DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SIMULADOR DE LLUVIA...

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SIMULADOR DE LLUVIA PARA ESTUDIOS HIDROLÓGICOS

ESTUDIANTES

DANIEL JULIAN LUENGAS MACHADO STEVEN FELIPE DE LA ROSA PARRA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES

TECNOLOGÍA EN SANEAMIENTO AMBIENTAL BOGOTÁ

2015

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SIMULADOR DE LLUVIA PARA ESTUDIOS HIDROLÓGICOS

TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE TECNÓLOGO EN SANEAMIENTO AMBIENTAL

ESTUDIANTES

DANIEL JULIAN LUENGAS MACHADO CÓDIGO 20121085039

STEVEN FELIPE DE LA ROSA PARRA CÓDIGO 20121085103

DIRECTOR JORGE ALBERTO VALERO FANDIÑO, I.C, Msc.

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES TECNOLOGÍA EN SANEAMIENTO AMBIENTAL

BOGOTÁ 2015

NOTA DE ACEPTACION

____________________________________ NOTA DE CALIFICACIÓN DEL PROYECTO

____________________________ DIRECTOR

____________________________ REVISOR

Estamos agradecidos en primera instancia con nuestras familias, quienes nos han brindado su

apoyo y esfuerzo en toda ocasión.

También agradecemos a nuestros docentes por su excelente guía en los caminos del saber, en especial

al profesor Jorge Alberto Valero Fandiño quien nos brindó su apoyo

y voto de confianza para el logro de esta meta.

No podemos dejar de agradecer a

cada una de las personas que coincidieron en este camino y lo volvieron más ameno cuando se

mostraba difícil.

Gracias totales.

CONTENIDO

1 RESUMEN ............................................................................................................................... 1

2 ABSTRACT ............................................................................................................................... 1

3 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 2

4 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN ................................................................. 3

5 OBJETIVOS .............................................................................................................................. 4

5.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................................................................... 4

5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................................. 4

6 MARCOS DE REFERENCIA ......................................................................................................... 5

6.1 MARCO CONCEPTUAL ........................................................................................................... 5

6.1.1 PRECIPITACIÓN ................................................................................................................................ 5

6.1.2 TAMAÑO DE LAS GOTAS DE LLUVIA ...................................................................................................... 6

6.1.3 INTENSIDAD DE LA LLUVIA .................................................................................................................. 6

6.1.4 VELOCIDAD TERMINAL DE LAS GOTAS DE LLUVIA .................................................................................... 7

6.1.5 SIMULADORES DE LLUVIA .................................................................................................................. 7

6.1.6 TIPOS DE SIMULADORES DE LLUVIA...................................................................................................... 9

6.2 MARCO DE ANTECEDENTES ....................................................................................................... 10

6.2.1 SIMULADORES DE LLUVIA A NIVEL MUNDIAL ....................................................................................... 10

6.2.2 SIMULADORES DE LLUVIA A NIVEL NACIONAL ...................................................................................... 11

6.2.3 SIMULADORES DE LLUVIA A NIVEL LOCAL ............................................................................................ 11

7 METODOLOGÍA ..................................................................................................................... 12

7.1 REVISIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LA INFORMACIÓN RECOLECTADA .......................................................... 12

7.2 CONSULTA A EXPERTOS ............................................................................................................ 12

7.3 DEFINICIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO ................................................................................. 12

7.4 DISEÑO DEL SIMULADOR DE LLUVIA ............................................................................................. 13

7.5 CONSTRUCCIÓN DEL SIMULADOR ................................................................................................ 13

7.6 PUESTA EN MARCHA DEL SIMULADOR .......................................................................................... 13

7.7 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ................................................................................................. 13

7.8 ELABORACIÓN DEL INFORME FINAL ............................................................................................. 13

8 DISEÑO Y PUESTA EN MARCHA DE UN SIMULADOR PORTÁTIL ................................................ 14

8.1 PARÁMETROS CONSIDERADOS EN LA ETAPA DE DISEÑO DEL SIMULADOR DE LLUVIA ................................. 14

8.1.1 CARACTERÍSTICAS DESEABLES DE LA LLUVIA A SIMULAR ......................................................................... 14

8.1.2 CARACTERÍSTICAS DESEABLES DEL EQUIPO .......................................................................................... 14

8.2 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL SIMULADOR FINALMENTE CONSTRUIDO .............................................. 15

8.2.1 FUENTE DE ENERGÍA ....................................................................................................................... 15

8.2.2 SISTEMA DE BOMBEO ..................................................................................................................... 15

8.2.3 RED DE DISTRIBUCIÓN ..................................................................................................................... 16

8.2.4 VÁLVULAS .................................................................................................................................... 16

8.2.5 ASPERSORES ................................................................................................................................. 16

8.2.6 FUENTE DE ABASTECIMIENTO DE AGUA .............................................................................................. 17

8.2.7 SISTEMA DE RETROALIMENTACIÓN .................................................................................................... 17

8.2.8 ESTRUCTURA DE SOPORTE DEL SIMULADOR ........................................................................................ 18

8.3 ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS DEL SIMULADOR ........................................................................... 18

8.4 OPERACIÓN DEL SIMULADOR DE LLUVIA ....................................................................................... 19

8.5 MANTENIMIENTO DEL SIMULADOR DE LLUVIA ................................................................................ 20

8.6 PRUEBAS REALIZADAS AL SIMULADOR Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ...................................................... 20

8.6.1 PRUEBA DE FUGAS ......................................................................................................................... 20

8.6.2 DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE GOTA ............................................................................................ 20

8.6.3 VARIACIÓN ESPACIAL DE LA INTENSIDAD DE LA TORMENTA .................................................................... 22

8.6.4 VELOCIDAD TERMINAL DE LA GOTA: .................................................................................................. 26

9 CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 27

10 RECOMENDACIONES ........................................................................................................... 28

11 BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................... 29

INDICE DE TABLAS Tabla 1. Clasificación de la lluvia en función del diámetro de las gotas (Roth, 2003) ............................................. 6 Tabla 2. Velocidad Terminal de la gota (Jose M. Cuadrat, 1997). ........................................................................... 7 Tabla 3. Algunos simuladores de lluvia construidos en el mundo (Artemi Cerda, 1999), (BENITO E, 2001) (Ortuya, 2004) (C.M. ROSTAGNO, 1995).............................................................................................................................. 10 Tabla 4. Análisis de precios unitarios del simulador. ............................................................................................. 18 Tabla 5. Relación entre la presión de salida y el diámetro promedio de las gotas generadas. Fuente: Autores. . 21

INDICE DE FIGURAS Figura 1. Bomba Periférica Predollo ½HP. Fuente: http://articulo.mercadolibre.com.ve/MLV-448091637-bomba-de-agua-electrica-periferica-12-hp-pedrollo-pkm-60-_JM .................................................................................... 16 Figura 2. Placa de la bomba. Fuente: Autores ....................................................................................................... 16 Figura 3. Aspersores utilizados. a) Vista lateral y b) vista inferior. Fuente: Autores ............................................. 17 Figura 4. Sistema de retroalimentación. Fuente: Autores. .................................................................................... 17 Figura 5. Montaje del simulador de lluvia. Fuente: Autores. ................................................................................. 18 Figura 6. Bandeja con harina expuesta a la lluvia artificial. Fuente: Autores. ...................................................... 21 Figura 7. Bolitas de harina resultantes. Fuente: Autores. ..................................................................................... 21 Figura 8. Determinación de la masa de las bolitas de harina. Fuente: Autores. ................................................... 21 Figura 9. Vista en planta del montaje simulador – malla de muestreo. Fuente: Autores. .................................... 22 Figura 10. Montaje del simulador de lluvia y la malla de pluviómetros. Fuente: Autores..................................... 22 Figura 11. Determinación del volumen de agua registrada en cada pluviómetro durante 3 minutos. Fuente: Autores. ................................................................................................................................................................. 23 Figura 12. Variación espacial de la intensidad para diferentes presiones registradas en el manómetro de salida. a) 2.5psi; b) 4.0psi; c) 6.0psi; d) 8.0psi; e) 10.0psi y f) 12.0psi. .............................................................................. 25

P á g i n a | 1

1 Resumen

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SIMULADOR DE LLUVIA PARA ESTUDIOS HIDROLÓGICOS DE LA ROSA P. STEVEN F., LUENGAS M. DANIEL J. El presente documento describe el diseño y construcción de un simulador de lluvia portable, capaz de replicar características de la lluvia natural tales como tamaño de la gota e intensidad de la tormenta. Para cumplir con los objetivos propuestos fue necesario realizar una revisión bibliográfica con el fin de conocer trabajos similares a nivel mundial, nacional y local. Realizada la consulta bibliográfica se logró establecer que existen dos grupos de simuladores de lluvia: los simuladores por aspersión y los simuladores de lluvia por goteo o gravedad (BENITO, de BLAS, SANTIAGO, L., & VARELA, 2001). En la etapa de diseño se decidió construir un simulador por aspersión y portátil. El instrumento finalmente construido cuenta con un sistema de alimentación, sistema de bombeo, red de distribución, boquillas pulverizadoras y sistema de recirculación. Para garantizar con certeza la réplica de las características físicas de la lluvia se llevaron a cabo pruebas para determinar el tamaño de la gota, intensidad y distribución espacial de la tormenta generada por el simulador. El simulador finalmente construido fue donado por los autores de este documento a la Facultad del Medio Ambiente y Recursos Naturales de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Palabras clave: Simulador de lluvia, intensidad de la tormenta, tamaño de las gotas de lluvia. 2 Abstract

DESIGN AND CONSTRUCTION OF A RAINFALL SIMULATOR FOR HYDROLOGICAL STUDIES DE LA ROSA P. STEVEN F., LUENGAS M. DANIEL J. In the present document describes the design and construction of a portable rainfall simulator, able to replicate the characteristics of natural rainfall like drop size and storm intensity. To meet the objectives it was necessary revise bibliography for the purpose of meet similars documents to worldwide, nationwide and locally. Made the bibliography consultation it was established that exist two groups of rainfall simulators: Simulators by sprinkling and simulators by drip or gravity (BENITO, de BLAS, SANTIAGO, L., & VARELA, 2001). In the design stage it was decided to construct a simulator by sprinkling and portable. the instrument built has a power system, pumping system, distribution network, spray nozzles and recirculation system. To ensure the replication with certainty physical characteristics of rain were did tests to determine drop size, intensity and spacial distribution of storm generated by the simulator. The simulator finally built was donated for the authors of this document to the Faculty of Environment and Natural Resources of the Distrital University Francisco José of Caldas. Key Words: Rainfall simulator, storm intensity, raindrop size

P á g i n a | 2

3 INTRODUCCIÓN

El presente trabajo se refiere al diseño y construcción de un simulador de lluvia para estudios de algunas áreas del ciclo hidrológico, como lo son la infiltración y la escorrentía de los suelos. Un simulador de lluvia es un instrumento para la investigación por medio de la imitación de la precipitación natural (Meyer, 1988). Los simuladores de lluvia se dividen en dos grupos: el primero son los simuladores de goteo, y el segundo son los simuladores de boquillas pulverizadoras (BENITO, de BLAS, SANTIAGO, L., & VARELA, 2001). Los simuladores de lluvia representan gran ayuda para los estudios del ciclo hidrológico ya que la espera para que haya una lluvia natural puede tardar demasiado tiempo y es ahí donde este instrumento juega un papel importante replicando la precipitación natural permitiéndole al investigador llevar a cabo su trabajo sin depender de la lluvia. La clave del éxito de un simulador de lluvia consiste en conocer las características físicas de la lluvia a semejar, como lo son el tamaño de la gota, la intensidad de la tormenta y la velocidad con la que se precipitan las gotas de lluvia, conociendo estos factores la elaboración y la comprensión del presente diseño se hará mucho más fácil (Artemi Cerda, 1999). En este proyecto se le presentan al lector de manera fácil y práctica, las características de la lluvia y los pasos a seguir para la elaboración de un simulador de lluvia para lograr imitar con la mayor exactitud posible la lluvia natural.

P á g i n a | 3

4 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN

En el programa de pregrado de "tecnología en saneamiento ambiental" en la materia

de hidrología se presentaron temáticas sobre infiltración de agua y escorrentía en

los suelos, con estos temas se pueden determinar algunas características del suelo

y así poder clasificarlo o comprender sus particularidades, pero surge la necesidad

de presentar estas temáticas de una forma más didáctica, en la cual los estudiantes

de pregrado de tecnología en saneamiento ambiental tengan la oportunidad de

observar en prácticas de campo como son realmente estos procesos de escorrentía

y de infiltración dependiendo del tipo y uso del suelo.

A causa de que en la universidad no se cuenta con los equipos ni espacios

necesarios para determinadas áreas académicas como es el caso de la asignatura

de Hidrología, surgió la necesidad de diseñar y crear un simulador de lluvia, con el

fin de brindar una explicación más completa de los procesos de infiltración y

escorrentía que se presentan en los suelos dependiendo de su tipo y uso.

Por tal razón se buscó responder la pregunta ¿Cuáles son las consideraciones a

tener en cuenta para diseñar y construir un instrumento que permita replicar las

características de la lluvia natural?

P á g i n a | 4

5 OBJETIVOS

5.1 Objetivo general

Diseñar y construir un simulador de lluvia para estudios hidrológicos.

5.2 Objetivos específicos

Revisar la bibliografía relacionada con los simuladores de lluvia.

Generar una propuesta de diseño de simulador de lluvia atendiendo criterios de

tamaño de gota, intensidad de la tormenta, economía y portabilidad.

Construir, hacer funcionar y probar el desempeño del simulador de lluvia

previamente diseñado.

P á g i n a | 5

6 MARCOS DE REFERENCIA

6.1 MARCO CONCEPTUAL

6.1.1 Precipitación

Fenómeno meteorológico que forma parte del ciclo hidrológico por el cual caen las

partículas de agua, en estado sólido o liquido al suelo con una velocidad apreciable

(Vide, 1991), como resultado de la condensación de las partículas de agua que se

evaporan de la superficie de la tierra.

Origen de la precipitación

Para que la precipitación se genere son necesarios cuatros procesos fundamentales

del ciclo hidrológico: 1.) Ascenso del aire y su enfriamiento; 2.) condensación del

vapor de agua y la formación de nubes; 3.) alta concentración de humedad; y 4.)

aumento de diámetro de las gotas de agua que conforman la nube. Los dos

primeros procesos se dan en la atmosfera sin excesiva demora, no obstante una vez

formadas las nubes, estas no siempre ocasionan precipitaciones, por lo tanto se

resalta la importancia de los dos últimos requerimientos. De tal modo que la

humedad contenida en las masas nubosas no es suficiente para producir lluvia

continua, es por ello que el mecanismo de la precipitación va acompañado con un

proceso de regeneración de las nubes con nuevos aportes de vapor agua de las

superficies por donde pasa la lluvia evitando así que las nubes se descarguen por

completo y desaparezcan. El último proceso requerido es quizá el más crítico e

importante, lo cual radica en que las gotas de lluvia tienen tamaños milimétricos

mientras que las gotitas de nube son de tamaño micrométrico y se mantiene flotando

en el aire en tanto no crezcan y pesen lo suficiente para vencer la resistencia del

aire y precipitarse (Jose M. Cuadrat, 1997).

Formación de las gotas de lluvia

Teniendo en cuenta que la formación de la precipitación es un proceso lento de

aproximadamente de 60 minutos, el crecimiento de las gotitas por condensación no

es suficiente para explicar la rápida velocidad de formación de gotas de lluvia y su

cambio de tamaño. El proceso es demasiado lento por lo cual no es suficiente para

explicar el mecanismo de la precipitación, por lo que existen dos teorías que

explican el cambio de tamaño que sufren las gotas en el interior de las nubes (Jose

M. Cuadrat, 1997).

Teoría de Bergeron- Findeisen (nubes Frías)

Este proceso solo se da lugar en nubes de carácter mixto donde coexistan cristales

de hielo y gotas de agua en subfusión (es decir agua líquida con temperatura

negativa). Esas gotículas se evaporan y se subliman sobre los cristales de hielo

haciendo que estos crezcan. Este fenómeno se da ya que la presión de saturación

P á g i n a | 6

del vapor sobre el hielo es menor que sobre el agua subfundida (Vide, 1991). Una

vez formados los cristales de hielo, estos continúan creciendo por sublimación de

vapor, o por unión con otros cristales de hielo hasta alcanzar el peso suficiente y

precipitar como nieve o agua. Este proceso es más activo en nubes con

temperaturas de -30 °C a 0°C (Jose M. Cuadrat, 1997).

Teoría de la coalescencia

Este proceso se da a cabo por la colisión y coalescencia de gotas de diferentes

tamaños, que al caer con diferentes velocidades las gotas de mayor diámetro

pueden chocar con las gotas de menor diámetro y fusionarse con ellas aumentando

así su tamaño y por coalescencia forman gotas de lluvia que al obtener el tamaño

adecuado se precipitan (Jose M. Cuadrat, 1997).

Clases de precipitación:

La precipitación se manifiesta de forma líquida como lluvia, llovizna y chubasco de

agua o aguacero y de forma sólida como nieve, chubascos de nieve y granizo

(Jimeno, 2011). A continuación se describen las formas de lluvia líquida.

6.1.2 Tamaño de las gotas de lluvia

El diámetro de las gotas de lluvia varía según la intensidad de la lluvia, dando así

gotas de pequeño diámetro como las gotas de la niebla hasta gotas de gran tamaño

como las de un aguacero de un diámetro máximo de 6-7 milímetros. Este es el límite

superior de la estructura física de la gota y al sobrepasar estas dimensiones la gota

se dividirá en gotas más pequeñas debido a la turbulencia del aire. El diámetro de

las gotas de lluvia por general oscila de 1.0 a 3 milímetros (N.W.Hudson, 1997). En

la Tabla 1 se aprecia la clasificación de la lluvia en función del diámetro de las gotas.

Tabla 1. Clasificación de la lluvia en función del diámetro de las gotas (Roth, 2003)

Tipo de lluvia Diámetro (mm)

Llovizna 0.06 - 0.6

Lluvia 1.0 - 3.0

Aguacero o Chubasco 4.0 - 6.0

6.1.3 Intensidad de la lluvia

La intensidad de la tormenta es la cantidad de agua que cae en un tiempo

determinado y se mide en milímetros por hora (Hudson, 1987). El caudal de la lluvia

o intensidad de las precipitaciones puede cambiar rápidamente en condiciones

naturales, lo cual no suele ser práctico ni necesario al construir un simulador de

P á g i n a | 7

lluvia. Por lo cual para un simulador se escoge un único valor de intensidad a

replicar (N.W.Hudson, 1997).

6.1.4 Velocidad terminal de las gotas de lluvia

Las gotas de lluvia al momento de precipitarse alcanzan una velocidad límite o

máxima que es cuando la resistencia del aire se iguala a la fuerza gravitacional y

luego continuará cayendo con una velocidad constante (Hudson, 1987). La

velocidad límite aumenta con el tamaño de la gota alcanzando el valor de 9 metros

por segundo para las gotas de mayor diámetro 5 – 6 milímetros (Hudson, 1987). Las

velocidades terminales de la lluvia se pueden apreciar en la Tabla 2.

Tabla 2. Velocidad Terminal de la gota (Jose M. Cuadrat, 1997).

Precipitación Diámetro (mm)

Velocidad Terminal (cm/sg)

Tiempo empleado en caer 100 metros

Llovizna 0,10 0,40

27 170

1 hora 10 minutos

lluvia 1,00 2,00 4,00

390 690 930

4 minutos 2,3 minutos 1,8 minutos

6.1.5 Simuladores de lluvia

Un simulador de lluvia es un instrumento ideal para el análisis de la infiltración,

escorrentía, erosión del suelo, y otras áreas de investigación relacionadas para

emular el proceso y las características de la lluvia natural (Hafzullah Aksoy, 2012),

sin tener que esperar que la lluvia natural suceda. Los simuladores de lluvia se han

utilizado como herramientas de investigación de los estudios hidrogeomorfológicos

entre los cuales se incluyen la escorrentía, la infiltración y las características de

erosión, así como estudios de nutrientes, sedimentos, y el transporte de

contaminantes dentro de las cuencas hidrográficas (Aksoy, 2005).

Adicionalmente, los simuladores de lluvia permiten controlar la intensidad y la

duración de la precipitación.

Importancia de un simulador de lluvia

La necesidad de estudiar determinadas áreas del ciclo hidrológico, como la relación

lluvia-escorrentía, infiltración, salpicadura, flujo superficial, etc. (Artemi Cerda, 1999),

bajo condiciones de laboratorio, y determinadas parcelas en campo ha atribuido

gran importancia al uso de los simuladores de lluvia, por la practicidad que presenta

al poder semejar casi por completo las características de una lluvia natural,

permitiendo ver y analizar de una manera cuantitativa la distribución del agua que

P á g i n a | 8

llega a los suelos y así poder identificar las principales causas del deterioro de los

suelos a causa de la lluvia y su relación con ciclo hidrológico (Roberto Monge

Jeremías, 2008).

Características de un simulador de lluvia

Las características de la lluvia natural que se deben obtener en los simuladores de

lluvia son las siguientes (Bubenzer, 1979, págs. 22-35; Meyer, 1988):

La distribución del tamaño de gota debe ser parecido al de la lluvia natural. La

lluvia natural tiene un amplio rango de tamaños de gota desde cerca a cero

hasta siete milímetros (7 mm) de diámetro. La media del diámetro de la gota

esta entre 1 y 3 mm y tiene tendencia a incrementar con la intensidad de la

lluvia.

La velocidad del impacto debe ser similar al de las gotas de lluvia natural. La

gota de lluvia natural cae a distintas velocidades, desde valores cercanos a

cero como la gota de niebla hasta valores de 9 m/seg para las gotas más

grandes. Las gotas de lluvia de 2 mm de diámetro caen a velocidades entre 6

m/seg y 7 m/seg.

El tamaño de área de investigación debe ser bastante representativo de las

condiciones que serán evaluadas.

Las características de la gota e intensidad deben mantenerse uniformes a lo

largo del área de estudio.

El simulador deberá contar con la capacidad para replicar repetidas veces las

mismas precipitaciones.

El equipo debe ser portable para facilitar su traslado a otra área de

investigación.

Energía cinética similar a la de la lluvia natural.

Lluvia uniforme y distribución aleatoria de las gotas.

Usos de los simuladores de lluvia

Los simuladores de lluvia son una herramienta de gran ayuda puesto que son

capaces de semejar en cualquier momento la lluvia natural, dado que esperar a que

está ocurra bajo sus condiciones naturales puede ser muy demorada debido a su

demora según las condiciones climatológicas. Esta facilidad de replicar la lluvia hace

que el simulador presente varios usos pedagógicos según el área de estudio a

desarrollar, como por ejemplo: Los simuladores de lluvia son un instrumento que en

su mayoría ha sido usados para los estudios e investigaciones de conservación de

P á g i n a | 9

suelos y la agrología, siendo idóneos para los estudio de diferentes componentes

del ciclo hidrológico, la relación (lluvia-escorrentía, infiltración, salpicadura, flujo

superficial, etc.) (Artemi Cerda, 1999).

6.1.6 Tipos de simuladores de lluvia

Los simuladores de lluvia se pueden dividir en dos grupos según la forma en que

forman las gotas de lluvia: en el primer grupo se encuentran los simuladores de

lluvia por goteo, y en el segundo grupo los simuladores por aspersión (BENITO, de

BLAS, SANTIAGO, L., & VARELA, 2001).

Simuladores por goteo

Estos simuladores se caracterizan por reducida complejidad técnica, ya que consiste

en formar gotas de manera individual y dejarla precipitar por gravedad a

determinadas alturas. Los simuladores por goteo solo pueden representar una

intensidad de tormenta a lo largo de una medición, a no ser que sus orificios de

precipitación o agujas se modifiquen para que cambie el diámetro de la gota (Ploey,

1983). Estos simuladores presentan una desventaja en cuanto la caída de la gota

debido a que esta siempre se precipitara en el mismo lugar perdiendo así la

aleatoriedad una característica de la lluvia natural, por este motivo se diseñaron

simuladores de movimiento continuo (KLEIJN, 1979).

En los simuladores por goteo se forman las gotas de agua cuando caen bajo el

efecto de la gravedad. Estos simuladores se vuelven poco prácticos para uso en el

campo ya que se requiere una gran altura (10 metros) para que las gotas lleguen a

la velocidad terminal adecuada. A menos que el dispositivo se suba muy alto, las

gotas impactan el suelo a una velocidad mucho menor que la velocidad terminal y

con una energía cinética más baja (Esteves, 2000). Estas dificultades han generado

la necesidad de construir simuladores transportables y de fácil manipulación

(McQueen, 1963). Los simuladores portátiles permitieron saciar el interés de

conocer la respuesta de los suelos in situ (Artemi Cerda, 1999).

Simuladores por aspersión

Se componen de un sistema de boquillas pulverizadoras que producen gotas de

agua a presión, estas boquillas al expulsar el agua generan velocidades de gotas y

valores de energía cinética apropiados en las alturas de caída más bajas que las de

la lluvia natural, de tal modo que se asemejan casi por completo las características

de la lluvia como lo es energía cinética con la que se precipitan las gotas de lluvia

(Artemi Cerda, 1999). Aunque sus intensidades y velocidades suelen ser

exageradas ya que el agua se libera bajo presión. Un disco giratorio, una pluma

giratoria o una barra se pueden usar como métodos para iniciar o detener la

pulverización a fin de reducir la intensidad de lluvia exagerada (Bubenzer, 1979).

Los simuladores de lluvia por aspersión a diferencia de los simuladores por goteo no

necesitan de grandes alturas para su funcionamiento, ya que estos funcionan a

P á g i n a | 10

presión por ayuda de bombas, lo cual representa mayores gastos para su

construcción pero brinda resultados de mayor fiabilidad y su operación es menos

engorrosa en comparación con los simuladores por goteo (IGNACIO SANCHEZ C.,

1999).

6.2 Marco de antecedentes

6.2.1 Simuladores de lluvia a nivel mundial

Los simuladores de lluvia nacen en los años 30 y 40, y su origen se halla en las

dificultades metodológicas y conceptuales de las mediciones tomadas con los

infiltrometros de cilindro y con los cálculos de infiltración a partir de balances

hidrológicos. Desde sus comienzos, la simulación de lluvia se ha visto como una

herramienta de trabajo la cual busca representar una parte importante del ciclo

hidrológico de una manera experimental (Artemi Cerda, 1999).

El espectacular avance e innovación de esta técnica se dio durante la segunda

mitad del siglo XX, a consecuencia de la significativa investigación agronómica en

USA durante los años entre guerras. En los años 30 se inició en USA la construcción

de simuladores, prosiguió en los años 40 y se apremió en los años 50 (NEFF, 1979),

acrecentándose consecutivamente el número de simuladores y apareciendo nuevos

diseños a partir de los 60 (NICHOLS, 1932). A la actualidad los primeros

simuladores parecían instrumentos rústicos debido a la falta de conocimiento sobre

las características físicas de la lluvia. Los simuladores construidos antes de la

segunda guerra mundial consistían en aplicar una cantidad determinada de agua

sobre una superficie, sin tener en cuenta la relación del agua con el suelo (Artemi

Cerda, 1999).

Los estudios sobre las características de la lluvia generaron una evolución en los

diseños de los simuladores de lluvia a partir de los años 60, creando diseños que

semejaban con mayor exactitud el tamaño de la gota y la energía cinética de la

lluvia. Los primeros simuladores hechos en Estados Unidos fueron replicados y

rediseñados en otros países a partir de los años 60 (Artemi Cerda, 1999). En las

siguientes décadas años 70 y 80 esta técnica presento una gran expansión

geográfica en el resto del mundo, que es cuando llega a España (SANROQUE,

1984). En Latinoamérica a finales del 70 e inicios de los años 80 inicia el auge del

uso de esta técnica. Se cuenta con registros del usos de simuladores de lluvia en

Venezuela por parte de Ramón Augusto Puello Reyes en 1979 (Reyes, 1979).

La Tabla 3 presenta algunos de los simuladores consultados.

Tabla 3. Algunos simuladores de lluvia construidos en el mundo (Artemi Cerda, 1999),

(BENITO E, 2001) (Ortuya, 2004) (C.M. ROSTAGNO, 1995)

Autor Año País

Neal 1938 USA

Beutner 1940 USA

Vilenskii 1953 Rusia

P á g i n a | 11

Autor Año País

Rose 1960 Uganda

Costin 1970 Australia

Farres 1980 Reino Unido

Pelegrin 1989 España

Rostagno 1995 Argentina

Rodríguez 1997 Venezuela

Oostwoud 1998 Alemania

Benito 2001 España

Ortuya 2004 Chile

6.2.2 Simuladores de lluvia a nivel Nacional

En Colombia se construyeron simuladores con el fin de acelerar los estudios en

diferentes áreas de investigación. En el Eje Cafetero la industria agrícola buscaba

optimizar los tiempos de estudio de una manera fácil y practica en las

investigaciones de la relación de la lluvia con el suelo (infiltración, escorrentía,

salpicadura, erodabilidad, etc.), ya que llevar a cabo estos estudios en condiciones

de lluvia natural implicaba demasiado tiempo y elevados costos, por este motivo a

partir de 1996 la Federación Nacional de Cafeteros incorpora a sus estudios de

conservación de suelos el uso de simuladores de lluvia (HINCAPIE G., 2002) (KARL

M, 1999).

El uso de simuladores de lluvia se ha acrecentado por la facilidad que presenta al

replicar la lluvia natural, lo cual lo ha convertido en una herramienta de gran ayuda

en áreas de estudio del ciclo hidrológico. En el área Andina del departamento del

Cauca el uso de simuladores de lluvia portátiles permitió el estudio y evaluación de

la susceptibilidad de suelos a la erosión hídrica en la parte media de la cuenca río

Las Piedras (Fernando Andrés Muñoz Gómez, 2014).

A nivel nacional fuera de las áreas ya nombradas en el uso de simuladores de lluvia

para estudios del ciclo hidrológico, se encuentran documentados la implementación

de un simulador de lluvia en el Valle de Cauca en el estudio de erosión de suelos la

asociación de la infiltración y la escorrentía en laderas del departamento (TORRES,

2000). Adicionalmente, en el municipio de Tunja en el 2009 se analizaron las

capacidades de infiltración y escorrentía de las coberturas del suelo bajo diferentes

intensidades de lluvia mediante el usó un simulador para determinar que cobertura,

conserva más las propiedades del suelo de la región (Rodríguez, 2009).

6.2.3 Simuladores de lluvia a nivel local

A nivel de la ciudad de Bogotá no se encontraron simuladores de lluvia.

P á g i n a | 12

7 Metodología

En este capítulo se presentan las etapas llevadas a cabo durante la ejecución del

trabajo de grado.

7.1 Revisión y clasificación de la información recolectada

Se consultaron diferentes fuentes: páginas web, artículos en español e inglés, libros

y proyectos de grado, todo lo relacionado y que pudiera brindar información

suficiente sobre los simuladores de lluvia, su composición y sus características.

La información recolectada se clasificó en las siguientes categorías:

- Que es un simulador de lluvia - Características y principios de un simulador de lluvia

- Usos de los simuladores de lluvia - Tipos de simuladores de lluvia

7.2 Consulta a expertos

Se consultaron expertos en el tema de rociadores para lucha contra incendio

(sprinklers) y boquillas de aspersión, con el fin de determinar el mejor dispositivo de

aspersión para el simulador de lluvia, considerando las dimensiones de espacio y de

equipos necesarios para el mejor funcionamiento de este.

Fueron consultados los expertos:

- Ingeniero Antonio Yesid Lopez Ortiz (Gerente técnico de S2R Ingenieros). - Ingeniero Rodrigo Chiguazuque (Gerente técnico de AKV)

- Alejandro Correa (Gerente de Acodinsa S.A.)

7.3 Definición de los parámetros de diseño

Una vez recopilada la suficiente información respecto a simuladores de lluvia se

establecen los siguientes parámetros como los más relevantes para el diseño:

- Tamaño de la gota

- Intensidad de la tormenta

- Velocidad terminal de la gota

- Inclinación de la lluvia - Portabilidad

- Economía - Operación del instrumento

- Mantenimiento

P á g i n a | 13

7.4 Diseño del simulador de lluvia

Una vez culminados los puntos anteriores se procedió a formular diferentes

propuestas de diseño para así poder plantear un instrumento que cumpliese con los

requerimientos identificados, en particular tamaño de las gotas e intensidad de la

tormenta.

7.5 Construcción del simulador

En esta etapa se procedió a realizar el montaje de las diferentes partes del

simulador, tales como son:

- Fuente de energía

- Fuente de abastecimiento

- Sistema de bombeo

- Red de distribución - Estructura de soporte del simulador

- Válvulas - Aspersor

- Sistema de recirculación.

7.6 Puesta en marcha del simulador

La puesta en marcha inicia con el cebado de la bomba hidráulica. Se le proporciona

energía a esta para que inicie el movimiento del agua pasando por la red de

distribución hasta los dos aspersores y de esta manera generar la precipitación.

7.7 Pruebas de funcionamiento

En esta etapa se realizaron las siguientes pruebas:

- Prueba de fugas.

- Prueba de tamaño de gota - Prueba de variación espacial de la intensidad de la tormenta.

7.8 Elaboración del informe final

Una vez culminadas las etapas de búsqueda de información, diseño, construcción y

pruebas del simulador, se continuó con la elaboración del actual documento.

P á g i n a | 14

8 Diseño y puesta en marcha de un simulador portátil

En este capítulo se describen inicialmente las caracterizas deseables de la lluvia y

del equipo. A continuación se presentan las especificaciones técnicas del simulador

finalmente construido junto con el respectivo análisis de precios unitarios.

Posteriormente se relatan las pruebas realizadas y se analizan los resultados

obtenidos referentes al tamaño de la gota y distribución espacial de la precipitación.

Finalmente se presenta la operación y mantenimiento del simulador.

8.1 Parámetros considerados en la etapa de diseño del simulador de lluvia

A continuación se definen los parámetros tenidos en cuenta durante la etapa de

diseño del simulador de lluvia.

8.1.1 Características deseables de la lluvia a simular

Tamaño de la gota (ver numeral 6.1.2)

Se buscará obtener una gota de lluvia con un diámetro de 1.0-3.0 mm (ver Tabla 1).

Intensidad de la tormenta (ver numeral 6.1.3)

Se desea replicar una intensidad moderada, que se pueda prolongar por un periodo

aproximado de una hora manteniendo el diámetro de la gota.

Velocidad terminal de la gota (ver numeral 6.1.4)

Con la construcción del simulador de lluvia se desea replicar las velocidades

terminales mostradas en la Tabla 2.

Inclinación de la lluvia

Se decidió que la ubicación de los dos rociadores fuese de 90° respecto a la

horizontal apuntando hacia abajo, es decir se buscó que la lluvia fuese

completamente vertical sin inclinación alguna.

8.1.2 Características deseables del equipo

Portabilidad

Se escogió un diseño desmontable y desarmable de los sistemas de abastecimiento,

conducción, suministro de agua y estructura de soporte y recirculación, para facilitar

la portabilidad del equipo y así poder llevar a cabo estudios tanto en laboratorio

como en campo.

P á g i n a | 15

Economía

Se buscó que el simulador de lluvia fuera de bajo costo optando en todo momento

por la adquisición de materiales de económicos pero de buena calidad.

8.2 Especificaciones técnicas del simulador finalmente construido

Se decidió construir un simulador de lluvia desmontable por aspersión con boquillas pulverizadoras de cono lleno (WL Whirl Nozzle 1 ½), esto quiere decir que los rociadores mojan toda el área de la circunferencia que forma la campana de aspersión. De manera general el simulador cuenta con: tubería PVC para toda la red de suministro de agua, soporte del sistema realizado mediante un trípode en aluminio, bomba periférica de ½ Hp (Pedrollo PKm60), boquillas de aspersión localizadas a 2,45m de la base y sistema de recirculación. A continuación se describe manera detallada cada uno de los componentes del sistema.

8.2.1 Fuente de energía

La bomba periférica trabaja con un suministro de energía de 110 voltios por lo cual

una red eléctrica domiciliaria puede suplir de energía a la bomba.

8.2.2 Sistema de bombeo

Para el sistema de bombeo se empleó una bomba periférica de 0.5 HP de la marca

Pedrollo y de referencia PKm60 número de serie 872870(Ver Anexos:

Anexo 1. Ficha técnica bomba periférica Pedrollo PKm60 0.5 HP) A la bomba solo

se le instalo el cable y la clavija para que esta pueda ser conectada. Su función

consiste en impulsar el líquido proveniente de la fuente de abastecimiento de agua

hasta los aspersores.

P á g i n a | 16

Figura 1. Bomba Periférica Predollo ½HP.

Fuente:

http://articulo.mercadolibre.com.ve/MLV-

448091637-bomba-de-agua-electrica-

periferica-12-hp-pedrollo-pkm-60-_JM

Figura 2. Placa de la bomba. Fuente: Autores

8.2.3 Red de distribución

La función de la red de distribución consiste en llevar el líquido desde la fuente de

abastecimiento de agua hasta la bomba hidráulica y de esta hasta los aspersores.

La red de distribución está compuesta por:

- 2 tubos de 1” con medidas de 0.5 y 0.25 metros respectivamente - 8 tubos de ½“ con medidas de 2.2, 1, 0.5, 0.1 y 4 de 0.5 metros

- 5 adaptadores macho de 1” - 11 adaptadores macho de ½”

- 1 adaptador hembra de 1”

- 1 empaque de caucho

- 2 manómetros

- 4 bujes de ½” a ¼” - 1 buje de 1” a ½

8.2.4 Válvulas

El sistema distribución cuenta con dos válvulas: La función de la válvula de registro

de bola es la de permitir el acceso o no del líquido proveniente de la fuente de

abastecimiento de agua hacia la bomba hidráulica. Por otra parte la válvula de

registro de compuerta se utiliza para regular la presión y caudal con la que es

impulsado el líquido a través de la bomba.

8.2.5 Aspersores

Se utilizaron dos boquillas con entrada de 1/4” con un ángulo de apertura de 90º y

con aspersión en forma de cono lleno. La referencia de estas boquillas es WL 1 ½

(Ver Anexo 2. Ficha técnica aspersores BETE WL 1 ½). Su función es la de formar

la precipitación.

P á g i n a | 17

a)

b)

Figura 3. Aspersores utilizados. a) Vista lateral y b) vista inferior. Fuente: Autores

8.2.6 Fuente de abastecimiento de agua

Consta de un balde de plástico de capacidad de 16 litros, con dos aperturas

laterales que funcionan como rebose para garantizar un nivel del agua constante a

la entrada de la bomba.

8.2.7 Sistema de retroalimentación

Este sistema consta de un balde plástico con un orificio en el cual se adaptó tubería

de agua lluvia de tres metros de longitud y 2 pulgadas de diámetro, con la cual se

toma el agua utilizada por las boquillas y se devuelve al sistema de abastecimiento

de agua para su constante utilización.

Figura 4. Sistema de retroalimentación. Fuente: Autores.

P á g i n a | 18

8.2.8 Estructura de soporte del simulador

La estructura está compuesta por un trípode para cabina adaptado con un tubo de

aluminio de dos metros al cual se le realizaron perforaciones para facilitar su

instalación al trípode. Su función es la de dar estabilidad al sistema de distribución y

a los rociadores.

Figura 5. Montaje del simulador de lluvia. Fuente: Autores.

8.3 Análisis de precios unitarios del simulador

A continuación se presenta la tabla de análisis de precios unitarios. Como se puede

apreciar el costo total del simulador es cercano a los quinientos veinte mil pesos,

dinero aportado por los autores de este documento.

Tabla 4. Análisis de precios unitarios del simulador.

Descripción Unidad Cantidad Valor Unitario Valor total

Tubo 1” M 2 4.500 $ 9.000

Adaptador hembra 1”

Und 1 1.282 $ 1.282

Adaptador macho 1”

Und 5 1.282 $ 6.410

Empaque Und 1 1.000 $ 1.000

Válvula de registro de bola 1”

Und 1 7.100 $ 7.100

Buje de 1” a 1/2” Und 1 2.850 $ 2.850

P á g i n a | 19

Descripción Unidad Cantidad Valor Unitario Valor total

Tubo 1/2” M 6 2.166 $ 13.000

Válvula registro de compuerta ½”

Und 1 14.900 $ 14.900

Codo roscado ½” Und 5 1.050 $ 5.250

T Roscada ½” Und 3 1.600 $ 4.800

Adaptador macho ½”

Und 11 338 $ 3.718

Manómetro Und 2 9.700 $ 19.400

Buje de ½” a ¼” Und 4 3.599 $ 14.396

Niple ½” Und 1 1.800 $ 1.800

Soldadura PVC Und 1 6000 $ 6.000

Limpiador PVC Und 1 6000 $ 6.000

Cinta teflon Und 2 1.170 $ 2.340

Varilla zincada ¼ M 1 2.227 $ 2.227

Arandela plana ¼ Und 4 70 $ 280

Tuerca de ¼ Und 8 80 $ 640

Abrazadera pera ½”

Und 2 1.144 $ 2.288

Servicio fresadora Und 1 15.000 $ 15.000

Cuñete 5 GL Und 2 8.321 $ 16.642

Clavija en caucho Und 1 5.500 $ 5.500

Cable 3*12 M 1 5.200 $ 5.200

Trípode Und 1 50.000 $ 50.000

Tubo redondo de 1 ¼” pared delgada

M 4 5.684 $ 22.672

Aspersores WL 1 1/2

Und 2 43.048 $ 76.096

Bomba hidráulica Und 1 185.900 $ 185.900

Tubo ventilación Pavco 2”

M 3 5.300 15.900

VALOR TOTAL $ 517.623

8.4 Operación del simulador de lluvia

Para el correcto funcionamiento del simulador se deben seguir lo siguientes pasos:

1. Determinar área de estudio

2. Fijar la fuente de abastecimiento

3. Armar el sistema de abastecimiento y suministro

4. Armar el soporte (trípode) de red de distribución.

P á g i n a | 20

5. Unir el sistema suministro con la red de distribución

6. Llenar el sistema de abastecimiento

7. Cerrar la válvula localizada en el tramo de impulsión.

8. Cebar la bomba.

9. Encender la bomba.

10. Regular la presión de salida por medio de la válvula localizada en la

impulsión.

8.5 Mantenimiento del simulador de lluvia

El sistema en su totalidad consta de una red de tubería de PVC a presión, por ende

se debe velar por evitar la presencia de fugaz, en caso de alguna fuga a lo largo del

sistema de distribución o abastecimiento se procede a revisar si la fuga se encuentra

en una unión roscada o soldada, de ser el caso que la fuga se presente en una

unión roscada se procede a enrollar cinta teflón en la rosca y por ultimo enroscar de

nuevo. Por otro lado si la fuga es en una unión soldada a un accesorio se debe

reemplazar toda la pieza, con el fin de evitar pérdidas. En cuanto al mantenimiento

de la bomba para evitar el deterioro de la misma se recomienda que la bomba por

ningún motivo se moje, y que de su refacción se encargue personal calificado.

8.6 Pruebas realizadas al simulador y análisis de resultados

8.6.1 Prueba de fugas

Este es un proceso simple, puesto que en este caso solo se pone en funcionamiento

el simulador de lluvia y se procede detectar algún escape de agua dentro del

sistema de distribución, esto con el fin de que no hallan pérdidas.

8.6.2 Determinación del tamaño de gota

Para determinar el tamaño de la gota fue usado el método de bolitas de harina, el

cual consiste en posicionar algunas bandejas con harina de trigo dentro del rango de

cobertura de precipitación del simulador.

El proceso consiste en exponer bandejas cubiertas con harina a la acción de la lluvia

durante dos segundos para formar grumos. Cumplido el tiempo de exposición, se

cubren las bandejas y se repite el procedimiento para diferentes presiones de los

manómetros de salida (BENTLEY, 1904). Una vez que se secan los grumos, se

determina su masa y a partir de la siguiente ecuación se determina el diámetro de la

gota:

Donde D es el diámetro de la gota en milímetros y m es la masa de las bolitas de

harina en gramos (ASSELINE, 1978).

P á g i n a | 21

En la Figura 6, Figura 7 y Figura 8 se puede apreciar lo citado anteriormente.

Figura 6. Bandeja con harina

expuesta a la lluvia artificial.

Fuente: Autores.

Figura 7. Bolitas de

harina resultantes.

Fuente: Autores.

Figura 8.

Determinación de la

masa de las bolitas de

harina. Fuente:

Autores.

Los diámetros de las gotas calculados por el método de bolitas de harina varían

dependiendo de la presión registrada en el manómetro de salida, ya que las gotas,

conforme aumenta la presión, tienen tendencia a romperse en gotas más pequeñas

(Von Bernuth, 1984).

Para determinar el tamaño promedio de las gotas, se examinaron 50 gránulos de

harina para cada presión de salida. En la Tabla 5 se puede apreciar como a medida

que aumenta la presión de salida el diámetro promedio de la gota es menor.

Tabla 5. Relación entre la presión de salida y el diámetro promedio de las gotas generadas.

Fuente: Autores.

Presión en el manómetro

de salida (psi)

Diámetro de la gota

promedio (mm)

Tipo de lluvia. Roth (2003)

2.5 2.5 Lluvia

4 1.6 Lluvia

6 1.2 Lluvia

8 1 Lluvia

10 1 Lluvia

12 0,9 Lluvia

P á g i n a | 22

De acuerdo con la Tabla 5 los diámetros de las gotas generadas se encuentran en el

rango de las lluvias naturales (Roth, 2003).

8.6.3 Variación espacial de la Intensidad de la tormenta

Para determinar la variación espacial de la intensidad de la tormenta, se construyó

una malla con 49 pluviómetros, vasos iguales de perímetro 19cm, con una

separación de 42cm entre los centros de cada pluviómetro. En la Figura 9 se puede

apreciar la vista en planta del montaje “simulador – malla de muestreo”.

Figura 9. Vista en planta del montaje simulador – malla de muestreo. Fuente: Autores.

La malla finalmente construida se aprecia en la siguiente imagen:

Figura 10. Montaje del simulador de lluvia y la malla de pluviómetros. Fuente: Autores.

P á g i n a | 23

Para la determinación de la variación espacial de la lluvia se realizaron cinco

lecturas del volumen de lluvia registrada durante 3 minutos para cada uno de los 49

pluviómetros y para cada una de las siguientes presiones registradas en el

manómetro de salida: 2.5psi; 4.0psi; 6.0psi; 8.0psi; 10.0psi y 12.0psi. El número total

de lecturas fue 1470.

Figura 11. Determinación del volumen de agua registrada en cada pluviómetro durante 3

minutos. Fuente: Autores.

A continuación se presentan los mapas promedio de variación espacial de la intensidad en milímetros por hora para cada una de las presiones del manómetro de salida.

P á g i n a | 24

a)

b)

c)

P á g i n a | 25

d)

e)

f)

Figura 12. Variación espacial de la intensidad para diferentes presiones registradas en el

manómetro de salida. a) 2.5psi; b) 4.0psi; c) 6.0psi; d) 8.0psi; e) 10.0psi y f) 12.0psi.

P á g i n a | 26

8.6.4 Velocidad terminal de la gota:

Durante la ejecución de este trabajo de grado no fue posible realizar la

determinación de la velocidad de caída terminal de las gotas de lluvia, por la

dificultad de contar con equipos especializados como el disdrómetro que permite

conocer en tiempo real el tamaño de la gota, la velocidad terminal e incluso la

intensidad de la tormenta (Nelson Falcón, 2013).

P á g i n a | 27

9 Conclusiones

Se logró diseñar y construir un simulador de lluvia portátil, de fácil

ensamblaje, económico y de operación simple; el cual será donado por los

autores del presente trabajo de grado a la Universidad Distrital Francisco

José de Caldas, para que dicho instrumento se constituya como el primer

instrumento de un futuro laboratorio de hidrología.

Se dedujo que los simuladores de lluvia son una herramienta de gran ayuda

en los estudios de ciertos componentes del ciclo hidrológico ya que permiten

semejar las características de la lluvia natural en cualquier momento dejando

a un lado la dependencia de la lluvia con la naturaleza.

Se concluyó que un simulador por aspersión es la opción que presenta

mayores ventajas ya que puede replicar diferentes intensidades de tormenta,

y su portabilidad y operación no presentan gran dificultad para él operario.

Se aprendió que para construir un simulador de lluvia que pueda semejar

parcialmente la lluvia, primero se deben conocer las características de la

lluvia como lo son el tamaño de la gota, intensidad de la tormenta, velocidad

de caída de la gota entre otros, para así poder definir los parámetros de

diseño del simulador.

El uso de simuladores de lluvia es de suma importancia no solo para estudios

en campo, sino que tienen gran significancia en los estudios de laboratorio.

El simulador permite reproducir lluvias con tamaño de gota entre 0.9 mm y

2.5mm e intensidades de tormenta menores a 190 mm/hora.

P á g i n a | 28

10 Recomendaciones

Para efectos de funcionabilidad se recomienda el uso de boquillas de

aspersión de cono lleno, las cuales mojan toda el área de la circunferencia

formada por la salida de agua a través de la boquilla.

Es necesario cebar la bomba antes de usarla para evitar el fenómeno de

cavitación el cual afecta la vida útil de la bomba.

Se recomienda la implementación de una cortina corta vientos para que los

resultados en las pruebas no sean variables.

Se recomienda que un trabajo de grado futuro se dedique a la elaboración del

“manual de operación del simulador”.

Se recomienda ejecutar un trabajo de grado futuro orientado a la

determinación de la velocidad terminal de las gotas de lluvia.

El simulador de lluvia construido permitirá realizar estudios futuros

relacionados con:

o La efectividad de atrapa nieblas para lluvias horizontales;

o La determinación de la influencia de la cobertura vegetal en los

procesos de escurrimiento;

o Influencia de la lluvia y el suelo en procesos de infiltración;

o Influencia de la lluvia en la dispersión de contaminantes atmosféricos.

P á g i n a | 29

11 Bibliografía

Aksoy, H. K. (2005). A review of hillslope and watershed scale erosion and sediment transport models. Catena 65, 247–271.

Aparicio, F. J. (2004). Fundamentos de Hidrologia de Superficies. Mexico: EDITORIAL LIMUSA.S.A.

Artemi Cerda, B. (1999). Simuladores de lluvia y su aplicacion a la Geomorfologìa. Estado en Cuestion. España: Universidad de La Rioja.

ASSELINE, J. &. (1978). Construction et mise au point d'un infiltrometre a aspersion. Cahiers ORSTOM, Série Hydrology 15, 321-349.

BENITO E, B. E. (2001). Descripción y puesta a punto de un simulador de lluvia de campo para estudios de escorrentía superficial y erosión del suelo. España: Cadernos Lab. Xeolóxico de Laxe.

BENITO, E., de BLAS, E., SANTIAGO, L., J., & VARELA, M. E. (2001). Descripción y puesta a punto de un simulador de lluvia de campo para estudios de escorrentía superficial y erosión del suelo. Cadernos Lab. Xeolóxico de Laxe, 211-220.

BENTLEY, W. (1904). Studies of raindrops and raindrop phenomena. Monthly Weather Review 32, 450-456.

Bubenzer, G. (1979). Rainfall characteristics important for simulation. In: Proceeding of the Rainfall Simulator Workshop. Tucson, Arizona: Department of Agriculture Science and Education Administration Agricultural Reviews and Manuals. ARM-W-10.

C.M. ROSTAGNO, D. G. (1995). DISEÑO DE UN SIMULADOR DE LLUVIA PARA ESTUDIOS DE INFILTRACION Y EROSION DE SUELOS. Argentina: CENPAT-CONICET.

Cobo, L. Q. (1999). DISEÑO, CONSTRUCCION Y EVALUACION DE UN MINISIMULADOR DE LLUVIA PARA ESTUDIOS DE SUSCEPTIBILIDAD A EROSION EN LADERAS. Revista Suelos Ecuatoriales– Vol.29-1, 66-70.

Esteves, M. P. (2000). The EMIRE large rainfall simulator: design and field testing. Earth Surface Processes and Landforms 25, 681–690.

Fernando Andrés Muñoz Gómez, E. H. (2014). SUSCEPTIBILIDAD A LA EROSIÓN HIDRICA DE SUELOS EN LA ZONA ANDINA DEL DEPARTAMENTO DEL CAUCA COLOMBIA. Popayan: Universidad del Cauca.

Hafzullah Aksoy, N. E. (2012). A rainfall simulator for laboratory-scale assessment of rainfall-runoff-sediment transport processes over a two-dimensional flume. Catena 98, 63-72.

HINCAPIE G., E. (2002). Uso de simuladores de lluvias en estudios de la erosión del suelo. Chinchiná (Colombia: Cenicafé.

Hudson, N. (1987). Conservacion del suelo. Barcelona, España: Reverte. IGNACIO SANCHEZ C., J. S. (1999). Uso de lluvia artificial para parametrizar

modelos de procesos hidrologicos. Mexico: CENID-RASPA,. JIMENEZ, H. (1986). Hidrología Básica I. Cali: Universidad del Valle. Facultad de

Ingeniería.Departamento de Fluidos y Ciencias Térmicas. Jimeno, M. L. (2011). Principios de Metereologia y Climatologia. España: Paraninfo. Jose M. Cuadrat, M. F. (1997). Climatologia. España: Edisiones Catedra S.A. KARL M, M.-S. J. (1999). Conservación de suelos y aguas en la zona andina. Cali:

CIAT. KLEIJN, W. O. (1979). A rainfall simulator with nonrepititious movement of drop

outlets. Soil.Sci. Soc Amer.

P á g i n a | 30

McQueen, I. (1963). Development of a hand portable rainfall-simulator infiltrometer. Washington: U.S Geoogical Sruvey.

Meyer, L. D. (1988). Soil erosion research methods. Iowa, U. S. A.: R.Lal, Soil erosion research methods, Soil and water conservation.

MONTE SERRATO, F. Y. (1999). BALANCE HÍDRICO Y DISTRIBUCIÓN ESPACIAL DE LA TRASCOLACIÓN BAJO COBERTURA DE PINO: INFLUENCIA DE LA DIRECCIÓN DEL VIENTO Y LA PENDIENTE DE LA LADERA. España: Universidad de Murcia.

N.W.Hudson. (1997). Medición Sobre el Terreno de la Erosión del Suelo y la Escorrentía. ROMA: FAO.

NEFF, E. (1979). Simulator activities in Sidney, Montana. En Proceedings of the rainfall simulator workshop. Science and Education Administration.

Nelson Falcón, J. G.-G. (2013). Disdrómetro óptico de bajo costo para la determinación del tamaño y velocidad de las gotas de lluvia. revista de climatología, 17-25.

NICHOLS, M. Y. (1932). A method of studying soil erosion. Agricultural Engineering. Ortuya, E. G. (2004). SIMULADOR DE LLUVIA, CONSTRUCCION Y

ESPECIFICACIONES. Chile: CAZALAC. Ploey, J. D. (1983). Rainfall Simulation, Runoff and Soil Erosion. Catena Suplement

4. Reyes, R. A. (1979). Construccion y calibracion de un simulador de lluvia para

estudio de la produccion de sedimentos en taludes. Venezuela: Universidad de los Andes.

Roberto Monge Jeremías, J. F. (2008). MANUAL DE OPERACIÓN DEL SIMULADOR DE LLUVIA PARA LA CUANTIFICACIÓN DE LA INFILTRACIÓN, ESCORRENTÍA y EROSIÓN DE SUELOS. San Jose (Costa Rica): Universidad de Costa Rica.

Rodríguez, J. G.-H. (2009). Evaluación de la erosión de un Inceptisol de Tunja con diferentes coberturas al impacto de lluvias simuladas. Bogota: Universidad Nacional de Colombia.

RÖMKENS, M. (1979). A rainfall simulator for small laboratory samples. Arizona: U.S DEPARTMENT OF AGRICULTRE SCIENCE AND EDUCATION ADMINISTRATION.

Roth, G. A. (2003). Metereologia. España: Omega. SANROQUE, P. R. (1984). Simulador de lluvia para el estudio de la erosionabilidad

del suelo en el laboratorio. España: I Congreso Español de Geologia. Sara Ibañez Asensio, H. M. (s.f.). El uso de un Simulador de Lluvia. España:

Universidad Politecnica de Valencia. TORRES, E. A. (2000). EVALUACIÓN DE LA SUSCEPTIBILIDAD A LA EROSIÓN Y

DE LAS CARACTERÍSTICAS ASOCIADAS (INFILTRACIÓN Y ESCORRENTÍA) DE DOS SUELOS DE LADERA EN EL DEPARTAMENTO DEL CAUCA MEDIANTE UN MINISIMULADOR DE LLUVIA. Cali: Universidad del Valle del Cauca.

VEN TE CHOW, D. R. (1994). Hidrologia Aplicada. Bogota: McGRAW- HILL INTERAMERICANA, S.A.

Vide, J. M. (1991). Fundamentos de Climatologia Analitica. Barcelona: Sintesis. Vide, J. M. (1991). Fundamentos de Climatologia Analitica. España: Sintesis. Von Bernuth, R. y. (1984). Sprinkler droplet size distribution estimation from single

leg test data. ASAE.

P á g i n a | 31

Anexos:

Anexo 1. Ficha técnica bomba periférica Pedrollo PKm60 0.5 HP

P á g i n a | 32

P á g i n a | 33

P á g i n a | 34

P á g i n a | 35

Anexo 2. Ficha técnica aspersores BETE WL 1 ½

P á g i n a | 36

Apéndices

En las siguientes tablas relacionadas con el tamaño de la gotas están divididas por

las presiones utilizadas en el manómetro alto del simulador, donde a través de la

prueba de bolitas de harina se obtuvieron diferentes gránulos de los cuales se

tomaron 50 por cada presión y se pesaron cada uno de estas bolitas para

determinar el diámetro de la gota que lo formo y se utilizó la fórmula que se

encuentra en el numeral 8.6 Pruebas realizadas al simulador.

P á g i n a | 37

Apéndice 1. Tamaño de la gota a 2.5 PSI

Bolita mg c/u gr Diámetro(mm)

1 1,2 0,0012 1,3

2 1,6 0,0016 1,5

3 2,2 0,0022 1,6

4 2,4 0,0024 1,7

5 3,2 0,0032 1,9

6 3,4 0,0034 1,9

7 4,2 0,0042 2,1

8 4 0,004 2,0

9 5,2 0,0052 2,2

10 3,7 0,0037 2,0

11 6,2 0,0062 2,3

12 5,9 0,0059 2,3

13 7,2 0,0072 2,5

14 2,3 0,0023 1,7

15 8,2 0,0082 2,6

16 2,5 0,0025 1,7

17 9,2 0,0092 2,7

18 3,4 0,0034 1,9

19 10,2 0 0,0

20 3,2 0,0032 1,9

21 11,2 0,0112 2,9

22 2,9 0,0029 1,8

23 12,2 0,0122 2,9

24 7,7 0,0077 2,5

25 13,2 0,0132 3,0

26 4,3 0,0043 2,1

27 14,2 0,0142 3,1

28 4,6 0,0046 2,1

29 15,2 0,0152 3,2

30 2 0,002 1,6

31 16,2 0,0162 3,2

32 1,2 0,0012 1,3

33 17,2 0,0172 3,3

34 3,1 0,0031 1,8

35 18,2 0,0182 3,4

36 4,7 0,0047 2,1

37 19,2 0,0192 3,4

38 3,4 0,0034 1,9

39 20,2 0,0202 3,5

40 2,8 0,0028 1,8

41 21,2 0,0212 3,6

42 5,6 0,0056 2,3

43 22,2 0,0222 3,6

44 6,1 0,0061 2,3

45 23,2 0,0232 3,7

46 2,2 0,0022 1,6

47 24,2 0,0242 3,7

48 2,2 0,0022 1,6

49 25,2 0,0252 3,8

50 2,8 0,0028 1,8

Promedio de Diámetro (mm) 2,3

P á g i n a | 38

Apéndice 2. Tamaño de la gota 4 PSI


1 2,7 0,0027 1,8

2 3,9 0,0039 2,0

3 2,9 0,0029 1,8

4 1,6 0,0016 1,5

5 1,2 0,0012 1,3

6 2 0,002 1,6

7 2 0,002 1,6

8 1,2 0,0012 1,3

9 2,8 0,0028 1,8

10 1 0,001 1,3

11 1,3 0,0013 1,4

12 1,7 0,0017 1,5

13 1,3 0,0013 1,4

14 4 0,004 2,0

15 1,9 0,0019 1,6

16 1,4 0,0014 1,4

17 0,9 0,0009 1,2

18 1,1 0,0011 1,3

19 1,7 0,0017 1,5

20 2,1 0,0021 1,6

21 1,6 0,0016 1,5

22 1,2 0,0012 1,3

23 3,5 0,0035 1,9

24 5,3 0,0053 2,2

25 1 0,001 1,3

26 3,3 0,0033 1,9

27 2,9 0,0029 1,8

28 1,2 0,0012 1,3

29 1,7 0,0017 1,5

30 3,1 0,0031 1,8

31 2,5 0,0025 1,7

32 2,1 0,0021 1,6

33 2,2 0,0022 1,6

34 2,7 0,0027 1,8

35 1,5 0,0015 1,4

36 3,1 0,0031 1,8

37 1,9 0,0019 1,6

38 2,5 0,0025 1,7

39 3,9 0,0039 2,0

40 2,9 0,0029 1,8

41 4 0,004 2,0

42 1,5 0,0015 1,4

43 1,7 0,0017 1,5

44 1,9 0,0019 1,6

45 2,2 0,0022 1,6

46 1,9 0,0019 1,6

47 2 0,002 1,6

48 2,3 0,0023 1,7

49 1,7 0,0017 1,5

50 2,5 0,0025 1,7


P á g i n a | 39

Apéndice 3. Tamaño de la gota a 6 PSI


1 1 0,001 1,3

2 1,2 0,0012 1,3

3 0,9 0,0009 1,2

4 0,4 0,0004 0,9

5 0,4 0,0004 0,9

6 0,6 0,0006 1,1

7 0,7 0,0007 1,1

8 0,6 0,0006 1,1

9 1,2 0,0012 1,3

10 0,6 0,0006 1,1

11 1,7 0,0017 1,5

12 0,4 0,0004 0,9

13 0,8 0,0008 1,2

14 0,6 0,0006 1,1

15 0,9 0,0009 1,2

16 0,5 0,0005 1,0

17 0,6 0,0006 1,1

18 0,8 0,0008 1,2

19 0,9 0,0009 1,2

20 0,4 0,0004 0,9

21 0,3 0,0003 0,8

22 0,4 0,0004 0,9

23 1,7 0,0017 1,5

24 0,6 0,0006 1,1

25 1,2 0,0012 1,3

26 1,3 0,0013 1,4

27 0,6 0,0006 1,1

28 0,6 0,0006 1,1

29 1 0,001 1,3

30 1,7 0,0017 1,5

31 1,8 0,0018 1,5

32 1,3 0,0013 1,4

33 3,2 0,0032 1,9

34 0,8 0,0008 1,2

35 1,1 0,0011 1,3

36 1,3 0,0013 1,4

37 1,2 0,0012 1,3

38 1 0,001 1,3

39 0,4 0,0004 0,9

40 0,9 0,0009 1,2

41 0,8 0,0008 1,2

42 1,8 0,0018 1,5

43 1,1 0,0011 1,3

44 1,6 0,0016 1,5

45 1,3 0,0013 1,4

46 0,8 0,0008 1,2

47 1,2 0,0012 1,3

48 0,8 0,0008 1,2

49 2,3 0,0023 1,7

50 1,2 0,0012 1,3


P á g i n a | 40



1 1,1 0,0011 1,3

2 0,6 0,0006 1,1

3 0,5 0,0005 1,0

4 0,5 0,0005 1,0

5 0,4 0,0004 0,9

6 1 0,001 1,3

7 0,5 0,0005 1,0

8 0,3 0,0003 0,8

9 0,4 0,0004 0,9

10 1,2 0,0012 1,3

11 0,3 0,0003 0,8

12 0,5 0,0005 1,0

13 0,4 0,0004 0,9

14 0,8 0,0008 1,2

15 0,5 0,0005 1,0

16 0,4 0,0004 0,9

17 0,3 0,0003 0,8

18 0,6 0,0006 1,1

19 0,3 0,0003 0,8

20 0,4 0,0004 0,9

21 0,3 0,0003 0,8

22 0,5 0,0005 1,0

23 0,5 0,0005 1,0

24 1,5 0,0015 1,4

25 0,3 0,0003 0,8

26 0,3 0,0003 0,8

27 0,4 0,0004 0,9

28 0,5 0,0005 1,0

29 0,2 0,0002 0,7

30 0,5 0,0005 1,0

31 0,3 0,0003 0,8

32 0,3 0,0003 0,8

33 1,2 0,0012 1,3

34 0,4 0,0004 0,9

35 0,2 0,0002 0,7

36 0,4 0,0004 0,9

37 0,3 0,0003 0,8

38 0,4 0,0004 0,9

39 1,3 0,0013 1,4

40 0,2 0,0002 0,7

41 0,4 0,0004 0,9

42 0,4 0,0004 0,9

43 0,3 0,0003 0,8

44 1,2 0,0012 1,3

45 0,2 0,0002 0,7

46 0,4 0,0004 0,9

47 0,3 0,0003 0,8

48 0,3 0,0003 0,8

49 0,5 0,0005 1,0

50 0,6 0,0006 1,1


P á g i n a | 41



1 0,6 0,0006 1,1

2 0,4 0,0004 0,9

3 0,4 0,0004 0,9

4 0,7 0,0007 1,1

5 0,3 0,0003 0,8

6 0,6 0,0006 1,1

7 0,5 0,0005 1,0

8 0,2 0,0002 0,7

9 0,5 0,0005 1,0

10 0,6 0,0006 1,1

11 0,3 0,0003 0,8

12 0,4 0,0004 0,9

13 0,3 0,0003 0,8

14 0,4 0,0004 0,9

15 0,5 0,0005 1,0

16 0,7 0,0007 1,1

17 0,5 0,0005 1,0

18 0,5 0,0005 1,0

19 0,4 0,0004 0,9

20 0,6 0,0006 1,1

21 1 0,001 1,3

22 1 0,001 1,3

23 0,4 0,0004 0,9

24 0,3 0,0003 0,8

25 0,6 0,0006 1,1

26 0,4 0,0004 0,9

27 0,5 0,0005 1,0

28 0,4 0,0004 0,9

29 0,6 0,0006 1,1

30 0,5 0,0005 1,0

31 0,5 0,0005 1,0

32 0,4 0,0004 0,9

33 0,8 0,0008 1,2

34 0,5 0,0005 1,0

35 0,4 0,0004 0,9

36 0,8 0,0008 1,2

37 0,8 0,0008 1,2

38 0,8 0,0008 1,2

39 0,2 0,0002 0,7

40 0,4 0,0004 0,9

41 0,2 0,0002 0,7

42 0,5 0,0005 1,0

43 0,6 0,0006 1,1

44 0,6 0,0006 1,1

45 0,3 0,0003 0,8

46 0,2 0,0002 0,7

47 0,4 0,0004 0,9

48 0,5 0,0005 1,0

49 0,4 0,0004 0,9

50 0,2 0,0002 0,7


P á g i n a | 42

Apéndice 6. Tamaño de la gota 12 PSI


1 0,5 0,0005 1,0

2 0,4 0,0004 0,9

3 0,3 0,0003 0,8

4 0,2 0,0002 0,7

5 0,7 0,0007 1,1

6 0,4 0,0004 0,9

7 0,1 0,0001 0,6

8 0,1 0,0001 0,6

9 0,4 0,0004 0,9

10 0,3 0,0003 0,8

11 0,5 0,0005 1,0

12 0,4 0,0004 0,9

13 0,6 0,0006 1,1

14 0,2 0,0002 0,7

15 0,3 0,0003 0,8

16 0,9 0,0009 1,2

17 1,5 0,0015 1,4

18 0,4 0,0004 0,9

19 0,2 0,0002 0,7

20 0,3 0,0003 0,8

21 0,3 0,0003 0,8

22 0,4 0,0004 0,9

23 0,3 0,0003 0,8

24 0,4 0,0004 0,9

25 0,5 0,0005 1,0

26 0,6 0,0006 1,1

27 0,5 0,0005 1,0

28 0,2 0,0002 0,7

29 0,2 0,0002 0,7

30 0,5 0,0005 1,0

31 0,4 0,0004 0,9

32 0,1 0,0001 0,6

33 0,4 0,0004 0,9

34 0,1 0,0001 0,6

35 0,2 0,0002 0,7

36 0,6 0,0006 1,1

37 0,4 0,0004 0,9

38 0,4 0,0004 0,9

39 0,2 0,0002 0,7

40 0,2 0,0002 0,7

41 0,3 0,0003 0,8

42 0,4 0,0004 0,9

43 0,5 0,0005 1,0

44 0,4 0,0004 0,9

45 0,2 0,0002 0,7

46 0,2 0,0002 0,7

47 0,4 0,0004 0,9

48 0,4 0,0004 0,9

49 0,1 0,0001 0,6

50 0,3 0,0003 0,8


DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SIMULADOR DE LLUVIA...

Documents

Transcript of DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SIMULADOR DE LLUVIA...