FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AGRÍCOLA DISEÑO DE SISTEMAS DE RIEGO
Kelly Andrea Contreras Zuluaga Nefer Steven Losada Cruz Marlon Yesid Perez Alfonso Jeison Andrey Sánchez Parra
Cód. 273854 Cód. 274068 Cód. 274059 Cód. 274026
Presentado a: Ing. José Antonio Forero Saavedra
Jueves, 19 de Noviembre de 2015 Bogotá D. C.
ENUNCIADO. Para el mismo predio del taller N° 5 (Figura 1) diseñe un sistema de melgas en curvas de nivel para un cultivo de arroz. Incluya la disposición del sistema y determine las capacidades de los diferentes componentes de la infraestructura del mismo. La información básica es la siguiente
F=0,6198t, + 7; F=mm, t =min
Infiltración: Lamina neta para la primera fase: 45mm Capacidad total de retención de humedad: 182mm Lamina de saturación en la zona de raíces: 187mm Evapotranspiración máxima: 7,6 mm/día. Evapotranspiración promedia: 6,4 mm/día. Percolación profunda estimada: 10 mm/día. Embalse predeterminado: 85mm El regador trabaja 8 días por cada intervalo de riego en la fase 1 del cultivo de arroz, y durante esta fase, el riego solamente se puede llevar a cabo en las horas diurnas.
Debe incluir los cálculos de escorrentía, asumiendo que la precipitación no es el factor predominante. Presente una programación adecuada del drenaje de campo. Incluya las recomendaciones necesarias para la construcción del sistema de riego y drenaje. Incluya también todas las recomendaciones necesarias para una correcta operación del sistema.
Figura 1. Topografía del Terreno
ESTIMACION DE PARAMETROS BASICOS Como se considerara criterios de máxima eficiencia para el diseño del sistema de riego por melgas en curvas de nivel, no resulta recomendable asumir un valor cualquiera en cuanto se refiere a la eficiencia del riego del mismo, por lo cual se estableció el siguiente método de estimación: Eficiencia
Esta se determinó mediante la relación existente entre la lámina que se requiere en la zona de raíces (LÁMINA NETA) y la sumatoria entre esta y la lámina que se establece en el tiempo de cubrimiento total de la melga o tn/8 (LAMINA BRUTA). Ya que al asumirse un sistema de máxima eficiencia se supone un Riego Normal donde la lámina infiltrada al llegar al caballón (su parte más alta) será la misma que la lámina neta o la requerida en la zona de raíces sin permitir pérdidas por percolación profunda en ese punto, por lo tanto:
=0 → 0=0.61980. +7 . = → 8 =0.6198 8 +7 Figura 2 vista melga de p erfil
: =45 .→45 =0.06198. +7 =450.−7 6198 →=506.15 . 506. 1 5 8 : 8 =0.6198 8 +7 8 =16.61
Entonces, como se mencionó anteriormente, se tiene el cálculo de la eficiencia como se muestra a continuación:
= +á = 45 +16. 4561 = 4 =. .% = 45 +16.61 =. 2
Lamina bruta
Frecuencia de riego Al ya conocerse la lámina requerida en la zona de raíces, se estima la frecuencia de riego usando como parámetro de diseño la Evapotranspiración Máxima al ser un requerimiento crítico, como se muestra a continuación:
= = 7.645/í =. í ≈ í
CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISEÑO
Diseño de los caballones
Como primer paso en el diseño del sistema se determina la altura de los caballones, para esto se tiene en cuenta la siguiente ecuación: Donde:
=∆ℎ+++
∆ℎ
Hc=Altura del caballón en cm = Intervalo vertical entre caballones en cm Lb = Lamina bruta en cm bl = Borde libre en cm As =Tolerancia por asentamiento Para encontrar el intervalo vertical entre caballones debemos conocer la pendiente del terreno pues influye en este valor, ya que varía entre 6 cm a 12 cm según se tenga una baja o una alta pendiente respectivamente. a. Intervalo vertical entre caballones Se calcula la pendiente del terreno pues se tiene las cotas máximas y mínimas del terreno así como su longitud.
25−98.65 =0.004 ≈.%<0.5% = 100.400−0
Donde este cumple con la restricción de aplicabilidad de terrenos con pendientes menores a 0.5%. Ahora, para calcular el intervalo vertical entre caballones se realiza una interpolación lineal entre el intervalo anteriormente mencionado
S (%)
Δh (cm)
0
6
0.4
X
0.5
12
%→ ,,%→ %→∆ ∆→,
Se divide el lote en un numero de franjas que sea acorde más que todo a la frecuencia de riego que con el horario de trabajo del regador, para que el cultivo no vaya a sufrir estrés por humedad, para esto inicialmente se calcula la caída total del sistema dada por la diferencia entre mayor y menor curva de nivel en el lote:
=. −. =. ∆ℎ # = ,, = ,
C
Ahora, para encontrar el número de franjas en las que el lote se dividirá, se toma la caída total y la dividimos entre el , de la siguiente manera:
Con la finalidad de que el número de franjas sea múltiplo de la frecuencia de riego , se toma un valor menor de intervalo vertical entre caballones, se seleccionó un valor de , con eso el número de franjas será:
∆ℎ=0.09 9
# = ,, =
De esta manera cumpliendo el requisito anteriormente mencionado. b. Altura del caballón La SCS (Servicio de Conservación de Suelos) recomienda que el borde libre del no sea inferior a 8 cm y la tolerancia por asentamiento sea como mínimo de 9 cm, por diseño se usaran estos valores, teniendo en cuenta el intervalo entre caballones nuevamente calculado, o sea 10 cm. Como resultado se tiene como altura mínima de los caballones:
=∆+++ = +. + + = . Donde
= ó ∆ℎ= = á = =
a.
Dimensiones de Melgas, # de Melgas y Restricciones para el regador
Restricciones para el regador
Como se tiene la restricción de que el regador trabaja 8 días por intervalo de riego pero la frecuencia de riego es 6 días, se recomienda dividir el terreno en esta ocasión en función de la FRECUENCIA DE RIEGO o múltiplos de 6.
6 → 2⁄ 12 → 3 ⁄ 18 → . ⁄ ..
De lo anterior se tiene como recomendación que :
EL REGA DOR DEB E DISMINUIR SUS DÍAS DE TRA BA JO DE 8 A 6 DIAS con el fin de
evitar efectos de estrés hídrico a la planta, ya que si se toma como parámetro de diseño el jornal del trabajador, el cultivo dejaría de recibir agua durante cuatro días que tiene de más el horario de trabajo del regador a la frecuencia de riego del cultivo.
b.
Ancho de las franjas
De acuerdo a como se había estimado anteriormente, el número de franjas en función de la caída total del terreno debido a las cotas de la parte más alta y baja, es 18 por cuestiones prácticas de diseño y manejo de riego.
# = ,, =
Para el caso del ancho como se tiene que el predio tiene 400 m y se configurarán 18 franjas, entonces el ancho de cada melga será:
= 18400 = .
c.
Longitud de las melgas
Se tiene como restricción la recomendación hecha por el SCS de los Estados Unidos, en que la longitud máxima para los drenes debe ser de 200 m en caso de tener una sola salida de drenaje (parámetro de diseño adoptado para este sistema), o en otras palabras la longitud máxima de la melga será de 200 m; y como no existe restricción por la dirección de los vientos por posible oleaje que cause erosión de los caballones, solo se tendrá en cuenta la restricción de drenaje. Como parámetro de diseño, se adoptó una longitud de melga de 200 m. d.
Diseño del sistema
De acuerdo a lo anterior, se tiene como diseño tanto de configuración como dimensiones del lote como se muestra en la figura adjunta:
Figu ra 3 dis eñ o pr elim inar
Como resumen se tiene que:
# # =4 =18 # =72 # = # = 726 =12
De acuerdo a lo estipulado, para cumplir con la frecuencia de riego el trabajador cubrirá:
Entonces como configuración se tiene que el riego será de 12 melgas por día, o sea de 3 franjas por día. Para el caso de áreas, se tiene:
400 ∗800 320000 Á ó = = 6 = 6 = / = = ∗ℎ ∗. =17 776
Área por franja
Área de cada melga
17 776 = # = =
CONSIDERACIONES ESPECÍFICAS EN EL DISEÑO PARA EL CULTIVO DE ARROZ. Como procedimiento de diseño para el caso específico del cultivo de arroz, además de la metodología anteriormente utilizada, se calculan los siguientes parámetros que permitirán establecer el caudal de diseño necesario para que el cultivo cumpla con el siguiente criterio: “…el caudal para cada melga debe ser lo suficientemente grande como para permitir la cobertura de la superficie de la melga promedio en un tiempo no mayor a ¼ del tiempo necesario para que se infiltre la Lamina Neta. Con este criterio se pretende lograr mayor uniformidad de distribución de agua que sea posible, en la aplicación del agua…” (FORERO
SAAVEDRA, 2000)
a.
Tiempo Necesario para que se Infiltre la Lámina Neta (Tn)
Como ya se definió una ecuación de infiltración al inicio del documento, tomando la lámina neta de la primera fase y despejando el tiempo se puede decir que:
/. −7 =0.6198 /. 45−7 =0.6198 → = 506.16 min ⁄ =. =. ⁄4 , ̅ =0,6198 4 +7 =. → ̅=0, 6198126.54 , +7 = ∆ℎ2 = 90 2 → =
Entonces se obtiene que b.
Lámina Promedio Infiltrada (
Primero se estima que
Ahora se puede determinar la lámina promedio infiltrada ecuación de infiltración dada y usando
c.
, a partir de la misma
.
Lámina Promedio Superficial (
Tomando el valor obtenido para el intervalo vertical entre caballones se puede determinar esta lámina así:
d.
Caudal por unidad de área de riego (q 1)
Este es el caudal para proporcionar una lámina equivalente a la suma de la lámina promedio infiltrada, y la lámina promedio almacenada . Sin embargo, para esto se hace la aproximación de asumir que la función de infiltración y avance son lineales. De esta forma se obtiene:
+ = 46 422. 1 9 +45 = 6506,16 =, ∗
El valor de 6 resulta de la conversión de unidades. e.
Tiempo por posición (tp)
⁄ ( ) =54∗= 54 ∗506,16 =, =10.545 ℎ <
Este tiempo es cuando en cada punto de la melga se recibe la lámina neta o más. Es decir, la suma del tiempo para satisfacer la necesidad hídrica más el tiempo necesario para cubrir la melga .
Como se estipulo en el enunciado, el sistema de riego tiene como restricción que para esta etapa, el riego solamente es posible realizarlo en horas diurnas. En comparación con lo anterior se ve que cumple al no excederse del horario establecido de solo horas diurnas. f.
Número de posiciones de riego por día (N’)
Resulta ser el entero de la relación entre el tiempo de riego por día expresado en minutos y el tiempo por posición, en min. De esta forma, el número de posiciones se indica como:
′ =[60∗ ℎ ]=[60∗ 10.,545ℎ ] ′ =1
ℎ= ℎ El valor de 60 resulta de la conversión de unidades de tiempo.
De acuerdo con las condiciones que se tienen para este caso, el número de posiciones que se pueden hacer por día es 1.
g.
Determinación del área total regada por posición (A1)
Por el paso anterior se conoce que el número de posiciones por día es 1. De acuerdo con esto, se estima el área de dicha posición como:
= ′ ∗ = 321∗6ℎ =,
Fase De Humedecimiento
Esta fase consiste en el humedecimiento de las semillas y plántulas, con riegos muy ligeros y frecuentes, además de láminas muy pequeñas (mojes). Generalme nte se llevan los suelos hasta capacidad de campo a la profundidad mínima manejable después de la siembra en seco. (FORERO SAAVEDRA, 2000) Para el cas o es pecífic o d el arro z , se considera los parámetros anteriormente calculados del numeral a la numeral f, y que el Caudal para esta etapa corresponde al producto entre caudal unitario definido previamente (q1) y el área que puede ser regada de forma simultánea (A1).
= ∗ =, ∗ ∗, =.
Fase De Inundación
Durante esta fase se establece que toda el área de riego debe cubrirse con agua con una lámina de embalse, Ep, durante un el tiempo necesario para que el cultivo agote la mitad de la inundación disponible en la zona de raíces al 50% de su capacidad de retención, a la máxima tasa de evapotranspiración. Para ocurra eso, Ep, debe encontrarse entre 50 mm y 100 mm, para este caso como parámetro de entrada se dio un embalse predeterminado de 85 mm. Como procedimiento inicial se determina el tiempo de la fase de inundación o ti, definida anteriormente, como se muestra a continuación:
Donde:
= 720∗0,5∗
à= = ó í . ó á
Como parámetros de entrada se determinaron en el enunciado del diseño que:
ó = à=. / =8621, = 720∗0,7,65∗182 05min =6 Entonces
Teniendo este tiempo de inundación pasamos a calcular el caudal correspondiente a esta fase el cual depende también de:
∆ℎ + = 2 6+ +∗ ℎ á ó í =187 =45 2 = á =85 Á á= 32 ℎó .
Antes de aplicar la ecuación del caudal, debemos entonces calcular la lámina perdida por percolación profunda durante el tiempo de inundación, sabiendo como parámetro de entrada que la percolación profunda estimada es de 10mm/día, de la siguiente manera:
= 10 ∗ 14401 ∗8621,053 =59,868 +8505+59. 8 68 =187+456∗8621. ∗32 =.
Reemplazando entonces para encontrar el caudal correspondiente tenemos que:
Fase De Mantenimiento De La Inundación
Durante esta fase tenemos un caudal que debe restituir continuamente al embalse el agua que se pierde por percolación profunda, más aquella requerida por el cultivo de arroz, de acuerdo a la siguiente ecuación:
Donde:
= 8640 + 8640 ∗ ó =10 /í ó =6. 4 /í Á ℎ=32ℎ = 864010 + 86406,4 ∗32 = .
Reemplazando entonces para determinar el caudal en esta fase tenemos que:
C A U D A L A D R E NA R – ESCO RRENT ÍA SUPER FICIA L
4 4∗45 í = 6 = 6∗506,16 =0,05927 ∗ ℎ
Como se dijo anteriormente, en este tipo de riego es necesario drenar una parte del caudal aplicado que equivale a la lámina promedio de almacenamiento . Por lo tanto, se determina el caudal a drenar por unidad de riego. La lámina promedio infiltrada no se tiene en cuenta ya que esta ya ha sido infiltrada.
Y teniendo en cuenta el área a drenar por posición (3 franjas por posición o por día), el caudal de escorrentía es
í/ó = ∗í = 5,33 ℎ∗ 0,05927 ∗ ℎ = .
Este será el caudal de drenaje total para cada uno de los días de riego en el cual se regaran 3 franjas y se drenaran las mismas tres franjas, o sea que por franja se drenaran:
. í/ó = = . /
Como resumen se muestra a continuación los caudales requeridos en cada etapa:
Humedecimiento: caudal por posición (3 franjas 12 melgas) con frecuencia de 6 días. Inundación: Caudal en toda la extensión del cultivo (32 ha) Mantenimiento Inundación: Caudal en toda la extensión del cultivo (32 ha) –
Fase
Tiempo por etapa Caudal (min) (m3 /s)
Frecuencia (días)
RIEGO - Humedecimiento DRENAJE - Humedecimiento
632.70
0,4716517 0.3159
6 6
0,2331 0,0607
-
Inundación 8621,05 Mantenimiento de la inundación
Vale la pena resaltar que la inundación, a pesar de manejar un caudal bajo, el tiempo de riego es alto. Esto se debe a que evidentemente se tiene que tapar el cultivo a partir de este pequeño caudal. Es por esto que el tiempo para esta fase es de 8621,05 min (aproximadamente 6 días), Otro aspecto a destacar es que la fase de humedecimiento contempla no solo el tiempo de infiltración de la lámina neta sino que también el tiempo de cobertura de la melga, o sea el tiempo estimado por posición o tp, el cual es 632, 70 min.
CAPACIDADES Y DIMENSIONES DE LOS CANALES PARA EL SISTEMA
Para el caso de selección del caudal del sistema, se comparara los caudales para cada etapa y se seleccionara el mayor de los 3, en este caso la fase de humedecimiento es la que presenta el mayor caudal y por lo tanto es el seleccionado a trabajar. PARA LOS CANALES DE RIEGO a. Canal alimentador: Para determinar las dimensiones de este canal, se tiene en cuenta que este debe contar con la capacidad de alimentar las tres franjas regadas simultáneamente por día de riego durante la fase de humedecimiento, por lo cual se tiene lo siguiente:
= → = , ∗ ∗, =.
Número de canales alimentador: Longitud de cada canal alimentador:
1 400 – 22.22 m = 377.78 m
b. Canal regador: Ya para el caso de este se encontrara diseñado para conducir el caudal de riego necesario para cada franja durante la fase de humedecimiento, el cual corresponde a un tercio del caudal del canal alimentador o el área de cada franja, de lo anterior se tiene:
= ∗ = , ∗ ℎ ∗1,77 ℎ=.
Número de canales regadores: Longitud de cada canal regador:
18 800 m
PARA LOS CANALES DE DRENAJE a. Dren por melga: Para este dren, se siguen las consideraciones del SCS, y se asume que su longitud de la melga es la máxima (200 m). Por tanto, la capacidad de este dren es función del área de la melga:
= = 0,05927 ∗ ℎ ∗0,44 ℎ=0.02628
Número de drenes de campo: Longitud de cada dren de campo:
72 200 m
b. Dren longitudinal de campo: Este dren recoge el agua contenida de toda la franja, es decir hay uno por cada franja o simplemente producto entre el caudal de drenaje para cada melga por el número de melgas para cada franja (4 melgas por franja). Su capacidad se define como:
O simplemente
= = 0,05927 ∗ ℎ ∗1.77 ℎ=0.1049 = ∗# melgas por franja = 0.02628 ∗4=0.1051
Número de drenes longitudinal de campo: 18 Longitud de drenes longitudinal de campo: 800 m Por facilidad de construcción se determina construir un solo canal de drenaje que abarque las 4 melgas por franja, el cual tendrá una longitud de 800 m.
c. Dren colector de campo: Este dren recoge el agua a drenar del número de franjas regadas por día de riego, que en este caso son 3:
= = 0,05927 ∗ℎ ∗5.33 ℎ=0.31591 Número de drenes colectores finales: Longitud de drenes colectores finales:
1 378 m
RECOMENDACIONES
RIEGO Y DRENAJE
Primeramente ya que la construcción de las melgas se hará en el sentido de las curvas de nivel, las dimensiones y el área de cada una de ellas será un valor aproximado al real. Se propone un área aproximada para cada melga de 0.44 ha (L= 200 m y w= 22 m). Aclarando que la construcción de franjas igualmente se debe hacer siguiendo las curvas a nivel. En cuanto a la construcción de los canales de riego y drenaje, se deben considerar las capacidades y dimensiones halladas y propuestas en loa numerales a,b,c,d de la sección "CAPACIDADES Y DIMENSIONES DE LOS CANALES ". Lo concerniente a el cronograma del drenaje, la programación será distinta dependiendo de la fase en la que se encuentre el riego. Por lo tanto para la fase de humedecimiento es claro que se debe drenar todos los días ya que en esta fase se debe mantener el nivel adecuado de humedad sin incurrir en un exceso. En las demás fases en donde el cultivo permanece inundado se recomienda drenar cada 6 días como mínimo. A continuación se ilustra una tabla donde se resume el cronograma de drenaje.
Etapa Humedecimiento Inundación Mantenimiento de la Inundación
Frecuencia de drenaje Todos los días Fr crítica = Cada 6 días mínimo Fr crítica = Cada 6 días mínimo
RECOMENDACIONES DE OPERACIÓN:
El diseño esta dado para periodos de ET max y LNmax (profundidad de raíces máxima) que el tiempo de riego es de 10 horas y 33 minutos para el riego por cada posición, que corresponde a 3 franjas, es decir, 5.33 ha regadas al mismo tiempo, equivalente a un caudal de .
Q=0,38333
Con respecto a la frecuencia de riego, se determina para estas condiciones una frecuencia de 6 días. Cambiando así la disposición del operario para regar (que son 8 días) para cumplir con los requisitos de frecuencia de riego del cultivo. A continuación se presenta la programación del riego recomendada. Día 1 2 3 4 5 6
Franja Regada Franjas 1 2 3 Franjas 4 5 6 Franjas 7 8 9 Franjas 10 11 12 Franjas 13 14 15 Franjas 16 17 18 –
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
O como se muestra en el siguiente esquema de riego:
Como criterio de diseño se selecciona la Profundidad de Raíces Máxima junto con la evapotranspiración máxima, ya que estos parámetros representan el máximo estado de desarrollo fenológico que el cultivo puede alcanzar, y en el cual se verán los requerimientos máximos de lámina necesaria para que el cultivo se desarrolle de manera óptima, el cual, el sistema debe estar en capacidad de proporcionar. Sin embargo, para cada una de las etapas, estos parámetros como la Evapotranspiración y la Profundidad de raíces, varia. Por lo cual la Frecuencia, la lámina de riego y los caudales requeridos, también cambia. Por esto, se recomienda entonces conocer estas variables para el correcto manejo del sistema de riego, de esta manera poder realizar esta labor de manera eficiente, satisfaciendo los requerimientos hídricos del cultivo de manera precisa y disminuyendo las pérdidas que se pueden presentar. A continuación se puede visualizar un ejemplo de la variabilidad de la evapotranspiración en función del tiempo para el cultivo de Arroz:
Figur a 1. Ejemplo de comportamiento anual de la evapotranspiración de las gramíneas
forrajeras en Villahermosa, Teapa y El Triungo. México. (Ruíz-Álvarez & al., 2011)
El caudal más grande que se debe suplir es el de la primera fase (humedecimiento), debido a los mojes regulares en el cultivo. En esta etapa el cultivo es "inundado" con una lámina pequeña para evitar el desarrollo de plagas que puedan afectar el crecimiento del arroz (ya que en este estado fenológico se encuentran más vulnerables a efectos externos). Por lo tanto el sistema debe estar en la capacidad de suplir la cantidad más crítica de agua que es esta, y por ende suplir las demás fases.
Por lo cual se propone la siguiente programación tentativa para el riego:
RIEGO Fase
Humedecimiento
Tiempo por etapa (min) 632.7
Tiempo por etapa (hr) 10.545
Hora Tentativa Inicio
Hora Tentativa Final
7:00 a. m.
5:32 p. m.
Caudal (m3/s) por posicion 0. 47165
632.7
10.545
7:00 a. m.
5:32 p. m.
632.7
10.545
7:00 a. m.
632.7
10.545
632.7 632.7
FRANJAS A REGAR
DIA
1-2-3
1
0. 47165
4-5-6
2
5:32 p. m.
0. 47165
7-8-9
3
7:00 a. m.
5:32 p. m.
0. 47165
10 - 11 - 12
4
10.545
7:00 a. m.
5:32 p. m.
0. 47165
13 - 14 - 15
5
10.545
7:00 a. m.
5:32 p. m.
0. 47165
16 - 17 - 18
6
Es importante destacar que la inundación, a pesar de manejar un caudal bajo, el tiempo de riego es alto, esto se debe a que evidentemente se tiene que tapar el cultivo a partir de este pequeño caudal. Es por esto que el tiempo de riego para esta fase es de 8621,05 min (aproximadamente 6 días). Para el caso de drenaje, su operación se comenzara a realizar inmediatamente finalice el riego de humedecimiento, o sea a las 5: 33 pm de cada día.
BIBLIOGRAFIA
FORERO SAAVEDRA, J. A. (2000). Riego por melgas en curvas de nivel. Bogotá, D.C: Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ingeniería. •
Ruíz-Álvarez, O., & al., e. (2011). Requerimiento de riego y predicción del rendimiento en gramíneas forrajeras mediante un modelo de simulación en Tabasco, México. Agrociencia , 45 (7), 745-760. •
