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UNIVERSIDAD TCNICA PARTICULAR DE LOJA
La Universidad Catlica de Loja
TITULACIN DE INGENIERO CIVIL
Simulacin del factor energtico por los modelos de Clment
en redes de riego presurizadas
Trabajo de Fin de Titulacin
Autor:
Ramn Zhigui Katherine Ivanova
Director:
Lapo Pauta Carmen Mireya, Ing.
LOJA-ECUADOR
2012
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i
CERTIFICACIN
Ing. Mireya Lapo Pauta
DIRECTORA DEL TRABAJO DE FIN DE TITULACIN
CERTIFICA:
Que el presente trabajo de fin de carrera desarrollado paraobtener el ttulo de
Ingeniero Civil, titulado Simulacin del factor energtico por los modelos
de Clment en redes de riego presurizadas, realizado porKatherineIvanova
Ramn Zhigui, ha sido elaborado bajo mi direccin yminuciosamente supervi-
sado y revisado, por lo que autorizosu presentacin a la Titulacin de Ingenier-
a Civil.
Es todo cuanto puedo certificar en honor a la verdad.
f:
Ing. Carmen Mireya Lapo Pauta
CI: 1102738448
DIRECTOR DE TESIS
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ii
AUTORA
Las ideas, diseos, clculos, resultados, conclusiones, tratamiento formal y
cientfico de la metodologa de la investigacin contemplada en el trabajo de fin
de carrera titulado Simulacin del factor energtico por los modelos de
Clement en redes de riego presurizadas, previo a la obtencin del grado de
Ingeniero Civil de la Universidad Tcnica Particular de Loja, son de exclusiva
responsabilidad del autor.
f:
Katherine Ivanova Ramn Zhigui
CI: 1104528433
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iii
CESIN DE DERECHOS
Yo, Katherine Ivanova Ramn Zhigui, declaro ser autor del presente trabajo y
eximo expresamente a la Universidad Tcnica Particular de Loja y a sus repre-
sentantes legales de posibles reclamos o acciones legales.
Adicionalmente declaro conocer y aceptar la disposicin del Art. 67 del Estatuto
Orgnico de la Universidad Tcnica Particular de Loja que en su parte pertinen-
te textualmente dice: Forman parte del parte del patrimonio de la Universidad
la propiedad intelectual de investigaciones, trabajos cientficos o tcnicos y te-
sis de grado que se realicen a travs, o con el apoyo financiero, acadmico o
institucional (operativo) de la universidad.
f:
Katherine Ivanova Ramn Zhigui
CI: 1104528433
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iv
DEDICATORIA
Con profundo aprecio:
A mi Padre Juan Ramn que a travs
de su ejemplo fue la principal
motivacin para mis ms grandes logros
a mi madre Vanessa Zhigui mi constante apoyo
y fortaleza en cada batalla de la vida.
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v
AGRADECIMIENTO
Primeramente a Dios por permitirme llevar a cabo
cada uno de mis sueos.
Agradezco a mi padre Juan Ramn que desde el cielo ha guiado
cada uno de mis pasos, a mi madre Vanessa Zhigui, que ha sido m
apoyo incondicional e indispensable en la realizacin
de este sueo.
A mis hermanos Erika y Juan Andrs que con sus
sonrisas, y su cario han hecho ms fciles mis das.
As tambin agradezco a la Ing. Mireya Lapo quien con sus
Conocimientos impartidos ha contribuido a la culminacin
exitosa de este proyecto de investigacin.
Al Voluntariado Misin Sonrisas
que me ha permitido combinar mis estudios con la alegra
de ayudar, y ha cambiado mi vida de manera radical.
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vi
RESUMEN
En Ecuador la SENAGUA (Secretara Nacional del Agua), establece tres usos
especficos del recurso hdrico: riego, caudal ecolgico y consumo humano, se
distribuyen en 80.6%, 10.8% y 8.6% respectivamente; segn la publicacin de
abril 2011 de Jaime Wong Jo, El uso del agua y sus limitaciones en los culti-
vos , afirma que de los 3 140 000 hectreas de tierras cultivables, solamente
el 30% cuenta con infraestructura de riego, el 70 % restante solo recibe aguas
lluvias.
Razn por la que se desarrolla la presente investigacin considerando el anli-
sis tcnico y econmico del diseo de redes de riego presurizadas a la deman-
da, por el primer y segundo modelo de Clment (Clment y Galand, 1986), mo-
delos usados con eficiencia a nivel Europeo, disminuyendo el dimetro de tu-
beras con el clculo de caudales basado en distribuciones probabilsticas.
Para los que se simularon dos escenarios, tanto para el mtodo analtico como
para el diseo en un software de programacin lineal, y finalmente se observ
que el diseo obtenido del software basado en programacin lineal es ms
econmico energticamente.
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vii
ABSTRACT
In Ecuador the SENAGUA (National Water Secretariat), establishes three spe-
cific uses of water resources: irrigation and human consumption ecological flow,
are distributed in 80.6%, 10.8% and 8.6% respectively, according to the publica-
tion in April 2011 of James Wong Jo "water use and limitations in crops," states
that the 3 '140 000 hectares of arable land, only 30% have irrigation infrastruc-
ture, the remaining 70% received only rainwater.
Reason for this research is developed considering the technical and economic
analysis of the design of pressurized irrigation networks on demand, for the first
and second Clment model (Clment and Galand, 1986), models used effec-
tively at European level, decreasing the pipe diameter with the flow calculation
based on probability distributions.
For those two scenarios were simulated for both the analytical method to design
a linear programming software, and finally found that the design obtained from
linear programming software is based on cheap energy.
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viii
Contenido
Certificacin ......................................................................................................... i
Autora ................................................................................................................ ii
Cesin de derechos ........................................................................................... iii
Dedicatoria ......................................................................................................... iv
Agradecimiento ................................................................................................... v
Resumen ............................................................................................................ vi
Abstract ............................................................................................................. vii
1. GENERALIDADES ..................................................................................... 1
1.1. Introduccin .......................................................................................... 1
1.2. Objetivos ............................................................................................... 2
1.3. Antecedentes ........................................................................................ 2
1.4. Justificacin .......................................................................................... 3
2. ESTADO DEL ARTE ................................................................................... 3
2.1 Definicin primer modelo de Clment ................................................... 4
2.2 Definicin segundo modelo de Clement ................................................ 8
2.3 Factor energtico ................................................................................ 12
3. CASO DE ESTUDIO ................................................................................. 13
3.1 Ubicacin ............................................................................................ 13
3.2 Beneficiarios ....................................................................................... 13
3.3 rea de Proyecto ................................................................................ 13
3.4 Clima ................................................................................................... 14
3.5 Levantamiento topogrfico .................................................................. 14
3.6 Captacin ............................................................................................ 14
3.7 Topologa de la Red ............................................................................ 15
3.8 rea de diseo .................................................................................... 15
4. mtodologa .............................................................................................. 15
4.1 Topografa ........................................................................................... 16
4.2 Topologa de la Red ............................................................................ 16
4.3 Distribucin de hidrantes ..................................................................... 17
4.4 Caudal ficticio continuo ....................................................................... 19
Determinacin del caudal ficticio continuo analticamente ............................... 22
4.5 Acumulacin de hidrantes por lnea .................................................... 25
4.6 Estimacin de caudales por los modelos de Clment ......................... 26
-
ix
4.6.1 Primer modelo de Clment .............................................................. 26
4.6.2 Segundo modelo de Clement .......................................................... 29
4.7 Clculos hidrulicos de la red ............................................................. 30
5. clculo tipo de la red ................................................................................. 36
5.1 CLCULO TIPO DE CAUDALES DE CLMENT ............................... 36
5.1.1 Primer modelo de Clment .............................................................. 36
5.1.2 CLCULO TPO DEL DISEO HIDRAULICO ................................. 42
6. DIOPRAM ................................................................................................. 46
6.1 PRINCIPIOS FUNDAMENTALES ....................................................... 49
7. EPANET .................................................................................................... 50
8. aplicacin de softwareS ............................................................................ 51
8.1 Diseo de la red de riego Tuncarta en Diopram ................................. 51
8.2 Simulacin de la red de riego Tuncarta en Epanet ............................. 55
8.2.1 Coeficiente del emisor ..................................................................... 57
9. anlisis y discucin de resultados ............................................................. 58
9.1 Anlisis del Primer vs Segundo modelo de Clment .......................... 58
9.2 Anlisis del Primer vs Segundo modelo de Clment (incluido bomba) 61
9.3 Anlisis del primer modelo de Clment vs. Diopram ........................... 64
9.4 Anlisis del primer modelo de Clment vs. Diopram (perido extendido)
68
10. CONCLUSIONES ................................................................................... 80
11. Recomendaciones .................................................................................. 81
12. REFERENCIAS ...................................................................................... 81
12.1 BIBLIOGRAFA ................................................................................ 81
12.2 ANEXOS .......................................................................................... 83
Artculo tcnico para publicacin ...................................................................... 96
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x
NDICE DE CUADROS
CUADRO 1. GARANTIA DE SUMINISTRO.................................................................................. 6
CUADRO 2. VALORES DE U. EN FUNCIN DE CALIDAD DEFUNCIONAMIENTO (CF) ........ 7
CUADRO 3. DISTRIBUCIN DE HIDRANTES .......................................................................... 18
CUADRO 4. DATOS CLIMATICOS ............................................................................................ 19
CUADRO 5. PRECIPITACIONES MENSUALES ....................................................................... 20
CUADRO 6. GARANTIA DE SUMINISTRO................................................................................ 26
CUADRO 7. DISTRIBUCIN ESTANDAR NORMAL ................................................................. 27
CUADRO 8. COEFICIENTES DE PERDIDAS MENORES ........................................................ 33
CUADRO 9. VALORES DE MDULO DE ELASTICIDAD (E) ................................................... 34
CUADRO 10. ASPERSOR SENNINGER .............................................................................. 57
CUADRO 11. RESUMEN DEMANDA DE CAUDALES .............................................................. 59
CUADRO 12. NMERO DE HIDRANTES SIMULTANEOS ....................................................... 59
CUADRO 13. PRESIONES ......................................................................................................... 59
CUADRO 14. DISTRIBUCIN VRP- RAMALES PRINCIPALES ............................................... 60
CUADRO 15. DISTRIBUCIN VLVULAS DE DESAGUE- RAMALES PRINCIPALES ........... 60
CUADRO 16. DISTRIBUCIN VLVULAS DE AIRE- RAMALES ............................................. 60
CUADRO 17. VALORES DE LA CURVA CARACTERSTICA ................................................... 63
-
xi
NDICE DE FIGURAS
FIG. 1 ESQUEMA DE FUNCIN NORMAL ................................................................................. 6
FIG. 2 DIAGRAMA DE REPRESENTACIN u COMO FUNCIN DE F (u) ............................ 11
FIG. 3 CURVA CARACTERSTICA DE UNA BOMBA ............................................................... 13
FIG. 4 PROGRAMACIN DEL CULTIVO CRTICO (MAIZ) ....................................................... 21
FIG. 5 DATOS DEL SUELO TUNCARTA (SARAGURO) ........................................................... 21
FIG. 6 CAUDAL FICTICIO CONTINUO ...................................................................................... 22
FIG. 7 RED DE EJEMPLO .......................................................................................................... 25
FIG. 8 HIDRANTES EN FUNCIONAMIENTO A LO LARGO DE JER. ....................................... 27
FIG. 10 DATOS TOPOGRFICOS DEL PROYECTO ............................................................... 51
FIG. 11 DATOS GENERALES DEL PROYECTO ...................................................................... 53
FIG. 12 DATOS GENERALES DE CAUDAL .............................................................................. 53
FIG. 13 DATOS DE ZANJA ........................................................................................................ 54
FIG. 14 DATOS DE HIDRANTES ............................................................................................... 54
FIG. 15 DATOS DE TRAMOS DE TUBERA .............................................................................. 55
FIG. 16 DATOS DE NUDOS ....................................................................................................... 56
FIG. 17 VELOCIDADES RAMAL PRINCIPAL 1 ......................................................................... 61
FIG. 18 COSTE ENERGTICO PARA ALTURA DE 10 m ......................................................... 62
FIG. 19 COSTE ENERGTICO PARA ALTURA DE 15 m ......................................................... 62
FIG. 20 CURVA CARACTERSTICA .......................................................................................... 63
FIG. 21 DATOS INGRESADOS SOFTWARE BIPS ................................................................... 64
FIG. 22 PRESIONES EN LA RED DE RIEGO TUNCARTA SIN VRP ....................................... 65
FIG. 23 PERFIL LONGITUDINAL DE PRESIN (MTODO ANALTICO) ................................ 66
FIG. 24 PERFIL LONGITUDINAL (DIOPRAM) ........................................................................... 67
FIG. 25 TIEMPO DE SIMULACIN ............................................................................................ 68
FIG. 26 PATRN DE MODULACIN DE DEMANDA ................................................................ 68
FIG. 27 BALANCE DE CAUDALES PRIMER MODELO DE CLEMENT .................................... 69
FIG. 28 BALANCE DE CAUDALES DIOPRAM .......................................................................... 70
FIG. 29 VARIACIN DE PRESIN EN EL NUDO CRTICO (Mtodo Analtico) ....................... 70
FIG. 30 VARIACIN DE PRESIN EN EL NUDO CRTICO (Diopram) .................................... 71
FIG. 31 CAUDAL LINEA PREVIA AL NUDO CRTICO (Mtodo Analtico) ................................ 72
FIG. 32 CAUDAL LINEA PREVIA AL NUDO CRTICO (Diopram) ............................................. 72
FIG. 33 PRDIDA UNITARIA EN LINEA PREVIA AL NUDO CRTICO (Mtodo Analtico) ...... 73
FIG. 34 PRDIDA UNITARIA EN LINEA PREVIA AL NUDO CRTICO (Diopram) ................... 73
FIG. 35 DISTRIBUCIN DE PRESIN (Mtodo Analtico) ........................................................ 74
FIG. 36 DISTRIBUCIN DE PRESIN (Diopram) ..................................................................... 74
FIG. 37 DISTRIBUCIN DE CAUDAL (Mtodo Analtico) ......................................................... 75
FIG. 38 DISTRIBUCIN DE CAUDAL (Diopram) ....................................................................... 75
-
xii
FIG. 39 DISTRIBUCIN DE VELOCIDADES (Mtodo Analtico) .............................................. 76
FIG. 40 DISTRIBUCIN DE VELOCIDAD (Diopram) ................................................................ 76
FIG. 41 DISTRIBUCIN DE PRDIDAS (Mtodo Analtico)...................................................... 77
FIG. 42 DISTRIBUCIN DE PRDIDAS (Diopram) ................................................................... 77
FIG. 43 OPCIONES DE ENERGA PARA UNA ALTURA h= 10 m ............................................ 78
FIG. 44 COSTE HORARIO DE ENERGA (Diopram) ................................................................. 78
FIG. 45 COSTE HORARIO DE ENERGA (PRIMER MODELO DE CLMENT) ....................... 79
FIG. 46 COSTE ENERGTICO DIARIO (PRIMER MODELO DE CLMENT) .......................... 79
FIG. 47 COSTE ENERGTICO DIARIO (DIOPRAM) ................................................................ 79
INDICE DE ANEXOS
ANEXO 1.INFORME COMPLETO DEL SOFTWARE DIOPRAM
ANEXO 2.SIMULACIN DEL PRIMER MODELO DE CLMENT EN EPANET (HAZEN- WI-
LLIAMS).
ANEXO 3.SIMULACIN DEL PRIMER MODELO DE CLMENT EN EPANET (DARCY -
WEISBACH).
ANEXO 4.SIMULACIN DEL SEGUNDO MODELO DE CLMENT EN EPANET (HAZEN- WI-
LLIAMS).
ANEXO 5.SIMULACIN DEL SEGUNDO MODELO DE CLMENT EN EPANET (DARCY -
WEISBACH).
ANEXO 6. SIMULACIN PRIMER Y SEGUNDO MODELO DE CLMENT EN EPANET
(DARCY - WEISBACH) CON BOMBA
ANEXO 7.SIMULACIN DEL PRIMER MODELO, DATOS DIOPRAM.
ANEXO 8.SIMULACIN DEL PRIMER MODELO, DATOS DIOPRAM. CON BOMBA
ANEXO 9. SIMULACIN DE LA RED EN PERIODO EXTENDIDO, PRIMER MODELO DE
CLMENT, CON BOMBA (hora 6).
ANEXO 10. SIMULACIN DE LA RED EN PERIODO EXTENDIDO, PRIMER MODELO DE
CLMENT, CON BOMBA (hora 6). DATOS DIOPRAM.
ANEXO 11. CARACTERSTICAS DE BOMBA PARA ALTURA DE 10 m
ANEXO 12 CARACTERSTICAS DE BOMBA PARA ALTURA DE 15 m.
ANEXO 13. PLANOS
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1
1. GENERALIDADES
1.1. Introduccin
La distribucin de la precipitacin es irregular debido a la forma de las tierras,
de esta manera el agua no se reparte por igual por todas las zonas del planeta,
lo que ha generado que en el mundo existan zonas de riqueza y pobreza agr-
cola.
El hombre siendo por naturaleza un ser de supervivencia durante muchos aos
tuvo que ingenirselas para transportar agua al lugar donde se encontraba
habitando, para fortalecer su produccin agrcola; lo cual se convirti en su sus-
tento diario. Conforme el paso de los aos, el hombre desarroll tcnicas de
almacenamiento y distribucin del agua para el riego agrcola, las cuales han
sido determinantes para aquellas zonas de difcil regado.
La SENAGUA (Secretara Nacional del Agua) en Ecuador, establece tres usos
especficos del recurso hdrico: riego, caudal ecolgico y consumo humano, se
distribuyen en 80.6%, 10.8% y 8.6% respectivamente; segn la publicacin de
abril 2011 de Jaime Wong Jo, El uso del agua y sus limitaciones en los culti-
vos afirma que de los 3 140 000 hectreas de tierras cultivables, solamente el
30% cuenta con infraestructura de riego, el 70 % restante solo recibe aguas
lluvias, razn por la cual es indispensable contar con diseos que permitan op-
timizar dimetros y energa al tratarse de redes de riego presurizadas.
Clment (1979) y Granados (1990) desarrollaron en base a algunas hiptesis
que se detallan a lo largo de esta investigacin, una metodologa para el di-
mensionamiento de caudales por lnea en base a probabilidades de funciona-
miento, que dependen directamente de la apertura de los hidrantes de riego
simultneamente; de esta manera los modelos de Clment permiten demandar
para el sistema de riego nicamente el caudal suficiente para el funcionamiento
de los hidrantes que se encuentran dentro de la probabilidad de funcionamien-
-
2
to, mas no un caudal continuo e innecesario en el que se consideran que el 100
% de los hidrantes funcionan al mismo tiempo.
El diseo de redes de riego a presin permite garantizar el uso del agua, lo
cual, muestra una relacin inversa entre el coste energtico de la energa con-
sumida en la campaa de riego y los dimetros de la red elegidos. Por lo que
es esencial establecer a priori los caudales nominalmente circulantes por lnea,
que en esta investigacin se desarrollar a travs del primer y segundo modelo
de Clment, as tambin a travs de un software basado en programacin line-
al, traducindose en la posibilidad de disear el dimetro de la tubera.
A partir de estos razonamientos, se realizar la comparacin del primer y se-
gundo modelo de Clment, y as tambin del diseo obtenido a partir del soft-
ware basado en programacin lineal vs el primer modelo de Clment, y la pos-
terior simulacin en el software Epanet, para determinar finalmente que meto-
dologa permite obtener un mayor ahorro en cuanto a coste de tubera y en
coste de energa en el caso de los sistemas de riego diseados con bomba.
1.2. Objetivos
General
a. Determinar el factor energtico en redes presurizadas de riego por los mo-
delos de Clement.
Especficos
a. Realizar el diseo del sistema de riego usando los modelos de Clement.
b. Comparar el coste energtico de los modelos implementados en la red de
riego
1.3. Antecedentes
En Europa el principal objetivo es el diseo de redes de riego ptimas, funda-
mentalmente a travs de los modelos formulados por Clment (Planells, P. et
al. CRITERIOS PARA EL DISEO DE REDES COLECTIVAS DE RIEGO EN
INGENIERA DEL AGUA. 1999. Vol. 6), cuyo diseo de caudales a travs de
-
3
probabilidades de funcionamiento, garantiza el uso real del recurso hdrico du-
rante toda la jornada efectiva de riego.
Permitiendo un ahorro en el consumo de energa producida en el sistema que
incluyen el uso de un equipo motor bomba.
1.4. Justificacin
La deforestacin y las prcticas generalizadas que utilizan agua sobrestimando
las necesidades de los cultivos estn cobrando un creciente costo medio am-
biental, las prcticas agrcolas nmadas causan problemas de erosin en la
tierra y desgaste innecesario del recurso hdrico vital para la supervivencia de
los seres vivos; razn por la cual es necesario implementar de manera urgente
riego con tcnicas y diseos adecuados; as como realizar la gestin ptima de
este servicio tomando en cuenta que el aumento del consumo del factor
energtico implica un desgaste innecesario del recurso hdrico que puede llegar
a ocasionar grandes sequas y por tanto limitaciones de suministro energtico.
2. ESTADO DEL ARTE
El primer y segundo modelo de Clment, son los ms usadospara el diseo de
redes de riego a la demanda por su metodologa, a nivel Europeo.
Cuando se usa cualquiera de los dos modelos, sin importar la metodologa
usada para calcular el caudal de diseo, se debe aplicar la garanta de suminis-
tro (GS), que es el valor, en porcentaje de la probabilidad estadstica de que los
caudales circulantes por la red durante el periodo punta de consumo superen a
los de diseo (Granados 1990). Este es un factor que el proyectista selecciona
tomando en cuenta parmetros de coste, buscando equilibrio entre la garanta
de suministro y el coste, evitando as el sobredimensionamiento.
Se definen a continuacin los modelos de Clment.
-
4
2.1 Definicin primer modelo de Clment
El primer modelo de Clment tiene como parmetros principales las hiptesis
introducidas por Clment (1979) y Granados (1990), en las cuales se explicaba
la ocurrencia de un riego a la demanda.
a) El fenmeno aleatorio de riego solo permite dos estados de ocurrencia,
que son boca de riego abierta con probabilidad p y boca de riego cerrada con
probabilidad (1-p), la funcin que describe esta probabilidad es:
Donde,
n: Nmero de bocas totales
x: Nmero de bocas abiertas.
b) Si el nmero de bocas es muy grande la funcin de distribucin dada por
la ecuacin (1) se aproxima a una funcin normal con media igual:
Y la varianza por:
Donde,
di: Dotacin correspondiente a la boca i
pi: Probabilidad de funcionamiento de la boca i
() =
. . 1 (1)
= . =1 (2)
2 = . . . (3)
-
5
c) La probabilidad de funcionamiento es la misma para el periodo de horas
disponibles de riego en un da.
Esta hiptesis supone la distribucin aleatoria de caudales de manera q si una
red tiene n tomas, que pueden estar abiertas o cerradas en un momento dado
con una dotacin qd, es improbable que todas estn abiertas a la vez, tomando
en consideracin que este modelo es aplicable para Redes de riego que pose-
an mnimo 10 hidrantes; por lo tanto el caudal de cabecera ser:
El caudal que puede circular por una lnea es una variable aleatoria, resultado
de la suma de variables aleatorias binomiales relacionadas con cada uno de los
hidrantes aguas abajo de la lnea en anlisis.
Si el nmero de hidrantes aguas abajo es elevado puede considerarse que el
caudal que circula por la lnea sigue una distribucin normal media () como se
muestra en la ecuacin(2).
La probabilidad media de apertura del hidrante es:
De donde Ns el nmero de sectores de riego por parcela, tr el tiempo de riego
de un sector para satisfacer la necesidad de un cultivo, JER jornada efectiva de
riego (h/da), Ir intervalo entre riegos, y td el tiempo diario medio de riego del
hidrante.
El caudal de diseo (Q) puede ser calculado por la ecuacin (6), que represen-
ta el lmite superior del intervalo de confianza (FIG.1) cuyo coeficiente de con-
fianza est dado por el parmetro GS (Garanta de suministro), cuyos valores
correspondientes a U (CUADRO2.) son los percentiles de la funcin de distri-
bucin normal.
= . (4)
= .
. =
(5)
-
6
Donde,
: Es la media de la funcin de la funcin de densidad normal
: Desviacin estndar
FIG. 1 ESQUEMA DE FUNCIN NORMAL
FUENTE:Planells, P. et al. CRITERIOS PARA EL DISEO DE REDES COLECTIVAS DE RIEGO EN
INGENIERA DEL AGUA. 1999. Vol. 6
La garanta de suministro (GS) o calidad de funcionamiento (CF) (CUADRO 1.)
debe ser seleccionada por el diseador, de acuerdo al nivel de garanta que se
desee proporcionar a la red, cabe recalcar que ste ir cambiando de acuerdo
al nmero de hidrantes que existan aguas abajo de la red.
CUADRO 1.GARANTIA DE SUMINISTRO
No.Hidrantes Garanta de suministro
1-5 100%
6-20 99%
21-50 95%
>50 90%
FUENTE: Pascua, D. GARANTA DE SUMINISTRO EN SISTEMA DE BOMBEO EFICIENTE CON VA-
RIADORES DE FRECUENCIA. 2010. Pg. 21.
= + (6)
-
7
CUADRO2.VALORES DE U. EN FUNCIN DE CALIDAD DE FUNCIONAMIENTO (CF)
FUENTE:Planells, P. et al. CRITERIOS PARA EL DISEO DE REDES COLECTIVAS DE RIEGO EN
INGENIERA DEL AGUA. 1999. Vol. 6
La Ecuacin de Clment generalizada (Clment y Galand 1986) para n hidran-
tes diferentes, ser:
Siendo Qr el caudal continuo por una lnea que tiene aguas abajo N tomas de
distinto tipo, cada una de ellas con dotacin qdi por lo que ser:
El caudal total Qt con todas las tomas abiertas a la vez, es:
O tambin,
Donde,
qdi: Dotacin en cada una de las tomas en l/s. ha
Ni: Nmero de hidrantes iguales
di: Dotacin en cada toma l/s. ha
= + . . 1 . 2
=1 (7)
= =1 = .
=1 (8)
= . =1 (9)
= . =1 (10)
-
8
El coeficiente de simultaneidad tambin es igual a CS= Q/Qt, por lo que eviden-
temente no puede ser Q >Qt situacin que se presentara solo si se aplica la
frmula de Clment para un nmero muy reducido de tomas.
Normalmente en la mayora de las zonas regables es suficiente con aplicar la
frmula de Clement sin introducir medidas correctoras (Granados 1990), ya que
las modificaciones que se produzcan, sern compensadas por los efectos tales
como:
Lo que se entiende como coeficiente de seguridad, denominado rendi-
miento (r= JER/24h, normalmente no mayor a 18/24=0.75), ste podra
aumentar la JER(Jornada efectiva de riego) si sta se mostrara insufi-
ciente para atender la demanda.
Para definir el rea efectiva de riego, se obtiene la diferencia entre el
rea de la parcela y el rea no cultivada en zona regable, la cual est
entre el 10% -20%
A travs de todas estas definiciones, Lamaddalena resume en la formula gene-
ralizada de Clement (Clment y Galand 1986).
Donde:
N: Nmero de hidrantes que funcionan simultneamente.
R: Numero de hidrantes acumulados
P: Probabilidad de funcionamiento
U (p): Percentiles de la funcin de distribucin binomial.
2.2 Definicin segundo modelo de Clement
Tomando en consideracin las limitaciones del primer modelo, Clment elabora
un segundo modelo para clculo de las descargas en sistemas de riego a la
demanda (Clment 1966).
= . + . . . 1 (11)
-
9
Este segundo modelo est basado en la teora estocstica de Markov, o ms
conocida como cadena de Markov, la cual se fundamenta en el nacimiento y
muerte de los procesos, la formulacin completa se encuentra en Clment
(1966) y Lamaddalena (1997), la derivacin del segundo modelo de Clment se
basa en algunosconceptos fundamentales sobre la teora de los procesos esta-
cionarios de Markov.
Con objeto de explicacin, consideramos un conjunto de clientes que llegan a
una estacin de servicio (tomas en el caso de un sistema de riego), el patrn
de llegadas est descrito por una funcin de distribucin de tiempos de llegada.
Los clientes necesitan diferentes perodos para ser atendidos, y por ende los
tiempos de servicio son descritos por otra funcin de distribucin estadstica;
para sistemas de riego las consideraciones fueron las siguientes:
Los clientes que van a disponer del servicio, sern el nmero intermedio
de llegadas durante el periodo de tiempo promedio, de funcionamiento
de la toma de riego.
El nmero de clientes atendidos, es el nmero promedio de bocas que
operan en un determinado instante t.
Los clientes en la cola, sern el nmero promedio de llegadas cuando el
sistema est saturado (durante el tiempo de espera promedio).
Se considera un sistema genrico caracterizado por una funcin aleatoria, f=X
(t), suponiendo que los valores 1,2, .........., N, representan cualquier posible
estado del sistema.
En el caso de un sistema de riego, el estado del sistema se define por el nme-
ro de tomas de riego en funcionamiento, mientras que el nacimiento y la muerte
se corresponden con la apertura o el cierre de una toma de riego, respectiva-
mente.
Entonces si se toma en cuenta la posibilidad de una red de riego con nmero
de hidrantes R y suponiendo que el tiempo de funcionamiento de todas las to-
mas de riego sigue la misma funcin de distribucin con una duracin media de
las tomas, el funcionamiento ser igual al tiempo de riego medio. Por otra par-
-
10
te, supongamos que la red ha sido diseado con la hiptesis considerando
hidrantes abiertos simultneamente N (N
-
11
A partir de un diagrama que representa F (u ') como una funcin de u', o direc-
tamente a partir de la ecuacin que representa tal funcin (FIG. 2). Es entonces
posible determinar el valor correspondiente de U, utilizando la ecuacin (11),
despus de esto podemos calcular el nmero de tomas de riego que funciona
simultneamente en la red:
Esta ecuacin representa la segunda frmula de Clement.
FIG.2DIAGRAMA DE REPRESENTACIN u COMO FUNCIN DE F (u)
FUENTE:Lamaddalena, N. Sagardos, J. PERFORMANCE ANALYSIS OF ON-DEMAND PRESSURIZED
IRRIGATION SYSTEMS. Pg. 34
El segundo modelo Clment se basa en la teora de nacimiento y muerte de los
procesos como ya se mencion anteriormente. sta hiptesis es la que limita
su aplicabilidad. De hecho, esta teora es bien aplicada para el diseo de lneas
telefnicas, es as que si la lnea ocupada se llama (saturacin) y el cliente tie-
ne que llamar ms tarde. Para sistemas de riego no es tan fcil de establecer
condiciones de saturacin. Adems, cuando el sistema de riego est saturado
el usuario puede decidirse a regar con una presin ms baja y / o secrecin en
la boca de riego.
= . + . .. (1 ) (17)
-
12
Por ltimo, la complejidad en el enfoque matemtico y las pequeas diferencias
en los resultados empuj a todos los diseadores a aplicar en cualquier mo-
mento el primer modelo en lugar del segundo modelo de Clment. Resultado
que ser afirmado o negado al final de esta investigacin.
2.3 Factor energtico
Cuando se habla de este trmino, son muchos los significados que se asocian
a esta palabra, pero en todos ellos factor energtico se encuentran vinculado al
uso de una bomba, la cual genera un gasto de energa que en cualquier medio
tiene un coste, que puede variar segn la eficiencia del sistema. Razn por la
cual en este proyecto cuando se habla de factor energtico se refiere al costo
de energa consumida en el sistema de riego por el uso de un equipo motor
bomba.
Es por eso que una vez obtenidos todos los parmetros de diseo, es necesa-
rio simular el comportamiento de la estacin de bombeo, ya que permite anali-
zar la eficiencia energtica cuando vara el caudal y la presin demandada en
cabecera de la red.
El modelo, requiere los siguientes datos: curvas caractersticas Q-H y Q- de
las bombas (tericas o medidas si estn disponibles), nmero de bombas, pre-
sin en cabecera, y distribucin del caudal a lo largo de la campaa de riegos
(medida, si est disponible, o siguiendo diferentes distribuciones estndar). El
modelo simula el comportamiento de bombas de velocidad variable utilizando
las leyes de semejanza. De este modo, el modelo calcula la relacin caudal-
rendimiento para el rango completo de caudales de la estacin de bombeo.
En el caso de que la distribucin de caudales a lo largo de la campaa de rie-
go est disponible, se calcula la frecuencia de caudales introduciendo los datos
de caudal en una base de datos. Si los datos medidos no estn disponibles, el
diseador deber seleccionar una distribucin estndar (Poisson A, B, C, y D;
aleatoria o cualquier otra disponible). El usuario puede escoger la distribucin
estndar que estime que mejor se ajusta a la distribucin de descarga real ba-
sado en experiencias previas o en diferentes algoritmos encontrados en la bi-
bliografa (Lamaddalena, 1997; Khadra, 2004; Pulido-Calvo et al. 2003a).
-
13
En cuanto a la optimizacin de las curvas caractersticas, estas guardan una
relacin entre caudal presin (Q-H) y caudal rendimiento (Q-)(FIG. 3).
FIG. 3CURVA CARACTERSTICA DE UNA BOMBA
FUENTE: Moreno, M. et al. OPTIMIZACIN DE LAS CURVAS CARACTERSTICAS DE BOMBAS EN
HERRAMIENTAS PARA EL DISEO Y ANLISIS DE ESTACIONES DE BOMBEO EN REDES COLEC-
TIVAS DE RIEGO. 2007
3. CASO DE ESTUDIO
3.1 Ubicacin
La comunidad de Tuncarta, est ubicado en la provincia de Loja, Cantn Sara-
guro, Parroquia Saraguro. Con una altura que flucta desde los 2,503 a 2,344
m.s.n.m., el centro de la comunidad se encuentra alrededor de las coordenadas
699200 E y 9567600 N (en coordenadas WGS84).
3.2 Beneficiarios
Este sistema fue diseado para el servicio de 150 usuarios aproximadamente.
3.3 rea de Proyecto
El rea del proyecto est alrededor de 217 ha., en la cual estn incluidos los
seis sectores que integran la comunidad, siendo estos los siguientes: Matriche,
Tioloma, centro de Tuncarta, Huashapamba, Chaquipirca, Zhiqun.
-
14
3.4 Clima
Tuncarta tiene un clima ecuatorial, con presencia de lluvias en los meses de:
enero mayo. Las temperaturas medias fluctan entre las mnimas de 5 y
10C, y mximas que van desde 10 y 17C.
3.5 Levantamiento topogrfico
El levantamiento topogrfico (Anexo 13)se lo realiz con la ayuda de los fun-
cionarios de Gobierno Provincial de Loja y de la comunidad, la entrega de los
diferentes datos para realizar el estudio se lo realiz por parte del departamen-
to de Recursos Hdricos del Concejo Provincial.
Posteriormente se incorpor la informacin fotogrfica digital del sector, la
misma que fue proporcionada por el departamento de Avalos y catastros del I.
Municipio de Saraguro.
3.6 Captacin
Se efectu el levantamiento integral de la lnea de conduccin, se realiz el
reconocimiento a los diferentes sitios donde se implantarn las nuevas obras
del sistema con la finalidad de definir de forma tcnica adecuada la generacin
de un proyecto ideal, tomando en cuenta lugares como vas y linderos a fin de
evitar problemas posteriores cuando se instale las tuberas.
Para asegurar el buen funcionamiento del sistema cuando se encuentre todas
las parcelas en su mxima produccin necesitamos un caudal alrededor de los
150 l/s, que corresponde al caudal de la lnea dos 118x1.2.
El caudal con el que se cuenta es el siguiente:
Captacin Sillada 14 l/s
Captacin Fishala 20 l/s
Total 34 l/s
De acuerdo a estos datos es urgente contar con el caudal adjudicado del ro
que est alrededor de 39 l/s, e incluso se tiene que aumentar el caudal adjudi-
-
15
cado a 120 l/s que es la actividad que tiene que realizar la junta como algo prio-
ritario dentro de este proyecto ya que este proyecto est orientado a mejorar
las condiciones de vida de todos los usuarios y para ello necesitamos contar
con agua para todos, lo que se va a realizar es dejar con la infraestructura lista
para el funcionamiento total del sistema.
Toda sta informacin fue proporcionada por RIDRENSUR (Empresa pblica
de riego y drenaje del sur, del gobierno provincial de Loja)con la finalidad de
llevar a cabo esta investigacin.
3.7 Topologa de la Red
Se presentan dos ramales para el sistema de distribucin (Anexo13); de los
cuales el ramal uno que abastecer a ms de tres sectores y el ramal dos para
los sectores restantes dentro de estos se encuentran Tioloma y Huazhapamba.
3.8 rea de diseo
De la encuesta realizada, con motivo de la preparacin del presente estudio, se
determin que la comunidad, est conformada por alrededor de 150 usuarios,
al momento se tiene aproximadamente 217 ha., tomando en cuenta que se tra-
ta de ms de 700 parcelas.
4. MTODOLOGA
Para llevar a cabo cualquier investigacin es necesario seguir una secuencia
de pasos que conducirn a la culminacin exitosa del proyecto; en esta investi-
gacin dichos pasos han sido distribuidos de la siguiente manera:
1. Topografa (Anexo 13)
2. Topologa de la red (Anexo digital, Archivos ACAD).
3. Distribucin del nmero de hidrantes en todas las parcelas.
4. Determinacin del caudal ficticio continuo mtodo analtico y a travs del
software Cropwat.
-
16
5. Acumulacin de hidrantes por lnea.
6. Estimacin de caudales por los modelos de Clment.
7. Clculo hidrulico de la red
4.1 Topografa
La comunidad Tuncarta ubicada en el Cantn Saraguro posee una topografa
irregular lo que permite disponer de carga hidrulica suficiente, es decir presio-
nes entre 2 y 4 atmsferas, debido a la gran diferencia de cotas que existe en-
tre el punto ms alto cuya cota es de 1500 y el ms bajo con una cota de 1282,
lo que significa una diferencia de 218 m. de altura entre cotas.(Anexo 13)
4.2 Topologa de la Red
Se estableci un punto nico de distribucin donde se encontrar un Reservo-
rio ubicado en la cota 1500 msnm. Y para abarcar todos los terrenos de la co-
munidad se utilizaron dos ramales de distribucin que parten desde el reservo-
rio, a partir de estos ramales principales se derivan los ramales secunda-
rios(Fig. 3).
-
17
Fig. 3Topologa de la red de riego Tuncarta
Fuente: La Autora
4.3 Distribucin de hidrantes
Para la distribucin de los hidrantes, se tomaron en cuenta algunos aspectos
como el rea de las parcelas y el rea efectiva de riego definida tras analizar si
el sector es nicamente de uso agrcola o comparte su produccin con gana-
dera.
La comunidad de Tuncarta(imagen1)segn datos proporcionados por el Ilustre
Municipio de Saraguro, a travs de su sitio webwww.saraguro.org, el porcentaje
de rea no regable se encuentra entre 10 y 50%, es decir que mientras ms
extensa sea el rea de la parcela, menos probabilidad existe que el 100% de la
misma sea cultivada, ya que la agricultura en este sector aun se realiza a
travs de mtodos tradicionales.
http://www.saraguro.org/
-
18
IMAGEN 1. PANORMICA TUNCARTA
FUENTE: Municipio de Saraguro, 26 de Junio del 2012 en-
http://www.saraguro.org/zctuncarta81.htm
Por lo tanto el nmero de hidrantes por rea de riego va a estar determinado
por un intervalo de superficie (Cuadro 3.).
CUADRO 3.DISTRIBUCIN DE HIDRANTES
Tipo de to-ma
Intervalo de superficie (ha) (SUPERFICIE: S)
N de hidrantes
por parcela
A S
-
19
4.4 Caudal ficticio continuo
El caudal ficticio continuo fue determinado atravs de dos mtodos, el primero
a travs del software Cropwat que es de uso libre (desarrollado por la FAO,
Food and AgricultureOrganization of theUnited) y el segundo de manera analti-
ca al final de su clculo se escoger el mayor, por considerarse el ms crtico
para la estimacin de caudales por Clment.
Determinacin del caudal ficticio continuo por el software Cropwat
El clculo del caudal ficticio continuo es el primer paso para el dimensionamien-
tode una red de riego, este es el caudal que se deber abastecer de manera
continua y permanente para cubrir la demanda de las necesidades brutas de
riego.Para su clculo se tom en consideracin datos hidrolgicos proporcio-
nados por el INAMHI a travs de su ltima publicacin a la que se tiene acceso
Anuario Meteorolgico del 2008. Debido a que la estacin meteorolgica
ms cercana al lugar de estudio Tuncarta, es la ubicada en el cantn Saraguro
Los datos seleccionados sern los correspondientes a la misma.
El caudal ficticio continuo se calcul a travs del programa Cropwat utilizando
datos climticos (CUADRO 4.) y precipitaciones mensuales (CUADRO 5.)
CUADRO4.DATOS CLIMATICOS
FUENTE:INSTITUTO NACIONAL DE METEOROLOGA E HIDROLOGA INAMHI ANUARIO ME-
TEREOLGICO. 2008
-
20
CUADRO 5.PRECIPITACIONES MENSUALES
FUENTE: INSTITUTO NACIONAL DE METEOROLOGA E HIDROLOGA INAMHI ANUARIO ME-
TEREOLGICO. 2008
Para el clculo del caudal ficticio adems de los datos hidrolgicos del sector,
es necesario considerar las caractersticas de los cultivos, en este caso se di-
se para un cultivo crtico, es decir el cultivo que posee menor deficiencia
hdrica (Cuadro 5) y por tanto consume mayor cantidad de agua al momento
de su produccin, el maz (FIG. 4). Se supone pues, que si el caudal ficticio
continuo obtenido es capaz de abastecer a un cultivo de maz cuya necesidad
de riego es mayor que la de otros cultivos, ser capaz de abastecer tambin a
una variedad de cultivos cuya necesidad de riego es inferior que la del CULTI-
VO CRTICO.
CUADRO 5. PERIDOS CRTICOS DE DFICIT HDRICO DE ALGUNOS CULTIVOS
FUENTE: Jara, J. Valenzuela A. NECESIDADES DEL AGUA DE LOS CULTIVOS, Chilln 1998.
-
21
FIG. 4DATOS AGRONMICOS DEL CULTIVO CRTICO (MAIZ)
FUENTE: LA AUTORA
Los datos del tipo de suelo son los correspondientes a suelos frtiles, cuyas
condiciones obedecen al sector (FIG. 5)
FIG. 5DATOS DEL SUELO TUNCARTA (SARAGURO)
FUENTE: LA AUTORA
-
22
FIG.6CAUDAL FICTICIO CONTINUO
FUENTE: LA AUTORA
Para seleccionar el caudal ficticio, se escoge el mayor valor de la columna de-
finida como FWS(FIG. 6)que en este caso es de 0.46 l/s.ha, asegurando de
esta manera la dotacin adecuada en los puntos de consumo de la red.
DETERMINACIN DEL CAUDAL FICTICIO CONTINUO ANALTICAMENTE
Otra forma de obtener el caudal ficticio continuo es a travs del mtodo pro-
puesto por Monserrat et al. (1997), para lo que es necesario contar con datos
de:
Intervalo de riego (Ir): Das de riego a la semana, considerando un da libre, 6
das.
Tiempo de riego (tr): Nmero de horas de riego en el da, 6 horas, consi-
derando las necesidades hdricas de los cultivos y el rea efectiva de riego.
Necesidades netas de riego: Cantidad de agua suficiente para el crecimien-
to de los cultivos, es decir 2. 81 mm/dia.
Dosis neta de riego: Cantidad de agua que es aprovechada por la planta
en los 6 dias de riego a la semana; lo que corresponde a 16.54 mm/6dias,
-
23
Dosis bruta de riego: Cantidad de agua de riego en los 6 das, 20.8
mm/dia
Una vez fijados estos datos indispensables, para la determinacin del caudal
ficticio, se procede con el clculo, de la siguiente manera:
NECESIDADES BRUTAS DE RIEGO: Es la cantidad de agua utilizada para
riego durante 6 das, en base a la dosis bruta.
Donde:
Dosis brutas de riego: Expresada en mm
Ir: Intervalo de riego en das.
PLUVIOSIDAD DEL SISTEMA (Pms) : Este factor es utilizado para zonas de
riego por aspersin, est determinado por la dosis bruta de riego y el tiempo
de riego (tr); sta deber ser constante dentro de la zona regable aunque de-
ntro de las parcelas se utilicen diferentes escenarios de riego.
Donde:
Dosis brutas de riego: Expresada en mm
tr: Tiempo de riego en horas.
CAUDAL FICTICIO CONTINUO: Es el caudal circulante por las lneas de riego
que necesitar el cultivo para su efectivo crecimiento.
=
(18)
=
(19)
= .10000
24 .3600= 0.116 . (20)
-
24
Donde:
q: Caudal ficticio continuo (l /s. ha.)
Nr: Necesidades brutas de riego
RENDIMIENTO DE LA RED:
Considerando que las instalaciones de riego en la realidad no van a estar fun-
cionando todo el tiempo, sino un cierto nmero de horas a las que se denomina
JER (Jornada Efectiva de Riego) y suelen estar entre 16 a 18 horas, en este
caso escogimos el mayor por seguridad, 18 horas. Con esta jornada efectiva de
riego es posible determinar el rendimiento de la red a travs de:
Donde:
JER: Jornada efectiva de riego (horas)
r: Rendimiento de la red
CAUDAL FICTICIO CONTINUO DE DISEO:
Finalmente el caudal ficticio continuo que se utiliza en el diseo es:
Donde:
qs: Caudal ficticio continuo de diseo (l /s. ha.)
r: Rendimiento de la red
A travs de este mtodo el valor del caudal ficticio continuo es de 0.54 l/s.ha,
Cuyo clculo se detalla en el apartado denominado CLCULO TIPO, y ya que
inicialmente se obtuvo a travs del software Cropwat el valor de 0.46 l/s.hase
escogi por seguridad el valor mayor para el diseo de la red.
=
24 . (21)
=
(25)
-
25
4.5 Acumulacin de hidrantes por lnea
Un principio bsico de los dos modelos de Clment es la acumulacin de
hidrantes, ya que de ella depende el caudal circulante por lnea.
Esta acumulacin se realiza empezando desde el primer punto de distribucin,
de esta manera el nmero de hidrantes de la primera lnea, ser igual al nme-
ro de hidrantes que se encuentran aguas abajo de esta lnea; y siguiendo el
mismo principio el nmero de hidrantes de la segunda lnea dispuesta a conti-
nuacin de la primera ser igual al nmero de hidrantes aguas debajo de la
segunda lnea menos el numero de hidrantes de la primera. Concepto que se
aclara a continuacin con el siguiente ejemplo Fig. 7
FIG. 7RED DE EJEMPLO
FUENTE: LA AUTORA
Tomando en cuenta lo mencionado anteriormente y la red ejemplo de la FIG. 7,
se va a realizar la acumulacin de hidrantes de la siguiente manera:
TABLA 1. ACUMULACIN DE HIDRANTES
LNEA # DE HIDRANTES ACUMULACIN DE HIDRANTES
1 1 3
2 2 2
FUENTE: LA AUTORA
-
26
4.6 Estimacin de caudales por los modelos de Clment
Clment (1979) y Granados (1990) establecieron una serie de hiptesis, que
optimizan el diseo de riego a la demanda, los cuales se basan en el clculo de
la dotacin exacta por parcela, impidiendo la aparicin de holguras que sobre-
dimensionen los sistemas de riego. Estas hiptesis se resumen dentro de dos
modelos principales denominados primer y segundo modelo de Clment.
4.6.1 Primer modelo de Clment
El primer modelo de Clment es una distribucin probabilstica(fig. 2) en la que
considera que la apertura de los hidrantes se ajusta a una distribucin binomial,
determinando as un coeficiente de simultaneidad, que afecta al valor del cau-
dal ficticio continuo. Si el nmero de hidrantes aguas abajo de la red es sufi-
cientemente grande sigue una distribucin normal, pero si este nmero es pe-
queo, se toma en consideracin que hay mayor probabilidad de que estn
funcionando todos los hidrantes a la vez y se considera una garanta de sumi-
nistro del 100% como se muestra en el CUADRO 6.
CUADRO 6.GARANTIA DE SUMINISTRO
No. Hidrantes
Garanta de suministro
1-5 100%
6-20 99%
21-50 95%
>50 90%
FUENTE: Pascua, D. GARANTA DE SUMINISTRO EN SISTEMA DE BOMBEO EFICIENTE CON VA-
RIADORES DE FRECUENCIA. 2010. Pg. 21.
Este coeficiente de simultaneidad est definido por el valor de U(Pq) que ha
sido determinado con anterioridad por Clmenten base a la Garanta de sumi-
nistro (CUADRO7) obteniendo como resultado el nmero de hidrantes que fun-
cionan simultneamente como se describe en la Ec. 26 como sigue:
= . + . . . 1 (26)
-
27
Donde:
N: Nmero de hidrantes que funcionan simultneamente.
R: Nmero de hidrantes acumulados
P: Probabilidad de funcionamiento
U (p): Percentiles de la funcin de distribucin binomial.
FIG.8HIDRANTES EN FUNCIONAMIENTO A LO LARGO DE JER
(JORNADA EFECTIVA DE RIEGO).
FUENTE:Tarjuelo J.M. et. al, CABECERA DE REDES DE RIEGO A LA DEMANDA SEGN LA CALIDAD
DE SERVICIO DESEADA. Espaa (2001)
CUADRO 7.DISTRIBUCIN ESTANDAR NORMAL
FUENTE:Lamaddalena, N. Sagardos, J. PERFORMANCE ANALYSIS OF ON-DEMAND PRESSURIZED
IRRIGATION SYSTEMS. 2000. Pg. 34
-
28
PROBABILIDAD DE FUNCIONAMIENTO
Se refiere a la cantidad de hidrantes aguas abajo del punto de anlisis que se
encontrarn en funcionamiento simultneamente a lo largo de toda la red, esta
probabilidad puede ser determinada detalladamente por lnea, o como es el
caso determinando una probabilidad de funcionamiento promedio para todo el
sistema.
Donde:
qs: Caudal ficticio continuo de diseo (l/s.ha)
A: rea efectiva de riego (ha.)
r: Rendimiento de la red
d: Dotacin (l/s.ha)
R: Nmero total de hidrantes en todo el sistema.
DOTACIN
Determinar la dotacin puede llevarse a cabo a travs de varias consideracio-
nes e hiptesis, existiendo discrepancia entre la bibliografa (Bonnal 1983,
Clement y Galand 1986, Granados 1990, Arviza 1993, Monserrat et al. 1997).
Por esta razn (P. Planells, J. F. Ortega, M. Valiente, J. Montero y J.M. Tarjue-
lo, en su artculo CRITERIOS PARA EL DISEO DE REDES COLECTIVAS
DE RIEGO) aestablecido un procedimiento claro y conciso de manera que sea
posible llegar a considerar una dotacin media en todos los intervalos de la su-
perficie.
Donde:
= .
. . (27)
= 2.778 . .
(28)
-
29
Pms: Pluviosidad del sistema (l.m-2h-1)
S: Superficie de riego (ha.)
Ns: Nmero de unidades de riego.
De esta manera se concluye con el clculo del caudal por lnea, con:
Donde:
d: Dotacin media del sistema (l/s)
Nadop: Nmero de hidrantes funcionando simultneamente aguas abajo
del sistema.
4.6.2 Segundo modelo de Clement
Esta hiptesis considera que el caudal puede ser regulado a travs del porcen-
taje de saturacin del suelo, es decir, cuidando la integridad del cultivo e impi-
diendo la sobresaturacin del suelo, que lejos de ser una ayuda, solo termina
en el desperdicio del recurso hdrico. Esta hiptesis se resume en:
Donde:
u: Variable estndar normal
Psat.: Porcentaje de Saturacin del suelo (%)
R: Nmero de hidrantes
p: Probabilidad de funcionamiento del hidrante.
= . (29)
= 3.9715 4.1693 . . . . 1 0.2623
(30)
-
30
A diferencia del primer modelo, para el clculo del nmero de hidrantes si-
multneos, se utilizar el valor de la variable estndar normal a cambio del per-
centil de la funcin binomial.
Donde:
N: Nmero de hidrantes que funcionan simultneamente.
R: Numero de hidrantes acumulados.
P: Probabilidad de funcionamiento.
u: Variable estndar normal.
Y finalmente concluye la determinacin del caudal igual que en el primer mode-
lo con:
Donde:
d: Dotacin media del sistema (l/s)
Nadop.: Nmero de hidrantes funcionando simultneamente aguas abajo
del sistema.
4.7 Clculos hidrulicos de la red
El dise de la red se realiz por el MTODO DE LA PENDIENTE UNIFORME.
ste componente es la parte ms importante dentro del diseo de una red de
riego, ya que si el diseo hidrulico de la red es el adecuado, el dimensiona-
miento de la tubera y accesorios ser el ms ptimo. Para lo cual se han to-
mado en consideracin los siguientes criterios.
= . + . .. 1 (31)
= . (32)
-
31
Presin dinmica mnima 40 m.c.a para el ptimo funcionamiento de los
aspersores.
Presin esttica mxima, es la mayor que pueda soportar la tubera se-
leccionada.
Clculo de sobrepresin, por la intervencin de fenmenos transitorios
como el golpe de ariete.
Se considera prdidas menores por uniones.
Prdidas por Hardy- Cross y Darcy Weisbach.
PERDIDAS DE CARGA: Es el factor que representa la prdida de energa del
flujo hidrulico en cada tramo de diseo por efecto de rozamiento.
Para el clculo hidrulico de las prdidas de carga, se determin inicialmente
los valores de friccin con la frmula de Colebrook-White, mediante el clculo
iterativo de Newton Raphson; sta friccin f est dada en funcin de Rey-
nolds (Re), la rugosidad() y el dimetro interno (D) de la tubera.
Donde:
J disponible: Gradiente hidrulico disponible
Hc: Carga del nudo fuente (m)
Zi: Cota del nudo i (m)
Lj: Longitud de tramos hasta el nudo i (m)
REYNOLDS:
= +
(33)
= .
(34)
-
32
Donde:
V: Velocidad (m/s)
D: Dimetro. (mm)
v: Viscosidad(m2/s)
FRICCIN:
Las prdidas hf se determinaron con HAZEN- WILLIAMSinicialmente
As como tambin porDarcy Weisbach, siendo una de las frmulas ms exac-
tas.
PRDIDAS MENORES: Mientras las mayoras de las prdidas por rozamien-
to dentro de la tubera suponen la mayorparte de las prdidas de presin, tam-
bin se producen otras cuando la tubera cambia de direccin ode tamao o
cuando se instalan vlvulas u otros accesorios. Estas prdidas se conocen ge-
neralmentecomo prdidas menores.
Pese a que las prdidas menores, con respecto a los rangos de presiones al-
tos, no influye mucho en el clculo es necesario tenerlas en cuenta para
aproximar el diseo de la red a condiciones reales, en este caso se las deter-
min por medio de la altura cintica corregida, mediante un coeficiente empri-
co K para uniones (CUADRO 8.).
1
= 2 . log10
3.7.+
2.51
. (35)
=10.646 .
4.87037
1.85185
(36)
= 8 . .
2 . . 5 .2 (37)
-
33
CUADRO 8.COEFICIENTES DE PERDIDAS MENORES
ACCESORIOS Km
Codo de radio corto (r/d 5 6 1) 0.9
Tee en sentido recto 0.3
Tee a travs de la salida lateral 1.8
Unin 0.3
FUENTE: SALDARRIAGA, J. HIDRAULICA DE TUBERAS. 2007
COTA PIEZOMTRICA: En un inicio es la diferencia entre la cota de inicio y
la perdida hf, posteriormente para obtener las dems cotas piezomtricas, se
calcula la diferencia entre la cota piezomtrica final del tramo anterior y la
prdida hf.
PRESIN DINMICA: Es la presin que ejerce un flujo cuando existen con-
sumos en la red, es decir cuando el fluido est en movimiento, esta se obtiene
de la diferencia entre la cota piezomtrica y la cota del terreno.
PRESIN ESTTICA: Se trata de la presin que ejerce un fluido cuando se
encuentra en reposo, en este caso se producir en hora de la noche cuando no
existe consumo de agua para riego.
VELOCIDAD: Algunos autores (Clement-Galand, 1979 Granados, 1986) pro-
ponen la determinacin de la velocidad ptima del agua en funcin del Dime-
tro de la tubera, Velocidad que es resultado de una optimizacin econmica.
CELERIDAD: Es la velocidad de la onda elstica en el fluido, que se pro-
paga a travs del agua contenida en la tubera.
Donde:
=2 .
2 . (38)
= 1.5 . . 0.05 (39)
e
D
EK
C
.1
1425
(40)
-
34
C: Celeridad o velocidad de propagacin de la onda (m/s)
K: Relacin entre mdulos de elasticidad de agua y el material de la
tubera (adimensional)
D: Dimetro interno de la tubera (m).
e: espesor de la pared del tubo (m)
E: Mdulo de elasticidad. (kg/cm2)
El mdulo de elasticidad, estvara de acuerdo al tipo de tuberia como se
muestra a continuacin:
CUADRO9.VALORES DE MDULO DE ELASTICIDAD (E)
MATERIAL E Kg/cm2
Acero 2,10E+06
Hierro fundido 9,30E+05
Concreto simple 1,25E+05
Asbesto-cemento 3,28E+05
PVC 3,14E+04
Polietileno 5,20E+03
Agua 2,067E+04
FUENTE: VALDEZ, C. Y GUTIERRES, L. ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE (2007) Pg. 155
GOLPE DE ARIETE: Se denomina Golpe de Ariete al fenmeno transito-
rio producido por el choque violento sobre las paredes de las conducciones
forzadas.
El dimensionamiento del Golpe de ariete se puede realizar, a travs de dos
frmulas, Allievie Micheaud, cierre rpido o lento respectivamente. Para lo
que se ha determinado la longitud crtica (Lc) descrita en la ecuacin(41).
Donde:
= .
2(41)
-
35
C: Celeridad
T: Tiempo fase (s)
A travs del valor de longitud crtica se tomaron las siguientes consideraciones:
Si la longitud crtica (Lc) > longitud del tramo (L), entonces se denomi-
nar conduccin corta y se solucionar con la frmula de Micheaud.
Si la longitud crtica (Lc) < longitud del tramo (L), entonces se denomi-
nar conduccin corta y se solucionar con la frmula de Allievie.
Por esta razn se desarroll los clculos con la frmula de Micheaud:
Donde:
ha: Golpe de ariete (m.c.a)
L: Longitud (m)
V: Velocidad (m/s)
g: Gravedad(m/s2)
T: Fase o periodo de tubera (s)
Por lo tanto el periodo de la tubera es igual a:
Donde:
T: Fase o periodo de tubera (s)
Tg
VLha
.
..2
(42)
C
LT
.2
(43)
-
36
L: Longitud (m)
C: Celeridad o velocidad de propagacin de la onda (m/s)
SOBREPRESIN: Se denomina sobrepresin a aquella presin que permite
dimensionar un sistema de tal manera que garantice que en su funcionamiento
no se produzcan daos en la tubera por la presencia de fenmenos transito-
rios.
Donde:
PD: Presin dinmica
ha: Golpe de ariete
5. CLCULO TIPO DE LA RED
5.1 CLCULO TIPO DE CAUDALES DE CLMENT
En el clculo tipo se detalla numricamente la aplicacin de las frmulas defini-
das en estado del arte y metodologa, aplicadas directamente a la primera lnea
de la red. Cuyo clculo completo de las mismas se detalla en el Anexo digital
de Microsoft Excel, razn por la cual la simbologa [3], corresponde al nmero
de columna del clculo desarrollado en este software.
5.1.1 Primer modelo de Clment
Para llevar a cabo el desarrollo de este mtodo es necesario contar con los
siguientes datos:
Caudal ficticio continuo (qs) = 0.536 l/s.ha
rea total (At) = 97.81 ha.
Jornada efectiva de riego (JER) = 18horas
= + (44)
-
37
Nmero de hidrantes (R)= 133
Pluviosidad media del sistema (Pms)= 3.467 mm/h
5.1.1.1 RENDIMIENTO DE LA RED (r):
=
24
Entonces:
=18
24 = 0.75
5.1.1.2 DOTACIN
Para el clculo de la dotacin segn Tarjuelo(1998) con datos de distribucin
de hidrantes y rea de cobertura, es posible determinar una dotacin promedio
para todo el sistema como se muestra a continuacin:
DATOS:
JER= 18 horas
tiempo de riego(tr)= 3 horas
Intervalo de riego (Ir)= 6 das
dias libres (dl)= 1 das
Necesitamos establecer algunos tipos de hidrantes como A y B, los cuales fun-
cionen para un intervalo de rea determinado, as como tambin cada toma
tenga la cantidad de hidrantes de acuerdo a la superficie de riego:
Tipo de toma Intervalo de N de hidran-
-
38
superficie
(ha)
tes por par-
cela
A S
-
39
Qs: Caudal ficticio continuo (l/s.ha)
S: rea de la parcela en (ha.)
di: Dotacin de la toma (l/s)
Entonces a partir de los datos calculados anteriormente el grado de libertad Gli
de la toma A ser:
=10.03296
0.536 . 1 = 18.71
La Toma B, solo ser el Gli de la toma A para el nmero de hidrantes en ese
tramo, es decir 2.
=18.71
2= 9.356
5.1.1.3 PROBABILIDAD DE FUNCIONAMIENTO Y NMERO DE SUB
UNIDADES:
Como ya se ha mencionado antes, es necesario determinar para cada tipo de
toma la probabilidad de funcionamiento simultaneo, y as determinar, cada to-
ma cuantas subunidades aspersores es capaz de abastecer.
=1
=
1
18.71= 0.0534
Tipo de
toma
Intervalo
de superfi-
cie (ha)
N de
hidrantes
por parcela
di calcula-
do
Gli calcu-
lado Pi= 1/GLi
numero de
subunidades
de cada tipo
A S
-
40
# =
# = 18
3 . 6 1 = 30
Existen varios criterios al momento de disear redes de riego por los modelos
de Clement, entre ellas est la determinacin de los caudales considerando
una dotacin por cada lnea, o determinando una probabilidad de funciona-
miento de todo el sistema a partir de la dotacin media del mismo, lo que sera
lo ms lgico ya que este criterio es el que se acerca mucho ms a la realidad
y permitir determinar el nmero de tomas que podrn estar en funcionamiento
simultneo considerando toda la red, ste valor de probabilidad deber estar
dentro de un intervalo definido por los dos tipos de tomas A y B, es por ello que
la probabilidad del sistema ser utilizada efectivamente solo si esta se encuen-
tra dentro del intervalo comprendido entre 0.07 y 0.10.
Para el clculo de la dotacin usamos la ecuacin:
= 2.778 . .
= 2.778 . 3.467 97.81
133= 7.08 /
Y la probabilidad de funcionamiento ser:
= .
..
=0.536 . 97.81
0.75 . 133 . 7.08= 0.074
De esta manera queda comprobado que la probabilidad de funcionamiento de
todo el sistema es de 0.074, que se encuentra dentro del intervalo permitido.
A partir de todos estos parmetros se realizar el diseo de la red de riego por
los dos modelos de Clement.
-
41
5.1.1.4 NMERO DE HIDRANTES (R) [3]
Cada lnea tiene asignado un nmero de hidrantes, ya sea uno o dos por lnea
dependiendo de la superficie de riego, pero hay algo muy importante y bsico
dentro de este tipo de diseos, que es la acumulacin del numero de hidrantes,
es decir para nuestro diseo se tomar en cuenta el numero de hidrantes que
se encuentran aguas debajo de la lnea a disearse, por ejemplo para el tramo
uno aguas abajo del tramo 1 , existen 133 hidrantes, lo que significa que el di-
seo toma en consideracin, la cantidad de tomas que deber abastecer esta
lnea.
5.1.1.5 GARANTIA DE FUNCIONAMIENTO (GS) [5]
Si el nmero de hidrantes acumulados en el tramo 1 es de 133, la garanta de
funcionamiento o suministro segn los valores que constan en el CUADRO
1.GARANTIA DE SUMINISTRO, ser de 90%.
5.1.1.6 DISTRIBUCIN ESTANDAR NORMAL U(Pq)[6]
Esta se determina en base a la garanta de suministro, es as como segn los
valores que constan en elCUADRO 2. DISTRIBUCIN ESTANDAR NORMAL,
para una garanta de suministro del 90%, el valor de la distribucin estndar
normal es de 1.285.
5.1.1.7 NMERO DE HIDRANTES SIMULTANEOS[9]
Para calcular el nmero de hidrantes que van a funcionar en forma simultnea,
se utiliza la siguiente ecuacin:
= . + . . 1
= 133. 0.074 + 1.285 . 133 . 0.074 . 1 0.074 = 13.75
[] = 14
-
42
5.1.1.8 CAUDAL DE CLEMENT PRIMER MODELO[9]
= .
= 14 . 7.08 = 99.15 /
5.1.1.9 CAUDAL DE CLEMENT SEGUNDO MODELO(anexo digital,
hojas de Excel)[8]
Psat= 1%
R= 133
= 3.9715 4.1693 . 0.01 . 133 . 0.074 . 1 0.074 0.2613
= 2.31
= 133 . 0.074 + 2.31 . 133 . 0.074 . 1 0.074 = 16.81 = 17
= 17 . 7.08 = 120.4 /
5.1.2 CLCULO TPO DEL DISEO HIDRAULICO
Gradiente hidrulica[12]:
= +
=1540 1493 + 40
36= 0.1944
A partir del diseo de la red por el mtodo de la gradiente hidrulica en cada
tramo se seleccion el valor de 0.038 correspondiente al menor valor registrado
el cual se le asigna el nombre de J*.
Reynolds[13]:
=.
-
43
=0.72 .
181
1000
0.000001007= 129414.1013
Friccin[14]:
1
= 2 . log10
3.7 .+
2.51
.
1
0.02= 2 . log10
0.0000015
3.7 . 187.6/1000 +
2.51
129414.1013 . 0.02
Luego de tanteo f=0.017
Dimetro terico[16]:
() = 8 . .
2
2 ..
5
() = 8 . 0.02 .
99.15
1000
2
2 . 9.81 . 0.038
5
. 1000 = 211.9
Dimetro comercial[17]:
Seleccionado en base a catlogos nacionales de tubera existente. 187.6 mm
dimetro interno y 200 mm externo en este tramo.
Uniones por tubera[18]:
# =
1
# =36
6 1 = 5
Prdidas por tubera[19]:
= # . 2
2
= 5 . 0.3 . 0.722
2 . 9.81 = 0.0396
-
44
Prdidas por friccin[20]:
Las prdidas hf con HAZEN- WILLIAMSinicialmente:
=10.646 .
4.87037
1.85185
=10.646 . 36
181
1000
4.87037
99.15
1000
150
1.85185
= 2.04
As como tambin porDarcy Weisbach, siendo una de las frmulas ms exac-
tas.
= 8 ..
2 ..5 .2
= 8 0.0178 . 36
2 . 9.81 . 187.6
1000
5 . 99.15
1000
2
= 2.249
Prdidas totales[21]:
= +
= 0.0239 + 2.04 = .
Cota piezomtrica[23]:
= +
= 1493 + 2.08 = 1495.08
Carga al nudo[24]:
=
= 1540 1495.08 = 44.91
Presin esttica[25]:
-
45
= 47 . ..
Velocidad[26]:
= 1.5 181
1000+ 0.05 = 0.72
Celeridad[36]:
E=3.14 +E4 Kg/cm2 = 3.14 +E8 Kg/m2
K=2.07 +E8 Kg/m2
e=9.5 mm
D=181 mm
e
D
EK
C
.1
1425
=1425
1 +2.07+8
3.14+8. 181
9.5
= 387.23
Tiempo fase[37]:
19.023.387
36.2T
Golpe de ariete[38]:
Tg
VLha
.
..2
=2.36.0.72
9.81 . 0.19= 27.81
Sobrepresin [29]:
-
46
= 44.91 + 27.81 = 72.72 . ..
As de esta manera se llevar a cabo el clculo de todos los tramos, para obte-
ner el Dimetro de la tubera y determinar la ubicacin de las vlvulas reducto-
ras de presin, las cuales se definir su ubicacin a travs de la modelacin de
la red en el software Epanet.
6. DIOPRAM
El programa DIOPRAMes un software de uso Premium, desarrollado por el
GWF (Grupo multidisciplinario de modelacin de fluidos de la Universidad de
Valencia), el cual trabaja bajo el entorno Windows, con el fin de disear redes
ramificadas siguiendo el criterio econmico. ste programa es capaz de calcu-
lar diferentes caractersticas hidrulicas de redes ramificadas con varios cientos
de nudos, adems tambin es capaz de redisear las tuberas de estas redes
siguiendo el mismo criterio econmico.
DIOPRAM posee una extensa base de datos que puede ser modificada y am-
pliada, donde se recogen los precios de tuberas y materiales as como el coste
de obra de las mismas.
Tambin es capaz de aplicar las diferentes tarifas elctricas y estos datos tam-
bin se encuentran en sta base de datos.
El modo de ver los resultados obtenidos es mediante informes que pueden ser
modificados por el usuario para que reflejen aquellos datos que desee. Adems
estos informes tambin pueden ser impresos y guardados para un posterior
uso en hojas de clculo. Otra posibilidad que ofrece el programa es la creacin
de tablas y grficos a partir de los resultados obtenidos en el clculo de las re-
des.
La informacin necesaria para realizar el diseo de una red mediante DIO-
PRAM se puede resumir en tres tems:
Configuracin fsica de la red: trazado, conectividad, cotas y longitu-
des.
-
47
Requisitos que debe satisfacer: caudales de consumo y presiones
mnimas de servicio en los nudos.
Datos econmicos: Coste de la tubera, de la energa y del movimiento
de tierras.
La obtencin de la solucin ptima de diseo est basada en la aplicacin de
un modelo de programacin con una funcin objetiva de tipo econmico y res-
tricciones funcionales, referentes tanto a las presiones de servicio como a otras
variables hidrulicas, modelos que se ensamblan de forma verstil para su
adaptacin a diferentes consideraciones en el diseo, como por ejemplo:
Permite optimizar el coste de la inversin, o bien, optimizar el coste con-
junto de amortizacin de la inversin ms el coste energtico de la ope-
racin del sistema.
La solucin obtenida es definitiva, en el sentido de que se presenta con
tuberas comercialmente disponibles, de entre el conjunto seleccionado
por el usuario.
Es posible dimensionar selectivamente algunas de las lneas, mientras
que el dimetro de otras ha sido prefijado por el usuario. Esta caracters-
tica resulta especialmente til cuando se plantea el diseo de ampliacio-
nes sobre una red existente.
Permite incluir el efecto de las prdidas menores en la instalacin, bien
sea de forma individual en cada una de las lneas, o bien mediante un
coeficiente de mayoracin de prdidas aplicado a todas ellas.
Admite la aplicacin de mrgenes de seguridad en las presiones de tra-
bajo seleccionadas en las tuberas.
Permite una estimacin muy precisa de los costes energticos a partir
de la aplicacin de tarifas elctricas, cuyos datos pueden ser actualiza-
dos por el usuario.
Debido a que la interfaz del programa no es compleja, el usuario podr
realizar sus diseos, en la mitad de tiempo que le llevara realizarlos de
la manera tradicional (hojas de clculo en Excel).
-
48
DIOPRAM es una aplicacin idnea para el diseo de redes de distribucin de
agua en zonas de nueva urbanizacin, reas industriales y para redes de riego
a presin.
Desde sus inicios, el programa DIOPRAM est sesgado hacia el diseo
de redes de riego a presin, y para estos casos incluye bastantecuidado espe-
cialmente para el clculo de caudales de Clment en el caso del riego a la de-
manda.
De esta manera Diopram est compuesto como se muestra a continuacin:
Entrada de datos:
Interfaz alfanumrica de forma tabular para los datos y resultados princi-
pales de la red.
Presentacin en formatos compactos o amplios en la tabla de datos.
Compatibilidad en el intercambio de datos y resultados con Microsoft
Excel.
Compatibilidad con base de datos a travs de archivos de Microsoft Ac-
ces.
Seleccin de las unidades empleadas en datos y resultados.
Posibilidad de definir individualmente varios hidrantes de riego por nudo.
Bases de datos:
Tuberas normalizadas y disponibles comercialmente.
Zanjas tipo que se asocian a cada una de las lneas.
Tarifas elctricas para la estimacin de costes energticos.
Todos los datos pueden ser actualizados por el usuario.
Definicin de caudales:
Caudales consumidos en nudos.
Caudales de lnea.
Caudales probalsticos de Clment.
-
49
Clculo:
Inclusin de restricciones de velocidad mxima y minima.
Trabaja con tuberas disponibles comercialmente.
Selecciona los dimetros ptimos y, en su caso, la altura de bombeo ne-
cesaria.
Calcula el coste de movimiento de tierras.
Permite disear ampliaciones o modificaciones sobre un proyecto conso-
lidado.
Presentacin de resultados:
Compatibilidad con formatos Ms Excel, Word y HTML
Elaboracin de informes detallados de la solucin obtenida.
6.1 PRINCIPIOS FUNDAMENTALES
El software Diopram est establecido en un algoritmo de programacin lineal,
basado en la consideracin de que, en la solucin final, una lnea de la red de-
ber estar constituida por tuberas de dimetros normalizados (Conjunto discre-
to y finito), y de este modo se formula el modelo considerando que hipottica-
mente, una lnea puede estar formada por varios tramos de diversos dimetros,
siendo las incgnitas del problema las longitudes de dichos tramos.
Este planteamiento, adems de hacer uso de la programacin lineal, propor-
ciona directamente los dimetros normalizados que deben formar las lneas de
la red.
Los dimetros que pueden formar parte de las lneas de la red reciben el nom-
bre de dimetros candidatos, y debern cumplir dos condiciones, deben ser
dimetros estndar disponibles comercialmente, la velocidad de circulacin del
agua adoptando tales dimetros debe estar comprendida entre los lmites
mximo y mnimo que se establezcan. Es as que el proceso de seleccin de
dimetros candidatos incorpora de forma implcita las limitaciones de velocidad.
-
50
7. EPANET
Epanet es un programa de uso libre elaborado por GWF(Grupo multidisciplina-
rio de modelacin de fluidos de la Universidad de Valencia) para el anlisis de
sistemas de distribucin de agua potable. Aunque en general puede ser utiliza-
do para el anlisis de cualquier fluido no compresible con flujo a presin.
El programa permite realizar anlisis hidrulicos de redes a partir de las carac-
tersticas fsicas de las tuberas y dinmicas de los nudos (consumos) para ob-
tener la presin y los caudales en nodos y tuberas respectivamente. Adicio-
nalmente, EPANET permite el anlisis de calidad de agua a travs del cual es
posible determinar el tiempo de viaje del fluido desde la fuente (depsitos y
embalses), hasta los nodos del sistema.
Entre los elementos que puede simular el programa se encuentran fundamen-
talmente tubos, nodos, depsitos y embalses (referencias de carga constante)
y adicionalmente permite utilizar elementos ms complejos como bom-
bas y vlvulas.
Este software tambin realiza simulaciones en perodo extendido (o cuasiest-
tico) del comportamiento hidrulico y de la calidad del agua en redes de tuber-
as a presin. Una red puede estar constituida por tuberas, nudos (uniones de
tuberas), bombas, vlvulas y depsitos de almacenamiento o embalses.
EPANET permite seguir la evolucin del flujo del agua en las tuberas, de la
presin en los nudos de demanda, del nivel del agua en los depsitos, y de la
concentracin de cualquier sustancia a travs del sistema de distribucin du-
rante un perodo prolongado de simulacin. Adems de las concentraciones,
permite tambin determinar los tiempos de permanencia del agua en la red y su
procedencia desde los distintos puntos de alimentacin.
EPANET ha sido diseado como una herramienta de investigacin para mejo-
rar el conocimiento del movimiento y evolucin de los constituyentes del agua
en el interior de los sistemas de distribucin.
http://es.wikipedia.org/wiki/Softwarehttp://es.wikipedia.org/wiki/Aguahttp://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_en_tuber%C3%ADa
-
51
8. APLICACIN DE SOFTWARES
8.1 Diseo de la red de riego Tuncarta en Diopram
Diopram, posee una amplia base de datos en cuanto a tuberas, y as tambin
se pueden ingresar unas cuantas mas, lo que es necesario ya que la base de
datos que contiene el programa corresponde a tubera existente en Europa, de
donde tambin es originario el software, este programa, es un programa que se
caracteriza por la seleccin de la gama de tubera optima, tanto econmica-
mente, como en el componente hidrulico, de tal manera que la tubera, sea la
optima para el funcionamiento del sistemas, y para el coste del proyecto.
Dentro de los datos, que se ingres para esta modelacin, necesarios para el
diseo en el software, estn el nmero del tramo, inicio y final del mismo, Cota,
longitud numero de hidrantes(FIG. 9), rea efectiva de riego por hidrante en
cada tramo la cual se determin de manera emprica considerando del rea de
terreno, el porcentaje que podra ser regado, presin mnima en cada nudo de
consumo(Anexo 1).
FIG. 9.DATOS TOPOGRFICOS DEL PROYECTO
FUENTE: LA AUTORA
-
52
Para la modelacin en Diopram, se dividi la red en 2 partes, considerando que
todo el sistema est evidentemente formado por dos ramales principales; para
saber cunto ser la necesidad hdrica en cada toma, se considera los clculos
determinados anteriormente, en la seccin denominada PROBABILIDAD DE
FUNCIONAMIENTO Y NMERO DE SUB UNIDADES, en la que se determin
el nmero de subunidades o aspersores que funcionarn por cada hidrante, y
sabiendo ya el caudal necesario para el funcionamiento de cada aspersor, es
fcil determinar cul ser el caudal por unidad de riego.
La gama de tuberas ingresada corresponde a la que proporciona PLASTIGA-
MA para uso agrcola, TUBERIA E/C, es decir unin Espiga Campana, apta
para redes de riego, otra de las gamas de tubera ingresadas, son tuberas de
hierro fundido, debido a las altas presiones que debe soportar la tubera por
tratarse de un sistema a gravedad, tubera que se ha ingresado de acuerdo a
la disponible en el mercado(Gama de materiales Anexo1).
Para el diseo de la red de riego Tuncarta en Diopram inicialmente se defini
los datos generales del proyecto (FIG. 10) en el que se defini como cota de
tanque 1540 m.s.n.m correspondiente a la cota que se obtuvo mediante el
mtodo analtico, esto para cuestiones de comparacin de resultados del dise-
o, no existe presin estimada, ya que la idea inicial es que la presin sea la
misma producida por la diferencia de cotas.
-
53
FIG.10DATOS GENERALES DEL PROYECTO
FUENTE: LA AUTORA
Los datos de caudal(FIG. 11) Ingresados en el software corresponden a los
mismos utilizados en el mtodo analtico, entre ellos se encuentra el caudal
ficticio continuo con un valor de 0.54 (l/s. ha), la jornada efectiva de riego (JER)
de 18 horas y dentro de las opciones de clculo de los caudales de Clmentse
determin que sera con discriminacin y con un nmero mximo de tres
hidrantes, porque esto quiere decir que el programa considerar al momento
del clculo Garantas de suministro diferentes a lo largo de la red.
FIG. 11DATOS GENERALES DE CAUDAL
FUENTE: LA AUTORA
-
54
Los datos de zanja han sido ingresados conforme lo establecido en la NORMA
CPE INEN5 PARTE 9.1, 1992, en cuanto a tuberas de agua potable, conside-
rando tambin, que la ubicacin de la tubera ser en lugares que no se en-
cuentran en contacto con trfico de algn tipo. (FIG. 12)
FIG. 12DATOS DE ZANJA
FUENTE: LA AUTORA
Dentro de toda la informacin que debe ser ingresada para el diseo de la red
de riego, est la informacin de cada hidrante, es decir, el rea efectiva de rie-
go cubierta por cada hidrante y la dotacin del hidrante (FIG. 13)
FIG. 13DATOS DE HIDRANTES
FUENTE: LA AUTORA
-
55
8.2 Simulacin de la red de riego Tuncarta en Epanet
Una vez que se ha desarrollado exitosamente el diseo hidrulico de la red
analticamente (Microsoft Excel) y a travs del Software Diopram, se realiz el
anlisis tcnico, de los diferentes diseos, tanto por el primer y segundo mode-
lo de Clment, como por el diseo obtenido a travs del software Diopram, para
comprobar tcnicamente que tan efectivos son los diseos, es decir, con los
parmetros determinados inicialmente como se comporta la red, y de esta ma-
nera definir la ubicacin de las vlvulas reductoras de presin, definir si es ne-
cesario vlvulas de purga; as tambin realizar anlisis en cuanto optimizacin
hidrulica y de coste.
Para la modelacin en este software, es necesario definir el valor del coeficien-
te de emisor, los dimetros internos obtenidos del clculo analtico, cotas, longi-
tudes y rugosidad sern los nicos datos ingresados en cada tramo de tuber-
a(FIG.14) y en cada nudo (FIG. 15).
FIG. 14EJEMPLO DE DATOS INGRESADOS EN TRAMO DE TUBERA
FUENTE: LA AUTORA
-
56
FIG. 15EJEMPLO DE DATOS INGRESADOS EN NUDOS
FUENTE: LA AUTORA
La modelacin de la red, se realiz tomando algunas variantes en las conside-
raciones hidrulicas, en cuanto al primer y segundo modelo de Clment. As se
realizaron en los siguientes escenarios.
PRIMER MODELO DE CLMENT Y PERDIDAS POR HAZEN-
WILLIAMS(Anexo 2)
PRIMER MODELO DE CLMENT Y PERDIDAS POR DARCY-
WEISBACH(Anexo 3)
SEGUNDO MODELO DE CLMENT Y PERDIDAS POR HAZEN-
WILLIAMS (Anexo 4)