Manual de prácticas de ingeniería de riego a presión CONTENIDO GENERAL
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CONTENIDO GENERAL ÍNDICE DE CUADROS ...................................................................................................... X ÍNDICE DE FIGURAS .....................................................................................................XIV RESUMEN ......................................................................................................................... 1 SUMARY ........................................................................................................................... 2 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 3 1.
PRINCIPALES COMPONENTES DE UN SISTEMA DE RIEGO PRESURIZADO ...... 4 1.1. OBJETIVO ........................................................................................................... 4 1.2. ASPECTOS TEÓRICOS ...................................................................................... 4 1.2.1. Obra de toma ..................................................................................................... 4 1.2.2. Estación de bombeo .......................................................................................... 6 1.2.2.1. Cárcamo ................................................................................................. 6 1.2.2.2. Equipo de bombeo ................................................................................. 6 1.2.2.3. Descarga ................................................................................................ 7 1.2.2.4. Subestación eléctrica.............................................................................. 7 1.2.2.5. Otras partes ............................................................................................ 9 1.2.3. Red de conducción y distribución ....................................................................... 9 1.2.4. Líneas de riego y emisores .............................................................................. 10 1.3. PROYECTO DE UN SISTEMA DE RIEGO PRESURIZADO ............................... 15 1.4. ADQUISICIÓN DE INFORMACIÓN .................................................................... 17 1.4.1. Datos del proyecto ........................................................................................... 18 1.4.2. Datos de cultivo(s) ........................................................................................... 18 1.4.3. Datos del Terreno ............................................................................................ 18 1.4.4. Datos de la fuente de abastecimiento .............................................................. 18 1.4.5. Datos de equipo de bombeo ............................................................................ 19 1.4.6. Datos de tubería .............................................................................................. 19 1.4.7. Croquis o plano ................................................................................................ 19 1.5. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 19
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CURVA CAUDAL-CARGA DE UN ASPERSOR ...................................................... 20 2.1. OBJETIVO ....................................................................................................... 20 2.2. ASPECTOS TEÓRICOS .................................................................................. 20 2.2.1.
Normas aplicadas a aspersores............................................................ 20
2.2.2.
Clasificación de aspersores .................................................................. 21
2.2.3.
Componentes de un aspersor de martillo ............................................. 22
2.2.4.
Curvas características de aspersores ................................................... 24
2.2.5.
Deducción de la relación gasto- carga en emisores. ............................. 24
2.3. DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS, MATERIALES Y METODOLOGÍA .................. 27 2.3.1.
Trabajo de laboratorio........................................................................... 27
2.4. ADQUISICIÓN DE INFORMACIÓN ................................................................. 30 2.4.1.
Aspersores ........................................................................................... 30
2.4.2.
Potencia de la instalación ..................................................................... 30
2.4.3.
Obtención de curva gasto-carga del aspersor....................................... 30
2.5. PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN.......................................................... 31 2.5.1.
Cálculo del modelo potencial del aspersor............................................ 31
2.6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ...................................................................... 36 2.7. CONCLUSIONES ............................................................................................ 37 2.8. CUESTIONARIO.............................................................................................. 37 2.9. BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................................... 37 3.
EVALUACIÓN DE UN SISTEMA DE RIEGO POR ASPERSIÓN PORTÁTIL .......... 38 3.1. OBJETIVOS..................................................................................................... 38 3.2. ASPECTOS TEÓRICOS .................................................................................. 38 3.2.1.
Coeficiente de Uniformidad de Christiansen ......................................... 39
3.2.2.
Coeficiente de Uniformidad de Hart ...................................................... 39
3.2.3.
Coeficiente de Uniformidad de USDA ................................................... 40
3.2.4.
Coeficiente de Uniformidad de Benami-Hore ........................................ 41
3.2.5.
Índice de grosor de la gota ................................................................... 41
3.2.6.
Pérdidas por evaporación y arrastre del viento ..................................... 42
3.2.7.
Eficiencia de aplicación ........................................................................ 43
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3.3. DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y MATERIALES .............................................. 45 3.3.1.
Equipo utilizado en evaluación completa .............................................. 45
3.3.2.
Componentes de la instalación ............................................................. 45
3.3.3.
Ubicación de los pluviómetros en campo .............................................. 46
3.3.4.
Traslape de los volúmenes recogidos mediante el programa TRASLAPE 49
3.4. EJEMPLO DE PRUEBA REALIZADA EN ASPERSIÓN PORTÁTIL ................ 52 3.5.1.
Datos generales ................................................................................... 52
3.5.2.
Descripción y evaluación de los componentes de la instalación ........... 52
D.
Uniformidad de la instalación ................................................................ 53
3.5.3.
Pérdidas por evaporación y arrastre del viento .................................... 54
3.6. PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN......................................................... 55 3.6.1.
Evaluación de la uniformidad del riego ................................................. 55
3.6.2.
Evaluación del índice de grosor de la gota ........................................... 60
3.6.3.
Evaluación de las pérdidas por evaporación y arrastre del viento ......... 60
3.7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ...................................................................... 61 3.8. CONCLUSIONES ............................................................................................ 63 3.9. CUESTIONARIO.............................................................................................. 63 3.10. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................ 64 4.
EVALUACIÓN DE UN SISTEMA POR ASPERSIÓN DE CAÑÓN VIAJERO ........... 65 4.1. OBJETIVOS ....................................................................................................... 65 4.2. ASPECTOS TEÓRICOS .................................................................................... 65 4.2.1. Los cañones ............................................................................................. 65 4.2.2. Boquillas................................................................................................... 66 4.2.3. Mecanismos de propulsión ....................................................................... 66 4.2.4. Mecanismos de funcionamiento, control y seguridad ................................ 67 4.2.5. Las mangueras......................................................................................... 68 4.2.6. Importancia de una evaluación ................................................................ 68 4.2.7. Cuando realizar una evaluación ............................................................... 68 4.2.8. Déficit de humedad permisible ................................................................. 69 4.2.9. Uniformidad de distribución ...................................................................... 69
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4.2.11. Pérdidas por evaporación y arrastre del viento ....................................... 69 4.2.12. Intensidad de aplicación promedio ........................................................ 70 4.2.13. Lámina aplicada promedio ..................................................................... 70 4.2.14. Índice de grosor de la gota ..................................................................... 70 4.3. DESCRIPCION DE EQUIPOS Y MATERIALES................................................. 71 4.3.1. Evaluación de los componentes de la instalación ..................................... 72 4.3.2. Evaluación de la uniformidad del riego ..................................................... 72 4.4. EJEMPLO DE PRUEBA REALIZADA EN CAÑÓN VIAJERO............................. 76 4.4.1. Datos generales ....................................................................................... 76 4.4.2 Descripción de los componentes de la instalación .................................... 76 4.4.4. Evaluación de las pérdidas por evaporación y arrastre del viento ............ 77 4.4.3 Evaluación de la uniformidad de la instalación ......................................... 78 4.5
PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN......................................................... 80 4.5.1.
Uniformidad de distribución .................................................................. 80
4.5.2.
Intensidad de aplicación promedio ....................................................... 81
4.5.3.
Lámina aplicada promedio .................................................................... 81
4.5.4.
Evaluación de las pérdidas por evaporación y arrastre del viento ........ 81
4.5.5.
Evaluación del índice de grosor de la gota ........................................... 82
4.6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ........................................................................ 83 4.7. CONCLUSIONES .............................................................................................. 83 4.8. CUESTIONARIO ................................................................................................ 83 4.9. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 84 5.
EVALUACIÓN DE UN SISTEMA POR ASPERSIÓN DE PIVOTE CENTRAL.......... 85 5.1. OBJETIVOS..................................................................................................... 85 5.2. ASPECTOS TEÓRICOS .................................................................................. 85 5.2.1.
Descripción del equipo ......................................................................... 85
5.2.2.
Uniformidad del riego............................................................................ 87
5.2.3.
Tasa de aplicación promedio ................................................................ 89
5.2.4.
Eficiencia de riego ................................................................................ 90
5.2.5.
Pluviometría máxima en el extremo ...................................................... 90
5.3. DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y MATERIALES .............................................. 92 Universidad Autónoma Chapingo
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5.3.1.
Equipo requerido .................................................................................. 92
5.3.2.
Componentes de la instalación ............................................................. 93
5.3.3.
Tasa de aplicación promedio ................................................................ 93
5.3.4.
Uniformidad del riego............................................................................ 94
5.4. EJEMPLO DE PRUEBA REALIZADA EN EQUIPO DE PIVOTE CENTRAL .... 98 5.4.1.
Datos generales ................................................................................... 98
5.4.2.
Descripción de la instalación ................................................................ 98
5.4.3.
Condiciones de viento .......................................................................... 99
5.4.4.
Descarga de los aspersores ................................................................. 99
5.4.5.
Evaluación de la uniformidad .............................................................. 101
5.5. PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN........................................................ 102 5.5.1.
Descarga de los emisores .................................................................. 102
5.5.2.
Evaluación de la uniformidad del riego ............................................... 102
5.5.3.
Evaluación de la pluviometría máxima en el extremo ......................... 107
5.6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS .................................................................... 107 5.7. CONCLUSIONES .......................................................................................... 108 5.8. CUESTIONARIO............................................................................................ 108 5.9. BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................................. 109 6.
EVALUACIÓN DE SISTEMAS DE RIEGO POR ASPERSIÓN DE AVANCE
FRONTAL ..................................................................................................................... 110 6.1. OBJETIVOS................................................................................................... 110 6.2. ASPECTOS TEÓRICOS ................................................................................ 110 6.2.1
Descripción del equipo ....................................................................... 110
6.2.2.
Uniformidad de distribución de la fila .................................................. 112
6.2.3.
Uniformidad de distribución del sistema.............................................. 112
6.2.4.
Pluviometría máxima .......................................................................... 112
6.3. DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y MATERIALES ............................................ 113 6.3.2.
Material necesario para la evaluación ................................................. 113
6.3.3.
Evaluación de los componentes de la instalación ............................... 114
6.3.4.
Evaluación de la uniformidad del riego ............................................... 115
6.3.5.
Uniformidad del sistema ..................................................................... 117
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6.4. EJEMPLO DE PRUEBA REALIZADA EN EQUIPO DE AVANCE FRONTAL . 117 6.4.2.
Datos generales ................................................................................. 117
6.4.3.
Descripción de los componentes del lateral ........................................ 117
6.4.4.
Condiciones de viento ........................................................................ 118
6.4.5.
Evaluación de la uniformidad .............................................................. 118
6.5. PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN....................................................... 121 6.5.2.
Uniformidad de distribución del sistema.............................................. 121
6.5.3.
Pluviometría máxima .......................................................................... 123
6.6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS .................................................................... 125 6.7. CONCLUSIONES .......................................................................................... 126 6.8. CUESTIONARIO............................................................................................ 126 6.9. BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................. 126 7.
CURVA CARGA-GASTO DE UN EMISOR DE RIEGO LOCALIZADO .................. 127 7.1. OBJETIVOS................................................................................................... 127 7.2. ASPECTOS TEÓRICOS ................................................................................ 127 7.2.1.
Emisores ............................................................................................ 127
7.2.2.
Aspectos hidráulicos de goteros, microaspersores y cintas de riego .. 135
7.3. DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y MATERIALES ............................................ 144 7.3.1.
Equipo necesario ................................................................................ 144
7.3.2.
Metodología para evaluación de goteros ............................................ 144
7.3.3.
Metodología para evaluación de cintas de riego ................................. 146
7.3.4.
Metodología para evaluación de microaspersores .............................. 148
7.4. EJEMPLO DE PRUEBA REALIZADA PARA DIFERENTES EMISORES ...... 150 7.4.1.
GOTEROS ......................................................................................... 150
7.4.2.
GOTEROS INTEGRADOS ................................................................. 151
7.4.3.
CINTILLA............................................................................................ 153
7.4.4.
MICROASPERSORES ....................................................................... 155
7.5. PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN...................................................... 156 7.5.1.
Evaluación de goteros ........................................................................ 156
7.5.2.
Evaluación de goteros integrados ....................................................... 158
7.5.3.
Evaluación de cintas de riego ............................................................. 161
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7.5.4.
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Evaluación de microaspersores .......................................................... 164
7.6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS .................................................................... 166 7.7. CONCLUSIONES .......................................................................................... 166 7.8. CUESTIONARIO............................................................................................ 167 7.9. BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................................. 167 8.
EVALUACIÓN DE UN SISTEMA DE RIEGO LOCALIZADO ................................. 168 8.1. OBJETIVOS................................................................................................... 168 8.2. ASPECTOS TEÓRICOS ................................................................................ 168 8.2.1.
Definiciones ........................................................................................ 168
8.2.2.
Riego localizado ................................................................................. 169
8.2.3.
Emisores ............................................................................................ 169
8.2.4.
Coeficiente de uniformidad de riego. .................................................. 172
8.2.5.
Evaluación de riego adaptada de Merian y Keller (1978) .................... 173
8.3. DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y MATERIALES ............................................ 175 8.3.1.
Material necesario .............................................................................. 175
8.3.2.
Evaluación de la uniformidad del riego ............................................... 175
8.4. EJEMPLO DE PRUEBA REALIZADA PARA SISTEMA DE RIEGO LOCALIZADO ................................................................................................................ 180 8.4.1.
Goteo ................................................................................................. 180
8.4.2.
Microaspersión ................................................................................... 182
8.5. PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN....................................................... 184 8.3.3.
Goteo ................................................................................................. 184
8.5.2.
Microaspersion. .................................................................................. 186
8.6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS .................................................................... 188 8.7. CONCLUSIONES .......................................................................................... 188 8.8. CUESTIONARIO............................................................................................ 188 8.9. BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................. 189 9.
EQUIPOS DE FILTRACIÓN ................................................................................... 190 9.1. OBJETIVOS................................................................................................... 190
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9.2. ASPECTOS TEÓRICOS ................................................................................ 190 9.2.1.
Prefiltros ............................................................................................. 196
9.2.2.
Filtros de arena................................................................................... 199
9.2.4.
Filtros de malla. .................................................................................. 203
9.2.5.
Filtro de discos o anillos .................................................................... 206
9.3. EVALUACIÓN DE LOS COMPONENTES DE LOS EQUIPOS DE FILTRADO 209 9.4. EJEMPLO DE PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN PARA DIFERENTES TIPOS FILTROS ............................................................................................................ 212 9.4.1.
Datos generales ................................................................................. 212
9.4.2.
Emisores ............................................................................................ 212
9.5. PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN....................................................... 212 9.5.1.
Hidrociclón.......................................................................................... 212
9.5.2.
Filtros de arena................................................................................... 214
9.5.3.
Filtros de anillos.................................................................................. 216
9.6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS .................................................................... 217 9.7. CONCLUSIONES .......................................................................................... 217 9.8. CUESTIONARIO............................................................................................ 217 9.9. BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................. 218 10. EQUIPOS DE FERTILIZACIÓN .............................................................................. 219 10.1. OBJETIVOS................................................................................................... 219 10.2. ASPECTOS TEÓRICOS DE FERTIRRIGACION .......................................... 219 10.2.1. Ventajas y limitaciones ....................................................................... 219 10.2.2. Equipos de inyección .......................................................................... 223 10.2.3. Consideraciones en la elección de un equipo ..................................... 233 10.2.4. Manejo de la fertirrigación................................................................... 236 10.2. DESCRIPCION DE EQUIPOS Y MATERIALES ............................................ 240 10.3.1. Ubicación del equipo .......................................................................... 240 10.3.2. Fertilizantes usados en Fertirrigación ................................................. 241 10.4. EJEMPLO DE ELECCIÓN DE EQUIPOS DE FERTILIZACIÓN ..................... 246
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10.4.1. Datos del cultivo ................................................................................. 246 10.4.2. Fertilizantes disponibles ..................................................................... 246 10.4.3. Manejo del riego ................................................................................. 246 10.5. PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN....................................................... 246 10.5.1. Manejo de la fertirrigación................................................................... 246 10.5.2. Elección del equipo a utilizar .............................................................. 248 10.6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS .................................................................... 252 10.7. CONCLUSIONES .......................................................................................... 253 10.8. CUESTIONARIO............................................................................................ 253 10.9. BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................................. 254
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ÍNDICE DE CUADROS Cuadro 1.1 Datos de cultivo ............................................................................................ 18 Cuadro 1.2 Datos de la fuente de abastecimiento ........................................................... 18 Cuadro.1.3 Datos de equipo de bombeo .......................................................................... 19 Cuadro 1.4 Datos de tubería ............................................................................................ 19 Cuadro 2.1 Datos registrados en laboratorio del aspersor Rain Bird TNT-30 ................... 31 Cuadro 2.2. Resultados de laboratorio procesados del aspersor Rain Bird TNT-30 ......... 31 Cuadro 2.3 Cuadro de gasto y presión del aspersor del aspersor Rain BirD TNT-30 ....... 32 Cuadro 2.4 Carga y presión del aspersor Rain Bird TNT-30 ........................................... 33 Cuadro 2.5 Gasto y presión del aspersor Rain Bird TNT-30 ........................................... 34 Cuadro 2.6 Gasto y carga del aspersor Rain Bird TNT-30 (catálogo) ............................. 35 Cuadro 2.7 Comparación entre modelo de catálogo contra modelo de laboratorio del aspersor Rain Bird TNT-30 .............................................................................................. 36 Cuadro 3.1. Valor de la uniformidad de distribución ......................................................... 39 Cuadro 3.2 Índice de grosor de la gota ........................................................................... 42 Cuadro 3.3. Para llenado de datos de un aspersor .......................................................... 53 Cuadro 3.4 Lecturas registradas en el anemómetro........................................................ 54 Cuadro 3.5 Evaporación registrada durante la prueba ..................................................... 54 Cuadro 3.6 Datos registrados por los pluviómetros para un aspersor ............................. 55 Cuadro 3.7 Datos registrados por los pluviómetros para cuatro aspersores.................... 58 Cuadro 3.8 Índices de grosor de gota a diferentes presiones y diámetro de boquillas ..... 60 Cuadro 3.9 Coeficientes de uniformidad obtenidas en la evaluación .............................. 62 Cuadro 4.1 Lecturas registradas en el anemómetro........................................................ 77 Cuadro 4.2 Valores recomendados del espaciamiento en función de la velocidad del viento ............................................................................................................................... 77 Cuadro 4.3 Evaporación registrada durante la prueba .................................................... 77 Cuadro 4.4. Volumen recogido en los recipientes instalados en campo ........................... 78 Cuadro 4.5 Lecturas de tiempo en la medición de la descarga en cañón Twin 101 ........ 79 Cuadro 4.6 Lecturas de tiempo de avance en el cañón Twin 101 ................................... 79 Cuadro 4.7
Volúmenes recogidos en los pluviómetros instalados en campo y
procesamiento de los mismos .......................................................................................... 80 Cuadro 4.8 Índices de grosor de gota a diferentes presiones y diámetro de boquillas .... 82 Cuadro 5.1. Longitud de tramos del pivote central ........................................................... 98
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Cuadro 5.2 Diámetros de la tubería de distribución del pivote central ............................. 99 Cuadro 5.3
Condiciones de viento durante la realización de la evaluación del pivote
central .............................................................................................................................. 99 Cuadro 5.4 Separación y descarga de emisores del equipo de pivote central.............. 100 Cuadro 5.5 Volúmenes recogidos en los pluviómetros del pivote central ...................... 101 Cuadro 5.6 Procesamiento de volúmenes obtenidos en los pluviómetros de acuerdo a su número de posición en la evaluación del pivote central ................................................. 103 Cuadro 5.7.Volumenes ponderados al emplear el área como factor de ponderación en la evaluación del pivote central .......................................................................................... 104 Cuadro 5.8 Calculo de la uniformidad de Heerman y Hein (1968) para el equipo de pivote central con una velocidad de avance del 100% ............................................................. 106 Cuadro 6.1. Valor de la uniformidad de distribución ....................................................... 112 Cuadro 6.2. Especificaciones técnicas para el emisor Super Spray de Senninger ......... 118 Cuadro 6.3 Volúmenes obtenidos mediante los pluviómetros instalados en campo durante la evaluación de avance frontal ...................................................................................... 119 Cuadro 6.4 Descarga de los emisores del equipo de avance frontal ............................. 120 Cuadro 6.5
Valores ordenados y sus respectivos parámetros obtenidos en los
pluviómetros instalados durante la evaluación del equipo de avance frontal .................. 121 Cuadro 6.6. Láminas captadas (mm) en los vasos pluviométricos para las pruebas de uniformidad de aplicación longitudinal en el avance frontal ............................................ 124 Cuadro 7.1
Características de microaspersores en función de tamaño de boquilla y
caudal, Rain Bird. .......................................................................................................... 134 Cuadro 7.2 Exponentes de descarga de diferentes emisores de acuerdo ..................... 137 Cuadro 7.3 Valores comunes del exponente de descarga (x) para diferentes emisores 137 Cuadro 7.4 Variaciones de µ y ρ con respecto a la temperatura ................................... 139 Cuadro 7.5 Clasificación de regímenes hidráulicos ....................................................... 140 Cuadro 7.6 Factor de corrección de la descarga en función de la temperatura ............. 141 Cuadro 7.7 Clasificación de emisores según normas ISO para CV ............................... 143 Cuadro 7.8
Clasificación de emisores según norma ASAE EP405.1 para goteros,
microaspersores y difusores .......................................................................................... 143 Cuadro 7.9
Clasificación de emisores según Norma ASAE EP405.1 para tuberías
emisoras ........................................................................................................................ 143 Cuadro 7.10 Datos obtenidos durante la calibración del gotero supertif ........................ 150 Cuadro 7.11 Datos obtenidos durante la calibración del gotero hydrogol ...................... 152
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Cuadro 7.12 Datos obtenidos durante la calibración de la cintilla Hydrolite ................... 154 Cuadro 7.13 Datos obtenidos durante la calibración del microaspersor Rondo ............. 155 Cuadro 7.14 Relación carga, caudal y coeficiente de variación para el gotero supertif . 156 Cuadro 7.15 Obtención del modelo del gotero Supertif ................................................. 156 Cuadro 7.16. Relación carga, caudal y coeficiente de variación para la cintilla Hydrogol 158 Cuadro 7.17 Relación carga, caudal y coeficiente de variación para la cintilla Hydrolite 161 Cuadro 8.1 Clasificación de los emisores en base a la forma en que disipan la presión 170 Cuadro 8.2 Clasificación de emisores de acuerdo a su coeficiente de variación ........... 170 Cuadro 8.3 Coeficiente de descarga de emisores ......................................................... 171 Cuadro 8.4 Sensibilidad a la obturación ........................................................................ 172 Cuadro 8.5 Valor de la uniformidad de distribución ....................................................... 178 Cuadro 8.6. Especificaciones técnicas de NaaNDrip Thin-Wall dripline ........................ 180 Cuadro 8.7 Volúmenes recogidos en los emisores de goteo NaaNDrip Thin-Wall ........ 181 Cuadro 8.8 Volúmenes recogidos en los emisores Rondo ............................................ 183 Cuadro 8.9 Procesamiento de datos de goteo NaaNDrip Thin-Wall .............................. 184 Cuadro 8.10 Procesamiento de datos de microaspersores Rondo ................................ 186 Cuadro 9.1 Estado, tipo de impureza y tratamiento de sustancias presentes en el agua ...................................................................................................................................... 192 Cuadro 9.2 Espectro de filtración de sustancias presentes en el agua......................... 193 Cuadro 9.3 Espectro de filtración de partículas ............................................................. 195 Cuadro 9.4 Calidad de la arena según friabilidad .......................................................... 200 Cuadro 9.5 Características de las granulometrías más usadas..................................... 201 Cuadro 9.6 Caudal en función de la calidad del agua a tratar ....................................... 201 Cuadro 9.7 Forma de los granos, porosidad y superficie especifica .............................. 202 Cuadro 9.8 Caudales según velocidades ...................................................................... 205 Cuadro 9.9.Modelos y especificaciones de modelos comerciales de hidrociclones ....... 213 Cuadro 9.10 Hidrociclones comerciales ....................................................................... 213 Cuadro 9.11. Relación área vs caudal en tanques de filtración ...................................... 215 Cuadro 9.12 Modelos y especificaciones de modelos comerciales de hidrociclones...... 216 Cuadro 10.1 Comparación de Sistemas de fertilización ................................................ 233 Cuadro 10.2 Influencia de la temperatura sobre la solubilidad de algunos fertilizantes (gramos de fertilizante en 1 litro de agua destilada) ....................................................... 242 Cuadro 10.3 pH y CE de algunos fertilizantes a una concentración de 1 gl-1 de agua destilada ........................................................................................................................ 245
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Cuadro 10.4 Tasa de inyección a través de un tanque fertilizante en función del gradiente de presión y del diámetro de los tubos de entrada y de salida ....................................... 248 Cuadro 10.5 Especificaciones técnicas de inyectores comerciales ............................... 249 Cuadro 10.6 Especificaciones técnicas de bombas inyectoras hidráulicas.................... 251
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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Componentes principales en una obra de toma ............................................... 4 Figura 1.2 Casos de obras de toma y bombeo .................................................................. 5 Figura 1.3. Esquema de estación de bombeo ................................................................... 6 Figura 1.4. Equipos de bomba centrifuga horizontal y turbina vertical ................................ 7 Figura 1.5. Tren de descarga, con sus elementos de control y protección ......................... 8 Figura 1.6. Tuberías y accesorios de sistemas de riego .................................................. 10 Figura 1.7. Hidrante de aluminio ...................................................................................... 11 Figura 1.8. Codo de arranque y tee para conectar la tubería con compuertas ................. 11 Figura 1.9. Tubería con compuertas de PVC y lona ......................................................... 12 Figura 1.10. Diferentes tipos de goteros .......................................................................... 12 Figura 1.11. Diferentes modelos de microaspersores ...................................................... 13 Figura 1.12. Aspersores de impacto ................................................................................ 13 Figura 1.13. Aspersor gigante o cañón ............................................................................ 14 Figura 1.14. Avance frontal y pivote central ..................................................................... 14 Figura 2.1 Principales partes del aspersor ...................................................................... 22 Figura 2.2 Esquema del emisor de descarga .................................................................. 25 Figura 2.3. Material a utilizar para determinar la curva caudal – carga............................. 27 Figura 2.4 Aspersor Rain Bird ......................................................................................... 28 Figura 2.5 Calibrador de aspersores ................................................................................ 28 Figura 2.6 Esquema ilustrativo de manómetro y válvula de paso .................................... 29 Figura 2.7. Recipiente esquemático para la medición de la descarga. ............................. 29 Figura 2.8. Recta ajustada a los datos experimentales del aspersor Rain Bird TNT-30 ... 32 Figura 2.9. Recta ajustada a los datos experimentales del aspersor Rain Bird TNT-30 ... 33 Figura 2.10. Recta ajustada a los datos experimentales del aspersor Rain Bird TNT-30 . 34 Figura 2.11. Recta ajustada a los datos experimentales .................................................. 35 Figura 3.1 Componentes del sistema de aspersión portátil ............................................. 39 Figura 3.2 Distribución de los aspersores ....................................................................... 43 Figura 3.3. Material a utilizar en la evaluación de aspersión portátil................................. 45 Figura 3.4 Esquema ilustrativo de la distribución del sistema ........................................ 47 Figura 3.5 Distribución de los vasos pluviométricos para captar el agua ......................... 48 Figura 3.6 Toma de lecturas de volúmenes recogidos por los recipientes pluviométricos 48 Figura 3.7. Representación de la pluviométrica recolectada mediante curvas ................. 57
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Figura 3.8. Representación tridimensional del patrón de mojado del aspersor durante la prueba ............................................................................................................................. 57 Figura 3.9. Comparativa de la uniformidad para el caso de uno y cuatro aspersores de acuerdo a los diferentes coeficientes ............................................................................... 62 Figura 4.1. Cañón de brazo oscilante............................................................................... 65 Figura 4.2 Cañón de turbina ........................................................................................... 65 Figura 4.3 Disposición típica de una parcela regada con un cañón viajero ..................... 66 Figura 4.4 Mecanismo de propulsión de fuelle hidráulico ................................................ 67 Figura 4.5 Mecanismo de propulsión con turbina: flujo parcial y flujo total ...................... 67 Figura 4.6 Ejemplo de mecanismo guía para enrollamiento de la manguera .................. 68 Figura 4.7 Lista de materiales utilizados en la prueba ..................................................... 71 Figura 4.8 Esquema ilustrativo de colocación de pluviómetros ....................................... 73 Figura 4.9 Medición de la descarga ................................................................................ 74 Figura 4.10 Manómetro empotrado antes de la salida del cañón .................................... 74 Figura 5.1 Elementos en una instalación de pivote central.............................................. 86 Figura 5.2 Patrón de aplicación de agua para diferentes tipos de emisores .................... 87 Figura 5.3 Material necesario para la evaluación del pivote central ................................ 92 Figura 5.4. Emisores del equipo de pivote central durante la evaluación ......................... 93 Figura 5.5 Ubicación de pluviómetros en campo ............................................................. 94 Figura 5.6 Ubicación de pluviómetros en campo ............................................................. 95 Figura 5.7 Disposición de pluviómetros........................................................................... 95 Figura 5.8 Equipo de pivote central en funcionamiento ................................................... 96 Figura 5.9. Gasto medido de los emisores instalados en el pivote central ..................... 102 Figura 5.10. Lamina de riego aplicada durante la prueba de uniformidad para una velocidad de operación del 100% del pivote central ....................................................... 105 Figura 6.1 Sistema de riego Avance frontal................................................................... 111 Figura 6.2. Material necesario para la evaluación del pivote central .............................. 114 Figura 6.3 Esquema ilustrativo de ubicación de pluviómetros en la zona dominada por el avance frontal ................................................................................................................ 115 Figura 6.4. Láminas captadas en la fila 1 ....................................................................... 122 Figura 6.5. Láminas captadas en la fila 2 ....................................................................... 122 Figura 6.6. Caudales descargados por los emisores ...................................................... 123 Figura 7.1. Gotero microtubo ......................................................................................... 130 Figura 7.2. Gotero helicoidal .......................................................................................... 130
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Figura 7.3 Gotero tipo laberinto..................................................................................... 130 Figura 7.4. Gotero sobrelinea pinchado ......................................................................... 131 Figura 7.5 Gotero tipo vortex ........................................................................................ 131 Figura 7.6 Gotero autocompensante ............................................................................. 132 Figura 7.7. Gotero autocompensante - autolimpiante..................................................... 132 Figura 7.8. Cinta de exudación ...................................................................................... 133 Figura 7.9. Manguera de doble pared. Bi-Wall ............................................................... 133 Figura 7.10. Manguera perforada. T-Tape ..................................................................... 133 Figura 7.11. a) Microaspersor b) Difusor ....................................................................... 134 Figura 7.12. Variación de caudal en función de la presión ............................................. 135 Figura 7.13. Escala logarítmica en función de la carga y caudal .................................... 136 Figura 7.14. Relación caudal presión de emisores según régimen ................................ 138 Figura 7.15 Distribución normal del caudal del emisor .................................................. 142 Figura 7.16 Intervalo de presión de trabajo ................................................................... 149 Figura 7.17. Relación carga - caudal del gotero Supertif ................................................ 157 Figura 7.18.Relación carga - caudal de la cintilla Hydrogol emisor uno.......................... 159 Figura 7.19. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrogol emisor dos ......................... 159 Figura 7.20. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrogol emisor tres......................... 159 Figura 7.21. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrogol emisor cuatro..................... 160 Figura 7.22. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrogol emisor cinco ...................... 160 Figura 7.23. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrolite emisor uno ......................... 162 Figura 7.24. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrolite emisor dos ......................... 162 Figura 7.25. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrolite emisor tres ......................... 162 Figura 7.26. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrolite emisor cuatro ..................... 163 Figura 7.27. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrolite emisor cinco ...................... 163 Figura 7.28. Relación carga - caudal del microaspersor uno.......................................... 165 Figura 7.29. Relación carga - caudal del microaspersor dos .......................................... 165 Figura 8.1 Esquema ilustrativo de un sistema de riego localizado ................................ 169 Figura 8.2 Esquema ilustrativo para la selección de goteros de la unidad de riego ....... 173 Figura 8.3 Cintas de riego por goteo instaladas en campo ........................................... 175 Figura 8.4 Esquema ilustrativo para la selección de laterales ....................................... 176 Figura 8.5 Medición de la descarga de microaspersor con probeta graduada ............... 176 Figura 8.6 Medición de la presión mediante manómetro ............................................... 177 Figura 8.7. Relación presión-caudal de NaaNDrip Thin-Wall dripline ............................. 181
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Figura 9.1. Diagrama de fases del agua ........................................................................ 190 Figura 9.2 Esquema ilustrativo del hidrociclón .............................................................. 197 Figura 9.3 Esquema de funcionamiento del hidrociclón ................................................ 198 Figura 9.4. Pérdida de carga en función del caudal y diámetro del hidrociclon .............. 198 Figura 9.5 Esquema ilustrativo de los filtros de arena ................................................... 199 Figura 9.6. Granulometría .............................................................................................. 200 Figura 9.7.Pérdida de carga en función de caudal del filtro de arena ............................. 202 Figura 9.8. Gasto para limpieza para un m2 de lecho filtrante en función del diámetro efectivo de arena ........................................................................................................... 203 Figura 9.9 Esquema ilustrativo de filtro de mallas ........................................................ 204 Figura 9.10 Esquema ilustrativo de un filtro de anillos .................................................. 206 Figura 9.11 Esquema ilustrativo de un anillo ................................................................. 206 Figura 9.12 Proceso de filtrado de un filtro de anillos .................................................... 207 Figura 9.13 Proceso de lavado de un filtro de anillos .................................................... 207 Figura 9.14. Pérdida de carga en función de caudal del filtro de anillos ......................... 208 Figura 9.15. Esquema de relación de medidas en hidrociclones comerciales ............... 212 Figura 9.16. Pérdida de carga en relación al caudal de filtración de hidroclones Yamit Eli ...................................................................................................................................... 213 Figura 9.17. Color del anillo de disco y pérdida de carga en función del caudal............. 216 Figura 10.1 Esquema de funcionamiento de inyectora eléctrica.................................... 225 Figura 10.2 Esquema instalación de inyectora eléctrica ................................................ 226 Figura 10.3 Inyección en aspiración de la bomba principal ........................................... 226 Figura 10.4 Esquema genérico de funcionamiento de una inyectora hidráulica ............ 227 Figura 10.5 Esquema de instalación de una inyectora hidráulica .................................. 227 Figura 10.6 Esquema de instalación y funcionamiento de un tanque de inyección ....... 228 Figura 10.7. Evolución de la concentración en un tanque de 200 l................................. 229 Figura 10.8 Esquema de inyector Venturi ..................................................................... 230 Figura 10.9 Esquema básico de instalación de un inyector Venturi ............................... 231 Figura 10.10 Instalaciones típicas de inyectores Venturi ............................................... 231 Figura 10.11 Esquema de Venturis en paralelo ............................................................ 232 Figura 10.12 Bombas inyectoras hidráulicas ................................................................. 251 Figura 10.13. Gráficos de pérdida de carga para las bombas inyectoras TF- 10** ......... 252 Figura 10.14. Gráficos de pérdida de carga para las bombas inyectoras TF- 25** ......... 252
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MANUAL DE PRÁCTICAS DE INGENIERÍA DE RIEGO A PRESIÓN
H. García-Martínez1*; S. S. Montesinos-López1*; V. Ángeles-Montiel2; R. Martínez –Elizondo3; Fco. R. Hernández-Saucedo4; F. Ríos-Cruz5; J. A. Aguirre-Rojo6
RESUMEN En México, la superficie con infraestructura de riego es de 6.3 millones de hectáreas. El 54% de esta superficie corresponde a 82 Distritos de Riego, y el 46% restante a obras de riego pequeñas operadas, conservadas y mantenidas por los propios productores, las cuales se llaman Unidades de Riego. En el presente trabajo se desarrolla la metodología para la evaluación del riego presurizado en sus diferentes sistemas y componentes, se procede con la determinación de los coeficientes de uniformidad y la uniformidad de distribución. Se desarrollan diez prácticas para la evaluación de los principales sistemas y componentes del riego presurizado, en los cuales se calculan los principales parámetros que influyen en la distribución del agua, con lo cual se evalúa el manejo y la aplicación adecuada.
Palabras clave: Coeficiente de uniformidad, .uniformidad de distribución, eficiencia de aplicación.
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.Pasante de la carrera Ingeniero en Irrigación. Departamento de Irrigación. Universidad Autónoma Chapingo. . Profesor del Departamento de Irrigación. Universidad Autónoma Chapingo. Chapingo, México.
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ENGINEERING MANUAL OF PRACTICAL IRRIGATION PRESSURE H. García-Martínez1*; S. S. Montesinos-López1*; V. Ángeles-Montiel2; R. Martínez –Elizondo3; Fco. R. Hernández-Saucedo4; F. Ríos-Cruz5; J. A. Aguirre-Rojo6
SUMARY In Mexico, the area equipped for irrigation is 6.3 million hectares. 54% of this area corresponds to 82 irrigation districts, and 46% remaining small irrigation works operated, preserved and maintained by the producers themselves, which are called Irrigation Units. In this work we develop the methodology for the evaluation of pressurized irrigation in its various systems and components, we proceed with the determination of the coefficients of uniformity and distribution uniformity. Ten practices are developed for the evaluation of major systems and components of the pressurized irrigation, in which calculated the main parameters that influence the distribution of water, which assesses the proper handling and application.
Keywords: Uniformity coefficient. Uniformity of distribution, application efficiency.
1
. Under graduate of Irrigation Engineering, Irrigation Dept. Universidad Autónoma Chapingo, México. Research Profesor Irrigation Dept. Universidad Autónoma Chapingo, México.
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INTRODUCCIÓN En el departamento de irrigación se imparte la materia de ingeniería de riego a presión, cuyo objetivo es mostrar a los alumnos los principales sistemas de riego a presión que se manejan hoy en día, tanto en el país como en el mundo, para el desarrollo de las prácticas de la materia se cuenta con un laboratorio
de
Ingeniería de Riego de la sección de Riego y Drenaje del Departamento de Irrigación, ubicado en Tlapeaxco, teniendo una función de apoyo a los programas teóricos impartidos en el departamento. Por tal motivo se realizó el presente manual en el cual se plasma la metodología de evaluación de los diferentes sistemas de riego. Actualmente no se cuenta con un manual de prácticas correspondiente a la materia; sin embargo, resulta conveniente tener uno, con las mejoras y avances que se han tenido en el ramo. El contenido que se presenta en el trabajo es una herramienta de apoyo a las prácticas de la materia de ingeniería de riego a presión, algunas de estas prácticas se han venido impartiendo en cursos anteriores. También lo aquí presentado puede ser de utilidad para revisar los sistemas de riego en el campo y definir si funcionan bien, regular o mal. A continuación se describe, cada una de las diez prácticas consideradas, las cuales son: principales componentes de un sistema de riego, curva caudal-carga de un aspersor, evaluación de un sistema de riego por aspersión portátil, evaluación de un sistema por aspersión de cañón viajero, evaluación de un sistema por aspersión de pivote central, evaluación de sistemas de riego por aspersión de avance frontal, curva carga-gasto de un emisor de riego localizado, evaluación de un sistema de riego localizado, equipos de filtración y equipos de fertilización; en primer lugar se da una breve descripción del método de riego, posteriormente se ejemplifica con datos de campo y cálculos de gabinete, tomados en el Laboratorio de Ingeniería de Riego del Departamento de Irrigación.
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PRINCIPALES COMPONENTES DE UN SISTEMA DE RIEGO PRESURIZADO
1.
PRINCIPALES COMPONENTES DE UN SISTEMA DE RIEGO PRESURIZADO
1.1.
OBJETIVO
Conocer que es un sistema de riego presurizado a nivel parcela, qué variantes presenta y cuáles son sus principales componentes. 1.2.
ASPECTOS TEÓRICOS
1.2.1. Obra de toma Esta obra permite tomar el agua de la fuente (canal, río, pozo, manantial etc.) de abastecimiento para conducirla hasta el cárcamo de bombeo. Las partes de la obra de toma son: el acceso, la estructura de entrada, las rejillas, el mecanismo de control y el conducto. La obra de toma se caracteriza porque la longitud del conducto a la descarga debe ser la mínima posible en el que no resulten grandes volúmenes de excavación, en un tramo lo más recto posible y alejado de curvas, con pendiente suave y lo más uniforme posible, evitando lugares cercanos a caídas y rápidas. En caso de canales de tierra, el tramo debe ser lo suficientemente resistente para desplantar la obra, evitando cauces inestables. En la figura 1.1 se presentan las partes de la obra de toma.
Figura 1.1 Componentes principales en una obra de toma
Canal de acceso. Se construye para comunicar, en forma gradual, la fuente con la toma y también se aprovecha el paso del agua por ésta estructura, para sedimentar materias en suspensión que lleva el agua.
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Estructura de entrada. Constituye la entrada del agua sirviendo de apoyo a las rejillas. Aloja los mecanismos o sistemas de control para el paso del agua, así como lo necesario para facilitar su inspección y limpieza cada vez que lo requiera. En ocasiones cerca de ella se antepone un muro para retener y desviar peces. Rejillas. Adquiere formas y tamaños diversos que dependen de la naturaleza de los cuerpos que va a retener, gastos y características del equipo de bombeo, la manera de apoyarlas, así como de su accesibilidad para lograr su limpieza y restitución.
Figura 1.2 Casos de obras de toma y bombeo
Partes de la obra de toma La obra de toma consta de la obra civil construida para la extracción del agua de la fuente de abastecimiento. Esta puede ser de diferentes formas dependiendo del tipo
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de fuente de abastecimiento: pozo profundo, río, bordo, manantial, etc (figura 1.2). En el caso de un pozo profundo, éste puede considerarse en sí como la obra de toma. En el caso de una fuente de abastecimiento superficial, la obra de toma puede variar desde un cárcamo de bombeo simple, integrado por un depósito con una bomba centrífuga, hasta un cárcamo complejo equipado con varias turbinas verticales y un canal de llamada. 1.2.2. Estación de bombeo 1.2.2.1.
Cárcamo
El pozo de succión o cárcamo es la estructura vertical en donde descarga el conducto de la toma y se instalan las bombas para elevar el agua al nivel deseado (figura 1.3). Consiste generalmente en un depósito enterrado construido de concreto o mampostería cuyas dimensiones están en función de la magnitud del equipo que se vaya a instalar y del procedimiento empleado en su construcción. Además en su diseño se toma en cuenta la facilidad que se debe tener para su inspección y limpieza periódicas.
Figura 1.3. Esquema de estación de bombeo
1.2.2.2.
Equipo de bombeo
Lo constituyen todas las unidades (bomba y motor) de bombeo instalado para proporcionar el gasto requerido, así como los accesorios de control y protección (válvulas) antes de iniciarse la descarga común y los dispositivos de arranque y
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parada. En la figura 1.4 se muestra equipos de bombeo centrifuga horizontal y turbina vertical.
Figura 1.4. Equipos de bomba centrifuga horizontal y turbina vertical
1.2.2.3.
Descarga
Puede decirse que la descarga de una planta de bombeo comprende todos los elementos e instalaciones que se requieren para conducir el agua, desde la salida de la bomba hasta donde se inicia su distribución (figura 1.5). Se componen de equipo de control como medidores de gasto, dispositivos reguladores de presión, válvulas de control y de seguridad, y manómetros; también cuentan con dosificadores de agroquímicos, filtros y accesorios (SARH, 1980). 1.2.2.4.
Subestación eléctrica
En los casos en que es empleada la energía eléctrica para mover las bombas, es necesario instalar una subestación eléctrica, la cual tiene por objeto cambiar las características de la energía aprovechada (generalmente de alto a bajo voltaje) y suministrar la requerida por el equipo de bombeo (SARH, 1980). Esencialmente una instalación de este tipo consta de las siguientes partes:
Transformador. Mediante estos aparatos se cambia el voltaje de la corriente, obteniéndose el deseado.
Cuchillas fusibles. Se emplea para proteger la instalación contra fallas debidas a sobrecorriente causada por un corto circuito.
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Interruptor con carga.
Sirven para proteger la instalación contra-
sobrecorrientes por fallas en la línea de alimentación y además desconectar con carga al transformador, a fin de darle a éste servicio de mantenimiento.
Apartarrayos.
Protege
la
subestación
contra
las
descargas
atmosféricas.
Equipo de Medición. Registra la cantidad de energía consumida.
La magnitud de la subestación dependerá principalmente de la potencia de cada motor y del total en la instalación.
Figura 1.5. Tren de descarga, con sus elementos de control y protección
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1.2.2.5.
Otras partes
Caseta de controles Se construye para alojar los controles eléctricos que operan a las bombas, como son arrancadores, estación de botones, etc. Se localiza de tal manera que el acceso a ella sea rápido y fácil. Generalmente se procura que esté cerca de la subestación para acortar la longitud de los cables que conducen la energía de bajo voltaje. Sus dimensiones dependerán de los artefactos que aloja, dotándosele de una buena ventilación. Almacenamiento de combustible En el caso de tener motores de combustión ya sea de gasolina, diesel, etc, será necesario disponer de un depósito para almacenar el combustible empleado y asegurarse de él para evitar interrupciones del servicio por ese elemento. La capacidad deberá estar de acuerdo con el consumo de los motores y considerando el tiempo que se necesita para proveerse de él nuevamente. Se ubicará en un lugar poco alejado de los motores y no expuesto a chispas o flamas, procurando que un vehículo tenga acceso fácil a él para su llenado. Protección de las instalaciones Se deben proteger los elementos de una planta de bombeo expuestos a animales, personas ociosas y del agua de lluvia (SARH, 1980). Para lo primero se construyen cercas de alambre, bardas de tabique, mampostería o muros de celosía, en los lugares que se crean necesarios, procurando que con esto queden integradas todas las partes de la planta. Cuando los motores no sean del tipo intemperie, se protegerán del agua de lluvia mediante una caseta. 1.2.3. Red de conducción y distribución La red de conducción y de distribución constituye el conjunto de tuberías que llevan el agua desde la fuente de abastecimiento o unidad de bombeo, hasta la entrada de las secciones o laterales, en su caso. La red está compuesta por tuberías
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generalmente de PVC o aluminio con sus diferentes accesorios tales como conectores, válvulas de control, válvulas de admisión y expulsión de aire, válvulas de alivio de presión, válvulas de desfogue (figura 1.6). Las tuberías que comúnmente se utilizan para la construcción de líneas de conducción son: acero, fierro galvanizado, fierro fundido, asbesto-cemento, PVC, polietileno de alta densidad y cobre.
Figura 1.6. Tuberías y accesorios de sistemas de riego
1.2.4. Líneas de riego y emisores A. Baja presión y tubería con compuertas Hidrantes. Son las válvulas de riego por donde se deriva o se entrega el agua a la parcela, se conectan a la tubería con compuertas mediante la inserción de un codo de arranque; los diámetros más comunes en el mercado son de 6, 8 y 10 pulgadas, en material de aluminio. También se utiliza en sistemas de riego por aspersión, en diámetros menores (figura 1.7).
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Figura 1.7. Hidrante de aluminio
Codo de arranque. Es un dispositivo portátil que permite la conexión entre el hidrante y la tubería con compuertas, su función principal es de apertura y cierre del hidrante, y de direccionar el flujo de agua (figura 1.8).
Figura 1.8. Codo de arranque y tee para conectar la tubería con compuertas
Tubería con compuertas. Las tuberías con compuertas representan la innovación tecnológica más reciente en la aplicación del riego parcelario por gravedad y tiene características muy importantes para el aforo, control y manejo del riego por gravedad. Al igual que en los hidrantes, los diámetros comerciales más comunes son 6, 8 y 10 pulgadas, con separación entre compuertas de acuerdo con la separación entre surcos (0.70, 0.80, 1.0 m). El material de las tuberías con compuertas normalmente es PVC; sin embargo, para sistemas operados con carga hidráulica natural, se puede utilizar manguera de plástico enrollable (figura 1.9).
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Figura 1.9. Tubería con compuertas de PVC y lona
B. Riego localizado En los sistemas de riego localizado los emisores se colocan en líneas de riego que normalmente son tubos de polietileno de baja densidad y en forma equidistante. A los tubos con los emisores (goteros o microaspersores) se les conoce como líneas regantes. Los goteros pueden ser colocados en la línea regante durante la instalación del sistema o puede escogerse tubería con goteros ya insertados en fábrica; se les conoce como sistemas integrados. En la figura 1.10 se presentan goteros integrados a la línea regante, y los diferentes tipos de goteros.
Figura 1.10. Diferentes tipos de goteros
En la figura 1.11 se presentan diferentes modelos de microaspersores, el cual está compuesto por el tubo (tubín) que surte de agua de riego desde la línea regante, la bayoneta o estaca, y propiamente el microaspersor.
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PRINCIPALES COMPONENTES DE UN SISTEMA DE RIEGO PRESURIZADO
Figura 1.11. Diferentes modelos de microaspersores
C. Aspersión Los principales componentes de un sistema de riego por aspersión son los aspersores y los tubos elevadores. Los aspersores están provistos de una o dos boquillas montadas sobre un cuerpo central por las que sale el agua en ambos sentidos.
Figura 1.12. Aspersores de impacto
Existen diferentes tipos de aspersores, los más utilizados en la agricultura son los de impacto, generalmente son de círculo completo y tipo sectoriales, los cuales riegan sólo en un cierto ángulo de trabajo preestablecido (figura 1.12). Por su presión de funcionamiento existen aspersores de baja, media y alta presión. Los de baja presión son aquellos cuya presión de operación es hasta 2 kgcm-2. Los aspersores de presión de operación media son aquellos que operan entre 2 y 4 kgcm-2. Suministran caudales entre 0.2 y 1.5 ls-1 (Comisión Nacional del Agua, 2002). Los aspersores de alta presión son comúnmente llamados aspersores gigantes o cañones (figura 1.13). Su presión de operación es mayor de 4 kgcm-2. Suelen ser de
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gran tamaño y pueden constar de una, dos o tres boquillas. El caudal varía entre 5 y 30 ls-1 y su radio de mojado es de 25 a 60 m.
Figura 1.13. Aspersor gigante o cañón
Los sistemas de aspersión propulsados presentan desplazamiento en ramales de riego como es el caso de los pivotes central y avance frontal estos constan de torres con separación entre ellas de 25 a 75 m y longitudes de laterales desde 60 a 800 m, cuentan con motores eléctricos para su movimiento pudiendo regular su velocidad de avance y un sistema de alineamiento como seguridad del lateral y del mismo equipo (Tarjuelo, 1992). Los emisores pueden ser aspersores de brazo oscilante, aspersores o difusores y cañones de extremo.
Figura 1.14. Avance frontal y pivote central
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1.3.
PROYECTO DE UN SISTEMA DE RIEGO PRESURIZADO
Un proyecto de riego está constituido por diversos elementos de ingeniería que interactúan para lograr el propósito común de aplicar el agua a los cultivos, a esta interacción se denomina sistema de riego (SARH, 1980). Para que un sistema de riego desarrolle su máximo potencial, tanto el diseñador como el instalador o constructor y el usuario, deben cumplir ciertos requisitos durante las etapas de planeación, diseño, instalación, operación y mantenimiento. Si todas estas actividades se realizan correctamente, el sistema se desempeñará eficazmente, lo cual repercutirá en una elevada eficiencia de aplicación del agua a los cultivos, un aumento de la producción, el ahorro de agua y reducción de costos por concepto de energía eléctrica. El proyecto debe incluir las características básicas del sistema de riego, entre otras: la superficie, el gasto disponible, el gasto de diseño, el tipo de sistema de riego además se deben tener estudios y datos básicos como: 1) Información básica: caracterización del sitio, estadística del clima, tipo de suelo, muestras de agua, padrón de cultivos, fuente de abastecimiento, padrón de usuarios y plano con la tenencia de la tierra. 2) Estudios preliminares: levantamiento topográfico con curvas de nivel con la separación adecuada que se requiera para conseguir alta precisión en el diseño del sistema, uso actual del suelo para planear la reconversión de cultivos, estudio socioeconómico del área del proyecto para conocer la capacidad financiera de los usuarios, análisis de calidad del agua para riego, estudio agroclimatológico y caracterización del suelo. 3) Estudios de factibilidad: generalmente el desarrollo de proyectos presupone la existencia de estudios de factibilidad que fundamentan la ejecución; sin embargo, cuando no existan, éstos deberán elaborarse. 4) Pruebas y ensayos: cuando el sistema de riego proyectado se conecta a la descarga de una o varias bombas existentes, es necesario realizar una prueba electromecánica para determinar su funcionamiento real; esta prueba permite conocer las relaciones gasto-carga y gasto-eficiencia de cada equipo. Si el proyecto incluye las pruebas y puesta en operación del sistema, éstas
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deberán realizarse bajo el procedimiento establecido en un manual de operación. 5) Diseño agronómico: este proceso consiste en dimensionar la superficie máxima de cada unidad, así como su tiempo de riego a partir de la lámina de diseño, el gasto disponible y de diseño, el tiempo de operación, el gasto del emisor y otras variables. 6) Diseño de la red hidráulica: esta etapa consiste en calcular, bajo un criterio de optimización, el diámetro de las tuberías regantes, distribuidoras y de conducción; así como la pérdida de energía de la red. El diseño de la red parcelaria debe considerar al menos dos criterios básicos: que las secciones operen con una uniformidad de emisión alrededor del 90%, y que la velocidad en las tuberías de la red parcelaria no sea mayor de 2.0 ms -1. La red de conducción se debe diseñar manteniendo un equilibrio entre la inversión inicial y el costo de operación por consumo de energía eléctrica, pues a mayor inversión inicial por aumento del diámetro de las tuberías, se presentará un menor costo por concepto de energía eléctrica y viceversa. 7) Diseño de la unidad de control general y equipo de bombeo: en esta etapa se seleccionan los elementos de la unidad de bombeo de acuerdo con las necesidades de filtrado y de inyección del sistema de riego; la unidad de bombeo se selecciona para satisfacer la carga dinámica total necesaria para operar el sistema de riego, incluido el sistema de inyección de agroquímicos. 8) Diseño de la obra civil: en esta etapa se diseña el cárcamo de bombeo y en algunos casos también la obra de toma, el canal de llamada, las instalaciones eléctricas, la caseta de controles, los atraques y otros elementos adicionales. El cárcamo de bombeo es la obra civil más importante, ya que es esencial para la correcta operación del sistema de impulsión; el cárcamo de bombeo y el resto de las obras se diseñan para satisfacer la demanda de agua del sistema de riego y las solicitaciones a las que estarán expuestas. 9) Reglas básicas de operación: la operación del sistema depende de los aspectos agronómico e hidráulico; cuando el proyecto ha integrado ambos aspectos, resultan unidades de riego con áreas de la misma magnitud, aunque
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tengan diferente forma. Este hecho simplifica la operación del sistema, ya que genera iguales tiempos de riego, para todas las unidades. Las reglas básicas de operación deben especificar el tiempo de riego necesario para satisfacer la demanda evapotranspirativa del cultivo en su etapa crítica. Además, según el tamaño de la unidad y el número de secciones de riego, se debe especificar claramente la ubicación de las secciones que pueden operar individual o simultáneamente. 10) Evaluación económica: la evaluación económica consiste en obtener los indicadores económicos básicos para establecer la rentabilidad del proyecto. Estos indicadores económicos se deben obtener una vez que se hayan definido las condiciones de operación y los parámetros de evaluación, como son: la tasa de descuento, el periodo de evaluación que estará en función de la vida útil del proyecto, el monto de la inversión inicial del sistema de riego y las reinversiones, el costo de producción, el rendimiento esperado, el volumen de producción y el precio medio del producto. En este análisis se deben identificar todos los beneficios generados por el sistema de riego que pagará la inversión realizada. 1.4.
ADQUISICIÓN DE INFORMACIÓN
La compilación de información es el primer paso en el proyecto de un sistema de riego. La calidad de la información disponible es determinante para la realización de un diseño económico y funcional. Existen varias decisiones a considerar durante el diseño de un sistema de riego, por lo que la disponibilidad de información con oportunidad y confiabilidad es indispensable para la selección de la mejor alternativa viable para las condiciones técnicas, económicas y sociales del proyecto, en los apartados siguientes se muestran algunos formularios básicos de llenado de información.
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1.4.1. Datos del proyecto Fecha:
__________________________
Cinta de riego
Cañón fijo
Multicompuertas
Micro aspersión
Cañón portátil
Jardín
Subfoliar
Aspersión semi-portátil
Otro:
1.4.2. Datos de cultivo(s) Cuadro 1.1 Datos de cultivo Lote
Cultivo
Dist/hilera (m)
Dist/plantas (m)
Superficie (ha)
N° plantas
Marco de plantación
Sistema de riego
1.4.3. Datos del Terreno Superficie: ___________ ha. Tipo de Terreno: Tipo de suelo:
Superficie a futuro: ___________________ ha.
Plano Arenoso
Pedregoso
Accidentado
Muy accidentado
Franco
Arcilloso
si
no
Capacidad de campo: ___________________________________ Punto de marchitamiento permanente: _____________________ Profundidad del nivel freático: __________________________________________ 1.4.4. Datos de la fuente de abastecimiento Cuadro 1.2 Datos de la fuente de abastecimiento Nivel (m) Tipo de fuente Estático Dinámico
Tipo: Pozo (P)
Noria (N)
Desnivel del agua a la descarga
Disponibilidad Tiempo Días Caudal (ls-1) (h/día) (día/mes)
Rió o Arroyo (A)
Canal (C)
Caudal a utilizar (ls-1)
Pila/embalse (E)
Calidad del agua: _____________________________________________________
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1.4.5. Datos de equipo de bombeo Cuadro.1.3 Datos de equipo de bombeo Transformador Bomba
Motor Marca Mod.
Pot. # de Volt. (Hp) fases
Capacidad (Kva)
Marca Mod. Tipo
Descarga Caudal -1 Presión Diámetro (ls ) -2 (kgcm ) (pulg o mm)
Combustión interna (RPM de operación): ______________________________ Tipo de bomba:
Vertical (V)
Horizontal (H)
Presión de descarga: _______________________________________________ 1.4.6. Datos de tubería Cuadro 1.4 Datos de tubería Norma de No. de línea Tipo de fabricación o (referenciada a) material denominación comercial
Diámetro (mm) Exterior
Interior
¿Año en que se instaló?
¿Se utilizará en proyecto?
1.4.7. Croquis o plano Ubicar la fuente de abastecimiento hidráulica y eléctrica, todos los obstáculos como ríos, canales, drenes, caminos, carreteras, vías FFCC, barrancas, construcciones, etc. 1.5.
BIBLIOGRAFÍA
Comisión Nacional del Agua, (2002). Manual para la elaboración y revisión de proyectos ejecutivos de sistemas de riego parcelario. México. SARH, Dirección General de Obras Hidráulicas y de Ingeniería Agrícola para el Desarrollo Rural (1980). Proyectos de plantas de bombeo modelo México. D.F. México.
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CURVA CAUDAL-CARGA DE UN ASPERSOR
2. CURVA CAUDAL-CARGA DE UN ASPERSOR 2.1. OBJETIVO Conocer los componentes de un aspersor y observar su funcionamiento para así realizar su calibración mediante la relación de presiones de operación con sus respectivos gastos. 2.2. ASPECTOS TEÓRICOS Para el diseño de equipos de riego por aspersión es necesaria la determinación de las características de todas las partes que constituyen el equipo, de tal forma que permitan la aplicación del agua con alta eficiencia y al mínimo costo posible. 2.2.1. Normas aplicadas a aspersores La norma mexicana
NMX-O-166-SCFI-1999 ASPERSORES GIRATORIOS POR IMPACTO PARA
SISTEMAS DE RIEGO POR ASPERSIÓN
–
ESPECIFICACIONES Y MÉTODOS DE PRUEBA,
establece
los requisitos de calidad aplicables a los aspersores giratorios por impacto para sistemas de riego por aspersión, que garanticen el uso eficiente del agua en el riego agrícola. Además, incluye información sobre los diferentes modelos de aspersores para las presiones y gastos de trabajo recomendados por los fabricantes. También se incluye información sobre las características de las boquillas de los aspersores, su funcionamiento hidráulico relacionado con el área humedecida del terreno y sus diferentes modelos de distribución del agua aplicada al suelo. Otras normas aplicables a nivel internacional son:
UNE 68072 1986 MATERIALES DE RIEGO. ASPERSORES
ROTATIVOS. REQUISITOS GENERALES Y MÉTODOS DE ENSAYO, ASAE S330.
Procedimiento de
ensayos en aspersión con fines de investigación, ISO 7749-1: 1995 Equipo de riego agrícola -- Aspersores rotativos -- Parte 1: Diseño y requisito de operación, ISO 15886-3:2004
Equipo de riego agrícola -- Aspersores rotativos -- Parte 3: Diseño y
requisito de operación, ISO 15886-4 (en realización en ISO/TC23/SC18). Equipo de riego agrícola -- Aspersores rotativos -- Parte 4: Diseño y requisito de operación.
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2.2.2. Clasificación de aspersores De acuerdo a su funcionamiento existen diferentes tipos de aspersores, dentro de los cuales destacan los aspersores fijos y aspersores giratorios por reacción y por impacto. A. Clasificación de los aspersores por su mecanismo de giro Aunque todos los aspersores giratorios tienen el mismo principio de movimiento debido al
impacto del chorro de agua sobre un accesorio instalado en un
mecanismo, éstos se clasifican de la manera siguiente (Tarjuelo, 1992): a) Aspersores de martillo: Son aquellos donde el mecanismo de acción del giro es un martillo sujeto a un eje sobre el cuerpo del aspersor, accionado por una muelle (resorte trabajando a torsión); este martillo produce un golpe intermitente sobre el aspersor produciendo giros pausados. b) Aspersores de balancín: Son aquellos donde el mecanismo de acción del giro es a través de un balancín accionado por su propio peso, el cual se interpone intermitentemente al chorro de agua ocasionando un giro pausado del aspersor. B. Clasificación de los aspersores por su presión a) Aspersores de presión baja y media: Son aquellos que operan con presiones entre 100 kPa y 200 kPa (1 kgcm-2 y 2 kgcm-2) y entre 200 kPa y 400 kPa (2 kgcm-2 y 4 kgcm-2), respectivamente. Su mecanismo de giro corresponde al tipo martillo. b) Aspersores de presión alta: Se les conoce comúnmente como aspersores de cañón y operan con presiones de 400 kPa a 700 kPa (4 kgcm-2 a 7 kgcm-2). Su mecanismo de giro es a través de balancín. C. Clasificación de los aspersores por su número de boquillas a) Aspersores de una boquilla. b) Aspersores de dos o más boquillas. D. Clasificación de aspersores por el ángulo de salida del chorro a) Ángulo bajo: Corresponde a ángulos menores o iguales a 20 grados b) Ángulo alto: Correspondiente a ángulos mayores a 20 grados.
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2.2.3. Componentes de un aspersor de martillo En la figura 2.1 se muestra las principales partes de un aspersor de martillo.
Figura 2.1 Principales partes del aspersor
A. Cuerpo y extensión Es la parte central del aspersor que realiza la función hidráulica de conducir el agua desde la tubería de acceso (del elevador o de la línea lateral) hasta la sección de descarga (boquilla), y sirve de apoyo opcional en algunos aspersores donde el cuerpo se fabrica de una sola pieza; generalmente la extensión se utiliza para dar mejor acabado en el sitio donde se instala el soporte y el giro del aspersor. Los materiales que se utilizan en la fabricación del cuerpo son básicamente: bronce, plástico, aluminio, latón y acero inoxidable. En el caso de un cuerpo fundido en bronce se le hace una extensión de un material más fácil de tornear y que resista la fricción como es el latón; las otras extensiones generalmente son del mismo material del cuerpo del aspersor. B. Conexión del aspersor Es la parte donde se apoya y gira el aspersor, uniéndose al elevador de la tubería. La presentación exterior que debe tener la conexión del aspersor es de un tornillo con rosca de 12,7 mm (1/2‖), 19,1 mm (3/4‖) y 25,4 mm (1‖), hembra o macho, para roscarlo en el elevador; por su parte interior debe ser hueca para que se pueda ajustar a la extensión del cuerpo del aspersor. Los materiales que se utilizan para su fabricación pueden ser latón y plástico, principalmente. En el caso de los aspersores
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de cañón, las conexiones tienen las mismas funciones antes señaladas; sin embargo, cambia su presentación por bujes y baleros que soportan los empujes del aspersor. Los diámetros utilizados en este último tipo de aspersores son 38,1 mm (1 1/4) o 50,8 cm (2‖). C. Boquilla La boquilla es el elemento por donde se descarga el agua del aspersor. Su funcionamiento hidráulico es como el de un orificio sujeto a una carga de presión tal que produce una emisión de un chorro de agua de alta velocidad; según el tipo de aspersor, éste puede contar con una o más boquillas. D. Mecanismo de giro Tiene como función producir el giro del aspersor con respecto a su eje y se relaciona con el número de vueltas por minuto que da el aspersor (desde el punto de vista hidráulico, mientras mayor sea el número de vueltas menor es la pluviometría instantánea de riego del aspersor, útil para terrenos de baja permeabilidad y cultivos delicados). Su funcionamiento se inicia con la acción del chorro de agua emitido por la boquilla sobre la paleta colocada en el martillo o balancín, que produce el giro del aspersor. Las partes que componen el mecanismo de acción del giro de un aspersor de martillo, son las siguientes:
Martillo
Muelle
Perno
Cojinetes
Aunque su principal función es de evitar las fugas de agua por las articulaciones entre el cuerpo y el soporte del aspersor, también actúa como freno al giro. De este mecanismo también depende el número de vueltas por minuto que da el aspersor. Las partes que componen el mecanismo de reacción al giro para un aspersor de martillo, son las siguientes:
Empaque de hule
Resorte
Rondanas planas de fierro o plástico.
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2.2.4. Curvas características de aspersores Son las curvas que representan la relación entre el caudal que descarga el aspersor y la presión existente a la entrada del mismo, ajustándose a una ecuación del tipo:
q Kh n
(2.1)
dónde: q, caudal del aspersor, normalmente en ls -1; K, coeficiente de descarga característico del aspersor (representa el caudal bajo carga unitaria); h, carga hidráulica a la entrada del aspersor, normalmente en kgcm-2; n, exponente de descarga del emisor, que depende del tipo de flujo que se establezca en el mismo y de su grado de autocompensación. El exponente n varía entre 0 y 1, tomando el valor de n = 1 para flujo laminar y n = 0 en emisores autocompensantes, lo que implicaría que q=K, en el caso de los aspersores el valor n estará alrededor de 0.5. 2.2.5. Deducción de la relación gasto- carga en emisores. La carga de presión (p1/γ) de que dispone el agua en el interior de la tubería, se transforma en carga de velocidad (v22/2g) en la salida del emisor con una eficiencia dada por el coeficiente de velocidad CV , figura 2.2 (Ángeles, 1999) . Si se aplica el teorema de Bernoulli entre la entrada al emisor (punto 1) y la sección contraída del chorro de agua a la salida de éste (punto 2), se tiene que: (2.2) donde he es la pérdida de carga en el emisor. En la teoría hidráulica se define la carga de un orificio h, figura 2.2, como: (2.3) Sustituyendo la ecuación 2.3 en la ecuación 2.2 y considerando que tanto z1 como z2 son iguales dado que el nivel de referencia está a la misma distancia del eje central del emisor se tiene que: (2.4)
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Figura 2.2 Esquema del emisor de descarga
La pérdida de carga en el emisor he, evaluada en función de la velocidad real en la sección contraída del chorro v2 está dada por la ecuación 2.5. (2.5) Sustituyendo la ecuación 2.5 en la ecuación 2.4 y realizando algunas operaciones algebraicas, se obtiene la ecuación 2.6 para la velocidad en la sección contraída del chorro. √
(2.6)
donde Cv es un coeficiente de reducción de velocidad, siempre menor que la unidad. Por otra parte, el caudal real qe, que circula a través de la sección contraída en el punto 2 es: (2.7) donde A2 es el área de la sección transversal en la sección contraída del chorro. Ahora bien, el área de la sección transversal A 2 se relaciona con el área de la sección transversal del emisor Ae a través de la ecuación 2.8. (2.8) donde Cc es un coeficiente de contracción menor o igual a la unidad. Sustituyendo la ecuación 2.8 y la ecuación 2.6 en la ecuación 2.7 se tiene que: √ Universidad Autónoma Chapingo
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(2.9) Departamento de Irrigación
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Si se llama Cd al producto de los coeficientes de velocidad Cv y contracción Cc y como
, la ecuación 2.9 queda finalmente como:
√
(2.10)
La ecuación 2.10 también se puede expresar como:
√
√
(2.11)
dónde: qe, caudal del emisor, en m-3 s-1; Cd, coeficiente de descarga del emisor, adim.; De, diámetro interior del emisor, en m; h, carga de presión de funcionamiento del emisor, en m. Si en la ecuación 2.11 se hacen las siguientes consideraciones:
Si como se sabe, la raíz cuadrada de h se puede expresar como h1/2 o lo que es lo mismo como h0.5, entonces si se hace n = 0.5, se tiene que la raíz cuadrada de h se puede expresar como hn
Si además se hace: (2.12)
√
Entonces, bajo el punto de vista del funcionamiento hidráulico, la relación Gasto Carga de los emisores de riego, puede expresarse en forma genérica, mediante la ecuación 2.13. (2.13) dónde: qe, caudal del emisor, normalmente en ls -1; h, carga de presión o presión de operación del emisor, habitualmente en kgcm-2; K, constante propia del emisor, que depende de la forma y tamaño de la sección transversal del emisor; n, exponente de la carga de presión, que depende del tipo de escurrimiento del agua que se presente en el emisor.
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2.3. DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS, MATERIALES Y METODOLOGÍA Los materiales y equipos utilizados se muestran en la figura 2.3.
Aspersor utilizado en práctica (ejemplo): Rain bird de 2 boquillas (3/16 30 °, 3/32 7°)
Calibrador de aspersores
Manómetro de caratula
Cronómetro
Formato para anotar la información obtenida
Recipiente de volumen conocido
Equipo de bombeo
Figura 2.3. Material a utilizar para determinar la curva caudal – carga
2.3.1. Trabajo de laboratorio A. Características del aspersor Existen diferentes aspersores de diferentes características por lo que es conveniente realizar una descripción detallada del aspersor con el cual se está trabajando (figura 2.4) anotando el número de boquillas con el que cuenta, la marca, modelo, diámetro de boquillas así como las observaciones que puedan influir en el buen funcionamiento del mismo también es conveniente tomar datos de la instalación como potencia y presión del equipo de bombeo. Universidad Autónoma Chapingo
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Figura 2.4 Aspersor Rain Bird
B. Dispositivo de medición La práctica se desarrolló en equipos y dispositivos exprofesos instalados en el laboratorio de hidráulica (figura 2.5), mismo que se podrán replicar en otros sitios (campo o laboratorio).
Figura 2.5 Calibrador de aspersores
C. Metodología Una vez instalado el aspersor se realiza la medición del gasto a diferentes presiones de operación, las cuales pueden llegar a variar de 0 a 7 kgcm-2 dependiendo del tipo de aspersor mediante un manómetro (figura 2.6). En función de la presión de trabajo del aspersor esta se puede dividir en varios intervalos, por ejemplo, si la presión de funcionamiento fuera del orden de 4 kgcm-2, se podría tomar intervalos a cada 0.5 kgcm-2 de presión. Para la medición de la presión se debe tener instalado un manómetro, el cual va conectado a la tubería que alimenta al aspersor, además, de contar con una válvula con la cual se pueda variar el gasto y la presión de la tubería de alimentación, con
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estos mecanismos se podrá evaluar el funcionamiento a diferentes presiones aforando sus correspondientes gastos (figura 2.6).
Figura 2.6 Esquema ilustrativo de manómetro y válvula de paso
Con la instalación funcionando se aguarda determinado tiempo para que el flujo del agua y la presión a la que se desea hacer la medición se estabilicen, se procede a conocer el gasto del aspersor funcionando a cierta presión mediante el aforo con un recipiente de volumen conocido (figura 2.7), tomando el tiempo de llenado mediante un cronómetro. Se obtiene el gasto a través de la expresión: Q
V T
(2.14)
donde: Q, gasto descargado por el aspersor, en ls-1; V, volumen del recipiente mediante el cual se realizó el aforo, en l; T, tiempo en el cual se llena el recipiente, en s.
Figura 2.7. Recipiente esquemático para la medición de la descarga.
Variando la presión a diferentes intervalos y aforando el gasto en cada presión se conocen puntos de la curva de funcionamiento del aspersor por lo cual se puede graficar y se ajusta a un modelo de tipo potencial.
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2.4.
ADQUISICIÓN DE INFORMACIÓN
2.4.1. Aspersores La información obtenida del catálogo del fabricante es: Marca y modelo: Rain bird TNT-30 Diámetro boquilla grande: 3/16 30 °
Diámetro boquilla pequeña: 3/32 7°
2.4.2. Potencia de la instalación Para el desarrollo de la presente practica se utilizó una bomba con las siguientes características: Presión de salida del bombeo (kgcm-2): 4 Potencia instalada (HP): 16 2.4.3. Obtención de curva gasto-carga del aspersor Una vez funcionando el equipo se registró la carga de operación así como el tiempo de llenado del recipiente, los datos se presentan en el cuadro 2.1 . Hora de inicio: 9:00 am Hora de finalización: 10:30 am Volumen del recipiente: 24.25 litros Universidad Autónoma Chapingo
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Cuadro 2.1 Datos registrados en laboratorio del aspersor Rain Bird TNT-30 h (kgcm-2) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
T1 (s) 97 72.65 61.17 51.75 46.34 42.92 39.17 37.18
T2 (s) 96.63 74 61.17 51.45 46.27 42.92 39.11 37.7
T3 (s) 96.7 ----------------------51 47.7 42.8 39.3 33.71
T4 (s) ---------------------------------52.19 -----------43.1 39.05 38
Volumen (l) 24.25 24.25 24.25 24.25 24.25 24.25 24.25 24.25
h (kgcm-2): presión indicada en el manómetro T1 (s): tiempo transcurrido en llenar el recipiente VOLUMEN (l): volumen del recipiente utilizado para la lectura
2.5.
PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN
Partiendo de los datos de laboratorio y aplicando la ecuación 2.14 se elabora el cuadro 2.2. Cuadro 2.2. Resultados de laboratorio procesados del aspersor Rain Bird TNT-30 No. observación 1 2 3 4 5 6 7 8
h (kgcm-2) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Volumen (l) 24.25 24.25 24.25 24.25 24.25 24.25 24.25 24.25
Tiempo (s) 96.78 73.33 61.17 51.60 46.77 42.94 39.16 36.65
Gasto (ls-1) 0.2506 0.3307 0.3964 0.4700 0.5185 0.5648 0.6193 0.6617
h (kgcm-2): presión indicada en el manómetro VOLUMEN (l): volumen del recipiente utilizado para la lectura. Tiempo(s): tiempo promedio de las observaciones tomadas
2.5.1. Cálculo del modelo potencial del aspersor Se tiene el modelo siguiente:
q Kh n implementando logaritmos a la ecuación:
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log10 q log10 K n log10 h y al ajustar a un modelo lineal y= a + bx, donde:
log10 q y
log10 K a log 10 h x nb Con la ayuda de una hoja de cálculo se obtiene los siguientes resultados: Cuadro 2.3 Cuadro de gasto y presión del aspersor del aspersor Rain BirD TNT-30 No. Observación 1 2 3 4 5 6 7 8
h (kgcm-2) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Gasto (ls-1) 0.2505 0.3307 0.3964 0.4699 0.5184 0.5648 0.6192 0.6617
Log10(h) -0.3010 0 0.1760 0.3010 0.3979 0.4771 0.5440 0.6020
Log10(q) -0.6010 -0.4805 -0.4018 -0.3279 -0.2852 -0.2481 -0.2081 -0.1793
0.0
Gasto (l/S)
-0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6
-0.7 -0.40
-0.20
0.00
0.20
y = 0.4727x - 0.4714 R² = 0.9964 0.40 0.60
0.80
Carga (kg/cm2)
Figura 2.8. Recta ajustada a los datos experimentales del aspersor Rain Bird TNT-30
De la regresión se obtiene. b = 0.4727 K = 10-0.4714 =0.33775 por lo tanto:
q 0.33775h 0.4727 dónde: Universidad Autónoma Chapingo
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q: en ls-1 h: en kgcm-2. Procediendo de igual manera pero para q en m3h-1 y h en m.c.a. se obtiene: Cuadro 2.4 Carga y presión del aspersor Rain Bird TNT-30 No. Observación
Gasto (m3/h)
1 2 3 4 5 6 7 8
h (m.c.a) 5 10 15 20 25 30 35 40
Gasto (m3h-1) 0.9021 1.1906 1.4272 1.6919 1.8666 2.0333 2.2295 2.3822
0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 -0.05 -0.10
Log10(h) 0.699 1.000 1.176 1.301 1.398 1.477 1.544 1.602
Log10(q) -0.045 0.076 0.154 0.228 0.271 0.308 0.348 0.377
y = 0.4727x - 0.3878 R² = 0.9964
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
Carga (m.c.a)
Figura 2.9. Recta ajustada a los datos experimentales del aspersor Rain Bird TNT-30
b = 0.4727 K = 10-0.3878 = 0.4094 por lo tanto:
q 0.4094h 0.4727 dónde:
q: en m3h-1 h: en m.c.a.
Para el caso de q en gpm y h en psi se obtiene: Universidad Autónoma Chapingo
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Cuadro 2.5 Gasto y presión del aspersor Rain Bird TNT-30 No. Observación 1 2 3 4 5 6 7 8
h (psi) 7.112 14.223 21.335 28.446 35.558 42.669 49.781 56.892
Gasto (gpm) 3.971 5.242 6.283 7.449 8.218 8.952 9.816 10.488
Log10(h) 0.851 1.152 1.329 1.454 1.550 1.630 1.697 1.755
Log10(Q) 0.598 0.719 0.798 0.872 0.914 0.951 0.991 1.020
Figura 2.10. Recta ajustada a los datos experimentales del aspersor Rain Bird TNT-30
b = 0.4727 K = 100.1836 = 1.5261 por lo tanto:
q 1.5261h 0.4727 dónde: q: en gpm h: en psi
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A partir de datos del catálogo de la marca del aspersor Rain Bird TNT-30 se obtuvo lo siguiente: Cuadro 2.6 Gasto y carga del aspersor Rain Bird TNT-30 (catálogo) No. Observación 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
h (psi) 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Gasto (gpm) 7.41 8.14 8.83 9.48 10.10 10.60 11.10 11.60 12.00 12.40 12.80 13.20
LOG10(h) 1.39794 1.47712 1.54407 1.60206 1.65321 1.69897 1.74036 1.77815 1.81291 1.84510 1.87506 1.90309
LOG10(q) 0.86982 0.91062 0.94596 0.97681 1.00432 1.02531 1.04532 1.06446 1.07918 1.09342 1.10721 1.12057
Figura 2.11. Recta ajustada a los datos experimentales
de donde: b = 0.4958 K = 100.1804 = 1.5149 por lo tanto:
q 1.5149h 0.4958 dónde: q: en gpm h: en psi
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2.6.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
A partir de los modelos obtenidos tanto de laboratorio, como del catálogo del fabricante y a partir de la carga h en psi se obtiene el caudal y se calcula la diferencia en porciento. Cuadro 2.7 Comparación entre modelo de catálogo contra modelo de laboratorio del aspersor Rain Bird TNT-30 Carga (psi) 25 30 35 40 50 60 70 80
MODELO LABORATORIO 7.47 7.56 8.13 8.66 9.63 10.49 11.29 12.02
MODELO CATALOGO 6.99 8.24 8.89 9.50 10.62 11.62 12.54 13.40
DIFERENCIA PORCENTUAL (%) -6.93 8.23 8.56 8.84 9.31 9.69 10.01 10.29
Q 1.5149h 0.4958 Modelo de catálogo Q 1.5261h 0.4727 Modelo de laboratorio El cuadro 2.7 se muestra una comparación entre el modelo obtenido en laboratorio y el de catálogo en la cual se presenta una diferencia porcentual menor del 10 %, esta diferencia puede presentarse debido al desgaste de los componentes del aspersor. Se obtuvo el modelo del aspersor en diferentes sistemas de unidades de donde se observa un comportamiento similar variando en dichos modelos el coeficiente de descarga y sin variación el exponente n que depende del tipo de flujo. Debido al trabajo del aspersor y al mismo desgaste de los componentes del aspersor con el paso del tiempo estos van presentando un deterioro lo que se ve reflejado en el funcionamiento de la misma forma
la presión afecta directamente el
funcionamiento
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2.7.
CONCLUSIONES
La curva de catalogó de fabricante obtenida en laboratorio es ligeramente diferente (10%). El modelo potencial se ajusta adecuadamente para obtener la relación caudal- carga del aspersor ya que se obtuvo un coeficiente de correlación del R 2 = 0.99. Los equipos y dispositivos de laboratorio se pueden utilizar en cualquier parte ya que son elementos sencillos y controlados. 2.8.
CUESTIONARIO
1) Existe buena correlación entre los datos de presión y caudal del aspersor analizado. 2) Comparar los modelos de laboratorio y catálogo, explicar las posibles variaciones encontradas 3) Obtener los parámetros del modelo potencial en unidades diferentes a las utilizadas sin emplear regresión lineal. 2.9.
BIBLIOGRAFÍA.
Ángeles M. V., (1999). Fundamentos de hidráulica para diseño y revisión de riego presurizado. México: Universidad Autónoma Chapingo. Tarjuelo, J. M y Benito M., (1999). El riego por aspersión y su tecnología. 2ª Edición. Mundi-Prensa Zúñiga M. E., (2004). Diseño y evaluación del riego a presión.1ª edición. Editorial de la universidad de costa rica. San José, Costa Rica.
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3. EVALUACIÓN DE UN SISTEMA DE RIEGO POR ASPERSIÓN PORTÁTIL 3.1.
OBJETIVOS Analizar los principales factores que intervienen sobre la distribución del agua en sistemas de riego por aspersión portátil.
Conocer y comprobar los diferentes componentes de la instalación y verificar si su funcionamiento es el recomendado.
Evaluar la uniformidad de aplicación de los aspersores
3.2.
ASPECTOS TEÓRICOS
Los sistemas de aspersión pueden ser clasificados de muy diferentes formas, pero la clasificación de acuerdo con su portabilidad es especialmente útil (Fry y Gray, 1971). Un sistema completamente portátil emplea líneas de conducción principales, líneas laterales y aspersores que son portátiles. Los sistemas semipermanentes emplean líneas de conducción principales estacionarias. Los sistemas permanentes son aquellos que permanecen en una sola posición en el campo durante toda la estación de cultivo. Otra clasificación de los sistemas es de acuerdo con la naturaleza de sus movimientos (intermitente y continuo: pivote central, movimiento frontal y cañones viajeros). En el riego por aspersión el agua se aplica en forma de lluvia, utilizando para ello una red de riego que permite conducir el agua con la presión necesaria hasta los aspersores, que son los dispositivos encargados de aplicarla. En la aspersión semifija, el sistema de bombeo y las tuberías principales enterradas permanecen fijos, mientras que las tuberías secundarias y líneas laterales son portátiles con el fin de mantenerlas instaladas durante el ciclo del cultivo y levantarlas para preparar el terreno o para cambiarlas de sitio. En los sistemas de aspersión portátil todos los elementos que componen el sistema son móviles y pueden desacoplarse rápidamente para los cambios de riego (figura 3.1).
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Figura 3.1 Componentes del sistema de aspersión portátil
3.2.1. Coeficiente de Uniformidad de Christiansen El Coeficiente de Uniformidad (CU) fue desarrollado por Christiansen (1942). Es una representación estadística de la uniformidad, utilizado principalmente en los sistemas de aspersión; es el parámetro de uniformidad de uso más generalizado. En sistemas de riego por aspersión estacionario se recomiendan valores de CU mayores al 80 % aunque depende de la velocidad del viento (Tarjuelo, 1999). Se expresa en % mediante la expresión siguiente: *
∑
̅|
| ̅
+
(3.1)
dónde: Vi, volumen de agua recogido por cada pluviómetro, en ml; ̅ , volumen medio de agua recogido en el total de los pluviómetros, en ml; N, número total de pluviómetros que intervienen en la evaluación. Cuadro 3.1. Valor de la uniformidad de distribución
Fuente: Junta de Andalucía 3.2.2. Coeficiente de Uniformidad de Hart Hart (1961) empezó el desarrollo de un nuevo coeficiente de uniformidad, el cual fue concluido por el mismo Hart y Reynolds (1965). Este coeficiente de uniformidad asume que la precipitación del común de los aspersores en uso, cuando son
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operados bajo condiciones estándar es normalmente distribuida y, por tanto, la distribución puede ser descrita mediante una distribución normal (García C. I. y Briones S. G, 1997). Si la distribución del agua sigue una función estadística normal, entonces el valor absoluto de la media de las desviaciones del valor promedio, ∑
̅
, es igual a √
(Velazco, 1978). Así, el coeficiente de uniformidad de Hart
es: *
+
(3.2)
dónde: CUH, coeficiente de Hart; S, desviación Estándar de Vi; , media del volumen captado, en ml. El área bajo la curva normal de ̅
hasta ± ∞ es aproximadamente el 79%
del área total bajo la curva (Hart y Heerman, 1976); CUH es el límite inferior de (Vi) en esta fracción de área. Así, el 79% del área irrigada recibirá como mínimo una aplicación de agua igual a CUH. 3.2.3. Coeficiente de Uniformidad de USDA El departamento de Agricultura de Estados Unidos USDA (1965), con el objeto de evaluar los patrones de aspersión sugirió el siguiente parámetro (Curso Internacional de los Sistemas de Riego, 1999, capitulo 5). ̅̅̅̅
*̅ +
(3.3)
dónde: UD uniformidad de distribución, en %; ̅ , promedio general de las cantidades de agua captadas en toda el área de la prueba; ̅̅̅̅ promedio del cuarto inferior (promedio obtenido con el 25 % de las cantidades de agua captadas más bajas)
̅̅̅̅ dónde: pequeños;
∑
(3.4)
suma del 25 % de las cantidades de agua captadas con los valores más numero de cantidades de agua captadas utilizadas en calcular
La uniformidad de distribución se evalúa en el campo considerando los volúmenes de agua recogidos por pluviómetros o recipientes pequeños, colocados en una
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cuadricula cubriendo el área mojada por los aspersores, donde cada uno representa un área igual de riego. 3.2.4. Coeficiente de Uniformidad de Benami-Hore El coeficiente para determinar la uniformidad de distribución del agua, propuesto por Benami y Hore (1964), se basa en considerar las desviaciones de las medidas de los grupos de observaciones por arriba y por abajo (excesos y déficits en la aplicación) de la media general, dicho coeficiente se expresa de la siguiente manera: * + dónde:
∑|
∑|
en la que:
(3.5) |
(3.6)
|
(3.7)
es un coeficiente de Benami y Hore; Ma y Mb, medida de los grupos
de observaciones por arriba y por debajo de la media general respectivamente; Va y Vb, suma de las desviaciones absolutas con respecto a Ma y Mb. 3.2.5. Índice de grosor de la gota La distribución de los tamaños de gotas en los que dispersa el chorro de agua descargado por el aspersor es la base de la explicación de muchos procesos relacionados con la distribución del agua (Montero, 2000). El grosor de las gotas se determina por el índice de grosor (Tarjuelo, 1999) (IG).
H 1.3 IG 12.85 D
(3.8)
donde: IG, índice de grosor de la gota; H, presión del aspersor, en kgcm-2; D, diámetro de la boquilla, en mm. Valores menores que 7 indican gotas demasiado gruesas, y valores mayores que 17 indican gotas demasiado finas. La distribución del agua puede verse afectada negativamente con tamaños de gota extremos. Sólo se justifican valores de IG menores de 7 en condiciones de vientos fuertes (más de 4.5 ms-1 ó 16 kmh-1).
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Cuadro 3.2 Índice de grosor de la gota IG<7 IG>17 IG 7 a 17
ÍNDICE DE GROSOR Gotas gruesas Gotas finas Grosor de gotas recomendable
3.2.6. Pérdidas por evaporación y arrastre del viento Las pérdidas por evaporación en el aire dependen principalmente de: la humedad ambiental, la temperatura del aire y del agua, la altura del emisor, el tamaño de las gotas y la velocidad del viento. Las pérdidas por arrastre dependen de la velocidad del viento, del tamaño de las gotas y de la distancia que tengan que recorrer hasta llegar al suelo (Tarjuelo, 1999). En las pérdidas por evaporación y arrastre del viento tiene gran importancia el tamaño de las gotas de agua que dan los aspersores y serán mayores cuanto más pequeños sean las gotas y mayor sea el viento y la temperatura. Las pérdidas por evaporación y arrastre del viento (Pe) se calculan como la diferencia entre la lámina de agua aplicada por los aspersores (La) y
la lámina de agua
recogida en los pluviómetros (Lp):
*
+
(3.9)
donde: Pe, son las pérdidas por evaporación y arrastre del viento, en %; La, lámina de agua aplicada por los aspersores, en mm; Lp,: lámina de agua recogida en los pluviómetros, en mm. La lámina aplicada por un aspersor es la cantidad de volumen de agua que pasa por la boquilla del aspersor por unidad de superficie:
La
q s 60
T
(3.10)
donde: La, lámina de agua aplicada por los aspersores, en mm; q, gasto del aspersor, en lh-1; S, superficie de la zona evaluada, en m2; T, tiempo de la evaluación, en min. El caudal del aspersor, en litros por hora, se calcula mediante la fórmula:
q
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V 3600 T
(3.11)
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donde: q, gasto del aspersor, en lh-1; V, volumen recogido, en l; T, tiempo de llenado, en s. Alternativamente se puede emplear la función potencial del aspersor obtenida en la práctica 2. El caudal aplicado sobre la zona evaluada se calculara teniendo en cuenta que si se toman 4 aspersores, la cuarta parte del agua de los aspersores cae sobre la zona evaluada como se muestra en la figura 3.2.
. Figura 3.2 Distribución de los aspersores
La lámina de agua recogida en los pluviómetros se calcula mediante la fórmula: Lp
V 10 A
(3.12)
donde: Lp, lámina media de agua recogida en los pluviómetros, en mm; V, volumen medio recogido, en cm3; A, área de la embocadura de los vasos, en cm2. Siendo el área de los vasos calculada mediante la siguiente expresión:
A 0.785 * D2
(3.13)
donde: D, es el diámetro del vaso, en cm. 3.2.7. Eficiencia de aplicación Es la relación entre la cantidad de agua necesaria durante un ciclo de cultivo para mantener la humedad del suelo al nivel requerido indeseable de stress en las plantas y la proporcionada a la parcela de riego (López, 1997). La eficiencia de aplicación es el porcentaje de agua de riego que es realmente utilizada por el cultivo con respecto al total de agua aplicada, considerando las pérdidas de agua originadas por evaporación y arrastre del viento.
Ea 100 P D Pe
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(3.14)
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donde: Ea, eficiencia de aplicación, en %; Pe, evaporación y arrastre; P, percolación; D, déficit. Percolación (P) Este término se define como la proporción de lámina infiltrada más allá de la profundidad de raíces, que no utilizan los cultivos; esto no sólo se considera como pérdida de agua, sino también como fuente de contaminación del acuífero por la lixiviación de fertilizantes. Lo anterior se expresa como un porcentaje de la cantidad total del agua aplicada por el riego sobre el campo. Anyoji y Wu (1994) proponen la siguiente ecuación: –
(3.15)
Donde Ea es la eficiencia de aplicación Déficit (D) Se denomina déficit cuando la profundidad de raíces no es irrigada por completo, y corresponde al porcentaje de déficit (en por ciento) con respecto a la cantidad total requerida. Para su estimación se usa la siguiente ecuación (Anyoji y Wu, 1994): –
(3.16)
donde: Er es la eficiencia de requerimientos Eficiencia de almacenamiento o requerimiento (Er) Hansen, citado por Luna (1988) indica que esta eficiencia cuantifica los excesos (percolación) o deficiencias (déficit) del agua aplicada en el riego con relación a la cantidad de agua requerida por la profundidad de raíces; para su evaluación dicho parámetro se calcula con la siguiente ecuación: * +
(3.17)
Donde Za es la lámina de agua promedio almacenada en la zona de raíces por efecto del riego en mm, Zr es la lámina de agua requerida en la zona de raíces también en mm.
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3.3.
DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y MATERIALES
3.3.1. Equipo utilizado en evaluación completa Un manómetro con tubo de pitot Un cronómetro Un recipiente de volumen conocido Pluviómetros o recipientes Probetas para determinar el volumen de agua colectado en los pluviómetros Un barreno para tomar muestras de suelo Una cinta métrica Catálogo del fabricante de los aspersores Vernier Anemómetro
Figura 3.3. Material a utilizar en la evaluación de aspersión portátil
3.3.2. Componentes de la instalación Se realizará una inspección de los componentes del sistema, desde tuberías, juntas, elementos de control, piezas especiales, etc. En primer lugar se comprobará si los aspersores son idénticos en marca, modelo, tipo y diámetro de boquillas y altura, lo que es fundamental para el correcto desarrollo de los riegos.
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Se comprobará la existencia de fugas en las juntas entre tubos de aspersión y cualquier elemento de la instalación, principalmente en las conexiones a las tomas o bocas de riego. También deberá anotarse la existencia o no de elementos de medida y control de agua, la cantidad que existe de cada uno, su ubicación y su estado general: manómetros o tomas manométricas, reguladores de presión, contadores, etc. 3.3.3. Ubicación de los pluviómetros en campo A. Prueba de un solo aspersor Para un aspersor simple. Esta prueba consiste en operar un solo aspersor y obtener la distribución de la precipitación en los colectores que sirva de base de datos para la obtención de los espaciamientos entre aspersores. Verifique el diámetro de las tuberías, el tamaño y estado de las boquillas. Establezca la red de pluviómetros en el campo, el modelo puede ser una
cuadricula máxima de 3 x 3 m, colocados en forma tal que el aspersor se encuentre en el centro de la cuadricula y que puedan recolectar el agua. El volumen de agua colectada se puede medir en una probeta graduada y debe ser identificado dentro de una cuadricula en el campo y con respecto al aspersor en estudio. Es conveniente asegurarse de que los recipientes estén libres de agua o cualquier otra sustancia entes de iniciar la prueba. Sin embargo, antes de iniciar la prueba, detenga el aspersor hasta que se estabilice la salida de agua, desviando el chorro de agua fuera de los pluviómetros, regule la presión en la bomba a la presión de diseño del equipo. Una vez logrado esto, permita que el aspersor rote para que los recipientes inicien la recolección del agua. Se miden las condiciones climáticas cada 10 ò 15 min. Durante la operación del sistema determine la presión del aspersor en el lateral. Comparar con las especificaciones del catálogo. Determine la evaporación ocurrida durante la prueba mediante uno de los recipientes utilizados como pluviómetro, donde se agrega un volumen de agua conocida y luego se vuelve a medir al final del ensayo. Anote la velocidad del viento y su dirección. Universidad Autónoma Chapingo
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Colecte el agua por lo menos 1 hora, e ideal cuando se hayan recogido al menos unos 5 cm de altura de agua en los recipientes. Para utilizar la expresión de Christiansen se suman los datos en su posición de traslape con el fin de obtener los valores de los volúmenes recolectados. B. Prueba de cuatro aspersores Para la prueba, escoja una colocación del lateral de riego que sea típica o la más representativa de lo usual en el predio figura 3.5.
Figura 3.4 Esquema ilustrativo de la distribución del sistema Establezca la red de pluviómetros en el campo según se muestra en la figura
3.6 el modelo puede ser una cuadricula máxima de 3 x 3 m, colocados en forma tal que puedan recolectar el agua de dos áreas de traslape en cuatro aspersores a lo largo del lateral. El volumen de agua colectada se puede medir en una probeta graduada y debe ser identificado dentro de una cuadricula en el campo y con respecto a los aspersores en estudio. Es conveniente asegurarse de que los recipientes estén libres de agua o cualquier otra sustancia entes de iniciar la prueba. Sin embargo, antes de iniciar la prueba, detenga los aspersores hasta que se estabilice la salida de agua, desviando el chorro de agua fuera de los pluviómetros, regule la presión en la bomba a la presión de diseño del equipo. Una vez logrado esto, permita que los aspersores roten para que los recipientes inicien la recolección del agua. Se miden las condiciones climáticas cada 10 ò 15 min.
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Figura 3.5 Distribución de los vasos pluviométricos para captar el agua
Se colocan varios pluviómetros fuera de la zona de ensayo con la cantidad de agua que aproximadamente recogerá la red de pluviómetros para estimar el volumen de agua perdido por evaporación. Se miden los volúmenes recogidos en los pluviómetros anotando las posibles anormalidades en la verticalidad.
Figura 3.6 Toma de lecturas de volúmenes recogidos por los recipientes pluviométricos
Durante la operación de sistema determine las presiones de los aspersores en el lateral. Comparar con las especificaciones del catálogo. Determine la evaporación ocurrida durante la prueba mediante uno de los recipientes utilizados como pluviómetro, donde se agrega un volumen de agua conocida y luego se vuelve a medir al final del ensayo. Anote la velocidad del viento y su dirección Verifique el diámetro de las tuberías, el tamaño y estado de las boquillas. La distancia entre aspersores por laterales, el estado de los elevadores de los aspersores y que todas sus alturas sean iguales. Colecte el agua por lo menos 1 hora, e ideal cuando se hayan recogido al menos unos 5 cm de altura de agua en los recipientes.
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3.3.4. Traslape de los volúmenes recogidos mediante el programa TRASLAPE El programa TRASLAPE es un software desarrollado en el Departamento de Irrigación, el cual permite el cálculo de los coeficientes de uniformidad de Christiansen, Benami-Hore, Hart y USDA, y permite simular patrones de traslape a diferentes arreglos de aspersores. Los datos se analizan con el programa traslape de la manera siguiente: 1)
Se abre el programa, mostrando la pantalla siguiente:
2)
Se introducen los datos generales de la práctica de riego, en la pestaña
―DATOS -> DATOS GENERALES DE LA PRUEBA‖, como se muestra a continuación:
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3)
Se introducen las lecturas de los puntos muestreados:
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4)
Una vez ingresada toda la información se procede a ir a la pestaña,
RESULTADOS en la cual se muestra la opción, COEFICIENTES OBTENIDOS, mostrando estos de la siguiente forma:
5)
Finalmente se muestra la pantalla principal con la tecla ―ESC‖ para de esta
forma ir a la pestaña ―RESULTADOS‖ en la opción ―PATRÓN TRASLAPADO‖, mostrándonos el patrón traslapado a una distancia de 12x12.
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3.4.
EJEMPLO DE PRUEBA REALIZADA EN ASPERSIÓN PORTÁTIL
3.5.1. Datos generales Propietario/a: Universidad Autónoma Chapingo, Departamento de Irrigación Parcela: Montecillos Nombre del cultivo: Alfalfa Fecha: Octubre de 2008 3.5.2. Descripción y evaluación de los componentes de la instalación A. Aspersores A partir de los aspersores instalados en campo se procede a obtener la información siguiente: Marca y modelo: Rain Bird TNT-30 Diámetro boquilla grande: 3/16 30 ° Diámetro boquilla pequeña: 3/32 7° Altura del aspersor: 1.2 m B. Lateral portaspersores Para el caso de los portaspersores instalados en la zona de evaluación se obtuvo la siguiente información: Espaciamiento entre ramales: 12 m Espaciamiento entre aspersores: 12 m Material: Aluminio Longitud: 36 m Diámetro: 4 pulg Pendiente: 5 % Nº aspersores: 4 C. Potencia de la instalación El sistema cuenta con una bomba de combustión interna, la cual proporciona una carga y una potencia de: Presión de salida del bombeo (kgcm-2): 4 Potencia instalada (HP): 58 Marca: Valsi Universidad Autónoma Chapingo
Modelo: 13X3BMD58JEG 52
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D. Uniformidad de la instalación Una vez puesta en marcha la bomba y propiamente el sistema se procedió a recolectar la lámina precipitada en los recipientes previamente colocados en la posición indicada en la metodología obteniéndose los siguientes valores: Espaciamiento entre vasos pluviométricos: 3 m Hora de inicio: 9:00 am Hora de finalización: 10:00 am Volumen del recipiente: 1 l Cuadro 3.3. Para llenado de datos de un aspersor
ARREGLO DE 12X12 PLUVIOMETROS (1 SOLO ASPERSOR) 0
0
0
0
0
0
0
1
3
8
0
0
0
0
0
0
5
4
1
0
0
0
1
9
15
20
21
20
13
5
2
0
0
1
8
15
22
33
34
39
22
15
7
0
0
4
14
21
29
33
41
49
41.5
24
12
2.5
0
14
24
29
31
46
48
48
30
15
4.2
0
6
15
23
28
29
42
42
45.5
29
15
4
0
4
12
18.5
25
32
30
43
32.5
22.5
13.5
2.5
0
1
10
14
19
25
34
28
23
16.8
10
0
0
0
3
9
13
16
22
17
16
10
2
0
0
0
0
4
5
7
11
11
5
2
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
TUBERIA PRINCIPAL
0
6
0 9
ARREGLO DE 4X4 PLUVIOMETROS (4 ASPERSORES) 96 96 82 82
Universidad Autónoma Chapingo
53
113 120 114 94
114 120 106 77
115 109 80 71
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E. Medidas de presiones y caudales Se utiliza la curva caudal-presión del aspersor calibrado en laboratorio, cuyo modelo resultante es el siguiente:
q 0.33775h 0.4727 dónde:
q: en ls-1 h: en kgcm-2.
3.5.3. Pérdidas por evaporación y arrastre del viento A. Condiciones de viento Si
se requiere investigar la velocidad media del viento (V, en kmh-1) entre dos
tiempos (t1 y t2), para los cuales se tienen sus recorridos respectivos (k1 y k2) , se aplica la siguiente formula (Romo y Arteaga, 1989): (3.18) Cuadro 3.4 Lecturas registradas en el anemómetro Lectura Inicial Lectura Final Tiempo prueba (min)
242818.00 242880.00 48
B. Evaporación Cuadro 3.5 Evaporación registrada durante la prueba Recipientes
Volumen (ml) inicial
Final
Diferencia
Recipiente 1
500.00
492.00
8.00
Recipiente 2
500.00
490.00
10.00
Evaporación promedio (ml)
9.00
Promedio de pérdida por evaporación 9.00 Diámetro del bote: 0.1016
m
Área del bote:
m2
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0.008107
54
ml
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3.6.
PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN
3.6.1. Evaluación de la uniformidad del riego A. Para un aspersor El procesamiento de datos se realizó con el programa traslape. En el cuadro 3.6 se muestran los volúmenes procesados, posteriormente se ordenan descendentemente y se calculan los valores medios y la desviación estándar. Cuadro 3.6 Datos registrados por los pluviómetros para un aspersor
No. Volumen Orden (Vi) ml 1 104
No. Volumen ̅| | Orden (Vi) ml 5 121 11.68
Via
Vib
Via-Ma
121
6.63
2
102
12
118
8.68
118
3.63
3 4 5 6
98 108 121 111
9 14 13 11
115 113 113 113
5.68 3.68 3.68 3.68
115 113 113 113
0.63 1.38 1.38 1.38
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
107 106 115 108 113 118 113 113 111 101
15 6 10 4 7 8 1 2 16 3 Total
111 111 108 108 107 106 104 102 101 98 1749
1.68 1.68 1.31 1.31 2.31 3.31 5.31 7.31 8.31 11.31 81
111 111
3.38 3.38
108 108 107 106 104 102 101 98 114.38 104.25
21.75
VibMb
3.75 3.75 2.75 1.75 0.25 2.25 3.25 6.25 24.00
Volumen promedio: 109.31 ml Desviación estándar: 6.269 Volumen medio del cuarto inferior: 101.25 ml
Coeficiente de Christiansen
De acuerdo al cuadro 3.6 se tiene que: n
Vi V
81ml
i 1
La suma de todos los volúmenes recogidos por los pluviómetros da un total de 1749 mm. Procedemos a calcular mediante la expresión siguiente: Universidad Autónoma Chapingo
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81 CU 1 100 95.37% 1749
Coeficiente de Hart
De acuerdo a los datos presentados en el cuadro 3.6 se tiene que: Volumen promedio: 109.31 ml Desviación estándar: 6.269 Sustituyendo valores en la expresión del coeficiente de Hart se tiene que: *
+
*
+
Coeficiente de USDA
A partir de los datos del cuadro 3.6 se tiene que: La media del volumen del cuarto inferior es: 101.25 ml Volumen medio de los datos obtenidos con los pluviómetros es: 109.31 ml ̅̅̅̅ [ ] ̅
[
]
Coeficiente de Benami-Hore
Del cuadro de datos recogidos por los pluviómetros se obtiene: Media de valores después del término medio Mb: 104.25 Valores del término medio hacia el inferior Xb: 24 Numero de valores que forman la región Nb: 8 Media de valores antes del término medio Ma: 114.38 Valores del término medio hacia la parte superior Xa: 21.75 Numero de valores que forman la región Na: 8 Sustituyendo:
[
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]
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En las figuras 3.7 y 3.8 se representa el patrón de mojado del aspersor mediante curvas y en un modelo tridimensional respectivamente, el cual se obtuvo a partir la la posición y pluviometría de cada bote instalado en campo. 12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Figura 3.7. Representación de la pluviométrica recolectada mediante curvas
Figura 3.8. Representación tridimensional del patrón de mojado del aspersor durante la prueba Universidad Autónoma Chapingo
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B. Para cuatro aspersores En el cuadro 3.7 se muestran los volúmenes de cada bote,
así como su
ordenamiento descendentemente y se calculan los valores medios y la desviación estándar. Cuadro 3.7 Datos registrados por los pluviómetros para cuatro aspersores No. Volumen Orden (Vi) ml 1 96
No. Volumen Orden (Vi) ml 6 120
|
̅|
Via
Vib
Via-Ma Vib-Mb
20.69
120
6.13 6.13 1.13 0.13 0.13
2
96
10
120
20.69
120
3 4 5
82 82 113
13 7 9
115 114 114
15.69 14.69 14.69
115 114 114
6
120
5
113
13.69
113
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
114 94 114 120 106 77 115 109 80 71
14 11 1 2 8 3 4 15 12 16 Total
109 106 96 96 94 82 82 80 77 71 1589
9.69 6.69 3.31 3.31 5.31 17.31 17.31 19.31 22.31 28.31 233
109 106
0.88 4.88 7.88
96 96 94 82 82 80 77 71 113.88 84.75
27.25
11.25 11.25 9.25 2.75 2.75 4.75 7.75 13.75 63.50
Volumen promedio: 99.31 ml Desviación estándar: 16.696 Volumen medio del cuarto inferior: 77.5 ml
Coeficiente de Christiansen
De acuerdo al cuadro 3.7 se tiene que: n
Vi V 233ml i 1
La suma de todos los volúmenes recogidos por los pluviómetros da un total de 1589 mm. Se procede a calcular CU mediante la expresión siguiente:
233 CU 1 85.34% 1589 Universidad Autónoma Chapingo
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Coeficiente de Hart
De acuerdo a los datos presentados en el cuadro 3.7 se tiene que: Volumen promedio: 99.31 ml Desviación estándar: 16.696 Sustituyendo valores en la expresión se tiene que:
*
+
*
+
Coeficiente de USDA
A partir de los datos del cuadro 3.7 se tiene que: La media del volumen del cuarto inferior es: 77.5 ml Volumen medio de los datos obtenidos con los pluviómetros es: 99.31 ml ̅̅̅̅
*̅ +
*
+
Coeficiente de Benami-Hore
Del cuadro de datos recogidos por los pluviómetros se obtiene: Media de valores después del término medio Mb: 84.75 Valores del término medio hacia el inferior Xb: 63.5 Numero de valores que forman la región Nb: 8 Media de valores antes del término medio Ma: 113.88 Valores del término medio hacia la parte superior Xa: 27.25 Numero de valores que forman la región Na: 8 Sustituyendo:
[
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3.6.2. Evaluación del índice de grosor de la gota Teniendo la presión a la que está funcionando el aspersor y conociendo el diámetro de boquilla del mismo se procede a calcular el índice de grosor de la gota: Presión: 3.5 kg/cm2 Diámetro de boquilla: 4.76 mm y 2.38 mm Cuadro 3.8 Índices de grosor de gota a diferentes presiones y diámetro de boquillas Presión kg/cm2 1 2 3 4 5 6
Diámetro de boquilla en mm 15 20 25 0.86 0.64 0.51 2.11 1.58 1.27 3.57 2.68 2.14 5.19 3.90 3.12 6.94 5.21 4.17 8.80 6.60 5.28
10 1.29 3.16 5.36 7.79 10.41 13.20
30 0.43 1.05 1.79 2.60 3.47 4.40
De acuerdo al cuadro 3.8, o en su defecto haciendo los cálculos respectivos se obtiene que el índice de grosor de la gota es:
De acuerdo a los resultados se tiene que para el caso de la boquilla de mayor tamaño se encuentra en valores aceptables y lo que corresponde a la boquilla pequeña se tiene que las gotas son finas. 3.6.3. Evaluación de las pérdidas por evaporación y arrastre del viento Las pérdidas por evaporación y arrastre del viento (Pe) se calculan como la diferencia entre la lámina de agua aplicada por el aspersor (La) y la lámina de agua recogida en los pluviómetros (Lp). El caudal del aspersor, en litros por hora, es:
q 0.33775h 0.4727 q 0.33775 * 3.50.4727 0.61l / s 2198l / h El caudal aplicado sobre la zona evaluada (lh -1) se calculará: (
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)
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La lámina de agua recogida por los pluviómetros Lp se calculará: Diámetro del bote: 10 cm Área del bote: 78.54 cm2 = 0.007854 m2
Se calcula el área de la embocadura de los vasos (cm2):
La lámina de agua recogida en los vasos se calculará como:
Para este valor puede haber influido la velocidad del viento y la evaporación de la misma, el valor es relativamente bajo. Considerando la percolación (P) y el déficit (D) como valor nulo, la eficiencia de aplicación sería del orden de:
Ea 100 8.8 91.2% 3.7.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
De acuerdo a los resultados obtenidos en base al coeficiente de uniformidad y cómo podemos observar en la tabla comparativa, tenemos que, para el caso de traslape de 4 aspersores el menor coeficiente de uniformidad para los mismos datos se presenta en el de Benami – Hore y el mayor en las mismas condiciones es el de Hart, esto puede justificarse a que el primero toma en cuenta la desviación de los valores por arriba del promedio entre la desviación por debajo de los valores obtenidos, en el segundo toma en cuenta la desviación estándar general de los datos entre la media del volumen captado asumiendo que estos volúmenes siguen una distribución normal. Haciendo una comparación entre las uniformidades de 4 aspersores y 1 aspersor podemos observar que para el caso de un solo aspersor la uniformidad es mucho mayor que para el segundo caso, esto se puede observar en el cuadro 3.9 y en la figura 3.9.
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Cuadro 3.9 Coeficientes de uniformidad obtenidas en la evaluación Coeficiente Christiansen: Hart: USDA: Benami - Hore:
4 aspersores 85.34 86.58 78.04 69.53
1 aspersor 95.37 95.42 92.62 90.68
Figura 3.9. Comparativa de la uniformidad para el caso de uno y cuatro aspersores de acuerdo a los diferentes coeficientes
Analizando las diferencias entre los coeficientes de uniformidad obtenidos con cuatro y un aspersor respectivamente, de acuerdo a la desviación estándar de los datos observamos que para el caso de cuatro aspersores es de 16.696 y en un aspersor es de 6.269, lo cual nos dice que hay mayor variación en los datos obtenidos en la evaluación de cuatro aspersores lo cual explica la diferencia porcentual obtenida entre ambos ensayos, ahora bien, observando las desviaciones de los valores, puede ser provocada debido a los efectos del viento sobre las gotas y la evaporación de las mismas.
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3.8.
CONCLUSIONES
Se encontró que el la uniformidad del riego y la aplicación del mismo se encuentra de valores aceptables a buenos mediante esta prueba. De acuerdo a la tendencia y la tecnología, esta evaluación nos da una idea aproximada de cómo se comporta el agua incorporada a un parcela con cultivo, pero finalmente intervienen muchas variables que varían en una sola parcela como la textura del suelo, la topografía, y las necesidades de agua del cultivo por citar algunos,
que finalmente el mejor
indicador se traduciría al cultivo. Las pérdidas por evaporación y arrastre son significativas por lo que se debe de tomar en cuenta al hacer el diseño de este sistema o realizar medidas que contribuyan a la disminución de la misma. El programa TRASLAPE sirve para probar diferentes espaciamientos y patrones de traslape de aspersores por lo que es una herramienta útil, para definir la mejor separación entre aspersores y laterales. 3.9. CUESTIONARIO 1. En un riego por aspersión ¿Cuál es el coeficiente de uniformidad aceptable? 2. En su opinión que expresión recomienda de las cuatro utilizados para determinar el coeficiente de uniformidad. 3. ¿Son buenos los coeficientes de uniformidad obtenidos en la práctica? 4. ¿Cuáles factores de campo pudieron haber afectado los coeficientes de uniformidad obtenido? 5. ¿Qué hacer para mejorar el coeficiente de uniformidad ? 6. ¿Cuál es la lámina de Riego Aplicada? 7. Compare los valores de evaporación y arrastre estimados y medidos durante la práctica, ¿Si hay diferencias? ¿Cuáles son las posibles causas?
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3.10.BIBLIOGRAFÍA Anyoji, H. and I. P. Wu. (1994). Normal Distribution Water Application for Drip Irrigation Schedules. Transactions of the ASAE. Christiansen, H. E. (1942). Irrigation by Sprinkling. Vol. 670 Berkeley, California. EUA. University of California. Fry, A. W. y Alfred S. Grey, (1971). Sprinkler Irrigation Handbook, Rain Bird Sprinkler Mabufacturing Corporation, Glendora, California. García C. I. y Briones S. G. (1997). Sistemas de riego por aspersión y goteo. Trillas. México. Hart W., (1972). ―Subsurface distribution of nonuniformity applied surface waters.‖ Transactions of the ASAE 15(4). Luna D., E. (1988). Aplicación de un modelo lineal para la evaluación de riego por superficie. Informe de Investigación INIFAP- CENID-RASPA Merriam, J. L. and J. Keller. (1978). Farm irrigation system evaluation: a guide for Management. Agric. Irrig. Eng. Dept. Logan, Utah State University Montero M. J., (2000). Análisis de la distribución de agua en sistemas de riego por aspersión estacionario: desarrollo del modelo de simulación, SIRIAS. Universidad de Castilla. La Mancha, España. Romo González, J. & I.Arteaga Ramirez, R. (1989). Meteorología agrícola. Chapingo, Méx.: UACH. Departamento de Irrigación. Tarjuelo M. B. J., (1999). El riego por aspersión y su tecnología. Mundi-Prensa. Madrid, España. Velazco L. J., (1978). Evaluación de la distribución de agua aplicada por medio de aspersores. Perú: Universidad Nacional Agraria "La Molina".
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4.1. OBJETIVOS
Analizar los principales factores que intervienen sobre la distribución de agua con sistemas de riego por aspersión cañón viajero.
Aforar el gasto del cañón en condiciones de funcionamiento y compararlo con los datos del catálogo.
Obtener el coeficiente de uniformidad de aplicación del equipo.
4.2. ASPECTOS TEÓRICOS 4.2.1. Los cañones Son grandes aspersores giratorios, de construcción robusta para resistir los esfuerzos que originan el elevado caudal descargado y la presión de trabajo, pudiendo ser de brazo oscilante o de turbina (véase figuras 4.1 y 4.2) (Tarjuelo, 1999). Una disposición típica de un cañón viajero o enrollador en campo se muestra en la figura 4.3.
Figura 4.1. Cañón de brazo oscilante
Figura 4.2 Cañón de turbina
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Figura 4.3 Disposición típica de una parcela regada con un cañón viajero
4.2.2. Boquillas Las boquillas son cónicas (de plástico o metálicas) o de anillos. Los diámetros de boquilla varían normalmente entre 12 y 40 mm, los ángulos de descarga del chorro entre 15º y 32º, aunque los más recomendables suelen ser entre 21º y 25º. Los ángulos menores tienen poco alcance, y los mayores son más afectados por el viento( Tarjuelo, 1999). Existen también cañones de riego con ángulo variable entre 15º y 45º. 4.2.3. Mecanismos de propulsión Los cañones de riego pueden moverse propulsados por un motor de explosión o por la toma de fuerza del tractor, pero lo más frecuente es que lleven un motor hidráulico accionado por la propia corriente de agua, existiendo dos variantes: de pistón o fuelle y de turbina. A. Mecanismos de fuelle hidráulico Los mecanismos de pistón han sido abandonados por su rápido deterioro cuando el agua lleva arena, siendo sustituidos por los de fuelle. El fuelle se expande por acción de la presión del agua en su interior y se contrae por la acción de un muelle exterior que lo comprime al conectar la cámara interna con la atmósfera. El movimiento alternativo origina el giro del tambor a través de un mecanismo de trinquete (figura 4.4).
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Figura 4.4 Mecanismo de propulsión de fuelle hidráulico
B. Mecanismos de turbina Son los mecanismos más frecuentes en los enrolladores (Tarjuelo, 1999). Éstos no consumen agua, pero producen una pérdida de carga en el flujo principal de unos 5 a 10 m.c.a. La turbina es alimentada por una parte de caudal principal o por todo él (figura 4.5), y transmite el giro al tambor de enrollamiento a través de una caja de engranajes o un sistema de poleas.
Figura 4.5 Mecanismo de propulsión con turbina: flujo parcial y flujo total
4.2.4. Mecanismos de funcionamiento, control y seguridad Los mecanismos de guía de la manguera para su enrollamiento en el tambor constan de: una horquilla, que guía el tubo y se mueve en traslación alternado a la derecha e izquierda sobre un tornillo con roscas o tornillo sinfin cruzadas. El tornillo gira de forma continua por estar unido al tambor a través de un mecanismo de engranaje y cadena (figura 4.6).
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Figura 4.6 Ejemplo de mecanismo guía para enrollamiento de la manguera
4.2.5. Las mangueras Las mangueras son diseñadas para soportar altas presiones y las fuerzas de tracción que se provocan por el arrastre sobre el suelo, las longitudes varían entre 120 y 500 m, los diámetros oscilan entre 50 y 125 mm, teniendo una vida útil de 6 a 8 años. 4.2.6. Importancia de una evaluación La evaluación de un sistema de riego por aspersión es un proceso por el que se puede saber si la instalación y el manejo que se hace de ella reúnen las condiciones necesarias para aplicar los riego adecuadamente, esto es, cubriendo las necesidades de los cultivos para la obtención de máximas producciones y al mismo tiempo minimizando las pérdidas de agua. 4.2.7. Cuando realizar una evaluación Se debe realizar una evaluación del riego:
Recién finalizada la instalación. Se comprobará que las presiones en cuanto a la capacidad de aportar una cantidad de agua con una determinada uniformidad coinciden con lo proyectado.
Al principio de cada temporada de riegos. Permitirá conocer la cantidad de agua que aplica el sistema por unidad de tiempo y su uniformidad, lo que será necesario para decidir el tiempo de riego.
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Cuando existan motivos para sospechar la existencia de cambios en la uniformidad o en la lámina de agua aplicada.
4.2.8. Déficit de humedad permisible Indica la sequedad del suelo en la zona radicular en el momento de realizar la medida. Puede expresarse en mm de altura de lámina de agua y coincide con la cantidad de agua que debe ser aplicada con el riego en condiciones normales de manejo (sin fracción de lavado para sales). 4.2.9. Uniformidad de distribución Se obtiene a partir de los datos de campo resultantes de la evaluación y es un indicador de la uniformidad de altura de agua infiltrada en el conjunto de la parcela. (4.1)
Se utiliza como indicador de la magnitud de los problemas en el proceso de aplicación de agua. Merrian y Keller (1978), mencionan un valor típico de 71 %. 4.2.11. Pérdidas por evaporación y arrastre del viento En riego por aspersión existen dos factores que afectan negativamente a la aplicación de agua sobre el suelo: la evaporación de las gotas de agua que producen los aspersores y el arrastre de dichas gotas por efecto del viento. En las pérdidas por evaporación y arrastre del viento tiene gran importancia el tamaño de las gotas de agua que dan los aspersores y serán mayores cuanto más pequeñas sean las gotas y mayor sea el viento y la temperatura. *
+
(4.2)
Las pérdidas por evaporación y arrastre del viento (Pe) se calculan como la diferencia entre la lámina de agua aplicada por el cañón (La) y la lámina de agua recogida en los pluviómetros (Lp):
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(4.3) La lámina de agua media recogida por los vasos (Lp) es la relación entre el volumen medio recogido en cm3 y el área de la embocadura de los vasos en cm2. 4.2.12. Intensidad de aplicación promedio La intensidad de aplicación se calcula mediante la siguiente expresión: (4.4) donde: Ia, intensidad de aplicación, en mmh-1; q, gasto del aspersor, en lmim-1; r, radio de mojado del aspersor o cañón, en m;
, ángulo del circulo de mojado, en
grados; k, factor de conversión de unidades (60 unidades métricas). 4.2.13. Lámina aplicada promedio Para el cálculo de la lámina aplicada promedio en milímetros se procede con la siguiente expresión: (4.5) donde: La, lámina de riego, en mm; q, capacidad del sistema, en lmin-1; W, espaciamiento entre líneas de riego del cañón, en m; S, velocidad de la unidad de movimiento, en mmin-1; K, factor de unidades, 1 para unidades métricas. 4.2.14. Índice de grosor de la gota El tamaño de las gotas de agua que dan los aspersores influye directamente sobre la distribución del agua aplicada y afectan en las pérdidas por arrastre del viento y evaporación. El grosor de las gotas se evalúa con el Índice de grosor (IG). Para calcular IG se medirá la presión (p) en kgcm-2 en el aspersor seleccionado para la evaluación y el diámetro (d) de las boquillas en mm:
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(4.6) Es recomendable que el índice de grosor esté entre 7 y 17. Valores menores que 7 indican gotas demasiado gruesas, y valores mayores que 17 indican gotas demasiado finas. La distribución del agua puede verse afectada negativamente con tamaños de gota extremos. Sólo se justifican valores de IG menores de 7 en condiciones de vientos fuertes (más de 4.5 ms-1 ó 16 kmh-1). 4.3. DESCRIPCION DE EQUIPOS Y MATERIALES Los materiales que han de utilizar en el desarrollo de la evaluación son los siguientes: Cañón modelo Twin 101 de 20 mm de diámetro Un manómetro Carrete de manguera Un cronómetro Botes a manera de pluviómetro Probetas graduadas Una cinta métrica Anemómetro para conocer la velocidad del viento Recipiente de volumen conocido Los cuales son mostrados en la figura 4.7.
Probeta graduada
Carrete de manguera
Cronometro
Anemómetro Cañón Manómetro
Botes
Recipiente de volumen conocido
Cinta métrica
Figura 4.7 Lista de materiales utilizados en la prueba
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4.3.1. Evaluación de los componentes de la instalación Se realizará una inspección de los componentes del sistema, desde tuberías, juntas, elementos de control, piezas especiales, etc. En primer lugar se comprobará las características del aspersor en marca, modelo, tipo y diámetro de boquillas y altura, lo que es fundamental para el correcto desarrollo de los riegos. Se comprobará la existencia de fugas y cualquier elemento de la instalación, principalmente en las conexiones. También deberá anotarse la existencia o no de elementos de medida y control de agua, la cantidad que existe de cada uno, su ubicación y su estado general: manómetros o toma manométrica, reguladores de presión, etc. 4.3.2. Evaluación de la uniformidad del riego A. Procedimiento para medir el riego Antes de comenzar el riego, se colocará una red de vasos pluviométricos de iguales características, de tal forma, que el agua no salpique fuera y la evaporación se reduzca a un mínimo. Los vasos se instalarán sobre el suelo o soportados mediante estacas de 60 cm de altura, se alinean perpendicularmente al sentido del riego y se nivelan, cuando el cultivo no altere la lluvia de los aspersores, y justo sobre el cultivo en caso contrario (figura 4.8). Se colocan pluviómetros colgados a unos clavos que previamente se habían clavado a las estacas, los pluviómetros deben estar pintados de blanco para evitar el calentamiento por los rayos del sol para aminorar la evaporación. El equipo se coloca a una distancia ligeramente mayor al radio de mojado del cañón antes de la red de pluviómetros en el sentido del riego. Se hace avanzar el equipo hasta que cruce totalmente la red de pluviómetros Se procede a la recolección de datos y se hacen los cálculos respectivos.
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Figura 4.8 Esquema ilustrativo de colocación de pluviómetros
B. Procedimiento para medir el clima La velocidad del viento durante la prueba deberá ser medida con el anemómetro o con otro dispositivo de igual o mejor exactitud. La dirección del viento deberá ser medida con una veleta de viento con 8 puntos de base de su compás. El equipo de medición del viento deberá ser localizado lo más cerca del área de la prueba y a una altura de 4 m. Se toma la lectura inicial en el anemómetro así como la final y el tiempo de duración de la prueba para así obtener la velocidad del viento. Determine la evaporación ocurrida durante la prueba mediante uno de los recipientes utilizados como pluviómetro, donde se agrega un volumen de agua conocida y luego se vuelve a medir al final del ensayo.
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C. Medición volumétrica de la descarga La medición volumétrica de la descarga puede hacerse colocando una manguera y depositando el agua en un recipiente (bote) calibrado y tomar el tiempo con cronómetro hasta que se llene perfectamente (figura 4.9), con esto se tendrá el valor de q.
Figura 4.9 Medición de la descarga
Se sabe que el modelo de funcionamiento del aspersor que está definido por:
q Kh n
(4.7)
donde: q, gasto, en Is-1; h, carga, en m; K y n, parámetros de funcionamiento (adimensionales), x, generalmente tiende a 0.5
por la naturaleza del flujo y K se
puede estimar si se conoce h (figura 4.10).
Figura 4.10 Manómetro empotrado antes de la salida del cañón
Por lo cual es posible conocer el gasto del aspersor al medir únicamente la presión con un manómetro, la presión en el manómetro se obtiene en kgcm-2, con esto es posible conocer la carga h (en m) y sustituyendo en la anterior ecuación, se conoce el gasto; extrapolando se puede determinar el gasto que un sistema está entregando en campo midiendo únicamente la presión (figura 4.10).
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D. Duración de la prueba y registro de información Una vez que se ponga a funcionar el cañón se deja que se riegue desde que entra la primera gota a los pluviómetros hasta que deja de caer agua a los mismos. Medir la presión de entrada antes del mecanismo de giro y la respectiva presión antes de la salida del cañón. Se mide la lámina captada y se registran las mediciones; para hacerla más exacta se hace en una probeta graduada al mililitro. Se colocan 3 estacas a cada 10 m en la dirección de movimiento del cañón para cuantificar en campo la velocidad de avance del mismo. Con los datos obtenidos se procede a conocer la uniformidad de aplicación.
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4.4. EJEMPLO DE PRUEBA REALIZADA EN CAÑÓN VIAJERO 4.4.1. Datos generales Localización: Campo Montecillos Parcela: ―LA CERONA‖ Cultivo: Alfalfa Profundidad de raíces: 80 cm, Suelo:
Textura: Arcilloso
CC: 40%
PMP: 24%
4.4.2 Descripción de los componentes de la instalación Componentes del equipo. Marca y modelo del cañón viajero: Twin 101 Radio de mojado: 31.5 m Angulo de riego: 290°
Boquilla: Tamaño: 20 mm Presión de operación : 2 kgcm-2 Manguera: Largo : 280 m Diámetro de la manguera: 63 mm Diámetro interior: 55 mm Presión de entrada: 7.3 kgcm-2 Presión de salida: 1.9 kgcm-2 Perdida de presión por turbina: 0.9 kgcm-2 Perdida de presión por manguera: 4.5 kgcm-2 Propulsión Tipo: Turbina
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4.4.4. Evaluación de las pérdidas por evaporación y arrastre del viento A. Condiciones de viento Cuadro 4.1 Lecturas registradas en el anemómetro Lectura Inicial Lectura Final Tiempo prueba (min)
242818.00 242880.00 48
La velocidad del viento se procede a calcular mediante la ecuación 3.18:
B. Espaciamiento entre líneas: Los espaciamientos entre posiciones de riego más adecuados, en función de la velocidad del viento, suelen ser los del cuadro 4.5. Cuadro 4.2 Valores recomendados del espaciamiento en función de la velocidad del viento 0-1 80
Espaciamiento (% del diámetro de mojado) Fuente: Tarjuelo, 1999.
Velocidad del viento (ms-1) 1-2,5 2.5-5 >5 75-70 65-60 55-50
donde: E, espaciamiento, en m; P, factor de ajuste, %; r, radio de mojado, en m. Ajustando los espaciamientos a longitudes comerciales de tuberías se obtiene:
C. Evaporación Al inicio de la evaluación se colocó un recipiente al cual se le agrego un volumen de 500 ml los datos registrados se presentan en el cuadro 4.3. Cuadro 4.3 Evaporación registrada durante la prueba Recipientes
Volumen (ml) Inicial
Final
Diferencia
Recipiente 1
500.00
492.00
8.00
Recipiente 2
500.00
490.00
10.00
Evaporación (ml) promedio
9.00
Promedio de pérdida por evaporación: 9.00 ml Diámetro del bote: 0.10 m
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4.4.3 Evaluación de la uniformidad de la instalación A. Volumen recogido en los pluviómetros En el cuadro 4.4 se presentan los volúmenes recolectados por los recipientes, de acuerdo al radio de mojado de 31.5 m y para una velocidad de viento de 4.65 km/h se obtiene un espaciamiento de 42 m por lo que al colocar los recipientes en campo a una distancia de 3 m se obtiene un máximo de 15 pluviómetros a cada lado. Cuadro 4.4. Volumen recogido en los recipientes instalados en campo Volumen captado por los recipientes Lado izquierdo de la línea Lado derecho de la línea No. Pluv Volumen (ml) No. Pluv Volumen (ml) 1 235 15 2 250 14 3 270 13 4 260 12 5 240 11 7 6 225 10 160 7 215 9 215 8 170 8 295 9 120 7 280 10 55 6 265 11 5 300 12 4 305 13 3 275 14 2 225 15 1 220
B. Medidas de presiones, velocidades y caudales Presiones
En el cañón: 1.8 kgcm-2
En el carrito: 7 kgcm-2
Caudales
Volumen del recipiente: 200.00 litros ó 0.20 m3
Tiempo:
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Cuadro 4.5 Lecturas de tiempo en la medición de la descarga en cañón Twin 101 Aforo 1
Lectura 1 (s) 32.2
Lectura 2 (s) 30.3
Lectura 3 (s) 31.25
Lectura 4 (s) --------
Promedio (s) 31.25
Caudal:
Velocidad del cañón
Distancia: 10 m
Tiempo: Cuadro 4.6 Lecturas de tiempo de avance en el cañón Twin 101 Observación Distancia, en m Tiempo, en min/10 m
Lectura 1 (min) 10 47.17
Lectura 2 (min) 20 47.15
Lectura 3 (min) 30 47.16
Lectura 4 (min)
Promedio (min)
--------
47.16
Velocidad:
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4.5 PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN 4.5.1. Uniformidad de distribución Para utilizar la expresión de Christiansen se suman los datos de la parte izquierda con los de la parte derecha en su posición de traslape con el fin de obtener los valores de los volúmenes recolectados. Por ejemplo, 1+15, 2+14, 3+13, ..., etc Cuadro 4.7 Volúmenes recogidos en los pluviómetros instalados en campo y procesamiento de los mismos Volumen captado por los recipientes Separación entre Pluviómetro 42 40.5 37.5 34.5 31.5 28.5 25.5 22.5 19.5 16.5 13.5 10.5 7.5 4.5 1.5
Lado izquierdo de la línea Lado derecho de la línea No. Pluv. Volumen (ml) No. Pluv. Volumen (ml) 1 235 15 2 250 14 3 270 13 4 260 12 5 240 11 7 6 225 10 160 7 215 9 215 8 170 8 295 9 120 7 280 10 55 6 265 11 5 300 12 4 305 13 3 275 14 2 225 15 1 220 SUMA DEL CUARTO INFERIOR : SUMA TOTAL: PROMEDIO DEL CUARTO INFERIOR : PROMEDIO GENERAL:
Contenido total de los lados ml 235 250 270 260 247 385 430 465 400 320 300 305 275 225 220
Volumen promedio de los traslapados = 374.5 ml Área del recipiente= 7.85 x10-3
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Ordenado de mayor a menor ml 465 430 400 385 320 305 300 275 270 260 250 247 235 225 220 927 4587 231.75 305.8
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La uniformidad de riego se obtiene mediante la relación que existe entre el promedio de lámina captada en el ¼ inferior y el promedio de lámina general:
4.5.2. Intensidad de aplicación promedio La intensidad de aplicación se calcula mediante la siguiente expresión:
La intensidad de aplicación puede ser comparada con la infiltración del suelo que en este caso es arcilloso teniendo una infiltración media de 11.5 mmh-1 (Abnal, 2000) y de acuerdo a valor de intensidad de 9.17 mmh -1 tenemos que es inferior por lo que no se provoca encharcamiento. 4.5.3. Lámina aplicada promedio Para el cálculo de la lámina aplicada promedio en milímetros se procede con la siguiente expresión:
A partir del espaciamiento del cañón, del gasto descargado y de la velocidad del mismo se tiene que la lámina aplicada promedio es de 50.304 mm. 4.5.4. Evaluación de las pérdidas por evaporación y arrastre del viento Las pérdidas por evaporación y arrastre del viento (Pe) se calculan como la diferencia entre la lámina de agua aplicada por el cañón (La) y la lámina de agua recogida en los pluviómetros (Lp).
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*
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+
Tenemos una perdida por evaporación y arrastre del 5.33 % de lo cual se puede deducir que es mínima la perdida, lo cual es aceptable. Considerando la percolación (P) y el déficit (D) como valor nulo, la eficiencia de aplicación sería del orden de:
Ea 100 5.33 94.67% 4.5.5. Evaluación del índice de grosor de la gota Teniendo la presión a la que está funcionando el cañón y conociendo el diámetro de boquilla del mismo se procede a calcular el índice de grosor de la gota: Presión: 2 kgcm-2. Diámetro de boquilla: 20 mm Cuadro 4.8 Índices de grosor de gota a diferentes presiones y diámetro de boquillas Presión Diámetro de boquilla en mm kgcm-2 10 15 20 25 30 1 1.29 0.86 0.64 0.51 0.43 2 3.16 2.11 1.58 1.27 1.05 3 5.36 3.57 2.68 2.14 1.79 4 7.79 5.19 3.90 3.12 2.60 5 10.41 6.94 5.21 4.17 3.47 6 13.20 8.80 6.60 5.28 4.40 7 16.13 10.75 8.06 6.45 5.38 8 19.18 12.79 9.59 7.67 6.39 8.4 20.44 13.63 10.22 8.18 6.81 9 22.36 14.90 11.18 8.94 7.45 10 25.64 17.09 12.82 10.26 8.55
De acuerdo al cuadro 4.9, o en su defecto haciendo los cálculos respectivos tenemos que el índice de grosor de gota seria:
De acuerdo al resultado , se observa que de acuerdo a la clasificación del grosor de gotas se encuentra en gotas gruesas lo que es característica de este sistema.
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4.6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS De acuerdo a las pérdidas por evaporación y arrastre del viento (Pe) representan el 5.4 %, es decir, de 100 milímetros de agua por aplicar en riego 5.4 milímetros se perderán por arrastre del viento y evaporación,
la velocidad el viento que se
presentó durante el desarrollo de la evaluación en promedio fue de 4.65 kmh -1 y una evaporación de 9 ml. La intensidad de aplicación muestra la lámina de agua aplicada en el sector durante el tiempo transcurrido de la evaluación obteniéndose un valor de 9.17 mmh-1. La lámina aplicada promedio es de 50.3 milímetros, esta lámina de aplicación esta en estrecha relación con el tiempo de riego y la velocidad de avance del cañón. La uniformidad de distribución obtenida en la evaluación para este sistema resulto ser de 75.78 % la cual es buena. 4.7. CONCLUSIONES A partir de la evaluación del cañón viajero es posible afirmar que en términos generales la uniformidad de distribución de acuerdo a Merrian y Keller (1978) es aceptable. La relación entre las láminas precipitadas y la velocidad de infiltración son compatibles en función del tipo de suelo y la capacidad de acumulación para láminas hasta de 12 mm por evento de riego. 4.8. CUESTIONARIO 1) ¿Bajo qué condiciones es recomendable el uso de cañón viajero? 2) ¿Cuáles son los factores que afectan la uniformidad de aplicación en el cañón viajero evaluado y cuáles serían las posibles recomendaciones para disminuir tales efectos? 3) ¿Qué recomendaría para disminuir las pérdidas de carga de presión en la manguera y en la turbina cuando empieza a avanzar el cañón? 4) ¿Cómo seleccionaría la boquilla para el cañón analizado? 5) ¿Cómo se establece en campo el ángulo de mojado?
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4.9. BIBLIOGRAFÍA Abnal M.C. y Domínguez G. C., (2000). Diseño y evaluación de un sistema de aspersión mecanizado cañón viajero (caso campo experimental la cerona). Tesis.
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Irrigación.
Universidad
Autónoma
Chapingo.
Chapingo, Méx. Merrian J. L. y Keller J. (1978). Farm irrigation system evaluation: A guide for management. Utah State Univ. Press, Logan, Utah. Montero M. J., (2000). Análisis de la distribución de agua en sistemas de riego por aspersión estacionario: desarrollo del modelo de simulación de riego por aspersión, SIRIAS/ Jesús Montero Martínez. Tesis doctoral. Ediciones de la universidad de castilla – La Mancha, España. Tarjuelo J.M. - Benito M., (1999). ―El riego por aspersión y su tecnología‖. 2ª Edición. Mundi-Prensa.
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5. 5.1.
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EVALUACIÓN DE UN SISTEMA POR ASPERSIÓN DE PIVOTE CENTRAL OBJETIVOS Comprobar el estado de los diferentes componentes de la instalación y si el mantenimiento es adecuado.
Determinar la uniformidad de distribución del agua de riego.
Detectar los problemas de funcionamiento del equipo y plantear soluciones sencillas y económicas para resolverlos.
5.2.
ASPECTOS TEÓRICOS
5.2.1. Descripción del equipo El riego con pivote central es uno de los sistemas de aspersión de movimiento continuo que rocía el agua a través de una tubería lateral que va montada sobre torres con ruedas que se mueven por medio de energía eléctrica o mecánica, controladas por un sistema de alineamiento. La tubería o lateral esta fija en uno de sus extremos mientras que el otro
se
desplaza en movimiento circular (figura 5.1). El extremo central llamado punto de pivote, está conectado a la fuente de suministro de agua, la longitud de estos equipos va de los 67 a los 900 m. La tubería está equipada con una red de aspersores de impacto o con cabezas de rociadores, instalados en bastones bajantes que asperjan el agua sobre el campo. La autopropulsión de los sistemas de pivote central es una de sus principales ventajas; y hay algunos modelos que se pueden remolcar para instalarse en otros sitios. Para ampliar el área a regar se instala un aspersor de cañón en el extremo y si se desean cubrir las esquinas de una superficie cuadrada se monta el cañón en un brazo móvil.
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Figura 5.1 Elementos en una instalación de pivote central
Los principales factores que deben considerar en el diseño de un sistema de riego por pivote central son los siguientes:
El rango máximo de uso de agua para el área de diseño.
La capacidad del sistema.
Las características de infiltración del suelo.
La configuración de las boquillas de los aspersores.
El sistema de suministro de agua y energía.
Los pivotes son recomendables para cultivos de cobertura total incluyendo los de talla alta, siempre y cuando no rebasen el cuerpo del equipo, se adaptan bien a suelos con un alto rango de infiltración (figura 5.2), de textura media, para terrenos de topografía uniforme, también se puede adaptar a terrenos irregulares y ondulados en donde la pendiente en general no sea mayor del 15 %. No se recomienda para suelos de textura arcillosa, para zonas donde le viento rebase los 15 kmh-1.
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Figura 5.2 Patrón de aplicación de agua para diferentes tipos de emisores
5.2.2. Uniformidad del riego La uniformidad de aplicación se refiere a que tan homogénea es aplicada el agua en todo el campo. En campos no humedecidos uniformemente, algunas partes serán regadas con la lámina deseada, mientras que otras partes podrán estar, ya sea sobreirrigadas o subirrigadas. Esta falta de uniformidad genera variaciones en el rendimiento a través del área de riego, resultando en diferencias en el retorno económico para diferentes porciones del campo (Foley y Raine, 2001; Nelson, 2004). Los factores que contribuyen a una falta de uniformidad (Ascencio, 2009) son:
El espaciamiento entre emisores, la presión de operación de la boquilla y la configuración de los emisores.
El tamaño de la boquilla en relación con su ubicación relativa a lo largo del brazo.
Altura de la boquilla, ángulo y desgaste.
Movimiento de la máquina, que considera su velocidad y ciclicidad.
Oscilación del gasto a causa de variaciones en el equipo de bombeo.
Escurrimientos a consecuencia de una alta intensidad de aplicación.
Una pobre uniformidad alrededor de las torres donde se ubican las ruedas es un problema común causado por que los productores y distribuidores de los equipos con frecuencia emplean técnicas inapropiadas para reducir el atascamiento de las Universidad Autónoma Chapingo
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ruedas, como es el de disminuir la tasa de aplicación del agua (figura 5.2) en las proximidades de las torres, lo que se refleja en una menor uniformidad de aplicación (Ascencio, 2009). La uniformidad de distribución (UD) es un índice y se puede definir mediante la siguiente expresión: *
̅ ̅
+
(5.1)
donde: UD, uniformidad de distribución, en %; V25%, volumen medioa en el 25% de las observaciones más bajas; V , volumen medio de todas las observaciones. En el caso de los equipos de pivote central, para calcular la UD, la lámina media colectada en los pluviómetros es ponderada respecto a la superficie que representan, y es equivalente a una ponderación respecto a sus posiciones. El Coeficiente de Uniformidad (CU), fue propuesto inicialmente por Christiansen (1942) y es una representación estadística de la uniformidad, utilizado principalmente en los sistemas de aspersión; es el parámetro de uniformidad de uso más generalizado y está dado por la siguiente expresión: ∑
*
̅|
|
+
̅
(5.2)
donde: Vi, volumen recogida por cada pluviómetro; V , volumen medio de agua recogida en el total de los pluviómetros; n, número total de pluviómetros que intervienen en la evaluación. Posteriormente, Heermann y Hein (1968) propusieron una medida de la uniformidad de aplicación que puede ser usada especialmente para un pivote central: [
∑
| ∑
̅|
]
(5.3)
donde XS es la lámina de agua aplicada en un colector a una distancia Ss del punto pivote. X es la lámina media aplicada en todos los colectores, y SS es la distancia radial a la que están dispuestos los colectores. En este coeficiente, las láminas aplicadas son ponderadas de acuerdo a su posición radial a lo largo del brazo del equipo, lo que permite representar el área anular de cada colector.
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5.2.3. Tasa de aplicación promedio La tasa de aplicación (TAP), se define como la lámina media que se aplica en la superficie de riego por unidad de tiempo y se obtiene al dividir el gasto total de los emisores del sistema entre el área de la superficie de suelo de la franja humedecida a lo largo del sistema. La TAP normalmente se reporta en milímetros de agua aplicada por hora, lo que permite una comparación directa con la tasa de infiltración del suelo. La TAP se altera cuando el área de humedecimiento o el gasto del aspersor cambian. El área de humedecimiento se afecta por la altura del aspersor, el viento o el cambio del plato de los aspersores (Foley y Raine, 2001). La TAP puede ser calculada con la expresión: (5.4) -1
donde: Q, gasto total de los emisores del sistema, en lh ; W, ancho del patrón de humedecimiento del aspersor, en m; L, longitud total del lateral, en m. En los equipos de pivote central, la TAP será siempre más alta en el extremo exterior del pivote, dado que el gasto de los emisores individuales aumenta a consecuencia de que tienen que regar una superficie mayor (Nelson, 2004). Para el caso del equipo de pivote central la TAP puede ser calculada mediante la ecuación: (5.5) -1
donde: TAPj, TAP al radio r en el punto j, en mm h ; rj, radio en el punto j, en m; Q, -1
gasto total de los emisores del equipo, en l s ; Wj, ancho del patrón de humedecimiento del aspersor en el punto j, en m; L, longitud del equipo (radio del circulo básico), en m; K, 7200.6 para unidades métricas de ls
-1
y m. La lámina
promedio aplicada ―d‖ por revolución está dada por: (5.6) -1
donde: Q, gasto total de los emisores del equipo, en l h ; hr, horas por revolución, en h; L, longitud total del equipo, en m.
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5.2.4. Eficiencia de riego La eficiencia, en una acepción general, expresa la relación entre la cantidad de recursos necesarios y los realmente utilizados en un proceso o actividad. Así, la eficiencia de riego se refiere al porcentaje del agua suministrada a un cultivo que sirve efectivamente para satisfacer sus necesidades hídricas. Así, se tienen dos conceptos de eficiencia de riego (Smajastra, et al.,1996): a) La eficiencia de riego expresada como la relación entre el volumen de agua utilizada o disponible para ser aprovechado por un cultivo y el volumen de agua bombeado o entregado para su uso, y b) La eficiencia de riego expresada como la relación entre el rendimiento de un cultivo o el incremento en su rendimiento con relación a la producción obtenida sin riego y el volumen de agua de riego utilizada. No es posible la aplicación de la cantidad exacta de agua de riego requerida con una uniformidad perfecta debido a las variaciones en las propiedades del suelo, diferencias en los componentes de los sistemas de riego, pérdidas de presión en los sistemas debido a fricción, cambios en la elevación, o por otras causas como sobrerriego, evaporación, arrastre por el viento, escurrimiento superficial y subsuperficial, percolación profunda, etc. El caudal del sistema puede ser estimado en un medidor de flujo a la entrada. Esto es hecho por una primera estimación de la lámina bruta aplicada, sumando la lámina media captada y la evaporación estimada. El flujo en gpm, el cual fue distribuido a través de los aspersores, pueden ser estimados por:
Gasto Distribuid o (gpm)
[450] [área (acres)] [lámina bruta (pulg/rev)] tiempo por revolución (h)
(5.7)
5.2.5. Pluviometría máxima en el extremo Uno de los factores más críticos en el diseño de un pivote es la pluviometría máxima en el extremo (Pmax), zona donde se puede tener mayor riesgo de escorrentía (Tarjuelo, 1999). Para determinar el parámetro anterior se calculará como paso
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previo la pluviometría media en el extremo (Pm), la cual hace referencia al valor de la intensidad de agua media que cae sobre el suelo en el extremo del pivote. Se obtendrá a partir de la fórmula siguiente: (5.8) donde: Pm, Pluviometría media en el extremo, en mmh-1; Lp, lamina media de agua recogida, en mm; V, velocidad de avance de la torre exterior, en mh-1; ra, radio mojado por el emisor en el extremo del pivote, en m. Teniendo en cuenta que el reparto de agua de un pivote sigue un modelo elíptico, la pluviometría máxima en el extremo (Pmax) podrá determinarse con la relación: * +
(5.9)
donde: Pm, pluviometría media en el extremo, en mmh-1; Pmax, pluviometría máxima en el extremo, en mmh-1. La pluviometría máxima en el extremo puede ser un indicador del riesgo de escorrentía en un determinado suelo, sobre todo cuando ésta es mayor que la infiltración del agua en el suelo y no hay una buena capacidad de almacenamiento superficial del suelo. Si existe este problema puede evitarse con un manejo adecuado. La comparación entre la Pmax y la capacidad de infiltración del terreno nos permitirá decidir la conveniencia o no de emplear el pivote. Podrá utilizarse en suelos de poca velocidad de infiltración incrementando la velocidad de avance de manera que pase por un punto antes de que se supere el valor de la infiltración admisible más el posible almacenaje superficial del suelo. Esto implicará el aporte de dosis más pequeñas y frecuentes, no debiendo ser menores de 7 -10 mm para no aumentar mucho las pérdidas por evaporación. Cuando la escorrentía sea un problema que no pueda solucionarse aumentando la velocidad de avance, se podrá disminuir la pluviometría del extremo aumentando la anchura mojada por el emisor. Este objetivo podrá alcanzarse bien cambiando el tipo de emisor o bien localizando los existentes en unos pequeños tubos horizontales dispuestos perpendicularmente al pivote.
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5.3.
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DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y MATERIALES
5.3.1. Equipo requerido
Anemómetro para determinar las condiciones de viento.
Un cronómetro o reloj con segundero fácilmente visible.
Botes, pueden usarse botes de aceite de un litro, o cartones de plástico.
Una probeta graduada para medir el volumen de agua captada en los botes.
Una cinta para medir la distancia a la que se colocarán los botes; así como para calcular la velocidad de la máquina.
Una pala para emparejar áreas, colocar los botes y revisar los perfiles de suelo, raíz y penetración del agua.
Recipiente de volumen conocido para determinar la descarga.
Especificaciones del catálogo del fabricante: de boquillas, gastos, presión y las instrucciones sobre las velocidades de la máquina.
Figura 5.3 Material necesario para la evaluación del pivote central
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5.3.2. Componentes de la instalación
Se realizará una inspección de los componentes del sistema, desde tuberías, juntas, elementos de control, piezas especiales, etc.
En primer lugar se comprobará si los emisores están instalados a la misma altura. Los distintos tipos de emisores y la separación entre ellos son criterios prefijados por el diseñador. Si la evaluación de uniformidad no es aceptable habrá que estudiarlos y pensar en alguna modificación.
Se deberá anotar el modelo de los emisores y sus características (nº de boquillas, reguladores de presión, etc.), la existencia o no de elementos de medida y control del agua, la cantidad que existe de cada uno, su ubicación y su estado general.
Figura 5.4. Emisores del equipo de pivote central durante la evaluación
También se comprobará visualmente si a lo largo del equipo hay posibles fugas, los posibles emisores que estén obstruidos y cualquier otra anomalía que pueda apreciarse.
5.3.3. Tasa de aplicación promedio Para obtener la TAP en los equipos pivote central se sigue el procedimiento de aforar cada una de los emisores a todo lo largo del equipo; midiendo el tiempo o duración en emitir cada aspersor un volumen conocido. Posteriormente conociendo el tiempo en obtener el volumen de referencia se calculó el gasto por unidad de tiempo en cada uno de los emisores, mediante la división del volumen de agua entre el tiempo de llenado.
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La tasa de aplicación promedio ―TAP‖ no solo es útil a lo hora de considerar la elección del juego de aspersores del equipo, sino también es de especial atención en la definición de las láminas de riego y un indicador de comparación directa con la tasa de infiltración. 5.3.4. Uniformidad del riego Para evaluar la uniformidad de un sistema de riego por pivote, el primer paso será elegir la zona a evaluar. Ésta deberá ser aquella zona en la que el equipo esté en una posición con el mínimo de diferencias de cota. En parcelas con topografía ondulada, también conviene evaluar el pivote en la zona más desfavorable para el riego, aquella con mayores diferencias de cota. A. Metodología En primer lugar y antes de comenzar el riego, se medirá la separación entre torres a través de sus huellas en el terreno y la longitud del alero final. De esta forma, se conocerá cual es la longitud del pivote hasta la última torre y la superficie regada. También se comprobará si el alero lleva un cañón final para aumentar la superficie mojada.
Figura 5.5 Ubicación de pluviómetros en campo
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A continuación, se dispondrán los pluviómetros siguiendo la dirección de norte, sur, este y oeste (figura 5.6). Los pluviómetros se dispondrán a tresbolillo (norte, sur, este y oeste )comenzando desde el centro pivote. La separación entre los pluviómetros en cada radio será de 5 metros cuando los emisores sean aspersores y de 3 metros cuando se utilicen difusores.
Figura 5.6 Ubicación de pluviómetros en campo
Los vasos se instalarán sobre el suelo cuando el cultivo no altere la lluvia de los emisores del pivote, y justo sobre el cultivo en caso contrario (figura 5.7). Puede aprovecharse el camino de acceso al centro del pivote para colocarlos.
Figura 5.7 Disposición de pluviómetros
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Se asignará un número de orden a la localización de cada pluviómetro empezando por el centro pivote, numerando también los pluviómetros que se han dejado sin poner (20 % de la longitud del pivote). Los pluviómetros se enterrarán ligeramente para evitar que se vuelquen, en caso de no utilizar estacas para sostener los botes, dejándolos en posición vertical. Los pluviómetros se colocarán lo suficientemente lejos del pivote para que cuando el frente mojado llegue a los pluviómetros el pivote esté funcionando en su régimen normal (figura 5.8). Los pluviómetros deberán quedar lo más distante posible de las huellas de las ruedas, separándolos en caso de ser necesario para que no les afecte el posible goteo continuo que se produce en las torres.
Figura 5.8 Equipo de pivote central en funcionamiento
Una vez iniciado el riego, será necesario medir:
La velocidad media de desplazamiento de la última torre. En el momento de pararse la torre, se medirán 10 m o más, siguiendo la huella de la rueda y se cronometrará el tiempo que tarda en recorrerlos, comenzando en el momento en que se ponga en marcha.
El tiempo de aplicación de agua en un punto del extremo.
La presión en el grupo de bombeo, en el punto pivote si lleva manómetro, en los emisores próximos a la primera y última torre y en una torre intermedia o
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en varias si la longitud del pivote es mayor de 350 m. Las presiones se controlarán varias veces para asegurarse de que no varían durante la evaluación.
El radio efectivo regado, que coincidirá normalmente con la longitud del equipo si no tiene ―pistola o cañón‖ final. Podrá ser difícil conocer exactamente este radio, ya que el viento lo incrementa y lo reduce con facilidad. No obstante, se puede establecer un criterio razonable que podría ser llegar hasta el pluviómetro que recoja un valor próximo a la media cuando no hay viento.
El volumen de agua recogido en los pluviómetros tan pronto como sea posible, comenzando por los situados junto al borde de la parcela que serán por los que primero pasará el equipo.
La distancia entre torres para todos los tramos, que servirá de comprobación para la localización de los pluviómetros y para una posterior identificación y localización de posibles problemas.
La evaporación ocurrida durante la prueba mediante uno de los recipientes utilizados como pluviómetro, donde se agrega un volumen de agua conocida y luego se vuelve a medir al final del ensayo.
Durante todo el tiempo de evaluación, se tendrá un control de las condiciones climáticas, midiendo en tres momentos la velocidad y dirección del viento, al inicio de la prueba, durante y al final. Una prueba dejará de ser válida cuando la velocidad del viento supere los 12 kmh-1. B. Uniformidad del sistema Cuando finalice la evaluación, se dejará de regar y se terminará de medir los volúmenes recogidos en los pluviómetros con ayuda de una probeta graduada. Para cada sector (norte, sur, este y oeste) de pluviómetros se obtendrá un valor de UD. La Uniformidad de Distribución del sistema (UD) será la media aritmética de las uniformidades de cada sector. De esta forma se obtendrá una excelente estimación de la Uniformidad de Distribución del conjunto del sistema, que, en ningún caso, deberá ser inferior al 75%.
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5.4.
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EJEMPLO DE PRUEBA REALIZADA EN EQUIPO DE PIVOTE CENTRAL
5.4.1. Datos generales Propietario/a: UACH Parcela: Montecillos Nombre del cultivo: Alfalfa Fecha: 14 de noviembre de 2009 Superficie: 3.5 ha Textura del suelo: Arcillo arenoso Evaluadores: G. M. H. y M. L. S. S. 5.4.2. Descripción de la instalación Marca y modelo: Valley Longitud: 99.05 m Radio efectivo regado: 105.43 m Longitud del alero final: 5 m Diámetro de la tubería: 6 5/8‖ A. Longitud de cada tramo del pivote. En el cuadro 5.1 se presentan las longitudes de la torres del equipo de pivote central. Cuadro 5.1. Longitud de tramos del pivote central Tramo 0-1 1-2
Longitud (m) 48.46 50.59
Número de torres: 2 Ángulo del sector circular que se riega: 360° B. Diámetros de la tubería de distribución (mm) En el cuadro 5.2 se presentan los diámetros del pivote central medidos a partir de la torres.
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Cuadro 5.2 Diámetros de la tubería de distribución del pivote central Tramos
0-1
Diámetros 6 5/8”
1-2 6 5/8”
C. Datos de funcionamiento Velocidad del equipo en el riego (%): 100 Velocidad de desplazamiento de la última torre (mh -1): 173.88 mh-1=2.898 mmin-1 Tiempo de aplicación de agua en un punto del extremo (min): 3.63 min 5.4.3. Condiciones de viento Las lecturas tomadas en campo en lo que respecta al viento se presentan en el cuadro 5.3 observando que se presentó con una dirección sureste. Cuadro 5.3 Condiciones de viento durante la realización de la evaluación del pivote central Velocidad (kmh-1) Al inicio Durante Al final de la prueba
4.752 4.752 4.752
Dirección del viento respecto al pivote. sureste sureste sureste
5.4.4. Descarga de los aspersores En el cuadro 5.4 se muestran la descarga de los emisores instalados en el equipo de pivote central, los volúmenes se aforaron con un recipiente de 21 litros y se tomó su tiempo de llenado con lo cual se calcula el gasto descargado por cada emisor con respecto a su ubicación a lo largo del equipo.
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Cuadro 5.4 Separación y descarga de emisores del equipo de pivote central SEPARACIÓN ENTRE ASPERSORES Aspersores Separación(m)
# Aspersor
Gasto (ls-1)
Gasto catalogo (ls-1)
PP---1
4.63
1
0.56
0.22
1---2
5.59
2
0.38
0.36
2---3
5.76
3
0.58
0.54
3---4
5.48
4
0.35
0.71
4---5
5.47
5
0.98
0.94
5---6
5.64
6
0.80
0.78
6---7
2.81
7
0.69
0.63
7---8
2.91
8
0.70
0.63
8---9
2.72
9
0.80
0.71
9---10
2.72
10
0.88
0.78
10---11
2.76
11
1.15
0.78
11---12
3.5
12
1.00
0.88
12---13
2.82
13
1.10
0.88
13---14
2.78
14
1.01
0.97
14---15
2.61
15
0.97
0.97
15---16
3
16
1.11
1.05
16---17
2.85
17
1.25
1.05
17---18
2.68
18
1.18
1.14
18---19
2.82
19
1.18
1.14
19---20
2.73
20
0.43
1.24
20---21
2.71
21
1.27
1.24
21---22
2.68
22
1.25
1.33
22---23
2.72
23
1.21
1.33
23---24
2.9
24
0.85
0.76
1.41
24---25
2.82
25
0.93
0.83
1.45
25---26
2.84
26
0.85
0.82
1.53
26---27
2.76
27
0.64
0.86
1.53
27---28
2.72
28
0.76
0.86
1.60
28---29 Distancia Total
3.1
29
0.89
0.87
2.23
97.53
Q total =
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100
30.760
30.0
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5.4.5. Evaluación de la uniformidad 5.4.5.1. Distribución de presiones
Presión en bombeo: 4 kg cm-2 En el punto pivote: 3.87 kg cm-2 En la primera torre: 3.87kg cm-2 5.4.5.2. Volumen recogido en los pluviómetros
Espaciamiento entre vasos pluviométricos: 5 m Diámetro del vaso pluviométrico: 10 cm Distancia al centro del primer pluviómetro: 5 m En el cuadro 5.5 se presentan los volúmenes captados por los pluviómetros colocados en el campo para realizar la evaluación del pivote central en el cual se indica el número de bote su ubicación y su respectivo volumen y lamina captada. Cuadro 5.5 Volúmenes recogidos en los pluviómetros del pivote central # Bote Fila 1 Ubicación 1 5 2 10 3 15 4 20 5 25 6 30 7 35 8 40 9 45 10 50 11 55 12 60 13 65 14 70 15 75 16 80 17 85 18 90 19 95 20 100
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Volumen (ml) Lamina (mm) 82 10.44 95 12.10 83 10.57 97 12.35 100 12.73 66 8.40 55 7.00 64 8.15 64 8.15 62 7.89 93 11.84 80 10.19 74 9.42 66 8.40 66 8.40 77 9.80 79 10.06 80 10.19 78 9.93 30 3.82
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5.5.
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PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN
5.5.1. Descarga de los emisores Se procedió en primer término a medir el gasto que aportaba cada emisor individual instalado en la lateral del pivote, y con la suma de todos los gastos se obtuvo el caudal total del equipo, en el cuadro 5.4 se muestra las descargas para cada emisor. En la figura 5.9 se observa una tendencia lineal del gasto de los emisores incrementándose con la distancia radial en la que se localiza.
Figura 5.9. Gasto medido de los emisores instalados en el pivote central
5.5.2. Evaluación de la uniformidad del riego
Cálculos preliminares
En el cuadro 5.6 se presenta los volúmenes recolectados por los pluviómetros ponderados por el número de posición y ordenados de mayor a menor, así como, el total de volúmenes ponderados y las sumas de las posiciones totales y del cuarto inferior, se descartó el bote 20 por ser un valor muy bajo puesto que se encuentra en el extremo del pivote .
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Cuadro 5.6 Procesamiento de volúmenes obtenidos en los pluviómetros de acuerdo a su número de posición en la evaluación del pivote central VOLUMENES RECOLECTADOS POR LOS PLUVIOMETROS
DATOS ORDENADOS DE MAYOR A MENOR
VOLUMENES PONDERADOS
# Bote
Volumen Volumen (ml) ponderado 100 500
# Bote
Ubicación
Volumen (ml)
1
5
82
82
5
2
10
95
190
4
97
388
3
15
83
249
2
95
190
4
20
97
388
11
93
1023
5
25
100
500
3
83
249
6
30
66
396
1
82
82
7
35
55
385
12
80
960
8
40
64
512
18
80
1440
9
45
64
576
17
79
1343
10
50
62
620
19
78
1482
11
55
93
1023
16
77
1232
12
60
80
960
13
74
962
13
65
74
962
6
66
396
14
70
66
924
14
66
924
15
75
66
990
15**
66
990*
16
80
77
1232
8**
64
512*
17
85
79
1343
9**
64
576*
18
90
80
1440
10**
62
620*
19
95
78
1482
7**
55
385*
Suma del total de volúmenes : Suma del total de volúmenes ponderados : Suma de volúmenes del cuarto inferior ponderados (*) : Suma del total de números de posición: Suma de los numero de posición del cuarto inferior (**):
1461 14254 3083 190 49
En el cuadro 5.7 se presentan los volúmenes ponderados de acuerdo al área como factor de ponderación, en el cual, a partir del radio se calculó el área de cada bote comenzando en el uno y para el dos se calculó el área de acuerdo a su radio descontando el área del primer bote, así sucesivamente hasta el último recipiente, finalmente el área calculada se utilizó para ponderar el volumen multiplicándolo por el área resultante.
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Cuadro 5.7.Volumenes ponderados al emplear el área como factor de ponderación en la evaluación del pivote central No. De posición 1 2 3
Radio (m) 5 10 15
Área (m2) 157.08 314.16 471.24
4
20
5 25 6 30 7 35 8 40 9 45 10 50 11 55 12 60 13 65 14 70 15 75 16 80 17 85 18 90 19 95 Suma de volúmenes Media Área total Área del 1/4 inferior
82 95 83
Volumen ponderado 12880.53 29845.13 39112.83
628.32
97
60946.90
785.40 942.48 1099.56 1256.64 1413.72 1570.80 1727.88 1884.96 2042.04 2199.11 2356.19 2513.27 2670.35 2827.43 2984.51 1461 77 29845.13 7696.90
100 66 55 64 64 62 93 80 74 66 66 77 79 80 78 Suma del 25% inferior (*): Media del cuarto inferior: Media general Suma total
78539.82 62203.53 60475.66* 80424.77* 90477.87* 97389.37* 160692.46 150796.45 151110.61 145141.58 155508.84* 193522.11 210957.95 226194.67 232792.02 484276.51 96855.30 117842.79 2239013.08
Volumen captado (ml)
Tiempo de revolución
La figura 5.10 se muestra la lámina captada por los pluviómetros de acuerdo a su posición, se observa que aproximadamente a los 21 m hay un decremento de la misma, el promedio obtenido es de 9.8 mm.
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Figura 5.10. Lamina de riego aplicada durante la prueba de uniformidad para una velocidad de operación del 100% del pivote central
Coeficiente de uniformidad del cuarto inferior
Para el volumen medio ponderado mínimo, puede ser usado un número desconocido de colectores que representan el cuarto inferior del área irrigada. El cuarto inferior es seleccionado escogiendo progresivamente los volúmenes mínimos (sin ponderar) y permaneciendo un recorrido total de los números asociados hasta que el subtotal se aproxime a ¼ de la suma de la posición de todos los colectores. La media ponderada del ¼ inferior se encuentra dividiendo la suma de los volúmenes ponderados del cuarto inferior entre la suma de los números de posición asociados al cuarto inferior. Los indicadores evaluados corresponde a la uniformidad de distribución ―UD‖ propuesto por Merrian y Keller (1978), y que en este caso para su cálculo se utilizó la expresión que pondera las láminas con la posición que representan: Del Sistema
Del 1
4
inf erior
Suma de todos
los volúmenes captados ponderados 14254 ml 75.02ml Suma de todos los números de posición 190
Suma de todos los volúmenes captados
[
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ponderados del 1 Inferior 3083ml 4 62.92ml Suma de los números de posiciónde l / 4 inf erior 49
105
]
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De acuerdo al cuadro 5.8 el área total es de 29845.13 m2 y la suma total de los volúmenes ponderados es de 2239013.08 por lo que el volumen medio ponderado del sistema es:
[
]
Coeficiente de Uniformidad de Heerman- Hein
Otra representación estadística de la uniformidad de aplicación del agua que se refiere al coeficiente de uniformidad de Heerman y Hein (1968) modificada: Cuadro 5.8 Calculo de la uniformidad de Heerman y Hein (1968) para el equipo de pivote central con una velocidad de avance del 100% # Bote Fila 1 1
Ubicación
Volumen (cm-3)
Ss|Xs- ̅ |
Xs*Ss
5
82
25.53
410
2
10
95
181.05
950
3
15
83
91.58
1245
4
20
97
402.11
1940
5
25
100
577.63
2500
6
30
66
326.84
1980
7
35
55
766.32
1925
8
40
64
515.79
2560
9
45
64
580.26
2880
10
50
62
744.74
3100
11
55
93
885.79
5115
12
60
80
186.32
4800
13
65
74
188.16
4810
14
70
66
762.63
4620
15
75
66
817.11
4950
16
80
77
8.42
6160
17
85
79
178.95
6715
18
90
80
279.47
7200
19
95
78
105
7410
Media :
77
Suma :
7623.68
71270
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5.5.3. Evaluación de la pluviometría máxima en el extremo La altura media de agua recogida en los pluviómetros es por lo tanto:
Teniendo en cuenta que el reparto de agua de un pivote sigue un modelo elíptico, la pluviometría máxima en el extremo (Pmax) podrá determinarse con la relación siguiente:
La pluviometría es un indicador comparable con la velocidad de infiltración del suelo pues ya que si el suelo tiene poca velocidad de infiltración, este presentara encharcamiento y puede disminuirse aumentando la velocidad de avance el equipo. 5.6.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
El equipo de riego de pivote central fue evaluado con los principales indicadores que caracterizan la uniformidad de aplicación, la evaluación fue realizada para la velocidad de operación de 100%. Para esto, se colocaron vasos pluviométricos a una distancia de 5 m distribuidos a lo largo del equipo. La lámina de riego medida en cada punto de muestreo para la velocidad de operación del 100% se presenta en la figura 5.10 donde se observan variaciones significativas principalmente a la mitad del pivote tomando de referencia el centro pivote, estas diferencias pueden ser causadas por el uso y desgaste de las boquillas de los aspersores o por la calidad del agua provocando obstrucciones en los mismos o en dicho caso se tendría que analizar si la boquilla es adecuada para entregar el caudal necesario en la zona. Para el cálculo de la descarga de los emisores, se procedió en primer término a medir el gasto que aportaba cada emisor individual instalado en la lateral del pivote, y con la suma de todos los gastos se obtuvo el caudal total del equipo, el cual se
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muestra en la figura 5.9 se puede observar que con forme se aleja uno del centro pivote los aspersores emiten más gasto. Otro de los indicadores evaluados corresponde a la uniformidad de distribución ―UD‖ propuesto por Merrian y Keller (1978), y que en este caso para su cálculo se utilizó la expresión que pondera las láminas con la superficie que representan y la ponderación por su número de posición. Para la velocidad de operación de 100%, la ―UD‖ fue de 83.87 %, el cual de acuerdo a los mismos autores es aceptable. Finalmente se calculó otra representación estadística de la uniformidad de aplicación del agua que se refiere al coeficiente de uniformidad de Heerman y Hein (1968) modificada ―CUh‖, el cual resultó ser de 89.3%, valor que resulta ser aceptable según los propios Heerman y Hein (1968) por ser superior a 80 %. 5.7.
CONCLUSIONES
A partir de la evaluación del pivote central es posible afirmar que en términos generales la uniformidad de distribución es aceptable. El coeficiente de uniformidad de Heerman-Hein (1968) es aceptable, comparándola con la de Merrian y Keller (1978) se presenta más holgada. La relación entre las láminas precipitadas y la velocidad de infiltración son compatibles en función del tipo de suelo. 5.8.
CUESTIONARIO 1) ¿Cómo influye el gasto de cada uno de los emisores a lo largo de la tubería del pivote en la lámina aplicada al suelo? 2) Justifique analíticamente que los volúmenes ponderados por numero posición proporcionan el mismo valor que una ponderación por área de influencia. 3) En su opinión a qué velocidad recomienda operar el equipo para no producir escurrimiento en función del tipo de textura del suelo. 4) Realizar una corrida de las boquillas necesarias para el equipo evaluado y compararlas con las que se tienen instaladas.
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5.9.
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BIBLIOGRAFÍA.
Ascencio H. R., (2009). Diseño, instalación y evaluación de un laboratorio de riego en el campus montecillo del colegio de postgraduados. Montecillos, Mexico. Foley J. P. y Raine S. R., (2001). ―Centre Pivot and Lateral Move Machine in the Australian cotton industry.‖ National Centre for engineering in agriculture publications. 1000176/1, USQ. Toowoomba. Hermann D. F. y Hein, P. R., (1968). ―Performance Characteristics of self-propelled center pivot sprinkler Irrigation system." Transactions of the ASAE. Jordan R. W., Duke H. R. y Heermann D. F., (1998). ―Spatial variability of water application from center pivot irrigation systems and precipitation.‖ In: Proceedings of the fourth international conference on precision agriculture, St. Paul. MN, USA. Nelson, (2004). ―Water application solutions for Center pivot irrigation.‖ Nelson Irrigation Corporation. USA. Keller J., (1970). ―Diseño de sistemas de riego de pivote central.‖ Venezuela: Centro Interamericano de Desarrollo Integral de Aguas y Tierras. Tarjuelo M. B. J., (1999). El riego por aspersión y su tecnología. Mundi-Prensa. Madrid, España.
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6. 6.1.
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EVALUACIÓN DE SISTEMAS DE RIEGO POR ASPERSIÓN DE AVANCE FRONTAL OBJETIVOS Comprobar el estado de los diferentes componentes de la instalación y si el mantenimiento es adecuado. Determinar la uniformidad de distribución del agua de riego. Detectar los problemas de funcionamiento del equipo y plantear soluciones sencillas y económicas para resolverlos.
6.2.
ASPECTOS TEÓRICOS
6.2.1 Descripción del equipo En 1971, la sociedad Wade Rain diseñó una máquina denominada Square-Matic, derivada de las rampas giratorias (pivote central), que no regaban en círculos sino en zonas rectangulares, pero solo pocos ejemplares se pusieron en venta. Fue hacia 1977, cuando en los Estados
Unidos comenzaron a producirse rampas de
desplazamiento frontal continuo durante el riego, que avanzan siguiendo una dirección perpendicular al tubo sobre el que van montados los aspersores; el alineamiento se consigue con el mismo procedimiento que en las rampas giratorias (Slack , 2004). El lateral de avance frontal puede ser considerado como una adaptación del pivote central en el cual el sistema de riego se mueve linealmente sobre el campo (figura 6.1). La estructura es similar a la del pivote, con la diferencia que la torre de mando se mueve con el resto del equipo. También pueden ser dotados de cañones de riego en los extremos del lateral. La superficie de riego es rectangular e idealmente el recorrido del equipo debe ser dos o tres veces la longitud del lateral, puesto que de ser menores, los costos por unidad de superficie aumentan. Por otra parte, sólo se recomiendan superficies más largas si se usan dos o más cultivos con diferente período crítico de humedad. Estos equipos de riego se abastecen de agua a lo largo de todo su recorrido (Mariscal Z. y Currie, 2005).
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Figura 6.1 Sistema de riego Avance frontal
El sistema de avance frontal es un equipo de aspersión de movimiento, muy semejante al pivote central (Ascencio 2009). Las principales diferencias son que no se mueve en círculos sino que avanza en línea recta y no se ancla en un extremo. En el avance frontal, la tubería regante está conectada a un tractor con motobomba que se desplaza en forma perpendicular a los límites del terreno. Para mantener el movimiento lineal está relacionado con un sistema de guías, los más utilizados son de cuatro tipos: una zanja guía; una serie de postes que son percibidos por los sensores del lateral; un alambre enterrado que emite una señal eléctrica que es interceptada por las antenas del lateral y un cable colocado en ángulo recto con respecto al lateral que va montado en una serie de postes. El abastecimiento de agua se puede hacer de dos maneras: a través de un canal o de un hidrante al que se conecta una tubería flexible que permite al sistema desplazarse cierta distancia. El lateral puede tener una longitud de hasta 800 m y desplazarse 1600 m o más instalándose al final de la tubería en algunos casos un cañón para regar el extremo de la superficie. La tubería está equipada con bastones y una serie de aspersores que rocían el agua en forma de lluvia, el rango de aplicación de agua está determinado por el tamaño de las boquillas, la presión del agua y el espaciamiento entre los aspersores, en cambio la lámina de agua está en función del gasto de entrada y la velocidad de traslado del avance frontal. Las condiciones recomendables para el avance frontal son: cultivos de cobertura total, cuya altura no rebase el cuerpo del equipo; agua con bajo contenido en sales y carbonatos para evitar que se formen costras en las boquillas; suelos de textura Universidad Autónoma Chapingo
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media a ligera, con infiltración básica mayor de tres centímetros por hora, no recomendado para suelos arcillosos; para terrenos lo más planos posibles; climas áridos y semiáridos; para vientos ideales menores a 10 kmh -1 y no mayores a 15 kmh-1. 6.2.2. Uniformidad de distribución de la fila La uniformidad de distribución (UD) se puede definir mediante la expresión: *
+
(5.1)
donde: Vm, media de los volúmenes medidos en cada uno de los vasos, en ml; V25 %, media de los volúmenes medidos en la cuarta parte de los vasos que han recogido menos agua, en ml. Cuadro 6.1. Valor de la uniformidad de distribución
Fuente: Junta Andalucía
6.2.3. Uniformidad de distribución del sistema La Uniformidad de Distribución del sistema (UD) será la media aritmética de los coeficientes de cada repetición. ∑
(5.2)
donde: Para cada fila de pluviómetros se obtendrá un valor UD (fila). 6.2.4. Pluviometría máxima Uno de los factores más críticos en el diseño de un lateral de desplazamiento frontal es la pluviometría máxima (Pmax), valor que nos puede servir para analizar el riesgo de escorrentía. Para calcular el parámetro anterior se calculará como paso previo la pluviometría media (Pm), la cual hace referencia al valor de la intensidad de agua
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media que cae en el suelo cuando se está regando. Se obtendrá a partir de la siguiente fórmula: (5.3) donde: Lp, es la altura media de agua recogida, en mm; V, es la velocidad de avance, en mh-1; ra, es el radio de mojado de los emisores, en m. Teniendo en cuenta que el reparto de agua en un lateral sigue un modelo elíptico, la Pmax del equipo podrá determinarse con la relación: (5.4) La pluviometría máxima puede ser un indicador del riesgo de escorrentía en un determinado suelo, sobre todo cuando ésta es mayor que la infiltración del agua en el suelo y no hay una buena capacidad de almacenamiento superficial del suelo. La comparación entre la Pmax y la capacidad de infiltración del terreno nos permitirá decidir la conveniencia o no de utilizar un lateral. 6.3.
DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y MATERIALES
6.3.2. Material necesario para la evaluación
Anemómetro para determinar las condiciones de viento.
Un cronómetro o reloj con segundero fácilmente visible.
Botes, pueden usarse botes de aceite de un litro, o cartones de plástico.
Una probeta graduada para medir el volumen de agua captada en los botes.
Una cinta para medir la distancia a la que se colocarán los botes; así como para calcular la velocidad de la máquina.
Una pala para emparejar áreas, colocar los botes y revisar los perfiles de suelo, raíz y penetración del agua.
Recipiente de volumen conocido para determinar la descarga.
Especificaciones del catálogo del fabricante: de boquillas, gastos, presión y las instrucciones sobre las velocidades de la máquina.
Los materiales se muestran en la figura 6.2.
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Figura 6.2. Material necesario para la evaluación del pivote central
6.3.3. Evaluación de los componentes de la instalación
Se realizará una inspección de los componentes del sistema, desde tuberías, juntas, elementos de control, piezas especiales, etc.
Comprobar si los emisores son idénticos en marca, y altura.
Si la evaluación de uniformidad no es aceptable habrá que estudiarlos y pensar en alguna modificación.
Se deberá anotar el modelo de los emisores y sus características (nº de boquillas, reguladores de presión, etc), la existencia o no de elementos de medida y control del agua, la cantidad que existe de cada uno, su ubicación y su estado general.
Comprobar visualmente si a lo largo del equipo hay posibles fugas, los posibles emisores que estén obstruidos y cualquier otra anomalía que pueda apreciarse.
Si es por manguera a partir de hidrantes, se vigilarán las gomas periódicamente y durante el funcionamiento de la máquina. Si la alimentación es por canal y con motobomba habrá que llevar a cabo el mantenimiento específico de cada uno de estos componentes.
Se mantendrá en un buen estado de conservación el sistema de alineamiento que utilice la máquina, sobre todo si utiliza el sistema de surco en el suelo. En este caso ha de mantenerse siempre el surco limpio y recto.
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6.3.4. Evaluación de la uniformidad del riego Elegir la zona a evaluar. Ésta deberá ser aquella zona en la que el equipo esté en una posición con el mínimo de diferencias de cota. En parcelas con topografía ondulada, también conviene evaluar el lateral en la zona más desfavorable para el riego, aquella con mayores diferencias de cota. Se medirá la separación entre torres a través de sus huellas en el terreno y la longitud del alero final. También se comprobará si el alero lleva un cañón final, para aumentar la superficie mojada y se determinará la longitud del recorrido a regar y la superficie regada. Se dispondrán los pluviómetros siguiendo dos líneas (filas) paralelas al lateral y con una distancia entre ellas de 50 m (figura 6.3). Los pluviómetros se dispondrán a tresbolillo comenzando desde el punto de alimentación del lateral. La separación entre los pluviómetros en cada fila será de 5 m cuando los emisores sean aspersores y de 3 m cuando se utilicen difusores.
Figura 6.3 Esquema ilustrativo de ubicación de pluviómetros en la zona dominada por el avance frontal
Los vasos se instalarán sobre el suelo cuando el cultivo no altere la lluvia de los emisores del lateral y justo sobre el cultivo en caso contrario. Los pluviómetros se colocarán lo suficientemente lejos del lateral para que cuando el frente mojado llegue a los pluviómetros el equipo esté funcionando en su régimen normal. Los pluviómetros deberán quedar lo más distante posible de las huellas de las ruedas, separándolos en caso de ser necesario para que no les afecte el posible goteo continuo que se produce en las torres. Universidad Autónoma Chapingo
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Una vez iniciado el riego, será necesario medir:
La velocidad media de desplazamiento de una de las torres, se mide la velocidad y se correlaciona con el porcentaje de trabajo, para lo cual,
se
medirán 10 m o más, siguiendo la huella de la rueda y se cronometrará el tiempo que tarda en recorrerlos, comenzando en el momento en que se ponga en marcha.
El tiempo de aplicación de agua en un punto fijo al paso del lateral.
La presión en el grupo de bombeo, en la cabecera del lateral si lleva manómetro, en los emisores próximos a la primera y última torre y en una torre intermedia o en varias si la longitud del lateral es mayor de 350 m. Las presiones se controlarán varias veces para asegurarse de que no varían durante la evaluación.
La longitud efectiva regada, que coincidirá normalmente con la longitud del equipo si no tiene ―pistola o cañón‖ final. Podrá ser difícil conocer exactamente esta longitud, ya que el viento la incrementa y reduce con facilidad. No obstante, se puede establecer un criterio razonable que podría ser llegar hasta el pluviómetro que recoja un valor próximo a la media cuando no hay viento.
El volumen de agua recogido en los pluviómetros tan pronto como sea posible, comenzando por la primera fila de pluviómetros por la que pasará el equipo.
La distancia entre torres para todos los tramos, que servirá de comprobación para la localización de los pluviómetros y para una posterior identificación y localización de posibles problemas.
Durante todo el tiempo de evaluación, se tendrá un control de las condiciones climáticas, midiendo en tres momentos la velocidad y dirección del viento, al inicio de la prueba, durante y al final. Determine la evaporación ocurrida durante la prueba mediante uno de los recipientes utilizados como pluviómetro, donde se agrega un volumen de agua conocida y luego se vuelve a medir al final del ensayo. Una prueba dejará de ser válida cuando la velocidad del viento supere los 12 kmh -1.
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6.3.5. Uniformidad del sistema Cuando finalice la evaluación, se dejará de regar y se medirá el volumen recogido en cada vaso con ayuda de una probeta graduada en unidades de cm3. Con los volúmenes recogidos en cada una de las filas de pluviómetros se calculará la Uniformidad de Distribución de la fila UD (fila). Para cada fila de pluviómetros se obtendrá un valor UD (fila). La Uniformidad de Distribución del sistema (UD) será la media aritmética de los coeficientes de cada fila. De esta forma se obtendrá una excelente estimación de la Uniformidad de Distribución del conjunto del sistema, que, en ningún caso, deberá ser inferior al 75 %. 6.4.
EJEMPLO DE PRUEBA REALIZADA EN EQUIPO DE AVANCE FRONTAL
6.4.2. Datos generales Propietario/a: UACh Parcela: M4 Nombre del cultivo: Alfalfa Fecha: 24 de Noviembre de 2009 Superficie: 05-79-35 Textura del suelo: Franco arcillosa 6.4.3. Descripción de los componentes del lateral Marca y modelo: Valley linear Endfreed 8000 machine summary Longitud del equipo: 193.94 m Longitud de recorrido: 294.32 m Longitud del alero final: 5.52 m Distancia entre emisores: 2.57 m
Longitud de cada tramo del lateral: Número de torres: 4
Características de los emisores: Tipo (aspersor, difusor, difusor rotativo,...): Difusor Marca: Senninger Directional Modelo: Super Spray
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Los emisores instalados en el equipo varían desde el tamaño 15, 15.5, 16, 16.5 y 17, en el cuadro 6.2 se muestra las características del emisor. Cuadro 6.2. Especificaciones técnicas para el emisor Super Spray de Senninger
Datos de funcionamiento Velocidad del equipo en el riego (%): 100 Velocidad de desplazamiento (mh-1): 202.58 (3.37 m/min ) Tiempo de aplicación de agua en un punto (min): 0:02:56
6.4.4. Condiciones de viento Velocidad del viento: 3.6 kmh-1. Evaporación: 1.5 mm 6.4.5. Evaluación de la uniformidad Hora de inicio: 11:38 am Hora de finalización: 12:05 pm A. Distribución de presiones Presión en bombeo: 4.2 kgcm-2 En cabecera: 3.2 kgcm-2 En la primera torre: 3.2 kgcm-2 En torres intermedias: 3.2 kgcm-2 Universidad Autónoma Chapingo
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B. Volumen recogido en los pluviómetros Espaciamiento entre vasos pluviométricos: 5 m Diámetro del vaso pluviométrico: 10 cm Tipo de emisor (aspersor o difusor): Difusor Distancia entre primera torre y primer pluviómetro: 17 m En el cuadro 6.3 se presentan los volúmenes recolectados por los pluviómetros instalados en campo para la fila 1 y 2. Cuadro 6.3 Volúmenes obtenidos mediante los pluviómetros instalados en campo durante la evaluación de avance frontal N° BOTE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34
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Volumen (ml) fila 1 18 22.5 21 22 23 22 22 19 24 22 22 18.6 18 22 20 18 18.3 19 23 22 22 20 21 22.5 22 22.5 22 22 23.5 21 18 21 20 20
119
Volumen (ml) fila 2 18 19.5 21.5 19 19 23 23 20 22 20 20 20 18 23 20 18.5 18.5 17.5 17.5 19 18 18 18.5 18 17.5 18 18 19.5 20 18 18 18 18 18
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C. Volumen descargado por los difusores En el cuadro 6.4 se muestran los valores de caudales aforados en los difusores mediante un recipiente y el tiempo de llenado del mismo, finalmente en la columna 5 se muestra el gasto de catálogo para la presión de la torre, el gasto del equipo aforado fue de 26.037 y el gasto proyectado 30 ls -1. Cuadro 6.4 Descarga de los emisores del equipo de avance frontal Vol. rec. (l)
21.9
21
21.05
21.05
N° de aspersor 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
Tiempo prom. (s) 62 64.90 61.55 62.95 54.75 54.40 52.15 51.10 47.15 50.45 50.75 52.15 54.45 53.25 51.55 50.65 49.91 50.95 45.43 45.77 49.77 49.64 49.70 49.72 53.54 51.84 50.03 49.84 48.51 49.52 52.54 51.47
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Q (ls-1) 0.353 0.337 0.356 0.348 0.400 0.403 0.420 0.429 0.445 0.416 0.414 0.403 0.386 0.394 0.407 0.415 0.422 0.413 0.463 0.460 0.423 0.424 0.423 0.423 0.393 0.406 0.421 0.422 0.434 0.425 0.401 0.409 120
Q cat. (ls-1) 0.47 0.47 0.50 0.47 0.50 0.50 0.53 0.53 0.56 0.56 0.59 0.56 0.56 0.53 0.53 0.53 0.56 0.56 0.56 0.56 0.59 0.59 0.56 0.56 0.56 0.56 0.53 0.53 0.53 0.56 0.59 0.56
Vol. rec. (l)
21.05
20.25
21
21.12
N° de aspersor 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 Total
Tiempo prom. (s) 53.25 53.27 54.43 49.74 50.99 49.70 47.29 45.14 50.07 49.72 51.83 47.20 50.20 51.69 53.05 52.64 48.22 49.35 49.00 51.10 51.80 51.80 52.30 51.60 47.30 47.76 47.25 47.17 49.10 47.51 49.08
Q cat. (ls-1) 0.395 0.56 0.395 0.56 0.387 0.53 0.423 0.53 0.413 0.53 0.424 0.56 0.445 0.56 0.466 0.56 0.404 0.59 0.407 0.59 0.391 0.56 0.429 0.56 0.403 0.56 0.392 0.59 0.382 0.56 0.385 0.53 0.435 0.53 0.426 0.53 0.429 0.56 0.411 0.56 0.405 0.56 0.405 0.56 0.402 0.56 0.407 0.53 0.447 0.53 0.442 0.53 0.447 0.56 0.448 0.56 0.430 0.59 0.445 0.56 0.430 0.56 26.037 30.02 Q (ls-1)
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6.5.
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PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN
6.5.2. Uniformidad de distribución del sistema Con los datos obtenidos en campo durante el desarrollo de la evaluación se procede a obtener la uniformidad del sistema. En el cuadro 6.5 se ordenan los datos de mayor a menor y se procede a calcular los parámetros descriptivos de los datos, la información en forma gráfica de los volúmenes vs distancia del lateral, se lleva a cabo para observar si hay datos con variación considerable que influya en la uniformidad (figuras 6.4 y 6.5). Cuadro 6.5 Valores ordenados y sus respectivos parámetros obtenidos en los pluviómetros instalados durante la evaluación del equipo de avance frontal N° BOTE 9 29 5 19 2 24 26 4 6 7 10 11 14 20 21 25 27 28 3 23 30 32 15 22 33 34 8 18 12 17 1 13
Volumen (ml) fila 1 24 23.5 23 23 22.5 22.5 22.5 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 21 21 21 21 20 20 20 20 19 19 18.6 18.3 18 18
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N° BOTE 6 7 14 9 3 8 10 11 12 15 29 2 28 4 5 20 16 17 23 1 13 21 22 24 26 27 30 31 32 33 34 18
Volumen (ml) fila 2 23 23 23 22 21.5 20 20 20 20 20 20 19.5 19.5 19 19 19 18.5 18.5 18.5 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 17.5
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16 31 SUMA MEDIA MEDIA 25%
18 18 713.9 21.00 18.54
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19 25 SUMA MEDIA MEDIA 25%
17.5 17.5 652.5 19.19 17.83
Con los datos del cuadro 6.5 se estima la uniformidad de la fila 1 aplicando la ecuación 5.1:
Lamina captada [mm]
PRUEBA DE UNIFORMIDAD FILA 1 4.0 3.0 2.0 1.0
0.0 0
50
100
150
200
Distancia al extremo de alimentacion [m]
Figura 6.4. Láminas captadas en la fila 1
Con los datos del cuadro 6.5 se estima la uniformidad de la fila 2, aplicando la ecuación 5.1:
Lamina captada [mm]
PRUEBA DE UNIFORMIDAD FILA 2 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0
50
100
150
200
Distancia al extremo de alimentacion [m]
Figura 6.5. Láminas captadas en la fila 2 Universidad Autónoma Chapingo
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Por lo que la uniformidad de distribución del sistema es:
De acuerdo al cuadro 6.1 tenemos que es una uniformidad excelente. Con respecto a la descarga de cada boquilla tenemos que el gasto del sistema es de 26.037 ls -1 que es la suma de todas las descargas de las boquillas y una media de 0.413 ls-1 como se puede observar en la figura 6.6.
Figura 6.6. Caudales descargados por los emisores
6.5.3. Pluviometría máxima Para la estimación de la pluviometría se parte de la velocidad de avance del equipo, la altura media de agua recogida y el radio de mojado de los emisores. En el cuadro 6.6 y tomando los datos del cuadro 6.3 se procede a calcular la láminas de aguas captadas por los pluviómetros como una relación entre el volumen recolectado por los mismos y el área del pluviómetro en turno, el área del pluviómetro se mide mediante un vernier o una regla.
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Cuadro 6.6. Láminas captadas (mm) en los vasos pluviométricos para las pruebas de uniformidad de aplicación longitudinal en el avance frontal N° BOTE Distancia, en m Lamina fila 1, en mm 1 17 2.3 2 22 2.9 3 27 2.7 4 32 2.8 5 37 2.9 6 42 2.8 7 47 2.8 8 52 2.8 9 57 3.1 10 62 2.8 11 67 2.8 12 72 2.4 13 77 2.3 14 82 2.8 15 87 2.5 16 92 2.3 17 97 2.3 18 102 2.4 19 107 2.9 20 112 2.8 21 117 2.8 22 122 2.5 23 127 2.7 24 132 2.9 25 137 2.8 26 142 2.9 27 147 2.8 28 152 2.8 29 157 3.0 30 162 2.7 31 167 2.3 32 172 2.7 33 177 2.5 34 182 2.5 Lámina media captada por los pluviómetros
Lamina fila 2, en mm 2.3 2.5 2.7 2.4 2.4 2.9 2.9 2.5 2.8 2.5 2.5 2.5 2.3 2.9 2.5 2.4 2.4 2.2 2.2 2.4 2.3 2.3 2.4 2.3 2.2 2.3 2.3 2.5 2.5 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.56
Por lo que para una velocidad de 202.58 mh-1 para una velocidad de avance del 100 %, una altura media de agua recogida de 2.56 mm y un radio de mojado de los emisores de 4.25 m, tenemos una pluviometría media de:
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Teniendo en cuenta que el reparto de agua en el tiempo de un lateral sigue un modelo elíptico, por lo tanto la pluviometría máxima es de:
El valor corresponde a la intensidad de agua media que cae en el suelo cuando se está regando. 6.6.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
La uniformidad de distribución fue evaluada para el avance frontal a 100% de velocidad de operación del equipo. Para esto se colocaron vasos pluviométricos a una distancia de 5 m distribuidos en dos líneas separadas a 50 m entre sí, a lo largo del equipo. En las figuras 6.4 y 6.5, se muestran de manera gráfica las láminas de agua colectadas en cada uno de los vasos pluviométricos colocados para una velocidad de avance del 100 %, se observa una buena distribución en las mismas. Otro de los indicadores evaluados corresponde a la uniformidad de distribución ―UD‖ , que en este caso fue de 88.32 % para la fila 1 y 92.92 % para la fila 2 resultando una UD del sistema de 90.62 %, el cual de acuerdo a los mismos autores es aceptable. La pluviometría máxima es un indicador del riesgo de escorrentía en el suelo cuando esta es mayor que la infiltración del suelo y no hay buena capacidad de almacenamiento superficial del suelo. La pluviometría máxima obtenida es de 77.68 mmh-1 y tenemos que para un suelo franco-arcilloso la infiltración es de 11 mmh-1 por lo que el escurrimiento dependerá de la capacidad de almacenamiento del suelo. El gasto de la evaluación resulto ser diferente al proyectado debido a que el equipo originalmente consta de 73 emisores e instalados actualmente son 63. En el cuadro 6.3 se comparan los gastos descargados y los de catálogo se observa una variación pudiendo ser debido a la presión en la línea de distribución del equipo.
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6.7.
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CONCLUSIONES
La uniformidad de distribución del equipo resulto ser excelente pues ya que fue alta. El equipo no presenta encharcamiento de acuerdo a la lámina distribuida por el mismo. El juego de emisores con los que se cuenta son adecuados y no se presentaron
fugas y las presiones de funcionamiento fueron adecuadas a las
proyectadas. La velocidad del viento presentada fue muy baja por lo que la evaporación registrada fue mínima lo que contribuyó a una buena uniformidad. 6.8.
CUESTIONARIO 1) ¿Cuáles son las condiciones que favorecen la instalación de un equipo por aspersión avance frontal? 2) ¿De qué depende la lámina de aplicación en equipo de avance frontal? 3) Son aceptables los coeficientes de uniformidad encontrados en la prueba: si o no y por qué. 4) A que velocidad de avance recomienda operar el equipo para la textura del suelo del predio en donde se localiza el equipo. 6.9.
BIBLIOGRAFÍA
Ascencio H. R., (2009). Diseño, instalación y evaluación de un laboratorio de riego en el campus montecillo del colegio de postgraduados. Montecillos, Mexico. Mariscal F. J., Zunino E. F. y Currie H. M., (2005). ―Determinación de la eficiencia de aplicación en equipos de riego mecanizado en el área de influencia de finca Tolloche, Salta.‖ Universidad Nacional del Nordeste. Argentina. Slack D., (2004). X Curso internacional de sistemas de riego. Volumen II. Departamento de Irrigación, Universidad Autónoma Chapingo, Chapingo, México. Tarjuelo M. B. J., (1999). El riego por aspersión y su tecnología. Mundi-Prensa. Madrid, España.
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7. 7.1.
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CURVA CARGA-GASTO DE UN EMISOR DE RIEGO LOCALIZADO OBJETIVOS Obtener la curva de funcionamiento y el modelo caudal-carga de presión de diferentes tipos de emisores.
Comparar las curvas y modelos obtenidos en campo o laboratorio con los catálogos del fabricante.
7.2.
ASPECTOS TEÓRICOS
7.2.1. Emisores Son los dispositivos que controlan la salida del agua, desde las tuberías laterales, en puntos discretos o continuos. Los emisores, son uno de los elementos fundamentales de las instalaciones de riego localizado, y controlan la salida de agua, desde las tuberías laterales, con caudales inferiores a 16 lh-1 para goteros y de 16 a 200 lh -1 para microaspersores. López (1997) menciona que en el riego localizado las características fundamentales que se deben tener presentes al seleccionar un emisor son:
Caudal uniforme y constante, poco sensible a las variaciones de presión.
Poca sensibilidad a las obturaciones.
Elevada uniformidad de fabricación.
Resistencia a la agresividad química y ambiental, así como a las operaciones agrícolas.
Bajo costo.
Estabilidad de la relación caudal-presión a lo largo del tiempo.
Poca sensibilidad a los cambios de temperatura.
Reducida pérdida de carga en los sistemas de conexión.
Resistencia al ataque de insectos y/o roedores.
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A. Clasificación de emisores Los emisores utilizados en el riego localizado pueden ser los siguientes: a) Microaspersores y/o difusores b) Cintas o tuberías perforadas c) Goteros B. Características y clasificación de goteros Los goteros, son dispositivos diseñados para distribuir el agua sobre el suelo descargándola, gota a gota o con flujo continuo, en la proximidad de la zona radicular del cultivo. Son emisores con caudales inferiores a 16 lh-1. Ellos producen una disipación de energía por lo que el agua sale gota a gota. Según Martínez, (1991) se pueden agrupar en apartados de acuerdo a diferentes criterios: Según el coeficiente de variación de fabricación (CV) de los goteros CV <= 0.05 0.05 < CV <= 0.10 0.10 < CV <= 0.5 CV > 0.5
Bueno Medios Deficientes Inaceptables
Por su construcción
Sellados. Cuando dos o más piezas acopladas en fabrica no pueden separarse a menos que se provoque su rotura.
Desmontables. Cuando dos o más piezas del mismo pueden separarse para proceder a su limpieza manual.
Por su colocación en la tubería
En línea. Cuando se corta la tubería y se une a través del gotero
Sobre la línea. Cuando el gotero va insertado en la tubería.
Sobre la línea y con elevador. La manguera va enterrada y se inserta un elevador hasta la superficie del suelo donde se coloca el emisor.
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Por la forma de regular la presión
De largo conducto. En ellos la perdida de carga tiene lugar en un largo tramo del conducto de hasta 2m de longitud y pequeño diámetro (0.5 a 2 mm). El flujo es laminar dentro.
De laberinto. Tiene largos conductos tortuosos, lo cual le produce flujo y menos sensibilidad a las obturaciones y cambios de temperatura
De orificio. En ellos el agua sale al exterior a través de uno o varios orificios de pequeño diámetro, en donde tiene lugar la mayor pérdida de carga. El régimen es turbulento
De tipo vortex. Estos goteros tienen una cámara circular en donde se produce un flujo vertical. Este movimiento se consigue al entrar el agua tangencialmente a la pared circular de la cámara produciendo flujo turbulento
Autocompensantes.
Se trata de goteros con flujo turbulento o
transitorio en los que se intenta obtener un caudal constante independientemente de la presión. La auto-regulación se consigue normalmente mediante una pieza móvil y flexible de caucho que se deforma bajo el efecto de la presión, disminuyendo la sección de paso de agua y limitando así el caudal. Por el régimen hidráulico de funcionamiento
De régimen laminar. Largo recorrido y pequeño caudal.
De
régimen
parcialmente
turbulento.
Goteros
de
laberinto,
múltiples, etc. Por su manera de distribuir el agua:
Salida simple
Salida múltiple
Según la configuración de los conductos de paso de agua, puede encontrarse:
Microtubos, Tubo de PE de diámetro entre 0.6-2 mm y de longitud variable (figura 7.1). Emisores de régimen laminar con alta sensibilidad a temperatura y
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presión y mayor riesgo a las obturaciones. Su costo es menor y se pueden uniformizar los caudales cortando los microtubos a la longitud que la práctica demuestre como adecuada.
Figura 7.1. Gotero microtubo
Goteros helicoidales: Modificaciones de los microtubos, enrollados alrededor de un cilindro y haciendo que la trayectoria del agua sea helicoidal y el régimen hidráulico se aleja de la condición laminar (figura 7.2).
Figura 7.2. Gotero helicoidal
Goteros de laberinto: El agua circula de forma más tortuosa, en régimen turbulento, menos sensibles a temperatura, presión y obturaciones. Pueden ser interlínea y sobre línea (figura 7.3).
Figura 7.3 Gotero tipo laberinto
Goteros de orificio: Goteros sobrelínea en los que el agua sale al exterior a través de un orificio de pequeño diámetro donde se disipa la presión
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disponible (figura 7.4). El principal problema son las obturaciones, pues el orificio de salida es muy pequeño.
Figura 7.4. Gotero sobrelinea pinchado
Gotero tipo vortex: estos goteros tienen una cámara circular en donde se produce un flujo vorticial (figura 7.5). Este movimiento se consigue al entrar el agua tangencialmente a la pared circular de la cámara, produciéndose una importante pérdida de carga.
Figura 7.5 Gotero tipo vortex
Gotero autocompensante: son de flujos turbulento o transitorio en los que se intenta obtener un caudal constante independiente de la presión. La autorregulación se consigue normalmente mediante una pieza móvil y flexible de caucho que se deforma bajo el efecto de la presión, disminuyendo la sección de paso del agua y limitando así el caudal (figura 7.6). La autocompensación sólo se da entre un rango de presiones que es necesario conocer.
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Figura 7.6 Gotero autocompensante
Autolimpiantes (figura 7.7). Existen fundamentalmente dos tipos de goteros autolimpiantes: los que pueden estar o no en posición limpiante y los que continuamente lo están. Los primeros sólo se limpian durante el corto tiempo que tarda el sistema en ponerse en funcionamiento y alcanzar la presión de régimen, o en pararse y pasar de esta a la presión atmosférica. Los segundos, de limpieza continua, están fabricados para que partículas relativamente grandes sean expulsadas durante su funcionamiento.
Figura 7.7. Gotero autocompensante - autolimpiante
C. Características y clasificación de cintas de riego. Las cintas, son tuberías flexibles capaces de tomar una forma plana, provistas de puntos de emisión espaciados a distancias variables, y que consisten en dos conductos paralelos, uno principal del cual el agua pasa al secundario a través de un orificio que provoca una primera pérdida de carga, y uno secundario del cual el agua sale al exterior. López, (1997), plantea que las cintas emisoras están, frecuentemente, fabricadas a base de PE, de espesor variable, el espesor está relacionado con su vida útil. Además, existen los siguientes tipos:
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-
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Mangueras porosas o de rezume. En ellas el agua sale al exterior a través de material poroso (figura 7.8). Su vida útil es corta y muy sensible a obturaciones.
Figura 7.8. Cinta de exudación
-
Mangueras tipo ―Bi – wall‖. Constan de dos tubos excéntricos o adyacentes. El agua circula por uno de ellos y pasa a través de unos pequeños orificios al segundo tubo, desde donde sale al exterior por otras perforaciones (figura 7.9). Suelen ser de polietileno de distinto espesor, lo que influye en su vida útil. Estas cintas presentan el grosor de sus paredes en unidades llamada ―mil‖ (1 mil = 0,001 pulgada = 0.0254 mm).
Figura 7.9. Manguera de doble pared. Bi-Wall
-
Mangueras perforadas. Son tuberías de PE, generalmente de poco espesor, con perforaciones esparcidas uniformemente, de forma lineal en sentido axial o circulares (figura 7.10).
Figura 7.10. Manguera perforada. T-Tape
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Otros tipos. Otros tipos de mangueras llevan una solapa en toda su longitud, con unos circuitos, generalmente impresos, tipo laberinto, que a intervalos regulares se comunican con la cámara interior que actúa como tubo para la conducción de agua, y ésta, tras circular por los conductos, sale al exterior. D. Características y clasificación de microaspersores
Son aspersores de baja presión y caudal. El alcance es pequeño, normalmente entre a 1- 10 m. Tanto los difusores como los microaspersores tienen caudal inferior a los 200 lh-1, en este caso el aire es el principal medio de propagación del agua (figura 7.11). En el caso particular de los microaspersores el caudal que sale a través de las boquillas se define por colores, tal como se puede ver en el cuadro 7.1.
Figura 7.11. a) Microaspersor b) Difusor Cuadro 7.1 Características de microaspersores en función de tamaño de boquilla y caudal, Rain Bird. Color de Tamaño la boquilla boquilla (mm) 0,8 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,7 1,8 2,0 2,2
lh-1
gh-1
35 50 60 70 90 105 120 140 160 200 240
9 13 15 18 24 27 32 36 42 52 63
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Máximo Diámetro de alcance a 2 atm.
134
800
801
803
806
807
809
5,0 6,0 6,5 7,0 7,5 7,7 8,0 9,0 9,5 10,0 10,0
5,5 6,5 6,7 7,1 7,5 8,0 8,2 9,0 9,2 10,0 10,2
6,9 7,2 7,7 8,1 8,4 8,7 9,0 9,5 9,6 9,8 10,0
2,8 2,9 3,3 3,3 3,7 4,1 4,3 4,6 4,8 5,3 5,4
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1,0 1,1 1,2 1,3
2,6 2,8 3,0 3,1 3,2 3,4 3,6 3,7 -
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7.2.2. Aspectos hidráulicos de goteros, microaspersores y cintas de riego A. Relación caudal – presión. El caudal que descarga un emisor está relacionado con la presión hidráulica existente a su entrada mediante la ecuación 7.1: (7.1) donde: q, caudal de emisor, en lh-1; k, es la constante o coeficiente de descarga característico del emisor y equivale al caudal que proporciona a una presión de 1 m.c.a.; h, es la presión hidráulica a la entrada del agua en el emisor, en m.c.a.; x, es el exponente de descarga y está caracterizado por el régimen de flujo dentro del emisor y de sus dispositivos de autocompensación. La ecuación 7.1 puede representarse tomando en ordenadas caudales y en abscisas presiones como se muestra en la figura 7.12. Cuanto menor sea el valor de x, la curva que representa tenderá hacia la horizontal, un emisor que tuviera una x = 0 tendría como curva, una recta horizontal paralela al eje de las abscisas desde una determinada presión, su caudal seria constante e independiente de la presión. Por lo contrario, otro emisor con una x = 1, su curva también sería una línea recta a 45º que pasaría por el origen. Su caudal variaría en la misma proporción que la presión.
Figura 7.12. Variación de caudal en función de la presión
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Si la curva definida por la ecuación 7.1 se representa en un papel logarítmico, se transforma en una recta cuya pendiente es precisamente x y su ordenada en el origen es k, ya que al aplicar logaritmo a la ecuación 7.1 se obtiene:
Figura 7.13. Escala logarítmica en función de la carga y caudal
Log. q = x log h + log k
(7.2)
Por tanto, x se podrá obtener gráficamente midiendo con una escala los segmentos BC y AB y dividiéndolos. X = BC/AB
(7.3)
k se determinará leyendo en la escala logarítmica la ordenada en el origen de la recta. De esta forma, la curva de caudal vs presión facilitada por el fabricante, permite obtener los valores k y del exponente ―x‖, para utilizarlos en los cálculos para el diseño del sistema de riego. Los valores de k y x son característicos de cada tipo de emisor. Según López, (1997), para deducirlos, se aplican las siguientes fórmulas a los datos o pares de valores caudal-presión. Obteniendo del grafico los valores h1 – q1, h2 – q2, ……, hn – qn también se pueden calcular los valores de x , k mediante: ∑
∑ ∑
∑
(7.4)
∑
∑
∑
(7.5)
donde: i, = es 1, 2, 3, . . .n; n, número de presiones evaluadas; qi, caudal de un emisor a la presión hi, lh-1; h, presión de trabajo, en m.c.a.
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Para comprobar la bondad del ajuste se puede obtener, el coeficiente de determinación mediante la expresión: –
(7.6)
–
Cuanto más se aproxime el valor de r2 a la unidad mejor será el ajuste obtenido. El exponente de descarga x es una medida de la sensibilidad de los emisores a la variación de presión (Pizarro, 1990). Algunos valores de x se muestran en los cuadros 7.2 y 7.3. Cuadro 7.2 Exponentes de descarga de diferentes emisores de acuerdo
Fuente: Riego Localizado de Alta Frecuencia, Pizarro, 1990. Cuadro 7.3 Valores comunes del exponente de descarga (x) para diferentes emisores
Fuente: Holzapfel H E.
En el caso de emisores autocompensante, el ajuste mediante una función potencial es bastante deficiente resultando valores muy bajos de r2. En muchos casos se realizará un mejor ajuste mediante una línea recta que puede llegar a tener pendiente negativa, de tal forma que: (7.7) en donde: –
(7.8)
–
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–
(7.9)
y –
(7.10)
–
La relación caudal - presión se puede representar gráficamente con el caudal en ordenadas y la presión en abscisas, como lo muestra la siguiente figura 7.14.
Figura 7.14. Relación caudal presión de emisores según régimen
Fuente: Riego localizado de Alta Frecuencia, Pizarro, 1990 Aunque en un principio bastarían dos puntos para definir la curva es evidente que cuantos más se tomen mejor será el ajuste. Un número mínimo de 5 puntos por elemento, tomando más en el caso de emisores autocompensantes por su peculiar comportamiento, parece necesario. B. Relación caudal – temperatura. Comúnmente, en los sistemas de riego localizado, los laterales se sitúan sobre el terreno y quedan expuestos a la radiación solar. Esto provoca que el agua que circula por su interior, se caliente y provoque diferencias en la descarga de los goteros, sobre todo en los últimos tramos. Medina (1981), explica la variación de descarga en goteros a causa de la temperatura por el efecto de ésta sobre dos parámetros: 1. Diseño del emisor: El diseño del emisor puede ser tal que trabaje en régimen laminar y que, por tanto, dependa de la viscosidad del líquido. Como este también varía con la temperatura, entonces el caudal también se ve afectado.
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Esto se explica, a continuación, mediante la relación que existe entre la temperatura, viscosidad cinemática y el número de Reynolds (Re). Re, es un número adimensional dado por una relación entre las fuerzas de inercia de la circulación de un fluido y las fuerzas de rozamiento interno de las partículas del fluido (Pizarro, 1990). El número de Reynolds se expresa por: (7.11) donde: Re, número de Reynolds, adim.; D, diámetro, en m; v, velocidad del agua, en ms-1; , viscosidad cinemática del agua, en m2s-1. Uno de los componentes de esta fórmula, la viscosidad cinemática, se define como: (7.12) donde: µ, viscosidad dinámica del agua, en kgm-1s-1; ρ, densidad del agua, en kgm-3. Los valores de µ y ρ en función de la temperatura se presentan en el cuadro 7.4. Cuadro 7.4 Variaciones de µ y ρ con respecto a la temperatura
Fuente: Riego Localizado de Alta Frecuencia, Pizarro, 1990.
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En el cuadro 7.5 se presentan los regímenes posibles de presentarse en los emisores, según el Re. Cuadro 7.5 Clasificación de regímenes hidráulicos
Fuente: Riego Localizado de Alta Frecuencia, Pizarro 1990. Como se observa en el cuadro 7.4, la viscosidad dinámica varía considerablemente con la temperatura. Si bien la densidad del agua, también presenta variaciones, no lo hace con la proporción de la primera. En vista de esto, se puede deducir que: al aumentar la temperatura, va a haber una disminución de la viscosidad dinámica, esto hace disminuir la viscosidad cinemática del agua y por lo tanto se produce un aumento del número de Reynolds. En la fórmula de Darcy – Weisbach, para calcular perdida de carga por fricción, se tiene: (7.13) donde: hf, pérdida de carga en la tubería, en m; L, largo de la tubería, en m; q, caudal, en m3s-1; g, aceleración de gravedad, en ms-2; D, diámetro de la tubería, en m; f, coeficiente o factor de fricción. Este factor de fricción en un tipo de flujo laminar, está determinado por el número de Reynolds de la siguiente manera: (7.14)
En definitiva, basándose en todo lo anterior deducimos que: al aumentar el Re, disminuye el coeficiente de fricción, por lo tanto, las pérdidas de carga son menores y el caudal aumenta. Zur B. y Tal S., (1981), han estudiado profundamente este tema y han encontrado una relación lineal entre el caudal de un emisor y la temperatura, mediante: (7.15) donde: q, caudal del emisor, en m3s-1; m y n, constantes de cada emisor
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2. Material de fabricación: La temperatura afecta al material de que está fabricado el emisor, produciendo variaciones en el tamaño de la salida y, por tanto, en el caudal. La sensibilidad del emisor a los cambios de temperatura se mide por medio del índice de descarga ―d‖. Se considera un valor de 100 ―normal‖ a la descarga producida a una temperatura de 20º. Índices mayores de 100 indican aumento de caudal y menores de 100 disminuciones de descarga. En el cuadro 7.6, presenta los factores de corrección función de la temperatura y régimen hidráulico de funcionamiento. Cuadro 7.6 Factor de corrección de la descarga en función de la temperatura Factor de corrección Temperatura X=0.6 X=0.8 X=1.0 5 0.94 0.87 0.63 10 0.95 0.92 0.75 15 0.98 0.95 0.87 20 1 1 1 25 1.02 1.05 1.13 30 1.04 1.1 1.28 35 1.06 1.14 1.43 40 1.08 1.19 1.56 45 1.1 1.24 1.7 50 1.12 1.29 1.85
Fuente: Riego Localizado de Alta Frecuencia, Pizarro, 1990 Coeficiente de variación de fabricación Todo proceso industrial es imperfecto; por tanto, el producto elaborado experimenta variaciones, aunque siempre comprendida entre márgenes que se consideren tolerables (Medina, 1981). Según Pizarro (1990), los distintos emisores de una misma marca y modelo no son exactamente iguales entre sí, debido a los sistemas de fabricación en serie y a los materiales empleados. En consecuencia, incluso para una misma presión dan caudales diferentes, lo cual afecta a la uniformidad de riego.
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La
medición
de
este
coeficiente
de
variación
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de
fabricación,
se
basa
fundamentalmente en la diferencia de caudales entregados por emisores, de una misma marca y modelo, a una misma presión de trabajo. En el caso de los emisores, la variación de descarga viene definido por el coeficiente de variación CV. En una serie de goteros, los caudales de descarga medidos a igual presión se distribuyen de forma aproximada, normalmente respecto al caudal medio. Las distribuciones normales, se definen por su media y desviación típica de lo que se deduce que el coeficiente de variación CV sea definido como: (7.16) Desviación típica.
√
∑
(7.17)
donde: qm, media de caudales de la muestra a presión de trabajo, en ls-1; qi, cada uno de los caudales medidos, en ls-1; n, total de emisores evaluados. La norma UNE 68075, especifica el método de cálculo de CV, clasificando los emisores. CV < 0,05 — Categoría A — alta uniformidad. 0,5 < CV 1 — Categoría B — baja uniformidad
Figura 7.15 Distribución normal del caudal del emisor
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El significado estadístico del coeficiente de variación será:
Prácticamente
todos los
caudales observados
en
el
ensayo
están
comprendidos en el entorno (13CV) q .
Aproximadamente el 95% de las observaciones se encuentran comprendidas en el entorno (12CV) q .
Si se toman el 25% de las observaciones de valor más bajo, su media será aproximadamente igual a (1-1.27CV) q .
El 68% de las observaciones realizadas estarán en el intervalo (1CV) q .
En los cuadros 7.7 a 7.9 se clasifican la calidad de los emisores según el CV. Cuadro 7.7 Clasificación de emisores según normas ISO para CV CV Categoría de Desviación del uniformidad caudal con Respecto al qnom ≤5% ≤ 5% A B ≤ 10 % ≤ 10%
Fuente: Riego Localizado, López, 1997 Cuadro 7.8 Clasificación de emisores según norma ASAE EP405.1 para goteros, microaspersores y difusores
Fuente: Riego Localizado, 1997 Cuadro 7.9 Clasificación de emisores según Norma ASAE EP405.1 para tuberías emisoras
Fuente: Riego Localizado, López, 1997
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7.3.
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DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y MATERIALES
7.3.1. Equipo necesario Para obtener la información requerida se utiliza el siguiente equipo:
Medidor de presión (rango de 0-4 kgcm-2), con un adaptador en forma de ―T‖ que se introduce entre la manguera y el emisor temporalmente para medir la presión instantánea
Cronómetro con medidor de segundos, visible
Probetas graduadas
Cinta métrica
Catálogo proporcionado por el fabricante, que tenga la relación caudal carga del emisor, la presión de operación recomendable y el filtro requerido
Equipo de presión hidrostática capaz de estabilizar progresivamente y sin golpes hidráulicos, la presión y gasto necesarios en un intervalo de 10 s a 30 s y sostenerla dentro de 2 % de variación y con indicadores de presión con una lectura mínima de escala de 10 kPa (0,1 kgcm-2).
7.3.2. Metodología para evaluación de goteros Para el desarrollo de esta metodología, se siguieron las recomendaciones especificadas en la norma Mexicana NMX-O-082-SCFI-2001. Para propósitos de las pruebas, los goteros deben ser instalados en una tubería siguiendo las recomendaciones y utilizando las herramientas indicadas por el fabricante. A. Determinación del coeficiente de variación de fabricación Para esta prueba se utilizan como mínimo cinco goteros o el 100 % de la muestra en el caso de goteros de salida simple, y para goteros con salidas múltiples se utilizan como mínimo 25 salidas y no menos de 10 goteros o el 40 % de la muestra; todas las salidas de los goteros deben estar abiertas y ser incluidas en la prueba.
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Entendiéndose como muestra a un subconjunto de casos o individuos de una población estadística. Enseguida, se les somete a una presión interna igual a la presión nominal del gotero, realizando tres repeticiones. Las lecturas de las descargas se toman, como mínimo, tres minutos después de haber fijado la presión nominal de prueba y se registran separadamente los promedios de cada uno de los emisores. Los goteros con partes desarmables para su limpieza o reemplazo, se desarman y arman tres veces sucesivas cada uno, antes de dar paso a las pruebas. Con los goteros autocompensantes, se procede de la siguiente manera: a) Se les hace trabajar a una presión de la mitad del intervalo de presiones de trabajo, durante una hora. b) Después se opera tres veces a la presión máxima de trabajo y tres veces a la presión mínima de trabajo; cada presión mantenerla durante tres minutos. c) Durante los diez últimos minutos, se trabaja a una presión en el punto medio del intervalo de regulación. d) Inmediatamente después se mide el gasto en el punto medio del intervalo de regulación y se registran por separado los gastos medidos en cada salida. B. Determinación de la curva caudal – presión Para esta prueba se utilizan al menos cuatro goteros. Se toma un tramo de una línea lateral y se instalan siguiendo las recomendaciones del fabricante; la línea lateral en la que éstos estén instalados debe estar conectada a la fuente de suministro de agua y presión. Los goteros se someten a una presión interna, y a partir de 0,3 la presión nominal hasta 1,5 la presión máxima de trabajo, se toman lecturas del gasto al menos cuatro valores de presión de incrementos similares, de tal manera que al menos se puedan obtener valores diferentes de gasto de cada una de las diferentes presiones. Las lecturas de las descargas de los goteros deben ser tomadas como mínimo tres minutos después de haber leído la presión de la prueba.
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Durante la prueba, la presión interna de trabajo no debe variar en ± 1 % de la presión establecida para la prueba; si la presión excede por más de 10 kPa (0,1 kgcm-2) durante su aumento o disminución, entonces se debe repetir la prueba desde el inicio. La evaluación que se realiza para determinar el caudal de emisión en función de la presión. Una vez concluida la prueba se obtiene la gráfica de la curva de gastos- presiones. Para emisores no autocompensados, la curva caudal-presión, se calcula basándose en los caudales promedios de los cuatro emisores sometidos a una determinada presión. En cuanto a los emisores autocompensados, además de tomar los caudales correspondientes a puntos ascendentes de presiones, una vez que alcanzó la presión máxima dentro de su intervalo de trabajo, se efectúa el ensayo en sentido descendente de presiones. 7.3.3. Metodología para evaluación de cintas de riego Para el desarrollo de esta metodología, se siguieron las recomendaciones especificadas en la norma Mexicana NMX-E-225-1998-SCFI. Para la medición de la uniformidad del gasto de emisión, se seleccionó un tramo de cinta, al que técnicamente se le denomina probeta. La probeta debe ser un tramo de una cinta de goteo con 5 puntos de emisión como mínimo. Ensamblar la probeta con la fuente de suministro tal que permita tener un orden ascendente de acuerdo con la medición del gasto de emisión. Asignar el punto de emisión número 1 al punto de emisión más alejado del ensamble hasta llegar al último que debe ser el más cercano. Tomar el 25 % de los puntos de emisión de la muestra obtenida o un mínimo de 5; la muestra debe tomarse al azar e identificar los números de orden ascendente de cada punto y medir su cambio del gasto de emisión como una función de la presión interna. Probar por etapas cada punto de emisión a intervalos no mayores de 50 kPa (0,5 kgcm-2) hasta 1,2 veces la Pmáx. Los puntos de emisión autorregulados deben ser probados en diferentes presiones, tres o más dentro de la amplitud de regulación, ya sea aumentando o disminuyendo la presión de entrada.
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Para registrar los datos de prueba, dejar transcurrir un tiempo de al menos 3 min después de alcanzar la presión de prueba. Si la presión de entrada excede la presión deseada por más de 10 kPa (0,1 kgcm -2) durante el aumento o disminución de la presión, repetir la prueba. A. Determinación del coeficiente de variación de fabricación Para el caso de la cinta autorregulada se procede de la siguiente forma:
Se somete la línea de prueba 3 veces a una presión cercana a la presión máxima de operación durante 3 min.
Luego, se somete 3 veces a una presión cercana a la presión mínima de operación durante 3 min.
Inmediatamente después, los puntos de emisión se aforan a una presión igual al punto medio del intervalo de regulación.
Luego, al estabilizarse la presión de prueba (después de 3 min), se lleva a cabo la medición de los gastos de emisión de la cinta de goteo, registrándose cada punto por separado.
Para el caso de la cinta de riego sin autorregulación:
Como esta no requiere de un acondicionamiento previo, sólo se le lleva a la presión nominal especificada por el fabricante.
Luego se miden los gastos de emisión y se registró cada punto por separado.
Para ambos tipos de cinta, las evaluaciones se hacen con una temperatura del agua igual a 23 ºC 1 ºC. B. Determinación de la curva caudal – presión Cintas de goteo sin autorregulación:
Calcular, para cada nivel de presión, el gasto de emisión promedio, q, obtenido al medir los gastos de emisión de los puntos de emisión al aumentar ésta.
Graficar la curva q como una función de la presión de entrada.
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La curva q debe estar conforme con la curva presentada por la información del fabricante con una desviación permisible no mayor de 7 %.
Una vez obtenidas las mediciones se determina el exponente del punto de emisión.
El exponente del punto de emisión es la relación entre el gasto de emisión q, en lh-1, y la presión de entrada en el punto de emisión p en kPa.
Cintas de goteo autorreguladas
Calcular, para cada nivel de presión, el gasto de emisión promedio, q, obtenido al medir los gastos de emisión de los puntos de emisión al aumentar y disminuir la presión.
El valor de la curva q no debe variar del valor del gasto de emisión nominal por más del 7 %.
Una vez obtenidas las mediciones, determinar el exponente del punto de emisión.
El exponente del punto de emisión es la relación entre el gasto de emisión q, en lh-1, y la presión de entrada en el punto de emisión p, en kPa.
Se toma al azar el 25 % de los emisores de la muestra obtenida identificándose cada uno de ellos claramente. Al igual que en la evaluación de los goteros, los puntos seleccionados se prueban a diferentes presiones hasta 1,2 veces la Pmáx., los puntos de emisión autorregulados se operaron dentro de la amplitud de regulación, aumentando y disminuyendo la presión de entrada. 7.3.4. Metodología para evaluación de microaspersores Para el desarrollo de esta metodología, se siguieron las recomendaciones especificadas en la norma Mexicana NMX-E-225-1998-SCFI.Las pruebas deben realizarse con agua a la temperatura ambiente. Los instrumentos utilizados para las mediciones del gasto y la presión deben tener una precisión de 5 %. La tolerancia permitida en la precisión de la medición de la presión debe ser de ± 2 %, y ésta no debe variar más del 5 % durante la ejecución de la prueba. Antes de realizar las pruebas de funcionamiento, los rociadores de la muestra deben operarse durante 1 h a la presión de trabajo nominal.
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A. Determinación del coeficiente de variación de fabricación Se les somete a una presión interna igual a la presión nominal del rociador, realizando tres repeticiones. Las lecturas de las descargas se toman, como mínimo, tres minutos después de haber fijado la presión nominal de prueba y se registran separadamente los promedios de cada uno de los emisores. B. Determinación de la curva caudal – presión Medir el gasto dentro del intervalo de presión de trabajo del rociador, extendiéndose un 20 % en ambos lados del intervalo (de 0,8 Pmín a 1,2 Pmáx) a presiones diferenciales de 50 kPa máximo (figura 7.16).
Figura 7.16 Intervalo de presión de trabajo
Para rociadores no regulados, calcule la media del gasto y grafique los valores como una función de la presión. Para rociadores regulados, determine los gastos máximo y mínimo y calcule el gasto medio.
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7.4.
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EJEMPLO DE PRUEBA REALIZADA PARA DIFERENTES EMISORES
7.4.1. GOTEROS A. Datos generales
Modelo y tipo de gotero: GOTERO SUPERTIF
Diámetro nominal del gotero: 2 mm
Gasto de emisión nominal: 3.1 lph
Rango de presiones de trabajo: 0.6 – 3.5 bar.
B. Datos de prueba de calibración Cuadro 7.10 Datos obtenidos durante la calibración del gotero supertif h [kgcm-2] 0.6 0.8 1 1.2 1.4
Gotero 1 [ml] 48.5 34 26 26 26
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Gotero 2 [ml] 45.5 44 33 33 32
GOTEROS DE BOTON Gotero 3 Gotero 4 Gotero 5 [ml] [ml] [ml] 56 40 49.5 36 34 34 37.5 25 25 36 25 25.5 36 25 26
150
V medio [l] 0.048 0.036 0.029 0.029 0.029
Tiempo q [h] [lh-1] 0.0143 3.35 0.0106 3.44 0.0084 3.50 0.0084 3.46 0.0105 2.77
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7.4.2. GOTEROS INTEGRADOS A. Datos generales
Modelo y tipo de gotero: HYDROGOL
Diámetro nominal del gotero: 2 mm
Gasto de emisión nominal: 2.2 lph
Rango de presiones de trabajo: 0.8 – 2 bar.
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B. Datos de prueba de calibración Cuadro 7.11 Datos obtenidos durante la calibración del gotero hydrogol
h [kgcm-2] 0.6 0.8 1 1.2 1.4
h [kgcm-2] 0.6 0.8 1 1.2 1.4
Gotero 1 Volumen Tiempo [ml] [s] 30.0 60 18.0 30 19.0 30 21.5 30 23.5 30
Gotero 3 Volumen Tiempo [ml] [s] 16.5 30 17.5 30 18.0 30 21.5 30 22.0 30
h [kgcm-2] 0.6 0.8 1 1.2 1.4
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q [lh-1] 1.8 2.2 2.3 2.6 2.8
q [lh-1] 2.0 2.1 2.2 2.6 2.6
h [kgcm-2] 0.6 0.8 1 1.2 1.4
h [kgcm-2] 0.6 0.8 1 1.2 1.4
Gotero 5 Volumen Tiempo [ml] [s] 16.0 30 17.5 30 19.0 30 21.0 30 22.0 30
Gotero 2 Volumen Tiempo [ml] [s] 15.0 30 17.5 30 19.0 30 21.2 30 23.0 30
Gotero 4 Volumen Tiempo [ml] [s] 16.0 30 17.5 30 19.5 30 20.5 30 22.0 30
q [lh-1] 1.9 2.1 2.3 2.5 2.6
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q [lh-1] 1.8 2.1 2.3 2.5 2.8
q [lh-1] 1.9 2.1 2.3 2.5 2.6
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7.4.3. CINTILLA A. Datos generales
Modelo y tipo de cintilla: Hydrolite
Gasto de emisión nominal de la cinta de goteo: 0.63 a 1 lh-1
Diámetro interior de la cinta de goteo: 16 mm
Espesor de pared de la cinta de goteo: 6, 8, 10 y 15 mil
Rango de presiones de trabajo: 0.6 - 1.0* bar.
Espacios entre emisores: 30 cm.
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B. Datos de prueba Cuadro 7.12 Datos obtenidos durante la calibración de la cintilla Hydrolite Gotero 1 h Volumen Tiempo q [kgcm-2] [ml] [s] [lh-1] 0.3 12.5 62.52 0.7 0.5 9.0 34.09 1.0 0.7 12.0 39.79 1.1 0.9 11.5 36.95 1.1 1.1 12.2 36.34 1.2
Gotero 2 h Volumen Tiempo q [kgcm-2] [ml] [s] [lh-1] 0.3 13.0 62.57 0.7 0.5 8.0 32.03 0.9 0.7 10.0 35.85 1.0 0.9 10.8 35.48 1.1 1.1 13.4 40.15 1.2
Gotero 3 h Volumen Tiempo q [kgcm-2] [ml] [s] [lh-1] 0.3 13.0 60.32 0.8 0.5 10.5 42.19 0.9 0.7 10.5 34.6 1.1 0.9 11.2 39.86 1.0 1.1 13.0 37.24 1.3
Gotero 4 h Volumen Tiempo q [kgcm-2] [ml] [s] [lh-1] 0.3 12.0 60.95 0.7 0.5 10.4 44.6 0.8 0.7 10.0 35.98 1.0 0.9 10.8 33.8 1.2 1.1 12.0 33.06 1.3
Gotero 5 h Volumen Tiempo [kgcm-2] [ml] [s] 0.3 12.7 60.29 0.5 9.0 38.78 0.7 9.8 34.77 0.9 12.0 39.1 1.1 14.3 40.96
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q [lh-1] 0.8 0.8 1.0 1.1 1.3
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7.4.4. MICROASPERSORES A. Datos generales:
Modelo y tipo del rociador: Rondo flujo regulado
Boquilla: negra
Diámetro nominal del rociador: 2 a 2.4 m
B. Datos de prueba Cuadro 7.13 Datos obtenidos durante la calibración del microaspersor Rondo h [kgcm-2] 1.5 1.75 2 2.25 2.5
Microaspersor 1 V1 Tiempo [ml] [s] 465.0 60 502.5 60 500.0 55.6 500.0 51.29 500.0 49.18
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q [lh-1] 27.9 30.2 32.4 35.1 36.6
Microaspersor 2 h V2 Tiempo [kgcm-2] [ml] [s] 1.5 291.7 60 1.75 304.5 59 2 295.0 60 2.25 395.0 60 2.5 390.0 60
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q [lh-1] 17.5 18.6 17.7 23.7 23.4
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7.5.
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PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN
7.5.1. Evaluación de goteros A. Determinación del coeficiente de variación de fabricación. Aplicando las ecuaciones 7.16 y 7.17 se obtiene el coeficiente de variación a partir de los datos obtenidos en la prueba y a manera de ejemplo o como simple ensayo se calcula el coeficiente de variación para las diferentes presiones. √ Cuadro 7.14 Relación carga, caudal y coeficiente de variación para el gotero supertif h[kgcm-2] 0.6 0.8 1 1.2 1.4
q1 [lh-1] 3.39 3.22 3.10 3.10 2.48
q2 [lh-1] 3.18 4.16 3.94 3.93 3.05
q3 [lh-1] 3.92 3.41 4.47 4.29 3.44
q4 [lh-1] 2.80 2.38 1.75 1.75 1.75
q5 [lh-1] 3.46 2.38 1.75 1.78 1.82
Suma (qi-qm)2 0.67 2.46 6.44 6.04 5.52
Desviación típica 0.47 0.91 1.46 1.42 1.36
cv 0.141 0.263 0.419 0.410 0.490
Del cuadro 7.14 se observa que el menor coeficiente se presenta a una presión de operación de 0.6 kgcm-2 que es la presión nominal de funcionamiento del gotero. B. Determinación de la curva caudal – presión A partir de los datos obtenidos se obtuvo el modelo del emisor en turno mediante las ecuaciones 7.4 y 7.5 presentadas anteriormente sustituyendo valores se tiene que: Cuadro 7.15 Obtención del modelo del gotero Supertif h [kgcm-2] q [lh-1] 0.6 2.49 0.8 2.67 1 3.09 1.2 3.16 1.4 3.10 suma =
lnh -0.5108 -0.2231 0.0000 0.1823 0.3365 -0.2152 ∑
∑
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lnq 0.9123 0.9821 1.1298 1.1522 1.1330 5.3093
lnhlnq -0.4660 -0.2191 0.0000 0.2101 0.3812 -0.0939
lnh2 0.2609 0.0498 0.0000 0.0332 0.1132 0.4572
∑ ∑
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Por lo que el modelo del emisor finalmente seria: (7.18) Otra forma seria graficar los valores respectivos ensayados con respecto a la carga y el caudal descargado por el gotero. En la figura 7.17 se presenta el grafico cargacaudal y la relación del modelo del emisor:
Figura 7.17. Relación carga - caudal del gotero Supertif
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7.5.2. Evaluación de goteros integrados A. Determinación del coeficiente de variación de fabricación. Aplicando las ecuaciones 7.16 y 7.17 se obtiene el coeficiente de variación a partir de los datos obtenidos en la prueba; sustituyendo valores en las ecuaciones y presentando los demás ensayos en el cuadro 7.16 : Cuadro 7.16. Relación carga, caudal y coeficiente de variación para la cintilla Hydrogol Presión 0.6 [kgcm-2] Emisor q (q-qm)2 1 1.80 0.0071 2 1.80 0.0071 3 1.98 0.0092 4 1.92 0.0013 5 1.92 0.0013 Desviación típica 0.072 CV 0.038
Presión 0.8 [kgcm-2] Emisor q (q-qm)2 1 2.2 0.0023 2 2.1 0.0001 3 2.1 0.0001 4 2.1 0.0001 5 2.1 0.0001 Desviación típica 0.024 CV 0.011
Presión 1.2 [kgcm-2] Emisor q (q-qm)2 1 2.6 0.0019 2 2.5 0.0001 3 2.6 0.0019 4 2.5 0.0059 5 2.5 0.0003 Desviación típica 0.045 CV 0.018
Presión 1 [kgcm-2] Emisor q (q-qm)2 1 2.3 0.0001 2 2.3 0.0001 3 2.2 0.0117 4 2.3 0.0052 5 2.3 0.0001 Desviación típica 0.059 CV 0.026
Presión 1.4 [kgcm-2] Emisor q (q-qm)2 1 2.8 0.0144 2 2.8 0.0036 3 2.6 0.0036 4 2.6 0.0036 5 2.6 0.0036 Desviación típica 0.076 CV 0.028
B. Determinación de la curva caudal – presión Se grafican los valores respectivos ensayados con respecto a la carga y el caudal de la prueba. En las figuras 7.18 a 7.22 se presentan los datos de carga en relación al caudal descargado por la cintilla
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Relación Carga-Caudal Gasto (l/h)
Emisor 1 h q [kgcm-2] [lh-1] 0.6 1.8 0.8 2.2 1 2.3 1.2 2.6 1.4 2.8
3.0 2.0 q = 2.3521h0.5109 R² = 0.9837
1.0 0.0 0.5
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
Carga (kg/cm2)
Figura 7.18.Relación carga - caudal de la cintilla Hydrogol emisor uno
Relación Carga-Caudal
Emisor 2 q [lh-1] 1.8 2.1 2.3 2.5 2.8
Gasto (l/h)
h [kgcm-2] 0.6 0.8 1 1.2 1.4
3.0 2.0 q = 2.3209h0.4969 R² = 0.9957
1.0 0.0 0.5
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
Carga (kg/cm2)
Figura 7.19. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrogol emisor dos
Relación Carga-Caudal h [kgcm-2] 0.6 0.8 1 1.2 1.4
Gasto (l/h)
Emisor 3 q [lh-1] 2.0 2.1 2.2 2.6 2.6
3.0 2.0 q = 2.3124h0.3616 R² = 0.8827
1.0 0.0 0.5
0.7
0.9
1.1
1.3
Carga (kg/cm2)
Figura 7.20. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrogol emisor tres
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159
Departamento de Irrigación
1.5
Manual de prácticas de ingeniería de riego a presión CURVA CARGA-GASTO DE UN EMISOR DE RIEGO LOCALIZADO
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Relación Carga-Caudal Gasto (l/h)
3.0
Emisor 4 h [kgcm-2] 0.6 0.8 1 1.2 1.4
q [lh-1] 1.9 2.1 2.3 2.5 2.6
2.0 1.0
q = 2.3148h0.3775 R² = 0.9937
0.0 0.5
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
Carga (kg/cm2)
Figura 7.21. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrogol emisor cuatro
Emisor 5
Relación Carga-Caudal q [lh-1] 1.9 2.1 2.3 2.5 2.6
3.0 Gasto (l/h)
h [kgcm-2] 0.6 0.8 1 1.2 1.4
2.0
q = 2.3149h0.3871 R² = 0.9901
1.0
0.0 0.5
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
Carga (kg/cm2)
Figura 7.22. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrogol emisor cinco
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160
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7.5.3. Evaluación de cintas de riego A. Determinación del coeficiente de variación de fabricación. Aplicando las ecuaciones 7.16 y 7.17 se obtiene el coeficiente de variación a partir de los datos obtenidos en la prueba; sustituyendo valores en las ecuaciones y presentando los demás ensayos: Cuadro 7.17 Relación carga, caudal y coeficiente de variación para la cintilla Hydrolite Presión 0.3 [kgcm-2] Emisor q (q-qm)2 1 0.72 0.0005 2 0.75 0.0000 3 0.78 0.0011 4 0.71 0.0011 5 0.76 0.0003 Desviación típica 0.025 CV 0.033
Presión 0.5 [kgcm-2] Emisor q (q-qm)2 1 1.0 0.0044 2 0.9 0.0002 3 0.9 0.0001 4 0.8 0.0020 5 0.8 0.0024 Desviación típica 0.043 CV 0.048
Presión 0.9 [kgcm-2] Emisor q (q-qm)2 1 1.1 0.000568 2 1.1 0.000001 3 1.0 0.007234 4 1.2 0.002884 5 1.1 0.000068 Desviación típica 0.046 CV 0.042
Presión 0.7 [kgcm-2] Emisor q (q-qm)2 1 1.1 0.0021 2 1.0 0.0012 3 1.1 0.0028 4 1.0 0.0015 5 1.0 0.0006 Desviación típica 0.041 CV 0.039
Presión 1.1 [kgcm-2] Emisor q (q-qm)2 1 1.2 0.0014 2 1.2 0.0020 3 1.3 0.0001 4 1.3 0.0037 5 1.3 0.0001 Desviación típica 0.038 CV 0.031
B. Determinación de la curva caudal – presión Se grafican los valores respectivos ensayados con respecto a la carga y el caudal de la prueba. En las figuras 7.23 a 7.27 se presentan los datos de carga en relación al caudal descargado por la cintilla se observa que conforme aumenta la presión esta va haciéndose una recta:
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Gotero 1 q [lh-1] 0.7 1.0 1.1 1.1 1.2
Relación Carga-Caudal Gasto (l/h)
h [kgcm-2] 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1
1.5 1.0 0.5 0.0
q = 1.1945h0.39 R² = 0.9628 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Carga (kg/cm2)
Figura 7.23. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrolite emisor uno Gotero 2 q [lh-1] 0.7 0.9 1.0 1.1 1.2
Relación Carga-Caudal Gasto (l/h)
h [kgcm-2] 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1
1.5 1.0 0.5 0.0
q = 1.1485h0.3578 R² = 0.998 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Carga (kg/cm2)
Figura 7.24. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrolite emisor dos
Gotero 3 q [lh-1] 0.8 0.9 1.1 1.0 1.3
Relación Carga-Caudal Gasto (l/h)
h [kgcm-2] 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1
1.5 1.0 q = 1.1567h0.3371 R² = 0.8768
0.5 0.0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
Carga (kg/cm2)
Figura 7.25. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrolite emisor tres
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1
1.2
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Gotero 4
Relación Carga-Caudal
q [lh-1] 0.7 0.8 1.0 1.2 1.3
Gasto (l/h)
h [kgcm-2] 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1
1.5 1.0 q = 1.2106h0.4713 R² = 0.9828
0.5
0.0 0
0.5
1
1.5
Carga (kg/cm2)
Figura 7.26. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrolite emisor cuatro Gotero 5
Relación Carga-Caudal
q [lh-1] 0.8 0.8 1.0 1.1 1.3
Gasto (l/h)
h [kgcm-2] 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1
1.5 1.0 q = 1.1673h0.3918 R² = 0.9579
0.5 0.0 0
0.5
1
Carga (kg/cm2)
Figura 7.27. Relación carga - caudal de la cintilla Hydrolite emisor cinco
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1.5
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7.5.4. Evaluación de microaspersores A. Determinación del coeficiente de variación de fabricación Aplicando las ecuaciones 7.16 y 7.17 se obtiene el coeficiente de variación a partir de los datos obtenidos en la prueba se calcula el coeficiente de variación para las presiones diferentes a la presión nominal de operación; sustituyendo valores en las ecuaciones y presentando los demás ensayos: Presión 1.5 [kgcm-2] Microaspersor q (q-qm)2 1 27.90 27.03 2 17.50 27.03 Desviación típica 7.352 CV 0.324
Presión 1.75 [kgcm-2] Microaspersor q (q-qm)2 1 30.2 33.47 2 18.6 33.47 Desviación típica 5.785 CV 0.237
Presión 2 [kgcm-2] Microaspersor q (q-qm)2 1 32.4 53.83 2 17.7 53.83 Desviación típica 7.337 CV 0.293
Presión 2.25 [kgcm-2] Gotero q (q-qm)2 1 35.1 32.46 2 23.7 32.46 Desviación típica 5.697 CV 0.194
Presión 2.5 [kgcm-2] Gotero q (q-qm)2 1 36.6 43.56 2 23.4 43.56 Desviación típica 6.600 CV 0.220
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B. Determinación de la curva caudal – presión
Relación Carga-Caudal
Microaspersor 1 h q -2 [kgcm ] [lh-1] 1.5 27.9 1.75 30.2 2 32.4 2.25 35.1 2.5 36.6
Gasto (l/h)
40.0 35.0 q = 22.302h0.5456 R² = 0.9961
30.0 25.0 20.0 1.5
2
2.5
3
Carga (kg/cm2)
Figura 7.28. Relación carga - caudal del microaspersor uno
Microaspersor 2 h q -2 [kgcm ] [lh-1] 1.5 17.5 1.75 18.6 2 17.7 2.25 23.7 2.5 23.4
Gasto (l/h)
Relación Carga-Caudal 25.0 20.0 15.0 1.5
2
q = 13.019h0.6333 R² = 0.7134 2.5
Carga (kg/cm2)
Figura 7.29. Relación carga - caudal del microaspersor dos
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3
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7.6.
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DISCUSIÓN DE RESULTADOS
En lo que respecta a los goteros se obtuvo el coeficiente de variación de 0.008 (0.8 %) es un valor muy bajo siendo catalogado como excelente bajo la norma ASAE y en la clasificación. Conforme a los resultados de los emisores integrados se observa el coeficiente de variación se encuentra en el rango de 0.011 a 0.038 que se encuentra en el rango de alta uniformidad, la relación carga – gasto se observó un comportamiento similar en los 5 emisores ensayados. Para el caso de la cintilla se observa un coeficiente de variación en el rango de 0.31 a 0.48 considerado de alta uniformidad, en el modelo carga-gasto se observa un coeficiente de 1.1 y un exponente de alrededor de 0.3 a 04, presentándose de manera similar el modelo en los diferentes emisores ensayados. Los microaspersores presentaron un coeficiente de variación del orden de 0.19-0.32 encontrándose en el rango de alta uniformidad, los modelos obtenidos se comportaron un poco diferente esto puede ser debido al uso o desgaste de los mismos. 7.7.
CONCLUSIONES
Los emisores ensayados presentaron un coeficiente de variación bajo por lo que se espera buena uniformidad en el riego en lo que respecta a funcionamiento del emisor por otro lado se tiene que tener cuidado en el buen diseño e instalación de los mismos para que su funcionamiento no se altere. El exponente de descarga de los diferentes emisores evaluados de acuerdo a literatura citada cuadro 7.2 y 7.3 se encontró en el rango en el cual se esperaba y su grafico se comportó de igual forma. De las regresiones realizadas a los aforos, tanto en el sistema de riego por microaspersión como el riego por goteo, los exponentes del caudal en el modelo potencial oscilan entre 0.3 y 0.5, llegando a la conclusión de que los emisores presentan poca sensibilidad a los cambio de presión y a la obturación de los emisores. Se determinó las distintas relaciones carga – caudal para diferentes emisores conociendo su modelo de descarga el cual nos permite conocer cómo funciona el
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emisor para posteriormente en el diseño e instalación de estos mismos en la unidad de riego se tenga un mejor funcionamiento de los mismos y consigo una mejor uniformidad de riego y manejo. 7.8.
CUESTIONARIO
1) ¿Qué parámetros se toman en cuanta en el coeficiente de variación? 2) ¿De qué depende el exponente x en la relación caudal – presión? 3) ¿Qué factores afectan la descarga de un emisor? 7.9.
BIBLIOGRAFÍA.
Holzapfel H. E., (2005). Riego por goteo y microjet. Facultad de Ingeniería Agrícola Universidad de Concepción López J. R., (1997). Riego Localizado. Eds. Mundi-prensa.2ª Ed. Madrid. Martínez E. R., (1991). Riego Localizado: Diseño y Evaluación. Universidad Autónoma Chapingo. Texcoco, Estado de México. Medina S. J. y J. A. (1981). Riego Por Goteo. Madrid, España. Ediciones Mundi – Prensa. Pizarro F., (1990). Riegos Localizados de Alta Frecuencia. Eds Mundi-prensa. 3era edición. Zur B y Tal S., (1981). Emitter Discharge Sensivity to Pressure and Temperature.
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8. 8.1.
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EVALUACIÓN DE UN SISTEMA DE RIEGO LOCALIZADO
OBJETIVOS Comprobar el estado de los diferentes componentes de la instalación su manejo y mantenimiento adecuado.
Determinar la uniformidad en la distribución del agua de riego.
Detectar los problemas de funcionamiento de la instalación y plantear soluciones para resolverlos.
8.2.
ASPECTOS TEÓRICOS
8.2.1. Definiciones Según Martínez (1991) se pueden encontrar las siguientes definiciones: Subunidad de riego. Es la superficie que se riega simultáneamente desde un mismo punto donde se regula o controla la presión de entrada del agua. Unidad de riego. Es la superficie formada por el conjunto de subunidades que se riegan simultáneamente desde un mismo punto donde se controla la dosis de agua a aplicar en cada riego. Unidad operacional o turno de riego. Es la superficie suma de las unidades de riego que funcionan simultáneamente desde un mismo cabezal o centro de control. Centro de control o cabezal. Es el conjunto de dispositivos que dominan toda la superficie de la instalación y pueden servir para filtrar el agua, tratarla, incorporar fertilizantes, controlar la presión, medir dosis de riego, etc. Tuberías principales. Son las que transportan el agua desde el cabezal hasta las unidades de riego. Tuberías secundarias. Son las que, dentro de una unidad de riego, sirven a las distintas subunidades. Tuberías terciarias. Dentro de la subunidad de riego, son las que alimentan a las tuberías laterales. Laterales. Son las tuberías que llevan conectados los emisores.
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8.2.2. Riego localizado A. Goteo El riego por goteo surgió como una adaptación a cultivos de suelos arenosos y salinos bajo condiciones áridas, que se da a través de orificios, o emisores, tales como goteros o microaspersores, con un gasto pequeño. Este sistema en general es fijo (figura 8.1), a diferencia del riego por gravedad o por aspersión, este depende casi exclusivamente del sistema hidráulico de la red de distribución, y relativamente poco de las condiciones edáficas o climáticas (Losada, 2005).
Figura 8.1 Esquema ilustrativo de un sistema de riego localizado
B. Microaspersión En suelos muy permeables en los que el bulbo húmedo se desarrolla mucho en profundidad y poco en anchura, el empleo de goteros ha dado lugar a riegos insuficientes en cuanto al área de suelo mojado. Para este caso ha surgido la solución de la microaspersión. 8.2.3. Emisores La gran variedad de emisores que existe en el mercado ha sido objeto de diversas clasificaciones atendiendo a sus características hidráulicas, riesgo de obturaciones, forma de inserción en los laterales, etc. En el cuadro 8.1, se clasifican los emisores de acuerdo a la forma en que disipan la presión.
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Cuadro 8.1 Clasificación de los emisores en base a la forma en que disipan la presión De largo conducto Emisores de bajo caudal (goteros) <16l/h
Emisores de alto caudal 16 lh-1-200 lh-1
Goteros propiamente dichos
Microtubo Helicoidales De laberinto
De orificio Vortex Autocompensantes
Mangueras Cinta de exudación Microaspersores Difusores Microtubos de alto caudal
Fuente: Pizarro, 1990. A. Coeficiente de variación de fabricación del emisor Una clasificación de los emisores en función de su coeficiente de variación (CV) de acuerdo a la norma ASAE EP405, se presenta en el cuadro 8.2. Cuadro 8.2 Clasificación de emisores de acuerdo a su coeficiente de variación Goteros, miniaspersores y difusores CV Calificación 0.05 Excelentes 0.05 - 0.07 Normales 0.07 - 0.11 Marginales 0.11 - 0.15 Deficientes 0.15 Inaceptables Tuberías emisoras CV Calificación buenas 0.1 Normales 0.1 - 0.2 Deficientes a 0.2 inaceptables
El coeficiente de variación de fabricación se define como:
CV
q
(8.1)
donde: n
(q
i
q) 2
(8.2)
i
n 1 n
q
y
q
i
i
(8.3) n q : Media de todos los caudales medidos a la misma presión y temperatura. : Desviación típica. Universidad Autónoma Chapingo
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El coeficiente de variación del sistema viene dado por la expresión: CV CVs e
(8.4)
donde: CVs, es el coeficiente de variación de fabricación del sistema; CV, es el coeficiente de variación del emisor; e, es el número de emisores que proporciona agua a una planta B. Relación caudal - presión. Cualquiera que sea el tipo de emisor, salvo las cintas de exudación, entre el caudal emitido y la carga de presión de servicio existe la siguiente relación, denominada ecuación del emisor:
q kh x
(8.5)
dónde: q, caudal del emisor, en lh-1; k, coeficiente de descarga; x, exponente de descarga; h, carga de presión a la entrada del emisor, en m.c.a. Los valores de k y x son característicos de cada tipo de emisor. El coeficiente de descarga x es una medida de la sensibilidad de los emisores a la variación de presión. En el cuadro 8.3 se muestran algunos valores de x. Cuadro 8.3 Coeficiente de descarga de emisores x De régimen laminar 1 Microtubos 0.75-1 Helicoidal 0.65-0.75 De régimen turbulento (orifico, de laberinto) 0.5 Vortex 0.4 Autocompensante 0-0.4 Teórico perfectamente Autocompensante 0 Emisor
C. Sensibilidad a las obturaciones. La obturación de un emisor depende del diámetro mínimo de paso, de la velocidad del agua y de la configuración del mismo. En emisores pueden variar de 0.3 mm a algo más de 1 mm. Un caso extremo es el de las cintas de exudación, en el que las perforaciones son de tamaño microscópico. En los de alto caudal, microaspersores y difusores, los diámetros pueden llegar a ser de más de 2 mm, con lo que el riesgo de obturación es mucho menor. En el cuadro 8.4 se presenta la sensibilidad a la
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obturación, teniendo en cuenta la sección mínima de paso, de goteros, tuberías emisoras y sistemas integrados: Cuadro 8.4 Sensibilidad a la obturación Diámetro mínimo (mm)
Sensibilidad a la obturación
<= 0.7
Alta
0.7-1.5
Media
>1.5
Baja
Cuando mayor es la velocidad menor es el riesgo de sedimentación, por tal razón se prefiere el régimen turbulento al laminar (Pizarro, 1990). 8.2.4. Coeficiente de uniformidad de riego. Un concepto que considera la uniformidad de descarga de los emisores a través de todo el sistema es el llamado Coeficiente de uniformidad, CU (López, 1997). [
] (8.6)
donde: q25%, es el promedio del 25% de los valores de descarga más bajos dentro del sistema; qmed, es el promedio de descarga de todos los emisores dentro del sistema. Si se consideran los factores de los que depende la uniformidad de riego, enumerados anteriormente, asumiendo que los efectos de la temperatura actúan normalmente a favor de la uniformidad, y que los problemas inherentes a las obturaciones deben estar controlados, quedan como más importantes causas de la variación de caudal de los emisores a efectos del diseño hidráulico la variabilidad de fabricación y las diferencias de presión (López, 1997). Teniendo en cuenta lo anterior, se puede definir estadísticamente el CU como: *(
√
)
+
(8.7)
donde: CV, coeficiente de variación de fabricación del emisor; e, número de emisores de los que recibe agua cada planta; qn, caudal mínimo del emisor que corresponde a la presión mínima, en lh-1; qa, caudal medio de todos los emisores considerados, en lh-1.
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8.2.5. Evaluación de riego adaptada de Merian y Keller (1978) Se pondrá a funcionar la instalación de acuerdo a las condiciones normales de manejo. Se seleccionara una unidad de riego que sea representativa del conjunto de la instalación y otra, cuando se crea conveniente, que este en las condiciones más difíciles (laterales o terciarias más largas o en contra pendiente o con pendientes mayores del 5 %). En cada subunidad, se tomara información de volumen y tiempo, para obtener el gasto correspondiente de cada emisor, para lo cual se puede tomar la información de los emisores de manera sistemática o al azar. En caso del muestreo sistemático se elegirán 4 tuberías laterales, de tal forma que la primera se ubicara al inicio la segunda y tercera a uno y dos tercios respectivamente y una cuarta en el punto más alejado como se muestra en la figura 8.2. En cada uno
de los laterales se
seleccionará los emisores que proporcionen agua a 4 plantas, el primero se ubicara lo más cercano al punto de alimentación, un segundo en el punto más alejado y otros dos a uno y dos tercios de la longitud del lateral.
Figura 8.2 Esquema ilustrativo para la selección de goteros de la unidad de riego
Con los emisores seleccionados, se recogerá durante un tiempo de uno a tres minutos en un recipiente el agua que salga por ellos, estos volúmenes se medirán mediante una probeta graduada y se anotara el resultado en el formato preparado para el efecto de cada emisor. En el caso de miniaspersores o difusores la recogida
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de agua se efectuara con una probeta de mayor volumen o en su caso reducir el tiempo de lectura. En tuberías emisoras porosas con orificios separados a menos de 0.30 m, mediante un recipiente adecuado, se recogerá el agua que salga en un metro de tubería en cada una de las localizaciones anteriores, esto es, 16 como mínimo por subunidad, de tal manera que si se toman más datos el cálculo de la uniformidad se hace más confiable. En cada una de los emisores se tomaran presiones cuando esto sea posible. Antes de cerrar el funcionamiento de las unidades operacionales de riego, en las que estén situadas las subunidades objeto de la prueba, se tomaran las presiones en las partes finales de los laterales. Si en la instalación existen diferentes clases de emisores, se realizaran las pruebas para cada tipo de emisor. Con los datos de los volúmenes de agua y tiempos recogidos en el campo se obtienen los gastos correspondientes y con esto se calcula el coeficiente de uniformidad de riego de la subunidad mediante las ecuaciones 8.6 y 8.7. Con las 16 o más presiones medidas en las subunidades se obtiene el coeficiente de uniformidad de presión: x
P CUP 25% 100 Pmed
(8.8)
donde: P25%, es la presión media del 25% de las más bajas, en m.c.a; Pmed, es la presión media de la subunidad, en m.c.a; x, es el exponente de descarga del emisor.
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8.3.
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DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y MATERIALES 8.3.1. Material necesario
Vasos de plástico para la recogida del agua de los emisores
Manómetro de aguja en baño de glicerina
Cronómetro
Cinta métrica
Probetas graduadas 8.3.2. Evaluación de la uniformidad del riego
Para evaluar la uniformidad de un sistema de riego localizado se elegirá la unidad de riego más representativa de la instalación (figura 8.3). Una unidad representativa será aquella de tamaño medio, con una pendiente que represente la media de la instalación, que esté situada a ser posible en una zona central y cuyos laterales tengan una longitud media. Se evaluará también, si se considera necesario, la unidad que represente las condiciones más desfavorables, es decir, la unidad más alejada o cercana al cabezal de riego, con laterales o tuberías terciarias más largas y con pendientes mayores.
Figura 8.3 Cintas de riego por goteo instaladas en campo
Una vez seleccionada la unidad de riego, se elegirá una de sus subunidades (también la más representativa) a la que se hará la evaluación. En primer lugar, se determinará la uniformidad de distribución de la subunidad elegida y posteriormente la de la unidad de riego.
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A. Uniformidad de la subunidad de riego Para evaluar la Uniformidad dentro de la subunidad se usan dos coeficientes: la Uniformidad de Distribución de Caudales (UD) y la Uniformidad de Distribución de Presiones (UDP). Para calcular la UD se elegirá un número determinado de emisores distribuidos uniformemente dentro de la subunidad de riego. Se recomienda seleccionar 16 o más emisores para calcular este coeficiente. Para ello, se eligen los laterales más cercano y más lejano de la toma de la tubería terciaria y los dos intermedios (los situados a un tercio y dos tercios). En cada lateral se seleccionan cuatro o más emisores siguiendo el mismo criterio, es decir, el más cercano y el más lejano de la toma del lateral y los dos intermedios (figura 8.4).
Figura 8.4 Esquema ilustrativo para la selección de laterales
Con una probeta o vaso graduado (figura 8.5) se medirá el volumen de agua suministrado por los emisores que se hayan seleccionado en un tiempo determinado. Este tiempo será igual para todos ellos, 1 a 3 min para goteros y microaspersores o difusores, tuberías goteadoras y exudantes.
Figura 8.5 Medición de la descarga de microaspersor con probeta graduada
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B. Uniformidad de la instalación Una vez conocida la UD de la subunidad de riego localizado se podrá calcular la UD corregida de la misma. Se calcula fc que es un factor de corrección que depende de la diferencia entre las presiones de las subunidades que forman parte de la unidad que se está evaluando. Para calcular el factor de corrección, habrá que medir la presión más desfavorable en cada tubería terciaria de la unidad (figura 8.6). Para realizar estas medidas habrá que tener en cuenta si la tubería terciaria está situada a favor o en contra de la pendiente:
Figura 8.6 Medición de la presión mediante manómetro
Si la tubería terciaria está a nivel o en contra de la pendiente, la presión más desfavorable se medirá al final de la tubería, donde comience el último lateral.
Si la tubería terciaria está colocada a favor de la pendiente, la presión más desfavorable se podrá medir aproximadamente en los 2/3 de su longitud. La primera vez que se realice esta prueba es conveniente medir varias veces al final de la tubería terciaria por si acaso el punto situado a los 2/3 no fuese el de menor presión. Si resultara otro punto distinto a este, se marcaría en la tubería, se tomaría la nota en el formulario de campo y éste sería el punto de referencia para todas las evaluaciones posteriores.
Una vez medida la presión más desfavorable de cada tubería terciaria de la unidad se calcula p'25 % y p'm, siendo:
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p'25%, la media de las presiones medidas en las tuberías terciarias que representan la cuarta parte de más baja presión
p'm la media de todas las presiones medidas en las tuberías terciarias de la unidad
Con estos valores, fc se calcula con la ecuación 8.9
Teniendo en cuenta que x es el exponente de descarga, el mismo que se ha utilizado para calcular la UDP en la subunidad. Finalmente, la UD de la instalación será igual a la uniformidad calculada para la unidad elegida como representativa de la instalación. Es preciso recordar que para que esto se pueda considerar válido, las subunidades y unidades de riego deben ser relativamente homogéneas en cuanto a superficie y forma. Dependiendo del valor de UD obtenido, la calificación de la instalación será de acuerdo al cuadro 8.5: Cuadro 8.5 Valor de la uniformidad de distribución
Fuente: Junta de Andalucía.
Además, de las medidas de presión que se realizan para calcular la uniformidad de distribución de la instalación, será conveniente medir las presiones a la entrada de cada unidad de riego, por ejemplo en el gotero más cercano a la entrada. Si la diferencia de presiones entre dos unidades cualesquiera con respecto a la media entre ambas es mayor del 15 %, se considera que dichas unidades riegan muy desigualmente y por lo tanto será necesario: Poner reguladores de presión en el inicio de cada unidad de riego, o bien, medir el caudal de al menos 16 emisores de cada unidad de riego, distribuidos de manera homogénea dentro de la unidad y calcular la media para ver el volumen que se está aplicando en cada una de ellas. Si Universidad Autónoma Chapingo
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las unidades que se estén valorando tienen el mismo cultivo y éste se encuentra en la misma fase de desarrollo, las necesidades de agua serán las mismas en todas ellas. Si los caudales medidos son diferentes, habrá que emplear tiempos de riego proporcionales a éstos para aplicar el mismo volumen de agua en las unidades consideradas. En conjunto, la falta de uniformidad de una instalación se deberá principalmente a:
Variación en la descarga de los emisores. Estas variaciones pueden ser causadas por distintos motivos como la variabilidad que se produce en el proceso de
fabricación (determinada por el Coeficiente de
Variación), defectos de montaje, obturaciones, etc. Un indicador de la calidad de los emisores y de su estado de conservación es la diferencia entre la UDP y la UD dentro de la misma subunidad.
Diferencias de presión dentro de la subunidad, debidas a pérdidas de presión a lo largo de la tubería terciaria y de los laterales y también a factores topográficos. La UDP es un buen indicador de las diferencias de presión en la subunidad.
Diferencias de presión entre diferentes subunidades. Estas diferencias se deberán a la ausencia de reguladores de presión a la entrada de cada subunidad, a su mal funcionamiento y/o mal manejo o a un mal cálculo de la red secundaria. La importancia de estas diferencias de presión se estima mediante la diferencia entre la UD (unidad) y la UD (subunidad).
Diferencias de presión entre diferentes unidades, debidas a la ausencia de reguladores de presión a la entrada de cada unidad de riego, al mal funcionamiento y/o mal manejo de los mismos en caso de haberlos, o al mal diseño hidráulico de la red primaria o secundaria.
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8.4.
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EJEMPLO DE PRUEBA REALIZADA PARA SISTEMA DE RIEGO LOCALIZADO
Para el abastecimiento de agua de una subunidad de riego de microaspersión y otra de goteo se cuenta con un pozo profundo ubicado a 300 m del área de estudio, equipado con una Bomba Turbina Vertical, que da un gasto de 35 ls-1, el cual es conducido hasta el depósito de rebombeo localizado en la parcela de trabajo, el rebombeo se realiza con una bomba centrifuga de 7.5 HP, cuyo gasto va directamente a la tubería que alimenta a las subunidades de riego estudiadas. 8.4.1. Goteo A. Datos generales Propietario/a: UACh Parcela: Montecillos Nombre del cultivo: Lechuga Fuente del Agua: Pozo y rebombeo B. Descripción y evaluación de los componentes de la instalación
Emisores Emisor (marca/modelo): CINTA DE GOTEO NaaNDrip Thin-Wall dripline (Ver Cuadro 8.6 y Figura 8.7) Tipo de emisor: Gotero Caudal nominal (lh-1): 1.1 Presión nominal [kgcm-2]:0.5 – 1.5 Exponente de descarga: 0.52 Cuadro 8.6. Especificaciones técnicas de NaaNDrip Thin-Wall dripline
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Figura 8.7. Relación presión-caudal de NaaNDrip Thin-Wall dripline
Laterales Material: Polietileno Diámetro [mm]: 16 Separación entre emisores [m]:0.30 Separación entre laterales [m]: 0.50 Nº laterales / Surco: 1 C. Evaluación de la uniformidad de distribución (UD )
Uniformidad de caudales
En el área de goteo se aforó con probetas de 100 ml en tiempos de 60 segundos, tomando tres aforos en cada punto de emisión, en los cuadros 8.7 y 8.8 se presentan los datos obtenidos. Tiempo de medida [min]: 1 min = 60 s Volúmenes recogidos en los emisores [cm3]: Cuadro 8.7 Volúmenes recogidos en los emisores de goteo NaaNDrip Thin-Wall Lateral 1º
Lateral 1/3 Lateral 2/3
Lateral último
Emisor 1º
13.57
14.13
13.93
14.07
Emisor 1/3
14.07
14.13
13.93
13.93
Emisor 2/3
14.13
14.07
13.90
14.07
Emisor últ.
14.07
12.90
13.90
13.67
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8.4.2. Microaspersión A. Datos generales Propietario/a: UACh Parcela: Montecillos Nombre del cultivo: Árboles frutales Fuente del Agua: Pozo y rebombeo B. Descripción y evaluación de los componentes de la instalación
Emisores
Emisor (marca/modelo): Rondo Flujo Regulado R.F.R. Tipo de emisor: Microaspersor Caudal nominal (lh-1): 30 Presión nominal [kgcm-2]: 1.5 – 3.5 Boquilla: Azul
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Laterales
Material: Polietileno Diámetro [mm]: 25 Separación entre emisores [m]: 4 Separación entre laterales [m]: 4 C. Evaluación de la uniformidad de distribución (UD )
Uniformidad de caudales
Para el área de microaspersión se aforó con probetas de 1000 ml en tiempos de 60 segundos, tomando tres lecturas en cada emisor. Para medir las presiones de entrada y salida se contó con un manómetro de carátula con capacidad de 4 kg/cm 2. En los cuadros 8.9 y 8.10 se presenta la información. Tiempo de medida [min]: 1 Volúmenes recogidos en los emisores [cm3]: Cuadro 8.8 Volúmenes recogidos en los emisores Rondo
Emisor 1º Emisor 1/3 Emisor 2/3 Emisor últ.
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Lateral 1º
Lateral 1/3 Lateral 2/3
Lateral último
673.33
675
679.0
685.00
678.33
690
683.33
680.00
695
696.667
693.33
684.33
684.3
677.33
697.667
668.33
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8.5.
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PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN
8.3.3. Goteo En el cuadro 8.11 se presentan los volúmenes en lh -1 recolectados en la cinta de goteo NaaNDrip Thin-Wall, en el cual se ordenan de mayor a menor y se presentan las presiones correspondientes a los 16 volúmenes aforados, ordenándolas descendentemente
en
la
columna
cuatro.
Se
presentan
las
estadísticas
representativas y de importancia para la obtención del coeficiente de uniformidad y la uniformidad del sistema. Cuadro 8.9 Procesamiento de datos de goteo NaaNDrip Thin-Wall q [lh ]
q [lh-1]orden descendente
0.8142
0.8478
0.8442
0.8478
0.8478
0.8478
0.8442
0.8442
0.8478
0.8442
0.8478
0.8442
0.8442
0.8442
0.774
0.8442
0.8358
0.8358
0.8358
0.8358
0.834
0.8358
0.834
0.834
0.8442
0.834
0.8358
0.8202
0.8442
0.8142
0.8202
0.774
-1
qm [lh-1]
0.834
DesvEst
0.019
-1
0.774
-1
0.848
-1
0.811
qmín [lh ] qmáx [lh ] qmci [lh ]
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A. Uniformidad del riego A partir de los datos del cuadro 8.11 y empleando las formulas descriptas anteriormente se procede a obtener el coeficiente de uniformidad: Coeficiente de uniformidad (CU): (
√
)
(
√
)
CU con la fórmula del USDA:
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8.5.2. Microaspersion. En el cuadro 8.12 se presentan los volúmenes en lh -1 recolectados en el microaspersor Rondo, en el cual se ordenan de mayor a menor y se presentan las presiones
correspondientes
descendentemente
en
la
a
los
columna
16
volúmenes
cuatro.
Se
aforados,
presentan
las
ordenándolas estadísticas
representativas y de importancia para la obtención del coeficiente de uniformidad y la uniformidad del sistema. Cuadro 8.10 Procesamiento de datos de microaspersores Rondo q [lh ]
q [lh-1], orden descendente
40.40
41.86
40.70 41.70
41.80 41.70
41.06
41.60
40.50
41.40
41.40
41.10
41.80 40.64
41.06 41.06
40.74
41.00
41.00
40.80
41.60
40.74
41.86 41.10
40.70 40.64
40.80
40.50
41.06
40.40
40.10
40.10
-1
qm [lh-1]
41.029
DesvEst
0.525
-1
40.100
-1
41.860
-1
40.410
qmín [lh ] qmáx [lh ] qmci [lh ]
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A. Uniformidad del riego A partir de los datos del cuadro 8.12 y empleando las formulas descriptas anteriormente se procede a obtener el coeficiente de uniformidad: Coeficiente de uniformidad (CU): (
√
)
(
√
)
CU con la fórmula del USDA:
De acuerdo a los resultados y tomando como referencia el catalogo del fabricante tenemos que los microaspersores son autocompensados por lo que el coeficiente de uniformidad resultó ser muy alto.
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8.6.
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DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Goteo. Los goteros no dan el gasto para los que fueron diseñados, pero su uniformidad es bastante buena de acuerdo al cuadro 8.11 ya que es superior al 90 %, a pesar de esto se puede decir que los goteros arrojan un gasto muy parecido al gasto medio, se puede comprobar con la desviación estándar que tan solo es del 0.019. Microaspersión. Se puede observar que el CU calculado por las dos fórmulas, es excelente ya que anda por arriba del 93 %. Haciendo una comparación entre datos de catálogo y de laboratorio se observa que los emisores de los microaspersores no están dando el gasto para los que fueron diseñados, ya que descargan aproximadamente el 93% del gasto de diseño. Por lo contrario los emisores de la cinta de goteo si dan el gasto para lo que fueron diseñados. 8.7.
CONCLUSIONES
Se realizó la evaluación de un sistema de riego por goteo y otro por microaspersión, de los resultados obtenidos se concluye que en general los dos sistemas presentan una alta uniformidad del riego y una alta eficiencia de aplicación. El sistema de riego por microaspersión presenta mayor uniformidad que el riego por goteo. La eficiencia de uniformidad en los dos casos analizados fue de buena a excelente presentado mayor eficiencia la microaspersión y en un menor grado el goteo. La metodología empleada resulta aceptable en la determinación de la uniformidad del riego. Las ecuaciones empleadas en la metodología nos dan una idea de toda la uniformidad de la instalación pues ya que toman en cuenta los volúmenes como las presiones de la instalación que finalmente influyen sobre el caudal de los emisores. 8.8.
CUESTIONARIO 1) Explique cuáles son los factores que afectan el funcionamiento de los goteros y microaspersores. 2) ¿Qué condiciones se deben de tomar en cuenta al momento de decidir el establecimiento de un riego por goteo o microaspersión? 3) Explique las ventajas y desventajas del riego por goteo y microaspersión.
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8.9.
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BIBLIOGRAFÍA
López J. R., (1997). Riego Localizado. Eds. Mundi-prensa.2ª Ed. Madrid. Losada V. A., (2005). El riego: II. Fundamentos de su hidrología y de su práctica. Editorial Mundi-Prensa. España. Merrian J. L. y Keller J. (1978). Farm irrigation system evaluation: A guide for management. Utah State Univ. Press, Logan, Utah. Martínez E. R., (1991). Riego Localizado: Diseño y Evaluación. Universidad Autónoma Chapingo. Texcoco, Estado de México. Pizarro C. F., (1990). Riegos Localizados de Alta Frecuencia (RLAF) Goteo, Microaspersión, Exudación. 2a Edición. Editorial Mundi-Prensa. España.
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9. 9.1.
EQUIPOS DE FILTRACIÓN
OBJETIVOS
Analizar los criterios para seleccionar los equipos de filtración de acuerdo a su funcionamiento y características.
Comprobar el estado de los diferentes componentes; así como detectar los problemas de funcionamiento y mantenimiento de los equipos de filtración.
9.2.
ASPECTOS TEÓRICOS
El agua es una sustancia fundamental para la vida y es el componente de la superficie de la tierra que más abunda (Marín, 2003). La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, adoptando una forma en ―V‖ que le confiere un momento dipolar. Esto da lugar a la posibilidad de que se formen puentes de hidrógeno entre las moléculas. Entonces, el agua líquida es una asociación de moléculas de H2O en continuo movimiento (entrelazadas por puentes de hidrógeno). El agua se presenta en tres fases según la presión y temperatura a la que se encuentra (figura 9.1): Fase sólida, fase líquida y fase vapor (gaseosa).
Figura 9.1. Diagrama de fases del agua
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El agua está sometida al denominado ―Ciclo Hidrológico‖ (Marín, 2003), que consiste en una serie de cambios de fase (líquido, gas, sólido), cambios de características físicas, químicas y microbiológicas y cambios de emplazamiento físico (mares, ríos, nubes, glaciares, agua subterránea,…), cuyo efecto es la renovación periódica del agua presente en océanos, litosfera y atmósfera. En este ciclo, a las moléculas de agua se le añaden en su seno otras substancias:
Se disuelven gases de la atmósfera (CO2, O2,…) y arrastra partículas en suspensión presentes en ella.
Se disuelven sales de la corteza terrestre (cuarcitas, granitos, rocas evaporíticas).
Hay arrastre de partículas orgánicas e inorgánicas.
Se produce un crecimiento de materia viva (bacterias, algas,….)
Las tratamientos para eliminar las impurezas son diversos. Estos tratamientos suelen ser complementarios entre sí, de manera que para adecuar un agua con múltiples impurezas, es necesario combinar diferentes tratamientos (algunas técnicas de tratamiento necesitan de otras de pretratamiento para que sean utilizables) cuadro 9.1.
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Cuadro 9.1 Estado, tipo de impureza y tratamiento de sustancias presentes en el agua
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Cuadro 9.2 Espectro de filtración de sustancias presentes en el agua
Fuente: Peter Gustav Schirg, 2001
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La principal técnica utilizada según se desprende del cuadro 9.2, es la filtración física. Y esto es así porque en la mayor parte de los casos el tipo de impureza que necesitamos eliminar son las partículas en suspensión. Los sólidos presentes en el agua pueden estar en dos formas diferentes: Disueltos. (total de sólidos disueltos TDS) No crean turbidez al agua. Son sales orgánicas o inorgánicas disueltas en el agua. Se mide en unidades de concentración, miligramos por litro (mg l -1) que es equivalente a ppm (partes por millón). En suspensión. Se dividen en dos clases:
Los microsólidos. Son los que crean la mayor parte de la turbidez al agua.
Los macrosólidos. Son sólidos de tamaños grandes (mayores de 100
micras.
Pueden ser
orgánicos (materia
orgánica u
organismos vivos) o inorgánicos. En los espectros de filtración (cuadro 9.2 y 9.3) se puede ver la relación que existe entre el tamaño de los sólidos y la técnica de filtración necesaria para eliminarlos del agua. Uno de los problemas que se llega a presentar en las instalaciones de riego localizado, es el de las obturaciones. Por esta razón, dependiendo de la clase de sólidos en suspensión o impurezas del agua, los sistemas deben estar provistos de algún tipo de equipo de filtrado. Si se considera la naturaleza de las obstrucciones, se puede distinguir:
Obturaciones partículas orgánicas e inorgánicas.
Obturaciones por precipitaciones y/o proliferación de bacterias.
Atendiendo el factor tiempo se pueden clasificar como:
Actuales o inmediatas.
Potenciales o lentas.
Por lo general, las obturaciones actuales o inmediatas se identifican con las causadas por partículas orgánicas e inorgánicas, por otra parte, las potenciales o lentas se suelen asociar a las producidas por precipitaciones o bacterias.
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Cuadro 9.3 Espectro de filtración de partículas
Fuente: Peter Gustav Schirg, 2001
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Las sustancias orgánicas que se llegan a presentar con mayor frecuencia son algas, diatomeas, peces, moluscos, crustáceos, insectos, gusanos, semillas, restos vegetales, etc. En aguas procedentes de peces de pozos es frecuente la presencia de partículas de arena. El tipo o tipos de filtros en una instalación de riego localizado dependerán de la naturaleza y tamaño de las partículas contaminantes (López, 1997). 9.2.1. Prefiltros En caso de que el agua utilizada para riego se encuentre muy contaminada por sólidos, es necesaria la instalación en la toma, antes de ingresar en el cabezal, la instalación de prefiltros que retiren grandes volúmenes de contaminantes. A. Dispositivos de separación Se consideran piezas o elementos más o menos sofisticados que pueden usarse para eliminar las partículas más gruesas. Lo más sencillo consiste en rejas metálicas con separación entre barrotes de 3 a 10 mm para desbaste fino, 10 a 25 mm para desbaste medio y de 50 a 100 mm para preseparación. Para su dimensionamiento, se tendrá presente que la velocidad de paso de agua estará entre 0.6 y 1 ms-1. B. Depósitos de decantación Se utilizan para eliminar por sedimentación sustancias arrastradas por el agua y que sean más densas que estas. Sirven para resolver dos principales problemas: 1. Para eliminar cantidades importantes de sólidos suspendidos, como unidad primaria antes de la filtración normal. 2. Para eliminar hierro. Se puede clasificar cuatro tipos distintos de sedimentación. a. La sedimentación de partículas aisladas que no tienen interacción significativa con sus vecinas. Un ejemplo típico es la sedimentación de arena y limo en suspensión. b. Sedimentación de partículas que floculan durante el proceso. c.
La sedimentación se produce en suspensión, ya que las fuerzas de interacción entre las partículas impiden la sedimentación de las partículas próximas.
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d. La sedimentación ocurre cuando las partículas se encuentren a una concentración tal que se ha formado una estructura que se comprime y sedimenta. C. Separadores de arena Son aparatos que pueden hacer las funciones de prefiltros, pero normalmente se instalan dentro del cabezal, cuando el agua está contaminada fundamentalmente por arena (López, 1997). Gracias a un flujo vorticial se consigue separar hasta el 98 % de las partículas mayores de 0.1 mm.
Principio del hidrociclón
En la figura 9.2 se muestra el esquema de un hidrociclón el cual consta de: Una entrada, Di, es un conducto tangencial que introduce el agua con los sólidos hacia el interior de la cámara. Una sección cilíndrica, Dc, donde se crea un movimiento rotacional. Una sección cónica con ángulo , donde tiene lugar la separación de los sólidos. Una salida para la descarga de sólidos, Du. Un colector, Do; es un tubo que se introduce ligeramente en el interior de la sección cilíndrica y que conduce el agua limpia, libre de sólidos, hacia la red de riegos.
Figura 9.2 Esquema ilustrativo del hidrociclón Universidad Autónoma Chapingo
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Funcionamiento del hidrociclón
El agua contaminada entra en el hidrociclón, que debe estar situado en posición vertical, por la conducción Di, con un flujo tangencial a la sección cilíndrica, Dc. El flujo rotacional origina una fuerza centrífuga. Los sólidos, al ser más pesados que el agua, son desplazados hacia el exterior de la corriente y debido a la componente gravitacional desciende hacia el colector de impurezas situado en la parte más baja de la unidad. El agua asciende por la parte central (figura 9.3) y sale por la parte superior (Do).
Figura 9.3 Esquema de funcionamiento del hidrociclón
Pérdidas de carga
La pérdida de carga se mantiene constante a lo largo del tiempo y depende solo del caudal a tratar. En la figura 9.4 se presentan ábacos en función del caudal y del diámetro del hidrociclón o de la entrada del separador.
Figura 9.4. Pérdida de carga en función del caudal y diámetro del hidrociclon
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9.2.2. Filtros de arena Consisten en tanques generalmente metálicos (de acero galvanizado, inoxidable o con protección de pintura antioxidante) o de plástico reforzado (poliéster bobinado con fibra de vidrio o poliéster laminado) capaces de resistir las presiones estáticas y dinámicas de la red, rellenos de arena o grava tamizada de un determinado tamaño (López, 1997). Dentro del cabezal de control o cabezal vendrán situados a la entrada del agua, y antes de los filtros. Los filtros de grava son muy efectivos para retener sustancias orgánicas, pues pueden filtrar a través de todo el espesor de arena, acumulando grandes cantidades de contaminantes antes de que sea necesaria su limpieza. Los factores que afectan al funcionamiento de un filtro de arena son: calidad de agua, características de la arena, caudal y caída de presión admisible.
Figura 9.5 Esquema ilustrativo de los filtros de arena
A. Características de la arena Las arenas comerciales suelen ser clasificadas por números, pero un conocimiento preciso de sus propiedades se consigue usando los conceptos de granulometría, diámetro efectivo, coeficiente de uniformidad, forma de los granos, friabilidad y perdida por ataque al acido (Degremont, 1979). Granulometría. Se caracteriza por una curva representativa de los porcentajes en peso de los granos que pasan a través de una sucesión de tamices normalizados (figura 9.6).
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Figura 9.6. Granulometría
Diámetro efectivo. Es el orificio del tamiz que permite el paso del 10 % de la arena; correspondería al porcentaje 10 de la curva anterior y determina, en gran parte, la calidad del filtrado, juntamente con los factores siguientes, pues el diámetro de poro es, aproximadamente, 1/7 del diámetro efectivo. Coeficiente de uniformidad. Es la relación entre las aperturas de tamiz correspondientes a los porcentajes 60 y 10 de la curva de granulometría. Un valor usual en arenas comerciales es de 1.5. No deberá sobrepasarse el valor 1.6, y solo en casos excepcionales se admitirá hasta 1.8. Forma de los granos. Pueden ser angulosos (material triturado) o redondos (arena de río o de mar). Contrariamente a lo que se pueda pensar, los primeros se acoplan menos fácilmente unos con otros y dejan, por tanto, secciones de paso mayores que los segundos. En consecuencia, para una misma granulometría, el aumento de pérdida de carga es menor con granos angulosos que con granos redondos. Friabilidad. La friabilidad de un material se valora apreciando la cantidad del mismo que se mantiene utilizable después de la trituración, es decir, que tiene el mismo diámetro efectivo que la muestra inicial (cuadro 9.4). Cuadro 9.4 Calidad de la arena según friabilidad Friabilidad Clasificación 15 minutos (750 golpes) 30 minutos(1500 golpes) Muy bueno 6 al 10 % 15 al 20 % Bueno 10 al 15 % 20 al 25 % Aceptable 15 al 20 % 25 al 30 % Malo < 20 % < 30 %
Fuente: López, 1997.
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Perdida por ataque con ácido. Es la pérdida de peso después de un contacto de 24 horas con una solución de ácido clorhídrico al 20 %. Esta pérdida debe ser inferior al 2 %. En el cuadro 9.5 se presentan las características de las granulometrías más usadas. Cuadro 9.5 Características de las granulometrías más usadas Materiales
Clase
efectivo mm
poro mm
Granito molido Granito molido Arena sílice Arena sílice Arena sílice Arena sílice
N° 8 N°11 N°16 N°18 N°20 N°30
1.50 0.78 0.66 0.56 0.46 0.27
0.214 0.111 0.094 0.08 0.066 0.039
Equivalente en mesh 70 140 170 200 230 400
Fuente: Lopez, 1997 B. Caudal El tamaño de partícula mínima que queda retenida en el filtro es función del caudal que pasa a través y del tamaño de la arena, normalmente los caudales oscilan 50 y 70 m3h-1 por m2 de lecho filtrante. El caudal de filtración por metro cuadrado de filtración se selecciona en función de la calidad de agua a tratar (cuadro 9.6). Cuadro 9.6 Caudal en función de la calidad del agua a tratar Calidad del agua Limpia Media Sucia Residuales
Caudal (m3/h/m2) 60 48 40 30
En términos generales, estos filtros, trabajando con caudales hasta de 60 m3 h-1 por m2 de lecho filtrante, son capaces de retener partículas 1/7 veces más pequeñas que el diámetro efectivo de la arena. C. Pérdida de carga La caída de presión de un filtro con materiales de 10, 18 o 20, cuando está limpio, suele ser de 1 a 3 m.c.a, mientras que con arena de los números 30 y 50 es, aproximadamente 3.5 m.c.a (figura 9.7).
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Figura 9.7.Pérdida de carga en función de caudal del filtro de arena
La expresión 9.1 se aplica para cuantificar la pérdida de carga. ( donde:
)
(9.1)
;
; p, Porosidad del -1
medio (cuadro 9.7); V, Velocidad de partículas, en ms ; L, longitud del filtro, en m. Cuadro 9.7 Forma de los granos, porosidad y superficie especifica p Grano Esférico 1.00 0.38 Redondeado con aristas 1.06 0.39 Triturado 1.43 0.48
D. Instalación y limpieza. Capa filtrante única y heterogénea. No es recomendable su empleo, pues por el efecto del lavado la arena se clasifica con los finos en superficie y los granos más gruesos en la parte baja de la capa. Capa filtrante única y homogénea. El material filtrante debe tener un
diámetro
efectivo único y constante en toda la altura del lecho. Estos filtros se limpian invirtiendo el sentido del flujo. El caudal necesario para el lavado está relacionado con la granulometría y debe permitir un expansión de la altura del lecho filtrante del 15 al 25 %.
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En la figura 9.8 se indican el rango de caudales para la limpieza recomendado por m 2 de lecho para diferentes y diámetros efectivos de arena.
Figura 9.8. Gasto para limpieza para un m2 de lecho filtrante en función del diámetro efectivo de arena
9.2.4. Filtros de malla. Constan de una carcasa, generalmente metálica, de forma cilíndrica, que aloja en su interior el elemento filtrante (figura 9.9), compuesto por un soporte perforado metálico o plástico, recubierto por una malla (nylon o acero inoxidable), en algunos casos , el elemento filtrante es doble, empleándose como soporte dos cilindros concéntricos (López, 1997). Estos filtros trabajan a superficie, situándose inmediatamente después del incorporador de fertilizante. El tamaño del orificio de la malla se encuentra en 1/10 del tamaño del mínimo paso del agua en el emisor para goteo y del orden de 1/5 para microaspersores. A. Malla Es el componente fundamental del filtro, puesto que las dimensiones de sus orificios determinan el tamaño máximo de partículas que pueden atravesarlos y, por tanto, la calidad del filtrado. Las dimensiones están normalizadas en diferentes países, Tyler (USA) introduce el término mesh, que ha sido muy difundido y es la designación más comúnmente utilizada.
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Figura 9.9 Esquema ilustrativo de filtro de mallas
Mesh se define como el número de orificios por pulgada lineal, contados a partir del centro de un hilo. Esta definición es equivalente al número designado por la norma americana ASTM 11-81. El área efectiva de una malla (Ae) es el área neta de sus orificios, se calcula multiplicando el área total (A) por el porcentaje de huecos de la malla (P =0.34). Ae PA
(9.2)
B. Elemento filtrante Elemento filtrante es el conjunto malla – soporte. El soporte es normalmente de forma cilíndrica, puede ser metálico o de plástico, y al estar la malla presionada contra el por efecto del empuje del agua disminuye la superficie filtrante de esta, en mayor o menor grado, dependiendo del porcentaje de huecos del mismo. Si llamamos (p) al porcentaje de huecos del soporte, el área neta efectiva del filtro (Ane) será:
Ane Ae p 0.34 * A * p
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(9.3)
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C. Caudales El caudal a tratar por un filtro de malla dependerá de la calidad del agua, el área neta del elemento filtrante y la pérdida de carga admisible (López, 1997). Para un filtro de malla fina (50 – 200 mesh) se recomiendan unas velocidades de filtración de 0.4 a 0.9 ms-1 (cuadro 9.8.). Cuadro 9.8 Caudales según velocidades Caudal por m2 de área neta efectiva de filtro (Ane) en m3h-1
Velocidad 0.4 0.6 0.9
1.44 2.16 3.24
D. Pérdida de carga El incremento de la pérdida de carga en un filtro de malla para una calidad de agua determinada es exponencial y podría expresarse por una ecuación del tipo: (9.4)
H H 0e IV
donde: H, es la pérdida de carga después de pesar un volumen (V), en m.c.a; H0, es la pérdida de carga inicial, en m.c.a; IV, es el índice de filtración, dependiente de las características del filtro (geometría, tipo de malla y soporte, etc.) Cuando el filtro está limpio, la pérdida de carga varia de 1 a 3 m en función del caudal y de lo tupido de la malla. E. Instalación y limpieza El fabricante debe suministrar todas las características necesarias como son: Caudal nominal Diámetro de entrada y salida. Diámetro de la carcasa del filtro Superficie filtrante Tipo de malla y material de esta. Dependiendo del caudal será la cantidad de filtros a instalar teniéndose en cuenta el sentido del flujo del agua, aunque normalmente se instalan en el cabezal debe también
tomarse
en
cuenta
si
se
aplican
fertilizantes
en
la instalación
inmediatamente después. La limpieza se realiza abriendo la carcasa y sacando las mallas. Universidad Autónoma Chapingo
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9.2.5. Filtro de discos o anillos Tienen forma cilíndrica y suelen ir situados entre línea, en posición horizontal (figura 9.10). El elemento filtrante lo componen un conjunto de anillos con ranuras impresas sobre un soporte central cilíndrico y perforado. El agua es filtrada al pasar por los pequeños conductos formados entre dos anillos lo que limita la calidad del filtrado (Rodriguez y Hernandez, 1997).
Figura 9.10 Esquema ilustrativo de un filtro de anillos
Los filtros de anillos están constituidos por anillos planas de material plástico provistos de ranuras (figura 9.11). Dichos anillas están colocados uno sobre otro y comprimidas, formando el elemento filtrante. Los cruces entre las ranuras de cada par de discos adyacentes forman pasos de agua, cuyo tamaño varía según los anillos utilizados. Los pasos de agua en un mismo tipo de anillos son máximos donde la ranura de un anillo coincide con la estría del otro y mínimos donde ésta coincide con el espacio entre dos ranuras, este paso mínimo es el que define el grado de filtración de los anillos; los mismos pasos se repiten a lo largo de la sinuosa trayectoria del agua en su camino desde fuera del cuerpo del cartucho filtrante hacia el interior, en el proceso de filtrado.
Figura 9.11 Esquema ilustrativo de un anillo
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Los filtros de anillos combinan una alta eficiencia en la separación de sólidos, gracias al gran número de capas filtrantes y la posibilidad de escoger el tamaño de los pasos de agua y determinar las dimensiones de los sólidos cuyo paso se pretende impedir. El tamaño de paso del anillo se mide en micras ó en mesh.
Micra. Unidad de medida del Sistema Internacional, 1 micra equivale a 0,001 milímetros (10-6 m).
Mesh. El tamaño de paso medido en mesh es el número de poros (agujeros) que hay en una pulgada lineal. Esta medida es dependiente de la forma del poro y del grosor del material que hay entre dos poros consecutivos.
Figura 9.12 Proceso de filtrado de un filtro de anillos
Figura 9.13 Proceso de lavado de un filtro de anillos
Un filtro con anillos de un determinado grado de filtración tiene unos caudales de paso de agua máximos recomendados, estos caudales dependen asimismo de la cantidad de sólidos en suspensión que lleve el agua a filtrar. Al aumentar el número de mesh (disminuir micraje) de los anillos, disminuye el caudal máximo de paso de
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agua recomendado. Esto significa que si queremos cambiar los anillos para obtener un grado de filtración más fino nos disminuirá el caudal, con lo que se debe ampliar el número de filtros instalados (figura 9.12 y 9.13 Las pérdidas de carga oscilan entre 1 y 3 m.c.a. (figura 9.14).
Figura 9.14. Pérdida de carga en función de caudal del filtro de anillos
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9.3.
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EVALUACIÓN DE LOS COMPONENTES DE LOS EQUIPOS DE FILTRADO
Con respecto al equipo o equipos de filtrado habrá que recoger la siguiente información:
La capacidad de filtrado, o caudal que es capaz de filtrar el sistema, debiendo ser igual o superior al caudal máximo circulante por el cabezal de riego. Si los filtros están dispuestos en paralelo, la capacidad de filtrado será la suma de las capacidades de cada uno de ellos. Por el contrario, si se disponen en serie, la capacidad de filtrado del conjunto será la del filtro de menor capacidad. Por este motivo, si el conjunto de éstos se va a disponer en serie es muy importante que todos los filtros tengan la misma capacidad.
Las presiones a la entrada y salida de los filtros para conocer las pérdidas de carga en los mismos (efectuar la limpieza cuando la diferencia de presión sea superior a 0.5 – 0.6 kgcm-2).
Las características y estado del elemento filtrante (arena, mallas o anillos). En caso de ser filtros de arena, se comprobará que la capa formada dentro del filtro es uniforme, con un tamaño de grano igual al diámetro mínimo de paso del emisor y con un espesor mínimo de 50 cm. En filtros de mallas y anillos, el tamaño de los orificios de la malla o de las ranuras de los anillos (Nº de mesh) deberá ser inferior a 1/7 del diámetro mínimo de paso del emisor.
El manejo del sistema de filtrado: frecuencia de limpieza, fecha de la última limpieza y criterios para efectuar la misma.
El estado general de los filtros.
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A. Mantenimiento del filtro de arenas Cuando aumenta mucho la pérdida de carga en el filtro, debe realizarse la limpieza del mismo. Dicha limpieza se realiza por inversión del flujo de agua, haciéndola circular de abajo a arriba. El lavado se realiza con agua limpia procedente de otros filtros. Con el contralavado, el agua arrastra la suciedad acumulada en el filtro. El agua, cargada de suciedad, sale a través de la válvula de drenaje hacia el exterior. El proceso de limpieza puede automatizarse mediante las válvulas de contralavado y el programado de lavado de filtros. En función de la suciedad que lleve el agua, la arena se deberá reponer periódicamente, como mínimo una vez al año. Se observará, al principio de cada temporada y antes de colocar la arena, el estado de elementos internos, para así evitar que una mala colocación de una junta o crepina pudiera ocasionar problemas posteriores. Se dejará el filtro completamente vacío de agua, cuando vaya a estar sin uso durante largos períodos de tiempo B. Mantenimiento del filtro de mallas Se debe revisar la presión de funcionamiento del sistema a través de los manómetros instalados antes y después de los filtros. El manómetro ubicado a la salida del filtro de malla (o el ultimo manómetro instalado en el cabezal de riego después de los filtros), indica la presión disponible para el funcionamiento apropiado de los emisores más la presión necesaria para el movimiento del agua al interior de tuberías y mangueras. Debe comprobarse la ausencia de fisuras en el cuerpo del filtro y de pérdidas de agua. Por lo general la parte externa del cuerpo de estos filtros es de metal, de modo que si se los instala cerca del punto de inyección de fertilizantes, se recomienda lavarlos periódicamente con agua y jabón para prevenir la corrosión. Asimismo, debe controlarse visualmente el interior del filtro, siempre asegurando, antes de abrirlo, que se haya evacuado la presión interna de la línea y que no se produzca un flujo en sentido contrario.
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Una vez abierto el cuerpo, se extrae la malla y se comprueba que esté entera y sin señales de roturas por efecto de la presión interna o de la contrapresión. Si apareciera alguna de estas averías se requiere cambiar la malla. Al mismo tiempo se comprueba que la malla esté limpia. Si se hubiese acumulado suciedad, se la puede limpiar con un cepillo suave (nunca de acero, que podría dañarla). Debe comprobarse el estado de las juntas o empaquetaduras de goma, que no tengan roturas ni deformaciones C. Mantenimiento del filtro de anillas Comprobar que la presión de trabajo del cabezal, está comprendida entre 1 y 6 Kg/cm2. Comprobar que la diferencia de presiones entre la entrada y la salida del cabezal es inferior a 0,4 Kg/cm2. Si es superior, hay que limpiar las anillas del siguiente modo: 1. Cerrar las válvulas del colector de entrada y salida. 2. Abrir la válvula de vaciado. 3. Abrir la válvula de purga (parte superior del filtro). 4. Quitar la abrazadera de cierre de tapa. 5. Extraer el cartucho de anillas. 6. Aflojar la tuerca de apriete y separe las anillas. 7. Proyectar agua a presión sobre las anillas. 8. Para limpieza en profundidad de las anillas, introducirlas en solución ácida a pH entre 4 y 5 durante 12 horas. 9. Una vez limpias las anillas, colocarlas y apretar hasta que no giren con facilidad.
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9.4. EJEMPLO DE PROCEDIMIENTO DIFERENTES TIPOS FILTROS
DE
SELECCIÓN
PARA
9.4.1. Datos generales Nombre del cultivo: Frutales Fuente del Agua: Pozo y rebombeo Calidad del agua: Buena Tratamiento previo: Ninguno Caudal del sistema [m3s-1]: 0.01276 [m3s-1]; 46 m3h-1 9.4.2. Emisores Tipo de emisor: Microaspersor Caudal nominal (lh-1): 43 Presión nominal (kgcm -2):1.5 a 3 Diámetro de boquilla [mm]: 0.94 9.5.
PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN
9.5.1. Hidrociclón Se debe seleccionar un sistema de separación de sólidos para el riego (cuadro 9.9, 9.10 y figura 9.16), donde el caudal es de 46 m3h-1.
Figura 9.15. Esquema de relación de medidas en hidrociclones comerciales
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Cuadro 9.9.Modelos y especificaciones de modelos comerciales de hidrociclones
Figura 9.16. Pérdida de carga en relación al caudal de filtración de hidroclones Yamit Eli Cuadro 9.10 Hidrociclones comerciales Filtro HIDROCICLON 2" RM HIDROCICLON 3" VICT. HIDROCICLON 3*4" VICT. HIDROCICLON 4" VICT. HIDROCICLON 6" BR
Caudales ls-1 MÍNIMO ÓPTIMO MÁXIMO 3.7 4.3 5 9.7 11.5 13 13.5 15.8 18 23 27 31 40 47 53.5
Entrando al cuadro 9.9 y conociendo el gasto del sistema
se selecciona el
hidrociclón de 3x4‖ que cumple los requerimientos que se necesitan. En la figura 9.16 para nuestro gasto se tiene una pérdida de carga de 2.7 mca. De esta forma se
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garantiza que el caudal de operación sea el adecuado para garantizar la fuerza centrífuga necesaria para la separación de los sólidos.
9.5.2. Filtros de arena El diámetro del microaspersor es de 0.94 mm. Por lo que el orificio de la malla debe ser (1/10) del diámetro del emisor, es decir, 0.094 mm que sería el diámetro de poro. Para un diámetro de 1/7 del emisor se tiene que:
Se selecciona del cuadro 9.5 Arena de sílice Nº 16 con diámetro efectivo de 0,66 y Ø de poro de 0,094 que es el necesario. El área de filtrado necesaria para el caudal del sistema, se selecciona en función de la calidad del agua de acuerdo al cuadro 9.6 siendo el área de filtración:
Para la selección de la cantidad de filtros hay que tener en cuenta que al menos se deben seleccionar 2 filtros en paralelo pero además el caudal de retrolavado y la operación del sistema de riego mientras se realiza la limpieza. Para realizar la limpieza y mantener en funcionamiento del sistema se requiere el caudal del sistema (46 m3h-1) más el caudal requerido para el retrolavado que entrando a la figura 9.8 y para un diámetro efectivo de arena de 0.66 se tiene que que el caudal de lavado es de 50 m3h-1 por m2 por lo que para 0.957 m2 es 47.85, por lo que el caudal seria 46 + 47.85 =93.85, de acuerdo al caudal y entrando al cuadro 9.11 se seleccionan dos filtros de 91 cm de diámetro.
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Cuadro 9.11. Relación área vs caudal en tanques de filtración Tanques Caudal según calidad del agua [m3h-1]. 2 Área [m ] Diámetro Cantidad Limpia Media Sucia Residual [cm] 2 0.32 19.2 15.4 12.8 9.6 3 0.48 28.8 23 19.2 14.4 4 0.64 38.4 30.7 25.6 19.2 46 6 0.96 57.6 46.1 38.4 28.8
61
76
91
122
8 2 3
1.92 0.57 0.86
115.2 34.2 51.5
92.2 27.4 41.3
76.8 22.8 34.4
57.6 17.1 25.8
4 6 8 2 3 4 6 8 2 3 4 6 8 2 3 4 6 8
1.14 1.71 2.28 0.91 1.36 1.82 2.73 5.44 1.31 1.96 2.62 3.93 7.84 2.32 3.48 4.64 6.96 13.92
68.4 102.6 136.8 54.6 81.6 109.2 163.8 326.4 78.6 117.6 157.2 235.8 470.4 139.2 208.8 278.4 417.6 835.2
54.7 82.1 109.4 43.7 65.3 87.4 131 261.1 62.9 94.1 125.8 188.6 376.3 111.4 167 222.7 334.1 668.2
45.6 68.4 91.2 36.4 54.4 72.8 109.2 217.6 52.4 78.4 104.8 157.2 313.6 92.8 139.2 185.6 278.4 556.8
34.2 51.3 68.4 27.3 40.8 54.6 81.9 163.2 39.3 58.8 78.6 117.9 235.2 69.6 104.4 139.2 208.8 417.6
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9.5.3. Filtros de anillos El diámetro del microaspersor es de 0.94 mm. Por lo que el orificio de la malla debe ser (1/10) del diámetro del emisor, es decir, 0.094 mm. Para calcular el área necesaria (A), se debe considerar el área efectiva de paso en el anillo que de acuerdo:
donde: Ae, área efectiva, en m2; A, área necesaria, en m2; Vp, velocidad de paso de agua a través del orificio que va de 0.4 a 0.9 ms-1. por lo tanto:
Figura 9.17. Color del anillo de disco y pérdida de carga en función del caudal
En función del área necesaria (750 cm2) y de acuerdo a modelos comerciales presentados en el cuadro 9.12 se elige un filtro de 3‖ para un caudal de 50 m 3h-1 y una área de filtrado de 2 000 cm2 suficiente para cumplir lo calculado y una pérdida de 2.4 kgcm-1. Cuadro 9.12 Modelos y especificaciones de modelos comerciales de hidrociclones
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9.6.
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DISCUSIÓN DE RESULTADOS
De acuerdo al gasto del sistema se procedió a seleccionar un hidrociclon comercial mediante el caudal óptimo del mismo dando como resultado un hidrociclón de 4‖. De igual manera se seleccionó dos filtros de arenas de 91 cm y un gasto mayor al del sistema por lo que se consideró el gasto de retrolavado. Tomando en cuenta el gasto y la velocidad de entre 0.4 a 0.9 ms-1 (0.5 ms-1 ) se obtuvo una área efectiva de filtración y considerando el factor 0.34 se procedió a obtener el área total de la malla por lo que se seleccionó un filtro de malla
de diámetro nominal 3‖ y gasto de
filtración de 50 m3h-1. 9.7.
CONCLUSIONES
Para seleccionar el equipo de filtrado para un sistema de riego, es necesario conocer el gasto y la calidad del agua, de los diferentes equipos comerciales, se determina cual es el filtro que mejor funciona en el sistema, resultado que se refleja en la vida útil de los emisores del sistema de riego. De acuerdo a los objetivos se discutieron las características de cada tipo de filtro y de que depende su funcionamiento que es lo que influye en el mantenimiento de los mismos. 9.8.
CUESTIONARIO
1) Explique qué aspectos se toman en cuenta en la selección del filtro. 2) De que depende el mantenimiento de los filtros. 3) Discuta cuales son los factores a considerar en la selección del tipo de filtro. 4) Caracterice los filtros existentes en los campos experimentales de la UACH que tengan riego por goteo.
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9.9.
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BIBLIOGRAFÍA
Gustav S. P. (2001). Introducción a la teoría y práctica de la técnica de membranas. Ponencias, Colombia. López J. R., (1997). Riego Localizado. Eds. Mundi-prensa.2ª Ed. Madrid, España. Marín G. R. (2003). Fisicoquímica y microbiología de los medios acuáticos: Tratamiento y control de calidad de aguas. Editorial Díaz de Santos, Madrid, España. Rodríguez L. J. y Hernández A. J., (1997). Riego Localizado (2ª ed.). Editorial Mundiprensa. España.
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10.
EQUIPOS DE FERTILIZACIÓN
10.1. OBJETIVOS Caracterizar tanto el proceso de fertirrigación como los equipos de inyección de fertilizantes para generar criterio para su selección y manejo. 10.2. ASPECTOS TEÓRICOS DE FERTIRRIGACION La aportación de productos químicos al agua en sistemas de riego a presión, es hoy día una técnica muy extendida que presenta ventajas evidentes: reducción de mano de obra, aplicación casi uniforme, incorporación de cantidades precisas en el momento adecuado, etc. La fertirrigación propiamente dicha, es la técnica de abonado que más ventajas asociadas conlleva, siendo un sistema muy eficiente de fertilización que permite la realización de un abonado racional (Cadahia, 2002). Los elementos que precisan los equipos más completos son un inyector, un depósito para productos químicos, elementos de calibración y control y un sistema de retención para evitar flujo inverso en la red. El equipo de inyección se suele ubicar en el cabezal, antes de los filtros de malla o en campo, al comienzo de las unidades de riego. 10.2.1.
Ventajas y limitaciones
Los beneficios de aplicar los fertilizantes y otras sustancias químicas a través del sistema de riego son ampliamente reconocidos (Nathan, 2005). A. Ventajas Mayor eficiencia:
Mejor distribución y mayor uniformidad en la aplicación de los materiales como consecuencia de ser aplicados disueltos en el agua de riego;
Cada planta en el campo recibe los nutrientes en forma exacta;
La penetración al suelo es mejor y más rápida;
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La posibilidad de dividir la dosis anual de los fertilizantes en muchas porciones, de esta manera se incrementa la disponibilidad de los nutrientes;
Las pérdidas de nutrientes desde la superficie del suelo serán inferiores, por ejemplo, las pérdidas de nitrógeno por volatilización;
La posibilidad de adaptar la nutrición a las distintas etapas del desarrollo fenológico del cultivo, como la floración, cuajado, crecimiento vegetativo, etc.
La fertirrigación permite aplicar los nutrientes según las necesidades del cultivo, posibilitando modificar la relación entre ellos;
La posibilidad de dividir la dosis recomendada en pequeñas porciones puede reducir la cantidad total de fertilizantes aplicados;
En sistemas de riego por goteo, debido a que el sistema moja una pequeña porción del terreno solamente, la fertirrigación constituye una obligación. Control y dosificación:
Se pueden aplicar cantidades exactas de fertilizante a través de sistemas de control automáticos, según un programa pre-establecido;
Existe la posibilidad de controlar el proceso en forma absoluta, lo que permite la aplicación de micronutrientes a través del sistema de riego. Los micronutrientes son sustancias caras y, por medio de la aplicación continua y repetida en pequeñas porciones durante un periodo de tiempo prolongado, se puede incrementar la disponibilidad de los mismos en forma significativa, especialmente en suelos marginales. Este tratamiento puede reemplazar las aplicaciones foliares;
La fertirrigación se adapta fácilmente a sistemas de control de riego automáticos, lo que incrementa la exactitud. Control de profundidad y momento de aplicación:
Las frecuentes aplicaciones en pequeñas dosis evita la pérdida de fertilizantes.
Esta reducción en las pérdidas se debe a una reducción de la lixiviación por efecto de fuertes lluvias por debajo del sistema radicular de la planta. En
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muchas zonas tropicales, se practica la fertirrigación con este objetivo únicamente.
Existen situaciones en las cuales, dependiendo del tipo de suelo, fertilizante y cultivo, es importante aplicar el fertilizante hacia el final del ciclo de riego, para evitar la lixiviación.
La fertirrigación permite mantener un nivel nutritivo adecuado en suelos pobres, con baja capacidad de retención de nutrientes, posibilitando el cultivo en suelos marginales.
Además, la posibilidad de controlar la profundidad y el momento de aplicación evita que sustancias químicas contaminen las aguas subterráneas. Ahorro de mano de obra y comodidad:
La operación de los sistemas es rápida y cómoda.
La quimigación ahorra mano de obra y energía.
No se necesita maquinaria especial para la aplicación de los fertilizantes.
Una sola persona puede operar todo el sistema desde un cabezal. Compactación del fertilizante:
No se necesita conducir tractores que arrastren aparatos pesados para la dispersión de los fertilizantes;
Se evitan los daños de compactación de suelos, lo que incrementa los rendimientos. B. Limitaciones y precauciones Toxicidad:
Muchos sistemas de riego están ligados a sistemas de agua potable. El agua que contiene sustancias químicas no debe ser bebida por seres humanos ni por animales. Es importante advertir en forma visible tanto a los trabajadores como a los transeúntes del peligro de beber de esta fuente de agua. Asimismo es necesario que una fuente de agua potable esté disponible.
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Contaminación de aguas subterráneas: Lo que antes fue mencionado como una ventaja, puede constituirse en una limitación, cuando no se emplean sistemas exactos de monitoreo del riego, debido a que el exceso de agua conteniendo sustancias químicas puede llegar a las aguas subterráneas. Adaptabilidad del fertilizante: La fertirrigación exige el uso de fertilizantes líquidos, o sólidos solubles. Los fertilizantes que no sean fácilmente solubles, no se adaptan a esta tecnología. Interacciones entre las sustancias inyectadas y el agua de riego:
Todas las sustancias a inyectar en el sistema de riego deben ser evaluadas para determinar si causarán alguna reacción química indeseada. Por ejemplo, las fuentes comunes de cloro son agentes oxidantes, lo que causa la precipitación de carbonato de calcio y de magnesio, al igual que la de óxidos de hierro, etc.
Los fertilizantes fosfatados, tales como super-fosfato pueden reaccionar con el calcio presente en el agua de riego y precipitar.
Muchos fertilizantes causan un incremento en el pH del agua de riego, lo que aumenta el riesgo de las precipitaciones. Peligro de corrosión:
La corrosión de los componentes del sistema puede ser un problema serio. Todas las partes que entran en contacto con soluciones concentradas y/o con sustancias químicas inyectadas, deben estar hechas de materiales resistentes a la corrosión, con el fin de reducir al mínimo la misma.
Tanto el sistema de inyección como el de riego, deben ser lavados cuidadosamente después de cada inyección (no con ácidos ni cloro). Todos los fertilizantes son corrosivos hasta cierto punto.
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Requerimientos de seguridad:
Muchos fertilizantes causan una reacción ácida fuerte, razón por la cual es necesario tomar las debidas precauciones en su manejo.
El equipo de fertirrigación debe estar equipado con un dispositivo de prevención de flujo hacia atrás. Este dispositivo tiene un doble propósito: previene el flujo del agua de riego en sentido inverso con o sin sustancias químicas, y quiebra el sifonaje hacia atrás que pueda ocurrir si el sistema falla o se cierra. Inversión inicial elevada:
Se requieren muchos accesorios para el fertirriego, razón por la cual la inversión inicial es alta. Se requiere un funcionamiento correcto de todos los componentes del sistema:
Si uno de los componentes del sistema no está operando correctamente, el proceso no está funcionando apropiadamente;
Se depende del correcto funcionamiento del sistema. 10.2.2. Equipos de inyección
La gama de sistemas y dispositivos de inyección en corrientes a presión es muy variada. Existen soluciones específicas para cada uso donde se presente la necesidad de incorporar gases, líquidos e incluso sólidos, a un flujo principal (Manzano, 2008). Clasificación de equipos La forma en que produce la incorporación de producto químico, los principios en que se basa el funcionamiento del equipo y la fuente de energía, permiten su clasificación desde estos tres puntos de vista (Manzano, 2008).
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Atendiendo a la forma de realizar la inyección
Caudal de inyección constante o casi constante, independiente del caudal de la red de riego.
Caudal de inyección proporcional al de la red de riego y, por tanto, variable con este.
Según los principios de funcionamiento
Inyección por diferencia de presión. La solución madre se incorpora a la corriente de riego creando una diferencia de presión entre esta y el depósito de almacenamiento de aquella.
Inyección por bombeo. La solución madre se incorpora a la corriente de riego mediante una bomba.
Según la fuente de energía usada
De accionamiento hidráulico, utilizando parte de la energía de la corriente de riego.
De accionamiento eléctrico, utilizando este tipo de energía.
Los dispositivos de inyección actualmente utilizados, incluidos en uno o más de los anteriores grupos, son:
Bomba inyectora (caudal constante o proporcional y de accionamiento hidráulico o eléctrico)
Tanque fertilizante (caudal constante creado por una diferencia de presión y de accionamiento hidráulico)
Venturi (caudal variable creado por una diferencia de presión y accionamiento hidráulico). A. Bombas inyectoras
Pueden ser accionadas con energía eléctrica o hidráulica y es el sistema que permite la inyección más uniforme, especialmente las de accionamiento eléctrico; pero el
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más caro. Las bombas eléctricas son de desplazamiento positivo o rotodinámicas, mientras que las hidráulicas son siempre de desplazamiento positivo.
Inyectoras eléctricas
En las de desplazamiento positivo, figura10.1, el elemento impulsor es un émbolo o una membrana, dotados de movimiento alternativo, en el interior de una cámara. La cámara o cilindro dispone de entrada y salida, ambas con sendas válvulas antiretorno. El caudal inyectado se regula variando el recorrido del elemento impulsor (volumen efectivo del cilindro), mediante un dispositivo accionado manual (tornillo micrométrico) o automáticamente. Los motores eléctricos son de baja potencia (de 0,05 a 0,5 kW en modelos normales) y generalmente alimentados por corriente alterna.
Figura 10.1 Esquema de funcionamiento de inyectora eléctrica
El caudal inyectado por una bomba de pistón viene dado por la siguiente expresión: Q NR 2 C
(10.1)
donde: Q, Caudal, en lh-1; N, Número de ciclos aspiración-impulsión, en h-1; R, radio del pistón, en dm; C; carrera del pistón o desplazamiento horizontal, en dm. Se fabrican para caudales desde algunos a varios miles de lh-1, con una presión de inyección entre 2 y 18 atmósferas, pudiendo regularse la inyección entre el 10 y el 100 % del caudal máximo. En general, en estas bombas volumétricas, la inyección se produce en forma de flujo discontinuo, con saltos bruscos al final de cada carrera. Para bajos caudales de inyección se utilizan las inyectoras electromagnéticas, en las que el movimiento alternativo del pistón o membrana es proporcionado por un solenoide. Es un sistema fácilmente automatizable y no causa pérdidas de carga en la corriente principal. En la figura 10.2 se presenta un esquema genérico de instalación. Universidad Autónoma Chapingo
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Figura 10.2 Esquema instalación de inyectora eléctrica
Las bombas centrífugas, accionadas por motor eléctrico, también tienen aplicación como inyectoras. En algunos casos ha de recurrirse a bombas centrífugas y variadores de frecuencia. Dado que la inyección debe hacerse para alcanzar una determinada concentración en la red de riego, es imprescindible la regulación del caudal inyectado. La inyección con bombas centrífugas requiere, en cualquier caso, que la altura manométrica suministrada sea superior a la del punto de inyección. Una variante, usando bombas centrífugas, figura 10.3, consiste en la conexión de la tubería procedente del depósito de fertilizante a la aspiración de la bomba principal. En este sistema se puede producir una inyección excesivamente rápida con problemas asociados de mala distribución (Manzano, 2008).
Figura 10.3 Inyección en aspiración de la bomba principal
Inyectoras hidráulicas
Las inyectoras hidráulicas, figura 10.4, utilizan la energía de la red para su funcionamiento. De nuevo se trata de bombas de desplazamiento positivo de membrana o pistón. Su instalación suele ser en by-pass con la conducción principal, y el caudal inyectado proporcional a la presión disponible a la entrada que, en consecuencia, se ve afectado por las variaciones de presión en la red (Manzano, 2008).
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Figura 10.4 Esquema genérico de funcionamiento de una inyectora hidráulica
El caudal inyectado Q, esta dado por la expresión: Q n
(10.2)
donde: , volumen por embolada, en m3; n, emboladas por unidad de tiempo. La regulación del caudal inyectado se realiza, habitualmente, ajustando la presión de entrada y variando de este modo el número de emboladas por unidad de tiempo. El rango típico en riego varía entre 20 y 300 [lh -1], existiendo modelos de hasta 3000 [lh 1
], no usuales en fertirrigación. Requieren una presión mínima de funcionamiento en
torno a 1 o 2 [kgcm-2] en la mayoría de los modelos para riego. El empleo de bombas hidráulicas está bastante extendido, siendo adecuadas en instalaciones de superficies medias en las que no se dispone de energía eléctrica. La instalación típica de estas bombas se muestra en la figura 10.5.
Figura 10.5 Esquema de instalación de una inyectora hidráulica
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Otras bombas
Excepcionalmente
pueden
encontrarse
bombas
de
engranajes
y
bombas
peristálticas. Las primeras aseguran un flujo constante en función de la velocidad de giro y las segundas caudales inyectados a partir de unos 10 [lh-1]. B. Tanque de fertilizante Se trata de depósitos metálicos de acero inoxidable, tratados con anticorrosivos, o de poliéster reforzado con fibra de vidrio, de forma cilíndricas y dotadas de cierre hermético. Se instalan en paralelo a la tubería principal y una vez cerrados y conectados a la instalación se alcanza en ellos la misma presión que en la red de riego. Han de soportar por tanto las presiones que en ella se presentan. La presión de trabajo está comprendida preferentemente entre 3 y 6 atmósferas y su capacidad oscila entre 20 y 400 litros. El tanque, figura 10.6, posee dos tomas, una de entrada y otra de salida, conectadas a la red en dos puntos próximos pero separados por una válvula que crea una diferencia de presión para que parte del agua circule por el tanque. En su interior se colocará el abono en forma líquida o sólida para disolverse a continuación, formándose la solución fertilizante. La diferencia de presiones que debe provocarse es de 1 a 5 m.c.a. (Arviza, 2001).
Figura 10.6 Esquema de instalación y funcionamiento de un tanque de inyección
El agua debe entrar por la parte inferior del tanque de manera que hasta su salida por la parte superior, favorezca la disolución del fertilizante. Al ir saliendo fertilizante va disminuyendo la concentración en el tanque (figura 10.6) y consecuentemente en el agua de riego. La ley que liga la concentración con el tiempo (Montalvo, 2007) es:
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Ct C 0 e
Qt
(10.3)
donde: Ct, concentración en el instante t; C0, Concentración inicial; Q, caudal de entrada (y salida); t, tiempo de inyección; V, volumen del tanque, en m3.
Figura 10.7. Evolución de la concentración en un tanque de 200 l
De esta ley, representada en la figura 10.7, puede deducirse que el tiempo requerido para aplicar todo el fertilizante tiende a infinito, puesto que Ct va disminuyendo con el tiempo y no es práctico tratar de aplicar más del 98 % del fertilizante inicial; es decir: Ct C 0 Ct C0 0.98C0 0.02C0
Ct 0.02 C0
(10.4)
Despejando de la formula anterior se tiene:
ln 0.02 3.91
Qt 3.91 Q t
(10.5)
Caudal que debe llegar al tanque, de volumen , para inyectar el 98% de fertilizante en un tiempo t.
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C. Inyector Venturi La Norma ISO15873:2002. Irrigation equipment. Differential pressure venturi fertilizer injectors, define el ―inyector Venturi de presión diferencial‖ como un dispositivo cuyo funcionamiento consiste en introducir una corriente a presión de agua de riego a través de un conducto, incrementando la velocidad y reduciendo la presión, para arrastrar un líquido aditivo a través de una tubería de succión y mezclando el aditivo con la corriente de agua de riego e incorporarlo al exterior del elemento. El inyector Venturi, así denominado en honor al italiano Giovanni Battista Venturi (1746- 1822), consta de tres partes, figura 10.8: una convergente (tobera), seguida de otra de sección constante (garganta), para terminar en una expansión gradual (difusor).
Figura 10.8 Esquema de inyector Venturi
Al producirse una reducción gradual del diámetro, desde la tobera de entrada hasta la garganta, tiene lugar un aumento de la velocidad con la consiguiente disminución de la presión. Si el caudal que circula es suficientemente grande, la presión en la garganta llega a ser negativa y si a ella se conecta una conducción hasta un depósito abierto con solución fertilizante, se establecerá un flujo entre depósito y garganta. Su funcionamiento, por tanto, depende de la presión y caudal de alimentación, hecho del que, como se indica más adelante, deriva el principal problema de este inyector. La figura 10.9, muestra el esquema de instalación básico, incluyendo la posibilidad de automatización y la figura 10.10
ilustra algunos montajes propuestos por la
Norma ISO 15873:2002, pudiéndose ver en todos ellos que el principio de funcionamiento es el anteriormente descrito. Las instalaciones A y B son los más comunes.
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Figura 10.9 Esquema básico de instalación de un inyector Venturi
Figura 10.10 Instalaciones típicas de inyectores Venturi
Un tipo de conexión más compleja, figura 10.11, propone el uso de dos inyectores, uno principal y otro secundario, estando este último conectado entre la entrada y la garganta del principal, quien realiza la aspiración. Con este tipo de instalación en cascada, denominada Venturi duplo se consigue aumentar el caudal inyectado y con menores pérdidas que si se emplease un único Venturi. El inyector secundario debe ser de menor diámetro que el principal, para tener las citadas ventajas.
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Figura 10.11 Esquema de Venturis en paralelo
Ventajas e inconvenientes del inyector Venturi Es un sistema robusto y el más barato, sin partes móviles, que no requiere aporte externo de energía eléctrica, igual que los tanques de fertilización e inyectoras hidráulicas. Como inconvenientes se pueden citar los siguientes: a) En la práctica, la solución fertilizante se sitúa a una cota inferior al inyector, siendo preciso crear presiones de hasta -2 m.c.a. en la garganta con elevadas diferencias de presión entre entrada y garganta, para que comience la aspiración. Las pérdidas que produce un inyector son como mínimo el 30% de la presión de entrada (Dorota, et al., 1990), superando incluso el 60 % según la información suministrada por algún fabricante. b) La gran caída de presión inherente a las pérdidas de carga, se traslada a los emisores; disminuyendo su caudal durante la inyección y teniendo que alargar el postriego. c) Cuando la superficie libre de la solución madre está próxima a la entrada del tubo de aspiración, se facilita la entrada de aire en la red de riego. d) Las elevadas velocidades en la garganta, necesarias para generar una presión negativa, provocan erosión variando su diámetro y alterando las características de funcionamiento del Venturi, especialmente si el material es plástico. e) Hay riesgo de cavitación con la consiguiente erosión, aguas abajo de la garganta. f) El caudal inyectado no es constante, dependido del nivel en el depósito de la solución madre y de las fluctuaciones de presión en la red.
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10.2.3.
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Consideraciones en la elección de un equipo
Existen en el mercado gran variedad de equipos que se diferencian en las cualidades, posibilidades y limitaciones, y por supuesto en el precio. Por lo tanto, las condiciones y necesidades son diferentes en cada caso, y deben considerarse minuciosamente todos los factores para adoptar la decisión correcta (cuadro 10.1). Pueden utilizarse equipos altamente sofisticados y automatizados o un simple tanque de derivación de flujo o de arrastre. Cuadro 10.1 Comparación de Sistemas de fertilización Arrastre Inyector Venturi Bomba dosificadora Facilidad de manejo
Alta
Media
Baja
Uso de Fertilizantes sólidos
+
- (*)
- (*)
Uso de fertilizantes líquidos
+
+
+
Alta
Baja
Alta
Ninguna
Media
Buena
Control del Volumen
Bueno
Medio
Bueno
Pérdida de presión
Baja
Muy Alta
Ninguna
Automatización
Baja
Media
Alta
Precio
Bajo
Medio
Alto
Velocidad de descarga Control de la concentración
(*) Requiere uso de fertilizantes líquidos o preparar una solución disolviendo fertilizantes sólidos.
Las consideraciones más importantes son: Volumen y capacidad del equipo: Tomar en cuenta la cantidad de solución que el tanque del equipo puede contener y el caudal proporcional y total que puede introducir en la red de riego. Estos valores se determinan de acuerdo con los turnos de riego y dosis de fertilización, condiciones de abastecimiento del agua (presión, caudal - tiempo), red de agua, etc.
Fidelidad de funcionamiento: Considerar la precisión del equipo y su resistencia en condiciones de campo es compatible con las necesidades de prestación y el tiempo de amortización de la inversión.
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Fuente de energía disponible: Para la introducción del fertilizante en la red de riego: Electricidad rural, Red de agua con buena presión, motores diesel ó tractor.
Movilidad: En el campo, las unidades de riego pueden ser numerosas, alejadas y diversas, en esos casos es útil prestar atención a la posibilidad de contar con un equipo móvil.
Disponibilidad de tipos de fertilizantes: Algunos sistemas admiten el uso directo de fertilizantes sólidos, mientras que otros requieren disolverse previamente o el uso de fertilizantes líquidos.
Automatización: La posibilidad debe considerarse para el presente o un futuro. Actualmente hay gran diversidad de estos equipos automáticos en serie, hidráulicos o eléctricos.
Servicio y costo. Todo elemento mecánico o eléctrico se desgasta con el uso y el servicio que suministra el fabricante o el agente debe considerarse con suma atención. El costo anual debe incluir el precio de compra, la vida útil del equipo y su mantenimiento.
Los factores a tener en cuenta son los siguientes (Nathan, 2005): Descarga del inyector: Conocer la capacidad de inyección del inyector es muy importante para poder calcular el volumen de solución a inyectar en el sistema de riego durante un tiempo determinado. Para calcularlo usamos la ecuación 10.6: (10.6) donde: q, descarga del inyector, en lh-1; A, área, en ha; Df, dosis de fertilizante, lha-1; t, duración de la fertilización, en h. Cálculo de capacidad del tanque: El volumen mínimo de solución fertilizante en el tanque para fertilizar durante un solo turno de riego, se calcula por medio de la ecuación10.7: (10.7) donde: V, volumen en l; Df, dosis fertilizante, en lha-1; A, área, en ha. Universidad Autónoma Chapingo
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Confiabilidad y exactitud Es importante asegurarse que el equipo opere en la forma deseada, sin necesidad que el operador intervenga. Operación Se debe entrenar al operador debido a la complejidad y sofisticación de parte del nuevo equipo. Energía Se necesita una fuente de energía para poder inyectar. Esta energía puede ser hidráulica, es decir suministrada por la presión del sistema de riego, eléctrica o ser suministrada por un motor de combustión interna. La elección dependerá del precio y disponibilidad. Tasa de dilución o concentración de solución fertilizante Se trata de la relación (en porcentaje) entre el volumen de la solución fertilizante concentrada y el volumen total de la solución final, calculada por medio ecuación10.8. (10.8) donde: Fc, concentración de la solución fertilizante en el sistema de riego, en %; q, descarga del inyector, en lh-1; Q, descarga del sistema de riego, en lh-1. Adaptabilidad a la automatización El equipo seleccionado debe incluir la opción de ser automatizado en el futuro Otras aplicaciones El equipo puede ser usado para otras aplicaciones tales como inyección de ácidos para tratar el sistema de riego y evitar precipitaciones que tapan los emisores.
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Garantía y servicio Es importante considerar la garantía y el tipo de servicio suministrados por el fabricante y/o distribuidor local, la disponibilidad de repuestos, etc. Estándares Es necesario asegurarse que todos los accesorios sean producidos por fabricantes confiables, supervisados por instituciones acreditadas que operen bajo estándares reconocidos. Experiencia de campo Es esencial que el equipo seleccionado tenga abundante experiencia en el campo. Precio Este se expresa como el gasto anual basado en el costo de adquisición, mantenimiento y vida útil del equipo. Cualquiera de los sistemas requieren de un tanque, de construcción y capacidad adecuada para suministro de fertilizantes, sea previamente diluido o para colocar directamente el fertilizante sólido. Los tanques, deben resistir la presión y la corrosión, oscilan usualmente entre volúmenes de 50 a 1000 litros. Esta capacidad debería ser suficiente para fertilizar un área de un turno de riego completo sin necesidad de rellenado. Para elegir el volumen adecuado (V, m3) se necesita conocer la solubilidad de los fertilizantes en agua (sol, kgm-3), el área a fertilizar (A, ha), la cantidad de fertilizante a aplicar (Q, kgha-1) y el número de aplicaciones entre recargas sucesivas (n): V = n Q x A/sol. 10.2.4.
Manejo de la fertirrigación
Para que la fertirrigación sea eficiente, el sistema de riego debe ser manejado apropiadamente. Tanto el intervalo como la lámina de riego deben ser determinados utilizando procedimientos científicos. La aplicación de un exceso de agua a la planta no solo constituye un uso ineficiente de este recurso, sino que traerá como consecuencia el lavado de sustancias químicas y de nutrientes necesarios para el sistema radicular. Las aplicaciones de sustancias químicas deben ser planeadas según el calendario de riego y no viceversa (Nathan, 2005).
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A. Calibración La calibración de los sistemas de fertirrigación es relativamente fácil, sin embargo requiere tiempo, equipo y cálculos exactos para alcanzar la tasa de aplicación apropiada. La calibración incluye varias etapas básicas: 1. Determine el área a ser regada/fertirrigada, en hectáreas o en cualquier otra unidad; 2. Determine la cantidad de fertilizante deseada a aplicar por unidad de terreno. En el caso de que la recomendación fue dada en kilos de nutriente por hectárea, emplearemos la ecuación 10.9: F
(10.9)
donde: Fw, dosis fertilizante (por peso), en kgha-1; Nw, dosis nutriente (por peso), en kgha-1; Nc, concentración del nutriente en el fertilizante, en %. 3. Determine el volumen deseado de fertilizante a aplicar por unidad de terreno por medio de la ecuación10.10: (10.10) donde: Fv, dosis fertilizante (por volumen), en lha-1; Fw, dosis fertilizante (por peso), en kgha-1; Sw, peso específico de la solución fertilizante, en kgl-1. 4. Determine la cantidad total de fertilizante requerida para un solo turno. Cuando una cierta cantidad de fertilizante será aplicada en un solo turno de riego, independientemente del momento de la inyección y de la relación de dilución, se emplean la ecuaciones 10.11 y 10.12: (10.11) (10.12) donde: Ft, fertilizante por turno de riego, en l o kg; Fw, dosis fertilizante (por peso), en kgha-1; Fv, dosis fertilizante (por volumen); en kgha-1; A, área fertirrigada en un solo turno de riego, en ha.
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B. Descarga del tanque fertilizante Debido a que el volumen de agua que tiene que pasar por el tanque fertilizante para inyectar el fertilizante diluido es de 4 veces el volumen del tanque, entonces: (10.13) donde: q, descarga del tanque, en lha-1; Tv, volumen del tanque, en l; t, duración de la fertilizante, en h. C. Descarga del inyector (hidráulico o eléctrico) (10.14) donde: q, descarga del inyector, lh-1; Fc(v), concentración del fertilizante (por volumen), en l de fertilizante por m-3 de agua; Q, descarga del sistema de riego, en m³h-1. D. Descarga del inyector para dosificación cuantitativa La descarga requerida se calcula de la manera siguiente: (10.15) donde: q, descarga del inyector, en lh-1; Ft, solución fertilizante a ser inyectada durante un turno de riego, en l; t, duración de la fertirrigación, en h. E. Peso de fertilizante sólido por metro cúbico de agua de riego Cuando se dan las recomendaciones en ppm (partes por millón), el cálculo se hace de la manera siguiente: (10.16) donde: Fc(w),
concentración
del fertilizante
(por peso),
en grm-³;
Nc(w),
concentración del nutriente en el agua de riego, en ppm; Nc, concentración del nutriente en el fertilizante, en %.
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F. Volumen de fertilizante líquido por metro cúbico de agua de riego Se calcula de la misma forma como el anterior; sin embargo, cuando se usa un fertilizante líquido debemos tomar en cuenta; además, el peso específico. (10.17) donde: Fc(v), concentración del fertilizante (por volumen), en concentración del nutriente en el agua de riego, en
lm-3; Nc(v),
ppm; Nc, concentración del
nutriente en el fertilizante, en %; Sw, peso específico de la solución fertilizante, en gr cm-3. G. Tasa de descarga de la solución fertilizante Cuando la tasa de descarga del sistema de riego y de la bomba son constantes, la tasa de descarga de ambos será: (10.18) donde: Qr, tasa de descarga, en lm-3; q, descarga del inyector, en lh-1; Q, descarga del sistema de riego, en m³ h-1. H. Porcentaje de dilución de la solución fertilizante (10.19) donde: D, porcentaje de dilución, en %; Fc(v), concentración del fertilizante (por volumen), en lm-3; Qr, tasa de descarga, en lm-3. I. Volumen del fertilizante en el tanque fertilizante (litros) El volumen de fertilizante por turno de riego se calcula por medio de la ecuación 20: (10.20) donde: Ft, volumen de fertilizante por turno de riego, en l o kg; Tv, volumen del tanque, en l; D, porcentaje de dilución, en %.
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10.2. DESCRIPCION DE EQUIPOS Y MATERIALES 10.3.1.
Ubicación del equipo
El equipo usado para la fertirrigación debe ser instalado en una de las ubicaciones siguientes: 1. En el cabezal de la parcela 2. Al inicio de una tubería de distribución, o en una derivación de la tubería principal 3. En un cabezal central La elección entre las diferentes alternativas depende, en general, de factores económicos y locales. Para poder decidir se deben tomar en cuenta las siguientes consideraciones: 1. En el cabezal de la parcela: Esta es una ubicación ideal para unidades de inyección pequeñas. El costo de la unidad es relativamente bajo, no obstante, si se necesitan varias unidades para fertigar varias parcelas, el costo total puede ser más elevado que el de una unidad central ubicada en el cabezal principal. Si se consideran unidades transportables, si bien es cierto que el costo de inversión inicial puede ser inferior, el costo de la mano de obra y de la automatización puede ser demasiado elevado. 2. Al inicio de una tubería de distribución: Esta alternativa constituye una situación intermedia entre el caso anterior y el siguiente. Esta situación se adapta a cultivos de campo. 3. En el cabezal central: Este caso es más económico pese a ser relativamente grande y a su alto costo inicial, cuando sirve un área grande. Tiene la ventaja de ahorrar trabajo, y se adapta a la automatización. Su limitación principal es su falta de exactitud cuándo diferentes parcelas deben regarse simultáneamente a diferentes tasas de fertirrigación.
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10.3.2.
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Fertilizantes usados en Fertirrigación
1. Estructura química: Los fertilizantes usados en fertirrigación aparecen en dos estados diferentes:
Sólidos solubles
Soluciones
a) Soluciones fertilizantes Son soluciones verdaderas, preparadas para uso inmediato en todos los métodos de fertirrigación. Los fertilizantes líquidos pueden ser simples o compuestos. Los fertilizantes simples están compuestos de un solo componente químico, por ejemplo el ácido nítrico, el ácido fosfórico, etc. Los fertilizantes compuestos son mezclas de dos o más componentes. Los fertilizantes compuestos pueden ser completos o incompletos. Los fertilizantes completos contienen nitrógeno, fósforo y potasio, por ejemplo 7-3-7, 5-3-8, (expresado como N-P2O5-K2O). A veces los fertilizantes pueden contener otros nutrientes tales como magnesio, y varios microelementos. Los fertilizantes incompletos contienen uno o dos de los tres elementos mencionados arriba. Por ejemplo, el fosfato de amonio (8-24-0) es un fertilizante compuesto, pero es incompleto. b) Fertilizantes sólidos Pueden venir en forma granular o en polvo; tienen que ser completamente solubles. Al igual que los líquidos, pueden ser simples o compuestos. Los simples están compuestos de un sólo componente químico, por ejemplo el sulfato de amonio. Los fertilizantes compuestos contienen dos o más componentes químicos. Los fertilizantes compuestos pueden ser completos o incompletos. Los completos contienen nitrógeno, fósforo y potasio, por ejemplo el 20-20-20, o 18-18-18 (expresado como N-P2O5-K2O). A veces los fertilizantes pueden contener otros nutrientes tales como magnesio, y varios microelementos. Los fertilizantes incompletos contienen uno o dos de los tres elementos mencionados arriba. Por ejemplo el mono-amonio-fosfatado (MAP), o el mono-potasio fosfatado (MKP).
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2. Color El color de la mayoría de los fertilizantes sólidos es blanco a gris. La mayoría de los fertilizantes líquidos carecen de color, mientras que los que contienen ácido fosfórico son de color amarillento a marrón, dependiendo de la concentración del ácido. 3. Solubilidad La solubilidad de las sustancias químicas en el agua está afectada por la temperatura. En general, cuanto más elevada la temperatura, mayor la solubilidad. Los fertilizantes usados en la fertirrigación deben ser completamente solubles. Los de baja solubilidad no pueden ser usados en la fertirrigación. En el cuadro 10.2 muestra algunos ejemplos de solubilidad de algunos fertilizantes en función de la temperatura. Cuadro 10.2 Influencia de la temperatura sobre la solubilidad de algunos fertilizantes (gramos de fertilizante en 1 litro de agua destilada)
Los datos en el cuadro 10.2 representan la tasa más alta de solubilidad a diferentes temperaturas. Muchos fertilizantes líquidos precipitan en invierno, esto significa que la solución está sobresaturada y el exceso de sal precipita. Bajo estas condiciones, se debe diluir el fertilizante, generalmente en un 20 % antes de la caída de las temperaturas. Debido a que el fertilizante diluido tiene concentraciones de nutrientes más bajas, la tasa de inyección debe ser incrementada proporcionalmente. 4. Interacción de sustancias químicas inyectadas con el agua de riego Es necesario evaluar todas las sustancias químicas a ser inyectadas en el agua de riego para determinar si se va a producir alguna reacción química.
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Esto incluye ácidos, bio-ácidos y sustancias como el cloro, usados en micro riego para el mantenimiento del sistema.
Muchas de las fuentes de cloro usadas en el micro riego constituyen agentes oxidantes los cuales elevan el pH del agua. Esto puede causar la precipitación de carbonatos de calcio y magnesio, óxido de hierro, etc.
Debido a que los quelatos se descomponen, liberándose sus iones metalizados a niveles altos de acidez, no se recomienda mezclar quelatos en soluciones con un pH inferior a 3.5.
Los fertilizantes que contienen fosfato reaccionan con los metales produciendo compuestos de baja solubilidad que precipitan fuera de la solución. De esta forma los iones metálicos no estarán en forma disponible para las plantas.
Los fertilizantes que contiene polifosfatos reaccionan con calcio y magnesio formando precipitados que pueden tapar los filtros y emisores.
Los fertilizantes que contienen sulfatos precipitan como yeso en aguas con un alto contenido de calcio. Como la solubilidad del yeso decrece con el aumento en las temperaturas, el problema es más grave en verano.
Las soluciones alcalinas, tales como la urea precipitan como cal de aguas ricas en calcio y bicarbonato (HCO 3-). En este caso se recomienda agregar ácidos para evitar, o al menos minimizar, la precipitación que pueda tapar los emisores.
En algunas regiones húmedas, el agua de riego contiene metales pesados y materia orgánica que puede reaccionar con los fertilizantes en solución causando precipitados en el agua de riego.
Es por esto que todos los materiales químicos a ser inyectados, al igual que todas las mezclas, deben ser revisados con el agua de riego tanto a la temperatura del agua en la fuente, como también a la temperatura a la que se puede llegar en los laterales (especialmente importante en laterales de polietileno por encima del suelo).
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Se debe mezclar las soluciones madre con el agua de riego a las concentraciónes deseadas en un contenedor de vidrio y dejarlo por toda la noche. Cualquier precipitado que se produzca constituye una señal de problemas potenciales con el tapado de los emisores. Se deben considerar otros productos ó un tratamiento de ácido en el agua de riego para mantenerlos en solución.
La corrosión de los componentes del sistema de riego y de la inyección puede constituirse en un problema serio. La mayoría de las sustancias químicas, tanto líquidas como sólidas, atacan estas partes. Es por esto que todas las partes que entran en contacto con la solución concentrada ya sea de fertilizante o cualquier otro material inyectado, deben estar construidas de materiales resistentes para minimizar la corrosión. El problema puede llegar a ser muy severo en los tanques en los que se almacena la solución concentrada.
Es importante lavar cuidadosamente todas las partes del sistema de inyección y del de riego, después de cada inyección de sustancias químicas.
5. Volatilización Los fertilizantes que contienen urea y/o amonio pueden perder nitrógeno a través de la volatilización del amonio. Estos fertilizantes deben ser almacenados en contenedores sellados. La acidificación de la solución puede reducir estas pérdidas. 6. Reacción del fertilizante Las soluciones fertilizantes tiene un pH que oscila entre 2 y 7 (cuadro 10.3). Los que tienen un pH entre 6.5 y 7 son considerados neutrales, los que tienen un pH entre 3.5 y 6.5, son considerados ligeramente ácidos, mientras que los que tienen un pH por debajo de 3.5, son considerados fuertemente ácidos. Los valores de pH de los fertilizantes sólidos se miden en soluciones preparadas por medio de la disolución de un gramo del fertilizante en un litro de agua destilada. Los valores obtenidos son usados para comparar distintos tipos de fertilizantes.
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Cuadro 10.3 pH y CE de algunos fertilizantes a una concentración de 1 gl-1 de agua destilada
7. Contribución a la salinidad Con la excepción de urea, todos los fertilizantes líquidos son soluciones salinas. Consecuentemente, aumentan la salinidad del agua de riego. La concentración de sal en el agua de riego es medida por medio de un puente de resistencia eléctrica. La conductividad eléctrica (CE) de la solución es medida entre dos electrodos estándar con un área de un centímetro cuadrado cada uno, siendo la distancia entre ellos de un centímetro. La CE expresa actividad iónica. Existe una relación entre la concentración de sales disueltas, expresadas en miliequivalentes/litro, y la CE de la solución. Cada 10 milequivalentes de sal por litro contribuye un decisiemens por metro (dS/m a la CE). Los valores estándar de CE son determinados en soluciones con un gramo de fertilizante líquido disuelto en un litro de agua destilada (cuadro 10.3). El incremento en la CE no es linear, versus el incremento en la concentración de la solución fertilizante. Las mediciones son llevadas a cabo con el fin de comparar diferentes sustancias químicas a concentraciones estándar. La CE del agua de riego puede ser usada para estimar el potencial de salinización del suelo. Suelos con una CE superior a 4 dS/m son clasificados como salinos. Es importante recordar que, dependiendo de las prácticas de manejo, los cultivos susceptibles a sal pueden ser dañados a valores de CE de 2 dS/m o menos. 8. Higroscopicidad (absorción de humedad) Los fertilizantes sólidos son propensos a absorber humedad de la atmósfera, lo que causa la formación de sedimentos. Esto dificulta su aplicación, siendo la uniformidad de aplicación muy baja. Algunos fabricantes agregan aditivos especiales para evitar este fenómeno. Cuando se disuelven estos fertilizantes en agua, ocurren problemas.
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10.4.
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EJEMPLO DE ELECCIÓN DE EQUIPOS DE FERTILIZACIÓN
10.4.1.
Datos del cultivo
Cultivo: Tomate Concentración de fertilizantes NPK: 180-50-250 Área de la parcela: 0.5 ha 10.4.2.
Fertilizantes disponibles
Tipo de fertilizantes disponibles:
10.4.3.
Nitrato de amonio (33.5-0-0) NH4NO3;
Fosfato de amonio (16-48-0) (NH4)2HPO4;
Cloruro de potasio (0-0-60) K2O.
Manejo del riego
Tipo de sistema de riego: Goteo Caudal del sistema: 23 m3h-1 o 6.389 ls-1 Dosis de riego: 18 m3 Duración de la aplicación: 1.5 h 10.5. PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN 10.5.1.
Manejo de la fertirrigación
Se procede a convertir las unidades del fertilizante: El fosfato y el potasio están en forma de óxidos, por lo que son convertidos en P y K multiplicando por 0.4364 y 0.8302 respectivamente. Masa atómica:
P = 30.9737;
K = 39.0985; O = 15.9994
P2O5 = 2*30.9737+ 5*15.9994 = 141.9474 P2 = 2*30.9737 = 61.9474
K2O = 2*39.0985 + 15.9994 = 94.196 K2 = 2*39.0985 =78.1966
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Para el caso del fosfato de amonio se tiene que aporta nitrógeno y potasio: Para
50 ppm de potasio (P) en P2O5 por lo que multiplicamos por el factor de
conversión de 0.4364: 50 ppm de P equivale a 50 /0.4364 = 114.57 P2O5 (NH4)2HPO4 Como el fosfato de amonio también aporta nitrógeno tenemos que: (NH4) 2HPO4 Para el K se tiene el factor de conversión 0.8302: 250 ppm de K equivale a 250/0.8302 = 301.13226 K2O K2O Para el caso del nitrógeno N: NH4NO3 Esto para 18 m3 de agua, la cual es la dosis de riego, las cantidades exactas son: 0.502 kg x 18 = 9.036 kg K2O 0.239 kg x 18 = 4.30 kg (NH4)2HPO4 0.424 kg x 18 = 7.63 kg NH4NO3 La cantidad de agua necesitada por la disolución con respecto a la cantidad de fertilizante, es estimada de acuerdo a la solubilidad de los fertilizantes: 9.036 kg K2O x 3 litros= 27.00 litros 4.30 kg Ca (H2PO4) x 2.5 litros= 10.75 litros 7.63 kg NH4NO3 x 1 litro= 7.63 litros Cantidad de agua mínima necesitada: 45.00 litros Si los fertilizantes son diluidos en 220 litros de agua y la duración del riego es de 1.5 h (1h 30 min), entonces el rango de inyección podría ser alrededor de 200 lh-1 para completar la inyección en aproximadamente 1 h 6 min.
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10.5.2.
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Elección del equipo a utilizar
10.5.2.1. Sistema de tanque fertilizante El tanque fertilizante va conectado paralelamente a la tubería principal en forma de ojal. Los materiales usados para la construcción del tanque, sus accesorios, y su misma instalación, deben ser tales que permitan la operación del sistema en forma segura bajo la presión de la tubería principal. La desviación de una parte del flujo es obtenida por medio de un gradiente de presión de 0.1 – 0.2 atm. El agua de riego entra al tanque a través de un tubo de 1/2 a 3/8‖ de diámetro, el que llega casi al fondo. Se puede llenar el tanque con un fertilizante sólido, soluble, o con una solución disuelta previamente, cerrándolo herméticamente. Existe otro tubo que sale del tanque retornando al tubo principal, después de la válvula estranguladora. El agua de riego entra en el tanque y se mezcla con la sustancia química/fertilizante sólida que se encuentra en el mismo, fluyendo luego de regreso al tubo principal. Cuanto mayor sea el gradiente de presión formado por la válvula estranguladora, mayor será la tasa de inyección (Cuadro 10.4). Cuadro 10.4 Tasa de inyección a través de un tanque fertilizante en función del gradiente de presión y del diámetro de los tubos de entrada y de salida
Entrando en el cuadro 10.4 y con el diámetro de entrada y salida la tasa de inyección en función de la presión para este caso se observa que el tanque funcionaria bien con un gradiente de presión de 0.1 [atm] por lo que se provoca una pérdida de carga mínima.
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10.5.2.2. Sistema de inyector venturi Para poder escoger el modelo adecuado, es importante definir sus propiedades:
El rango de presión en la entrada. Cada modelo tiene un rango de presión óptimo especificado por el fabricante.
Pérdidas de presión. El gradiente entre la entrada y la salida (P1 – P3) se expresa en porcentaje de la presión de entrada. Para cada modelo, se debe llegar a un gradiente mínimo determinado para que haya succión. En la mayoría de los modelos este gradiente es de 1/3 de la presión de entrada. Sin embargo, existen algunos que pierden hasta un 50 %. Ultimamente, se han desarrollado los modelos bi-fásicos que pierden un 10 % aproximadamente de presión. La pérdida de carga varía con el gradiente de presión de entrada.
La tasa de succión se expresa en litros por hora. Esta depende de la presión de entrada, la pérdida de carga y el tamaño de la constricción. La tasa de succión puede ser regulada por medio de varios accesorios (restrictores);
Rango de flujo de agua. La presión de entrada y la boquilla (la que puede ser reemplazada en algunos modelos por otras de distinto diámetro), afecta el flujo del agua a través del inyector. El fabricante define el rango de operación (cuadro 10.5). Se requiere una tasa mínima de flujo que atraviese el inyector para iniciar la succión.
Cuadro 10.5 Especificaciones técnicas de inyectores comerciales
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El fabricante publica todos los datos pertinentes al inyector en forma de tablas y cuadros, al igual que recomendaciones para su instalación, operación y mantenimiento. De acuerdo al cuadro 10.5 se elige un modelo de acuerdo a nuestros datos presentados en la parte de arriba. Para nuestros datos de volumen de inyección tenemos que nuestro volumen a inyectar es de 220 l para un tiempo de 1.5 h por lo que la descarda es:
Del cuadro 10.5, especificaciones técnicas de inyectores comerciales y se busca el modelo adecuado que nos proporcione esa descarga, para esto se tiene que tomar en cuenta la presión de trabajo puesto que si seleccionamos un inyector con una pérdida de carga alta el sistema de riego puede verse afectado debido a que también se tiene perdidas de carga en los filtros y otros accesorios del mismo sistema repercutiendo en el tamaño de bomba si es el caso, por lo que se selecciona un inyector con una presión de funcionamiento a la entrada del inyector de 1.4 [kgcm-2] y a la salida de 1.10 [kgcm-2]
con una succión de líquido de 170 [lh-1] que
corresponde al modelo 1583 del mismo cuadro 10.5. 10.5.2.3. Sistema por medio de bomba. Las bombas hidráulicas son consideradas inyectores activos pese a que no usan una fuente externa de energía. La fuente de energía está constituida por la incluida en el sistema de riego. El flujo de agua que activa el pistón constituye la fuente de energía que causa el desplazamiento positivo de las bombas hidráulicas a pistón. Se puede controlar en forma exacta la tasa de inyección. Muchos modelos permiten tasas de inyección proporcionales al flujo de riego y a la presión en la tubería principal. La bomba opera dentro de un rango de presión definido por el fabricante. La descarga depende de la presión del agua, sin embargo ésta puede ser regulada por
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medio de diversos dispositivos. Si el flujo de agua cesa, la inyección se detendrá inmediatamente. Estas bombas inyectoras han probado su eficiencia bajo condiciones de campo, y son muy populares. Algunas expulsan el agua usada para operarla, lo que requiere algún dispositivo para recuperar esa agua y reciclarla. Para este caso se va a seleccionar una bomba hidráulica que no expulsa el agua, el cuadro 10.6 muestra las especificaciones técnicas de bombas inyectoras hidráulicas comerciales mostradas en la figura 10.12. Cuadro 10.6 Especificaciones técnicas de bombas inyectoras hidráulicas
Con los datos de volumen de inyección se tiene que el volumen a inyectar es de 220 l para un tiempo de 1.5 h por lo que la descarga es:
Figura 10.12 Bombas inyectoras hidráulicas
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De acuerdo a la descarga de 146 [ lh -1] y tomando en cuenta la figura 10.12 se observa que los dos tipos de modelos tienen una pérdida de carga similar (figura 10.13 y 10.14) y tomando en cuenta el manejo de esta en la operación se opta por el modelo TF-10-02 que presenta un caudal de inyección de 1 a 200 [ lh -1] con una carga de operación de 1 a 8 [kgcm-2] y un peso de 5.5 kg.
Figura 10.13. Gráficos de pérdida de carga para las bombas inyectoras TF10**
Figura 10.14. Gráficos de pérdida de carga para las bombas inyectoras TF25**
10.6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS El manejo de la fertirrigación debe estar basado tanto en los requerimientos nutritivos del cultivo como en la estación de crecimiento y la capacidad de almacenamiento de nutrientes del suelo. En este trabajo se partió de un ejemplo tipo a partir de una dosis de concentración de fertilizantes, programar la fertirrigación con un solo fertilizante para un solo cultivo es simple. Sin embargo, suministrar a muchos cultivos en diferentes lotes y escoger
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entre diversas soluciones fertilizantes disponibles en el mercado puede constituirse en algo complejo. Una vez que el productor ha elegido, ya sea por una recomendación o por cualquier otra causa, cuáles son los nutrientes que desea aplicar y en qué cantidad aplicará cada uno de ellos durante las diferentes etapas de desarrollo de sus cultivos, y además maneja perfectamente bien el riego, él debe decidir la forma en que va a manejar la fertirrigación. Una vez definido los fertilizantes y las dosis de aplicación y el tiempo de riego se procede a elegir el tipo de inyector a utilizar, la elección del mejor tipo de inyector de penderá de varios factores mencionados anteriormente. En este trabajo se seleccionó diferentes tipos de inyectores pero podrían a ver sido de otro tipo, eso realmente depende de las condiciones de la instalación y del manejo que se le quiera dar o si se quiere automatizar el sistema. 10.7. CONCLUSIONES Para el buen funcionamiento y operación de estos sistemas es conveniente realizar un programa de fertirrigación en función del riego para el buen manejo del sistema, definiendo el lapso de tiempo que debe transcurrir después de iniciado el riego hasta inicio de la fertirrigación para que se estabilice la presión del sistema y el lapso de tiempo al término de la misma del turno de riego para posteriormente realizar un lavado de los materiales del sistema que tienen contacto con sustancias químicas a demás medir el volumen del fertilizante o solución aplicada, el número de soluciones de fertilizantes y el inyector que será empleado y el grado de automatización a emplear. 10.8. CUESTIONARIO Efectuar una selección de equipos de inyección de fertilizantes para los campos experimentales de la universidad que cuenten con sistemas de riego por goteo.
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10.9. BIBLIOGRAFÍA. Arviza J., (2001). Curso de redes colectivas de riego a presión. Fertirrigacion, Equipos y automatismos. Fundación para la promoción de la ingeniería agronómica. C.O.I.A.L. Valencia, España. Cadahia C., (2002). Fertirrigación. Cultivos hortícolas y ornamentales. Editorial Mundi-Prensa. Madrid, España. Dorota Z. H., Forrest T. I., y Allen G. S., (1989). ―Positive displacement pumps for agricultural applications.‖ Cooperative extension service. Institute of food and agricultural sciences. University of florida. Manzano J. J., (2008). Análisis del inyector y mejora de su instalación en los sistemas de riego localizado. Universidad Politécnica de Valencia. Montalvo T., (2007). Ingeniería Hidráulica. Ediciones VJ. Valencia. Nathan R., (2005). La Fertilización combinada con el riego. Edición 2005. Ministerio de relaciones exteriores, centro de cooperación internacional MASHAV, Estado de Israel.
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