ZAMORANO UNIDAD EMPRESARIAL DE SERVICIOS AGRÍCOLAS UNIDAD DE RIEGO E HIDROMETRÍA
MANUAL DE APOYO RIEGO E HIDROMETRIA. Elaborado por: Francisco I. Alvarez Luis F. López.
ZAMORANO, 2005.
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INDICE Introducción...................................................................................................... 4 Instrucciones generales de seguridad........................................................... 5 I. Requerimientos básicos para el desarrollo del riego.......................... 7 Fuente de agua.............................................................................. 7 Suelo.............................................................................................. 8 Topografía, cultivo, clima................................................................ 9 II. Aforo o determinación de caudal....................................................... 11 Aforo volumétrico......................................................................... 11 Área por velocidad........................................................................ 13 Molinete o escorrentimetro............................................................ 14 Practica # 1.................................................................................... 15 III. Componentes de una estación meteorológica...................................... 18 Instrumentos de una estación meteorológica................................. 19 Abrigo, termómetros de máxima y mínima, psicómetro, anemómetro Pluviómetro, pluviografo, heliógrafo............................................ 20 Pana de evaporación...................................................................... 21 IV. Calculo de la evapotranspiración de los cultivos................................. 22 Coeficientes de la pana clase A..................................................... 25 Tabla para calcular la humedad relativa del ambiente................... 26 Practica # 2..................................................................................... 26 V. Calculo de las necesidades de riego..................................................... 28 Determinación de lamina neta de riego.......................................... 28 Capacidad de campo, punto de marchitez permanente...................29 Porcentaje de agotamiento, densidad aparente Profundidad efectiva radicular, agua disponible Determinación de lamina bruta....................................................... 30 Practica # 3...................................................................................... 31 VI. Sistemas de bombeo..............................................................................32 Clasificación de bombas................................................................. 32 Partes de un sistema de bombeo....................................................32 Forma de operación de las bombas.................................................34 Sumergencia....................................................................................36 Fricción........................................................................................... 37 Practica # 4..................................................................................... 38 VII. Métodos de riego.................................................................................. 41 Riego por goteo.............................................................................. 41 Riego por inundación..................................................................... 42 Riego por surcos............................................................................. 42 Riego por aspersión........................................................................ 43 Componentes del equipo de aspersión............................................44 Tipos de riego por aspersión.......................................................... 45 Practica # 5...................................................................................... 46 VIII. Coeficiente de uniformidad.................................................................. 48 Uniformidad de la subunidad de riego........................................... 48 Coeficiente de uniformidad de caudales......................................... 50 Coeficiente de uniformidad de presiones..................................... 52
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IX.
Coeficiente de uniformidad de la unidad...................................... Uniformidad en la lámina de aplicación........................................ Practica # 6................................................................................... Determinación de la velocidad de infiltración del agua....................... Practica # 7....................................................................................
54 58 59 60 61
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INTRODUCCION.
El presente trabajo es el fruto de una modesta recopilación de conocimientos, que tienen como objetivo servir de guía para cubrir la enseñanza práctica y técnica de los aspectos básicos del riego, drenaje e hidrometría. La sección de riego, drenaje e hidrometría brinda servicios de: 1. Riego y drenaje, mediante diferentes métodos. 2. Medición de fuentes de agua (hidrometría). 3. Medición de los fenómenos atmosféricos (climatología). Estos servicios están disponibles tanto para clientes internos, (unidades empresariales, proyectos en convenio con Zamorano) y para clientes externos, (particulares ajenos a Zamorano). La sección de riego es una de las dos secciones que forman la Unidad Empresarial de Servicios Agrícolas, unidad que desempeña un papel fundamental en la realización de actividades imprescindibles en el proceso de producción agrícola, tales como levantamiento y nivelación de tierras, preparación de suelos, mantenimiento, uso y reparación de equipo agrícola, por mencionar algunas.
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INSTRUCCIONES DE SEGURIDAD GENERAL PREVENCIÓN ES LA MEJOR MEDICINA Un buen trabajador es un trabajador seguro. Asegúrese que conoce el modo seguro de desempeñar cualquier trabajo que se le ha encomendado. Si hay cualquier duda pregúntele a su supervisor. No esperamos bajo ninguna circunstancia que tome riesgos innecesarios o que trabaje bajo condiciones peligrosas sin protección apropiada. Tome interés especial en empleados nuevos ó inexpertos. Con llamarles la atención en prácticas peligrosas y con enseñarles un método seguro de hacer su trabajo. Obedezca los letreros de advertencia y etiquetas, como están para señalar peligros. Payasadas y bromas prácticas son peligrosas y no son toleradas. Las reglas de seguridad son para su protección. Se les pide a todos que vivan el espíritu y a la letra de estas reglas para poder proteger a todos los empleados.
Inspeccione su equipo Ropa adecuada es importante Mire a su alrededor antes de encender el equipo Si se siente enfermo no realice trabajos peligrosos Manténgase libre de partes de maquinas en movimiento Buena limpieza evita accidentes Utilice señales de mano cuando el nivel de ruido es alto Nunca permita exceso de pasajeros, ni personas paradas en vehículos en movimiento. Proyecto Agsafe, 140 Warren Hall, University of California, Berkeley, CA 94720 .
RESUMEN: CASO 192-114-01 Las personas que riegan el campo, ponen y quitan las pipas que llevan agua a las cosechas. Un regador estaba quitando un sistema de riego en un campo de algodón y la línea de pipas con que estaba trabajando estaba conectada con la fuente principal de agua. La conexión consistía de una válvula enroscada en las pipas y un anillo ajustado sobre la válvula y las pipas. Poco antes de quitar las pipas, el agua estaba corriendo en las pipas principales a los rociadores con los que estaba trabajando el regador. El regador se agachó y empezó a voltear la llave para cerrar el agua que llegaba a los rociadores. La tapa de la válvula que se encontraba encima de la conexión se soltó y la presión del agua de la pipas principales lanzó la válvula hacia la cara del regador. El golpe le rompió la mandíbula, le tumbó los dientes de enfrente, y le dio una concusión. Aún semanas después del incidente el regador padecía de dolores de cabeza, mareos y vista borrosa. ¿Cómo se hubiera podido prevenir esta lastimadura? •
Cierre la llave antes de mover pipas de riego en la fuente principal, no en las conexiones.
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Revise el equipo antes de usarlo, incluyendo las roscas de los tornillos y las grapas de las válvulas que hacen la conexión.
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Entrene a los trabajadores en prácticas seguras en el trabajo. Este rancho no tenía por escrito un plan de entrenamiento de seguridad.
Importancia del programa de seguridad. 1.
Muchos de ustedes tienen un trabajo peligroso. Casi todos trabajos agrícolas envuelven algún riesgo. Cada año a través de los Estados Unidos más de 700 trabajadores agrícolas mueren y otros 70,000 resultan heridos. Muchas de estas muertes y heridas se podrían prevenir mediante el uso de equipo de protección personal.
2.
Como ya dijimos el trabajo agrícola es peligroso. Dado que no podemos eliminar los riesgos debemos aprender a protegernos de ellos. Debemos: a.
Saber cómo operar y mantener nuestro equipo.
b.
Conocer los riesgos que nos pueden herir en el trabajo.
c.
Saber cuál equipo de protección personal es apropiado para la labor que realiza. "Es importante reconocer los riesgos asociados a su trabajo. Después de determinar estos riesgos el siguiente paso es seleccionar el equipo de protección personal apropiado y UTILZARLO siempre. Recuerde, de nada sirve el equipo si no lo lleva puesto. Si no está seguro de cuál es el equipo apropiado pregúntele a su supervisor. Puede salvarle una pierna, una mano, un ojo o la vida."
3.
No importa con cuanta seguridad trabaje al presente puede hacerlo aún mejor. Su seguridad y salud dependen de ello.
4.
Aún los trabajadores agrícolas experimentados pueden estar tomando riesgos innecesarios. Podemos estar deprisa y olvidarnos de la seguridad por un sólo instante fatal. También podemos desarrollar malos hábitos o tomar atajos peligrosos que pueden resultar en lesiones.
5.
"Un accidente o lesión puede ocurrir en cualquier momento. Hay lesiones cuyos síntomas no se notan por algún tiempo, por ejemplo, la pérdida auditiva. Es por esto que usted debe estar siempre preparado y protegido. Usted tiene un sólo cuerpo, protéjalo bien.
6.
"Recuerde, es SU responsabilidad protegerse mediante el uso de equipo de protección personal."
¡NO QUEREMOS QUE SUFRA LESIONES INNECESARIAS
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I. REQUERIMIENTOS BASICOS PARA EL DESARROLLO DEL RIEGO. A. Objetivo: Conocer las condiciones favorables que permitan utilizar eficientemente el agua para riego. B. Introducción. Riego es aplicar artificialmente agua al suelo en el momento oportuno, para garantizar cosechas en forma sostenida, continua, intensiva y económica. Drenaje es parte integrante del sistema de riego. Es la evacuación de los excesos de agua de la zona de absorción, con el fin de evitar la saturación del suelo. La agricultura de regadío implica el uso racional de la tierra y del agua, a fin de obtener cosechas abundantes, seguras y rentables durante todo el año. Previo a la dotación de riego es necesario considerar su posibilidad y conveniencia, con relación a las condiciones existentes en el lugar. Estos factores se consideran a continuación: C. Fuentes de Agua. 1. Disponibilidad de agua: Los encargados de riego necesitan medir el flujo de agua con exactitud para determinar la forma más apropiada de utilizar este recurso. Conforme los recursos hídricos son explotados con mas agresividad y conforme aumenta la población mundial, el agua fresca de buena calidad sé esta volviendo más escasa. Esta tendencia destaca la importancia de medir el agua, evaluar las prácticas en su manejo e identificar las alternativas tecnológicas que lleven a su conservación. 2. Localización de la fuente: Define la necesidad de bomba para impulsar el agua en aquellos lugares en los que no puede ser conducida por gravedad aprovechando el gradiente hidráulico. En otros casos va definir la escogencia del tipo de bomba, la más conveniente de acuerdo al trabajo que se necesita efectuar, de manera que de el mejor rendimiento y sea económica. 3. Calidad del agua: Los principales criterios para clasificar la calidad de las aguas para riego toman en consideración la concentración y tipo de sales. Algunas sales pueden deteriorar las condiciones físicas del suelo, ser tóxicas a los cultivos o crear desbalances nutricionales.
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Cuando utilice aguas superficiales para riego, analícela cada cuatro meses de la presencia de coliformes fecales, especialmente si el agua pasa cerca de plantas de tratamiento de aguas negras o de áreas con ganado u otros animales. •
Identifique el origen del agua para riego.
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Agua potable del Municipio- bajo riesgo.
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Agua potable de pozo- riesgo es mínimo si el pozo esta cubierto y si se mantiene alejado al ganado del área activa de recarga.
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Agua superficial- Alto riesgo.
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Examine el agua cuatro veces por año o durante la temporada (al inicio, a la mitad o cuando se use mucho y en la cosecha) si el agua proviene de arroyos cercanos a establos o plantas de tratamiento de aguas negras.
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Mantenga registros de los exámenes de agua.
4. Suelo. Las prácticas de manejo y las decisiones respecto a la factibilidad del riego dependen en gran medida de las condiciones topográficas y del suelo, A. Características Físicas: Textura y estructura, determinan la capacidad de almacenamiento de agua, capacidad de infiltración y permeabilidad tales que permitan una adecuada aireación. Profundidad del suelo, suficiente para el desarrollo de raíces del cultivo. La textura del suelo se refiere a las cantidades relativas de las partículas de suelo como ser arena, limo y arcilla. La estructura del suelo es el resultado de la agregación de las partículas individuales de suelo en terrones o agregados. Los suelos arenosos poseen un buen drenaje y aeración natural y tienen poca capacidad de retención de agua. En contraparte los suelos arcillosos tienen partículas mucho más pequeñas que las arenas y tienden a formar estructuras físicas complejas con alta porosidad y una abundancia de espacios capilares, estos suelos son más difíciles de drenar Relaciones suelo-agua: Las características principales del suelo utilizadas para estimar su capacidad de almacenamiento potencial de agua disponible, incluyen la capacidad de campo(CC), el punto de marchites permanente (PMP), y el agua disponible (AD). 1. Capacidad de Campo. Es la cantidad de agua que retiene el suelo después de un riego amplio o de una lluvia fuerte, cuando no existe impedimento alguno de drenaje. Esto último lo diferencia de saturación que es
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cuando todos los poros se encuentran llenos de agua y sin aire ya que la primera lo ha desplazado.
2. Punto de Marchitez Permanente. Es el contenido de agua del suelo por debajo del cual la planta no puede extraer efectivamente agua del suelo. Y en el cual las plantas no se recuperan aunque se les exponga a un medio de alto contenido de humedad. 3. Densidad Aparente. Relación entre el peso seco del suelo y el volumen que ocupa. 4. Profundidad efectiva de raíces. Es aquella donde se encuentra el 70% de las raíces de la planta y hasta donde se debe abastecer de agua. 5. Porcentaje de Agotamiento. El porcentaje de agotamiento permisible es la fracción del total del agua disponible en el suelo que se permite se consuma antes de volver a regar nuevamente. El valor del porcentaje de agotamiento tiende a bajar en los cultivos de alto valor, a menos que sea necesario someter a las plantas a estrés para tener una producción aceptable por ejemplo algodón y sandias. 6.) Agua disponible. El agua disponible puede ser definida como CC-PMP, la cual se expresa como una profundidad de agua disponible por metro de profundidad de suelo B. Topografía: Define el método de riego a utilizar basado en su adaptación a las condiciones que prevalecen en el medio para tener un buen control de la humedad del suelo, la forma de conducción y aplicación del agua al área de riego. C. Cultivo. Las necesidades de agua varían con la especie y la edad de los cultivos. La cantidad de agua evaporada de un terreno, también depende de la cobertura del follaje del cultivo. D. Clima. Es necesario conocer el comportamiento de los factores atmosféricos para planificar y diseñar un sistema de riego. Factores tales como: precipitación, temperatura, humedad relativa, horas luz solar y velocidad del viento, nos ayudan a definir los requerimientos de agua a lo largo del ciclo de cultivo.
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Evaluación. Quiz, que consistirá en medir la habilidad del alumno para identificar las condiciones básicas necesarias para implementar un sistema de riego, para aprobar se exige como nota mínima 80%.
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II. AFORO O DETERMINACION DEL CAUDAL. A. Objetivo: Aprender a medir el caudal de una fuente a través de los métodos a Continuación descritos. Conocer la importancia de medir el caudal de una fuente. B. Introducción. La hidrología involucra el conocimiento de las fuentes de agua disponibles, incluyendo su conservación, utilización y evaluación. Una buena programación de riego implica la capacidad para medir los caudales y volúmenes de entrega de agua en puntos de control claves del sistema de riego Caudal o flujo de agua se define como el volumen de agua que pasa por la sección de un curso de agua, en un tiempo determinado, o simplemente como el volumen por unidad de tiempo. Unidades típicas de medida incluyen: pies cúbicos por segundo (p3/s); galones por minuto(g/m); litros por segundo (l/s); y metros cúbicos por segundo (m3/s). Algunas de las razones por las que se operan estaciones de caudal son: 1. Los datos de caudal son básicos para desarrollar abastos o suministros de agua confiables. Proveen la información de la disponibilidad de aguas y su variabilidad en tiempo y espacio. 2. Se utilizan en la planificación y diseño de proyectos relacionados a aguas superficiales tales como riego y son usados en la administración y operación de dichos proyectos. 3. Datos de eventos de inundaciones obtenidos en las estaciones de flujo continuo sirven de base para el diseño de puentes, canales, represas y embalses para control y alerta de inundaciones. C. Aforo o determinación del caudal. Varios son los métodos que se emplean para desarrollar estas mediciones: 1. Aforo volumétrico: se pueden tomar medidas volumétricas de pequeñas corrientes de agua usando un recipiente calibrado y un cronómetro para ver cuánto tiempo lleva llenar el recipiente, o bien, ver que lámina de agua se logra en un tiempo determinado. El flujo en litros por segundo se determina dividiendo el volumen de agua recogido entre el tiempo en segundos que el recipiente requiere para llenarse. Si se quiere saber el caudal en galones o litros por unidad de tiempo debemos recordar que un galón es equivalente a 3.785 lts y m3 es igual a 1000 lts.
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La forma más sencilla de calcular los caudales pequeños es la medición directa del tiempo que se tarda en llenar un recipiente de volumen conocido. La corriente se desvía hacia un canal o cañería que descarga en un recipiente adecuado y el tiempo que demora su llenado se mide por medio de un cronómetro. Para los caudales de más de 4 l/s, es adecuado un recipiente de 10 litros de capacidad que se llenará en 2½ segundos. Para caudales mayores, un recipiente de 200 litros puede servir para corrientes de hasta 50 1/s. El tiempo que se tarda en llenarlo se medirá con precisión, especialmente cuando sea de sólo unos pocos segundos. La variación entre diversas mediciones efectuadas sucesivamente dará una indicación de la precisión de los resultados. Si la corriente se puede desviar hacia una cañería de manera que descargue sometida a presión, el caudal se puede calcular a partir de mediciones del chorro.
Ejemplo: Tiempo = 15 seg Area
= 3.1416 (0.75m)² = 1.77m²
Volumen
= 1.77m² (0.30m) = 0.531m³
Caudal
= 0.531m³ / 15 seg = 0.0354m³ / seg = 35.4lt/seg = 561.1 gal/min
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2. Área x velocidad: Se puede usar tanto en ríos como en canales de forma regular. El método consiste en medir la velocidad de la corriente y medir el área transversal de una sección representativa del canal o río. Una vez investigados estos dos datos, se multiplican y obtenemos el caudal de la corriente en unidades cubicas sobre tiempo, o sea volumen sobre tiempo.
D = Distancia que recorre el flotador W = Ancho promedio del canal H = Altura promedio de la lamina de agua que pasa por el canal T = Tiempo que tarda el flotador en recorrer D
Ejemplo: D = 10m W = 0.5m H = 0.10m T = 2.0 seg Q=(D/T)(W)(H) Q = ( 10 / 2 ) ( 0.5 ) ( 0.1) Q = 0.25m³ / seg Existen varias formas e instrumentos para medir la velocidad de una corriente. La manera más sencilla, siempre y cuando la corriente lo permita, es medir una distancia determinada y marcar el inicio y el fin de esa distancia. Luego, arrojamos un material flotante (corcho, trozos de madera, etc.) y medimos el tiempo que tarda en recorrerla.
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3. Molinete o Escorrentimetro: Los medidores o molinetes de aforo típicos para medir velocidad de la corriente se basan en la relación entre la velocidad del agua y la rotación del instrumento en torno a un eje central. Cuando se coloca un medidor de flujo en un punto del río o quebrada, este rotará en proporción a la velocidad del agua. Si contamos el número de revoluciones en un periodo de tiempo definido (usualmente de 40 a 60 segundos), puede determinarse la velocidad del agua en el punto de observación. Molinete tipo taza cónica
El número de revoluciones puede determinarse de varios modos: a. Visualmente, si el agua es transparente y marcando un punto de referencia en el rotor del instrumento. b. Eléctricamente, a través de un circuito que se cierra cada vez que el rotor completa una revolución. Los puntos de contacto en la cámara del rotor completan el circuito eléctrico en cada revolución (algunos instrumentos vienen adaptados para que el circuito se complete cada 5 revoluciones). El cierre del circuito puede determinarse a través de un sistema de audífonos conectados al instrumento. El número de revoluciones en el tiempo deseado puede contarse mentalmente o grabarse en un instrumento electrónico. El tiempo transcurrido se mide con un cronómetro.
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D. Práctica Nª 1 1. Habilidades Y Destrezas. 1. Medir un caudal a través del método del recipiente calibrado. 2. Medir un caudal a través del método del flotador. 3. Medir un caudal a través del método del molinete o escorrentimetro. Material necesario: Molinete. Cinta métrica. Libreta de campo. Cronometro. Material flotante (corcho, trozo de madera). Recipiente calibrado. 2. Metodología. a. Previo al aforo, se debe conducir una prueba de rotación del instrumento. Dicha prueba consiste en verificar que el molinete gire de 30 a 90 segundos en forma continua, de no ser así el instrumento debe ser calibrado para poder realizar la medición. b. Escoger un lugar del río o canal que sea representativo del todo. Se recomienda un lugar que no tenga muchas piedras o ramas en el cauce ya que se crea turbulencia. El lugar no debe ser una estrechez o ensanchamiento del cauce sino que debe mantener más o menos el mismo ancho para lograr medidas más exactas. Preferiblemente no escoger un lugar inmediatamente después de una curva. c. Una vez escogido el lugar medir el ancho del canal o río. d. Dividir el ancho del río o canal en no menos de 25 secciones. Por ejemplo, si el ancho es de 25m. entonces se hacen 25 divisiones de un metro cada una. e. Medir profundidades del río o canal, desde el metro cero hasta el final (de una orilla hasta la otra) y anotarlas.
f.
Seguidamente calcular las áreas de cada sección. Tomar una lectura de velocidad con el molinete en la mitad de cada sección trazada anteriormente de manera que haya un dato de velocidad para cada sección. La medición de la
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velocidad de la corriente debe ser tomada según la profundidad de la sección: para profundidades menores a un metro se debe medir al 60% de profundidad, mientras que para profundidades mayores a un metro se toma una lectura al 20% y otra al 80% de profundidad, para luego calcular un promedio. Variación de la velocidad en una corriente de agua
g. Calcular el caudal estimado que pasa por cada sección (área x velocidad). Una vez obtenidos los caudales de todas las secciones, éstos se suman para obtener el caudal total de la fuente.
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Calculo del caudal a partir de la lectura de velocidad con el molinete. 1
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Velocidad del caudal Area Caudal (m/s) Profundidad Ancho 2 Sección (m ) (m³/s) (m) (m) 0,2D 0,8D Media 1
-
-
0,5
1,3
2,0
2,6
1,30
2
0,8
0,6
0,7
1,7
1,0
1,7
1,19
3
0,9
0,6
0,75
2,0
1,0
2,0
1,50
4
1,1
0,7
0,9
2,2
1,0
2,2
1,98
5
1,0
0,6
0,8
1,8
1,0
1,8
1,44
6
0,9
0,6
0,75
1,4
1,0
1,4
1,05
7
-
-
0,55
0,7
2,0
1,4
0,77
TOTAL
9,23
3. Evaluación. Ejercicio de retroalimentaciòn, que consistirá en la correcta aplicación de cualquiera de los métodos de aforo anteriormente explicados y el cual deberá ser aprobado con una nota mìnima de 80%. Fuentes: Alvarez, F. 1997, Manual de Practicas de Campo. Macromodulo de Ingenieria Agrícola, Unidad de Riego y Drenaje. United States Geological Survey. 1986, Determinación de Caudal y Técnicas de Muestreo de Agua Superficial.
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III. COMPONENTES DE UNA ESTACION METEOROLOGICA. A. Objetivo: Identificar y conocer la utilidad de los diferentes instrumentos de una estación meteorológica. B. Introducción. El poder disponer de datos meteorológicos representativos de una zona es de gran importancia para una buena planificación en agricultura, urbanismo, ingeniería o en ordenación del territorio. El conocimiento del efecto de los fenómenos atmosféricos es fundamental en la optimización de la producción agrícola, la conservación de recursos naturales y la protección del medio ambiente. Las variables meteorológicas más importantes son: temperatura, humedad del aire, viento, insolación, precipitación y evaporación. Las estaciones deberán instalarse en terreno llano y libre de obstáculos que puedan afectar a las observaciones, procurando evitar depresiones donde las temperaturas suelen ser más elevadas durante el día y más bajas durante la noche. Siempre que sea posible el suelo de la estación y de la zona circundante deberá estar cubierto de césped. La estación debe protegerse con vallas de tela metálica de dimensiones mínimas de 10 x 10 m2 y de 1.2 m de altura.
Estación meteorológica de la Escuela Agrícola Panamericana
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C. Instrumentos de una estación Meteorológica. Los instrumentos utilizados deberán ser de preferencia los siguientes: 1. Abrigo o garita para termómetros. Los termómetros deberán estar protegidos de la acción directa de los rayos solares, aunque bien ventilados las garitas están provistas de paredes con persiana para proteger los instrumentos del sol y la lluvia con una buena ventilación y libre movimiento del aire tanto horizontal como verticalmente.
2. Termómetros de máxima y mínima. Son instrumentos que registran las temperaturas mas altas o más bajas de cada día. La temperatura máxima se lee a las 18 horas locales y la temperatura mínima a las 7 de la mañana. Esta información debe registrarse todos los días. 3. Psicròmetro. Consiste en un juego de dos termómetros paralelos, el seco y el húmedo. Este último tiene colocada en su bulbo una muselina, la que se humedece cada vez que se toma una lectura y además puede estar provisto de ventilación forzada. Es un instrumento que sirve para obtener registros de humedad relativa, temperatura de punto de rocío y tensión de vapor de agua.
4. Anemómetro y veleta. Es un instrumento que registra la dirección y velocidad del viento. La dirección se registra desde donde sopla el viento según los grados de la rosa náutica. Registra la velocidad instantánea al momento de la observación. El anemómetro debe leerse en horas sinópticas. Anemómetro Anemógrafo
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5. Pluviómetro. Es un instrumento que sirve para tomar lecturas instantáneas de precipitación. En las estaciones climatológicas las lecturas se toman a las siguientes horas locales: 7:00 a.m., a la 1:00 p.m. y 6:00 pm todos los días.
6. Pluviogràfo. Es el instrumento que en una gráfica registra la cantidad o la intensidad de precipitación. De su registro continuo puede determinarse la intensidad de la precipitación. Proporcionan información sobre el inicio, duración, cantidad e intensidad de precipitación en distintos intervalos de tiempo.
7. Heliográfo o Registrador de insolación Campbell-Stokes. Consiste en una bola de vidrio maciza, de unos 10 cm. de diámetro que va montada concéntricamente en el interior de una envolvente metálica. La bola actúa como una lente que concentra los rayos solares sobre una tira de cartulina tratada especialmente que se introduce en unas ranuras de la envolvente metálica. Los rayos solares queman la cartulina dejando una traza que da una medida de la duración de la insolación diaria expresada en horas.
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8. Pana de evaporación. La pana clase A, tiene dimensiones de 1.21m de diámetro y 25.50 cm. de profundidad. Se coloca en una plataforma de madera con el fondo 15 cm. arriba del suelo. A través del método del tanque se pueden medir los efectos integrados de la radiación, el viento, la temperatura y la humedad en función de la evaporación de una superficie de agua libre.
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IV. CALCULO DE LA EVAPOTRANSPIRACION DE LOS CULTIVOS. A. Objetivo: Calcular la evapotranspiracion de un cultivo por el método de la pana de evaporación tipo A. B. Introducción. La cantidad de agua absorbida y transpirada por el cultivo en crecimiento vegetativo, más la inevitable evaporación de humedad de la superficie de la tierra, es lo que el cultivo consume. Esto se conoce como evapotranspiración del cultivo (Etc.). La velocidad de la Etc es muy importante ya que establece la cuota en que un sistema de riego debe proveer agua a los campos que aseguren plantas sanas y cosecha abundante. El método de cálculo de Etc usando la pana de evaporación es muy recomendado porque suministra una forma directa de medir la evaporación del campo. De manera conjunta integra todos los factores que afectan la evaporación para realizar un cálculo preciso. La más comúnmente usada es la pana clase A de la Oficina meteorológica de los Estados Unidos.
Hay que reconocer que hay factores que producen diferencias muy grandes entre las pérdidas de agua en una superficie de agua expuesta y las plantas mismas. Por ejemplo, la radiación reflejada por una superficie de agua es cerca del 8%, mientras que la vegetación expele cerca del 25 % de la radiación solar recibida. De manera general, los cultivos pierden cerca del 95 % del agua durante el día, mientras que el calor retenido adentro de la pana puede producir una distribución de evaporación casi igual durante el día o la noche. Por esto se han creado coeficientes que toman en consideración estas variantes y que permiten conciliar las diferencias. Estos coeficientes de la pana (Kp) dependen del viento, humedad y de las condiciones del área que rodea la pana. Son comúnmente usados valores entre 0.7 y 0.8, pero pueden oscilar entre 0.4 y 0.85 en condiciones extremas.
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Cuando multiplicamos el Kp por la evaporación medida en la pana (Ep) en mm/día obtenemos un valor de evapotranspiración potencial (ETo) que se define como la “ tasa de evapotranspiración de una superficie continua de 8 a 15 cm de pasto alto, de altura uniforme, creciendo activamente, cubriendo el terreno y sin necesidad de agua”. Eto = Ep x Kp Hay que mencionar que la Eto, como su nombre lo indica, no es el dato final que buscamos pero sí un paso intermedio para encontrar la Etc. Una vez que el valor normal de referencia de Eto ha sido determinado se debe multiplicar por un coeficiente del cultivo (Kc) para conseguir así la cifra real de ET. El valor de Kc dependerá del cultivo y de su estado de crecimiento en el momento. Típicamente, los valores de Kc son pequeños durante el crecimiento inicial de las plantas (0.35), y aumentan cuando el cultivo alcanza la etapas críticas de floración y fructificación (1.0 o más). Valores de Kc para varios cultivos son proporcionados en este manual. Para entender lo que éste valor representa, se debe interpretar como un porcentaje de la Eto, el cual puede ser cercano al 35 % de la ETo cuando el cultivo está en sus primeras etapas (Kc = 0.35) o bien, de 110 % de la ETo cuando está en floración o fructificación (Kc = 1.1). ETc = ETo x Kc Hay muchos factores que afectan la ETC: viento, temperatura, radiación solar, nubosidad, tipo de cultivo, etapa de cultivo. En vista de esto los productores deben conocer con aproximación la cantidad de agua en mm por día que deben usar para cada cultivo y la cantidad a aplicarse en cada riego según el estado de crecimiento de la plantación. Como dijimos anteriormente, la Etc variara según la etapa del cultivo, entre otros factores. Para analizar de mejor manera como varía, los investigadores recomiendan dividir el cultivo en cuatro etapas importantes:
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1) Etapa de Germinación (Etapa I): Desde que plantamos la semilla en el campo hasta que su follaje llega a cubrir un 10 % del terreno. 2) Etapa de crecimiento: Abarca desde el final de la etapa anterior hasta que la planta llega a cubrir un 80 % del terreno. En esta etapa la planta desarrolla su sistema radicular, hay engrosamiento de tallos, aparecen más hojas. 3) Etapa de Floración (Etapa III): Abarca desde que la plantación forma su inflorescencia, luego el fruto o grano llega a formarse pero no pasa a maduración. 4) Etapa de Cosecha (Etapa IV): El fruto o grano ya esta formado y llega a maduración. La duración de cada una de estas etapas dependerá del cultivo y de la zona donde se siembre el cultivo.
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Coeficientes Kp en el caso de una cubeta de la clase A, para diferentes cubiertas y niveles de humedad relativa media y vientos durante las 24 horas. RH media%
Viento Km/dia
baja 040 %
media 70%
40-
Alta 70%----
Distancia a barlovento de cubierta verde en mt
Debiles 0-175
0 10 100
0.55 0.65 0.70
0.65 0.75 0.80
0.75 0.85 0.85
Moderados 175-425
0 10 100
0.50 0.60 0.65
0.60 0.70 0.75
0.65 0.75 0.80
Fuertes 425-700
0 10 100
0.45 0.55 0.60
0.50 0.60 0.65
0.60 0.65 0.70
Muy fuertes 700---
0 10 100
0.40 0.45 0.5
0.45 0.55 0.60
0.50 0.60 0.65
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Tabla para calcular la humedad relativa del ambiente Diferencias en temperatura ( Bulbo seco-Bulbo Húmedo),AC 1.5
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E. Práctica Nª 2 1. Habilidades Y Destrezas. a) Identificar el uso y manejo de los instrumentos de una estación meteorológica. b) Conocer la aplicación de la información brindada por una estación meteorológica en los cálculos de riego. c) Calcular la evapotranspiración de cultivos a través del método de la pana.
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1
seco 0.5
Bulbo Cº
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2. Metodología. a) Obtener la hoja de registro de datos de la estación meteorológica. Con las lecturas diarias de evaporación de la pana, calcular la evaporación para todos los días de un numero de meses determinado y el promedio de cada mes. Para realizar esta tarea, tome la lectura anotada a las 7:00 a.m. de cada día del mes y la resta de la lectura del día siguiente tomada a la misma hora. La diferencia será la evaporación ocurrida para el primer día tomado. A manera de ejemplo, si la lectura anotada a las 7:00 a.m. del día 1 de enero fue de 50.25 mm y la lectura anotada a la misma hora para el día 2 de enero fue de 48.25 mm, quiere decir que el dato de evaporación para el día 1 de enero sería de 2.00 mm (50.25 – 48.25). para lograr un dato más real, se debería de tomar la evaporación promedio ocurrida de un mínimo de diez años para el mismo mes. b) Utilizando la tabla proporcionada, encuentre el valor de kp que mejor se adapte a la Región y calcule la Eto promedio para cada mes. c) Suponga que queremos estimar como variaría la Etc si el cultivo de interés fuese maíz para grano. Divida el ciclo del cultivo de la manera mejor posible, en cuatro etapas (germinación, crecimiento, desarrollo y cosecha) asignando un número de días a cada etapa. d) Haga una gráfica donde el eje de las ordenadas sea tiempo y el eje de las abscisas sea Kc. Divida el eje de las ordenadas según la división hecha anteriormente del ciclo de cultivo. e) Una vez definidas las cuatro etapas, utilice las tablas proporcionadas para encontrar el valor de Kc para cada una y grafique. f) calcule el promedio de Etc mensualmente, según el método explicado. 3. Evaluación. Quiz, que consistirá en medir la habilidad del alumno para calcular la evapotranspiración de un cultivo dado, para aprobar se exige como nota mínima 80%.
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V. CALCULO DE LAS NECESIDADES DE RIEGO. A. Objetivo: Calcular correctamente la lámina de riego a aplicar y conocer su importancia en el uso eficiente del agua. B. Introducción. Es necesario que el riego se aplique en el momento oportuno y en las cantidades adecuadas, de manera que sea eficiente y economice agua, nutrimentos y mano de obra. En consecuencia es importante saber, cuánto, cuándo y cómo regar. Lámina de riego, es la cantidad de agua que se necesita adicionar al suelo para llevarlo a su capacidad de campo expresada en unidades de longitud. En otras palabras es el espesor que tendría la lámina de agua, si esta se acumulara sobre la superficie del suelo, sin infiltrarse. La cantidad de agua en términos de volumen se obtiene multiplicando el espesor de la lámina por el área donde se aplica. Por ejemplo: si se adiciona una lámina de 5 cm a una hectárea de terreno, el volumen de agua es de 0.05 x 10,000 = 500 metros cúbicos. La cantidad de agua que hay que reponer depende de la cantidad que tenga el suelo en el momento de hacer la aplicación. Cuando el suelo está seco, en el punto de marchitez permanente, como generalmente se encuentra en un campo no cultivado a principios de la temporada de riego, hay que aplicar una gran cantidad de agua para llevarlo a su capacidad de campo. C. Determinación de la lámina neta de riego. Agua disponible: AD= ( CC-PMP) x Da x Zr x 10 --------------100 AD : Agua disponible CC : Capacidad de campo en %. PMP : Punto de marchitez permanente en %. Da : Densidad aparente (g/cm3). Zr : Profundidad efectiva de raíces en cm. La cantidad de humedad disponible en un suelo, que pueda ser tomada por las plantas para su desarrollo, depende de la densidad efectiva de raíces del cultivo y su profundidad, así como también la habilidad del suelo para almacenar el agua disponible. Las características principales del suelo utilizadas para estimar su capacidad de almacenamiento potencial de agua disponible, incluyen la capacidad de campo (CC), el punto de marchites permanente (PMP) y el agua disponible (AD). La lámina neta se determina mediante la fórmula:
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Ln = Ad x Pa 100 Ln : Lámina neta en cm. Pa : Porcentaje de agotamiento en %. Ad :Agua disponible 1. Capacidad de Campo. Es la cantidad de agua que retiene el suelo después de un riego amplio o de una lluvia fuerte, cuando no existe impedimento alguno de drenaje. Esto último lo diferencia de saturación que es cuando todos los poros se encuentran llenos de agua y sin aire ya que la primera lo ha desplazado. 2. Punto de Marchitez Permanente. Es el contenido de agua del suelo por debajo del cual la planta no puede extraer efectivamente agua del suelo. Y en el cual las plantas no se recuperan aunque se les exponga a un medio de alto contenido de humedad. 3. Densidad Aparente. Relación entre el peso seco del suelo y el volumen que ocupa. 4. Profundidad efectiva de raíces. Es aquella donde se encuentra el 70% de la raíces de la planta y hasta donde se debe abastecer de agua. 5. Porcentaje de Agotamiento. El porcentaje de agotamiento permisible es la fracción del total del agua disponible en el suelo que se permite se consuma antes de volver a regar nuevamente. El valor del porcentaje de agotamiento tiende a bajar en los cultivos de alto valor, a menos que sea necesario someter a las plantas a estrés para tener una producción aceptable por ejemplo algodón y sandias. 6.) Agua disponible. El agua disponible puede ser definida como CC-PMP, la cual se expresa como una profundidad de agua disponible por metro de profundidad de suelo AD= (CC – PMP) x Da x Zr x 10
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Agua disponible (AD) para varias texturas de suelo. Textura del suelo Arena gruesa Arena fina Arena franca Franco Arenoso Franco arenoso fino Franco limoso Franco arcillo limoso Arcillo limoso Arcilloso Turbas y fangos
Agua disponible (AD) (mm/m) 20-65 60-85 65-110 90-130 100-170 150-230 130-160 125-170 110-150 160-240
Fundamentos del Riego, Hargreaves G.; Merkley G. 2000
D. Determinación de la lámina bruta. Los sistemas de riego no son 100 % eficientes, sino que en el manejo del agua ocurren perdidas inevitables, las cuales varían con el método de riego empleado. Por ello, es necesario aplicar una cantidad de agua superior a la lámina neta, que compense las mermas por las deficiencias del sistema. Esta se llama lámina bruta (Lb) y se determina por la fórmula: Lb = Ln --------Ef Lb : Lámina bruta en cm. Ln : Lámina neta en cm. Ef : Eficiencia del riego expresada en %.
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E. Práctica Nª 3 1. Habilidades Y Destrezas. a. Calcular la lamina neta y lamina bruta de riego a aplicar. b. Calcular agua disponible. c. Calcular tiempos de riego y turnos de riego. d. Calcular precipitación de los aspersores. e. Desarrollar habilidades matemáticas 2. Metodología. a. Obtener una hoja de interpretación de los resultados de análisis de suelo de Zamorano, apartir de la cual se obtendrán los valores de capacidad de campo (CC), punto de marchitez permanente (PMP) y densidad aparente (Da). b. Utilizando la tabla proporcionada, encuentre el valor para la profundidad efectiva (Pe de un cultivo dado. Asumiendo que se ha agotado (Pa) el 50% del agua útil y se riega con una eficiencia (Ef) de 75% 1. calcule la lámina neta (Ln) 2. calcule la lámina bruta (Lb). 3. calcule el agua disponible 4. calcule la precipitación de los aspersores. 5. Área a regar por día 6. Frecuencia de riego 7. Horas de riego por turno 8. Costos variables de regar las 25 ha, si la bomba gasta 2 galones de diesel por hora y el diesel cuesta 30.40 lps/gln y el salario del empleado que maneja el riego es de 80 lps por día. ¿Cuántos gln de diesel se gastaran y cuanto costara? ¿Cuánto le tendrá que pagar al operador para regar las 25 ha? CC = 23 PMP = 12 Da = 1.23 Zr = 0.3 mt Espacio entre aspersores 60 pies x 60 pies Gpm aspersor = 14 Eto = 5.8 mm / día Área = 25 ha Infiltración básica = 12.7 mm / hr. 3. Evaluación. Quiz, que consistirá en medir la habilidad del alumno para calcular la lámina neta de riego a aplicar en una condición en particular, para aprobar se exige como nota mínima 80%.
32
V. SISTEMAS DE BOMBEO. A. Objetivo: Identificar las partes principales de un sistema de bombeo. Identificar accesorios de riego. Identificar criterios para la selección de una motobomba. B. Introducción. Existen muchos tipos de bombas, que difieren en diseño y características de operación. La bomba es una máquina diseñada y construida para mover fluidos, los cuales pueden ser agua, aceites y alimentos. A menudo hay sitios donde no es posible llevar el agua por gravedad, por lo que es necesario utilizar bombas que suministren la presión requerida para accionar equipos de aspersión y goteo. Para elegir adecuadamente una bomba es necesario conocer las condiciones particulares de la situación para la cual será destinada, es decir el caudal y la presión necesaria para satisfacer la demanda hídrica del cultivo en su punto más alto, así como el sitio de operación donde se instalará. C. Clasificación de las Bombas según el movimiento que realizan. 1. Centrífugas: Son las que operan en forma rotativa produciendo un movimiento centrífugo en el líquido. Estas pueden ser de impulsores abiertos o cerrados, horizontales o verticales, autocebantes o que requieren ceba. 2. Desplazamiento positivo: Como las de rodillos, generalmente usadas para mover líquidos viscosos o reciprocantes como las de pistón. D. Partes Principales de un Sistema de Bombeo. 1. Succión: Componente de la bomba por donde se produce el movimiento del agua desde la fuente hacia la bomba. 2. Carcasa: Cuerpo de la bomba donde llega el agua después de pasar por el tubo de succión. Generalmente está fabricada de hierro fundido gris y puede tener forma de caracol en las bombas de presión o bien, forma de cuadrado en las bombas de caudal. 3. Rodete: También llamado impulsor, impeler, rotor. Está localizado dentro de la carcasa. Su función es crear, con la ayuda de unas aletas conocidas como álabes, la fuerza centrífuga que impulsa el fluido que llega a la carcasa. Puede estar fabricado de hierro fundido gris, así como de bronce, plástico, etc. 4. Cañón de Descarga: Dirige el flujo enviado por el rotor hacia la salida del sistema.
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5. Caja de rodamiento: Contiene el eje de la bomba que se une con el del motor para que sea impulsada por éste. 6. Sello: Va colocado en el eje de la bomba. Puede ser mecánico o grafitado, según el tipo de bomba. Su función es la de evitar entradas de aire en la succión de la bomba así como evitar el recalentamiento del eje en rotación.
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E. Forma de Operación. Las bombas pueden ser movidas tanto por motores de combustión interna (diesel o gasolina) o por motores eléctricos. El motor mueve el rodete o impulsor y crea una fuerza centrífuga que tiende a mover hacia afuera todo el líquido que tiene contacto con su zona central en rotación. Para dirigir el fluido en la dirección de la salida, éste se conduce hacia el cañón de descarga de la carcasa. Un aspecto importante de aclarar es que las bombas no succionan el agua, sino que su función es impulsar la que llega al ojo del impulsor, hacia la salida del sistema. La introducción del fluido dentro de la bomba se da por el empuje que ejerce la presión atmosférica. A nivel del mar esta presión es de 14.7 PSI lo que equivale a 33.9 pies ò 10.33 mts de agua y cada vez que alcanzamos una mayor altitud, ésta se va reduciendo y el empuje es cada vez menor. Primero, se debe crear un vacío (ausencia de presión atmosférica) en el tubo de succión que consiste en extraer el aire contenido en el tubo mediante una bomba de vacío o llenando de agua el tubo de succión. Esta operación es conocida como el cebado de la bomba. Al encender el motor, empieza a girar el impulsor, el cual crea la fuerza centrífuga, que desplazará el agua contenida dentro de la carcasa de la bomba hacia el cañón de descarga. La presión dentro de la carcasa disminuirá hasta que sea menor que la presión dentro del tubo de succión por lo que el fluido se moverá hacia el lugar con menor presión (la carcasa), permitiendo que el espacio sea ocupado por la columna de agua que impulsa la presión atmosférica dentro del tubo. Es así, como se establece una continuidad de impulsión y llenado. La velocidad del fluido se puede expresar como presión o fuerza ejercida sobre una unidad de área, en PSI, kilogramos de presión por centímetro cuadrado, pies o metros de carga. 1 PSI equivale a 2.31 pies de carga o 0.7 metros. Todas las bombas, en el caso de que el fluido se encuentre en un plano por abajo del centro del ojo del impulsor, podrán bombear si esta diferencia de altura (entre la superficie del agua y el ojo del impulsor) no es mayor que la presión atmosférica disponible en el sitio de operación, menos la suma de la altura dinámica ( que es la distancia entre la superficie del agua y el ojo del impulsor más las perdidas de presión por fricción en el tubo y en los accesorios). El otro caso es, en el cual el líquido llega al ojo del impulsor desde un plano más arriba de éste y en éste caso se llama succión positiva o ahogada. F. Desempeño de las Bombas. Para calcular la presión o carga necesaria de una bomba para que un sistema de riego funcione eficientemente necesitamos conocer varios datos: 1. Altura Estática de Succión: Es la distancia vertical desde la mitad del ojo de succión hasta el nivel del agua. 2. Altura Dinámica de Succión: Es la perdida por concepto de fricción en la succión, sumada a la altura estática de succión. 3. Altura Estática de Descarga: es la distancia vertical desde la mitad del ojo de succión hasta el punto más alto de bombeo.
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4. Altura Dinámica de Descarga: Es la altura estática de succión sumada a la pèrdida por concepto de fricción, en la descarga. 5. Presión de Operación: Es la carga requerida para que un equipo, tal como un aspersor, gotero o microaspersor, trabaje eficientemente. La suma de todos estos factores nos dará un cálculo bastante preciso de la carga o presión necesaria para llevar el agua desde su fuente hasta el lugar donde se utilizará, y que ésta llegue a la presión necesaria para hacer que trabaje idealmente el sistema de riego. Los fabricantes de bombas, una vez que han aprobado un diseño de fabricación en serie para el mercado, hacen pruebas y editan una curva del desempeño de la bomba, a veces llamada “curva característica”. En esta gráfica de coordenadas se muestra generalmente sobre el eje X la cantidad de agua que puede mover (caudal) y en el eje Y la presión a la que se mueve el fluido al salir de la bomba. La intersección de un punto en la curva, en ángulo recto de cualquier punto de los ejes dará como resultado el volumen de fluido movido a una presión determinada. Estas gráficas muestran la(s) curvas de desempeño a varias velocidades (r.p.m.), con diferentes tamaños de impulsores así como demanda de potencia y eficiencia para cada punto de operación de la bomba. Por lo general las unidades utilizadas en el eje X son galones por minuto (gpm) y en el eje Y son pies de carga, algunas curvas expresan más de una unidad, por ejemplo pueden mostrar en el eje X galones por minuto, litros por segundo, metros cúbicos por hora y en el eje Y además de pies mostrará metros o libras por pulgada cuadrada, naturalmente siempre en unidades coordinadas inglesas o métricas; dependerá de la procedencia del equipo si es fabricado en Norteamérica o Europa. También estas curvas deben mostrar los requerimientos de NPSHa y NPSHr (Carga Neta Positiva de Succión Disponible y Requerida, respectivamente). NPSHa, es el valor de la presión atmosférica disponible después de ratificar la presión atmosférica según la latitud de instalación, menos la altura dinámica de succión, menos un factor de seguridad de dos pies. Este valor se debe determinar antes de seleccionar la bomba adecuada para nuestras necesidades. NPSHr es un valor determinado en pruebas de laboratorio que se basa en las pérdidas internas de la bomba. Varía con cada bomba y según el flujo y la velocidad operacional del equipo. Los valores de NPSHr son dados por el fabricante del equipo y deben de figurar en los datos de ingeniería disponibles en la bomba. Este valor no se puede determinar antes de seleccionar la bomba y las condiciones operacionales. Para que la bomba funcione en condiciones ideales, el valor del NPSHa siempre debe ser mayor que el NPSHr, caso contrario la bomba no impulsará fluido porque éste no llegará al impulsor. G. Sumergencia. Asociado con el concepto de NPSH se encuentra la sumergencia, o sea la altura del agua sobre la entrada en el tubo de succión. Esto es importante puesto que si no existe la suficiente sumergencia se provocará vortex o remolino y esto permitirá la entrada de aire en la bomba haciendo que ésta opere en forma errática y reduciendo su capacidad y eficiencia.
36
Existe una curva de sumergencia para diferentes velocidades de entrada del agua. Para calcular la velocidad de entrada se utiliza la formula: Velocidad en pies/seg =
gpm x 0.4085 -----------------------------(Diámetro de succión)²
Si interceptamos esta velocidad con la curva de la gráfica mostrada en este manual, podemos obtener del eje de la Y, la profundidad o sumergencia mínima requerida para evitar vortex. Y leyendo a la izquierda encontramos la sumergencia mínima para evitar vortex. La mayor parte de los problemas de bombeo esta asociado con el conocimiento de estos dos conceptos NPSH y sumergencia. Si estos dos conceptos quedan bien comprendidos y se observa su aplicación, las probabilidades de fallas serán reducidas.
H. Fricción. Es importante reconocer el efecto que tiene la fricción en el cálculo de la bomba a utilizar. Fricción es la resistencia que ofrece un material al paso del agua. Al hablar de riego, tenemos que tener claro el concepto de Altura fricción, también llamado pérdidas por concepto de fricciòn que es la cantidad de presión requerida para vencer la fricción generada por el movimiento del fluido en la tubería, válvulas y acoples. Hay cuatro factores que van a determinar este valor: 1. Diámetro de la tubería: a mayor diámetro menos pérdidas por concepto de fricción.
37
2. Material con que está fabricada la tubería: entre más rugosa sea la superficie de la tubería que está en contacto con el agua, mayores serán las pérdidas por concepto de fricción. 3. Caudal: a mayores caudales pasando por un diámetro determinado, mayores serán las pérdidas por concepto de fricción. 4. Longitud de la tubería: Entre mayor sea la distancia que recorre el fluido, mayor será la altura de fricción requerida. Hay varias maneras de calcular la pérdida por concepto de fricción. Entre las formulas mas usadas tenemos la de Hazen y Williams. F=1045 (Q/C)1.852 --------------D4.857 F= pies de pérdida por concepto de fricción por cada 100 pies de tubería. 2.31 pies es el equivalente a 1 PSI. C= coeficiente de rugosidad. Entre más rugoso es el material, más bajo es el coeficiente. PVC 150; Aluminio 120; Hierro 100. D= diámetro, en pulgadas de la tubería. Q= caudal, en galones por minuto que va pasando por la tubería. Ejemplo: Q= 600 gpm. D= 6 pulgadas C= 150 (PVC) L= 1678 pies F= 1045 (600/150)1.852 ---------------- = 2.2 pies /100 pies de tuberia 64.867 F= 37.29 pies de pérdida por concepto de fricción en 1678 pies de longitud
38
Para el calculo de los caballos de fuerza requeridos de una motobomba es necesario saber la demanda de agua que requerirá el sistema en gpm, la carga dinámica del sistema (CDT) y la eficiencia (Ef) que se quiere en el sistema de riego. HP = GPM * CDT 3960 * Ef
I. Práctica Nª 4 1. Habilidades Y Destrezas. a) Identificar las partes de una bomba y sus accesorios. b) Operar y dar mantenimiento a un sistema de riego por aspersión. c) Calcular la carga dinámica total para un sistema de riego. d) Calcular sumergen cía para una situación específica. e) Calcular el caudal necesario para un sistema de riego. f) Calcular la potencia necesaria de una motobomba. 2. Metodología. a) Visita a la sección de riego para identificar los diferentes tipos de bombas con que se cuenta y sus partes principales. b) cálculo del caudal necesario. Queremos llenar una laguna de aproximadamente 150 metros de ancho por 190 metros de largo con una altura promedio de 3 metros. Cuando la laguna está llena hasta los tres metros, podemos agotar el agua hasta llegar a una altura mínima de 0.75 metros, que es como se encuentra en la actualidad, ya que no queremos secarla completamente. En un lapso de 30 días debemos tener la laguna llena hasta los tres metros para utilizar el agua en riego de cultivos en la época seca. El agua para llenado se extraerá de un río cercano. a) Si se opera 20 horas diarias, ¿ qué caudal, en gpm, debería descargar la bomba para cumplir con esta tarea en 30 días? b) Si quisiéramos agilizar la tarea y reducir el tiempo de llenado a 25 días, manteniendo constante los otros parámetros, ¿cuál sería el caudal necesario? c) Si la bomba que esta utilizando gasta 2.5 galones de diesel por hora y el diesel cuesta 30.40 lps el galón ¿cuántos galones de diesel y cuanto dinero gastara para llenar la laguna en 30 días?
39
a) Cálculo de altura dinámica total.
b) Calculé la carga dinámica para la siguiente situación. Laguna
Rió
Tubería de descarga bomba
Tubería succión
Longitud tubería 2125 pies Diámetro tubería 6” Material tubería aluminio
Altura Estática de Succión = 6.0 pies Altura Estática de Descarga = 58.0 pies Diámetro tubería descarga = 6”
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Diámetro tubería succión = 8”
c) Cálculo de la sumergen cía. ¿ Cuál sería la sumergencia mínima de la válvula de pie para evitar el vortex? Utilice proporcionada. La demanda de agua del sistema es de 470 gpm
la tabla
d) ¿ Cual seria el caballaje de la motobomba a utilizar?
3. Evaluación. Quiz, que consistirá en medir la habilidad del alumno para identificar las partes principales de un sistema de bombeo y calcular la carga dinámica total en una situación específica, para aprobar se exige como nota mínima 80%.
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VI. METODOS DE RIEGO. A. Objetivos: Conocer los diferentes sistemas de riego existentes en Zamorano. Enumerar ventajas y desventajas de cada método. B. Introducción. Hay muchos métodos de aplicar agua a los campos de cultivo, cada uno de los cuales tiene características propias, ventajas y limitaciones que convienen conocer, a fin de seleccionar el más adecuado a la situación particular. El riego se puede aplicar por métodos superficiales, sub-superficiales y por aspersión. En el riego superficial y de aspersión el agua se aplica desde la superficie del suelo hacia los estratos profundos, a diferencia de la sub-irrigaciòn, donde el agua asciende por capilaridad. C. Métodos de Riego. 1. Riego por goteo.
En el riego por goteo, el agua se aplica en los sitios donde se encuentran las raíces activas de la planta; para tal fin existen muchos tipos de emisores que pueden suministrar el agua directamente al área de las raíces. Debido a que con este método es posible aplicar el riego diariamente, el régimen de humedad en el suelo se puede mantener alto. Las presiones de operación son por lo general bajas de 7 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada). De la misma manera las instalaciones pueden ser fijas, semiportatiles o portátiles. Debido a que el agua puede ser aplicada mas frecuentemente y eficientemente que con otros métodos, la aplicación del agua por el sistema es cercana a la evapotranspiraciòn del cultivo, así el contenido de humedad en el suelo siempre esta cercano a la capacidad de campo. El agua puede ser ahorrada al no humedecer el espacio entre las hileras lo cual reduce las pérdidas por evaporación de la superficie del suelo. Los costos laborables para el riego se pueden reducir puesto que el agua aplicada por los sistemas de goteo puede ser regulada por dispositivos automáticos que permiten ahorrar la mano de obra, los fertilizantes pueden ser inyectados dentro del agua de riego para evitar la mano de obra que se requiere para su aplicación. Un mayor control sobre la colocación y periodos de
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aplicación del fertilizante puede conducir a mayores eficiencias del fertilizante que puede conducir a rendimientos más altos de los cultivos y a una mejor calidad de la cosecha. 2. Riego por Inundación. Consiste en humedecer totalmente la superficie del terreno por un período de tiempo que permita aplicar la lámina de agua requerida por el cultivo. La dotación de agua puede ser continua como frecuentemente se hace en el cultivo de arroz, o intermitente para reponer a intervalos regulares de tiempo la humedad del suelo. Para la distribución del agua se requiere construir camellones de tierra que permitan el avance del agua en él área encerrada por ellos o de acequias que al desbordarse inunden el terreno. Si la pendiente es menor del %, los camellones y las acequias se pueden establecer siguiendo las curvas de nivel del terreno y cuando son mayores, se construyen en línea recta. 3. Riego por Surcos.
Este método fue el primero en utilizarse para regar y en la actualidad es probablemente el más empleado, ya que es económico, sencillo de construir, muy adecuado para regar cultivos sembrados en hileras. El riego por surcos se puede hacer mediante varias modalidades de acuerdo a su longitud y a la forma como circula el agua en los mismos. Para que los surcos rieguen eficientemente, es decir, que el agua se distribuya uniformemente en el campo y con poca mano de obra, es indispensable considerar los siguientes factores: a. Nivelación: De no estar los terrenos nivelados, el agua se acumulará excesivamente en las partes bajas y por el contrario no llegará a las altas. b. Pendiente: Si la inclinación del campo es pronunciada, el agua llega al final del surco rápidamente, por lo que la oportunidad de infiltración al inicio y al final del mismo es similar. Sin embargo, la eficiencia de aplicación es baja, al haber considerables perdidas por escorrentía, al final del campo. Además, la velocidad con que el agua corre en el surco puede provocar erosión, por lo que generalmente las pendientes más recomendables son las comprendidas entre 0 y 1%, con una máxima de 2%. c. Suelos: El suelo es de mucha importancia principalmente en lo que respecta a la infiltración. En los arenosos ésta es bastante más alta que en los arcillosos, por lo que es de esperar que en surcos de una misma longitud se pierda una mayor cantidad de agua en la cabecera de los más livianos y, con ello, una eficiencia de riego menor.
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d. Caudal: De las consideraciones anteriores se deduce que para obtener un buen rendimiento del riego y de la mano de obra, conviene aplicar el agua en un tiempo breve. Para ello es necesario utilizar al principio un elevado caudal, el máximo que no cause erosión, para que el agua llegue rápidamente al final de los surcos. 4. Riego por Aspersión.
Consiste en la aplicación del agua en forma de llovizna, al hacerla pasar a presión por tuberías, de donde sale por pequeños orificios o boquillas. Generalmente la presión se imprime mediante bombas, aunque también se pueden aprovechar las cargas hidráulicas debido a diferencias de elevaciones de los terrenos. El riego por aspersión presenta algunas ventajas sobre otros métodos: a. Permite controlar bien la cantidad de agua que se aplica y hace más eficiente su uso cuando es escasa. b. Se adapta a la mayoría de los tipos de suelo, incluyendo los que tienen limitaciones para el riego con los métodos superficiales, como los de alta tasa de infiltración, los de escasa profundidad, los ondulados(topografía irregular) y los que no conviene nivelar. c. Puede utilizarse en la mayoría de las condiciones climáticas, excepto cuando la velocidad del viento es mayor de 15 Km./hr. d. Los costos de preparación de tierra disminuyen notablemente. e. Aumenta el área servida con riego y el rendimiento de las maquinarias, debido a que la superficie no se interrumpe con canales. f.
Conjuntamente con el riego se pueden aplicar abonos y plaguicidas.
g. Economiza mano de obra, ya que el operador no necesita estar presente durante todo el tiempo de aplicación del riego, como ocurre generalmente con los métodos superficiales.
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Las desventajas más importantes son: a. Alto costo inicial del equipo. b. El viento puede alterar la distribución de agua, lo que disminuye notablemente la eficiencia del riego. c. Las pérdidas de agua por evaporación son mayores que en los métodos superficiales, pudiendo llegar en casos extremos, hasta 50% del total del agua aplicada. d. En algunos casos crea condiciones favorables para el desarrollo de enfermedades en los cultivos y puede reducir la efectividad de las aplicaciones de herbicidas, insecticidas, etc. al lavarlos de las plantas. D. Componentes del Equipo de Aspersión. 1. Equipo de Bombeo. Tiene por finalidad tomar el agua desde la fuente y enviarla con presión a la tubería de distribución.
2. Tubería Principal. Conduce el agua desde la bomba hasta los laterales. Puede ser de plástico, aluminio, hierro galvanizado o asbesto-cemento. Por lo general, las de plástico, asbesto-cemento y en algunos casos las de hierro galvanizado, se colocan permanentemente debajo de la superficie del suelo. La tubería principal portátil generalmente es de aluminio, en secciones de 6 a 8 metros y provista de mecanismos de acople rápido. 3. Tubería Lateral. Conduce el agua desde la tubería principal hasta los aspersores. Son de los mismos materiales que la principal pero de menor diámetro. 4. Aspersores. Mecanismos para rociar el agua a presión, pueden ser rotatorios o fijos. La mayoría de los aspersores usados en la agricultura son del primer tipo, en tanto que los fijos se utilizan más frecuentemente para el riego de jardines, parques, etc.
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5. Accesorios. Constituidos por los elementos de enlace entre las partes, como los codos, las reducciones, las uniones, etc., y por otros que sirven para regular agua, como hidrantes, llaves de paso, reguladores de presión, etc.
E. Tipos de Riego por Aspersión. Según la movilidad de las partes que componen el sistema de riego por aspersión, pueden ser: 1. Totalmente portátiles. La tubería principal, la secundaria y los laterales son portátiles, al igual que los aspersores y el equipo de bombeo. 2. Semiportátil. Es similar al anterior, pero con el equipo de bombeo fijo cerca de la fuente de agua, la cual comúnmente es un pozo o laguna. 3. Permanentes. Todos los componentes son fijos. Por lo general la tubería principal y los laterales se entierran. En algunos casos, los aspersores pueden ser móviles a lo largo del lateral o de un lateral a otro, por medio de válvulas de acople en cada sitio. 4. Laterales Rodantes.
En ellos la línea lateral de hasta 800 m de longitud, está montada sobre un eje con ruedas espaciadas entre 15 y 30 metros. Se mueve por medio de un pequeño motor instalado en su parte central o en uno de sus extremos y se une a la línea principal por medio de una conexión telescópica. 5. Laterales Autopropulsados.
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El lateral se mueve continuamente alrededor de un punto mientras riega, por lo que se conoce como pivote central. Cubre un área circular entre 15 y 150 hectáreas. El lateral, cuya longitud varía entre 200 y 800 metros, está montado sobre estructuras o torres metálicas en forma de A, distanciadas entre 30 y 60 metros. La fuente de agua, por lo general, es un pozo profundo, instalado en el punto central del campo, o también un río o laguna de almacenamiento, desde donde el agua es conducida por medio de una tubería enterrada, hasta el punto pivote. 6. Aspersores Individuales Autopropulsados. En este sistema los aspersores son de alto volumen y gran alcance. Van montados sobre una estructura metálica provista de ruedas y un mecanismo impulsor (pistón hidráulico, tubería de agua o un motor de combustión. E. Práctica Nª5. 1. Habilidades y destrezas. a) Conocer los componentes de un sistema de riego. a) Conocer las condiciones más adecuadas para implementar cada sistema. c) Identificar el equipo y accesorios utilizados en riego por aspersión. 2. Metodología. a) Visitar las zonas bajo riego en Zamorano. b) Identificar los diferentes método de riego existentes en Zamorano. c) Ejercicio de practica. Usted quiere sembrar 6 ha de tomate y quiere instalar un sistema de riego por goteo y quiere regarlo en tres lotes. Haga un presupuesto y diseño de la instalación en base a los siguientes datos:
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Distancia de siembra entre hileras 1.10 mts 200 mts Terreno 300 mts
3. Evaluación. Ejercicio práctico que consiste en medir la habilidad del estudiante para realizar eficientemente los movimientos de tubería en los diferentes turnos de riego, para aprobar se exige como nota mínima 80%.
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VII. COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD A. Objetivo: Conocer y aprender a medir el coeficiente de uniformidad para un sistema de riego. Monitorear un sistema de riego para saber cual es su eficiencia. B. Introducción. Los problemas que se derivan de una mala uniformidad se traducen en un mal reparto de agua y abonos, encontrándonos con plantas encharcadas y otras deficitarias, plantas con exceso de nutrientes con riesgos de fitotoxicidad y/o quemado, derroche de abonos y otras carentes de ellos. Habrá una alteración del desarrollo del cultivo y por tanto de la producción. Para evaluar la uniformidad de un sistema de riego, elegiremos la unidad más representativa de la instalación, que será aquella de tamaño medio, con pendientes que representen la media de la instalación, que esté situada a ser posible en la zona central de la instalación y cuyos laterales tengan una longitud media. Sería conveniente tomar también la unidad que presente las condiciones más desfavorables, es decir la más alejada o la más cercana al cabezal, con los laterales o terciarías más largas y con las mayores pendientes. Una vez escogida la unidad más representativa, escogemos la subunidad también más representativa, que será en donde realicemos la evaluación. En primer lugar determinamos el coeficiente de uniformidad en la subunidad elegida y posteriormente en la unidad de riego. Si la unidad es poco uniforme, realizaremos la evaluación en todas ellas. •
UNIFORMIDAD DE LA SUBUNIDAD DE RIEGO.
•
UNIFORMIDAD DE LA INSTALACIÓN
C. UNIFORMIDAD DE LA SUBUNIDAD DE RIEGO. Para evaluar la uniformidad se utilizan dos coeficientes: El Coeficiente de uniformidad de caudales (CUC) y el Coeficiente de uniformidad de presiones (CUP). Con estos valores detectaremos faltas de eficiencia y solucionaremos pequeños problemas que mejorarán el funcionamiento de la instalación.
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Para calcular el coeficiente de uniformidad de caudales, se elegirá un número determinado de emisores distribuidos uniformemente dentro de la subunidad de riego representativa del conjunto de la instalación. En general, se recomienda seleccionar 16 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. En cada lateral se seleccionan 4 emisores siguiendo el mismo criterio, es decir, el más cercano y el más lejano de la toma lateral y los dos intermedios.
Con una probeta o vaso graduado se medirá el volumen suministrado por los emisores que se hayan seleccionado en un tiempo determinado. Este tiempo será igual para todos ellos, de tres a cinco minutos para goteros y un minuto para tuberías goteadoras y exudantes. Con los datos obtenidos mediremos el caudal.
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Una vez conocido el caudal en cada uno de los emisores seleccionados, se calculará el coeficiente de uniformidad de caudales siguiendo los pasos que se indican a continuación: 1. Se calcula la media de los caudales de los emisores que representan la cuarta parte de mas bajo caudal (q25%). En caso de seleccionar 16 emisores calcularíamos la media de los 4 de menor caudal.
2. Se calcula la media de los caudales medios en todos los emisores, qm.
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3. Una vez se conocen la media de los caudales de los emisores que representan la cuarta parte de más bajo caudal y la media de todos los caudales medios (q25 qm) se calcula el coeficiente de uniformidad mediante la siguiente fórmula.
Para concluir el estudio de la uniformidad de la subunidad, se calcula el coeficiente de uniformidad de las presiones (CUP), que determina la homogeneidad de la subunidad en cuanto a presiones de los emisores. Para determinar este coeficiente medimos las presiones en cada uno de los emisores siempre que sus características o forma de inserción en el lateral lo permitan. El coeficiente de uniformidad de presiones se calcula igual que el de caudales, es decir seleccionando un número de terminado de emisores representativos de la subunidad de riego elegido, normalmente 16. Como en el caso anterior, se medirá la presión en cada uno de los emisores con la ayuda de un manómetro. Con los datos de presión obtenidos :
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1. Se calcula la media de las presiones medias en los emisores que representan la cuarta parte de mas baja presión, p25%.
2. Calculamos la media de presiones en todos los emisores, pm.
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3. Una vez ser conoce la media de las presiones de los emisores que representan la cuarta parte mas de más baja presión y la media de todas las presiones (p25% y pm) se calcula el coeficiente de uniformidad de bido a presiones mediante la siguiente fórmula:
En esta fórmula, x es el coeficiente de descarga y se trata de una característica del emisor que el fabricante tiene que facilitar. El coeficiente de descarga es muy bajo (menor de 0,5) para los emisores cuyo caudal se ve muy afectado por las variaciones de presión, y más lato (mayor de 0,5) a medida que los cambios de presión influyen menos en el caudal que suministra. El coeficiente de uniformidad debido a presiones no es necesario para el cálculo de la uniformidad de la instalación. Sin embargo, es conveniente conocerlo para detectar las posibles diferencias de presiones que se puedan producir a lo largo de la red de riego y así poder solucionarlas mediante la instalación, por ejemplo, de un regulador de presiones. En todo caso, esta determinación es imprescindible en la evaluación que debe realizarse a la recepción de la obra para verificar que las dimensiones tanto de la red como de los elementos de regulación son las correctas. Una vez conocida la uniformidad de caudales de una subunidad de riego localizado (CUC) se podrá calcular el coeficiente de uniformidad de la unidad (CU) sabiendo que:
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Para calcular el factor de corrección, habrá que medir la presión más desfavorable en cada tubería terciaria de la unidad. Para realizar estas medidas deberá tenerse en cuenta si la tubería terciaria está situada a favor o en contra de la pendiente: •
Si la tubería terciaria esta 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 esta 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 en los 2/3 no fuera el de menor presión. Si resultará otro punto distinto a este, se marcaría en la tubería, se tomaría nota en la ficha de evaluación y este sería el punto de referencia para todas las evaluaciones.
Una vez medida la presión más desfavorable de cada tubería terciaría de la unidad se calcula P25% y PM siendo: •
P25% la medida de las presiones medidas en las tuberías terciarias que representa la cuarta parte de más baja presión.
•
PM la medida de todas las presiones medidas en las tuberías terciarias de la unidad.
Con estos valores, Fc. se calcula como:
Teniendo en cuenta que x es el coeficiente de descarga, el mismo que se ha utilizado para calcular la uniformidad debida a presiones en la subunidad. Finalmente, la uniformidad 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
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cuanto a superficie y forma. No debe caerse, por tanto, en la rutina de hacer la evaluación en una subunidad cualquiera y dar por buena o mala la uniformidad de toda la instalación.
Dependiendo del valor del coeficiente de uniformidad obtenido, la calificación la calificación de la instalación será la siguiente:
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Además de las medidas de presión que se realizan para calcular el coeficiente de uniformidad 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: 1. Poner reguladores de presión en el inicio de cada unidad de riego, o bien, 2. Medir el caudal de al menos 16 emisores en cada unidad de riego, distribuidos de manera homogénea dentro de la unidad y calcular la media para ver el volumen que se esta aplicando en cada una de ellas. Si las unidades que se están valorando tienen el mismo cultivo y este 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 estos para conseguir el mismo volumen de agua en las unidades evaluadas.
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La falta de uniformidad de una instalación de riego localizado se deberá principalmente a: 1. Variaciones en el caudal de los emisores. Estas variaciones pueden ser causadas por distintos motivos como la variabilidad que se produce en el proceso de fabricación, defectos a la hora del montaje de los emisores, obturaciones, etc. Un indicador de calidad de los emisores y de su estado de conservación es la diferencia entre el coeficiente de uniformidad de caudales y el de presiones dentro de la misma subunidad. 2. 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. El coeficiente de uniformidad debido a presiones es un buen indicador de las diferencias de presión en la subunidad. 3. Diferencias de presión entre diferentes subunidades. Estas diferencias se deberán a la ausencia de reguladores de presión a la entrada de cada subunidad, o a su mal funcionamiento y/o mal manejo o mal cálculo de la red secundaria. LA importancia de estas diferencias de presión se estima mediante la diferencia entre el coeficiente de uniformidad de la unidad y el coeficiente de uniformidad de la subunidad. 4. 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, a al mal diseño hidráulico de la red primaria o secundaria.
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Uniformidad en la lamina de aplicación de riego Las técnicas de evaluación y manejo de un sistema de riego permiten conocer los parámetros implicados en la aplicación del agua en base a ensayos de campo realizados bajo las condiciones normales de trabajo y determinar los cambios precisos para mejorar el proceso de riego. Con estos cambios se puede conseguir ahorrar agua, mano de obra, energía, etc., así como una mejora en los rendimientos del cultivo. La evaluación realizada en un conjunto de sistemas de riego puede servir además para establecer los criterios de elección del sistema más adecuado a las condiciones de cada zona regable. Para realizar los ensayos de evaluación debe seleccionarse previamente un lugar representativo de las condiciones medias de la parcela y realizar el riego cuando el suelo se encuentre en unas condiciones de humedad similares a las que preceden a un riego normal. En riego por aspersión, el ensayo de evaluación consiste básicamente en colocar una red de pluviómetros en el campo, entre dos líneas o ramales, y medir las principales variables que intervienen en el proceso de riego, como son el tipo de aspersor, diámetro de las boquillas, presión de trabajo, tiempo de riego, volumen de agua recogida en cada pluviómetro, marco de riego, disposición de los aspersores en el marco, dirección y velocidad del viento, etc. La distancia entre pluviómetros dentro de la red suele ser de 2 o 3 m., con un tiempo de evaluación mínimo de una hora para aspersores de tipo medio. Coeficiente de Uniformidad de Christiansen (CUC) Es el principal parámetro de los procedimientos de evaluación en campo, que nos muestra una representación estadística de la uniformidad de distribución, y es utilizado principalmente en los sistemas de riego por aspersión. Se calcula mediante la expresión:
Siendo: M = valor medio del agua recogida en los pluviómetros. n = número total de pluviómetros. |d| = suma de los valores absolutos de las desviaciones de cada pluviómetro respecto a la media. Para la determinación del coeficiente de uniformidad de Christiansen (CUC) y de otros parámetros que caracterizan el reparto de agua en superficie, es necesario conocer los datos
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obtenidos en una red de pluviómetros bajo el campo de acción del sistema de aspersores. La mayor parte de los cultivos extensivos de regadío requieren un valor mínimo de CUC 80% en el sistema de aspersores para considerarlo aceptable. Valores bajos de CUC son indicadores normalmente de una incorrecta combinación del número y tamaño de boquillas, presión de trabajo y marco de riego. A continuación se detalla cómo realizar una evaluación de riego por cobertura o pivote. 1. Pasos a realizar — Ir con el material a la zona donde se va a realizar la evaluación. — Sin regar, comprobar las características de aspersores y boquillas de toda la zona donde se va a realizar la evaluación. — Comprobar el marco de riego. — Elegir la zona de colocación de los pluviómetros. • Elegir la más desfavorable si se ve. • Elegir la más representativa (a 1/3 del ramal). • Si se puede, se hacen las dos. — Bloquear los aspersores elegidos dirigiendo el chorro hacia fuera. — Colocar los pluviómetros (el primero a 1,5 m. del borde, los demás a 3 x 3). — Empezar a regar. — Cuando esté el riego estabilizado comprobar. — Comprobar que ningún pluviómetro tiene agua y desbloquear aspersores controlando la hora. — Bloquear los aspersores que mojan los pluviómetros y controlar el tiempo. Tiempo mínimo de la evaluación: 1 hora. — Medir el agua de los pluviómetros. — Calcular el C.U.C. — Calcular la pluviometría. F. Practica Nº 6 1. Habilidades y destrezas — Calcular la uniformidad de caudales en un sistema de riego. — Calcular la uniformidad de presiones en un sistema de riego. — Saber medir caudales de un sistema de riego. — Saber medir presiones de un sistema de riego. 2. Material necesario. — — — — —
Manómetro Cronometro Libreta de campo Recipiente calibrado Pluviómetros
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IX. DETERMINACION DE LA VELOCIDAD DE INFILTRACION DEL AGUA EN EL SUELO Introducción Toda la intención del riego es la de aportar agua al suelo para la posterior utilización de ella por los cultivos. La verificación de la penetración del agua al suelo se realiza bajo ciertas condiciones y de acuerdo a determinados factores. La infiltración es el paso del agua a través de la superficie del suelo- hacia el interior de la tierra. A medida que el agua desciende a niveles inferiores, el volumen del espacio poroso va disminuyendo paulatinamente. Este proceso se manifiesta en un aumento en la resistencia al flujo en las capas superficiales y una tasa de infiltración que disminuye a medida que progresa la precipitación.
La tasa máxima a la cual puede penetrar agua a un suelo en un sitio en particular y bajo una serie dada de condiciones, se llama capacidad de infiltración o infiltración Básica. La capacidad de infiltración depende de muchos factores tales como el tipo de suelo, el contenido de humedad, el contenido de materia orgánica, la cobertura vegetal y la estación del año. De las características del suelo que afectan la infiltración, la porosidad es posiblemente la más importante. La porosidad determina la capacidad de almacenamiento y también afecta la resistencia al flujo. De esta manera la infiltración tiende a aumentar con el aumento de la porosidad. El aumento en el contenido de materia Orgánica también tiende a aumentar la capacidad de infiltración, debido en gran parte al aumento correspondiente en la porosidad.
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MEDICION Para medir la velocidad de infiltración se utilizan los cilindros infiltró metros. Un infiltró metro es un tubo u otro contorno diseñado para aislar una sección del suelo. El área efectiva varía desde menos de 8OOcms2 hasta varias decenas de metros cuadrados. El grado de confianza de estas mediciones con respecto a la velocidad de infiltración real se relaciona con la superficie que se pretende representar y la variabilidad del perfil, dado que la heterogeneidad de los suelos, incluso dentro de un área relativamente pequeña, origina un rango de resultados en las mediciones experimentales. Esto, más las condiciones iniciales de humedad, hace que los resultados solamente sean aplicables para superficies pequeñas y para esas condiciones iniciales.
PRACTICA 7 OBJETIVOS Al finalizar la práctica el estudiante será capaz de: a) Instalar en forma correcta los cilindros infiltró metros para la toma de datos en el campo. b) Tomar correctamente los datos de infiltración de campo necesarios. c) Calcular, graficar e interpretar en forma correcta los valores obtenidos en el campo. Este método se utiliza para determinar la velocidad de infiltración en suelos en los que se establecerán sistemas de riego tales como acequias en contorno bordes, tazas, riego presurizado de alto volumen y de bajo volumen.
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Material necesario: 1.) Cilindro infiltrómetro: el cilindro a utilizar tiene un diámetro- alrededor de 30 cm. y una altura de 35 cm., construido de acero suave a efecto de minimizar la fricción al hacerlos penetrar en el suelo. Debe ser suficientemente fuerte para resistir los golpes del martinete, necesarios para introducirlo al suelo. Se recomienda la utilización de un mínimo de tres repeticiones para cada determinación. 2.) Cilindro metálico de mayor diámetro: debe tener un diámetro mayor que el cilindro infiltró metro de por lo menos 25 cm. Este cilindro hará las veces de pretil. 3.) Martinete: es un martillo pesado usado para golpear el cilindro y que éste penetre en el suelo. El peso adecuado es de alrededor de diez kilogramos. 4.) Recipiente de agua: debe tener una capacidad de almacenamiento de alrededor de 150 galones. Se utiliza en caso de que la fuente de agua del lugar quede muy alejada. 5.) Baldes plásticos: con capacidad de 5 galones. 6.) Aparato medidor: usando una regla de 30 cm. cuya escala sea de fácil lectura y que se puedan determinar diferencias de 1 mm. 7.) Protector de erosión: pedazo de plástico, papel grueso u otro material similar que se coloca en el fondo del cilindro corno protectores del suelo al realizar la primera aplicación de agua Previene cualquier alteración física que pueda producir el impacto del agua sobre el suelo. 8.) Reloj o cronometro: cualquier tipo de reloj que pueda leerse con una aproximación de un minuto puede ser utilizado.
METODOLOGIA a) Instalación 1 Seleccionar un lugar para cada cilindro. Conviene examinar que no haya alteraciones físicas del suelo tales como deposiciones de animales o piedras que puedan alterar la
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penetración del cilindro. Se deben evitar aquellas áreas que puedan haber sido afectadas por el tráfico de animales o de maquinaria. 2 Colocar el cilindro en el lugar determinado previamente y presionar con fuerza sobre el suelo. El cilindro no debe quedar inclinado Para realizar la prueba, se recomienda usar un mínimo de tres repeticiones espaciados a no más de 20 metros entre cada uno y formando un triángulo. 3. Colocar sobre el cilindro un trozo de madera o metal sobre el cual se golpeará con el martinete para introducir el cilindro en el suelo. Se debe comprobar frecuentemente que el cilindro vaya penetrando en forma pareja en el suelo a fin de evitar compactaciones a los lados ya que esto produce mal contacto entre las paredes del cilindro y el suelo y alterará la estructura del suelo dentro del cilindro. Continúe golpeando con el martinete hasta que el cilindro haya penetrado hasta una profundidad de 15 a 20 cm. 4.) Colocar el cilindro de mayor diámetro de manera que rodee al cilindro infiltró metro. Este cilindro de mayor diámetro debe penetrar de la misma forma que el anterior, pero notan profundo, basta con unos 10 cm.
b) Operación: 1. Colocar el aparato protector de erosión dentro del cilindro infiltró metro. 2. Llenar con agua el cilindro infiltró metro hasta llegar a una altura de 1 cm. del borde. Cuando la lámina de agua baje a 5 cm. será necesario rellenarlo al nivel inicial. Cuando se haga el relleno hay que tomar el nivel de agua antes y después de rellenar. 3
Escoger un punto en el borde del cilindro para colocar la regla milimetrada. Este punto deberá ser usado a lo largo de toda la prueba. Medir el nivel de agua dentro del cilindro infiltró metro. La operación de llenado y medición debe ser rápida. Retirar el protector de erosión.
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Anotar en la hoja de registros la lectura que indique la regla milimetrada, así como la hora en que se realizó la medición.
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Llenar con agua el espacio entre el cilindro infiltro metro y el cilindro de mayor diámetro a una altura mínima de 5 cm. la cual debe ser mantenida a lo largo de toda la prueba haciendo rellenos cuando sea necesario.
6. Realizar mediciones de la altura del nivel de agua en el cilindro infiltró metro a intervalos periódicos (ver hoja de campo anotando la lectura y la hora a la que se realizó. (Las mediciones deben proseguir por un tiempo entre 3 y 4 horas). 7.
Una vez terminada la prueba, remover y limpiar los cilindros.
C) Análisis Note que la hoja de cálculo se divide en dos partes. El Grupo de Datos A y el Grupo de Datos B donde arribos grupos deben tener igual numero de valores (n.)
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1. La columna de "Infiltración Local" se refiere a la lámina de agua infiltrada entre intervalos de tiempo (diferencia entre lecturas anotadas en la hoja de campo) en cm. 2. La columna de "infiltración Instantánea" se refiere a convertir la "infiltración Local", ocurrida en un lapso de tiempo determinado, a términos de una hora. Ej: en un lapso de 5 minutos se infiltra 0.2cm en una hora la infiltración seria 12 cm. (60*0.2/1). 3. La columna de "Infiltración Instantánea Log" se llena calculando el logaritmo de cada dato de "Infiltración instantánea". 4. La columna de "Tiempo Acumulado Log" se llena calculando el logaritmo de cada dato de "Tiempo Acumulado". 5 Cálculos Ecuación de Infiltración Instantánea: Ii = atb Si aplicamos logaritmo a la ecuación: Log Ii = Log a + b Log t Log Ii = n Log a + b Log t Utilizando los datos obtenidos de la hoja de cálculo, reemplazamos y resolvemos para encontrar b: Grupo A: Grupo B:
3.9856 = 8 Log a + 7.8934 b 2.6382 = 8 Log a + 16.2705 b 1.3474 = -8.3771b -0.1608 = b
Sustituyendo el valor de b en cualquiera de las dos ecuaciones originales: 3.9856 = 8 Log a + 7.8934 (-0.1608) 3.9857 = 8 Log a – 1.2696 5.2553 = 8 Log a 0.6569 = Log a 4.5385 = a
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La ecuación de la Infiltración Instantánea quedaría de la siguiente manera: Ii = 4.5385 t –0.1608 Ii
Tiempo El siguiente paso es calcular el Tiempo Básico: Tb = -600 (b)=minutos Tb=-600 (-0.1608) Tb = 96.48 minutos Cálculo de la velocidad de Infiltración Básica (IB) IB = 60 ABTb(B-1) = cm / hora
Donde:
A = a / (60* (b+1)) = 4.5385 / (60*(-0.1608+1)) = 0.0901 B = 1 – valor absoluto de b = 1 – 0.1608 = 0.8392 IB = (60) (0.0901) (0.8392) (96.48)(0.8392-1) IB = 2.1759 cm/hora = 21.76 mm/hora Ecuación de la infiltración Acumulada: IA = ATB IA
.................................................... ................... ... Tiempo
IA = 0.091T 0.8392
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Ejemplo de Hoja de calculo hora
Dif. tiempo
Tiempo acumulado
Infilt. Local cm
Infilt. Instan. cm
Infilt. Instan. Log
Tiempo Acum.. Log
8:00 8:01 8:03 8:05 8:10 8:15 8:20 8:30 8:40
0 1 2 2 5 5 5 10 10
0 1 3 5 10 15 20 30 40
0.0 0.2 0.1 0.1 0.2 0.2 0.3 0.3 0.4
8:50 9:00 9:20 9:40 10:00 10:30 11:00 12:00
10 10 20 20 20 30 30 60
50 60 80 100 120 150 180 240
0.4 0.2 0.7 0.8 0.8 1.0 1.2 2.6
0.0 12.0 3.0 3.0 2.4 2.4 3.6 1.8 2.4 Suma 2.4 1.2 2.1 2.4 2.4 2.0 2.4 2.6 Suma
1.0792 0.4771 0.4771 0.3802 0.3802 0.5563 0.2553 0.3802 3.9856 0.3802 0.0792 0.3222 0.3802 0.3802 0.3010 0.3802 0.4150 2.6382
0.0000 0.4771 0.6989 1.0000 1.1760 1.4623 1.4771 1.6020 7.8934 1.6989 1.7781 1.9030 2.0000 2.0791 2.1760 2.2552 2.3802 16.2705
Observ.
Grupo A N=8
Grupo B N=8
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X. RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS Queremos llenar una laguna de aproximadamente 150 metros de ancho por 190 metros de largo con una altura promedio de 3 metros. Cuando la laguna está llena hasta los tres metros, podemos agotar el agua hasta llegar a una altura mínima de 0.75 metros, que es como se encuentra en la actualidad, ya que no queremos secarla completamente. En un lapso de 30 días debemos tener la laguna llena hasta los tres metros para utilizar el agua en riego de cultivos en la época seca. El agua para llenado se extraerá de un río cercano. a) Si se opera 20 horas diarias, ¿ qué caudal, en gpm, debería descargar la bomba para cumplir con esta tarea en 30 días? b) Si quisiéramos agilizar la tarea y reducir el tiempo de llenado a 25 días, manteniendo constante los otros parámetros, ¿cuál sería el caudal necesario? c) Si la bomba que esta utilizando gasta 2.5 galones de diesel por hora y el diesel cuesta 30.40 lps el galón ¿cuántos galones de diesel y cuanto dinero gastara para llenar la laguna en 30 días? R= A) Capacidad laguna = 150m x 190m x 3m = 85,000m3 x 264 = 22,572,000 galones 150m x 190m x 0.75m = 21,375m3 x 264 = 5,643,000 galones Agua a reponer = 22,572,000 galones – 5,643,000 galones = 16,929,000 galones 16,929,000 galones / 30 días = 564,300 galones por día 20 Hrs. = 1,200 minutos Caudal de la bomba = 564,300 gal / 1200min = 470.25 gpm B) Agua a reponer = 16,929,000 gal / 25 días = 677,160 galones por día Caudal de la bomba = 677,160 gal / 1200 min = 564.3 gpm C) Galones de diesel = 20hr x 2.5gal x 30 días = 1500 gal Costo diesel = 1500 gal x 30.4lps = 45,600 lps b. Utilizando la tabla proporcionada, encuentre el valor para la profundidad efectiva (Pe de un cultivo dado. Asumiendo que se ha agotado (Pa) el 50% del agua útil y se riega con una eficiencia (Ef) de 75% 1. calcule la lámina neta (Ln) 2.calcule la lámina bruta (Lb). 3.calcule el agua disponible 4.calcule la precipitación de los aspersores. 5. Área a regar por día 6. Frecuencia de riego 7. Horas de riego por turno 8. Costos variables de regar las 25 ha, si la bomba gasta 2 galones de diesel por hora y el diesel cuesta 30.40 lps/gln y el salario del empleado que maneja el riego es de 80 lps por
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día. ¿Cuántos gln de diesel se gastaran y cuanto costara? ¿Cuánto le tendrá que pagar al operador para regar las 25 ha? CC = 23 PMP = 12 Da = 1.23 Zr = 0.3 mt Espacio entre aspersores 60 pies x 60 pies Gpm aspersor = 14 Eto = 5.8 mm / día Área = 25 ha Infiltración básica = 12.7 mm / hr
R= AD= (23 – 12) x 1.23gr/cm3 x 0.3m x 10 = 40.59 mm LN= 40.59 mm x 0.5 = 20.3 mm LB = 20.3mm / 0.75 = 27.06mm Frecuencia de riego = 27.06 mm/ 5.8mm = 4.66 días Área a regar por día = 25 ha / 4.66 días = 5.36 ha/ día Horas de riego por turno= 27.06mm/12.7mm hr = 2.13 hrs PPt= (14gpm x 96.3) / 60x60 =0.37 plg = 9.5 mm /hr Galones diesel= 4.66 días x 8 hr x 2 gal = 74 gal Costo diesel= 74 gal x 30.4 lps = 2,249.6 Costo operador= 4.66 x 80 lps = 372.8 lps
