes por encima de su cresta.

IRRIGACIONES103

Cc

0.20 H

VENTANA DE CAPTACIÓN

P Ho

Co

BARRAJE

lecho del río

FIGURA 04: ALTURA DEL BARRAJE

Pueden utilizarse dos criterios: El primero considera: Donde:

P : Altura del Barraje (m) Ho : Altura del umbral de la ventana de captación H: Altura de la ventana de captación 0.18: Altura de sobre elevación del agua (dato que puede variar según el criterio del diseñador), evita el ingreso de elementos flotantes por el bocal de captación.

El segundo considera: Donde:

Cc H0

: :

H : 0.20 :



P  H 0  H  0.18

Cc  Co  H 0  H  0.20

Cota de la cresta del barraje Altura de la base de la ventana de captación (recomendable ≥ 0.60m depende del tamaño de obra) Altura de la ventana de captación. Altura de sobreelevación del agua (dato que puede variar según el criterio del diseñador). Tiene el fin de corregir efectos de oleaje y coeficientes de fórmula. Forma de la cresta del barraje

La selección del perfil del barraje debe evitar la presencia de presiones negativas para evitar daños por cavitación en el concreto o su estructura, debe además, presentar máxima eficiencia hidráulica, practicabilidad, estabilidad y economía. Sobre la base de datos de U.S. Bureau of Reclamation, el U.S. Army Corps Engineers ha desarrollado varias formas Standard en su WESWaterways Experimental Station (Ven Te Chow – 1983), representándose por la siguiente ecuación:

x n  KHd n 1Y


Donde:

XeY

:

Coordenadas del perfil de la cresta con el origen en el punto más alto de la cresta

Hd

:

Altura del chorro de agua sobre el vertedero, excluyendo la velocidad de aproximación.

Kyn

:

Parámetros que dependen de la inclinación de la superficie aguas arriba. (ver Cuadro 03) Cuadro 03: Valores de K y n

Inclinación cara aguas arriba Vertical

K 2,00

n 1.85

3a1

1,936

1.836

3a2

1,939

1.810

3a3

1,873

1.776

Eje del Barraje X 0.2H

X 1 .85  2.0 H D

0.5H

0.85

Y

PERFIL TEORICO (WES)

Y

Figura 05: FORMA DE LA CRESTA DEL BARRAJE  Descarga sobre el barraje Para vertederos diseñados para las formas WES, la ecuación es:

Q  CLH e Donde:

1.5

He = C =

Altura total de la energía sobre la cresta (m) Coeficiente de descarga para vertederos (C = 2.1)

L

Longitud del barraje (m)

=

Cuando la altura h del vertedero es mayor que 1,33H d (Hd es la altura de diseño excluyendo la altura de velocidad entrante), el efecto de la velocidad entrante es despreciable. Bajo esta condición y con la altura de diseño (es decir h/H d mayor que 1,33, H=Hd y carga de velocidad entrante despreciable), el coeficiente de descarga C calculado es Cd = 1.859 (Francis).

IRRIGACIONES105

En vertederos bajos con h/Hd<1,33, la velocidad de llegada tendrá efecto apreciable sobre la descarga o el coeficiente de descarga y consecuentemente sobre el perfil del nivel freático.  Modificación del perfil Aguas Abajo Debe tener la forma de una parábola para que el agua no se separe del cuerpo del barraje.

X 2   .h0 .Y

Donde: α ≥ 1,78

 Relación entre el Barraje Fijo y Móvil Se construirá un barraje fijo si éste no genera problemas en el cauce del río, durante Ia época de avenida. Su longitud estará limitada por el ancho del canal de limpia. Si el barraje fijo causa problemas en avenida, aumentando el nivel de las aguas, aguas arriba del barraje, entonces, será necesario diseñar además un barraje móvil que facilite el control del aumento del nivel de agua evitando problemas de desborde.

El criterio para determinar la longitud de barraje vertedero fijo (Lf) y la longitud móvil (Lm) es que sus longitudes deben permitir pasar caudales Qm (Caudal por Zona Móvil) y Qf (Caudal por Zona Fija) que, sumados den el caudal de diseño es decir: Qm + Qf = Qd Hay que considerar que, el costo es el que prima en la relación entre un barraje fijo y móvil, ya que habría que comparar el gasto que ocasiona el efecto del remanso hacia aguas arriba de la presa en relación a Ia construcción de un barraje muy corto.


3.3.3.4 Solado o Colchón Disipador Debido a la colocación del barraje vertedero en el cauce del río se genera un incremento de energía potencial que al momento de verter el agua por encima del barraje se transforma en energía cinética que causa erosión y por lo erosivo se construyen estructuras de disipación, conocidas corno: solados (apron), colchón disipador (stilling basin), etc., que buscan o tienen por objetivo formar un salto hidráulico que logra disipar la energía cinética ganada por el barraje vertedero. A continuación se describe el cálculo de la disipación de energía basada en la longitud del colchón disipador y de los tirantes conjugados (y1 y y2) necesarios para la formación apropiada del salto hidráulico. 1

2

4

3

Hd Y4

c0

P

Y2

c1

Y3

Y1

FIGURA: Altura de carga y tirante al pie del barraje vertedero

a. Cálculo del tirante y1: 2

E0  C0  P  H d 

VH 2g

2

V1 2g PorBernoulli E0  E1  hf 01 E1  C1  y1 

2

Entonces V1  (2 g x (C0  C1  P  H  y1  Donde: C0 : C1 : P : Hd : d1 : hf0-1 : VH : V1 :

cota terreno en 0 cota del colchón disipador altura del barraje altura de lámina vertiente tirante del río al pie del talud pérdida por fricción entre 0 y 1 velocidad en la cresta del barraje vertedero velocidad al pie del talud

1

VH  hf 01 )) 2 2g

IRRIGACIONES107

Para resolver esta ecuación se asumen ciertos valores como:

r  (C 0  C1 ),

(entre 0.5 y 1.00 m) 2

hf 0 1  (0.1 x

VH ), 2g

(m.)

y1  0.10 m 2

1

V Finalmente V1  (2 g x (r  P  H  y1  0.9 x H )) 2 2g Para comprobar esto : V1 

Q1 Q1 q   1 A1 (b1 xy1 ) y1

q1 

Donde:

y1 

Q1 y1

Entonces se tiene:

q1 V1

Si el valor supuesto es muy cercano al y1 supuesto se prosigue al siguiente paso, que es el cálculo de y2. Caso contrario se volverá a tantear y1. b. Cálculo del tirante conjugado y2: De la conservación de fuerza específica o momento entre la sección 1 y 2 se tiene: 2

2

1

y1 y V  ( 1  2 x ( 1 ) x y1 ) 2 2 4 g Comproband o : y2  

y 2  yn  r Donde:

dn r

: :

tirante normal del río profundidad del colchón disipador

Esta condición pocas veces se presenta, por lo que para buscar un salto sumergido en el colchón disipador, se acepta que:

yn  1  1.15 x y 2 c. Cálculo de la longitud del colchón disipador


Conocidos los tirantes conjugados (d1 y d2) es posible calcular la longitud necesaria para que se produzca el salto hidráulico. Existen varias fórmulas empíricas y experimentales que se dan a continuación, y que por lo general dan valores un poco .conservadores pero que orientan para la toma de decisiones en el diseño final. L = (5 a 6) x (y2 – y1)

L = 6d1.F1,

siendo

(Schoklitsch)

V1

F1 

(gxd1 ) L = 4d2

1 2

(Safranez)

(U.S. Bureau of Reclamation)

De éstos se elige el mayor, pero sin olvidar el factor económico que podría afectar el resultado elegido. 3.3.4 Muros de encauzamiento y protección de la estructura de captación Los muros de encauzamiento son estructuras dispuestas hacia los bordes del rió con la finalidad de facilitar el escurrimiento de las aguas, evitando que estas desborden y originen inundaciones que además de afectar a las áreas de cultivo colindantes pueden causar daños a las estructuras hidráulicas. También protegen de la erosión que se produce en las riberas del rio. Las dimensiones del cuerpo y la altura de los diques de definen mediante los estudios de Geotecnia e Hidráulica Fluvial además de análisis de estabilidad del cuerpo efectuando para esto pruebas para definir el coeficiente de volteo y deslizamiento. Las alturas de los muros serán determinados por métodos normales cuales son La curva de remanso que se forma por la presencia del barraje fijo y haciendo uso también del software del HEC - RAS la separación de diques en ambas márgenes estará definido por el ancho medio de equilibrio que se calculara en el estudio especifico de Hidráulica Fluvial. En forma general se asume como altura de los muros de acuerdo a la formula.

H m  h   Donde:

Hm H



V G

: : : : :

V2 2g

Altura del Muro (m) Tirante al Pie de Barraje (m) Coef. en Función de Qmax y S (pendiente) Velocidad media del río (m/s) Gravedad (m/s2)

Cuadro N° 2.1. : Coeficiente para calculo de Borde Libre Caudal Máximo (m3/s) 3000 – 4000

Coeficiente

 2.0

IRRIGACIONES109

2000 – 3000 1000 – 2000 500 – 1000 100 - 500

1.70 1.40 1.20 1.10

3.3.5 Estructuras complementarias Según Secretaría de RR. HH. (1976) Las obras complementarias en las obras de captación que podemos mencionar son generalmente estructuras que no necesariamente son indispensables y que su construcción son independiente del sistema de captación. La ubicación y la forma de estas estructuras son determinadas por las condiciones naturales y definición del profesional proyectista. Entre las obras complementarias que se construyen y forman parte de los sistemas de captación tenemos los siguientes. a. Vertedero de Demasías Son estructuras de seguridad que generalmente sirven para desaguar aguas excedentes que ingresan por la ventana de captación se ubican en la margen lateral del canal y que evacua esta agua encausando al río. Para definir su diseño se debe remitirse a las ecuaciones de los vertederos es así que las ecuaciones para definir el dimensionamiento hidráulico:

Q  C  L H 3/ 2 Donde:

Q C L H

: : : :

Caudal a través del vertedero Coeficiente de gasto Ancho del vertedero Carga hidráulica del vertedero

Según Engels para canales con régimen sub critico y ancho de base constante el caudal a evacuar e detalla:

Qv  0.414  2 g  L5 / 6  H 10 / 6

L  0.484  Donde:

Qv L H H1

: : : :

Qv 1.2 H 12

Gasto del vertedero (m3/s). Longitud de la Cresta, (m) Carga del vertedero (m) (Considerando flujo uniforme) Carga al final del vertedero (m)

b. Aforadores Según W. Olarte (1997)


Son estructuras de medición que generalmente se ubican al inicio del canal de derivación y son de lectura directa que nos permite determinar en un momento dado el caudal que conduce el canal. Los más utilizados y comunes son los denominados vertederos cuya ecuación principal ya se describió pero sin embargo para vertederos sin contracciones laterales se expresa de la siguiente manera.

Q  1.84   L  0.1  n  H   H 3 / 2 Donde:

Q L H n

: : : :

Caudal medido (m3/s) Longitud de la cresta (m) Carga hidráulica del vertedero (m). Numero de contracciones laterales.

Para el caso específico de vertederos triangulares que tiene la ventaja de no con presentar contracciones laterales se define de la siguiente manera:

Q  C  tg  H 5 / 2 Donde:

C

:

Coeficiente de descarga

H

:

Carga hidráulica del vertedero en mts.



:

90° =

Q  1.34  H

60° =

Q  0.775  H

120°=

Q  2.35  H

22.5°=

Q  0.254  H

½ del ángulo de escotadura. 2.47

2.47

2.48

2.43

También debemos mencionar sobre los medidores como el llamado Parshall que es una aplicación del aparato ventura y por tanto se aplica el teorema de Bernoulli Otro aforador es el denominado Aforador sin Cuello o relativamente conocido “Cutroat Flume” que tiene sus principios en simplificar los procedimientos de los aforadores Parshall También se tienen el aforador denominado WSC O llamado también Aforador Chamberlain que basa sus principios la misma que fue para los aforados Parshall. No es muy difundido por este motivo se considera sus unidades inglesas.

IRRIGACIONES111

Los aforadote RBC es mas confiable de fácil aplicación en canales abiertos no implica la modificación del flujo por presencia de cuellos como son los casos anteriores denota muchas mejores ventajas.

II. INFORMACION PREVIA DE DISEÑO 2.1 Consideraciones previas En el diseño de una obra de toma se requiere emplear al máximo los conocimientos del ingeniero civil. Las cinco fases correspondientes a una bocatoma son: a) b) c) d) e)

Planeamiento Diseño Construcción Operación, y Mantenimiento.

Son numerosos los aspectos de la ingeniería en general y de la ingeniería civil en particular que intervienen en el diseño de una obra de toma. Prácticamente debe emplearse a plenitud casi todas las especialidades de la ingeniería civil. Para diseñar una bocatoma, se considera inicialmente, el DIMENSIONAMIENTO HIDRÁULICO y posteriormente el DIMENSIONAMIENTO ESTRUCTURAL.  dimensionamiento hidraulico Permite definir las características de la obra hidráulica, las partes que la conforman y las consideraciones técnicas del proceso constructivo.  dimensionamiento estructural Permite el estudio, análisis y diseño de la obra hidráulica, en función a las fuerzas que van a actuar en ella. 2.2 Ubicación


En obras de captación, la ubicación en el cauce del río es de vital importancia, de ello dependerá la garantía de lograr el caudal de captación. Por ello es recomendable considerar algunos criterios de diseño:  En lo posible, la ubicación de la bocatoma será en tramos rectos de río, con presencia de estribaciones rocosas para una adecuada cimentación en las márgenes de la captación.  De preferencia, el flujo en la zona de captación debe ser estable, uniforme y laminar, sin bancos de arena y con un tirante poco profundo.  No debe proyectarse en un tramo curvo para evitar los disturbios originados por las ondas cruzadas, salvo que se tomen medidas para menguar el efecto hidráulico antes mencionado.  Se recomienda la ubicación inmediatamente aguas abajo del centro de la parte cóncava en los tramos curvos del río.  La captación de agua debe preverse de preferencia en épocas de estiaje.  Siempre debe preverse la posibilidad que la captación tenga otros usos, además del de riego (poblacional, hidroenergía), de ser posible.  Si existe fuerte presencia de sedimentos, debe diseñarse elementos que controlen el ingreso de éstos (rejillas, sedimentadores, etc).

2.3 Angulo de derivación El valor del ángulo de derivación determina en primer lugar, que para un mismo ancho del canal lateral se presenta una mayor o menor abertura de entrada, con el consiguiente efecto sobre la captación de sólidos. El ángulo de derivación determina también la curvatura de las líneas de corriente y la trayectoria de las partículas que se dirigen al canal de derivación. Un ángulo grande determina una fuerte curvatura. Un redondeo de la esquina comprometida no elimina la zona de estancamiento, pero altera ligeramente su forma desplazando la parte mas ancha hacia aguas abajo. El redondeo produce un aumento del ancho de entrada, no puede decirse que el redondeo disminuye la cantidad de material sólido captado, porque si por un lado aumenta el ancho de entrada, este hace inestable a la zona de separación.

IRRIGACIONES113

2.4 Estudios básicos 2.4.1Topografía Definida la posible ubicación se realizan los siguientes trabajos topográficos: 

Levantamiento topográfico a curvas de nivel del cauce del río, en una longitud mínima de 50 m. A 100m. Tanto aguas abajo como aguas arriba del eje de la presa. Estas longitudes pueden ser mayores dependiendo de la magnitud de la obra o de la altura del barraje (para detallar la sobreelevación por resalto hidráulico).  Levantamiento localizado de la zona a ubicarse la bocatoma. Se recomienda un área de 100x100 m. como mínimo, a escala 1/500 y 1 metro de equidistancia.  Perfil longitudinal del río por lo menos 500 m. Aguas arriba y 100 m. aguas abajo del eje de la presa.  Secciones transversales del cauce del río a 5, 10, 20, 50, 100 y 200 m. aguas arriba y aguas abajo del eje de presa. 2.4.2Geología y geotécnica Es importante conocer las condiciones geomorfológicas y geotécnicas, ya que su conocimiento permitirá dimensionar con mayor seguridad la estructura. El estudio geológico y geotécnico se traduce en la obtención de la siguiente información:     

Curva de graduación del material de lecho del río. Sección transversal geológica de la zona a ubicar la bocatoma. Coeficiente de permeabilidad. Capacidad portante del suelo seco y saturado. Cantidad de sedimentos en el flujo del río.

2.4.3Hidrología Es de suma importancia conocer el comportamiento hidrológico del río, para poder garantizar el caudal a derivar y así como definir el dimensionamiento de los elementos que conforman la bocatoma, entre los datos a obtener tenemos:  Caudal de diseño para una avenida máxima, cuyo tiempo de retorno es de 50 años.  Caudales medios y mínimos. En cualquier proyecto de riego se tiene que realizar un estudio hidrológico detallado, particularizando la zona de influencia de la bocatoma, así como de las posibles fuentes de agua. 2.4.4Ecología y medio ambiente Toda construcción en un río siempre causa alteración del equilibrio ecológico de la zona, sobre todo en lo relacionado con la fauna, es por esta


razón que se debe tratar de no alterar dicho equilibrio causado por la construcción de la bocatoma. 2.4.5Otros requerimientos En este grupo se puede incluir las limitaciones y obligaciones que se deben tomar para la construcción de la bocatoma, estas son de orden legal, ya que mediante la construcción de la bocatoma por efecto del remanso podrían ser inundados terrenos aledaños o construcciones anteriores, como puentes, caminos, etc. Así mismo en algunos casos será necesario pedir autorización del Instituto Nacional de Cultura por la existencia de restos arqueológicos. 2.5 Estabilidad del cauce del río El conocimiento de la variación de las características hidráulicas y geométricas del cauce de un río para diferentes caudales es importante en el diseño de una estructura de captación. Hay tres clases de estabilidad del río:







Estabilidad estática: Se presenta cuando la corriente de los márgenes y el fondo, permanece constante por lo que la sección no varia, y en planta el río no sufre ningún corrimiento lateral. Estabilidad Dinámica: Corresponde a los ríos o canales que tienen un solo cauce y todo el gasto pasa por él; además existen arrastre de sedimentos y aunque sus secciones transversales llegan a variar, ellas son aproximadamente similares año tras año. Estabilidad morfológica: En cualquier cauce natural, la pendiente, el ancho, tirante y numero de brazos por los que escurre el gasto, depende del propio gasto y de su distribución anual, de las características del sedimento y de la calidad y cantidad del transporte de sedimentos que proceden de aguas arriba o que es aportado lateralmente.

2.5.1Grados de libertad de la corriente Se tienen los siguientes grados de libertad en corrientes:  Escurrimiento con un grado de libertad: Se dice cuando se tiene un canal revestido o sin arrastre, con ancho y pendientes dadas, y se hace pasar un gasto determinado, este escurrimiento tiene un grado de libertad y basta una ecuación para conocer el tirante, que es la única variable.  Escurrimiento con dos grados de libertad: Si en un canal revestido, además de hacer pasar un gasto líquido se alimenta constantemente de un gasto sólido, se ajustara la pendiente del fondo y el tirante, hasta valores tales que el gasto líquido sea capaz de arrastrar ese material sólido, entonces se dice que el escurrimiento tiene dos grados de libertad.

IRRIGACIONES115

 Escurrimiento con tres grados de libertad: Si se forma un canal en material aluvial, y si se alimenta un gasto liquido y un gasto sólido como en el caso anterior, se ajustara la pendiente, ancho y tirante de la sección hasta que el gasto liquido arrastre en forma uniforme y continua el sedimento alimentado. En estas condiciones se dice que la corriente tiene tres grados de libertad, por lo que requerirán tres ecuaciones a fin de definir el estado de equilibrio.

2.5.2Coeficiente de rugosidad Un procedimiento para estimar el valor de “n” en el cauce de un río, es el que desarrolló Cowan y se puede calcular por:

n  ( n0  n1  n2  n3  n4 )m5 Donde:

n0 = n1 = n2 = n3 = n4 = m5 =

Es un valor básico de rugosidad para un canal recto, uniforme y liso en materiales naturales. Es un valor agregado a n0 para corregir el efecto de irregularidades de superficie Es un valor para las variaciones en forma y tamaño de la sección transversal del canal Es un valor de corrección debido al grado de obstrucciones Es un valor para la vegetación y condiciones de flujo Es un factor de corrección para los meandros del canal (ver tabla Nº 1)


Cuadro Nº 05: Rugosidad para canales naturales CONDICIONES DEL CANAL MATERIAL CONSIDERADO

GRADO DE IRREGULARIDAD VARIACIONES DE LA SECCION TRANSVERSAL EFECTO RELATIVO DE OBSTRUCCIONES

VEGETACION

CANTIDAD DE MEANDROS

Tierra roca cortada grava fina grav a gruesa liso menor moderado severo Gradual Ocasionalmente alternante Frecuentemente alternante Despreciable Menor Apreciable Severo Baja Media Alta Muy alta Menor Apreciable Severa

VALORES

no

n1

n2 n3

n4

m5

0.030 0.025 0.024 0.023 0.000 0.005 0.010 0.020 0.000 0.005 0.010-0.015 0.000 0.01 - 0.015 0.020-0.030 0.040-0.060 0.005-0.010 0.010-0.020 0.025-0.050 0.050-0.100 1.000 1.150 1.300

2.5.3Ancho estable o ancho medio de equilibrio del cauce En Obras hidráulicas en general debe estudiarse el comportamiento de la hidráulica fluvial y en particular de obras sujetas a los regímenes fluviales, como por ejemplo, captaciones, estribos de puentes defensas ribereñas, entre otras; por tanto se hace necesario analizar el comportamiento de la sección del cauce del río ante la presencia de esas obras. La estabilidad del cauce del río debe permitir una relación de la geometría de la sección y la pendiente del canal, con el caudal y las características del material de fondo y las paredes del cauce. Para el efecto se recurre a la Teoría del Régimen 13 y el método de Altunin 14. La teoría del régimen para el cálculo de la sección estable del río emplea fórmulas empíricas de diversos autores que se detallan a continuación:

13

La teoría del Régimen es empírica y su origen se da en observaciones del comportamiento de canales de riego, que dado su largo período de operación, se consideran estables. Es aplicable con material cohesivo y arenoso, siendo útil para el diseño en canales con éstas características. 14 Es un método más complejo, dado que contempla muchos más parámetros (hidráulicos, geométricos, resistentes, etc.). Altunin tiene en cuenta el tipo de río basándose en un criterio geográfico geomorfológico, así diferencia tres tipos: de zona montañosa, zona intermedia y de planicie. Altunin establece una serie de fórmulas para obtener la resistencia de las márgenes, para encontrar los criterios para garantizar el movimiento del material de fondo y para obtener la resistencia al flujo.

IRRIGACIONES117

 Lacey: (fórmulas presentadas en 1958, modificadas por Maza para el sistema métrico). Este autor introduce el perímetro mojado y el radio hidráulico en vez del ancho y tirante medio del río.

B  4.831Q

1 2

ym

3 2

Rh i  0.0002032 f y m Donde:

f Dm B Q ym Rh I

= = = = = = =

1 2

 Q   0.474  f 

f  50.60 Dm

1 3

1 2

Factor de sedimentación Diámetro medio del material de fondo (m) Ancho de la superficie libre del agua (m) Caudal dominante o máximo de diseño (m3 /s) Tirante medio (m) Radio Hidráulico (m) Pendiente del río

Lacey trabajó sobre las siguientes características de canales: Sobre un material de fondo no cohesivo, diámetro medio del material de fondo entre 0.15 y 0.40 mm, ondulaciones en el fondo, transporte del material del fondo inferior a 500 ppm y caudal dominante entre 1.4 a 280 m3/s.  Blench: Éste investigador introduce dos parámetros, el factor de fondo Fb y el factor de orilla Fs, que tienen en cuenta la concentración del material transportado en suspensión, el diámetro de las partículas de fondo y la resistencia de las orillas a ser erosionadas. Blench propone:

 Q  Fb B  1.81   FS 

1/ 2

  

5

 F Q y   s 2   Fb 

1 3

i

K  3.63

1

Fb 6 Fs 12 1 6

C   3.28 KQ  1   2330   g 1

v4 Donde:

Fb Fs Q Y

= = = =

Factor de fondo Factor de orilla Caudal máximo de avenida (m3/s) Tirante medio (m)


I = Pendiente del río C = Concentración de material fondo (ppm), se estima en 360 ppm. K = Coeficiente en función de la (g) gravedad y la (v) viscosidad de la mezcla agua-sedimento (m2/s) Cuadro Nº 06: Factores de Fondo y Orilla Factor de fondo Factor de orilla Tipo de material Fb Tipo de material material grueso (Dm>0.5 mm) 1.2 material suelto (arena) material fino (Dm<0.5 mm) 0.8 material medio cohesivo material cohesivo- arcilla

Fs 0.1 0.2 0.3

TABLA Nº 2 Coeficiente de viscosidad dinámica y cinemática del agua en función de la temperatura Tº Viscosidad Viscosidad Tº Viscosidad Viscosidad en C dinámica, cinemática, en C dinámica, m cinemática, m en 10-8 n en 10-8 en 10-8 Kgf n en 10-8 Kgf s/m2 Kgf s/m2 s/m2 Kgf s/m2 5 1.548 1.519 16 1.133 1.112 6 1.500 1.472 17 1.104 1.084 7 1.456 1.428 18 1.076 1.057 8 1.413 1.386 19 1.049 1.031 9 1.372 1.346 20 1.025 1.007 10 1.333 1.308 21 1.000 0.983 11 1.296 1.272 22 0.976 0.960 12 1.260 1.237 23 0.954 0.938 13 1.227 1.204 24 0.932 0.917 14 1.194 1.172 25 0.911 0.896 15 1.162 1.141 26 0.890 0.876  Simons y Albertson: Estos investigadores basan sus estudios en observaciones de ríos en la India y Estados Unidos. Las fórmulas son las siguientes:

Bm  0.9 P  0.91K 1Q 0.512 Bm  0.92 B  0.61

y  1.21R  1.212 K 2 Q 0.361

Si

Rh  2.60m

y  0.61  0.93R  0.61  0.93K 2 Q 0.361 Rh  2.60m

Si

Material K1 1. Fondo y orillas de arena 6.30 2. Fondo de arena y orillas (4.74) cohesivas 3. Fondo y orillas cohesivas 3.96 4. Fondo y orillas con material 3.16 grueso no cohesivo 5. Igual que 2 pero con 3.09 mucho transporte 2000 ppm  C  8000 ppm

K2 0.41 (0.47)

K3 K4 m' 119 (9.33)IRRIGACIONES 0.324 (1/3) (10.77) (0.525) (1/3)

0.56 (0.27)

(10.76)

0.87 0.85

(0.286)

0.36

9.68

-

0.286

Fuente: Los valores entre paréntesis fueron dados por Simons y Albertson (1963). Los demás se obtuvieron de las figuras que ellos elaboraron. Estos autores dan algunos rangos de aplicabilidad del método, por ejemplo, el ancho medio del cauce Bm entre 0.60m a 79m, el calado o tirante y entre 0.84m y 3.15m, la pendiente i entre 0.000058 y 0.0097, el diámetro medio del material de fondo Dm entre 0.028mm y 80mm, el caudal dominante Q entre 0.14 m3/s y 244 m3/s y la concentración de material transportado C entre 156ppm y 8000ppm, finalmente K1 y K2 con valores de 3.16 y 0.27 respectivamente. 

Altunin: Éste método es el más complejo se todos, contempla parámetros hidráulicos, geométricos, resistentes, etc. Y basa su estudio en un criterio geográfico-geomorfológico del tipo de río, clasificando a éstos en tres tipos: de zona montañosa, zona intermedia y zona de planicie. Establece el coeficiente K (10 para ríos aluviales, 11 para ríos con gravas y gruesos). La ecuación se expresa como: B =AQ 0 5 / S 0 2 Donde:

B

=

Ancho de la superficie libre del agua en m.

S

=

Pendiente.

A

=

Coeficiente dado por la expresión: A = (nk 5/3 ) 3/(3+5m)

Donde:

n

=

Coeficiente de rugosidad según Manning.

A

=

CoeficienteEl valor del coeficiente A y el del exponente m se pueden obtener a partir del cuadro 1.2 para la condición de resistencia de las orillas dada por K= 10.

El valor del coeficiente A también puede obtenerse con la relación: A = (VΦ) 1/2 (1.13) Donde para obtener VΦ, Altunin propone utilizar el D90 cuando se trabaja con los gastos máximos. Para gastos medios de la época de avenidas se


debe considerar D50, pero multiplicando el valor obtenido de VΦ por 1 .3 para tomar en cuenta que existe arrastre continuo de partículas; por último, al analizar un cauce con el gasto medio de la época de estiaje, VΦ estará asociado con D50, pero ese VΦ estará multiplicado por un factor correctivo cuyo valor es: ( D50 / Dmax ) 1/3 (1.14) Se considera la teoría del régimen estable de Blench o Altunin, empleando las relaciones:

S

0.55Fb

Fs

1 12

(1  (C / 233)) KDm

K 



  Fb 

Donde:

Dm B Fb

: :

S Q g K H C

: : : : : :

2

1 6

1 3

 QFs 

H  1.02 

5 6

6. 6 g

1

4

: diámetro mediano ancho medio de la sección Dm1/3 para gravas pendiente hidráulica (%) caudal de diseño (m3/seg) gravedad factor secundario profundidad media (m) concentración de material de fondo en 10-5

Tipo de Orilla Orilla de Barro y arena Orilla de Barro arcilla Fangosa Orilla de Material muy cohesivo

Valor de Fs 0.10 0.20 0.30

También se puede emplear la fórmula de Simons y Henderson

b  K 1(Q )1

2

Rangos en que se trabajan: S

: 0.06 – 10%

Dm : 0.03 – 80 mm Q

: 0.15 – 250 m3/seg

Tabla con valores de K1 para la fórmula de Simons y Henderson Condiciones de Fondo de Río K1

IRRIGACIONES121

Fondo y orillas de Arena Fondo de Arena y orillas de material Cohesivo Fondo y Orillas de material Cohesivo Fondo y Orilla de Grava Fondo de Arena y Orilla de material No Cohesivo

5.7 4.2 3.6 2.9 2.8

III. DISEÑO HIDRAULICO 3.10 Dimensionamiento hidráulico El dimensionamiento hidráulico de una estructura de captación se basa en el comportamiento del agua ya sea en movimiento o en reposo. El dimensionamiento hidráulico debe satisfacer las condiciones siguientes. 

Estabilidad del cauce al paso de la avenida de diseño (Hidráulica Fluvial).  Asegurar permanentemente el caudal de ingreso.  Captar lo mínimo de material sólido.  Proveer un sistema de compuertas que eviten la sedimentación de sólidos y material flotante frente a la bocal. 3.11 Datos de diseño  La bocatoma de diseño es una bocatoma con presa de derivación de barraje fijo del tipo CREAGER o WES (la elección de tipo de bocatoma dependerá de las características de flujo o caudal, estabilidad y cauce del río; además dependerá de la geomorfología de la zona de captación, aún de la climatología).


 Las características del río presenta un cauce aluvial, de montaña, cuenca media y pendiente promedio de 2 %. El régimen del flujo del río es permanente, laminar y subcrítico en la zona de captación, variando en algunos tramos a régimen crítico.  Las secciones medidas en el eje, a 5 metros aguas arriba y 5 metros aguas abajo, son 24.20, 23.80 y 24.70 m2 respectivamente.  Los perímetros hidráulicos medidos en los mismos ejes son 20.70, 21.30 y 20.90 respectivamente.



El caudal de diseño es de 0.75 m 3/s (depende de los requerimientos de riego)

3.12 Cálculo del caudal de avenida Se realiza en función a datos obtenidos en campo, en época de avenida o estiaje (se observarán las huellas del flujo en las riberas del cauce). Previo al diseño de la bocatoma, deben verificarse los parámetros geométricos (área, perímetro mojado, radio hidráulico, espejo de agua, etc.) e hidráulicos del río (velocidad, caudal, tirante normal, etc.). Para ello se determina la sección del cauce del río en tres puntos como mínimo, sobre el eje de toma, a 5 m aguas arriba y a 5 m aguas abajo. El seccionamiento estará en función a la magnitud de la obra e importancia del sistema de riego, pudiendo seccionarse hasta 50 m aguas arriba y aguas abajo del eje de toma.

13.60 ml A1 9.70 m 2 P1 18.10 m

Sección a 5 m aguas abajo de la toma 14.50 ml A 2 11.50 m2

P2 19.60 m

Sección en el eje de toma 16.20 ml 2 A 3 11.80 m 20.45 m P3

Sección a 5 m aguas arriba de la toma

IRRIGACIONES123

3.12.1 Cálculo del área promedio

A prom 

A1  A2  A3 3

Aprom= 11.00 m2

3.12.2 Cálculo del perímetro promedio

Pprom  3.12.3

P1  P2  P3 3

Pprom = 16.05 ml

Cálculo del radio hidráulico

R

A P

R = 0.69 m

3.12.4 Cálculo de la velocidad del río 2

1

1 v  R3S 2 n Previamente debe determinarse el coeficiente de rugosidad “n” del río según Cowan:

n  ( n0  n1  n2  n3  n4 )m5 Donde:

n0 = n1 = n2 = n3 = n4 = m5 =

Para grava gruesa = 0.023 Para un grado de irregularidad moderado = 0.010 Para sección ocasionalmente alternante = 0.005 Para efecto obstructor menor = 0.010 Para vegetación baja = 0.005 Para cantidad de meandros menor = 1.00


Cuadro Nº 05: Rugosidad para canales naturales CONDICIONES DEL CANAL MATERIAL CONSIDERADO

GRADO DE IRREGULARIDAD VARIACIONES DE LA SECCION TRANSVERSAL EFECTO RELATIVO DE OBSTRUCCIONES

VEGETACION

CANTIDAD DE MEANDROS

Tierra roca cortada grava fina grav a gruesa liso menor moderado severo Gradual Ocasionalmente alternante Frecuentemente alternante Despreciable Menor Apreciable Severo Baja Media Alta Muy alta Menor Apreciable Severa

VALORES

0.030 0.025 0.024 0.023 0.000 0.005 0.010 0.020 0.000 0.005 0.010-0.015 0.000 0.01 - 0.015 0.020-0.030 0.040-0.060 0.005-0.010 0.010-0.020 0.025-0.050 0.050-0.100 1.000 1.150 1.300

no

n1

n2 n3

n4

m5

n= (0.023+0.005+0.000+0.005+0.005)1.00 = 0.038

n=0.038

Aplicando Manning:

v

1 (0.69)0.667 (0.02) 0.5  2.91.m / s 0.038

v=

2.91 m/s 3.12.5 Cálculo de la avenida máxima Aplicando la ecuación de la continuidad:

Q  AV

Q = 11.00*2.91 = 71.22

Q = 32.01 m3/s

3.12.6 Cálculo del tirante normal del río El cauce de un río tiene una sección hidráulicamente óptima, por haberse formado en un período geológico largo, por lo que se aplica la relación:

R

Y 2

Despejando Y:

Y = 2*0.69 = 1.38

Y = 1.38 m.

3.13 Comportamiento del cauce (determinación de la sección media del cauce)

IRRIGACIONES125

El análisis se realiza para estimar el ancho de encauzamiento del río y observar la estabilidad del río, para garantizar un sistema de captación óptimo. En síntesis, la estabilidad del río debe permitir una relación de la geometría de la sección y la pendiente del canal, con el caudal y las características del material de fondo y las paredes del cauce. Para el efecto se utilizan dos métodos de análisis de estabilidad: la teoría del régimen15 y el método de Altunin16 . La teoría del régimen aplica los métodos de Lacey, Blench, Simons y Albertson, entre otros. 3.13.1 Método de Lacey: Este autor introduce el perímetro mojado y el radio hidráulico en vez del ancho y tirante medio del río. Lacey trabajó sobre las siguientes características de canales: Sobre un material de fondo no cohesivo, diámetro medio del material de fondo entre 0.15 y 0.40 mm, ondulaciones en el fondo, transporte del material del fondo inferior a 500 ppm y caudal dominante entre 1.4 a 280 m3/s. 1

B  4.831Q 2 Donde

B = Ancho de la superficie libre del agua (m) Q = Caudal dominante o máximo de diseño (m3 /s) B= 4.831 (70.03)0.5 = 40.428

ym Donde:

 Q   0.474  f 

1 3

B = 40.43 m

1

f  50.60 Dm 2

f = Factor de sedimentación ym = Tirante medio (m) Dm = Diámetro medio del material de fondo (m)

El diámetro medio de las partículas de fondo del cauce es de 0.25 mm, el que se encuentra dentro de los rangos trabajados por Lacey. f = 50.60 (0.25)0.5 = 25.30

f = 25.30

Ym = 0.474(70.03/25.30)0.333 = 0.665

Ym = 0.67m

3 2

Rh i  0.0002032 f y m Donde:

Rh

1 2

= Radio Hidráulico (m)

15

La teoría del régimen es empírica en base a observaciones en canales de riego. Es aplicable con material cohesivo y arenoso, siendo útil para el diseño en canales con estas características. 16

Es un método más complejo, considera el tipo de río con un criterio geográfico-morfológico: el tipo de río (de zona montañosa, intermedia y planicie), la resistencia de las orillas a la erosión en base a un coeficiente K. Establece la resistencia de las márgenes y garantizar el movimiento del fondo para obtener la resistencia al flujo.


i

=

Pendiente del río

Rh = 0.0002032/0.02 (25.30)1.50 (0.67)0.5 = 1.058

Rh = 1.06 m

3.13.2 Método de Blench17: Éste investigador introduce dos parámetros, el factor de fondo Fb (que toma en cuenta la resistencia del fondo) y el factor de orilla Fs (mide la resistencia de las orillas), que tienen en cuenta la concentración del material transportado en suspensión, el diámetro de las partículas de fondo y la resistencia de las orillas a ser erosionadas.

 Q  Fb B  1.81   FS  Donde:

B Fb Fs Q

= = = =

1/ 2

  

Ancho de la superficie libre del agua (m) Factor de fondo Factor de orilla Caudal máximo de avenida (m3/s)

Cuadro Nº 06: Factores de Fondo y Orilla Factor de fondo Factor de orilla Tipo de material Fb Tipo de material material grueso (Dm>0.5 mm) 1.2 material suelto (arena) material fino (Dm<0.5 mm) 0.8 material medio cohesivo material cohesivo- arcilla

Fs 0.1 0.2 0.3

Según las características del cauce del río (Dm =0.25 mm), el factor de fondo según el cuadro 06, para un material fino (D m<0.5 mm) es de 0.8, el factor de orilla será de 0.2 para un material medio cohesivo. B = 1.81 (70.03*0.8 / 0.2)0.5 = 30.294

 FQ y   s 2   Fb  Donde:

y

=

B = 30.29 m

1 3

Tirante medio (m)

Por las condiciones del cauce del río, se considera que el Factor de fondo es 0.8 (por ser el Dm 0.25 mm), y el factor de orilla 0.2 (por ser material medio cohesivo) y = (70.03*0.2 /(0.82))0.333 = 2.794

17

y = 2.79 m

Todas las fórmulas referidas a la estabilidad de cauces que se detallan en éste libro, se han obtenido del libro: ESTABILIDAD DE CAUCES (capítulo 12 del Manual de Ingeniería de Ríos), de José Antonio Maza Álvarez y Manuel García Flores, publicado por la Universidad Nacional Autónoma de México.

IRRIGACIONES127

5

i

1

Fb 6 Fs 12 1 6

C   3.28KQ  1  s  2330  

K  3.63

g v

Donde:

1 4

i Cs

= =

K

=

Pendiente del río Concentración de material de fondo (ppm), se estima en 360 ppm. Coeficiente en función de la (g) gravedad y la (v) viscosidad de la mezcla agua-sedimento (m2/s)

K = 3.63 (9.81/1.50.25) = 32.178

i

K = 32.18

0.80.833 * 0.2 0.083 3.28 * 32.18 * 70.03

0.166

360 (1  ) 2330

 0.00358

i=

0.0036 TABLA Nº 2 Coeficiente de viscosidad dinámica y cinemática del agua en función de la temperatura Tº Viscosidad Viscosidad Tº Viscosidad Viscosidad en C dinámica, cinemática, en C dinámica, m cinemática, m en 10-8 n en 10-8 en 10-8 Kgf n en 10-8 Kgf s/m2 Kgf s/m2 s/m2 Kgf s/m2 5 1.548 1.519 16 1.133 1.112 6 1.500 1.472 17 1.104 1.084 7 1.456 1.428 18 1.076 1.057 8 1.413 1.386 19 1.049 1.031 9 1.372 1.346 20 1.025 1.007 10 1.333 1.308 21 1.000 0.983 11 1.296 1.272 22 0.976 0.960 12 1.260 1.237 23 0.954 0.938 13 1.227 1.204 24 0.932 0.917 14 1.194 1.172 25 0.911 0.896 15 1.162 1.141 26 0.890 0.876 3.13.3 Simons y Albertson: Estos investigadores basan sus estudios en observaciones de ríos en la India y Estados Unidos. Estos autores dan algunos rangos de aplicabilidad del método, por ejemplo, el ancho medio del cauce B m entre 0.60m a 79.2m, el tirante y entre 0.84m y 3.15m, la pendiente S entre 0.000058 y 0.0097, el diámetro medio del material de fondo Dm entre 0.028mm y 80mm, el caudal Q entre 0.14 m3/s y 244 m3/s y la concentración de material


transportado C entre 156 ppm y 8000 ppm, finalmente K1 y K2 con valores de 3.16 y 0.27 respectivamente. Las fórmulas son las siguientes:

Bm  0.9 P  0.91K 1Q 0.512 Bm  0.92 B  0.61 Donde:

Bm = P = Q =

Ancho medio del cauce (m) Perímetro del cauce (m) Caudal o gasto (m3/s)

Bm = 0.91*3.16 (70.03)0.512 = 25.323

Bm = 25.32 m

y  1.21R  1.21K 2Q 0.361

Rh  2.60m

Si

y  0.61  0.93R  0.61  0.93K 2 Q 0.361

Si

Rh  2.60m Considerando que el diámetro medio de las partículas del río es de 0.25mm, se aplica la primera relación: Y = 1.21 x 0.27 (70.03)0.361 = 1.515



y = 1.52 m 1



S 

1  K 1 K 3 K 2

1 2 m '



'

m'

Q 0.722 m 0.127 



 1 S  1.572 0.079492  * (70.03)  3.16 * 10.76 * 0.27  Material K1 1. Fondo y orillas de arena 6.30 2. Fondo de arena y orillas (4.74) cohesivas 3. Fondo y orillas cohesivas 3.96 4. Fondo y orillas con material 3.16 grueso no cohesivo 5. Igual que 2 pero con mucho transporte 2000 ppm < 3.09 C < 8000 ppm

3.4965

 0.0018

K2 0.41

K3 (9.33)

K4 0.324

M' (1/3)

(0.47)

(10.77)

(0.525)

(1/3)

0.56

-

0.87

-

(0.27)

(10.76)

0.85

(0.286)

0.36

9.68

-

0.286

Fuente: Los valores entre paréntesis fueron dados por Simons y Albertson (1963). Los demás se obtuvieron de las figuras que ellos elaboraron.

S = 0.0018

IRRIGACIONES129

3.13.4 Método de Altunin: Éste método es el más complejo de todos, contempla parámetros hidráulicos, geométricos, resistentes, etc. y basa su estudio en un criterio geográfico-geomorfológico del tipo de río. Clasifica las secciones o tramos de río en Tipo A y B. o

Tipo A: Orillas muy resistentes a la erosión. Formadas por materiales cohesivos o boleos

o

Tipo B: Orillas poco resistentes a la erosión. Formadas por materiales aluviales sin cohesión.

Igualmente distingue tres zonas principales a lo largo del desarrollo longitudinal de un río y son: o

Zona montañosa, su fondo está formado por roca, boleos y cantos rodados y grava. Pendientes fuertes.

o

Zona intermedia, formado por gravas y arenas, fuertes cambios de pendiente, se inicia el depósito de material aluvial.

o

Zona de planicie, el fondo es de arena principalmente, limos y arcillas. Pendientes menores, se desarrollan meandros.

EQ 0.5 B S 0.2 Donde:

B S E n K

= = = = =

m =



E   nK 

3 3 5 m



5 3

  

Ancho de la superficie libre del agua (m) Pendiente. Coeficiente. Coeficiente de rugosidad según Manning Coeficiente de forma. Su valor es de 8 a 12 para cauces formados en material aluvial. Como valor promedio se recomienda tomar el valor de 10. Para ríos con orillas difícilmente erosionables, K vale entre 3 y 5 y para cauces con orillas muy fácilmente erosionables alcanza valores de 16 a 20. exponente en función de los esfuerzos cortante y cortante crítico. (m=0.70)




E  0.0435 * 101.667



0.462

 1.384

B = (1.384*70.030.5) / (0.020.2 ) = 25.326

E = 1.384 B = 25.33 m

Finalmente se halla el promedio de los resultados obtenidos por los diferentes métodos calculados. 3.14 Diseño de la ventana de captación Previo a iniciar el cálculo de la ventana de captación se deben tener en cuenta los siguientes aspectos: o Haber definido el tipo de bocatoma a diseñar, la que debe estar en función de las características hidráulicas y geométricas del río, de la topografía de la zona y de la oferta hídrica del río. o Realizar el esquema de la futura bocatoma, con los predimensionamientos correspondientes, tomando en consideración los ángulos de derivación, tanto para el barraje, compuerta de limpia y bocal de captación o Definir si el bocal de captación tendrá rejilla, compuerta, las dos o ninguna de ellas. Lo que definirá al respecto, será el arrastre de sólidos, tanto de fondo como de flotación (arrastre de sólidos en suspensión como ramas, basura, etc.) Para el cálculo del bocal o ventana de captación se siguen dos procedimientos: a) Cuando se emplea la ecuación de la energía (Bernoulli), a partir del canal aductor o de derivación. b) Cuando se considera el ingreso del caudal como un orificio ahogado o un vertedor. El primer caso se dará cuando el río esta en máxima avenida y el segundo cuando el río esta en su mínima avenida o estiaje. De ambos procedimientos el más minucioso es el primero puesto que analiza las pérdidas de carga, originadas por las características de diseño de la bocatoma. Para el caso del presente ejemplo se van analizar ambos procedimientos. 3.14.1 Cálculo de la ventana de captación considerándolo como un vertedero u orificio ahogado o o o

Los datos requeridos previamente para el diseño deben ser: Caudal de captación (m3/s), para nuestro caso es de 0.50 m3/s Longitud de la ventana de captación (m), para el ejemplo se asume 1.00 m. Altura de la ventana de captación (depende del arrastre de sólidos del río, se recomienda una altura entre 0.40 m a 0.60 m. dependiendo del tipo y cantidad de sólidos. Para nuestro caso consideraremos 0.50 m.

IRRIGACIONES131

sistema de izaje

losa de operaciones

ventana

rejilla canal de derivación

Ho = 0.50m

cuenco amortiguador

lecho de río

Se utiliza la fórmula de vertederos:

Q  C.L.h Donde:

Q L C h

= = = =

3 2



Q  h   C .L 

Despejando h

2 3

Caudal de diseño o captación Longitud de las ventana de captación Coeficiente del vertedero (1.84) Altura de la ventana de captación.

h = (0.50/1.84*1.20)0.667 = 0.371 m.

h = 0.40 m

Se asume h = 0.35 m. por procedimiento constructivo, calculando luego el exceso de caudal que ingresará por la ventana: Q = 1.84*1.20* (0.40)1.5 = 0.558 m3/s

Q = 0.56 m3/s

Si se comporta como orificio ahogado (en avenida), se aplica la siguiente relación:

Q  Cd * A * ( 2 gh) Donde

Q Cd A h

Despejando h:

= = = =

1 2

Caudal de diseño, en m3 /s. Coeficiente de descarga del orificio = 0.75 Superficie del orificio en m2 (A = 1.20*0.40 = 0.48 m2) pérdida de carga (diferencia entre el nivel agua dentro del registro y el nivel de agua en la sección arriba del vertedor)

h

 Q



2

Cd * A  2g

h = (0.50/(0.75*(1.20*0.40)))2/2*9.81 = 0.098

h = 0.10 m


3.14.2 Segundo procedimiento: Aplicando la ecuación de la energía para hallar las dimensiones de la ventana de captación 3.14.2.1 Determinando las dimensiones geométricas e hidráulicas del canal de derivación Se recomienda que el canal de derivación sea rectangular por facilidad constructiva. Se aplica la fórmula de Manning: 2

1

= = = =

Velocidad en el canal (m/s) Coeficiente de rugosidad de Manning (0.014 para Cº) Radio Hidráulico del canal (m) Pendiente del canal (s = 0.001 para el ejemplo)

1 V  R3S 2 n Donde:

v n R S

Se sabe que:

A = (b*y) y R = Y/2 (por eficiencia hidráulica) y Q = AV

b = 1.00 (se asume ese ancho para el caso del ejemplo) Entonces la fórmula de Manning será: 2

Q

1

A 3 2 R S n

Reemplazando valores:

1.00Y  

Y 0.50    0.014  2  Despejando Y, o por tanteos:

2 3

Y = 0.456

1

0.0012 y = 0.46 m

Algunos investigadores plantean relaciones en base al área del canal:

Molesword:

Y 

Etcheverry:

Y 

A 3

1 2

A

Por tanto el área será: A = b*y = 1.0 * 0.46 = 0.46

A = 0.46 m2

El Radio hidráulico será:

R = 0.23 m

La velocidad será:

R = y/2

= 0.46/2 = 0.23

V = Q/A V = 0.50/0.46 = 1.0869

V = 1.09 m/s

IRRIGACIONES133

El borde libre se estima en t = 0.14 m, por lo que el diseño del canal de derivación tendrá la siguiente sección: SECCION DEL CANAL DE DERIVACION t = 0.14

y = 0.46

b = 1.00

3.14.2.2 Aplicación de la ecuación de la energía (Bernoulli) para el cálculo de la ventana de captación Bernoulli entre 1-2: Como en canales, el agua circula a presión atmosférica, por lo que Bernoulli se aplica como sigue: 2

Z 2  Y2 cos   

2

V2 V  Z 1  Y1 cos    1  hf 2g 2g

El ángulo  , mide la inclinación entre el punto 1 y el punto 2, cuando es muy pequeña, se considera 0º (cos 0º = 1).



El ángulo , mide la variación angular en el plano horizontal, al no haber variación, tiende a 1. hf es la pérdida de carga en el punto 1, como éste es un canal con flujo laminar, no se considera pérdidas de carga (hf = 0). Como A = b*Y, b = 1.20 m, Q = 0.50 m3/s y Q = AV, entonces V = 0.50/1.20*Y V = 0.42/Y Reemplazando valores: -0.20 + Y2 + (0.42/Y2)/19.62 = 0.00 +0.46 + (1.092/19.62) Resolviendo por tanteos: Hallando V2: Bernoulli entre 2-3

Y2 = 0.68 m

V2 = 0.50/1.20*0.68 = 0.613

V2 = 0.62 m/s


2

Z 3  Y3 cos   

2

V3 V  Z 2  Y2 cos    2  Hf 2g 2g

En el punto 2, se produce pérdida de carga por el cuenco amortiguador o poza de disipación, lo que se calcula con la fórmula de Darcy-Weisbach:

hf  f . Donde:

hf f L D v g

= = = = = =

L v2 . D 2g

Pérdida de carga debida a la fricción. Factor de fricción de Darcy (adimensional). Longitud del canal de ingreso (para el ejemplo: 3.0m). Tirante en la poza o cuenco. Velocidad media del fluido. Aceleración de la gravedad: g = 9,81 m/s2.

La pérdida de fricción para el flujo en tuberías puede aplicarse a escurrimientos uniforme y casi uniforme en canales abiertos. El valor del factor de fricción de Darcy, y la ecuación utilizada para su cálculo, depende del régimen de flujo. En régimen laminar la expresión general desarrollada es la siguiente (Pavlov, 1981):

f  Donde:

K18 = Re =

hf 

K Re

Factor numérico que depende de la forma del canal ( K=24 para canales rectangulares y K=14 para canales triangulares). Número de Reynolds, dependerá en cierta forma del tipo de canal. El valor varía entre 500 a 600 (Ven Te Chow pag 15, Hidráulica de Canales Abiertos).

24  3.00   0.62 2    0.0067   * 500  0.68   19.62 

hf = 0.0067 m

Como A = b*Y3 b = 1.20 m (Se considera un ancho uniforme en todo el canal de ingreso), Q = 0.50 m3/s y Q = AV, entonces V3 = 0.50/1.20*Y = 0.42/Y Reemplazando valores:

18

En la región laminar: K es más alto que en canales lisos y varía entre 60 a 33. En la región turbulenta: La forma de canal tiene un efecto pronunciado sobre el factor de fricción y decrece.

IRRIGACIONES135

0.50  Y3 

2

 0.42     Y3  19.62

 0.20  0.68 

Resolviendo por tanteos: Hallando V3 :

0.62 2  0.0067 19.62

Y3 = 0.35 m

V3 = 0.50/1.20*0.35 = 1.19

V3 = 1.19 m/s

En la ventana de captación se producen pérdidas de carga por contracción en las paredes laterales y por rejilla (en el caso de que se considere en el diseño). Para analizar su incidencia en la ventana de captación y en el caudal a captar para compensar éstas pérdidas, se aplica Bernoulli entre 3 y 4. 4

3 2

1

cota: 0.50 canal de derivación

cota: 0.00

cota: 0.00

cota: -0.20 Puntos de aplicación para la ecuación de la energía (Diseño de la ventana de captación)

Cálculo de Bernoulli entre 3 – 4: 2

2

Z 4  Y4 Cos  

V V4  Z 3  Y3Cos   3  hf 2g 2g

Previamente debe calcularse la pérdida de carga por rejilla, para lo cuál debe conocerse el número de varillas en la rejilla:

h Donde:

h = Lt = d =

Lt 1 d

Número de barrotes en la rejilla Longitud del bocal de captación Separación entre ejes de cada barrote o varilla.

Las rejillas pueden fabricarse de varillas (sección circular) o platinas unidas mediante soldadura formando paneles. Es recomendable que la separación entre varillas sea de 0.025m a 0.10m para material fino y de 0.10m a 0.20m


para material grueso. La distancia entre varillas o platinas se toma entre ejes. La rejilla puede colocarse con inclinaciones entre 75º a 90º, para facilitar su limpieza. Para el caso del ejemplo, las varillas de la rejilla serán de acero liso perfil circular de ¾” (2 cm). Se considera rejilla para eliminar material grueso por lo que se considera una separación de diez centímetros. h = Lt/d – 1 = (1.20/0.12) -1 = 9.0

h = 9 varillas

Φ

Figura: Ventana de captación con rejilla La pérdida de carga por rejilla se calcula por medio de las siguientes relaciones: 2

hr  C Donde:

C

=

S b Φ Φ

= = = =



0.221

hr  C

 S   b

C  

4 3

Sen

Coeficiente de la sección transversal = Coeficiente que depende de la sección transversal (2.42) Espesor de la reja Longitud libre entre barras Ángulo de inclinación de la reja (de 75º a 90º). Asumo 85º Ángulo de dirección de flujo en relación a la ventana (varía de 20º a 60º correspondiendo 2 a 6 respectivamente). Asumimos 30º o 3 Velocidad en la rejilla (velocidad en la ventana, V = Q/A = 0.50/0.48 = 1.04 m/s).

Vr =

Aplicando:

Vr 2g

 2  C  2.42   12  2

Vr 2g

4 3

Sen85   0.221

1.19 2 hr  3 * 0.221  0.048 19.62

hr = 0.048 m La pérdida de carga por contracción se calcula por:

C

=

IRRIGACIONES137

hc  Kc

Vr 2 2g

hc  0.23

1.19 2  0.017 19.62

hc =

0.017 m Donde:

Kc =

Coeficiente de entrada (depende de las características de las aristas de entrada, ver cuadro adjunto). Kc = 0.23

Tipo de entrada a la ventana Entrada abocinada

0.04

Arista redondeada

0.23

Arista recta

0.50

Kc

Pérdida de carga total:

hftotal  hr  hc  0.048  0.017  0.065

Hftotal

= 0.065 m 2

Aplicando Bernoulli entre 3-4:

Z 4  Y4 

2

V4 V  Z 3  Y3  3  hf 2g 2g

2

V4 1.192 0.174 0.0  Y4   0.50  0.35   0.065  19.62Y4   2 2g 19.62 Y4 Resolviendo por tanteos:

Y4 = 0.98 → 19.40

Y4 = 0.98 m

Por lo que debe garantizarse una carga hidráulica de Y4 = 0.98 m, además de una velocidad mínima de:

V4 

Q 0.5   0.43 hY4 1.20 * 0.98

V4 = 0.43 m/s

Verificando las características hidráulicas del río, observamos que la velocidad y el tirante son: V = 2.91 m/s y Y= 1.38 m Por lo tanto se garantiza la condición de carga. Las dimensiones finales de la ventana serán de 1.20 m * 0.35 m


3.14.3

Diseño de la Presa de derivación

Esta obra sirve para derivar las aguas hacia la ventana de captación en épocas de estiaje; en épocas de avenida descarga las aguas excedentes por encima de su cresta; por esa razón el diseño debe ejecutarse para la máxima avenida probable. 3.14.4

Determinación de la altura de la presa de derivación

Tiene por objeto asegurar la derivación del caudal necesario hacia el canal principal o de conducción y permitir el paso de los excedentes por encima de su cresta. Cc

0.20 H

VENTANA DE CAPTACIÓN

P Ho

Co

BARRAJE

lecho del río

FIGURA 04: ALTURA DEL BARRAJE

Pueden utilizarse dos criterios: El primero considera: Donde:

P = Ho = H = 0.18=

Altura del Barraje (m) Altura del umbral de la ventana de captación Altura de la ventana de captación Altura de sobre elevación del agua (dato que puede variar según el criterio del diseñador), evita el ingreso de elementos flotantes por el bocal de captación.

El segundo considera: Donde:

P  H 0  H  0.18

Cc  Co  H 0  H  0.20

Cc = H0 =

Cota de la cresta del barraje Altura de la base de la ventana de captación (recomendable ≥ 0.60m depende del tamaño de obra) H = Altura de la ventana de captación. 0.20= Altura de sobreelevación del agua (dato que puede variar según el criterio del diseñador). Tiene el fin de corregir efectos de oleaje y coeficientes de fórmula.

De acuerdo a los datos de diseño, se tiene:

IRRIGACIONES139

H = 0.35 m (calculado) Ho = 0.50 m. Co = 3900.00 m.s.n.m. Cc = 3900 + 0.50 + 0.35 + 0.20 = 3901.05 msnm Cc = 3901.05 msnm Un dato necesario para el diseño, es el caudal máximo: Qmax = 32.01 m3/s 3.14.5

Cálculo de la altura de carga

Se asume que el barraje es un vertedero de pared gruesa, por lo que su diseño se realiza con la fórmula de Francis (en particular cuando son vertederos tipo WES o CREAGER):

Q  CLH e Donde:

He = C = L =

1.5

Altura total de la energía sobre la cresta (m) Coeficiente de descarga para vertederos (C = 2.1) Longitud del barraje (m)

Vente Chow (1984), considera que, cuando la altura P del vertedero es mayor que 1,33Hd (Hd es la altura de carga sin considerar la velocidad de aproximación entrante), entonces la velocidad entrante es despreciable. Entonces: P / Hd > 1.33 P / Hd < 1.33

Ha = 0 Ha ≠ 0

Carga de velocidad entrante despreciable Carga de velocidad entrante apreciable

Bajo la primera condición (Ha despreciable), el coeficiente de descarga C es Cd = 1.859 (Francis). En la segunda condición, la velocidad entrante será apreciable sobre la descarga o el coeficiente de descarga y por tanto en el perfil del nivel freático. LINEA DE ENERGÍA Ha

He Hd H1 H3

P H

H2

Figura: Altura de carga y resalto hidráulico en el barraje vertedero

Donde:

Ha = Carga de la velocidad de aproximación. Hd = Carga de agua sobre la cresta He = Carga total de agua sobre la cresta P = Altura del Barraje H1 = Altura total de caída H = Profundidad del pozo H2 = Altura del agua antes del Resalto


H3 = Tirante de aguas abajo Aplicando la fórmula fundamental de vertimiento en sección rectangular de Bazin, hallamos Hd :

Donde:

Caudal máximo en m3/s (Qmax = 32.01 m3/s) Coeficiente = 0.75 Altura de carga sobre el barraje Velocidad del río (2.91 m/s) Ancho del río en el eje de toma (14.50 m)

Q = = Hd = V = B =



2 32.01  0.75 * 14.50 * 19.62 3



 

2.912     H d  19.62   

3/ 2

 2.912      19.62 

Hd = 0.75 m Valores de Cw para la fórmula de Bazin Hd/h 0.5 1.0 2.0 10.0 \infty

h=0.05 2.316 2.082 1.964 1.870 1.846

h=0.10 2.285 2.051 1.933 1.839 1.815

h=0.20 2.272 2.037 1.919 1.824 1.801

h=0.40 2.266 2.030 1.912 1.817 1.793

h=0.60 2.263 2.027 1.909 1.815 1.791

h=0.80 2.262 2.026 1.908 1.814 1.790

h=1.00 2.262 2.025 1.907 1.813 1.789

h=1.50 2.261 2.024 1.906 1.812 1.788

Entonces se tiene: P/Hd > 1.33

1.05/0.75 = 1.40

es mayor a 1.33, por tanto ha es despreciable por otro lado se tiene: 0.54 P/He < 0.93

0.54 * 0.85/0.63 = 0.73 < 0.93

A pesar que Ha es despreciable, por seguridad se aplica: ha = 0.08 He (Ven Te Chow - Hidráulica de canales abiertos-1984). Según la figura:

Hd + Ha = He Hd = 0.92 He

He = 1.087*0.75 = 0.815 m

y

Hd = He – 0.08 He He = 1.087 Hd He = 0.82 m



3/ 2





IRRIGACIONES141

Aplicando FRANCIS: Q = CL He3/2 He = (Q / CL)2/3 = (32.01 / (2.1*14.50))2/3 = 1.034 m. C = 2.17 según la tabla adjunta para una relación P / Hd = 1.50 Como:

He = 1.087 Hd Hd = He/1.087 = 0.68/1.087 = 0.70 Hd = 0.626 m.

= 0.63 m.

BIEN!

Por seguridad se utiliza el mayor valor 0.70 Entonces: Ha = 0.08 He Ha = 0.08 * 0.68 = 0.054 m. Ha = 0.054 m. Cálculo de la longitud efectiva del barraje: Le = Lo – 2 (NKp + Ka)He Donde:

He Lo N Ka Kp He

= = = = = =

Longitud efectiva del barraje (cresta). Longitud real de la cresta del barraje. Número de pilares. Coeficiente de contracción lateral por muros. Coeficiente de contracción por muros. Carga de operación (agua total sobre la cresta).

Kp varía de 0.025 a 0.10 dependiendo de las características geométricas y acabado de los muros. Ka es de 0.10 en crestas por pilar. Le = 15 – 2 (0Kp + 0.10)*0.68 Le = 12.65 m. Cálculo de la velocidad de acercamiento: Q = VA V = Q / [Bo(P + Hd)]

A = Bo (P + Hd) ; =

22.15 / [15(0.85 + 0.70)]

Bo ancho del río 15.50 = 0.9044 m/s


La altura de la velocidad de acercamiento será: ha = V2/2g = (0.9044)2 / 19.62 = 0.0417 m. que es aproximado: 0.054 m. b) Cálculo de los Elementos HIDRAULICOS DEL BARRAJE

Y1  P  He  1.1 * 0.45

--------

Q2 Y12 * B 2 * 2 g

0.3098

La velocidad de acercamiento será:

Que es aproximadamente: 0.054 m CÁLCULO DE LOS ELEMENTOS HIDRÁULICOS DEL BARRAJE DETERMINACIÓN DEL PERFIL DE BARRAJE Se debe seleccionar un perfil que, evite las presiones negativas, permita a la máxima eficiencia hidráulica, practicabilidad, estabilidad, economía. El perfil seleccionado es del tipo WES (Waterways Experimental Station) desarrollado por el USACE (United States Army Corps of Engineers):

x n  KHd n 1Y X Y = coordenadas del perfil de la cresta Hd = carga neta del diseño, sin incluir la altura de la velocidad de aproximación K y n = Parámetros que dependen de la inclinación de la superficie de aguas arriba. Inclinación cara aguas arriba Vertical 3a1 3a2 3a3

K

n

2,00 1,936 1,939 1,873

1.85 1.836 1.810 1.776

IRRIGACIONES143

Según cuadro: Para pared vertical:

K= 2.00 n= 1.85

Hd = 0.63 Reemplazando:

x1.85  2.00(0.63)1.851 Y

X 1.85  1.3504Y

Entonces:

R1  0.5 Hd

R1  0.5(0.63)  0.315m R2  0.2 Hd

R2  0.2  0.63  0.126m L1  0.282 Hd

L1  0.282  0.63  0.178m

L2  0.175Hd

x 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4

y 0 0.0091 0.0329 0.06963 0.1186 0.17915 0.251 0.3338 0.4274 0.5315 0.6458 0.7704 0.9049 1.2032 1.380


L2  0.175  0.63  0.1103m DETERMINACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO AL PIE DE PRESA El resalto hidráulico se produce por el paso brusco del régimen supercrítico al régimen subcrítico en un tramo corto.

a)

q Cálculo del gasto unitario:

Q 22.15   1.429m3 / s  m L 15.50

El esquema del barraje

H e  0.68m

H 2  P  He  0.95  0.68  1.63m

H Q  0.054m

H Q  P  h  0.95  0.40  1.35m

H d  0.63m

H1  H O  Hd  1.35  0.63  1.98m

b)

El resalto se calcula con la fórmula para pérdidas de energía.

q 2  2 g ( H1 H 22 

n2 g 2 H O  H 23 4/ 3 ( Hd )

Donde: q= caudal o gasto unitario

IRRIGACIONES145

H1 = altura total de caída H 2  Tirante antes del resalto H O = altura del barraje mas la profundidad del pozo H d = altura neta antes de la caída n = coeficiente de rugoosidad (concreto liso 0.015) Reemplazando:

(1.429) 2  19.62(1.98 H 22 

0.104=

(0.015) 2 (9.81)21.35  H 23  (0.63) 4 / 3

1.98 H 22  0.054 H 23

0.158  1.98H 22  H 23

Por tanteos:

Para:

H 2  0.30

0.1512

H 2  0.31

0.161

Se asume:

H 2  0.30

c) Cálculo del tirante aguas abajo del resalto Se calcula con la fórmula de tirante conjugada:

H3  

H2 H 2 2 H 2V22 1/ 2 ( 2  ) 2 4 g

V2 = velocidad al pie de la presa H 2 = Tirante aguas arriba del resalto =0.30m


H 3 =Tirante aguas abajo del resalto La velocidad será:

V2 

Q 22.15   4.922m / s LH 2 15.0  0.30

Reemplazando:

H3  

0.30 0.302 4.9222 1/ 2 (  2  0.30  ) 2 4 9.81

H 3  0.15  1.226  1.0765m La presencia de supresiones al pie de la presa pueden producir fallas en la estructuras, por tanto es conveniente saber si se producen el resalto hidráulico. d) Verificación de presencia de Subpresiones:

H 31  (

H 2 H 22 V2   2 H 2 2 )1/ 2 2 4 g

0.30 0.302 4.9222 1/ 2 H  (  2  0.30  ) 2 4 9.81 1 3

H 31  1.354m L  0.612  5  1.88  H3

1/ 2

1.354>1.08

Por tanto existe resalto hidráulico, ello origina sub-presiones motivando el cálculo del contra escarpe o cuenca amortiguadora. e) Cálculo de la cuenca amortiguadora (poza de amortiguamiento, contraescarpe).

IRRIGACIONES147

Existen diversos criterios para determinar la longitud de la cuenca amortiguadora: POR LINQUIST:

L  5 H3  H 2  L  5  1.08  0.30   3.90m POR EL USBR (United Status Borean of Reclamation)

L  4H3 L  4 1.08  4.32m POR SCHOKOLITSCH

L  0.612c  H 

1/ 2

L  0.612  5  1.88 

Donde: 1/ 2

H  Hd  P  H 2

L  4.19m H  0.63  0.95  0.30  1.88m C= coeficiente entre 4 a 6, adoptamos un promedio=5 POR BECERRIL

L  10 H 2 L  10  0.30  3.00m POR LAFRANETZ

L  4,5H 3 L  4,5 1.08  4.86m


POR PAULOVSKI

L  2,5(1.4 H 3  H 2 ) L  2,5  1.4 1.08  0.30   3.03m De acuerdo a los datos obtenidos, asumiendo la mayor longitud:

L  4.86  5.00m f) Cálculo de la curvatura al pie del barraje: La superficie del barraje al inicio de la poza tendrá una curva de radios, dada por:

R  10

 Y2  6.4 Hd 16

 3,6 Hd  64

Donde:

V2  4.922m / s Hd  0.63m La fórmula está en unidades inglesas, es necesario cambiar las unidades de los datos: 1 pie =0.3048m

1m=3.281 pies

V2  4.922  3.281  16.149 pie / s Hd  0.63  3.281  2.067 pies Reemplazando:

R  10

 16.149  6.42.067 16 

(3,6 2.067  64)

IRRIGACIONES149

R  4.3152  4.32 pies R  1.32m. También se usa la relación: R = 1.5 Hd

R = 1.5 H d Ty

solado de la poza disipadora = 58º

Tx

g) verificación de la longitud necesaria de infiltración Esta verificación es necesaria para evitar la tubificación por debajo de la presa y eliminar los efectos de las subpresiones. Se calcula por la fórmula de E. W. Lave:

1 Lh  Lv 3 c H Donde: c = coeficiente según el tipo de suelo de cimentación. Lh = longitud horizontal ( se considerarán longitudes rectas o inclinadas < 45º) Lv = longitud vertical (longitudes vertical > 45º)


H = carga efectiva del agua

P=0.95

0.63

3900.950

H3=1.08 0.40 0.30

A

1.20

H2=0.30

0.20

C 0.40

0.80

F G

I

0.40

0.40m 0.40m

J

0.40

0.40 0.80

4.40

0.20 0.30

0.60

H B

L

3899.60

0.10m

E

D

K

0.40

7.50m

VALORES DE C CLASE DE MATERIAL Limo o arena fina

C 18

Arena fina

15

Arena de grano grueso

12

Grava y arena

9

Cascajo con grava y arena

6-4

Lh  0.40  0.80  4.40  0.30  0.80 Lh  5.70m Lv  1.20  0.42  0.64  0.40  0.28 Lv  3.68m Aplicando la fórmula:

1 5.70  3.68 c 3 1.08 c  5.475 Valor que está ubicado para un terreno de cascajo con grava y arena que es el suelo predominante en la zona de captación. Por lo tanto se adopta c=5. h) determinación de la subpresión

IRRIGACIONES151

se determina la subpresión en diferentes puntos; para la condición de cuando el agua está a nivel de aguas en el colchón.

h   Sp  wbc´ h  X  L   Donde: Sp=subpresión W= peso específico del agua (1Tn/m3) b=ancho de la estructura(1m) c´=factor de subpresión que depende de la porosidad del material varía de 0 a 1 (1 para concreto sobre material permeable). h=carga por perder. L=longitud de la infiltración . X=longitudes parciales de infiltración . Aplicando:

h   Sp  wbc´ h  X L   1.08   Sp  1x1x1 1.08  X 5.58   Sp  1.08  0.194 X

PUNTO

H

X

0.194X

Sp(Tn/m2)

Sp(kg/m2)

Sp/1.4

B

1.08

1.200

0.233

0.847

847.20

0.605


C

1.08

1.333

0.259

0.821

821.40

0.587

D

1.08

1.753

0.340

0.740

739.92

0.529

E

1.08

2.020

0.392

0.688

688.12

0.492

F

1.08

2.660

0.516

0.564

563.96

0.403

G

1.08

2.926

0.568

0.512

512.36

0.366

H

1.08

3.326

0.645

0.435

434.76

0.311

I

1.08

4.793

0.930

0.150

150.16

0.107

J

1.08

5.013

0.973

0.107

107.48

0.077

K

1.08

5.113

0.992

0.088

88.08

0.063

L

1.08

5.913

1.147

0.002

2.00

0.001

i) cálculo del enrocado de protección o escollera. Al final del colchón amortiguador o poza disipadora se coloca una escollera o enrocado con el fin de reducir la erosión y contrarrestar el arrastre del material fino por acción de la infiltración.

La fórmula es la siguiente:

Lt  0.67c Db q   Lc

Donde: Lt= longitud total de la escollera c= coeficiente de BLIGH Db=altura comprendida entre la cota de la cresta del barraje y la cota del extremo aguas abajo. q=caudal unitario Lc=longitud del colchón o cuenca.

IRRIGACIONES153

Db  3900.95  3899.80 Db  1.15m m3 seg .m Lc  5.00m c6 q  1.429

Lt  0.67 x61.15 x1.429   5 Lt  1.61m Lt  1.65m

LECHO DEL CAUCE

C (COEFICIENTE DE BLIGH)

arena fina y limo

18

Arena fina

15

Arena de grano grueso

12

Grava y arena

9

Bolones y arena

4-6

Arcilla

6-7

3900.950

0.95 1. 35 3899.800 0.40

3899.600 0.20

DISEÑO DE LA COMPUERTA DE LIMPIA El canal de limpia tiene por objeto eliminar los sedimentos que se depositan al ingreso de la ventana o compuerta de captación, posibilitando la captación en época de estiaje. La fórmula a utilizarse es la de VERTEDEROS DE FONDO:


Vo^2/2g

Ho

2

a ma h´ H1

2

V V H O  O  h´ O 2g 2g del gráfico : 2

h  HO

V  O  h´ 2g 1

q  ma  2 gh  2 si h´ es alejado  h´ ma 1

q  ma  2 gh  2 h  ho  ma Donde: q=caudal unitario(m3/s m) m=coeficiente de gasto=0.611 a=altura de la compuerta (m)=P-1.10=0.85-0.10=0.75m h=altura delante de la compuerta. Aplicando:

IRRIGACIONES155

2

2

VO V  h´ O 2g 2g del gráfico : HO 

2

h  HO 

VO  h´ 2g 1

q  0.611x 0.75 2 x9.81(0.85  0.611x 0.75)  2 q  1.27 m3 / s m como la ven tan a capta 0.50m3 / s entonces : Q  Qm  Qcap Q  1.80  0.50  1.30m3 / s como se sabe : Q  qL Q 1.30 L   0.87  1.02m q 1.27 L  1.10m Por lo tanto la compuerta tendrá: 0.75x1.10=0.825 Las compuertas convencionales, estandar en el mercado son de: 1.00x0.80 Por lo que se asume. El canal de limpia se calcula con el caudal a arrastrar las partículas : Q=1.30m3/s(caudal medio)


  0.595 b  1m n  0.015 s  0.08 z0



 S 1/ 2 V    Q 1 / 2    n 

1/ 2



3/ 2

  

  

  0.081 / 2 V  0.595 1.30 1 / 2    0.015  V  5.749m / s

1/ 2



3/ 2

  

  

Q 1.30   0.226m 2 V 5.749 A 0.226 y   0.23m b 1

A

tirante crítico :  Q2  y o   2   b g

1/ 3

 1.30 2   2  1 9.81 

 

1/ 3

 0.56m

Determinación de la sumergencia o no sumergencia al pie de la compuerta. a) para la avenida media

IRRIGACIONES157

d  ma  0.611x 0.75  0.458m P  0.85m d  2q 2 d2 h1      2  gd 4

1/ 2

  

0.458  2 x1.27 2 0.4582    2 4  9.81x0.458 h1  0.649m h1  

1/ 2

  

h1  d siendo h1  d el tirante normal , la desc arg a sera libre DESCARGA A TRAVÉS DE LA COMPUERTA a) para la avenida máxima H=p+He=0.95+0.68=1.63 m=0.60, entonces disminuye para grandes descargas. d=ma=0.60x0.80=0.48m se tiene la fórmula:

q  ma

2 gh

h  ho  ma q  0.60 x 0.80 2 x9.81x 1.63  0.60 x 0.80  q  2.28m3 / s m d2

 2q 2 d d2     2 4  gd  

0.48  2 x 2.28 2 0.48 2    2 4  9.81x 0.48  1.265m

d2   d2

1/ 2



1/ 2

  

Considerando una descarga libre para un caudal por la compuerta y como primer tanteo se tiene: Q=qL=2.28x1=2.28m3/s

Si asumimos que para un Q=2.30m3/s


  0.595 b  1m n  0.015 s  0.08 z0 V  6.63m/s A  0.347 m 2 d  0.347 m  tirante normal d o  0.814m  tirante crítico

como d 2  1.265  d  0.35, la desc arg a es libre entonces el caudal será : q  Qma 2 g  H  ma   Q  0.96 coeficiente de pérdida 1/ 2

Entonces: xm Entonces el caudal por la compuerta será: DISEÑO DE ALIVIADERO Cálculo de caudal en exceso:

l Qingreso

Q=1.36x1=1.36

IRRIGACIONES159

H1=0.25+0.20+0.68=1.13m H2=0.20+0.68=0.88m

Q= Qing=0.7988 Qexceso=Qo-Qing=0.7988-0.50=0.299 Se calcula el tirante para este caudal: n = 0.014 S = 0.001

V=1.04m/s

d=0.642m

El esquema es:

H1=0.642-0.45=0.192


H2=H1/0.8=0.192/0.8=0.24 Cálculo de h h =(H1-H2)=(0.192+0.24)/2=0.432/2=0.216m Reemplazando es la fórmula

Coeficiente=μ=0.55(para canto rodado) Coeficiente=v=0.95

L=2.123m Asumimos L=2.25m esto por factores de seguridad

V UNIDAD: DISEÑO DE OBRAS COMPLEMENTARIAS 5.2. Generalidades En el diseño de un sistema de riego, se diferencian subsistemas relacionados a la captación, a la conducción, a la distribución, al riego propiamente dicho, al drenaje y a las obras de regulación si fueran necesarias; todos éstos subsistemas requieren de obras hidráulicas principales y complementarias, las principales son esenciales para que funcione el sistema, y las complementarias, para hacer que el sistema sea eficiente y sobre todo económico.

IRRIGACIONES161

Dentro de las diversas obras complementarias se encuentran las transiciones, diseñadas para minimizar las pérdidas de energía, eliminar las ondulaciones que puedan generarse, eliminar zonas muertas para evitar la sedimentación, entre otras consideraciones hidráulicas. Los aliviaderos o vertedores de demasías, que permiten eliminar o evacuar excesos de agua para evitar reboses, inundaciones, o daños en otras estructuras o zonas de riego. Los aforadores o medidores de flujo, para el control de volúmenes y efectividad en el diseño y manejo de los sistemas de riego. En síntesis, las obras complementarias cumplen una función importante dentro de la efectividad y manejo económico del sistema de riego, dotándolo de todos los mecanismos necesarios para tal fin. 5.3. Transiciones Las transiciones son estructuras que permiten empalmar canales de sección transversal diferentes en forma o en dimensión, o empalmar canales con estructuras hidráulicas (acueductos, canoas, sifones, alcantarillas, etc.), permitiendo un cambio gradual, tanto en las entradas como salidas de los canales o estructuras, para: a) b) c) d)

Permitir un flujo de agua de flujo subcrítico y laminar Reducir la pérdida de energía Reducir y/o eliminar la erosión del canal Reducir elevaciones en el espejo de agua, aguas arriba de las estructuras hidráulicas, reduciendo y/o eliminando el embalsamiento) e) Estabilizar el flujo a las estructuras adyacentes por el incremento de resistencia a la percolación.

Las transiciones pueden abiertas como cerradas. Las transiciones cerradas se usan para disminuir las pérdidas de energía en estructuras de tuberías mediante la previsión de un cambio gradual adicional de la sección transversal rectangular a circular. Las transiciones abiertas pueden ser de concreto como de tierra. Las transiciones de tierra son usadas para transiciones de ancho de base, elevación o taludes. Las transiciones de concreto se usan para el ingreso y salida de cualquier obra hidráulica (U. S. Bureau of Reclamation, 1978). Las transiciones producen usualmente una aceleración gradual del flujo a la entrada y una desaceleración gradual a la salida; funcionan mejor cuando los tramos que se van a empalmar son de baja pendiente, con régimen subcrítico y laminar. En este caso las pérdidas hidráulicas por cambio de sección son relativamente pequeñas. Cuando la transición se coloca en tramos de alta pendiente, en régimen supercritico, las pérdidas hidráulicas son altas y no son cuantificables con buena precisión, lo cual hace que los cálculos hidráulicos no resulten aceptables. En esta circunstancia es recomendable diseñar la transición con ayuda de un modelo hidráulico. 5.3.1.

Tipos de transiciones


5.3.1.1. Transiciones de canales alineados: Las transiciones de concreto son las más comunes para estructuras en canales alineados, según U. S. Bureau of Reclamation (1978), son: a) Alabeo con perfil hidrodinámico (que sigue las líneas de corriente sin remolinos), b) Alabeo reglado, recto, c) Espaldón quebrado (Broken-Back), esto de "quebrado" se refiere a la intersección de las superficies vertical con la inclinada en los lados de la transición. 5.3.1.2. Transiciones para tuberías de cruce de drenaje: Estas transiciones permiten que la tubería de entrada sea rebajada, permitiendo una disminución de la superficie de agua requerida corriente arriba. La disminución de la superficie de agua minimiza las inundaciones y permite un mayor embalse. Las transiciones de concreto más utilizadas en este caso son las transiciones del tipo 1, tipo 2, tipo 3 y tipo 4. Se utiliza una transición tipo 1(quebrada o broken-back), cuando el canal natural tiene una sección transversal bien definida. Cuando el canal natural no es bien definido y relativamente ancho, son apropiadas transiciones tipo 2 y 3 o 4 (U. S. Bureau of Reclamation, 1978). 5.3.1.3. Transición de canales trapezoidales a rectangulares Las estructuras de transición de un canal trapezoidal a uno rectangular pueden agruparse en tres tipos: a) Transición con curvatura simple b) Transición de forma cuña c) Transiciones con doble curvatura.

IRRIGACIONES163

Las dos primeras formas deberían limitarse a casos con velocidades muy pequeñas de flujo, y ninguna de las tres formas, son apropiadas para flujo supercrítico. El tipo c) se recomienda para estructuras muy grandes no sólo porque satisface mejor los requerimientos hidráulicos, sino también porque, en estos casos, las superficies con doble curvatura se pueden construir dentro de términos económicamente rentables. 5.3.2. Diseño de una transición recta En una transición recta, se debe definir la longitud de transición, evitando la mínima pérdida de energía entre tramos. En general, como es en casi todos los diseños hidráulicos, todas las fórmulas son de carácter experimental, dependiendo su aplicación de la experiencia del proyectista y de las necesidades del proyecto.


Transición canal trapezoidal-trapezoidal (planta) línea del espejo de agua

T1

T2

b2

b1

L = longitud de transición

De la figura se deduce:

L

T1  T2 2.tg

Si el ángulo crece, L decrece.

Según las experiencias de Julian Hinds la Bureau of Reclamation, experimentalmente se encontró0 que para un   12º30' , se logran pérdidas de carga mínimas en la transición:

L

T1  T2 2.tg12º30'

Para una transición de un canal trapezoidal a rectangular, en función a las soleras, se tiene:

 b1  b  zh   2  2 2  L tg12º30' Transición canal trapezoidal-rectangular (planta) Línea del espejo de agua

T1

b1

b2

L = longitud de transición

5.3.3.

Diseño de una transición alabeada

T2

IRRIGACIONES165

Normalmente construidas para unir secciones trapezoidales con rectangulares, las transiciones alabeadas (tanto de contracción como de expansión), dan un cambio de sección en la solera, el talud y la cota de fondo. De la figura (Hinds-1928 y Scobey-1933), se desarrollan una serie de criterios para el diseño de ensanchamientos en canales. Siendo los más importantes: a) Transiciones con curvatura simple y en forma de embudo, con paredes laterales con ángulos de alrededor de 30º con respecto al eje del canal, permiten recuperar la energía cinética hasta de 2/3 del cambio en la carga de velocidad. b) Transiciones con doble curvatura y en forma de cuña, recuperan entre el 80% y 90% del cambio en la altura o carga de velocidad, siempre que la estructura de transición se proyecte tan larga que una línea de unión entre los contornos del agua en las secciones transversales inicial y final, tenga un ángulo no mayor a 12.5º con respecto al eje del canal. c) Se deben plantear consideraciones especiales para corrientes que estén muy cerca de las condiciones de flujo crítico. d) Al conocerse más acerca de las características del flujo sin superficie libre que sobre flujos en canales, se recomienda expandir en la medida de lo posible, el flujo dentro de la parte cubierta de la estructura de transición en el caso de una transición desde una galería a un canal abierto. e) En corrientes sin superficie libre es muy frecuente el uso de muros o paredes directoras de flujo para eliminar las zonas de separación. En canales abiertos, por el contrario, este método se aplica muy pocas veces. La separación del flujo se puede evitar, por lo general, cuando el ángulo de expansión de la corriente se mantiene por debajo de los 8º. El método racional, desarrollado por investigadores como: Carde, Ranga, Raju, Mishra, Carnot, entre otros, plantea las siguientes ecuaciones:

L  4.7b  1.65ZcYc Donde:

L Zc Yc bc

= = = =

bf

=

b

bc  b f 2

Longitud de transición. Talud en el canal trapezoidal, canal de salida. Tirante en el canal de salida. Ancho de solera en el canal de salida (canal trapezoidal). Ancho de solera en el canal intermedio (canal rectangular).


Para el cálculo del ancho de solera o de fondo en cada sección, se usa:

b  b f  (bb  b f )

x L



x   1  1  L   



nb

  1

nb  0.8  0.26Z c 2 Donde:

b bc bf x

= = = =

L

=

Ancho de solera a una distancia x Ancho de solera en el canal trapezoidal Ancho de solera en el canal rectangular Distancia a la que se está calculando b, con inicio en la sección rectangular Longitud de transición

IRRIGACIONES167

nb = Zc =

Coeficiente en función del talud Talud en el canal trapezoidal.

Para el cálculo del talud en cada sección se tiene:



x  Z  Zc  1  1   L    Donde:

x

=



1 2

  

Distancia a la que se está calculando b, con inicio en la sección rectangular Longitud de transición Talud a una distancia x Talud en el canal trapezoidal.

L = Z = Zc =

Para el cálculo del desnivel de fondo en cada sección se utiliza:

hi  Donde:

x

=

L

=

h x L

hi ,i 1 

h  xi 1  xi  L

Distancia a la que se está calculando b, con inicio en la sección rectangular Longitud de transición

hi =

Desnivel del fondo en cada sección

h =

Desnivel total entre las secciones (rectangular y trapezoidal)

hi ,i 1 = xi, xi+1 =

Desnivel del fondo de las secciones i y i+1

Distancia a la que se encuentra la sección i y i+1

La segunda relación se utiliza para determinar el desnivel entre dos secciones consecutivas i y i+1. Se aplica la ecuación de la energía, para calcular el tirante y la energía específica en cada sección de la transición alabeada:

E1  E 2  Hf 1 2 Donde:

E1, E2 Hf1-2

= =

H Y v2/2g

= = =

E H  y

v2 2g

Energía total en las secciones 1 y 2. Pérdida de carga por cambio de dirección entre las secciones 1 y 2 Carga de posición Tirante en la sección, carga de posición Carga de velocidad de aproximación

Las pérdidas predominantes en las transiciones (por su corta longitud), corresponden a las pérdidas por cambio de dirección. Su ecuación es:

Hf1 2  Khv

h v 

v12 v 22  2g 2g

, siendo v1>v2


Donde:

Hf1-2 = K = Ke = Ks =

Pérdidas por transición entre 1 y 2. Coeficiente de pérdidas en la transición, pueden ser: Coeficiente de contracción en la transición de entrada Coeficiente de expansión en la transición de salida.

Los valores de Ke y Ks, dependen del tipo de transición diseñada (ver tabla): Tabla: Valores de Ke y Ks según el tipo de transición Tipo de transición Ke Ks Curvado 0.10 0.20 Cuadrante cilíndrico 0.15 0.25 Simplificado en línea recta 0.20 0.30 Línea recta 0.30 0.50 Extremos cuadrados 0.30 0.75 5.3.4.

Ejemplo de diseño:

IRRIGACIONES169

5.4. Vertedero lateral o aliviadero Comúnmente denominado vertedero o aliviadero lateral, consiste en una abertura longitudinal que se construye en una de las paredes laterales de un canal paralelamente a la dirección del movimiento del flujo, con la finalidad de aliviar o evacuar el exceso de caudal que se pueda presentar en dicho canal. Generalmente se ubica después del canal aductor o antes del aforador de caudal. Es esencialmente una obra de defensa, control y regulación de caudal excesivo que sucede en un definido tipo de obra en general (bocatomas, acueductos, sifones y alcantarillados, presas, etc.).

5.4.1.

Teoría del funcionamiento de los vertederos laterales

Su funcionamiento se basa en la ley de la conservación de la energía. Se supone que toda la energía del agua que pasa por la cresta del vertedero, se disipa al mezclarse con el agua del canal o río. Para el caso particular de un vertedero lateral en un canal rectangular de baja pendiente y sección constante las limitaciones que se consideran son las siguientes: a) El régimen en el canal es Subcrítico inmediatamente antes y después del vertedero. b) El régimen de flujo en una sección determinada de un canal se clasifica en función del Número de Fraude (NF), el cual es una relación adimensional entre fuerzas de inercia y de gravedad. c) La cresta del vertedero lateral es horizontal y la pendiente del canal en el tramo ocupado por el vertedero es despreciable. d) El canal es de sección rectangular, de ancho constante. e) La cresta del vertedero tiene perfil cimacio (coeficiente de descarga C = 2.1 en SI). f)

La Energía Específica (E) en el canal a lo largo del vertedero es constante. E = Y + V2 /2g.

5.4.2. Finalidad a) Garantizar la seguridad de la estructura hidráulica, al no permitir la elevación del nivel aguas, por encima del nivel máximo. b) Garantizar un nivel con poca variación en un canal de riego, aguas arriba. 5.4.3. Partes del vertedero


a) Estructura de control: Regula y gobierna las descargas del vaso. Pueden ser: una cresta, vertedor, orificio, boquilla o tubo. b) Canal de descarga: Ayuda a la conducción de los volúmenes descargados por la estructura de control. c) Estructura terminal: Permite descargar el agua en el río sin erosiones o socavaciones peligrosas en el talón de la presa y sin producir daños en las estructuras adyacentes. d) Canales de llegada y de descarga: Captan el agua del vaso y la conducen a la estructura de control.

Aliviadero lateral (frente)

Y1

h2

h1

Y2

Yc L

El flujo del canal deberá ser siempre subcrítico: entonces h2>h1

Se considera:

h1 = 0.8 y

h  h2 h 1 2

h = 0.9 h2

5.4.4. Consideraciones de diseño de un vertedero lateral a) El caudal de diseño de un vertedero se puede establecer como aquel caudal que circula en el canal por encima de su tirante normal, hasta el nivel de su caja hidráulica o hasta el nivel que ocupa en el canal, el caudal considerado como de máximo avenida. b) El vertedero lateral no logra eliminar todo el excedente de caudal, siempre quedará un excedente. c) La altura del vertedor o diferencia entre la cresta de este y el fondo del canal, corresponde al valor Yn. d) Para mejorar la eficiencia de la cresta se suele utilizar diferentes coeficientes de contracción  según la forma que adopte la cresta (ver cuadro). Los tipos (1) y (2) se usan cuando el caudal que se está eliminando por el aliviadero, cruza un camino. Frecuentemente se utilizan cuando se proyectan badenes. Cuando esto no es necesario y el caudal del vertedero se puede eliminar al pie del mismo, se utilizan los tipos (3) ó (4). e) Los aliviaderos laterales pueden descargar a través de un vertedero con colchón al pie (desniveles pequeños) o mediante una alcantarilla con una pantalla disipadora de energía al final (desniveles grandes). f) Para dimensionar un vertedero lateral existen gran variedad de fórmulas, a continuación se describe la fórmula de Forchheimer:

Q 

2  2 g Lh 3 / 2 3

IRRIGACIONES171

Donde: Q   L H

= = = = =

Caudal a eliminar por el aliviadero Coeficiente vertedero lateral Coeficiente de contracción. Longitud del vertedero. Carga promedio encima de la cresta

El coeficiente de contracción dependerá del perfil de la cresta del vertedero, como se observa en el siguiente cuadro: Cuadro: Coeficiente de contracción según perfil de cresta en vertederos Perfil Forma  Ancho, cantos regulares

0.49-0.50

Ancho, cantos redondeados

0.5-0.55

Afilado, con aireación necesaria

0.64

En forma de techo con corona redondeada

0.79

La fórmula de Forcheiner da resultados con suficiente aproximación si se cumplen las siguientes condiciones: a) El cociente entre la velocidad del agua (V1) y la raíz cuadrada del producto de la profundidad del agua antes del vertedero (Y1) y la aceleración de la gravedad, debe ser menor que el número de Froude = 0.75.

V1  0.75 gY1 b) La diferencia entre h2 y h1 debe ser menor a la diferencia entre Y2 y Yn.

h2  h1  Y2  Yn

5.4.5.

Ejemplo de diseño En un canal de riego, se desea eliminar el agua en exceso que ingresa por la ventana de captación en avenida máxima del proyecto (en el período de lluvias), por lo que la ventana de captación se comporta como un orificio. Para el efecto se conocen los siguientes datos: Qcapt = Caudal de captación (1.0 m3/s) Qingreso = Caudal de ingreso (1.50 m3/s) Pendiente del canal de derivación = 0.01 ó 1 % Coeficiente de rugosidad n = 0.014 (concreto enlucido) Ancho de base o plantilla b = 1.30 m


Tirante hidráullico (Y) Area hidrúlica (A) El perímetro mojado (P) El radio hidráulico (R) Velocidad (V) en el canal Borde libre (F) El espejo de agua (T)

= 0.88 m = 1.144 m2 = 3.06 m = 0.44 m = 1.30 m/s = 0.27 m. = 1.30 m

CANAL DE DERIVACION T = 1.30 m

F = 0.27 m

Y = 0.88 m

5.4.6. 5.4.7. 5.4.8.

a)

Tomas laterales i. ii. b.

Aforadores i.

c.

Partidores i.

Q   ..

2 .. .. 2 g ..L..h 3 / 2 3

IRRIGACIONES173

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de

Canales”.

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Horizonte

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1

Libro de Irrigaciones 2012

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