CAPITULO XIII DISEÑO DE SISTEMAS DE RIEGO POR GOTEO1, 2, 3 Megh R. Goyal, Luís E. Rivera Martínez y José V. Pagan Crespo 1.0 Introducción ----------------------------------------------------------------------2.0 Conceptos --------------------------------------------------------------------------3.0 Cartas y Procedimientos de diseño ---------------------------------------------3.1 Carta de diseño de la línea laterales pendientes uniformes -------------3.2 Carta de diseño general para la línea lateral y secundaria en pendientes uniformes -----------------------------------------3.3 Diseño de línea lateral en pendientes no uniformes ---------------------3.4 Diseño de líneas de riego por goteo con distintos tamaños para líneas laterales y secundarias -----------------------------------------3.5 Carta de diseño simplificada para líneas secundarias y principales 3.6 Diseño de la línea principal -------------------------------------------------4.0 Ejemplo de diseño -------------------------------------------------------------4.1 Diseño de líneas laterales en pendientes uniformes ---------------------4.1.1 Ejemplo numero 1 -----------------------------------------------------4.1.2 Ejemplo numero 2 -----------------------------------------------------4.1.3 Ejemplo numero 2A --------------------------------------------------4.1.4 Ejemplo numero 3 -----------------------------------------------------4.2 Diseño de líneas laterales en pendientes no uniformes -----------------4.2.1 Ejemplo numero 4 ----------------------------------------------------4.3 Diseño de la línea lateral con tubos de diferentes tamaños -------------4.3.1 Ejemplo numero 5 -----------------------------------------------------4.3.2 Ejemplo numero 6 -----------------------------------------------------4.4 Diseño de la línea secundaria utilizando un tamaño individual --------4.4.1 Ejemplo numero 7 -----------------------------------------------------4.4.2 Ejemplo numero 8 -----------------------------------------------------4.4.3 Ejemplo numero 9 -----------------------------------------------------4.5 Diseño de la línea secundaria con tubos de diferentes tamaños -------4.5.1 Ejemplo numero 10 ---------------------------------------------------4.6 Diseño de la línea principal ------------------------------------------4.6.1 Ejemplo numero 11 --------------------------------------------5.0 Bibliografía -------------------------------------------------------------------
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Manejo de Riego Por Goteo
Capítulo XIII: Diseño de Sistemas de Riego por Goteo
_________________________________ 1
Este capítulo fue preparado para el libro “Manejo de Riego Por Goteo”. Autor: Dr. Megh R. Goyal, Profesor en Ingeniería Agrícola y Biomédica, Universidad de Puerto Rico- Recinto de Mayagüez, P.O. box 5984, Mayagüez, Puerto Rico 00681-5984. Para detalles puede comunicarse por correo electrónico:
[email protected] o visitar a la página de internet: http://www.ece.uprm.edu/~m_goyal/home.htm
2
Esta publicación es propiedad pública. Ejemplares pueden reimprimirse con la debida referencia al autor y el servicio de Extensión Agrícola - Universidad de Puerto Rico, Mayagüez – Puerto Rico, EEUU.
3
Traducción al español, modificada, de la publicación No. 144 y 156, Drip Irrigation System Design, de Wu I.P. y H.M. Gitlin. Cooperative Extensión Service, University of Hawai.
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Manejo de Riego Por Goteo
1.0
Capítulo XIII: Diseño de Sistemas de Riego por Goteo
INTRODUCCION Un sistema de riego por goteo consiste de líneas principales, líneas secundarias y
laterales. Las líneas laterales pueden ser de tubo plástico pequeño combinado con goteros, o simplemente
de tubo plástico de baja presión con orificios. Están diseñadas para
distribuir agua al campo con un grado aceptable de uniformidad. La línea secundaria actúa como un sistema de control, la cual puede ajustar la presión de agua de tal forma que suministre la cantidad de flujo requerido en cada lateral. También se utiliza para controlar el tiempo de riego en campos individuales. La línea principal sirve como un sistema de transporte para suministrar la cantidad total de agua requerida en el sistema de riego. Los goteros, líneas laterales, líneas secundarias y principales se consideran partes principales del sistema. Hay otros componentes importantes tales como filtros, reguladores de presión, indicadores de presión, válvulas, inyectores de fertilizante, y otros, los cuales sirven diferentes propósitos en un sistema de riego. 2.0
CONCEPTOS BASICOS DE HIDRAULICA Un sistema de riego por goteo está hecho de la combinación de tubos plásticos de
diferentes tamaños, los cuales usualmente se consideran como conductos lisos. La fórmula de Blasius se puede utilizar para determinar el flujo turbulento en un conducto liso [5,6]. Una ecuación empírica que frecuentemente se utiliza para este propósito es la formula de Williams y Hazen [3]. La ecuación /1/ en el cuadro 1 indica la relaciones hidráulicas para tubería lisa y c = 150. La ecuación 1 se utiliza para determinar la pérdida o caída en energía para la sección de línea principal. En la ecuación /1/ en el cuadro 1: H = Pérdida de la energía por fricción en pies o metros. L = Largo de la sección de tubos en pies o metros.
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Capítulo XIII: Diseño de Sistemas de Riego por Goteo
Cuadro 1. Ecuaciones para los conceptos básicos de la hidráulica. Δ H = 9.76 x 10
−4
x (Q 1.852 /D 4.871 ) x Δ L
F.P.S.
/1a/
Δ H = 15.27 x (Q 1.852 /D 4.871 ) x Δ L
M.K.S
−4
F.P.S.
/2a/
M.K.S
/2b/
Δ H = 3.42 x 10
x (Q 1.852 /D 4.871 ) x L
Δ H = 5.35 x (Q 1.852 /D 4.871 ) x L
/1b/
R i = 1 – [1-i] 2.852
-
/3/
(dh/dl) = -S f ± S o
-
/4/
q = C x ( h ) o q = C x (h) 0.5
-
/5/
q var = 1 – [1-h var ] 0.5
-
/6/
q var = [q max - q min ]/q max
-
/7/
h var = [h var − hmin ]/h max
-
/8/
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Capítulo XIII: Diseño de Sistemas de Riego por Goteo
Q = Descarga total en el tubo en galones por minuto (gpm) o litros por segundo (lps). D = Diámetro interno del tubo en pulgadas o centímetros. La condición del flujo en la línea secundaria o lateral es constante y varia especialmente con los flujos de la lateral. Puesto que la descarga en la línea decrece con respecto al largo, la pérdida será menos que la dada en la ecuación /1/. La pérdida de energía debido a fricción para la línea lateral o secundaria puede ser expresada como se muestra en la ecuación /2/. En la ecuación /2/ y en el cuadro 1: H = Pérdida total de energía por fricción al final de la línea lateral(o secundaria) en pies o metros. Q = Descarga total de la entrada de la línea lateral (o secundaria) en gpm o lps. D = Diámetro interno de la lateral (o secundaria) en pulgadas o centímetros. L = Largo total de la línea lateral (o secundaria) en pies o metros. Como la descarga en la línea lateral (o secundaria) decrece con respecto al largo, la línea del gradiente de energía seguirá una curva de tipo exponencial [2,5], en vez de una línea recta. La forma de la línea del gradiente puede expresarse por medio de una línea del gradiente de energía sin dimensiones como se muestra en la ecuación /3/. En la ecuación /3/ y en el cuadro 1: R i = H i / ΔH , y se conoce como la razón de pérdida de energía por la fricción. H = Pérdida total de energía determinada por la ecuación /2/. H i = Pérdida total de energía expresada en pies o metros a una razón de largo i, (i = 1/L). L = Largo total en pies o metros. l = Largo dado, medido desde la sección final de la línea en pies o metros. La ecuación /3/ se puede utilizar para determinar el patrón de pérdida en energía a lo largo de una línea lateral (o secundaria) cuando la pérdida total en energía ( ΔH ) es determinada y conocida.
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Si la línea de riego por goteo (lateral o secundaria) se coloca sobre un terreno llano, la variación en presión a la largo de la línea estará indicada por la línea del gradiente de energía. Si la línea de riego por goteo se coloca arriba o hacia debajo de pendientes, la variación en presión será afectada por las pendientes. La variación en presión (el cambio en presión con respecto al largo) se puede determinar como una combinación lineal de la energía de la pendiente y la pendiente de la línea, asumiendo que el cambio de la cabecera de velocidad es pequeño o insignificante. Esta puede expresarse como se muestra en la ecuación /4/. Esta relación se puede utilizar para pendientes uniformes y no uniformes [6]. En la ecuación /4/ y en el cuadro 1: Sf
= Energía de la pendiente o la línea del gradiente de energía.
± S 0 = Pendientes de la línea, con signo positivo cuando la línea esta hacia de bajo de la pendiente, y con signo negativo cuando la línea esta hacia arriba de la pendiente. Hidráulicamente, la variación en presión a lo largo de una línea lateral causará una variación en el flujo del gotero a lo largo de la lateral. Una variación en presión a lo largo de la línea secundaria causaría una variación en el flujo del gotero a lo largo de la lateral (hacia cada línea lateral) a lo largo de la línea secundaria. Para los tipos de gotero de orificios más comunes, y asumiendo un flujo turbulento en las laterales, la descarga del gotero (o el flujo lateral para la secundaria) y de la cabecera de presión puede expresarse por medio de una función simple como en la ecuación /5/. En el cuadro 1 y en la ecuación /5/: q = Flujo de gotero (o flujo hacia la lateral). h = Cabecera de presión.
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La variación en presión y la variación en el flujo de gotero están relacionadas y pueden expresarse como se muestra en las ecuaciones /6/ y /7/. La variación en presión se define como se muestra en la ecuación /8/. En las ecuaciones /6/, /7/, /8/: q var = Flujo del gotero (o flujo lateral para la línea secundaria y se define como en la ecuación /7/. q max = Flujo máximo del gotero (o flujo lateral máximo para la línea secundaria). q min = Flujo mínimo del gotero a lo largo de la línea lateral (o flujo mínimo para la línea secundaria). h max = La cabecera de presión máxima a lo largo de la línea lateral (o línea secundaria. h min = Las cabeceras de presión máxima y mínima respectivamente a lo largo de la lateral (o línea secundaria). Los criterios [6] que se usan en el diseño son una variación en el flujo del gotero menos de el 20% (aproximadamente 40% para variación en presión) para diseño de línea lateral y una variación en el flujo de la lateral menos de 5% (aproximadamente 10% para variación en presión) para el diseño de la línea secundaria. 3.0
CARTAS Y PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO Las cartas de diseño fueron desarrolladas basadas en la hidráulica básica de las
líneas de riego por gotero y con una simulación computarizada [4, 6,7] para el diseño de la línea lateral, línea secundaria y línea principal. Las cartas de diseño y sus procedimientos están dadas en las siguientes secciones: 3.1
Cartas de diseño de la línea lateral en pendientes uniformes Las cartas de diseño de la línea lateral fueron desarrolladas para los diseños de
tubos comúnmente utilizados. Las graficas de diseño para laterales de 0.5 pulgadas están
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Capítulo XIII: Diseño de Sistemas de Riego por Goteo
dadas en las figuras 1, 2, 3, y 4. Las figuras 5 y 6 muestran las graficas de diseño para laterales de 12 mm y 16 mm respectivamente. Los procedimientos son: Paso 1: Establezca el largo de la lateral (L), la cabecera de presión operacional (H), la razón L/H y la descarga total Q en gpm o lps. Paso 2: Muévase verticalmente desde L/H en el tercer cuadrante a la descarga total dada (gpm) o (lps) en el segundo cuadrante; entonces establezca una línea horizontal hacia el primer cuadrante. Paso 3: Muévase verticalmente desde L/H (tercer cuadrante) al por ciento pendiente en el cuarto cuadrante; entonces establezca una línea vertical hacia el primer cuadrante. Paso 4: El punto de intersección de estas dos líneas en el primer cuadrante determina la aceptabilidad del diseño. Deseable: Un coeficiente de uniformidad (CU) mayor de 98%; equivalente a una variación en el flujo del gotero menos de 10% o una variación en presión mayor de 20%. Aceptable: Coeficiente de uniformidad (CU) entre 95 y 98 %; equivalente a una variación en el flujo del gotero alrededor de 10 a 20% o variación en presión mayor de 40%. No Recomendable: Coeficientes de uniformidad menores de 95%; equivalente a una variación en el flujo del gotero mayor de 20% o una variación en presión mayor de 40%. 3.2
Carta de diseño general para la línea lateral y secundaria en pendientes uniformes Las cartas de diseño general fueron desarrolladas haciendo uso de términos sin
dimensiones, caída total de diseño la línea lateral (Figuras 1 a 4 para el sistema inglés, y figura 6 para sistema métrico). Estas cartas de diseño revisadas, como se muestran en las figuras 7 y 8, son sin dimensiones y se pueden utilizar para todos los tamaños de línea; y son aplicables tanto para las líneas secundarias como para las laterales. La figura 9 es para el sistema inglés y la figura 10 es para el sistema métrico, son para determinar Δ H/L a partir de la carga total y el tamaño de la línea. Este grupo de cartas de diseño puede utilizarse para revisar la aceptabilidad del diseño, si el tamaño de la lateral es dado, o para
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Figura 1. Carta de diseño de la línea lateral de ½ pulgadas (hacia debajo de la pendiente).
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Figura 2. Carta de diseño de la línea lateral de ½ (hacia arriba de la pendiente).
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Figura 3. Carta de diseño de la línea lateral de ½ pulgada (hacia abajo de la pendiente).
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Figura 4. Carta de diseño de la línea lateral de ½ pulgada (hacia arriba de la pendiente).
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Figura 5. Carta de diseño para línea lateral de 12 mm (Pendiente hacia abajo y hacia arriba).
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Figura 6. Carta de diseño para línea lateral de 16 mm (Pendiente hacia abajo y arriba).
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seleccionar un tamaño apropiado de lateral para cumplir con los criterios del diseño. Los procedimientos del diseño son: A. Para revisar la aceptabilidad del diseño( si conocemos el tamaño de la línea lateral o secundaria) Paso 1: Establezca la prueba L/H y la descarga total. Paso 2: Debe usar la descarga total y el tamaño de la línea lateral para determinar Δ H/L, en las figuras 9 ó 10. Paso 3: Muévase verticalmente desde L/H (tercer cuadrante) hacia el valor determinado de Δ H/L en el segundo cuadrante [figuras 7 y 8]; entonces establezca una horizontal hacia el primer cuadrante. Paso 4: Muévase horizontalmente desde L/H hacia la pendiente de la línea en el cuarto cuadrante; entonces establezca una línea vertical hacia el primer cuadrante. Paso 5: El punto de intersección de estas dos líneas en el primer cuadrante determina la aceptabilidad del diseño: Zona A- Deseable, variación en el flujo de los goteros, menos de 10%. Zona B- Aceptable, variación en el flujo de los goteros entre 10 y 20 %. Zona C- No recomendable, variación en el flujo de los goteros mayor de 20%. B. Para seleccionar el tamaño apropiado de la línea lateral ( o secundaria) Paso 1: Establezca una prueba L/H y la descarga total. Paso 2: Muévase horizontalmente desde L/H hacia la pendiente de la línea (hacia arriba o hacia abajo) en el cuarto cuadrante. Desde este punto establezca una línea vertical hacia el primer cuadrante. Paso 3: Establezca un punto a lo largo de esta línea en el primer cuadrante en el margen superior de la región deseada o región aceptable dependiendo del criterio de diseño. Desde este punto establezca una línea horizontal hacia el segundo cuadrante. Paso 4: Establezca una línea vertical hacia el segundo cuadrante desde el valor L/H de tal forma que esta intercepte el punto en la línea horizontal indicada en el paso 3. Paso 5: Determine el valor de Δ H/L en el segundo cuadrante en este punto.
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Figura 7. Carta de diseño general sin dimensiones (la pendiente de línea hacia abajo).
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Figura 8. Carta de diseño general sin dimensiones (hacia arriba de la pendiente).
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Figura 9. Monógrafo para el diseño de líneas laterales y secundarias en F.P.S.
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Figura 10. Monógrafo para el diseño de líneas laterales y secundarias en unidades métricas (M.K.S.).
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Paso 6: De las graficas (figura 9 y 10) se calcula la descarga total y el valor Δ H/L y asía se establece el tamaño mínimo de la línea lateral de acuerdo al criterio escogido. 3.3
Diseño de líneas laterales en pendientes no uniformes Una carta de diseño simple fue desarrollada según muestra en la figura 11 para el
diseño de la línea lateral en pendientes no uniformes [9]. La carta no tiene dimensiones, la cual puede ser utilizada tanto para unidad inglés como para unidades métricas. Los procedimientos son: Paso 1: Divida el perfíl de la pendiente no uniforme en varias secciones, en la cual cada sección pueda considerarse como una pendiente uniforme. Determine la pendiente de cada sección; calcule la ganancia (o la pérdida) de energía en cada sección debido a su pendiente, y encuentre la energía total ganada por las pendientes de cualquier sección a lo largo de la línea ( Δ H i ). Paso 2: Trace el patrón de la pendiente no uniforme en una forma sin dimensiones: 1/L vs. ΔH i /L en el primer cuadrante de la figura 11. Paso 3: Determine la energía total pérdida por fricción ( ΔH ), utilizando la ecuación 2, calcule la razón entre pérdida total en energía ( ΔH ) y la cabecera de presión operacional, ΔH /H (o utilice la figura 9 o 10). Paso 4: Determine la razón entre el largo de la lateral (L) y la cabecera de presión operacional H, L/H. Paso 5: Seleccione un punto del perfíl de la pendiente no uniforme en el primer cuadrante, usualmente un punto entre dos pendientes o el centro de la sección. Paso 6: Desde este punto, trace una línea vertical hacia abajo del valor L/H determinado en el cuarto cuadrante, y establezca una línea horizontal hacia el tercer cuadrante. Paso 7: También desde este punto antes indicado en el paso 5, trace una línea horizontal al H/H determinado en el segundo cuadrante, entonces establezca una línea hacia el tercer cuadrante. Paso 8: La localización del punto de intersección de estas dos líneas en el tercer cuadrante mostrara la variación en la presión de la presión operacional. Paso 9: Repita el mismo procedimiento para varios otros puntos en el perfíl de la pendiente no uniforme sin dimensiones y revise las variaciones en presión de estos puntos de la presión operacional.
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Figura 11. Carta de diseño para pendientes no uniformes.
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Capítulo XIII: Diseño de Sistemas de Riego por Goteo
Diseño de líneas de riego por goteo con distintos tamaños para líneas laterales y secundarias [10] La mayoría de las líneas laterales y secundarias en riego por goteo están diseñadas
para un tubo de tamaño particular. La línea del gradiente de energía para una lateral de un tamaño sencillo ha sido derivada y se presenta mediante una curva exponencial, la cual se utiliza como base para diseñar líneas laterales o secundarias en sistemas de riego por goteo en campos nivelados o en pendientes uniformes. Sin embargo, bajo ciertas condiciones de campo el largo de las líneas laterales y secundarias puede ser relativamente grande y tener pendientes no uniformes. El diseño de las líneas laterales y secundarias debe ser una serie de tubos de diferentes tamaños. Si la línea lateral o secundaria de tamaño individual esta diseñada de modo tal que la energía total pérdida por fricción ( Δ H) esta balanceada por la energía ganada por vertientes de la pendiente (H), al final de la línea, la variación máxima en presión será (0.36 ΔH i ) o (0.36 S o L), en donde : S o = Pendiente de la línea lateral o secundaria. L = Largo de la línea. Esto se debe a la forma curva de la línea del gradiente de energía. La variación máxima en presión ocurrirá cerca del centro de la sección individual de la línea. Cuando se puede utilizar una serie de líneas de diferentes tamaños en el diseño de líneas laterales o secundarias, la variación máxima en presión puede reducirse. Al cambiar el tamaño de la línea es posible aproximar la pérdida por fricción mas cerca a la energía ganada en todos los puntos a lo largo de la línea. Si se puede utilizar tres, cuatro o más tamaños diferentes, la variación en presión a lo largo de la línea será menos, según lo muestra la figura 12. La pendiente de la línea de cada sección puede ser utilizada como la
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energía para diseñar el tamaño de la línea. Esto puede ser utilizado para pendientes uniformes como para las no uniformes. Este concepto ha demostrado que si una línea secundaria o lateral puede dividirse en diferentes secciones, y se diseñan diferentes tamaños para cada sección, la línea del gradiente de energía de cada sección seria bien cerca a una línea recta. Esto también muestra que cuando se divide la línea secundaria en secciones, la descarga principal de cada sección puede ser utilizada para calcular la energía total pérdida por fricción; lo cual es la base para el diseño del tamaño de la tubería. Con estas variables, el ingeniero puede diseñar secciones de líneas laterales utilizando la figura 13. Este enfoque puede utilizarse tanto para pendientes uniformes como para pendientes no uniformes; sin embargo, todas las pendientes tienen que ser hacia debajo de las vertientes. 3.5
Carta de diseño simplificada para líneas secundarias principales. Carta de diseño similares a la figura 1 y 2 para sistema inglés y 5 y 6 para sistema
métrico pueden desarrollarse para el diseño de líneas secundarias, si las cartas están hechas para tubos de mayor tamaño. La carta de diseño de pendiente no uniforme pueden ser utilizadas también para el diseño de líneas secundarias; sin embargo, dado que el largo de las líneas secundarias es relativamente corto, se pueden asumir usualmente como una pendiente uniforme. Dos cartas de diseño para líneas secundarias fueron desarrolladas: Una para líneas con pendiente igual o mayor a 0.5%, y la otra para secundarias con pendiente menor de 0.5%. Las dos cartas de diseño simplificadas están dadas en las figuras 14 y 15 para sistema inglés y 16 y 17 para sistema métrico.
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Figura 12. Líneas del gradiente de energía sin dimensiones para líneas de riego con diferente tamaño.
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Figura 13. Monógrafo del diseño de líneas secundarias y principales para riego por goteo (unidades británicas, F.P.S.).
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Figura 14. Carta de diseño para la línea secundaria pendiente mayor de 0.5 % (unidades británicas, F.P.S.).
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Figura 15. Carta de diseño para la línea secundaria pendiente mayor de 0.5 % y variación permisible en presión de 20 % (unidades británicas, F.P.S.).
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Figura 16. Carta de diseño para la línea secundaria pendiente igual o mayor de 0.5 % (M.K.S.).
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Figura 17. Carta de diseño para la línea secundaria pendiente menor de 0.5 % y variación permisible en presión de 10 % (M.K.S.).
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Dado que el largo de la línea secundaria es usualmente corto, entre 66 y 200 pies (= 20 a 60 metros), y si la cabecera de presión operacional es de 20 a 30 pies (= 6 a 9 metros) las dos cartas de diseño simplificados darán una variación con flujo lateral menor de 5 %. Los procedimientos de diseño son: Paso 1: Determine la descarga total Q, para la línea secundaria Paso 2: Determine la razón entre el largo y la cabecera de presión, L/H. Paso 3: Determine la pendiente de la línea secundaria. Si la pendiente es igual o mayor de 0.5%, use la figura 14 o 16 para diseñar el tamaño de la línea secundaria. Paso 4: Si la pendiente es menor de 0.5%, utilice la figura 15 o 17 para determinar el tamaño de la línea secundaria. 3.6
Diseño de la línea principal El diseño de la línea principal no es un problema, si se trata de un sistema de riego
por goteo simple en el cual la línea principal suple agua para uno de dos subcampos. Esta línea principal esta diseñada basada en la descarga total requerida para la misma, el largo y la pérdida de energía permisible según la ecuación /1/. Cuando la línea principal suministra agua a muchas líneas secundarias (o a muchos subcampos), la descarga total en la sección de línea principal disminuye con respecto al largo de la línea principal. El tamaño de la línea principal para diferentes secciones dependerá de la forma de la línea del gradiente sobre la línea principal. La solución óptima puede obtenerse utilizando un programa computarizado. El concepto del gradiente de energía recto fue desarrollado [4] para el diseño de las líneas principales, lo cual simplifica el procedimiento de diseño grandemente y solo cuesta aproximadamente 2% más que aquel de la solución optima. Dado que el procedimiento del diseño es simple, el mismo
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puede ser también utilizado para diseñar arreglos alternos de las líneas principales en el campo. Los procedimientos de diseño son: Paso 1: Trace los perfíles (pendientes) de la línea principal y la presión requerida para la operación del riego por goteo según la figura 18 para sistema inglés y 19 para sistema métrico. Paso 2: Trace una línea del gradiente de energía desde la presión operacional disponible hasta el perfíl de presión requerido (figura 18 y 19), de modo tal que en cualquier punto a lo largo de la línea principal, la línea del gradiente de energía este sobre el perfíl de presión requerida. Paso 3: Determine la pendiente de energía, lo cual es la pendiente del gradiente de energía recto, Δ H/L. Paso 4: Determine la descarga requerida en cada sección de la línea principal. Paso 5: Diseñe el tamaño de la línea principal utilizando la figura 20 o 21 basado en la pendiente de energía (determinado en el paso 3)y la descarga total(determinada en el paso 4) para cada sección de la línea principal. 4.0
EJEMPLOS DE DISEÑO A continuación se presentaran varios ejemplos para mostrar el uso de la carta
desarrolladas para diseñar sistemas de riego. 4.1
Diseño de líneas laterales en pendientes uniformes
4.1.1 Ejemplo de diseño No. 1 La presión operacional de la línea lateral es de 6.5 psi (o 15 pies de cabecera), el largo de la línea lateral es de 300 pies; la descarga total es de dos gpm; la pendiente de la línea lateral es de 2 % (hacia debajo de la vertiente); y el tamaño de la línea lateral es 0.5 pulgadas (I.D.= 0.625 pulgadas). Revise la aceptabilidad del diseño. Pueden leerse de las figuras 1 y 3 mediante el siguiente procedimiento:
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Figura 18. Perfíl de la línea principal y línea del gradiente de energía (FPS).
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Figura 19. Arreglo de la línea principal y línea del gradiente de energía (MKS).
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Figura 20. Monógrafo del diseño de líneas secundarias y principales para riego por goteo (unidades británicas, F.P.S.).
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Figura 21. Monógrafo del diseño de líneas secundarias y principales para riego por goteo (unidades métricas, M.K.S.).
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a. Calcular L/H = 20 b. De la figura 1 (o figura 3) en el tercer cuadrante, muévase verticalmente desde L/H = 20 hacia la línea de descarga total (Q= 2 gpm); entonces establezca una línea horizontal hacia el primer cuadrante. c. Muévase horizontalmente desde L/H = 20 en el tercer cuadrante a la línea de pendiente de 2 % en el cuarto cuadrante; entonces establezca una línea vertical hacia el primer cuadrante. d. El punto de intersección de las dos líneas en el cuadrante muestra un coeficiente de uniformidad C u = 97 % y variación en el flujo de los goteros = 13%. El diseño es aceptable.
4.1.2 Ejemplo de diseño No. 2 El largo de la línea lateral en un campo de hortalizas es de 150 pies y la pendiente de la línea es 1 % hacia debajo de la vertiente. La separación de los goteros es de 1 pie, y estos están instalados dentro de la línea lateral. El flujo de los goteros es de un gph a una presión operacional de 15 psi. Diseñe el tamaño de la línea lateral con la siguiente información: Largo de la lateral, L Presión operacional, H Numero de goteros Descarga total, Q
= 150 pies. = 15 psi = 34 pies de cabecera. = 150 psi. = 150gph = 2.5 gpm.
Procedimiento de diseño: a. Calcular 1/H= 150/34 = 4.4 b. Usando la figura 7 y utilizando la razón deseable (Zona A) como criterio de diseño, se determina el valor Δ H/L = 6. c. De la figura 9 y utilizando la descrea total Q = 2.5 gpm y Δ H/L = 6, se determina el tamaño mínimo de la lateral = 0.5 in (I.D.).
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Capítulo XIII: Diseño de Sistemas de Riego por Goteo
4.1.3 Ejemplo de diseño No. 2 A Asumiendo las mismas condiciones indicadas en el ejemplo 4.1.2, diseñe el tamaño de la línea lateral, dada la siguiente información: Largo de la lateral = 50 metros Presión operacional = 10 metros Numero de goteros = 105 Descarga Total Q = 600 1ph = 0.167 lps Procedimiento de diseño: Paso 1: Determine L/H = 50/10 =5 Paso 2: De la figura 5, muévase verticalmente desde L/H a la descarga total de la línea Q = 0.167; entonces establezca un línea horizontal hacia el primer cuadrante. Paso 3: Muévase horizontalmente desde L/H = 5 a la línea de la pendiente de 1 % en el cuarto cuadrante; entonces establezca una línea vertical hacia el primer cuadrante. Paso 4: La línea de interacción esta en la línea aceptable, por lo tanto la línea lateral de 12 mm es usada en el diseño. 4.1.4
Ejemplo de diseño No. 3 El largo de la línea lateral en un campo de hortalizas es de 100 metros, y la
pendiente de la línea lateral 1% hacia debajo de la vertiente. El flujo de los goteros es de 4 lph a una cabecera de presión operacional de 10 metros. Diseñe el tamaño de la línea lateral con la siguiente información: Largo de la línea lateral = 100 metros Presión operacional H = 10 metros Números de goteros = 300 Descarga Total Q = 1,200 1ph = 0.334 1ps Procedimiento de diseño: Paso 1: Determine L/H = 100/10 =10
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Capítulo XIII: Diseño de Sistemas de Riego por Goteo
Paso 2: En la figura 7 y 8, muévase horizontalmente desde L/H = 10 hacia la línea de 1% de pendiente en el tercer cuadrante. Desde este punto establezca una línea vertical hacia el primer cuadrante. Paso 3: Establezca un punto a lo largo de esta línea en el primer cuadrante, en el margen superior de la región deseable. Desde este punto establezca una línea horizontal hacia el segundo cuadrante. Paso 4: Establezca una línea vertical en el segundo cuadrante desde L/H = 10 de modo que interseque la línea horizontal del paso tres en un punto. Paso 5: En este punto, determine Δ H/L = 3.5 en el segundo cuadrante. Paso 6: Con la figura 4, usando la descarga total Q = 0.334 lps y Δ H/L = 3.5 se determina que el tamaño mínimo de la lateral = 19 mm (o utilice el tamaño disponible mayor que 19 mm).
4.2
Diseño de línea lateral en pendientes no uniformes
4.2.1 Ejemplo de diseño No. 4 Una línea de 0.5 pulgadas (16 mm) de diámetro y 400 pies (120 pies) de longitud descansa en una pendiente no uniforme. La situación de la pendiente no uniforme puede expresarse como sigue: 0-100 pies (0-30 m) = 3% de vertiente hacia abajo; 100 pies a 200 pies (30 a 60 m) = 2% de vertiente hacia abajo; 200 a 300 pies (60 a 90 m) = 0 % de vertiente hacia abajo; 300 a 400 pies (90 a 120 m) = 3 % de vertiente hacia abajo. La presión operacional para el riego por goteo es 15 psi (cabecera de presión = 10 m) y la descarga total para la línea lateral es 2 gpm (0.13 lps). Suponga que la pérdida total de energía por fricción es 5 pies (1.5 m). Revise la variación en presión con la siguiente información: H = 34 pies (10 m). L = 400 pies (120 m). Δ H = 5 pies (1.5 m) calculado por ecuación /2/.
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Procedimiento de diseño: a.
Determine: L/H = 11.76 sistema inglés o 12 sistema métrico Δ H/H = 0.147 sistema inglés o 0.15 sistema métrico
b.
Pendientes no uniformes: Trace 1/L vs. H i /L en el primer cuadrante (Figura 22). 1/L 0.25 0.50 0.75 1.00
c.
Δ H i (m) 0.9 1.5 1.5 2.4
H i (m) 3 5 5 8
H i /L 0.0075 0.0125 0.0125 0.02
Siga el procedimiento dado en la sección previa para revisar la variación en presión para cuatro puntos a la razón de 0.25, 0.50, 0.75, 1.00 de largo respectivamente. Los resultados están dados en la figura 22. Se ha encontrado en tercer cuadrante
que la variación en presión a lo largo de la línea lateral es menos de 10%. El diseño es aceptable. 4.3
Diseño de la línea lateral con tubos de diferentes tamaños
4.3.1 Ejemplo de diseño No. 5 En un campo de papayas, la línea es de 1000 pies de largo y descansa en una vertiente hacia abajo de 5%. La línea lateral esta diseñada para regar dos líneas de papayas. El espacio entre las plantas es de 5 pies en la línea, y dos hileras están en una posición alternada. Se conecta un micro tubo desde la línea lateral para riego, y se supone que cada micro tubo descargue 2 gph para riego bajo presión operacional de 10 psi. Diseñe el tamaño de la línea lateral cuando se pueden utilizar diferentes tamaños de tubería a lo largo de la lateral.
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Capítulo XIII: Diseño de Sistemas de Riego por Goteo
Los procedimientos son: 1.
Descarga total, Q= 13.33 gpm
2.
Pendiente de la línea lateral = 5%
3.
Si la línea lateral se divide en 10 secciones, el tamaño de la lateral puede determinarse de la figura 13. Sección
Descarga Principal (gpm)
Tamaño de la línea lateral (in)
1
12.60
1.25
2
11.30
1.25
3
09.98
1.00
4
08.50
1.00
5
07.30
1.00
6
06.00
1.00
7
04.66
0.75
8
03.33
0.75
9
02.00
0.50
10
00.67
0.50
4.3.2 Ejemplo de diseño No. 6 Diseñe el tamaño de la línea lateral. Si la línea lateral en el ejemplo 5 descansa en una pendiente no uniforme (hacia debajo de la vertiente) como se ilustra a continuación: 0-200 pies =5% 200-400 pies = 3 % 400-60 pies = 1 % 600-80 pies = 3 % 800-1000 pies = 5 % Los procedimientos de diseño son:
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Capítulo XIII: Diseño de Sistemas de Riego por Goteo
1. Descarga total, Q= 13.33 gpm 2. Pendiente de la línea lateral = no uniforme 3. Si la línea lateral se divide en 10 secciones, el tamaño de la lateral puede determinarse de la figura 13.
Sección
Descarga (gpm)
Pendiente (%)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
12.6 10.3 9.9 8.5 7.3 6.0 4.66 3.33 2.0 0.67
5 5 3 3 1 1 3 3 3 5
Tamaño de la línea lateral(in) 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 1.00 0.75 0.75 0.50
4.4
Diseño de la línea secundaria utilizando un tamaño individual
4.4.1
Ejemplo de diseño No. 7 Una subparcela de un campo de caña de azúcar tiene tamaño de un acre y forma
rectangular. El largo de la línea secundaria es de 100 pies y tiene una pendiente de 0. La descarga total requiere que la línea secundaria suministre 15 gpm, y la presión operacional es de 34 pies. Diseñe el tamaño de la línea secundaria. Los procedimientos son: 1. Descarga total = 15 gpm 2. Razón de largo de la línea secundaria y la presión operacional L/H = 100/34 = 3 3. Pendiente de la línea secundaria = 0 4. En la figura 7, Δ H/L se encuentra que es 10 % (variación en presión de 20%). 5. En la figura 9, el tamaño de la línea = 1 pulgada 6. El diseño puede ser también resuelto utilizando la carta de diseño simplificada (figura 15). El tamaño de la línea secundaria resulta ser 1 pulgada.
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Capítulo XIII: Diseño de Sistemas de Riego por Goteo
4.4.2 Ejemplo de diseño No.8 El ejemplo 7 con 5% de pendiente en la línea secundaria (hacia debajo de la vertiente). Diseñe el tamaño de la línea secundaria. Los procedimientos de diseño son: 1. Descarga total Q = 15 gpm 2. Razón de largo de la línea secundaria y la cabecera presión operacional L/H = 100/34= 3 3. Pendiente de la línea secundaria : 5% hacia debajo de la vertiente. 4. De la figura 14, el tamaño de la línea secundaria se designa como una pulgada.
4.4.3 Ejemplo de diseño No. 9 Una línea secundaria de 10 mm de longitud esta instalada en un campo de hortalizas. El espacio de la línea lateral es de 1 metro, hay un total de 10 líneas laterales conectadas a la línea secundaria. La línea secundaria descansa en una situación nivelada (pendiente = 0). Diseñe el tamaño de la linea secundaria con la siguiente información: Largo de la secundaria, L = 10m Presión operacional, H = 10m Descarga total para cada lateral, q = 0.167 lps
Procedimiento de diseño: 1. Descarga total, Q= 0.167 x 10 = 1.67 lps 2. Razón del largo de la secundaria y la cabecera de presión L/H = 1 3. Pendiente de la secundaria = 0 4. Utilizando la figura 17, el tamaño de la línea secundaria se designa como 25 mm.
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4.5
Capítulo XIII: Diseño de Sistemas de Riego por Goteo
Diseño de líneas secundarias como tubos de diferentes tamaños
4.5.1 Ejemplo de diseño No. 10 En un campo de cana de azúcar se diseña la línea secundaria para controlar
un
subcampo de 2 acres. El campo tiene una forma rectangular y la línea secundaria tiene una longitud de 300 pies. La pendiente es de 3 % (hacia debajo de la vertiente). Diseñe el tamaño de la línea secundaria cuando se pueden se pueden utilizar tubos de diferentes tamaños para la secundaria. Los procedimientos son: a. Descarga total = 40 gpm b. Pendiente = 3 % uniforme (hacia debajo de la vertiente) c. Si la líen secundaria se divide en 10 secciones, el tamaño de la secundaria para cada sección puede determinarse de la figura 13. Sección Descarga Principal Tamaño de la línea (gpm) lateral(in) 1 38 2 2 34 2 3 30 2 4 26 1.5 5 22 1.5 6 18 1.5 7 14 1.5 8 10 1.25 9 6 1 10 2 3/4
4.6
Diseño de la línea Principal
4.6.1 Ejemplo de diseño No.11 Un sistema de riego por goteo está diseñado para un campo de papayas de 50 acres (= 20 hectáreas). El área tiene un forma rectangular y se divide en subparcelas de una acre (0.4 hectáreas), las cuales están regadas por una línea secundaria desde la línea principal
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descansa en el centro del campo con 25 acres a cada lado. Cada subparcela tiene aproximadamente 435 pies de largo (130m), 100 pies de ancho (30m), y cada sección de línea principal tiene 100 pies de largo. La capacidad del diseño es de 30 gpm (2 lps) para cada subparcela. Hay un total de 24 secciones, y al final de cada sección debe haber una salida para suplir 60 gpm (4lps) para regar ambos lados. Las pendientes de la línea principal fueron trazadas según se muestra en la figura 18 o 19 y la presión de agua requerida para la línea lateral es 10 psi (cabecera de presión de 17.5 m) Diseñe la línea principal. Los procedimientos son: 1. Trace la pendiente (perfíles de la línea principal según se muestra en la figura 18 o 19). 2. Trace la presión requerida (10 psi o 17.5 m) a lo largo de la línea principal según se muestra en la figura 18 o 19. 3. Determine la pérdida de energía. De las figuras 18 y 19, la pérdida de energía se determina como 1 %.El tamaño de la línea principal puede determinarse de la figura 20 o 21, utilizando 1 % del gradiente de energía. Los resultados se muestran en el cuadro 2. 4. El tamaño de la línea principal puede determinarse de la figura 20 o figura 21, utilizando 1 % del gradiente de energía. Los resultados se muestran en cuadro 2.
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Figura 22. Carta de diseño para pendientes no uniformes (con un ejemplo de diseño).
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Cuadro 2. Tamaños de la línea principal determinados de la figura 20 o 21. Sistema Sistema Unidades Inglés Unidades Métrico Descarga Diámetro Descarga Diámetro (gpm) (pulgadas) (lps) (cm) 0 1500 48 25 1 1400 10 46 25 2 1380 10 44 25 3 1320 10 42 20 4 1260 8 40 20 5 1200 8 38 20 6 1140 8 36 20 7 1080 8 34 20 8 1020 8 32 20 9 960 8 30 20 10 900 8 28 20 11 840 8 26 20 12 780 8 24 20 13 720 8 22 20 14 660 8 20 15 15 600 6 18 15 16 540 6 16 15 17 480 6 14 15 18 420 6 12 15 19 360 6 10 15 20 300 5 8 12.5 21 240 5 6 12.5 22 180 4 4 10 23 120 4 2 10 24 60 3 Hay una salida a la entrada de la sección 1 para regar las parcelas a ambos lados de la sección 1. Sección
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Capítulo XIII: Diseño de Sistemas de Riego por Goteo
5.0
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