8 Redes de conducción, distribución, y líneas fijas de parcela

8.1 Introducción

Una vez determinados los planes de cultivo, los requerimientos en agua, el área total regable, la reparticiiin del Brea total entre los usuarios, el caudal de diseño, y la distribución de los sectores de riego y de los hidrantes, se puede proceder al diseño de las obras de conduccion y de repartición de agua desde la fuente hasta los hidrantes.

El concepto básico del planteamiento hidráulico de los pequeños sistemas de riego desarrollado en este curso, consiste en:

Una repartición del flujo de agua desde la captación o de la fuente, a través de una red de conduccion y distribución, en forma proporcional hasta los sectores, en caudales continuos que alimentan pequeños reservorios 1 cámaras de carga. Esta parte del sistema tiene que ser diseñado de tal manera que en las obras de repartición haya presion atmosférica para poder asegurar una repartición proporcional correcta. Significa que esta parte del sistema consiste de canales abiertos y10 tubería con presión atmosférica. En algunas partes pueden ser necesarios tramos presurizados para atravesar pendientes fuertes o quebradas (con sifones) que luego desembocan a presion atmosférica en una obra repartidora o en un reservoriolcámara de carga.

A partir de los reservorios/cámaras de carga el flujo continuo que corresponde a cada sector entra en una red de tuberías presurizada, que tiene como salida uno o varios hidrantes. En esta red no se puede lograr reparticiones del agua en forma proporcional entre los hidrantes, y por lo tanto la distribución es en forma de turno o rotación (ver figura 9).

8.2 Líneas de conducción y de distribución

De acuerdo al caudal que tiene que pasar por la tubería, se puede considerar 2 opciones: conducción con tubos llenos, y conducción con tubos con tirante hasta 75% del diámetro del tubo. Para trabajar con tubos llenos debemos asegurar que en el perfil longitudinal la linea de presion en la tuberia no baje de la línea de altura del terreno, ya que esta condición representa presiones negativas en el tubo, con los problemas que esto implica (formación de bolsas de aire, implosion de tuberías}.

Con tubos llenos, se aplicará la siguiente formula para tubos de PVC o con rugosidad igual a PVC, basada en Hazen-Williams:

D = (0,349 * Q * S "m') 0,369

Con: Q = caudal en Ils

S = pendiente del tubo en rnlm

D = diámetro del tubo en pulgadas

El resultado D de este calculo tiene que ser redondeado hacia arriba para obtener diámetros de tuberías comerciales.

También se pueden hacer los cálculos utilizando la hoja de cálculo en Excel "perdida de carga.xlsn.

Para calcular los tirantes de agua en tubos parcialmente llenos, se puede utilizar el programa HCANALES.

Figura 9: Esquema de la distribución de agua, conducción, distribución proporcional, línea fija y línea móvil

Hidrante

8.3 Obras de arfe en las Iíneas de conduccion y de disfribución

A continuación van a ser presentados algunos tipos de obras que podemos necesitar en las líneas de conducción y de distribución.

Captación o bocatoma

Sedirnentador

Obras de repartición

Cámara rompe-presión

Cajas de válvulas de purga y de desfogue

Reservoriolcamara de carga

Se asume que los diseños de pequeñas captaciones, bocatomas, sedim'entadores, cámaras rompe-presión y válvulas de purga y de desfogue son suficientemente conocidos, y nos limitamos a dar más detalles sobre las obras de repartición, y las reservorios1camaras de carga.

8.4 Obras de repartl'ciún

El objetivo de una obra de repartición en el contexto del riego por aspersión es: asegurar una repartición proporcional del flujo de agua de acuerdo a una proporción preestablecida: 50% - 50%, 60% - 40%, 113 - 213, independientemente de la variación del caudal de entrada. Esto asegura que las diferentes secciones del sistema siempre reciban la misma proporción del caudal total.

Trataremos 2 tipos de obras de repartición (van Drunen, 1998 ii):

Los vertederos triangulares de cresta aguda, en que las proporciones de la reparticibn del agua son dadas por los ángulos inferiores de tos vertederos (ver figura 10).

Los orificios circulares, en que el numero de orificios con diámetro determinado determina la repartición de agua entre 2 o más partes (ver figura 13)

Ejemplo: Para realtzar una repan'ición de 60% - 40% de un caudal de 2 Ys, uufilamos 10 orificios de- 0,2 I/s cada uno. 6 De estos or/ficios separan e/ agua para un ramal y 4 //e van e/ re.cfn del f l h a nfrn rama/.

La elección del tipo de obra repartidora depende de los caudales que se van a repartir: Un repartidor con vertederos es apropiado cuando se requiere repartir caudales relativamente grandes. La repartición es poco sensible a manipuleos o atascos porque los vertederos son metálicos. Normalmente se ubican en las reparticiones principales del sistema, por ejemplo el primer repartidor después de la captación en figura 9 que separa 2 Ils a la derecha y 1 11s a la izquierda.

Repartición mediante orificios tienen la ventaja de ser muy transparente para los usuarios, de tal manera que existiria la opción de que la misma organización puede modificar tos números de orificios si hubiera cambios en la repartición del agua. Para modificar un vertedero la intervención de un ingeniero siempre es necesario.

Figura 10: Tanque repartidor con vertederos triangulares

Corte Transversal Iia&rwrrr*rumi8

fo.id im l I m la rd

Vista en Planta

Corte Longitudinal

Vertedero triangular

Para repartir el flujo de agua proporcionaimente en dos o más partes, se construye una caja en concreto con una sección donde entra el caudal a repartir. Esta sección está separada de las secciones de salida mediante una plancha metálica de 3 o 4mm que tiene para cada sección de salida una apertura triangular. Los vértices inferiores de los triangulos están todos a un mismo nivel.

Variando el ángulo entre 2 verfedores, se llega a una diferencia entre los caudales que pasan por cada vertedero con una proporción constante. El cuadro 12 muestra 3 ángulos de vertederos y la relación entre los caudales que pasan por cada vertedero.

Cuadro 12: Angulos específicos para vertederos triangulares

1 ~ n a u l o del vertedero 0 1 Proporción del caudal Q

Ejemplo: si co/ocamos en una caja repartidora un vertedero de 90°y uno de 35" 46; e/ caudal de entrada de 7 //S sera repartido en 2 caudales: O, 75 Ys y 0,25 fs. En el caso de reemplazar e/ vertedero de 35" 46'por uno de 53" 8: la divsión del mismo caudal seria: O, 66 //s y 0,33 //s.

La formula para determinar la relación entre el caudal Q y el ángulo 8 del vertedero es la siguiente:

Q = Ce 8 4 29 tan ~ ( h , + U,,) 23 15 2

Con: Q = caudal en m3k

8 = ángulo del vertedero en grados

h, = altura del nivel del agua, aguas arriba del vertedero, medido a partir del vértice inferior del triángulo (m)

Ce = coeficiente en función de 0, véase figura 12

Kh = coeficiente en funcion de 0, véase figura 11 (la lectura es en mm, se convierte en m para introducir en la formula).

Figura 1 1 : Valor de Khi función de 0

Fuente: Bos, 1976

ángulo del vertedero en grados

Figura 5: Coeficiente de descarga Ce, función de 0

ángulo del vertedero en grados Fuente: Bos, 1976

Manteniendo constante la altura hl, se puede variar el ángulo O e iterativamente calcular los caudales para llegar a proporciones de caudal entre dos vertedores, diferentes de los presentados en el cuadro 1 1.

Condiciones a respetar:

Sabiendo los caudales máximos que tienen que repartirse y la proporción, se Foto 6. Tanque repartidor proporcional con

determina el h,,,,. La caja repartidora vertederos triangulares

tiene que ser diseñado de tal manera que la distancia P entre el fondo de la cala y los vértices de los vertederos respete la condicion:

La anchura de la caja tiene que ser suficiente para que sea igual a la suma de los anchos mínimos de fiujo B requeridos para cada vertedero. Para cada uno, 6 tiene que respetar la condición:

El nivel del agua, aguas abajo de los vertederos, no tiene que superar 0,05 m por debajo del vértice inferior, para garantizar una caída libre del agua a través de los vertedores

Es de suma importancia para el buer funcionamiento de esta obra la fabricación correcta de los vertederos. Luego, su instalación debe de hacerse con la máxima precisión para que los vértices estén a la - misma altura y los vertederos en una I

posición perfectamente horizontal.

Repartidor con orificios

Cuando nos interesa incorporar cierta flexibilidad en las proporciones, se puede optar por un repartidor de orificios perforados en tubos de PVC verticales "tipo chimenea* como demuestra la figura 13. Los orificios son perforados en tubo de PVC de desagüe de 4" o de 6", para caudales hasta 4 lit/seg. Para repartir caudales mayores es preferible optar por repartidores del tipo vertedero, ya que tos accesorios para tubo de 8" son bastante caros. Es preferible no pegar el tubo perforado a la unionlreduccion en la base del tanque, para que pueda ser removida. A parte de ser una solución relativamente flexible, el_costo es bajo porque las dimensiones de los tanques son reducidas.

. -Ftgu%13: ianque repartidor con orificios en tubos verticales

La descarga de un orificio sumergido que descarga libremente en el aire es:

Q = c ~ * % * x * ~ ~ * d ( ~ g * h)

Cd = coeficiente de descarga (ver tabla siguiente)

d = di8metro del orificio

g = 9,s

h = carga hidráulica

Cuadro 13 presenta los valores de la coeficiente de descarga Cd en función del diámetro de orificios con salida libre en el aire.

Foto 7. Tanque repartidor de tubos verticales con orificios

Cuadro 13: Valores de Cd como función de d, orificios con salida libre

/ diámetro orificio (metros) 1 C. (coeficiente de descaiga)l

Orificios de W" (1 2 mm) sumergidos 0 , l metros tienen una descarga de aproximadamente 0 , l litlseg. Entonces, si los aspersores a usar tuvieran un caudal aproximado de 0,2 litlceg, podríamos establecer la repartición proporcional del agua mediante dos orificios de este tamaño por cada aspersor que estuviera operando bajo la salida del repartidor.

Ejemplo: en un tubo de 6" se pueden perforar 20 orificios con un diámetro de 12 mm a una sola altura. Sumergidos con 0,I metros de agua, por los 20 orificios pasarán cerca de 2 liWseg.

Cuando por algún motivo, la repartición tiene que ser cambiada posteriormente, los mismos usuarios podrán realizar los cambios con la ayuda de un mecánico que puede perforar los orificios. Orificios que estin demas pueden ser tapados temporalmente o permanentemente.

Para asegurar la proporcionalidad, es necesario que las alturas de los orificios sean perfectamente iguales. Cuando el numero de orificios sea mayor que el numero que se puede ubicar en un corte del tubo, se puede perforar en dos o más filas, siempre y cuando se mantenga la proporcidn de los números de orificios de las salidas en cada fila (por ejemplo, cuando la repartición tiene que ser 213 - 113, se debe asegurar que en cada altura la proporción de orificios sea dos por uno).

8.5 Reseworios/ cámaras de carga

La obra descrito en este párrafo' tiene 2 funciones:

Cámara de carga para dar la presion a la red presurizada

Regulación para permitir el buen funcionamiento del sistema con caudales variables de entrada y salida a estas camaras de carga.

Figura 14: Reservorio / cámara de carga de 8 m3, concreto reforzado con malla galvanizada

La regulación es necesaria por el hecho que el sistema de riego está diseñado con un caudal máximo pero que debe de poder funcionar con caudales más pequeños sin que la red presurizada aspire aire: el reservorio permite almacenar el agua entrando durante cierto tiempo, para que despues se pueda regar con toda la capacidad del sistema. Mas que todo esta obra asegura la flexibilidad del sistema cuando los caudales disminuyen, y deja a los agricultores de escoger las opciones que ellos prefieren para regar:

pueden regar con toda la capacidad que tienen, es decir con todos los aspersores y boquillas con qué también riegan en la epoca de máximos caudales. En este caso los t iem~os de rieao serán más cortos, y van a tener que esperar con mas frecuencia que se llene de nuevo el reservorio.

pueden sacar unos aspersores, poner boquillas mas pequeños, o poner otro tipo de aspersor que gaste menos, para adecuar el riego al caudal disminuyente, maximizando asi los tiempos de Nego y minimizando el tiempo para esperar que se llene el reservorio.

Foto 8: Fases de construcción de un reservorio/cárnara de carga. 1) Preparación del vaso

Foto 9: Reservorio: 2) Pañoteado

Foto 1 0: Reservorio: 3) Acabado y protección

El volumen de un reservorio se calcula en base a los factores siguientes:

Las diferencias entre el caudal de entrada y de salida del reservorio que se preven durante el funcionamiento normal del sistema. Por ejemplo, si hay grandes diferencias entre el caudal de máximo estiaje, y de inicio de la época de riego, se puede aumentar o reducir el número de aspersores. Sin embargo no se puede reducir con un medio aspersor, entonces las diferencias de caudales de menos del caudal de un aspersor deberían ser reguladas mediante la capacidad de almacenamiento del reservorio.

El tiempo de riego previsto en una-posición de la linea de riego. Generalmente de 8 o 12 horas.

-E/ sistema de nkgu por aspersión de San José, Sbiiac, fbe diseñado tomando en wnsideración un caudal minimu de 0,3 Us (afumdo en sefiembre) y un caudal máximo de 0,5 //S (estimado para e/ mes de junio). La capaMdad de/ sistema está entonces para pode/ funcionar con O, 5 //s.

E/ rese~uriu/ &mara de carga se diseñd de la siguiente manera:

Se detemino que los agn'cutores tienen que poder regar un mínimo de 8 bocas en e/ tiempo de caudales mínimos (0,3 Us), mn toda la capacidad del sistema, es ddec cun un caudal de O, 5 1/s.

El volumen de la diferencia enfre O, 3 f s y 0, 5 //S durante 8 horas tiene que ser entonces almacenado en un reservun'o:

V reservorio = (0,5 - 0,3) 8 3600 = 5760 litros

Se considerb construk un r e s e d o de 6 d, que se llenaria en 6OOW 0,3/ 36170 = 35 horas.

La construccion de los reservorios puede hacerse (en orden descendiente de costos) en concreto armado, en mampostería, en concreto refonado con malla galvanizada (ferrocemento), o con revestimiento de geomembrana de PVC o de polietileno.

La forma tra~ezoidal da mayor estabilidad y una construcción menos costoso en el caso de concreto. Para revestimientos con geomembrana esta forma es indispensable.

Es difícil de dar criterios para la selección del tipo de impermeabilización de los reservorios, por la multitud de factores que pueden influir: Experiencias locales; disponibilidad de materiales y de asesoramiento; tipo de suelos; calidad del manejo y de la vigilancia de las obras; presupuesto disponible.

Los anexos 3 y 4 muestran dimensiones y un análisis de costos de 2 tipos de revestimiento: concreto armado y manta de polietileno de 0,1 mm.

Los reservorios tienen que ser equipados con un tubo de rebozo y de limpieza, y un filtro para evitar el ingreso de partículas en las líneas de presión. Los filtros comerciales son de fácil instalación y son fáciles de limpiar, pero tienen un costo algo elevado. También se puede fabricar con tubo de PVC perforado y malla de nylon un filtro artesanal, a un costo algo menor (vea figura 15).

8.6 Redes presutizadas

Una vez que se conoce el caudal que tiene que pasar por una red presurizada, a partir de su rese~voriolcámara de carga, calculan los diámetros de tubería para llegar a las presiones óptimas al nivel de cada hidrante, a través de las pérdidas de carga dentro de la tuberia.

Para calcular la perdida de carga en un tubo de PVC o de PE se aplica la formula de Hazen-Williams:

H = 10.64 * L * G?Ina5 con: c'''~ * D~~~~

H = Perdida de carga hidráulica en m

L = longitud del tubo en m

D = diámetro interno del tubo en m

Q = caudal en m' I S

C = coeficiente de rugosidad cuyo valor es 140 para PVC y PE

Las pérdidas de carga de un tramo de tubería (de un colo diámetro a compuesto de varios diámetros) se calcula con esta flimula, utilizando una hoja de cálculo para facilitar el trabajo. Existen para tal fin un sinnúmero de herramientas de cómputo muy prácticos, en PRONAMACHCS Cajamarca se ha diseñado una hoja de calculo en Excel "perdida de carga.xlsn para deteminar las presiones en los diferentes puntos de la red presurizada, las cantidades de tubos de diferentes diámetros necesarios, y el costo por tramo y total.

Para las redes de presión de riego es importante lograr mediante la selección de diametros de tuberías que en cada hidrante la presion dinámica sea mayor a 12 metros, y que no haya muchas variaciones de presión dentro del sector, para evitar grandes diferencias en los caudales de los aspersores.

Algunas veces no se logrará que la presión dinámica a nivel de un hidrante sea la adecuada con un solo diámetro de tubería. En estos casos se pueden combinar tubos de diferentes diámetros en un solo tramo, cuidando que el mayor diámetro se encuentre en la parte baja del tramo, para evitar obstrucciones en la reducción.

Figura 15 presenta en croquis los elementos y accesorios necesarios para una red presurizada, un hidrante, y un equipo móvil de aspersión.

Figura 15: Esquema de red presurizada, hidrante, equipo móvil de aspersión

L -, filtro 2"

RED PRESURIZADA

union mixta %"

elevador PVC%"

reducción1 % "'-1 "

enlace rosca hembra 25mm-%"

union mixta %"

elevador PVC%"

L l h l C A L a

tee ?%"

8.7 Tanque hidrante

Los hidrantes generalmente se ubican en medio de las chacras y es necesario protegerlos contra golpes de arado y otro tipo de amenazas con un pequeñ~ tanque de concreto. Es recomendable además fijar los codos y las vakulas en estos tanques con cemento, a fin de evitar el robo y para asegurar que en el manipuleo de las mangueras no podrán ser arrancadas las partes vulnerables del hidrante (tubos de PVC, codos, válvula). Además es importante ubicar la salida de la válvula pocos centímetros encima de la cota del terreno para facilitar el acople de las mangueras. Una tapa de concreto sirve para evitar que personas ajenas y niños fácilmente metan la mano.

En la siguiente figilra presentamos un diseño de un tanque hidrante que cumple los requisitos minimos. Aun así, el hidrante sigue siendo un elemento vulnerable del sistema y hay que insistir en el cuidado que requiere.

Figura 16: Diseño de un tanque hidrante

Tubo de PVC 1.5" o 2 u H e collarin con toma laterai

9 Costos y presupuesto

Para calcular los costos de un sistema de riego presurizado hemos definido los rubros siguientes, con referencia a los componentes del sistema:

Captación

Conducción (que incluye los tanques de repartición y las redes de distribución)

Reservorios reguladores/ cámaras de carga

Redes presurizadas (que incluye líneas de riego fijas y enterradas, hidrantes, y líneas de riego móviles)

Mano de obra calificada (maestros, residentes de obra)

Mano de obra no-calificada

Elaboración de proyecto y supervisión (IngO que diseña y supervisa el sistema, topógrafo, etc.)

Capacitación

Como ejemplo están presentados aquí los costos de 2 proyectos ejecutados en 1998 y 1999 por la Dirección Departamental de PRONAMACHCS Cajamarca.

Cuadro 14 da un resumen de los costos totales del proyecto de riego por aspersión Hierba Santa que capta el agua de un manantial con Q = 0,3 I/s y lo reparte entre 8 familias de tal manera que cada familia puede regar unos 1250 m'. Hay varios cultivos (papa, hortalizas, alfalfa, alverja, cebada), para autoconsumo y para venta al mercado. De los beneficiarios se esperaba la contribución de la compra de los aspersores y mangueras. Sin embargo no tuvieron que realizar el gasto ellos mismos porque fueron apoyados por el Municipio Distrital.

Cuadro 15 muestra los costos del proyecto de riego Pedregal que se alimenta de una fuente de 8,5 Ils que antes fue aprovechado deficitariamente mediante un sistema de riego por gravedad. Cada beneficiario recibe ahora un caudal continuo proporcional al área que puede regar. Los beneficiarios son ganaderos vendedores de leche y riegan mayormente pastos. Los beneficiarios asumieron el gasto para las redes presurizados (rubro D) mediante un crédito.

Cuadro 14: Resumen de costos del proyecto de riego Hierba Santa

Proyecto: Hierba Santa, provincia San Marcos Area regada: 1 ha Beneficiarios: 8 familias Ru bro A. Captación B. Conducción

C. Reservorios

- . Mangueras Aspersores Hidrantes

Especificación Captación

Tubería + accesorios

reguladores D. Redes presurizados

Accesorios E. Mano de obra calificada 1

Tanque repartidor Reservorios 3m3

Líneas de riego fijas

F. Mano de obra no- 1 1

Cantidad 1

296 m

calificada G. Elaboración de

Costo US$ * 94 133

1 2

37 131

proyecto y supervisión

* Valor del dólar en Abril 2000 es S/.3,50

H Canacitación I u l r\L 1 I i -1 1 a1

Cuadro 15: Resumen de costos del proyecto de riego Pedregal

57

Costo por hectárea

Proyecto: Pedregal, provincia Celendín Area regada: 20 ha Beneficiarios: 18 familias

1737

Uubro A. Captación B. Conducción

C. Reservorios reguladores D. Redes presurizados

Captacion Tu bería + accesorios Tanques repartidor Tanques de válvula

Reservorios 3m3

Líneas de riego fijas Mangueras Aspersores Hidrantes

Cantidad 1 Costo US$

E. Mano de obra calificada F. Mano de obra no-

Accesorios

1857 calificada G. Elaboración de proyecto y supervisión H. Capacitación TOTAL

943

257 1

1571 19333

Costo por hectárea 967

10 Análisis de costo 1 beneficio

Una vez determinado el presupuesto para la obra planteada, y el área neta a regar, se puede realizar un análisis de los costos en relación a los beneficios esperados. Una relación favorable entre estos dos es necesario para que las inversiones en este tipo de obras, tanto de las instituciones como de los agricultores, sean justificables.

Para las condiciones Altoandinas los beneficios generalmente no deben ser sobrestimados, ya que la realidad agraria tiene bastantes limitaciones, fuera del agua de riego, que impiden altas tasas de renta. Para los dos casos presentados en el capitulo anterior se han hecho estimaciones de los beneficios de la introducción del riego tecnificado.

Para el caso de Chirac, donde el riego posibilita una segunda campaña (chica) en el año, en el caso estudiado con papa, se encontró una renta neta de la inversión en riego de $714lha/campaña. En el caso de Pedregal el riego permite una mayor constancia en la producción de los pastos y el beneficio es estimado en $3501halaño. Las inversiones totales, presentadas en el capitula anterior, de $1 7371ha y $9671ha parecen ser justificadas por estos aumentos de ingresos campesinos, ya que las inversiones se recuperan en pocos años (dependiendo de la tasa de interés que se quiera aplicar a la inversion).

Por limitaciones de tiempo esta guía no puede proporcionar indicaciones prácticos para el calculo de la rentabilidad de las inversiones en pequeños sistemas de riego por aspersión, sin embargo encontramos allí una necesidad que debe ser atendida con urgencia. Mientras tanto se recomienda analizar el nivel de costos por hectárea incorporada al riego. Los valores dados como ejemplo pueden servir como referenciales. Si se encuentra un nivel de costos demasiado alto, se deben reconsiderar algunas decisiones de diseño, por ejemplo la inclusión de las parcelas más alejadas, e incluso reconsiderar la viabilidad del proyecto.

Foto 11 : Riego por Aspersión de papas

Foto 12: Riego por aspersión de pastos