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Diseño de sistema de riego por aspersion
Tipo: Ejercicios
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Profesor Vicente Ángeles Montiel Integrantes del equipo Álvarez Barboza Roberto Moroni Colima Valadez Juan Pablo Díaz Sánchez Baltazar Enríquez Bernal Marco Antonio García Sarmiento César Armando Jiménez Ayala José Alberto Miranda Rojas Jorge Zea Hernández Héctor Alonso Fecha: 11 de Noviembre del 2016
INGENIERÍA DE RIEGO A PRESIÓN Proyecto final: Riego por aspersión.
DEPARTAMENTO DE IRRIGACIÓN INGENIERÍA DE RIEGO A PRESIÓN Proyecto final: Riego por aspersión.
Cuadro 1. Caudales y diámetros mojados para aspersores de impacto con diámetros de boquilla de 2.4 a 5.2 mm, con ángulos de la trayectoria entre 22° y 28°, y boquillas normales. ......................................... 13 Cuadro 2. Tasas máximas de aplicación conforme a la capacidad de infiltración del suelo (expresada, a título indicativo, por la textura y profundidad) y la pendiente. ............................................................... 14 Cuadro 3. Relaciones diámetro de la boquilla — presión buscando buenas dimensiones de las gotas en aspersores de impacto. ............................................................................................................................. 15 Cuadro 4. Referencias para la selección de aspersores. ........................................................................... 16 Cuadro 5. Espaciamientos en porcentaje del diámetro mojado (% Dw) sugeridos para los sistemas estacionarios y diversos modelos de distribución pluviométrica bajo velocidades de viento de 5kmh-^1. .................................................................................................................................................................. 19 Cuadro 6. Porcentajes de traslape recomendados en la literatura. ......................................................... 74 Cuadro 7. Longitudes y áreas regadas por cada lateral para la tubería principal mayor ......................... 78 Cuadro 8. Longitudes y áreas regadas por cada lateral para la tubería principal menor ......................... 78 Cuadro 9. Sets de laterales; gastos, longitudes y número de aspersores por lateral, Tubería principal mayor ........................................................................................................................................................ 79 Cuadro 10. Sets de laterales; gastos, longitudes y número de aspersores por lateral, Tubería principal menor........................................................................................................................................................ 80 Cuadro 11. Cálculo de los diámetros de las Laterales.............................................................................. 82
DEPARTAMENTO DE IRRIGACIÓN INGENIERÍA DE RIEGO A PRESIÓN Proyecto final: Riego por aspersión.
1. Revisión de literatura
Los sistemas de riego por aspersión más antiguos datan de los principios de siglo XX, donde fueron utilizados en el riego de los céspedes ornamentales. Después, la aspersión en la agricultura fue desarrollándose lentamente para el riego de frutales, viveros y hortícolas en cultivo intensivo, En la década de los años 1930, con el desarrollo de los aspersores de Impacto y de las tuberías en acero ligero con uniones rápidas, el riego por aspersión comenzó a extenderse y ser utilizado en una gama amplia de cultivos por todo el Mundo. En los años 1950, surgieron nuevos aspersores, tuberías de aluminio y sistemas de bombeo más eficientes, lo que favoreció la reducción de costes y aceleró la extensión de este método de riego. Más recientemente, en la década del 1960, surgen los equipos pivote, con costos relativamente bajos, riegos de alta frecuencia, automatización del riego y grandes reducciones de mano de obra. La Innovación en los aspersores y en los otros equipos ha sido continua y ha proporcionado la posibilidad de prestar buenos servicios desde que los sistemas están concebidos adecuadamente Cerca del 10% de las áreas de riego en todo el Mundo son por aspersión, siendo este porcentaje más elevado en países desarrollados, con altos costes de mano de obra y bajos costos de energía. Las innovaciones que se introducen mejoran el funcionamiento del riego y favorecen la adaptación de la aspersión a todos los tipos de suelo, de topografía, de cultivos y de climas. Una importante parte de los sistemas del riego por aspersión, actualmente utilizados, todavía, usan tuberías que se mueven manualmente. Sin embargo, la carencia de la mano de obra va haciendo la automatización cada vez más popular. En su forma más simple, la automatización consiste en el uso de las válvulas volumétricas que, como el nombre indica, controlan el volumen de agua deseado y cierran automáticamente después de su suministro. En un nivel más avanzado, estas válvulas se pueden programar para funcionar según una secuencia determinada. Más sofisticado, es el uso de unidades de control, que ordenan automáticamente la apertura y el cierre de las válvulas de acuerdo con el manejo del riego deseado. Finalmente, la automatización permite que varias parcelas puedan regarse sin la intervención de la mano de obra uniendo las unidades de control de campo a una unidad principal comandada por una computadora y ordenando el riego a partir de la computadora o por teléfono móvil. Existen muchas variantes tecnológicas de sistemas de riego por aspersión, lo que permite su adaptación a una gran variedad de condiciones socio-económicas y de características de suelo y de cultivos. Sin embargo, todos los sistemas tienen común los siguientes componentes básicos:
DEPARTAMENTO DE IRRIGACIÓN INGENIERÍA DE RIEGO A PRESIÓN Proyecto final: Riego por aspersión. Aspersores rotativos de turbina (Fig. 2), disponibles en una amplia gama de características, donde la rotación se debe al accionamiento de una pequeña turbina instalada en el mismo aspersor. Su uso en la agricultura es escaso, al contrario de lo que pasa en el riego de jardines, campos de golf y otros espacios verdes. •Aspersores de plato rotativo (Fig. 3), con boquilla de bajo arrastre de gotas por el viento ("LDN, Low Drift Nozzles"), que son, generalmente, de baja presión y pequeño alcance, y que constituyen la generación moderna de aspersores; han substituido los de turbina en usos agrícolas. •Difusores, o aspersores estáticos (Fig. 4), muy populares en los laterales móviles porque requieren una presión muy baja; el agua se dispersa en círculo al chocar el chorro contra una placa, que puede ser plana o estriada, fija o balanceante. Existe una gama muy variada de características, tanto para el riego con ramales estacionarios como para laterales móviles.
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Las ventajas derivan de dos aspectos: El control del riego sólo está limitado por las condiciones atmosféricas (pérdidas por evaporación y arrastre, y el efecto del viento sobre la uniformidad) La uniformidad de aplicación es independiente de las características hidrofísicas del suelo La dosis de riego es función del tiempo de cada postura, por lo que se puede adaptar a cualquier necesidad. Al poder modificarse fácilmente la pluviometría del sistema, se puede adaptar a cualquier terreno, con independencia de su permeabilidad. Permite una buena mecanización de los cultivos, salvo los sistemas fijos temporales. Se adapta a la rotación de cultivos (la instalación se dimensiona para el más exigente) y a los riegos de socorro. No necesita de nivelaciones, adaptándose a topografías onduladas. Dosifica de forma rigurosa los riegos ligeros, lo cual es importante en nascencia para ahorrar agua. Pueden conseguirse altos grados de automatización, (más inversión, menos mano de obra). En algunas modalidades permite el reparto de fertilizantes y tratamientos fitosanitarios, así como la lucha contra heladas. Evita la construcción de acequias y canales, con lo que se aumenta la superficie útil respecto a los riegos por superficie. Es el método más eficaz para el lavado de sales, con el inconveniente de que la energía empleada en la aplicación encarece la operación. Los sistemas móviles o semifijos requieren menos inversión, aunque a costa de una menor uniformidad y eficiencia de riego. Las desventajas son: El posible efecto de la aspersión sobre plagas y enfermedades. Efectos de la salinidad en el cultivo. Interferencia sobre los tratamientos por el lavado de los productos, es necesario establecer una correcta programación de riegos. Mala uniformidad en el reparto de agua por la acción de fuertes vientos. Altas inversiones iniciales y elevados costes de funcionamiento y energía.
Los aspersores son él componente más importante de un sistema de riego por aspersión; son los que determinan la eficacia y la eficiencia de todo el sistema. Un aspersor funciona forzando el agua bajo presión a pasar a través de un orificio circular, el pico o la boquilla, para la atmósfera. El chorro resultante se quiebra gradualmente en las pequeñas gotas' que caen al suelo como lluvia, El aspersor gira en la posición horizontal y produce un modelo de distribución circular. Sin embargo, los aspersores pueden poseer los dispositivos que permiten regar solamente
DEPARTAMENTO DE IRRIGACIÓN INGENIERÍA DE RIEGO A PRESIÓN Proyecto final: Riego por aspersión. En los aspersores de turbina sólo, se mueve la boquilla. El agua entra en el aspersor a presión y actúa sobre una pequeña turbina, la cual acciona la rotación de la boquilla. Al contrario que los aspersores de impacto, no necesitan mecanismos especiales para controlar la velocidad de rotación. Los aspersores de plato rotativo, también conocidos como aspersores LDN ("Low Drift Nozzle"; Clark et al., 2003) se han diseñado para que el chorro impacte en un plato que rueda por acción del agua, y conduce el chorro para que describa un círculo. Al no interrumpirse el chorro, el modelo de distribución es elíptico y más uniforme a lo largo del radio mojado, permitiendo chorros más próximos a la horizontal, pero con razonable alcance para contrarrestar los efectos del viento. En estos aspersores, es posible utilizar diversas combinaciones de boquillas y de platos rotativos, ambos reconocidos por un color que se relaciona con el caudal y la presión para los que fueron diseñados. Los difusores, también llamados aspersores estáticos, son aspersores de baja presión que dispersan el agua en círculo porque el chorro impacta en una superficie opuesta al orificio. Esta superficie puede ser plana, estriada u ondulada; en este caso, generalmente, cóncava. En estos difusores modernos, esta superficie es diseñada para conseguir una buena uniformidad de distribución del agua en un círculo mayor. Tal círculo es más uniformemente mojado en el caso de que la superficie de impacto pueda balancear pero estos aspersores bamboleantes son necesariamente más caros. Los difusores se usan Figura 8. Algunos tipos de aspersores rotativos, con una o dos boquillas y diferentes ángulos del chorro. . Figura 9. Aspersor “rotator” de plano rotativo. Nelson (2003). . Figura 10. Aspersor “Windfighter” de plano rotativo y chorro raso para contrarrestar mejor los efectos del viento. .
DEPARTAMENTO DE IRRIGACIÓN INGENIERÍA DE RIEGO A PRESIÓN Proyecto final: Riego por aspersión. principalmente en laterales móviles y, en este caso, son diseñados especialmente para tal efecto. También, para los difusores, es posible escoger varias combinaciones de placas y de boquillas según la presión y el caudal deseados. Su identificación se hace normalmente por el color. Un aspersor o difusor no puede dar lugar a un riego uniforme sobre todo el círculo mojado. Normalmente, la lámina de agua aplicada durante un riego es mayor cerca del aspersor. El modelo de aplicación puede representarse por un triángulo. Para hacer que la aplicación sea uniforme, es necesario colocar varios aspersores funcionando próximos unos de otros, para que sus modelos de aplicación del agua se superpongan, como se ejemplifica en la siguiente figura, relativa a los modelos de distribución triangulares. Como primera aproximación, para aspersores de impacto, se considera que una buena uniformidad es alcanzada cuando hay un solape de cerca del 65% del diámetro del círculo mojado por cada uno de ellos. La uniformidad puede ser mejorada con una colocación más próxima de los aspersores, pero ello conlleva unas tasas de aplicación de agua elevadas, un número de aspersores mayor y, consecuentemente, un coste del sistema, también, más elevado. En el caso de los aspersores de plato rotativo, el solape requerido es menor, pudiendo distanciar más los aspersores y contar con un menor número de aspersores. La uniformidad de distribución de un sistema de aspersión estacionario puede ser medida en el campo. Para ello, se usan pequeños pluviómetros dispuestos en Figura 11. Difusor de placa de impacta de impacto plana en un sistema estacionario de cobertura total. . Figura 12. Aspersor bamboleante o “Wobbler” con placa cóncava. . Figura 13. Solapamiento de las áreas mojadas por los aspersores regando en sistema estacionario. .
DEPARTAMENTO DE IRRIGACIÓN INGENIERÍA DE RIEGO A PRESIÓN Proyecto final: Riego por aspersión. modifica el modelo de distribución de los aspersores. Cuando es demasiado baja el chorro es curvilíneo, las gotas son mayores, tienen a caer más próximas al aspersor y el alcance es menor. Cuando es demasiado alta, el chorro se rompe demasiado por fricción con el aire, aumentando, también la cantidad de agua caída próxima a los aspersores y disminuye el alcance. Las cantidades aplicadas por unidad de tiempo son, sin embargo, diferentes, siendo más elevadas cuando la presión es mayor. Cuadro 1. Caudales y diámetros mojados para aspersores de impacto con diámetros de boquilla de 2.4 a 5.2 mm, con ángulos de la trayectoria entre 22° y 28°, y boquillas normales.
La pluviosidad a la que los aspersores suministran el agua cuando están en funcionamiento se denomina tasa de aplicación, o pluviometría horaria, la (mmh-l). La tasa de aplicación depende de las características del aspersor (dn, P, q, Dw,) y del espaciamiento entre aspersores en el marco de la disposición de los aspersores en el terreno: en cuadrado, rectángulo o triángulo, en el caso de los sistemas estacionarios (Fig. 6.17). Para la aspersión estacionaria (el caso de los sistemas móviles se trata más adelante, al describir esos sistemas), la viene dada por la expresión: Ia = 1000q/a donde: q, es el caudal o gasto del aspersor (m3h-l ); y a, es el área (m2) que le toca regar a cada aspersor (a = Ll x 1-,2, con Ll
DEPARTAMENTO DE IRRIGACIÓN INGENIERÍA DE RIEGO A PRESIÓN Proyecto final: Riego por aspersión. espaciamiento entre aspersores en el lateral, = espaciamiento entre laterales; Fig. 6.17). El aumento del tamaño de la boquilla, o de la presión, y la disminución de los espaciamientos entre aspersores aumentan la tasa de aplicación. En general, los fabricantes proporcionan la información necesaria para el cálculo de la de sus aspersores, sugiriendo, también, los espaciamientos más idóneos. Sin embargo, tal información no se refiere a condiciones de viento, en las que los espaciamientos deben ser reducidos, como se expone más adelante. La tasa de aplicación deberá ser siempre menor que la tasa de infiltración del suelo para evitar la acumulación de agua en la superficie, las pérdidas por escorrentía y la erosión del suelo. Puesto que las condiciones de infiltración son peores en terrenos inclinados, donde la escorrentía se produce rápidamente, las tasas de aplicación deberán ser menores. La siguiente Tabla presenta las tasas de aplicación máximas aconsejadas para las condiciones de infiltración del suelo y la pendiente Cuadro 2. Tasas máximas de aplicación conforme a la capacidad de infiltración del suelo (expresada, a título indicativo, por la textura y profundidad) y la pendiente. La tasa de aplicación Ia (mmh-^1 ) no debe exceder la tasa de infiltración del suelo, también expresada en mmh-^1. Para su estimación, se ha de considerar la dosis D (mm) a aplicar y el tiempo de riego tr (h): Ia = D/(1000tr)
Un aspersor produce normalmente una amplia gama de tamaños de gotas; generalmente, de 0,5 a 4 mm de diámetro. Las gotas de diámetro inferior caen cerca del aspersor. Las gotas de grandes dimensiones pueden dañar flores, frutos o
DEPARTAMENTO DE IRRIGACIÓN INGENIERÍA DE RIEGO A PRESIÓN Proyecto final: Riego por aspersión. El número de boquillas. 1 ó 2. El ángulo del chorro con la horizontal, Raso (< 100), para el riego por debajo de las copas, normal (180-21 0) o alto (>25°). En general, esta clasificación deberá combinar las características mencionadas y considerar la adaptabilidad del aspersor a las condiciones de campo, lo que se proporciona en la siguiente Tabla como apoyo referencial para la elección de los aspersores. Cuadro 4. Referencias para la selección de aspersores.
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La elección de un aspersor tiene por objetivo encontrar la mejor combinación entre el espaciamiento, el caudal, la presión de funcionamiento y el tamaño de la boquilla que proporciona la tasa de aplicación óptima el mayor grado de uniformidad de aplicación posible en relación con el cultivo a regar. En un sistema de aspersión el modelo pluviométrico y el espaciamiento entre aspersores condicionan ampliamente el grado de uniformidad alcanzable. Sin embargo, el modelo de distribución de agua se altera mucho por efecto del viento y de la presión inadecuada. Las condiciones que afectan tanto al diámetro mojado como al modelo de la distribución de la precipitación del aspersor son la dirección y la velocidad del viento, la altura y el ángulo de elevación del chorro, la turbulencia del flujo de agua que entra y sale de la boquilla, la presión en la boquilla y el diámetro de la boquilla Hay, además, características del propio aspersor que afectan a su calidad de funcionamiento, principalmente las que determinan la velocidad y la uniformidad de rotación, lo que condujo al desarrollo de los nuevos aspersores de plato rotativo con boquillas de baja deriva El viento distorsiona los modelos de precipitación y, consecuentemente, afecta a la uniformidad de distribución (Tarjuelo et al, 19991)). Es de destacar que una velocidad de viento de 5 kmh-^1 , que es solo una brisa, altera profundamente tal modelo. Bajo condiciones de viento, los aspersores necesitan funcionar más cerca unos de otros, de forma que en mayor
DEPARTAMENTO DE IRRIGACIÓN INGENIERÍA DE RIEGO A PRESIÓN Proyecto final: Riego por aspersión. Cuadro 5. Espaciamientos en porcentaje del diámetro mojado (% Dw) sugeridos para los sistemas estacionarios y diversos modelos de distribución pluviométrica bajo velocidades de viento de 5kmh-^1. Los perfiles triangular y elíptico son propios de los aspersores de impacto con una o dos boquillas y de los difusores. El perfil elíptico achatado, que corresponde a una mayor uniformidad en la pluviometría alrededor de cada aspersor, es característico de los aspersores de turbina y de plato rotativo (LDN) y de algunos aspersores de una única boquilla funcionando con la presión recomendada. En la siguiente Figura se muestran ejemplos de perfiles pluviométricos de aspersores de impacto y de plato rotativo (LDN). Los aspersores con boquillas alargadas tienden a producir un perfil más achatado, así como los que dos diseñados para contrarrestar los efectos del viento. En condiciones ventosas, sin embargo, se produce distorsión. Figura 16. Perfiles pluviométricos observados sin viento: arriba, modelo de un aspersor de impacto; abajo, modelo elíptico achatado de un aspersor de plato rotativo (LDN) diseñado para condiciones ventosas.
DEPARTAMENTO DE IRRIGACIÓN INGENIERÍA DE RIEGO A PRESIÓN Proyecto final: Riego por aspersión. Los diámetros mojados de los aspersores que constan en los catálogos de los fabricantes se basan en tests efectuados en ausencia de Viento se miden hasta la distancia en que la tasa de aplicación no es inferior a 0,25 mmh-^1 f En condiciones de Campo, con viento de O a 5 kmh- (^1) , esos diámetros deberán ser acortados en JOYO. Pero, precisamente, se puede prever una reducción del 2,5% del espaciamiento por cada 1,6 kmh-^1 por encima de la velocidad del viento de 5 km h-l para los valores recogidos en la Tabla X. En general, los buenos catálogos de los fabricantes proporcionan orientaciones sobre los espaciamientos capaces de proporcionar las uniformidades más elevadas para cada tipo de aspersor, u orientaciones sobre las uniformidades esperadas para determinados espaciamientos, pero, casi siempre, sin considerar los efectos del Viento. Es de reseñar que los espaciamientos obtenidos de la Tabla (6.5) deben ser redondeados hasta la unidad en el caso de usarse tuberías de plásticos (PVC) o a múltiplos de 3 m en el caso de tuberías móviles de aluminio, cuya longitud estándar es de 3 m. Este redondeo se hace para los valores más bajos en condiciones ventosas y para cultivos sensibles, y para los más altos, en caso de viento menos probable y cultivos menos rentables.
Una red de tuberías de suministro de agua para riego por aspersión se compone de los siguientes elementos: o Tubería Primaria o Tubería Secundaria o Tubería terciaria o Tubería lateral o porta aspersores El diámetro de las tuberías depende del caudal que tiene que suministrar, así serán de diámetro menor las tuberías laterales o porta emisores y de mucho mayor tamaño la tubería primaria.
