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• Moises Navas Aranea

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Universidad Laica “Vicente Rocafuerte” de Guayaquil Facultad: Ingeniería, Industria y Construcción

Carrera: Ingeniería Civil

Semestre: Noveno Sección: “A”

Asignatura: Hidráulica III.

Tutor: Ing. Calero Amores Marcial. Ms.C

Tema: Estructuras para Sistemas de Riego 

Investigación-estructuras hidráulicas-sistemas de riego



Investigar y realizar un informe técnico para un estudio de caso relacionado con los sistemas de riego.

Guayaquil – Ecuador

2017.

Facultad: Ingeniería, Industria y Construcción Carrera: Ingeniería Civil Noveno semestre: Sección “A” Asignatura: Hidráulica III. Tutor: Ing. Calero Amores Marcial. Ms.C

INVESTIGACIÓN SOBRE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS PARA SISTEMAS DE APROVECHAMIENTO HIDRICO ESTUDIANTE: Seleccionando un solo caso por los grupos de estudiantes que se han definido, desarrolle uno de los estudios de caso que se presentan a continuación. ESTUDIO DE CASO 1 ESTRUCTURAS PARA SISTEMAS DE RIEGO INVESTIGACIÓN-ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS-SISTEMAS DE RIEGO INVESTIGAR Y REALIZAR UN INFORME TÉCNICO PARA UN ESTUDIO DE CASO RELACIONADO CON LOS SISTEMAS DE RIEGO. LA INVESTIGACIÓN COMO MÍNIMO DEBE ABORDAR: 1. Definición e importancia 2. Componentes hidráulicos 3. Parámetros sobre la demanda y disponibilidad hídrica 4. Estudio de la obra de conducción de agua a superficie libre o a presión 5. Discusión de resultados

INVESTIGACIÓN SOBRE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS PARA SISTEMAS DE APROVECHAMIENTO HIDRICO

DEFINICIÓN

1. Un sistema de riego es un mecanismo con el que un agricultor puede esparcir agua por un campo de cultivos de una manera uniforme. Son tuberías dispuestas categóricamente con aspersores, distribuidas a través del área para garantizar que todas las plantas que están sembradas reciban la cantidad de agua adecuada.

2. Es el conjunto de estructuras, que permite determinar que área pueda ser cultivada aplicándole el agua necesaria a las plantas. Este consta de varios componentes. El conjunto de componentes dependerá de si se trata de riego superficial, por aspersión, o por goteo. Por ejemplo, un embalse no será necesario si existe otra fuente de agua cercana tales como río o arroyo de los cuales se capta el agua y estos tienen un caudal suficiente incluso en el período de sequía.

3. Se denomina Sistema de riego o perímetro de riego, al conjunto de estructuras, que hace posible que una determinada área pueda ser cultivada con la aplicación del agua necesaria a las plantas. El sistema de riego consta de una serie de componentes, aunque no necesariamente el sistema de riego debe constar de todas ellas, ya que el conjunto de componentes dependerá de si se trata de riego superficial (principalmente en su variante de riego por inundación), por aspersión, o por goteo. Por ejemplo, un embalse no será necesario si el río o arroyo del cual se capta el agua tiene un caudal suficiente, incluso en el período de aguas bajas o verano.

DISEÑO DE RIEGO Consiste en el diseño tanto agrícola como hidráulico de una plantación y que conlleva una serie de factores a evaluar para obtener el mayor rendimiento posible de la manera mas eficiente. Riego El riego consiste en la aplicación adecuada y eficiente de agua a un determinado cultivo con el fin de que su desarrollo sea el adecuado en cada etapa de este.

Diseño de Riego El diseño de un riego consiste básicamente en la forma en que se dispondrá dicho riego, y este va a estar en función de muchos factores los cuales deben ser considerados para la elaboración del mismo, por mencionar algunos de ellos están; el tipo de riego, el cultivo, la pendiente del terreno, la textura del terreno, entre otras. Cabe mencionar que el diseño de divide en dos partes, el diseño propiamente de riego, y el diseño hidráulico, este último para determinar los requerimientos en cuanto a caudales y potencia. En cuanto al diseño agrícola se toma en cuenta aspectos del cultivo como la evapotranspiración del mismo, la temperatura del área, el tipo de suelo, entre otros.

Importancia del Riego en la Agricultura

La importancia del Riego radica en que las plantas necesitan un régimen hídrico para llevar a cabo sus funciones, por lo que una deficiencia en cuanto a este factor se traduce en bajos rendimientos y por lo tanto perdidas de producción por la ineficiencia con la que la planta trabaja. Por otra parte el exceso de agua en las plantas también es perjudicial para ellas, ya que aparte de que asfixia a la planta, crea un ambiente adecuado para que enfermedades puedan desarrollarse y por ende dañar la plantas y la reducción de rendimiento.

Métodos de Riego 

Riego por Gravedad

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Riego por Aspersión

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Riego por Goteo



Riego por Microapersión

Riego por Inundación o Gravedad Este método como su nombre lo indica se basa en la inundación del área en cuestión y está en función de la altura, es decir de las pendientes del terreno, este método en el más barato ya que no requiere de mayor tecnología, aunque su uso implica si no se sabe utilizar de la manera más eficiente la perdida de suelo, es decir dar lugar a la erosión, por lo que se recomienda en terrenos de poca pendiente, que no sobrepasen el uno por ciento.

Riego por Aspersión Es uno de los más comunes y consiste en tuberías que en la punta tienen apersores que bombean agua hacia el terreno con una determinada presión, la cual se calcula en el sistema hidráulico. Este sistema es más eficiente que el anterior sin embargo los costos aumentan. se debe tomar en cuanta si es más factible su uso dependiendo el tipo de cultivo, y que se tenga traslape entre cada diámetro de mojado.

Riego por Goteo se lo conoce también como riego localizado ya como su nombre lo indica cada gotero corresponde a un planta, Este sistema de riego es muy eficiente, pero por otra parte los costos del mismo aumenta con respecto al anterior. La eficiencia de este radica en que no existen mayores perdidas por evaporación o por el viento, como ocurre en el sistema de riego por aspersión.

Riego por Microaspersión Este tipo de riego no es muy común en Guatemala, sin embargo ha venido tomando auge mas en plantaciones de mango, y consiste básicamente entre una combinación de riego por goteo y riego pos aspersión, ya que los microaspersores van colocados al pie de la planta. es un sistema de buena eficiencia aunque su costo es mayor a los mencionados anteriormente.

Factores a Considerar para elegir el Diseño de un Sistema de Riego 

Adaptación a los Cultivos

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Adaptación al terreno

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Consumo de Agua

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Calidad del Agua

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Eficiencia de Riego

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Control de Agua Aplicada

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Diferencia de altura (cota) para distribución del agua por gravedad



Riesgo Ambiental

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Dispersión de Plagas y Enfermedades

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Utilización de Mano de Obra



Conocimiento y Sencillez para la instalación y operación del sistema

Factores a Considerar en el Diseño de un Sistema de Riego 

Tipo de Cultivo



Kc del Cultivo



Textura del Suelo



Estructura del Suelo



Tipo de Riego

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Temperatura Media

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Velocidad del Viento



Disponibilidad de Agua



Calidad del Agua

Sistema de riego Se denomina sistema de riego o perímetro de riego, al conjunto de estructuras, que hace posible que una determinada área pueda ser cultivada con la aplicación del agua necesaria a las plantas. El sistema de riego consta de una serie de componentes, los principales se citan a continuación. Sin embargo debe notarse que no necesariamente el sistema de riego debe constar de todas ellas, el conjunto de componentes dependerá de si se trata de riego superficial, por aspersión, o por goteo. Por ejemplo, un embalse no será necesario si el río o arroyo del cual se capta el agua tiene un caudal suficiente incluso en el período de aguas bajas. Componentes hidráulicos de un sistema de riego

Aspersor Un aspersor o sorpersor, es un dispositivo mecánico que en la mayoría de los casos transforma un flujo líquido presurizado y lo transforma en rocío, asperjándolo para fines de riego. En este punto es necesario comprender que las ventajas de un aspersor, o sorpersor, es la de expulsar el agua por medio de una cortina hasta donde sus capacidades de presión de salida y tipo de boquilla se lo permitan, por eso, si es necesario describir qué es realmente un chorro de agua asperjado este sería el resultado: Un chorro de agua asperjado es un conjunto aleatorio de gotas de agua que son expulsadas, de un medio presurizado, a otro con presión atmosférica donde, este conjunto de agua pulverizada guarda direcciones similares y velocidades diferentes (esto a causa de los tipos de boquilla) donde, el único objetivo es conseguir una cortina de agua lanzada al espacio de la manera más uniforme posible. Bocatoma Una bocatoma, o captación, es una estructura hidráulica destinada a derivar desde unos cursos de agua, río, arroyo, o canal; o desde un lago; o incluso desde el mar, una parte del agua disponible en esta, para ser utilizada en un fin específico, como pueden ser abastecimiento de agua potable, riego, generación de energía eléctrica, acuicultura, enfriamiento de instalaciones industriales, etc.

Tradicionalmente las bocatomas se construían, y en muchos sitios se construyen aun, amontonando tierra y piedra en el cauce de un río, para desviar una parte del flujo hacia el canal de derivación. Normalmente estas rudimentarias construcciones debían ser reconstruidas año a año, pues las avenidas las destruían sistemáticamente. Canal de riego Los canales de riego tienen la función de conducir el agua desde la captación hasta el campo o huerta donde será aplicado a los cultivos. Son obras de ingeniería importantes, que deben ser cuidadosamente pensadas para no provocar daños al ambiente y para que se gaste la menor cantidad de agua posible. Están estrechamente vinculados a las características del terreno, generalmente siguen aproximadamente las curvas de nivel de este, descendiendo suavemente hacia cotas más bajas (dándole una pendiente descendente, para que el agua fluya más rápidamente y se gaste menos líquido). La construcción del conjunto de los canales de riego es una de las partes más significativas en el costo de la inversión inicial del sistema de riego, por lo tanto su adecuado mantenimiento es una necesidad imperiosa. Las dimensiones de los canales de riego son muy variadas, y van desde grandes canales para transportar varias decenas de m3/s, los llamados canales principales, hasta pequeños canales con capacidad para unos pocos l/s, son los llamados canales de campo. Dispositivos móviles de riego por aspersión Los sistemas de riego por aspersión pueden ser: 

Totalmente móviles;



Estar constituidos por una parte fija, enterrada, y una parte móvil;



Totalmente fijo.

Las partes móviles de riego por aspersión actualmente más utilizados son: Sistema totalmente móvil Es el sistema más sencillo. Es apropiado para pequeñas superficies, próximas a canales, acequias, ríos, o en general a una fuente de agua. Consta de:



Una bomba eventualmente montada en un carrito, o acoplada a la toma de fuerza de un tractor;

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Tubería porta hidrantes, esta tubería una vez instalada permanece en su sitio durante todo el tiempo que dura el riego del campo



Tubería porta aspersores, esta tubería se va conectando a los diversos

Alas móviles Las alas móviles, o tuberías porta aspersores se conectan a los hidrantes fijos, alimentados por tuberías subterráneas. Este sistema de riego, muy utilizado hasta los años 1970 - 80 requiere de una importante cantidad de mano de obra para cambiar de posición las alas móviles a cada 6 - 8 horas. Las alas móviles tienen una limitación en su extensión, dada por la diferencia aceptable (en general del 10 al 15%) en la intensidad de la precipitación entre el primer y el último aspersor. Aspersores tipo cañón Este sistema requiere de poco personal, ya que, el cambio de posición del cañón, de un campo a otro, es fácilmente hecho con la ayuda de un tractor pequeño. Por otra parte, su movimiento, dentro del campo, es autopropulsado por una pequeña turbina hidráulica accionada por la misma agua, antes de llegar al orificio de salida. Pivote central Los sistemas de pivote central riegan superficies de grandes dimensiones de forma circular. Se emplean en sitios donde el agua es un factor fuertemente limitante. También en campos donde se desea aumentar la eficiencia del riego, aprovechando mejor el agua y aumentando fuertemente los rendimientos de los cultivos. La eficiencia en el riego por pivote es de un 85% a 90%. Es un sistema que se adapta a las ondulaciones del terreno (este no necesita ser plano). Dependiendo del fabricante y del diseño del equipo se pueden utilizar en terrenos con hasta un 30% de pendiente. La distribución del agua a lo largo de la estructura la realiza el fabricante seleccionando el tamaño y la separación de los aspersores. Los aspersores ubicados cerca del centro del

pivote necesitan entregar menor cantidad de agua que aquellos ubicados hacia el final. Con las nuevas tecnologías en aspersores para pivotes, los fabricantes han logrado bajar aún más la presión de operación de los aspersores (hasta 6-10psi =0,42-0,7bar); y con ello, la presión de operación de los pivotes (y el consumo de energía). Los pivotes de accionamiento eléctrico detienen cientos de veces cada día sus motores. La velocidad de los motores eléctricos es fija y cada una de las torres del pivote describe una circunferencia distinta. Para que el pivote, se desplace como un todo, deben detenerse las torres que van más avanzadas y esperar a que sean alcanzadas por las otras torres, y luego se ponen nuevamente en funcionamiento. Los pivotes de accionamiento hidráulico regulan automáticamente la velocidad para cada una de sus torres, por lo cual, todas se encuentran en movimiento en forma simultánea, y a la velocidad requerida! Como todas las torres se mueven constantemente, la uniformidad en el riego es mayor. No existen diferencias en el consumo de energía entre un pivote de accionamiento eléctrico y uno hidráulico. La suma del tamaño de los motores eléctricos del pivote de accionamiento eléctrico equivale al tamaño del motor que impulsa la bomba hidráulica del pivote de accionamiento hidráulico. Donde existe un pivote eléctrico se puede reemplazar este por un pivote hidráulico sin la necesidad de cambiar los cableados que alimentan de energía al pivote. Los pivotes de accionamiento eléctrico son más complejos. Poseen cajas de control en cada una de las torres que operan los motores eléctricos. La mantención es realizada por un eléctrico con conocimientos en el área. Los pivotes de accionamiento hidráulico tienen una bomba hidráulica central y motores hidráulicos en cada una de sus torres (similar a como opera la maquinaria pesada para el movimiento de tierra). Son simples de operar y mantener. Los cultivos que generalmente se riegan con los sistemas de pivote central son maíz, soja, trigo, algodón, maní, papa, girasol, alfalfa, sorgo, remolacha azucarera, hortalizas, pasturas naturales, etc. También existen instalaciones de pivotes centrales donde se han reemplazado los aspersores por líneas de goteros, lo que permite regar por goteo algunos cultivos, pero a un menor costo de instalación.

La corrosión causa en los pivotes eléctricos y sus complejos sistemas de accionamiento, mal funcionamiento después de un tiempo. Esto se acentúa cuando se hace fertirrigacion (por ejemplo con urea y ácido fosfórico). Los pivotes pueden ser operados por simples tableros o hasta por complejos sistemas computarizados con comunicación vía telefónica o radio. En este caso, el pivote puede por ejemplo ponerse en funcionamiento dependiendo de la humedad del suelo o de las condiciones meteorológicas.

Los principales factores que afectan la selección del método de riego son: 

Características del cultivo

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La pendiente del terreno

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El relieve del terreno

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La velocidad de infiltración del agua en el suelo (textura)

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La calidad del agua

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La velocidad del viento

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El gasto disponible

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El costeo del agua para riego

Existen zonas en las que la producción de cultivos depende de las aguas de lluvia, en otras zonas el desarrollo de los cultivos depende de la aplicación artificial del agua al suelo, a esta acción se le conoce mejor como riego. Existen tres métodos de riego 1. Superficiales 2. Presurizados 3. Subsuperficiales Los métodos de riego se diferencian por la forma de aplicar el agua en el suelo.

Métodos superficiales o de gravedad tradicionales El agua se desplaza sobre la superficie del área a regar, cubriéndola total o parcialmente, conducida solamente por la diferencia de cota entre un punto y otro por la acción de la fuerza de la gravedad (de ahí el nombre de métodos gravitacionales).

No requieren inversiones en equipos de bombeo, tuberías, válvulas, etc., pero en cambio si que precisan de un alto grado de sistematización previa de los cuadros a regar, esto es, nivelaciones y sistematización para poder conducir el agua adecuadamente. Según la topografía y el tipo de sistematización que se haya realizado en la finca se pueden dividir en dos grupos principales: Con pendiente o Sin Pendiente. Dependiendo de la forma de conducción del agua se pueden dividir en dos tipos: Surcos y Melgas. Cuando se riega sin pendiente, es decir, cuando la superficie a regar es “llana”, el método consiste en “llenar” el surco o la melga con el volumen deseado de agua y luego cerrar este “recipiente” y pasar a regar otros. El surco o la melga permanecen con agua hasta que el volumen se infiltra. Las PÉRDIDAS se producen por percolación excesiva en cabecera. Cuando se riega con pendiente, el riego consiste en hacer escurrir el agua durante un tiempo suficientemente para que se infiltre el volumen que deseamos aplicar. Las PÉRDIDAS además de producirse por infiltración diferencial en cada punto se producen por escurrimiento al pie de la parcela. Métodos superficiales o de gravedad tecnificados Son métodos que buscan evitar alguna de las pérdidas que se producen en los métodos gravitacionales tradicionales con el objeto de mejorar el control y la homogeneidad en que el agua es aplicada. Conducción por tuberías. Reducen las pérdidas por conducción fuera de los límites de los cuadros de cultivo. Dosificadores a los surcos. Son métodos que logran que el caudal que recibe cada surco sea el mismo, esto se logra mediante el uso de “sifones” para tomar de canales a cielo abierto o de orificios uniformes y regulables si los surcos son abastecidos desde mangas o tuberías. Riego discontinuo o con dos caudales. Especialmente diseñado para riego con pendiente. Buscan mejorar la uniformidad de infiltración a lo largo de los surcos y reducir a un mínimo las pérdidas por escurrimiento al pie. Mediante la interrupción del caudal o el uso de caudales

variables ya que con caudal grande logran un mojado más rápido de la totalidad del surco y luego aportan un caudal mínimo que se infiltra casi en su totalidad. Métodos presurizados Requieren de una terminada presión para operar. El agua se obtiene por una diferencia de cota entre la fuente de agua y el sector a regar, o mediante un equipo de bombeo. El agua se conduce al suelo mediante tuberías a presión. Existen diferentes tipos en función de los emisores que se utilicen. Ventajas: 

Se adaptan mejor a las aplicaciones frecuentes de escaso volumen a las que las plantas reaccionan mejor.



Son más eficientes en el uso del agua.



Manejo más económico al no requerir mucha mano de obra y al no humedecer todo el suelo.



No precisan sistematización del terreno.

DISEÑO HIDRAULICO. GEOMETRIA DEL CANAL. Un canal hidráulico puede tener varias formas, tales como circulares,

trapezoidales,

rectangulares,etc. En este caso el canal se cataloga como un canal artificial y nos interesa la geometría rectangular, pues de ella se derivan una serie de formulas que nos brindan información teórica muy importante para el desarrollo de diseño. (ver anexos).

DISEÑO DE BORDE LIBRE. El borde libre es la distancia vertical desde la parte superior del canal hasta la superficie del agua en la condición de diseño. Esta distancia debe de ser lo suficiente para prevenir que ondas o fluctuaciones en la superficie del agua causen rebose por encima de los lados. No existe una regla que universalmente sea aceptada para el cálculo del borde libre, debido a que la acción de las ondas o fluctuaciones en la superficie del agua se puedan recrear por muchas causas incontrolables. En el diseño es común el uso de bordes libres que varían desde menos del 5% o más del 30% de la profundidad de flujo. El borde libre en un canal no revestido o lateral por lo general está gobernado por consideraciones de tamaño, caudal, fluctuaciones del nivel (si hay olas), la corriente del viento, el tipo de suelo, resaltos, etc. De acuerdo con el criterio recomendado por Ven Te Chow66, el cual dice que el borde libre varia de un 30 % arriba de la altura total del canal, ver siguiente figura.

Figura. 62. Representación del borde libre.Donde:

HT : Altura total del canal. BL : borde libre. Y : profundidad hidráulica.

DETERMINACION DE CARACTERISTICAS DE FLUJO Y FISICAS DEL CANAL. En lo siguiente se determinan todas las variables hidráulicas como lo son la geometría del canal en donde se establecerán sus dimensiones de área, profundidad, radio hidráulico, caudal de operación, velocidad de flujo, etc., además como parte muy importante en el diseño de canales hidráulicos es la determinación de los diferentes tipos de flujo del canal. El fin principal de los cálculos son los resultados obtenidos de la curva de la pendiente critica, el cual nos da el límite entre flujo subcrítico y flujo supercrítico, y el caudal de operación del canal.