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Artículo: COMEII-15061

I CONGRESO NACIONAL COMEII 2015

Reunión Anual de Riego y Drenaje

Jiutepec, Morelos, México, 23 y 24 de noviembre

TECNIFICACIÓN DEL MÓDULO 4 DEL DISTRITO DE RIEGO 034, ZACATECAS:

ANÁLISIS HIDRÁULICO

Erick Dante Mattos Villarroel1; Mauro Íñiguez Covarrubias1; Waldo Ojeda Bustamante1

1 Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, Jiutepec, Morelos, México, C.P. 62550.

Resumen

El incremento de la eficiencia en el uso del agua de riego, a través de la modernización y

tecnificación de la agricultura, es importante para logar una mejor eficiencia y distribución

del recurso; es decir aplicar al cultivo el agua que se requiere en cantidad y oportunidad a

fin de optimizar la producción. Un sistema de riego tecnificado permite aplicar el agua de

forma localizada, continua, eficiente y oportuna disminuyendo así las pérdidas físicas del

recurso. Es por ello que para llevar a cabo tecnificación del Módulo 4 del Distrito de riego

034, es necesario plantear la importancia de un diseño hidráulico presurizado a fin de

obtener una serie de diámetros óptimos que permita asegurar el transporte del recurso

hídrico hacia los cultivos, bajo las condiciones ideales de presión y velocidad sin

menospreciar la importancia del reto de la forma de operación del sistema. Para el análisis

hidráulico se utilizó el software Epanet 2.0 en la cual se resuelven redes cerradas y

abiertas, en el proyecto se propuso 46 sistemas independientes teniendo como fuente

original el canal principal del módulo, del que parten tuberías con diámetros que varían

de 6” a 24” de PVC y clase 5 en su totalidad; se observaron velocidades de entre los 0.30 a

3 m/s, para las disminuciones de presiones mayores de 50 mca, por lo accidentado de la

topografía, se propusieron válvulas reductoras de presión para tener un mejor control a la

salida de las tomas.

Palabras clave: Presiones permisibles, velocidades permisibles, pérdida de carga,

simulación hidráulica, sistema de riego.

I Congreso Nacional COMEII 2015, Jiutepec, Morelos, México, 23 y 24 de noviembre

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Introducción

El agua, a nivel mundial, es un elemento estratégico que rige el desarrollo económico de

diversas sociedades, en función de su calidad y la forma en que se tiene acceso a ella. Por

ello algunos gobiernos han buscado alternativas tecnológicas para hacer un uso más

eficiente y racional del agua en la agricultura, que es donde se destina más del 70 % del

consumo mundial. En México se tiene un total aproximado de 0,1 % del agua dulce a nivel

mundial, lo cual es determinante para que un porcentaje importante del territorio (56%)

que se ha catalogado como semiárido y se clasifique como un país con baja disponibilidad

de agua, característica de la zona norte del país, la cual ocupa aproximadamente el 50% de

la superficie (fgra, s/f). Mientras que en la frontera sur del país, la disponibilidad promedio

es mayor a 24000 m3/habitante/año, en la región del Río Bravo no llega a los 1500

m3/habitante/año y en Baja California es alrededor de los 1100 m3/habitante/año (Siagua,

s/f ).

La intensificación de la variabilidad climática también está presionando hacia políticas

agrícolas más ambiciosas. La investigación sobre el cambio climático en México (Magaña

et al., 1997; Jones & Thornton, 2003) y las adaptaciones requeridas para mitigar sus efectos

negativos sobre la producción de alimentos (Conde et al., 2006; González -Chavez &

Macias-Macias, 2007; Tinoco-Rueda et al., 2011), considera que la disponibilidad de agua

para la producción agrícola, es decir, para los cultivos, es un factor prioritario que impacta

la producción de alimentos en México. Otro problema de gran significación e influencia es

la escasez del agua asociada a las bajas eficiencias en su uso agrícola y urbano. Arreguín et

al. (2010) sostienen que la mayor posibilidad de recuperación se encuentra en el campo

agropecuario, donde se utiliza el 77 % del recurso y se opera con eficiencias de 37 % en los

distritos de riego y 57 % en las unidades de riego.

La agricultura, como principal actividad agrícola de alto consumo de recursos hídricos,

necesita de estrategias que propicien la eficiencia del uso del agua. Para casi todas las

regiones del mundo, aumentar la productividad del agua usada en la agricultura

constituye el mayor potencial para mejorar la seguridad alimenticia y reducir la pobreza al

costo ambiental más bajo (Rijsberman et ál., 2006).

Concepto teórico de canales, redes cerradas y abiertas presurizadas

El flujo en un canal se produce, principalmente, por la acción de la fuerza de gravedad y se

caracteriza porque expone una superficie libre a la presión atmosférica. Para el caso de

canales trapezoidales se hace uso de la ecuación de Manning,

(1)


3

Donde:

Q = caudal ( m3/seg).

n = coeficiente de rugosidad de Manning.

A = área hidráulica (m).

P = perímetro mojado (m)

S = pendiente, adimensional

Decimos que una red es abierta cuando los tubos que la componen se ramifican,

sucesivamente, sin intersectarse después para formar circuitos. Los extremos finales de las

ramificaciones pueden terminar en un recipiente o descargar libremente a la atmósfera.

Una red cerrada es aquella en la cual los conductos que al componen se cierran formando

un circuito. La solución del problema se basa en dos tipos de ecuaciones: la de nudo y la

de pérdida de energía.

Ecuación del nudo. Por razones de continuidad en cada nudo se debe satisfacer

que la sumatoria del gasto de que entra como el que sale debe ser igual a cero.

(2)

Ecuación de pérdidas. La pérdida por fricción en cada tramo está dada por la

fórmula de fricción. Para obtener las pérdidas de energía por fricción, en tuberías

de conducción para riego, se aplica usualmente la fórmula de Hazen-Williams.

(3)

Donde:

hf = pérdida de carga por fricción (m).

C =Coeficiente de Hazen-Williams, según el material.

Q = Gasto de diseño (m3/seg).

L = Longitud (m).

La pérdida de energía entre dos nudos de la red es la suma algebraica de las pérdidas en

cada tramo. El recorrido completo en cada circuito implica que las sumatorias de pérdidas

sean igual a cero.

(4)

Un sistema de riego tecnificado permite aplicar el agua de forma localizada, continua,

eficiente y oportuna disminuyendo las pérdidas físicas del recurso. Para llevar a cabo la


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tecnificación de cualquier Módulo o sistema de riego, es necesario plantear la importancia

de un diseño hidráulico presurizado a fin de obtener una serie de diámetros óptimos que

permita asegurar el transporte del recurso hídrico bajo las condiciones ideales de presión y

velocidad.

Materiales y métodos

Identificación de la zona de estudio

La fuente de abastecimiento es la presa Julián Adame de la cual parte un canal principal

con una longitud de 10.31 km, aproximadamente, a partir del cual el canal se bifurca en

otras dos: derecho e izquierdo, con una longitud aproximada de 13.46 Km y 14.66 Km

respectivamente; sobre el km 4+260.30 el canal principal atraviesa un cerro por medio de

un túnel con una extensión de 2.39 Km, en el kilómetro 3+338.76 del canal principal

derecho se deriva otro canal de 420 metros, continuando sobre el margen izquierdo se

tiene que en el kilómetro 3+005.56 de dicho canal existe un sifón de 0.6 Km. En la Figura 1

se observa la ubicación de la zona de riego.

Figura1. Zona de Riego.

Cabe mencionar que los canales cuentan con varios sifones de corta longitud en su

recorrido, debido a la accidentada topografía del lugar (Figura 2).


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Figura 2. Definición de canales y sifones principales.

La red de conducción está formada por los Canales Principales, los cuales tiene una

longitud total de 38.43 km, todos revestidos, y por canales laterales, sub-laterales, ramales

y sub-ramales y por las regaderas interparcelarias fijas construidas en tierra. En el Módulo

existen 96.84 km de canales laterales, de los cuales todos están revestidos.

La zona cuenta con una superficie regable de aproximadamente 2614 has, de las cuales se

tienen alrededor de 266.77 ha, ya tecnificadas, conectadas a los canales por medio de cajas

de distribución; y el resto adquiere el agua directamente de los canales por medio de

compuertas.

Una vez completa la red de tuberías existentes en la zona, se elabora un plano con la

finalidad de tener una vista más clara de las zonas que faltan por tecnificar, a partir de lo

cual se realiza una propuesta de seccionamiento en base a su ubicación.

Datos básicos del sistema

- Diseño de la red propuesta

En base a los datos topográficos de canales y parcelas, además del sentido de riego en cada

una, se lleva a cabo lo siguiete:

Ubicación de compuertas existentes en canales; de las que se propone la conexión

de las nuevas tuberías; salvo en casos muy específicos, en los que la ubicación de

parcelas y la topografía del lugar hace preferible generar una nueva toma,

quebrando cierta parte de canal.


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Localización de la parcela más cercana a cada compuerta.

Propuesta de la cantidad de hidrantes, de acuerdo a la superficie de cada parcela y

según el área de influencia del hidrante.

Ubicación de hidrantes con preferencia en los vértices de las parcelas, siendo éste

el de mayor elevación en cada caso particular. Para los casos en que se requieren

dos o más hidrantes, se proyectan en los linderos de las mismas, procurando

siempre los puntos topográficos más altos.

Trazo de la tubería, con la premisa de que fuese lo más directo y cercano posible de

la compuerta así como entre hidrantes, evitando, en la medida posible, el cruce de

parcelas como la evasión de cruces de ríos, arroyos y carreteras.

Datos agronómicos

Además de las condiciones topográficas de la región, se consideran los datos arrojados del

análisis agronómico, tales como:

Tiempo crítico de riego.

Intérvalo de riego por día.

Capacidad de extracción de la presa.

Gasto modular.

Área de riego por hidrante.

Cálculo de diámetros óptimos

Una vez definido el trazo, se procede a calcular los diámetros de la manera siguiente:

Se contabiliza el número de hidrantes por toma.

Considerar las velocidades permisibles según el tipo de material de tubería, que en

este caso se consideró de PVC, con el objetivo de evitar erosión en las tuberías y

sedimentación dentro de las mismas.

Calcular el Caudal Máximo requerido por toma.

Aplicar la ecuación de continuidad para calcular el diámetro máximo.

En líneas de conducción extensas, es indispensable el cálculo de pérdidas por fricción

ocasionadas por el movimiento del agua en la tubería por lo que se hizo el uso de la

ecuación Hezen-Williams para sistemas de riego.


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Conformación de la red

Como parte del diseño hidráulico, se construye el modelo de la red, a través del software

Epanet 2.0, que permite representar el comportamiento hidráulico de redes de suministro

a presión en períodos prolongados efectuando un seguimiento de la evolución de los

caudales en las tuberías, presiones en los nudos y niveles en los depósitos, entre otras

cosas; además permite la exportación e importación a Excel, facilitando en gran medida, el

diseño de redes y la calibración del modelo, así como la obtención e interpretación de

resultados.

Para simular en Epanet, no existe límite de tamaño de la red, contempla pérdidas menores

en cualquier tipo de accesorios y admite la inclusión de bombas, válvulas, tanques de

diversa geometría, etc. En relación al cálculo hidráulico, el método que utiliza Epanet para

resolver simultáneamente las ecuaciones de continuidad en los nudos y del

comportamiento hidráulico en las tuberías, para un instante dado, es un método híbrido

de nudos y mallas llamado “Método de Gradientes” desarrollado por Todini y Pilati en

1987 (Rossman, 2002).

Conformación geométrica de la red en Epanet:

Como inicio, se parte de la red conformada en AutoCad la cual es exportada a

Epanet por medio de la interfase EpaCad, que lo convierte a un archivo de texto

con extensión .inp y que puede abrirse directamente en Epanet, tanto de la tubería

existente, como de la propuesta.

Una vez obtenido el esquema, se procede a asignar los datos faltantes; en cuanto a

las líneas, se asentó el diámetro y un coeficiente de rugosidad de 150 en el caso de

tuberías de PVC.

Se asigna una demanda base en los nudos donde se ubican los hidrantes, que

corresponde al Gasto modular.

Para el tiempo de simulación (que será en horas), se debe tomar en cuenta el

tiempo crítico de riego.

Se generan las curvas de modulación considerando la cantidad máxima de

hidratantes que pueden funcionar simultáneamente según la capacidad máxima de

extracción de la presa.


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Resultados

En total se propusieron 10 secciones a tecnificar, su delimitación se estableció en función

de los canales principales, margen izquierdo y derecho, además de existir secciones

claramente definidas como el caso de El Zapote y El Chique (Figura 3).

SECCIÓN ÁREA

(HAS)

El Zapote 226.24

El Chique 339.79

Sección1 316.70

Sección 2 178.78

Sección 3 94.80

Sección 4 202.05

Sección 5 136.71

Sección 6 162.48

Sección 7 322.02

Sección 8 380.57

TOTAL 2360.14

Figura 3. Áreas y secciones propuestas.

Como datos arrojados del análisis agronómico, se tiene:

Tiempo crítico de riego: 7 días (168 horas).

Intérvalo de riego por día: 5 intervalos de 4 horas cada uno.

Gasto modular: 30 lps

Capacidad de extracción de la presa: 2068 lps (69 hidrantes).

Gasto modular: 30 lps

Área de riego por hidrante: 3 hectáreas.

Para la propuesta de tuberías, se procura que las mismas sean lo más directo posible hacia

la parcelas a regar, tratando que dichas tuberías evitaran cortar las parcelas. En la Figura 4

se muestra el trazo y la cantidad de hidratantes propuestos por sección.


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SECCIÓN HIDRANTES

El Zapote 79.00

El Chique 135.00

Sección1 142.00

Sección 2 80.00

Sección 3 39.00

Sección 4 86.00

Sección 5 66.00

Sección 6 67.00

Sección 7 127.00

Sección 8 160.00

TOTAL 981.00

Figura 4. Trazo y cantidad de hidrantes propuesto por sección.

En total se propuso 46 sistemas independientes conectados al canal principal.

Haciendo uso de la ecuación de Manning, para el gasto que se puede obtener de los

canales principales tanto derecho como izquierdo, se determinó caudales de 2.04 m3/seg y

2.17 m3/seg respectivamente, lo que significa que es posible regar con 69 hidrantes

simultáneamente.

Una vez que obtenida la red propuesta, se realiza su conformación geométrica en Epanet

para analizar su comportamiento, en lo que son presiones en nodos y velocidades en

tuberías (Figura 5), en la Figura 6 se muestra el modelo final de simulación de Epanet.

Figura 5. Generación de curva de modulación en Epanet.


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Figura 6. Modelo final y simulación de la red en Epanet.

Se observa que en la sección tecnificada existente, Tayahua, existe más hidrantes de lo

necesario con un total de 137 hidrantes para una superficie de 152.66 has., considerando

que cada hidrante tiene un área de influencia de 3 has. En esta sección se consideró un

coeficiente de Manning de 140, para el cálculo hidráulico. Las presiones en esta sección

oscilan entre 0.10 mca y 11.50 mca.

Los rangos de presión obtenidos en el resto del sistema son muy variados, esto es por la

cambiante topografía del lugar. Las presiones más bajas cercanos a 0.10 mca se presentan,

generalmente, en los puntos más cercanos a los canales (Cuadro 1). En la Figura 7 se

muestra la gráfica de contorno de presión a las 14:00 h de operación.

Cuadro 1. Presión máxima y mínima por sección.

SECCIÓN

PRESION

MÁX.

(mca)

PRESION

MIN. (mca)

El Zapote 56.76 0.04

El Chique 25.38 0.11

Sección1 42.43 0.14

Sección 2 29.06 0.17

Sección 3 33.40 1.07

Sección 4 46.44 0.10

Sección 5 25.59 0.21

Sección 6 30.39 0.17

Sección 7 52.33 0.37

Sección 8 38.90 0.10


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Figura7. Gráfica de contorno de presión a las 14:00 h. de operación.

Se observa que las presiones en los nudos aguas abajo en la Sección El Zapote rebasan el

valor de la permisible, por lo que se sugiere la instalación de válvulas reductoras de

presión y rompedora de carga; lo mismo ocurre en la Sección 7 aguas abajo.

La tubería propuesta será en su totalidad de clase 5 de PVC, con diámetros máximos de

24” y mínimo de 6” tratando de garantizar velocidades entre 0.3 m/seg y 3.0 m/seg a fin de

evitar sedimentación por bajas velocidades y corrosión en la tubería por altas velocidades.

En la tabla siguiente se aprecia los diámetros máximos y mínimos propuestos en las

distintas secciones, ver Cuadro 2.

Cuadro 2. Diámetros máximos y mínimos.

SECCIÓN DIÁMETRO

MÁX. (")

DIÁMETRO

MIN. (")

El Zapote 24.00 6.00

El Chique 24.00 6.00

Sección1 24.00 6.00

Sección 2 24.00 6.00

Sección 3 12.00 6.00

Sección 4 16.00 6.00

Sección 5 16.00 6.00

Sección 6 18.00 6.00

Sección 7 20.00 6.00

Sección 8 24.00 6.00


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Cuando se diseña un sistema de tuberías a presión, no sólo se trata de obtener los

diámetros más óptimos, una vez concluido el cálculo hidráulico, y validado su

funcionamiento por medio de la simulación, viene un reto quizá mayor que es el control

del sistema. Pues además de la instalación de válvulas de seccionamiento y medidores de

gasto, es muy importante tener una visión clara de cómo operar.

Conclusiones

En el proyecto se propuso 46 sistemas independientes teniendo como fuente original el

canal principal del módulo, del que parten tuberías con diámetros que varían de 6” a 24”

de PVC y clase 5 en su totalidad; se observaron velocidades de entre los 0.30 a 3 m/s, para

las dismininuciones de presiones mayores de 50 mca, por lo accidentado de la topografía,

se propusieron válvulas reductoras de presión para tener un mejor control a la salida de

las tomas.

En el funcionamiento de tuberías existentes, es aconsejable hacer un énfasis en la

rugosidad, pues con el tiempo ésta aumenta y genera mayores pérdidas de carga a lo largo

del tramo. Se recomienda utilizar este sistema de análisis para zonas accidentadas como se

presenta en este trabajo.

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