DISEÑO AGRONOMICO

Para diseñar un sistema de riego por aspersión hay que determinar todas las características técnicas del riego. Con el fin de que el reparto del agua sea uniforme y eficiente se hace en dos etapas: en el diseño agronómico se consideran aquellos aspectos relacionados con el medio (suelos, clima, cultivos, etc) y en el diseño hidráulico se dimensiona la red de distribución. Los datos imprescindibles que se necesitan son los siguientes:

- Del suelo. Densidad aparente, capacidad de campo, punto de marchitamiento, profundidad y velocidad de infiltración estabilizada.

- Del clima. Interesa conocer, sobre todo los datos relativos al viento, ya que es la causa principal del distorsión en el reparto del agua.

- Del cultivo. Alternativa de cultivos, necesidades hídricas, fracción de agotamiento del agua disponible, profundidad radical, marco de plantación, labores.

- De la parcela. Dimensiones, topografía, punto de captación de agua y área a regar.

- Del agua. Caudal disponible y calidad agronómica.

- Del riego. Tiempo disponible de riego cada día y días libres de riego durante el ciclo. Se fija de antemano la eficiencia que se pretende conseguir.

El diseño agronómico tiene por finalidad que la instalación sea capaz de suministrar la cantidad suficiente de agua, con un control efectivo de las sales y una buena eficiencia en la aplicación del agua. Se desarrolla en dos fase:

Cálculo de las necesidades de agua Determinación de los parámetros de riego: dosis, frecuencia e intervalo entre

riegos, caudal necesario, duración del riego, número de emisores y disposiciones de los mismos

Las necesidades totales vienen definidas por la fórmula:

Nt = Necesidades totales (mm/dia)

Nn = Necesidades netas (mm/dia)

Ea = Eficiencia de aplicación

Rp = Relación de percolación, tanto por uno

Fl = Fracción de percolación, tanto por uno

Fr = Factor de rocio, tanto por uno

CU = Coeficiente de uniformidad, tanto por uno

En circunstancias normales el factor de rocio tiene un valor muy próximo a la unidad, por lo que no se suele considerar. Rp y Fl no se toman simultáneamente, sino que se considera sólo el de menor eficiencia, que es el que produce mayor pérdida de agua.

- Si Rp Fl, las necesidades totales son:

- Si Fl Rp, las necesidades totales son:

Fl = 1-Rl, siendo Rl el requerimiento de lavado, en tanto por uno.

En riego por aspersión de baja frecuencia el requerimiento de lavado (RL) viene dado por la fórmula:

En riego por aspersión de alta frecuencia el requerimiento de lavado es:

RL = Requerimiento de lavado, en tanto por uno

CEa = Conductividad eléctrica del agua de riego, en dS/m

CEe = Conductividad eléctrica del extracto de saturación del suelo, para el cual el descenso de producción es del 100%. Se expresa en dS/m.

A efectos de diseño, el coeficiente de uniformidad (CU) es una condición que se impone, y debe tener un valor de alrededor de 0,8 para considerarse aceptable. Cuando la instalación está en funcionamiento se efectúa la comprobación en la presión de trabajo, número y tamaño de las boquillas de los aspersores o inadecuado marco de riego.

Para el cálculo de las necesidades de agua en riego por aspersión se suele utilizar también el siguiente criterio:

Si RL 0,1

Si RL 0,1

Ea es una eficiencia de aplicación que incluye los efectos de pérdidas debidas a percolación, evaporación desde el chorro y arrastre del mismo por el viento y falta de uniformidad en la aplicación.

Los valores orientativos de Ea que se deben tomar en el diseño aparecen en la tabla 9.2 y 9.3 en función al tipo de clima, profundidad de raíces y textura del suelo.

Tabla 9.2. Valores de Ea en climas áridos

Tabla 9.3. Valores de Ea en climas húmedos

Una vez conocida las necesidades hídricas de los cultivos se determinarán los distintos parámetros de riego: Dosis, intervalos entre riegos, caudal necesario, duración del riego, número de aspersores y disposición de los mismos.

Dosis de riego e intervalos entre riego

La dosis de riego es la cantidad de agua que se aplica en cada riego por cada unidad de superficie. Cabe diferenciar entre dosis neta (Dn) y dosis bruta o total (Dt). La dosis neta corresponde a la reserva fácilmente disponible, y viene dada por la fórmula:

Dn = Dosis neta (m3/ha)

Pr = Profundidad de raíces (m)

Da = Densidad aparente del suelo

Cc = Capacidad de campo, expresado en porcentaje en peso de suelo seco.

Pm = Punto de marchitamiento, expresado en porcentaje en peso de suelo seco.

f = Fracción de agotamiento del agua disponible, expresada en tanto por uno.

Cuando Cc y Pm vienen expresados en porcentaje del volumen de suelo, la fórmula sería:

Cuando Cc y Pm vienen expresados en mm de altura de agua, la fórmula sería:

Dn = Dosis neta (mm)

Cc = Capacidad de campo, (mm/cm)

Pm = Punto de marchitamiento, (mm/cm)

Pr = Profundidad de raíces (cm)

f = Fracción de agotamiento del agua disponible, expresada en tanto por uno.

La dosis total es:

Siendo Ea la eficiencia de aplicación.

Se debe regar cuando las extracciones de las plantas agoten la reserva fácilmente disponible. Por consiguiente, el intervalo (I) en días será:

Naturalmente, la Dn y las Nn diarias se han de expresar en las mismas unidades (m3/ha o mm de altura de agua)

Elección del aspersor

Con los datos de catálogo se elige un aspersor que para el marco considerado, tenga una pluviometría inferior a la velocidad de infiltración establecida y se obtenga una buena uniformidad en el reparto.

Duración del riego en cada posición

La duración del riego (tiempo de riego) en cada postura se calcula mediante la fórmula:

Tr = Tiempo de riego(horas)

Dt = Dosis total (mm)

P = Pluviometría o pluviosidad media (mm/h)

En los sistemas semifijos hay que tener en cuenta el tiempo empleado en el traslado del equipo móvil. El traslado de las alas de riego móviles de una postura a otra requiere una mano de obra de 2,5 horas por hectárea, aproximadamente.

Turnos de riegos diarios

Para determinar el número de posturas que se hacen al día o turnos de riego se aplica la siguiente expresión:

Número de aspersores que funciona simultáneamente

El número de aspersores que funcionan simultáneamente en una posición de riego viene dado por la fórmula:

N = Número de aspersores en cada posición de riego

Q disponible = Caudal disponible en la finca (pozo o grupo de bombeo)

q = Caudal de cada aspersor

Para diseñar la red de distribución y la disposición de los aspersores hay que procurar que sean mínimas las diferencias de presión de los aspersores situados en una ala de riego, por lo que se procurará que las alas de riego sigan las curvas de nivel o, mejor

aún, con una ligera pendiente descendente, para compensar los aumentos de pérdidas de carga a medida que los aspersores se alejan del origen.

Número de ramales

El número de alas (ramales de riego) se determina aplicando la siguiente expresión:

Se redondea por exceso el número de ramales de aspersión, con lo cual aumenta la dosis de riego, lo que obliga a modificar la duración del riego en cada posición o el número de días de riego dentro del intervalo.

DISEÑO HIDRAULICO

El diseño hidráulico tiene por finalidad el cálculo de las dimensiones de la red de distribución y de la optimización del trazado de la misma, de forma que se pueda aplicar el agua suficiente para los cultivos durante cualquiera de sus formas de desarrollo; otro objeto es conseguir que la aplicación del agua en forma de lluvia sobre el suelo sea suficientemente uniforme. Con todo ello se obtendrán buenas producciones con el menor gasto de agua.

Los ramales, portaaspersores o alas de riego son los que distribuyen el agua al cultivo por medio de los aspersores acoplados a ellos. Las tuberías portalaterales o de alimentación son aquellas de donde derivan los ramales. Tanto en ramales como portarramales se da el caso de una conducción con salidas múltiples distribuidas a lo largo de ella, uniformemente espaciadas y por las que descarga el mismo caudal.

Q = n · q

Q = Caudal del ramal

n = Número de salidas

q = Caudal de cada salida

Al principio de la tubería con salidas múltiples (en su conexión con la tubería de alimentación), el caudal es Q. A medida que se avanza en la tubería, las pérdidas de carga por rozamiento son menores que las que ocurren en una tubería de igual diámetro y longitud, pero sin salidas intermedias. Estas pérdidas de carga se pueden calcular tramo por tramo entre dos salidas consecutivas, en donde el caudal se mantiene constante, y luego sumar los valores obtenidos en todos los tramos. Para evitar este procedimiento tan engorroso, Christiansen ideó un método basado en calcular la pérdida en una tubería de igual longitud, diámetro y rugosidad, sin salidas intermedias, por la que circula el caudal Q. Posteriormente se multiplica por un coeficiente reducto F (Factor de Christiansen) para que las pérdidas en ambos casos sean equivalentes.

El 75% de las pérdidas de carga por rozamiento que se producen en los ramales ocurren en la primera cuarta parte de su longitud, por cuyo motivo es importante la distancia a que está acoplada la primera salida. En la tabla 3.9 del tema 3, se muestran los valores del Factor de Christiansen, en función del número de emisores, de la constante β, y de la distancia del origen al primer emisor, que puede ser: l0 = l (la distancia del origen al primer emisor es igual a la distancia entre emisores consecutivos) y l0=l/2 (la distancia del origen al primer emisor es igual a la mitad de la distancia entre emisores).

CALCULO DEL RAMAL PORTAASPERSORES.

El cálculo del diámetro de un ramal portaaspersor se basa en la uniformidad conseguida en la descarga del agua por los aspersores. Para ello se acepta el criterio hidráulico propuesto por Christiansen que establece como norma que la diferencia máxima del caudal descargado por dos aspersores cualesquiera del mismo ramal sea inferior al 10% del caudal nominal del aspersor. Se demuestra que en riego por aspersión una variación del 10% del caudal representa una variación del 20% en la presión de entrada del emisor. Por tanto, la diferencia de presión en la entrada entre dos aspersores cualesquiera del ramal debe ser inferior al 20% de la presión nominal del aspersor, en caso de ramales horizontales, o de otra forma:

dH = 20% · H = 0,2 · H

dH = Variación de presión en el ramal

H = Presión nominal del aspersor

Este mismo criterio se aplica (al igual que en sistemas de riego localizado) a un bloque de riego formado por una tubería portarramales (terciaria) y por los ramales portaaspersores que derivan de ella, dicho conjunto forma una unidad o subunidad de riego. En este caso, además de cumplir el criterio hidráulico debe de cumplir el criterio económico el cual dice que el coste mínimo de la instalación ocurre cuando el 55% de las pérdidas admisibles en la unidad o subunidad (bloque) se produce en el ramal portaaspersores y el 45% restante se produce en la tubería portarramales (terciaria).Para mantener las presiones y teniendo en cuenta el criterio económico, en los sistemas móviles se aconseja limitar la longitud de los ramales de aspersión a 200 metros. En sistemas de cobertura total la longitud recomendable de los ramales suele oscilar entre los 120 y 150 metros.

Las presiones necesarias en el inicio de la instalación serán tal que el aspersor más desfavorable (por ser el más lejano o el más elevado), tenga una presión suficiente

La combinación de ambos criterios nos ayuda a dimensionar tanto la longitudes como los diámetros a utilizar en una unidad o subunidad de riego por aspersión. Por tanto las pérdidas de carga admisibles tanto en el ramal como en la terciaria debe ser:

hr admisible lateral = 55% · dH

hr admisible terciaria = 45% · dH

Si para un diámetro y una longitud determinada en el ramal portaspersor dentro de una unidad o subunidad de riego se nos origina una pérdida de carga distinta pero aproximada del 55% de la variación de presión (dH), se realiza un reajuste del reparto de las presiones, pero lo que siempre debe de cumplirse es que:

hr lateral + hr terciaria dH

Para determinar la pérdida de carga en un ramal portaaspersor se suele utilizar la expresión obtenida por Scobey en el caso de que el material de las tuberías utilizado es aluminio en el que se incluyen las pérdidas de carga singulares de este tipo de tuberías. También se utilizan ábacos y tablas derivadas de esa ecuación como es la que se muestra en la figura 3.23 del tema 3 de estos apuntes.

Si lo que se utilizan son tuberías de PVC o PE, se utilizan los ábacos de pérdida de carga para estos tipos de tuberías o las fórmulas que mejor se adaptan a ellas (tema 3), incrementándolas entre un 5 a un 15 % debido a las pérdidas de carga singulares, por lo que la pérdida de carga total podría ser:

hT = 1,10 · hr

También se puede considerar que la pérdida de carga total es lade una tubería semejante de igual diámetro, pero con una longitud ficticia (Lf) cuyo valor es igual a 1,10 de su longitud real (L).

Lf = 1,10 · L

Las pérdidas de carga que se producen en un ramal portaaspersor son:

hr = J · F · Lf

hr = Pérdida de carga en el ramal portaaspersor (m)

J = Pérdida de carga unitaria (m/m lineal)

F = Factor de Christiansen

Lf = Longitud ficticia (m)

La presión necesaria en el origen del ramal portaaspersor, como se ve en el capitulo 5.2 del tema 3, viene dada por la ecuación:

H0 = Presión en el origen del ramal

H = Presión media en el lateral, que debe coincidir con la presión nominal del aspersor

hr = Pérdida de carga en el ramal

Ha = Altura del tubo portaaspersor

= Desnivel geométrico entre los extremos del ramal. Se toma signo positivo (+) cuando el desnivel es ascendente, y negativo (-) cuando el desnivel es descendente.

Como ya hemos indicado anteriormente la pérdida de carga admisible en la terciaria será igual la variación de presión dentro de la unidad o subunidad de riego menos la pérdida de carga que se ha producido en el ramal portaaspersor:

hr admisible terciaria = dH - hr lateral

El caudal en el origen de la terciaria es igual al número de ramales (laterales) que derivan de la terciaria por el caudal de cada uno.

QT = n · QL

QT = Caudal en el origen de la terciaria

n = número de laterales

QL = Caudal del lateral

La longitud ficticia en la terciaria es igual a la longitud real más la longitud equivalente de los accesorios instalados. Por lo general se incrementa la longitud real entre un 5 a un 20 %:

El cálculo de las tuberías secundarias y principal se hace en cada caso con arreglo al diseño de la instalación. Las pérdidas de carga se pueden calcular por tramos sucesivos de caudal constante, o aplicando el coeficiente de Christiansen para tuberías con salidas uniformemente espaciadas por las que descarga un caudal constante. Para tuberías de PVC o de fibrocemento se utilizan los ábacos del tema 3.

Teniendo en cuenta las pérdidas de carga en todos los tramos y las presiones de trabajo de los aspersores, desde la tubería portaaspersores hasta el origen del cabezal del riego donde estará instalado el sistema de bombeo, se podrá determinar la potencia requerida por la bomba.