Manual Riego Por Aspersion

DISEÑO DE PEQUEÑOS SISTEMAS DE RIEGO POR ASPERSION  PRESURIZADOS POR GRAVEDAD

Documento para el curso de capacitación en diseño de riego por aspersión dedicado a especialistas especialistas IR

Cajamarca, 22 a 26 de Noviembre 1999

PRONAMACHCS

SNV

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Indice:

PARTE I: CONSIDERACIONES GENERALES..........................................................3 1 Introducc Introducción...... ión............................. ............................................... ............................................... ..................................... ......................... ............3 .3 2 Proceso Proceso de diseño............ diseño................................... .............................................. ..................................................... .............................. .....4 3 El sistema de riego riego con sus componen componentes........... tes.................................. .................................. ....................5 .........5 3.1 Captación (Figura 1-A)......................................................... 1-A).................................................................................................5  ........................................5  3.2 Línea de conducción (Figura 1-B)..................................................... 1-B)................................................................................5  ...........................5  3.3 Tanques de repartición (Figura 1-C)..................................................... 1-C)............................................................................5  .......................5  3.4 Red de distribución (Figura 1-D).............................................. 1-D)..................................................................................7  ....................................7  3.5 Sectores de riego (Figura 1-E)...................................................... 1-E).....................................................................................7  ...............................7  3.6 Reservorio regulador / cámara de carga (Figura 1-F).................................................7  3.7 Hidrantes (Figura 1-G)............................................ 1-G)........................................................................................ .....................................................7  .........7  3.8 Línea de riego fijo, enterrado (Figura 1-H)..................................................................7  3.9 Línea de riego móvil (Figura 1-I)...................................................... 1-I)..................................................................................7  ............................7 

4 Algunas consideraciones sobre técnicas de riego presurizado....................8 4.1 Costos de inversión por hectárea................................................. hectárea................................................................... ..............................8  ............8  4.2 Costo real del agua.......................................................... agua............................................................................................... ..................................... .......9 4.3 Tipos de cultivo......................................... cultivo.................................................................. ................................................... ...........................................9 .................9 4.4 Presiones Disponibles .................................................. ........................................................................... .............................................10  ....................10  4.5 Síntesis.......................................... Síntesis................................................................... ................................................... .................................................. ..........................10  ..10  GOTEO........................................ GOTEO.................................................................. ................................................... ..........................................................10  .................................10 

PARTE II: PASOS DEL DISEÑO............................... .............................................. ..................................... ........................11 ..11 1 Estudio Estudio de pre-factib pre-factibilidad ilidad...................... .............................................. ............................................ .................... ............11 ........... .11 1.1 Componente Social........................................... Social..................................................................... ...................................................... ............................ ...12  1.2 Pre factibilidad Técnica......................................................... Técnica.......................................................................................... ................................. ....12  1.3 Pre factibilidad económica ................................................................................... ................................................................................... .....12 

Levantamiento topográfico y catastral.............................................................13 1.4 Introducción........................ Introducción................................................. .................................................. ...............................................................13 ......................................13 1.5 Escala......................................... Escala.................................................................. ................................................... ................................................... ......................... ....13 1.6 Elementos del terreno a mapear............................................................. mapear................................................................................13 ...................13 1.7 Organización del levantamiento........................ levantamiento................................................. .........................................................13 ................................13 1.8 Croquis.............................................. Croquis....................................................................... .............................................................. ..................................... ...........15  1.9 Anotación de lecturas en la libreta de campo............................................................15  campo............................................................15  1.10 Conversión de datos de campo para su ingreso en SURFER................................16  1.11 Dibujo................................................ Dibujo......................................................................... .................................................. ...............................................16  ......................16  1.12 Cálculo de la superficie de las parcelas..................................................................16 

2 Demanda Demanda de agua....................... agua.............................................. ......................................................... .................................. ............17 ........... .17 2.1 Plan de d e cultivos por usuario................................................. usuario.......................................................................................17  ......................................17  2.2 Definición del ETP, el Kc y la eficiencia de riego......................................................17  2.3 Eficiencia de riego............................................... riego........................................................................ .................................................. ......................... .....18  2.4 Definición de la demanda de agua de la parcela y del módulo del sistema.............19

3 Area neta regable...... regable............................. .............................................. ............................................... ...................................... .................21 ...21 3.1 El caudal de diseño del sistema........................................... sistema.................................................................... ......................................21 .............21 3.2 El área total regable................................................... regable............................................................................................... ...............................................22  ...22  1

3.3 Por usuario.............................................................. usuario....................................................................................... .................................... ...................... ...............22  ....22 

4 Lámina e intervalo de riego y selección de aspersores ...............................23 4.1 El intervalo y la dotación de riego..............................................................................23 riego..............................................................................23 4.2 La elección del aspersor................................................... aspersor................................................................................... ................................ .........25  4.3 Velocidad básica de infiltración (VBI)........................................................................27 

5 Selección Selección de sectores sectores de riego........................ riego............................................... ...............................................29 ........................29 6 Ubicación Ubicación de los hidrantes hidrantes...................... ............................................. ............................................... .................................30 .........30 6.1 Diseño de la línea de riego móvil........................................ móvil................................................................. ..................................... ..............30  ..30  6.2 Ubicaciones de la línea de riego móvil por el sector de riego...................................31 6.3 Diseño de las líneas de riego fijas (líneas de presión)..............................................32 

7 Redes de conducción, distribución, y líneas fijas de parcela......................34 7.1 Introducción........................ Introducción................................................. .................................................. ...............................................................34 ......................................34 7.2 Líneas de conducción y de distribución.......................................... distribución.....................................................................34 ...........................34 7.3 Obras de arte en las líneas de conducción y de distribución ...................................35  7.4 Obras de repartición............................................. repartición...................................................................... ......................................................35  .............................35  7.5 Reservorios/  cámaras de carga.............................................. carga............................................................................... ................................. ..39 7.6 Redes presurizadas...................................................................................................41

8 Costos Costos y presupu presupuesto......... esto................................ .............................................................. ....................................... ..............43 ........... ...43 9 Análisis Análisis de costo / beneficio... beneficio.......................... .............................................. ........................................... .................... ......45 Anexo 1: Formato para informe de pre-factibilidad de un proyecto de riego tecnificado Anexo 2: Tablas de características características de aspersores NAAN 427 427 y NAAN 501 Anexo Anexo 3: Estimación Estimación de costos costos de pequeños pequeños reservor reservorios, ios, revestimie revestimiento nto de concreto Anexo Anexo 4: Estimación Estimación de costos costos de pequeños pequeños reservor reservorios, ios, revestimie revestimiento nto de geomembrana de polietileno

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PARTE I:

1

CONSIDERACIONES GENERALES

Introducción

La elaboración de esta guía surge de la fuerte demanda que en los últimos años expresan los campesinos de la Sierra, por sistemas de riego mejorados que los permite aprovechar sus escasos fuentes de agua en forma más eficiente, y con bajo costo. Entre las diferentes soluciones: mejorar el riego por gravedad; mejoramientos de canales y de las formas de distribución del agua; y la introducción de diferentes formas de riego presurizado (micro aspersión, goteo, aspersión), hemos elaborado sobre el riego por aspersión, porque ya ha demostrado ser una técnica que fácilmente se adapta a las condiciones de Sierra, y los costos pueden ser reducidos a niveles aceptables para la agricultura de baja rentabilidad. La presente guía puede ser utilizado como acompañamiento de proyectistas que elaboran pequeños proyectos de riego por aspersión, sean ellos ingenieros civiles, agrícolas o agrónomos. Como habilidades se suponen presentes, el manejo de instrumentos topográficos y de los métodos de levantamientos topográficos sencillos; uso de computadoras (MSWINDOWS, EXCEL, SURFER) y algunos bases de hidráulica. Con esta guía y la utilización de algunos paquetes de software presentados, se pretende promover la elaboración de proyectos de calidad y con mayor rapidez, lo que permite realizar un número mayor de estudios en menor tiempo y con menor costo, y esto por ende puede dar un impulso a la tecnificación del riego en la Sierra. La guía tiene dos partes: Parte I contiene algunas consideraciones generales sobre el riego por aspersión en la Sierra que pueden ser tomadas en cuenta por los proyectistas, y especifica algunos conceptos utilizados en la guía. Parte II describe paso por paso el procedimiento de diseño.

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2

Proceso de diseño

Este documento presenta paso por paso las etapas por lo cual pasa el proceso del diseño de un proyecto: 1. La primera etapa es el estudio de la pre-factibilidad. En esta etapa se tiene que determinar si las condiciones físicas (disponibilidad de agua, condiciones agronómicas) y sociales (acuerdo sobre uso de la fuente de agua, disposición de tecnificar su riego), indican la viabilidad de un proyecto de riego por aspersión. 2. Levantamiento topográfico y catastral de la zona de riego y determinación de las características del suelo y del padrón de cultivos a regar  3. Cálculo de la demanda de agua de los cultivos previstos 4. Cálculo del área neta regable con el agua disponible, y determinación del área a regar  por cada beneficiario, en base al plano topográfico/catastral. 5. Cálculo de la lámina de riego, del intervalo de riego, de la intensidad de riego, y selección de aspersores y su distanciamiento 6. Selección de los sectores de riego en función de la topografía, distribución parcelaria y área a regar por usuario. De allí sigue la ubicación de los reservorios/cámaras de carga para cada sector  7. Ubicación de los hidrantes para cada sector de riego, en base al equipo de riego móvil seleccionado (manguera con aspersores) y la topografía de cada parcela 8. Diseño de la red de distribución, de conducción, obras de arte, y líneas fijas (enterradas) de parcela, en base a un diagrama de caudales y presiones 9. Elaboración del presupuesto 10. Cálculo de la relación costo beneficio en base al presupuesto global, padrón de cultivos y fichas de rendimiento para cada cultivo seleccionado El proceso de diseño es un proceso cíclico, en que se va varias veces “de abajo hacia arriba” y “ de arriba hacia abajo” entre el nivel parcela y el sistema, y requiere de mucha interacción entre el técnico y los (futuros) beneficiarios en cada etapa aquí descrito, antes de llegar a un diseño final satisfactorio para todos los interesados, incluyendo una relación favorable de los costos por hectárea.

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3

El sistema de riego con sus componentes

Iniciaremos con la aclaración de algunos términos: ¿Qué es un sistema de riego?. El sistema tiene tres componentes: La infraestructura, la organización para su operación y mantenimiento, y el sistema de producción agropecuario bajo riego. Esta guía trata los tres componentes en conjunto para que los proyectos crean sistemas de riego coherentes, es decir, cuyas partes forman un conjunto funcional. ¿Qué entendemos con  pequeños sistemas de riego? El proceso de diseño aquí descrito fue hecho teniendo en mente un rango de tamaño de sistemas de entre ¼ ha a 100 has. Para sistemas menores el proceso es demasiado engorroso: Bastaría en realidad tomar  una manguera y un aspersor y ya se puede regar un área muy pequeña sin mayor estudio. Por encima de los 100 has consideramos que los métodos de evaluación (técnica y económica) presentados pueden ser insuficientes. Posiblemente se tendrán que incluir  algunas etapas de estudio y de concertación que no se prevén aquí. La  presurización por gravedad  es el factor clave que nos permite diseñar para zonas montañosas sistemas de riego presurizados a un costo significativamente más bajo que en la costa. Utilizamos la altura de las fuentes naturales de agua y tuberías para obtener  la presión necesaria para los aspersores. Revisaremos brevemente los componentes de un sistema típico adaptado a las condiciones de la Sierra (ver Figura 1). 3.1

Captación (Figura   1-A)

Podemos captar a agua para nuestros sistemas presurizados de manantiales (caudales de 0.2 litros/segundo para arriba), quebradas, o canales de riego. En el último caso se debe asegurar que existe aceptación por parte del comité de regantes de asignar un caudal continuo al sector de riego a presurizarse, y el proyecto de riego por aspersión debe ubicarse en la parte alta del canal para asegurar un caudal (semi) permanente al sistema. Las captaciones de manantiales o quebradas pueden ser construidas de la misma manera que captaciones de agua potable. Captaciones de canales de riego tienen que ser  equipados con un repartidor de agua que asegure que el caudal asignado al sistema de riego es medida. 3.2

Línea de conducción (Figura   1-B)

Es el tramo de canal entre una captación y el primer tanque de repartición. Según el caso puede ser ejecutado como canal abierto (de tierra o concreto) o entubado. La última opción es generalmente preferible para evitar que el sistema trae sedimento a los sectores de riego 3.3

Tanques de repartición ( Figura 1-C)

Son obras de arte que distribuyen el caudal de sistema en varios caudales continuos en forma proporcional, de acuerdo a las superficies de las áreas a regar de

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Figura 1: Componentes de un sistema típico de riego presurizado por gravedad

 A: captación B: línea de conducción

C: tanques de repartición

D: Red de distribución

F: Reservorio

E: sector de riego G: Hidrante

H:Línea de riego fijo

I: Línea de riego móvil

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cada sector servido por estos tanques. Para la repartición proporcional de caudales se utilizan vertederos (caudales mayores) o orificios (caudales menores) 3.4

Red de distribución (Figura   1-D)

Son los canales (abiertos o entubados) que distribuyen el caudal de sistema a los diferentes sectores de riego. Podemos utilizar en sistemas entubadas obras adicionales como sifones, válvulas de limpia de y de desfogue, cámaras de rompe presión, etc. La capacidad de los canales o tuberías disminuye conforme se divide el caudal de sistema por  los sectores. 3.5

Sectores de riego (F   igura 1-E)

Son las unidades de riego que reciben un caudal continuo para regar. Al interior de los sectores de riego el caudal es rotado para regar toda su superficie en forma intermitente con un intervalo de riego de varios días. El sector de riego puede ser de una o varias parcelas. En el último caso la distribución del agua entre parcelas es por turnos. El caudal permanente de un sector de riego es recibido en una cámara de carga / reservorio regulador  que se encuentra en la parte más alta del sector y donde se genera la presión para regar. 3.6

Reservorio regulador / cámara de carga ( Figura 1-F)

El reservorio regulador / cámara de carga cumple la función de regular entre el caudal fijo que recibe el sector de riego de un tanque de repartición, y el caudal utilizado por  los aspersores que se tiene funcionando en el sector. El desequilibrio que puede ocurrir  entre los dos es absorbido por el reservorio. Además cumple la función de cámara de carga, donde se genera una presión constante en el sistema de riego presurizado del sector. 3.7

Hidrantes (Figura   1-G)

Los hidrantes son los puntos de conexión de una línea de riego móvil en las parcelas a regar. Son equipados con una válvula y un acople rápido para una manguera. Desde un hidrante se pueden servir varias partes de la parcela, si son ubicados en lugares estratégicos. Los hidrantes son conectados entre ellos y con la cámara de carga con tuberías enterradas. 3.8

Línea de riego fijo, enterrado ( Figura 1-H)

La línea de riego fijo distribuye el agua por todo el sector de riego, entregando el caudal de riego mediante los hidrantes a las líneas de riego móviles en forma presurizada. Consiste de tuberías de PVC enterradas cuyos diámetros con calculados de tal manera que en cada hidrante existe la presión suficiente para los aspersores. En algunos casos se tendrán que instalar cámaras de rompe presión. 3.9

Línea de riego móvil ( Figura 1-I)

La línea de riego móvil consiste de una manguera con aspersores que es conectado a los hidrantes para regar, en forma rotativa, todo el sector de riego. Si el sector de riego consiste de varias propiedades la línea de riego móvil es compartida entre los usuarios de este sector.

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4

Algunas consideraciones sobre técnicas de riego presurizado

En riego presurizado se distingue por lo general entre las técnicas siguientes: riego por goteo, riego por micro aspersión, y riego por aspersión. La aplicación de cada uno de las tres está sujeta a criterios distintos, porque cada uno tiene características técnicas diferentes, aplicaciones distintas, y costos por hectárea diferentes. Hasta la fecha PRONAMACHCS tiene mayor experiencia con riego por aspersión, un poco de experiencia en micro-aspersión, y para riego por goteo contamos tan sólo con información referencial de otras instituciones como la INIA. Por lo tanto este documento enfatiza en la tecnología de riego por aspersión, hasta tener más experiencia significativa en las otras tecnologías. Sin embargo, se presentará aquí algunas consideraciones para los que ya quieren orientarse hacia goteo y micro-aspersión. Seleccionar una de las tres depende de una gama de factores entre los cuales señalamos como más importantes:    

Costos de inversión por hectárea Costo real del agua Tipos de cultivo Presiones disponibles

4.1

Costos de inversión por hectárea

Como sistemas por goteo y por micro aspersión son fijos, estos requieren una cobertura completa del área a regar. La distancia entre líneas y entre emisores depende mucho del tipo de cultivo y las distancias entre sus plantas. En árboles frutales el distanciamiento entre líneas y entre emisores puede subir hasta 8 o 9 m, mientras que en horticultura puede haber tan sólo 0,2 m entre emisores y 0,75m entre líneas. Se deja entender entonces que el tipo de cultivo influye mucho en la inversión por hectárea de estos sistemas, mientras que en sistemas móviles con aspersores la variación en espaciamientos no influye mucho en los costos del sistema. Como consecuencia de muchos factores, los costos por hectárea de cada tipo de sistema pueden variar considerablemente. Sin embargo, la tendencia de sistemas presurizados es la siguiente ranking de costos por hectárea: Cuadro 1: Ranking de costos por hectárea de sistemas de riego presurizados

Tipo de sistema

Ranking de: bajo costo

Riego por aspersión

Bajo – mediano

Micro aspersión

Mediano – alto

Goteo

Bajo – alto (bajo sólo en cultivos permanentes de distanciamiento alto)

8

alto costo/ha

4.2

Costo real del agua

Una indicación de eficiencias que se logran con los diferentes tipos de riego es: Riego por aspersión: 65%-75%; riego por goteo: 85%-90% (no tenemos datos sobre micro aspersión). Un factor que influye en la selección es por lo tanto, el valor productivo por m3 de agua, que depende dos factores: El valor de la producción agrícola por cada m3 de agua consumido por el cultivo, y la escasez del agua. Estas apreciaciones nos conducen a tener una indicación inicial para el uso de las técnicas en la Sierra: goteo en zonas más cálidas donde las fuentes de agua son más escasas con caudales limitados, y donde las oportunidades de producciones de alto valor  sean mejores (diversificación, mercado); el riego por aspersión tendría mejores condiciones de aplicabilidad en zonas de altura, para el riego de pastos, forrajes y cultivos tradicionales. Micro aspersión sería especialmente apropiado para el riego de viveros, huertos, invernaderos, etc. 4.3

Tipos de cultivo

En general, por ser sistemas fijos o semi-fijos (es decir, fijos durante una campaña agrícola), riego por goteo y micro aspersión son adecuados para cultivos permanentes y semi-permanentes , en lo cual se requiere una aplicación de agua localizada en la zona radicular de las plantas. Se puede pensar en arboricultura, viñas, viveros invernaderos, etc. También hay experiencias en cultivos de papa y hortalizas (INIA) pero por ser fijo por  lo menos durante la campaña del cultivo hay que tener toda el área cubierta con los dispositivos de riego lo que hace que la inversión sea mayor que en sistemas móviles con aspersores. En cultivos muy intensivos y rentables, de hortalizas en zonas cálidas por  ejemplo, se puede justificar un riego por goteo o micro aspersión. Riego por aspersión es aplicable en la mayoría de cultivos anuales, y para zonas de pastos es lo más recomendable por tener que regar con mayor grado de homogeneidad ya que el pasto no se cultiva en surcos pero cubre toda el área. Para los cultivos más susceptibles a hongos tenemos que tener en cuenta las ventajas comparativas que el goteo presenta en comparación de un riego sobre las hojas. Como una primera orientación, presentamos en el Cuadro 2 algunas indicaciones sobre técnicas de riego y su aplicación en diferentes cultivos. Cuadro 2: Técnicas de riego más indicadas para algunos cultivos CULTIVO  Arboles frutales Viveros Pastos Zanahoria Betarraga Cebolla  Alfalfa  Alverja Papa Repollo Rocoto Viñas Invernaderos

GOTEO

MICRO-ASPERSION

ASPERSION

X X X X X X

X X X X X

X X X X X X X X -

9

4.4

Presiones Disponibles

Conforme la forma de administrar el agua, los sistemas de riego por goteo pueden funcionar con presiones mínimas, mientras que el riego por aspersión requiere presiones relativamente elevadas. Micro-aspersión ocupa una posición intermedia. En sistemas por goteo, existen ahora emisores que autoregulan la presión, que se autolimpian etc, y por lo tanto las descargas no cambian en un rango largo de presiones. En micro aspersores y aspersores las descargas varían bastante entre las presiones mínimas y máximas permisibles. La presión mínima con qué trabajan aspersores depende mucho del material de confección: más ligera que sean (plástico), menos presión que se requiere para que funcionan satisfactoriamente. Por eso, en sistemas presurizadas por gravedad se recomienda implementar aspersores de plástico. 4.5

Síntesis

Como resumen, el cuadro siguiente da algunas características de los 3 tipos de riego presurizado. Cuadro 3: Características de sistemas de riego presurizados GOTEO − Presiones entre 4m y 35m

MICRO ASPERSION − Presiones entre 7m y 30

−

Sistemas fijos

−

−

Descarga por emisor entre 0.7 y 4.5 l/h

−

−

Vida útil de cintas : 2 años

−

Se presta para zonas más cálidas para poder producir  con facilidad diferentes cultivos.

ASPERSION − Presiones entre 12m y 45m Distancia entre líneas y aspersores 1.5 –5 m. Distancia entre líneas y − aspersores: De acuerdo al Sistemas fijos (por lo tipo de aspersor (7-20m). general).

−

 Area mojada por  aspersor: .Entre 0.5 y 25 m2

−

Descargas por aspersor  entre: 33 y 333 l/h

Interesante para sistemas muy intensivos de producción, en zonas más cálidas, aplicando fertilizantes a través de los emisores .

−

Se presta para viveros en todos los pisos altitudinales y para cultivos en zonas más cálidas, donde se puede producir con facilidad una variedad de cultivos.

−

 Adecuado invernaderos.

para

−

 Adecuado para invernaderos grandes.

−

Indispensable arboricultura permanentes.

para − cultivos

Costo ± S/. 11,000/ha hasta ± S/. 20,000/ha (viveros forestales).

−

−

y

Costo: S/. 2.500 a S/. 10,500/ha (sistemas INIA).

10

−

 Area mojada por aspersor: entre 50 y 200m2.

−

Descarga por aspersor: entre 0.0625 y 0.9 l/s (225 a 3240 l/h)

−

Sistemas móviles.

−

Se presta para todas las alturas porque se puede implementar pastos en zonas altas como en otros tipos de cultivo en todos los pisos altitudinales.

−

El viento puede considerablemente eficiencia.

−

Costo: S/. 6,000/ha.

2,500

bajar  la a

S/.

PARTE II:

1

PASOS DEL DISEÑO

Estudio de pre-factibilidad

La identificación de un proyecto de riego tecnificado, debería pasar por un inventario de las fuentes de agua a nivel de caserío/comunidad, en que se aforan los caudales en estiaje y se determinan los usos actuales y potenciales. Luego se hace un taller comunal de planificación del uso de agua. En esta fase se puede detectar los intereses de la población en riego tecnificado, y se puede ver si hay fuentes de agua disponibles exclusivamente para riego, o si en caso contrario se presentan posibilidades para sistemas de uso múltiple en que se combinaría agua potable con riego tecnificado. Unos puntos de partida para el desarrollo de riego tecnificado son los siguientes: 



Se busca desarrollar riego tecnificado en un primer instancia a partir de fuentes y manantiales, y no tanto a partir de canales de regadío, dado la complejidad relacionado a la introducción de riego tecnificado en los últimos 1. Se partirá del principio de que los beneficiarios contribuyan financieramente a la inversión en riego tecnificado, específicamente los equipos que se instalen en sus propios parcelas, por ser esto un factor clave para la sostenibilidad de las inversiones. De no procederse de esta manera, el momento de desgastarse los equipos de riego aplicados en la chacra probablemente significará el fin de la vida útil del proyecto. Para lograr eso se puede buscar formas para facilitar esta contribución financiera, por ejemplo mediante un programa de créditos.

 Antes de tomar la decisión de elaborar un estudio técnico sobre un proyecto de riego, se tiene que saber en base a un diagnóstico en que se recogen informaciones y datos de campo, claves, si el proyecto tiene una alta probabilidad de tener éxito, tanto técnicamente como socioeconómicamente. El proyecto tiene que tener aceptación social, y sobre los siguientes puntos clave se deben tener acuerdos entre la institución y la población antes de iniciar la elaboración del expediente técnico: 

Identificación de posibles beneficiarios



Repartición de agua y de tierras



Participación financiera de los beneficiarios en la inversión del proyecto

De igual manera, se tiene que saber si técnicamente el proyecto es factible, cuántas hectáreas se podrían regar con el caudal disponible, y cuales son los cultivos que los agricultores van a poner. Se debe tener una idea sobre los beneficios a generar con el proyecto para determinar la inversión permisible por hectárea. Siempre hay cosas que se determinarán recién con el estudio detallado del proyecto: por ejemplo, la participación de algunos agricultores cuyos terrenos están ubicados relativamente lejos dependerán de que si el costo por hectárea permite su inclusión. 1

Para una reflexión más a fondo de este asunto referimos al documento: “Riego por aspersión: Potencialidades y limitaciones para el desarrollo del riego en la Sierra”

11

El estudio de pre-factibilidad tiene un componente social, técnico y económico. Para más detalles, véase el anexo 1. 1.1

Componente Social  

Se tiene que asegurar una aceptación de la propuesta de riego tecnificado por parte de todos los futuros beneficiarios, tener definido los derechos al uso del agua, quiénes participan y quiénes no. Los futuros beneficiarios tienen que estar dispuestos a contribuir  financieramente al proyecto (a parte de la mano de obra ), con fondos propios o mediante un crédito. Un aspecto importante de tomar en cuenta es la ubicación de las parcelas a regar  relativo a las viviendas, porque los equipos fijos y móviles de parcela difícilmente se conservarán sin la atención permanente de los regantes. Es indispensable tomar el tiempo para tener conversaciones amplias con los futuros beneficiarios sobre estos asuntos. 1.2

Pre factibilidad Técnica

Se evalúa la disponibilidad de agua, el uso potencial de la fuente, el área total regable con el agua disponible, el área regable por usuario, las presiones disponibles, que tan dispersas se encuentran las parcelas a regar, el riesgo de erosión, y el viento. 1.3

Pre factibilidad económica

Se evalúa el incremento neto en área regada con la implementación del riego tecnificado, y se hace una proyección de los tipos de cultivo que se piensa poner para determinar inversiones por hectárea permisibles.

12

Levantamiento topográfico y catastral 1.4

Introducción

El levantamiento topográfico/catastral de la zona a regar, y de las fuentes de agua, es indispensable para lograr un buen diseño de un sistema de riego presurizado. Para obtener un resultado con mayor rapidez, se puede aplicar el diseño de mapas con uso del paquete de dibujo topográfico SURFER. Con este programa se puede procesar los datos topográficos de campo, previa su conversión en coordenadas XYZ, y construir el mapa de curvas de nivel a cada formato deseado. 1.5

Escala

La escala más adecuada del mapa topográfico es de 1:1000, pero en algunos casos podemos optar por un mapa a escala 1:2000, caso que la zona de riego fuera mayor a 40 has. 1.6

Elementos del terreno a mapear    e    d   n   e   u    D    l    E    l   a    i    t   n   a   n   a   m

El diseño del sistema de riego presurizado requiere los siguientes elementos a ser  incorporados en el mapa topográfico (ver ejemplo, Figura 2): 

Curvas de nivel cada 5 metros



Límites de parcelas



 Areas a regar y no regables (casas, parcelas de personas no involucradas, áreas rocosas, bosques, áreas demasiado inclinadas o pantanosas, etc.)



Fuente(s) de agua

Cada una de estos elementos tienen que estar claramente indicados con líneas, colores, sombreados, etc. y acompañados con una leyenda. La densidad de puntos a tomar en campo con teodolito depende de la topografía. Con una topografía bastante regular pueden bastar puntos de límite de terreno (cada 20 a 50 metros de lindero), pero donde la topografía es irregular (lomos y valles dentro de la misma parcela), o donde hay áreas en la parcela que no serán regadas, será necesario medir puntos adicionales. 1.7

Organización del levantamiento

Para la organización del levantamiento, se acuerda con la comunidad beneficiaria el día del levantamiento, y el número de personas y materiales necesarios. Tienen que presentarse el día del levantamiento todos los potenciales regantes, porque tenemos la experiencia que parceleros no quieren manifestar los linderos de las propiedades de sus vecinos (por razones entendibles). Primeramente se determina el orden de las parcelas a levantar y se planifica el trabajo con los presentes. En cada estación se deja una estaca pintada para uso posterior  (por ejemplo cuando algún punto tuviera ser corregido posteriormente.

13

Figura 2: Ejemplo de un mapa topográfico/catastral para un proyecto de riego presurizado     0     5     1     1

    0     0     1     1

    l    a     j     o     C    o    a    n    h     i     b    7     1     2    a  ,     2    S     1

    0     5     0     1

    0     0     0     1

    0     5     9

    0     0     9

   z    e    u    g     i    r     d    o

    0     5     8

    R    o     b    o     7    c     0     9    a  ,     1    J    4

    0     0     8

   r    a    z    a     l    a     0

    S

    5     7

   o     l     i     f

   o     l     l    e    a     T     h     l    u    5     8     0    a  ,     2    R     4

    ó    m     5    r     2     1    e  ,     2    T    2

    0     0

   z    e    u    g     i    r     d    o

    7

    R     0

   s    e     d    a    a    h     i    c    8     l     i     1     8  ,     1    M     2

    5     6

    0     0     6

   r    a    z    a     l    a

   r    a    z    a     l    a

    l    a     j     o

    5     5

   o     i    a    r     h    e    c    5     i    r    7     5  ,     1    G     2

   o     l     b    9     6     7    a  ,     1    P    0

   o    n    a    a     i     h    c     i     l     2     2     6    e  ,     1    F    3

    0

    S

    C

    S

    0     0     5

    l    a     j     o

    0     5     4

    C    n     ó     i    c    p    e    c    n    6     5     4    o  ,     1    C     1

    0     0     4

    0     5     3

   a    v     i    e     L

    0     0     3

   o    n    e    r    o

   o    a     l     i     h     f     4     ó     9     3    e  ,     1    T    0

    M    o     i    c    a    n    h    a     7     5     2    m  ,     1    A     0

    0     5     2

0 4 P o r f i r io 0 , 5 5 h a

V

a r g a

s     0

0 3 F e l i p e 0 , 5 4 h

   a    v     i    e     L

   a    o    h    r     d    2     6     0    e  ,

   z    e    u    g     i    r     d    o

   o     l     l    e    a     T     h     l

    1    P     1

   u    2     7     9    a  ,     0    R     2

    0     2

R

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0 3 E u s t a q 0 , 3 9 h a

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V

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    0     5     1

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    R

   o    a     l     i     h     f     4     ó     0     1    e  ,     0    T    1

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    0     0     1

   s    a    g    r    a    a    v     i    e     L

    V

   o    a     l     h     i     f     6     ó     1     1    e  ,     1    T    0

    b    0     l     4     8    i  ,     0    G     0

    0     5

   o     t    a    r     h    e    e     d    n    e

    0

   u     D     l

   o    n    e    r    o

    E     l    a     i     t    n    a

   a     M     h    o     i     2     l     2     6    u  ,     0    J    1

   n    a

    0

   m

    5   -

    0     0     1   -

   r    a    z    a     l    a

    0     5     1   -

    S    o     i    a    r    e    h    c    6     i    r    4     7  ,     0    G     1

    0     0     2   -

    0     5     2   -

    0     0     0

    0

    0

    0

    5

    0

    5

    2

    0     1

    1

    0

    0     5   -

    0

    5

    0

    5

    0

    5

    0

    5

    0

    5

    0

    5

    0

    3     0       5

    1   -

    1   -

    2   -

    2   -

    3   -

    3   -

    4   -

    4   -

    5   -

    5   -

    6   -

    6   -

    7   -

    7   -

    0

    0

    0

    0

    0

14

    0

    0

    0

    0

    0

    0

    0

    0

En áreas grandes (más de 50 has) puede ser conveniente levantar primeramente un polígono de estaciones, y después levantar las parcelas. Por lo general, se puede trabajar con dos portamiras a la vez, con el fin de avanzar  más con el trabajo y no dejar esperar demasiado a los ayudantes. El topógrafo y su libretista tienen que prepararse bien para el día de levantamiento, a fin de evitar que se olviden atributos, o que al inicio del levantamiento aún tiene que aprender las funciones de un teodolito específico. Hay que tener la libreta ya prellenada con columnas de datos. Se tiene que escribir en letra clara, y evitar errores de lectura y de transcripción, porque esto implica costos de volver a tomar puntos, no solamente del topógrafo sino también de los beneficiarios. 1.8

Croquis

Es de mucha importancia elaborar durante los levantamientos croquis detallados de todos los detalles levantadas, con números de puntos que coinciden con los de la libreta topográfica.8520 Figura 3: E

Ejemplo de un mapa topográfico/catastral para un proyecto de riego presurizado

1

E

E

2

5

E

E

E

3

En levantamientos que comprenden varias estaciones (puntos donde se ubica el teodolito), se debe además incluir a parte, un diagrama de estaciones en forma de polígonos (Figura 3)

4 E

E

7

1.9

Anotación de lecturas en la libreta de campo

8

El nombre de la estación aparece solo en la primera fila de una serie de puntos tomados de la estación. Debajo del nombre de la estación apuntamos la altura del eje del teodolito sobre la estaca sobre la cual esta centrada la estación. Ejemplo: Nombre estación

Observación

Nombre lectura Distancia  Angulo horizontal Angulo vertical punto mira inclinada grados minutos segundos grados minutos segundos

E-2

M an a nt i al

1

2

21

10

35

30

75

32

00

Al t ur a te o d

2

2

35

99

20

50

10 0

55

00

=

1 , 5 1 m.

3

3

80

11 0

01

00

94

40

30

vi s t a a t r á s

4

2

10 9

12 3

30

30

95

55

00

en E-1

5

2

10 1

12 0

10

30

92

33

50

E-3

2

99

15 0

05

50

10 2

12

00

Vi st a

a de l .

Cuando se ubica una nueva estación, las lecturas correspondiente con este punto, desde la estación anterior, serán marcadas con vista adelante. Desde la nueva estación, se

15

realiza primeramente una vista atrás hacia la estación anterior, u otra estación previamente utilizada, y se pone en cero el ángulo horizontal. 1.10

Conversión de datos de campo para su ingreso en SURFER 

Para el ingreso de datos en el programa SURFER es necesario la conversión de coordenadas polares (ángulos y distancias) en coordenadas ortogonales (X, Y, Z). Para este fin se ha diseñado un programa de conversión en FOXPRO (PUNTO). El programa genera un archivo en formato WK1 (LOTUS), que es reconocido por  SURFER. En la primera columna encontramos las coordenadas X, en la segunda las coordenadas Y, en la tercera las coordenadas Z, y en la cuarta la identificación de los puntos (números o nombres). 1.11

Dibujo

Una vez generado la base de datos con coordenadas XYZ, esta es procesado por  SURFER para generar el plano con curvas de nivel (escoger [ contours] del menu [ plot]), y puntos del levantamiento ([ post ]). Podemos además utilizar el SURFER como programa de dibujo, para dibujar el plano catastral (parcelas), otros elementos (casas, caminos, quebradas, bosques, etc). Posteriormente se pueden dibujar en el mismo plano los componentes del sistema de riego como son: Líneas de conducción, obras de arte, reservorios, hidrantes y líneas fijas de parcela. 1.12

Cálculo de la superficie de las parcelas

Para los próximos pasos del proceso de diseño necesitaremos las superficies de las parcelas levantadas. Para eso podemos utilizar un planímetro, o cuando no se cuenta con este instrumento podemos planimetrar con papel milimetrado transparante. Se coloca el papel milimetrado encima de la parcela y se cuentan los cuadrículas de centímetro cuadrado que caben dentro de la parcela. Las cuadrículas que caben parcialmente se cuentan como ¼, ½, o ¾. Luego se suman todas las cuadrículas y se multiplica por el área representada por un centímetro cuadrado (si la escala es de 1:1000, un centímetro cuadrado representa 100 metros cuadrados). Luego se resumen los resultados de esta operación en un cuadro. Cuadro 4: Superficies de las parcelas Proyecto:

Fecha levantamiento:

Caserío:

caudal disponible:

Parcela Nº

Beneficiario

Area total (ha)

Area regable (ha)

Lit/seg Area a ser regada (ha)

TOTAL

Se reserva una última columna para introducir el resultado de la determinación de las áreas que realmente se podrán regar, en función del caudal disponible, los requerimientos hídricos del padrón de cultivos seleccionado y las áreas regables de cada usuario.

16

2

Demanda de agua

2.1

Plan de cultivos por usuario

 Aunque en este momento no sabemos exactamente cual es el área que se puede regar, lo que sí sabemos a partir de la ficha de pre-factibilidad es cuantas familias están interesadas y podrán razonablemente beneficiar del proyecto porque cumplen con los criterios establecidos. También tenemos una idea aproximada del área total a regar y el área por familia, datos que van a tener que ser determinados con más precisión en los capítulos siguientes.

Ejemplo: El agricultor Juan Alvarez todavía no sabe exactamente cuantas ha podrá regar con el  futuro proyecto de riego por aspersión, pero su idea es de poner en la mitad del  terreno (50%) maíz, y en la otra mitad (50%) alfalfa. Se tiene que determinar en una primera instancia cuáles son los cultivos que los agricultores quieren poner con el riego por aspersión, y más o menos en que proporción del área a regar. También se tiene que definir la cédula de los cultivos, es decir los momentos de siembra y de cosecha. Se establecerá el cuadro siguiente: Cuadro 5: Plan de cultivos Proyecto: Nombre agricultor: Cultivo

Caserío:

% del área a regar época de siembra

Epoca de cosecha

Total: 100% Eso nos dará para el conjunto de los usuarios el plan de cultivos que se piensa poner. 2.2

Definición del ETP, el K c  y la eficiencia de riego

La evapotranspiración potencial ETP, un valor que indica la evaporación de agua a través de un cultivo referencial, en este caso pasto, está relacionado a la altura en que está ubicado el cultivo, y se exprime en mm/día. Tomando referencia a investigaciones hechos en el valle de Cajamarca, en lo cual se ha determinado un ETP de 3,5 a 4 mm/día a un 2,750 msnm, y notando que con Penman y Hargreaves se calcula para Cajamarca a una altura de 2500 msnm una ETo de aproximadamente 3,5 mm/día, se puede establecer la relación siguiente entre ETP y altura: sin equivocarse mucho:

17

Cuadro 6: Valores estimados de ETP (condiciones de Cajamarca) en función de altura

Altura (msnm)

ETP (mm/día)

1500

4,5

Para zonas intermedias habría que interpolar entre estos valores.

Con los coeficientes de cultivo (Kc) se puede determinar los 2500 3,5 requerimientos en agua que necesita 3500 2,5 un cultivo en cada etapa de su ciclo vegetativo. El Kc es un factor que corrige la evapotranspiración para un cultivo diferente al pasto, tomando en cuenta características específicas del cultivo y las etapas de su ciclo vegetativo. Normalmente, para diseñar un sistema de riego, se toma como referencia la etapa con el requerimiento más alto para estar seguro que el cultivo no carece de agua. Sin embargo, en la práctica campesina, en situaciones con escasez de agua, se aplica mayormente una sub-irrigación sistemática, es decir que los cultivos siempre reciben menos de su requerimiento que necesitan para desarrollarse óptimamente. Lo que busca el agricultor es tener una área máxima bajo riego, en vez de una producción optima. Por ello, podemos tomar como referencia el requerimiento promedio de los cultivos sobre su ciclo vegetativo para estimar el consumo de agua en las parcelas. El Cuadro 7 muestra para algunos cultivos el coeficiente de cultivo K c promedio. Cuadro 7: Valores de coeficiente de cultivo promedio K c CULTIVO  Alfalfa  Alverja  Avena Berenjena Caña de azúcar  Cebada Cebolla seca Cebolla verde Col Espinaca Frijol seco

Kc 0,9 0.89 0.80 0.82 0.95 0.80 0.90 0.74 0.86 0.73 0.87

CULTIVO Frijol verde Lechuga Lenteja Maíz dulce Maíz grana Papa Pasto Pimiento Rábano Trébol Trigo Zanahoria

Kc 0.75 0.70 0.79 0.88 0.83 0.83 1.00 0.83 0.73 1.00 0.80 0.84

Para un plan de cultivo con varios cultivos a la vez se tiene que estimar el consumo total de las parcelas con el porcentaje de cubrimiento que tiene cada cultivo:

una parcela con por ejemplo 40% alfalfa y 60 % papa tendrá un coeficiente de cultivo total de 0,4 x K c  alfalfa + 0,6 x K c  papa. 2.3

Eficiencia de riego

Para la eficiencia de un sistema de riego por aspersión se considera que las pérdidas de agua ocurren mayormente a nivel de la parcela, porque la conducción entubada desde la fuente minimiza las perdidas a este nivel. Podemos estimar bajo condiciones normales un 70%. Sin embargo, bajo ciertas condiciones la eficiencia puede ser más baja: 

En el caso de pequeñas parcelas y aspersores con diámetros de humedecimiento grandes, pueden haber bastante pérdidas en los bordes: para tener un buen humedecimiento de toda la parcela, es inevitable regar una franja alrededor de la parcela que recibirá menos agua que la parcela misma (ver  Figura 4). Se puede solucionar eso escogiendo aspersores sectoriales, aspersores con diámetros más pequeños, o plantar  18

en esta franja otros cultivos que se adapten al riego deficiente y aprovechen el agua al máximo. 

En zonas con vientos fuertes, puede haber pérdidas grandes por que el viento lleva parte del agua pulverizada fuera de las parcelas de riego. Eso ocurre aún más con aspersores que dan una pulverización alta del agua (ejemplo: Naan 501), sobre todo si están funcionando en partes del sistema con presiones altas. Se lo puede remediar buscando un tipo de aspersor que pulveriza menos el agua, o escoger momentos en el día o en la noche con menos viento. Barreras de viento serían una solución a más largo plazo.

 Al no solucionar los dos puntos arribamencionados, la eficiencia puede bajar a un 50%! Figura 4: Franja exterior con menor intensidad de riego en una parcela de riego por aspersión

2.4

Definición de la demanda de agua de la parcela y del módulo del sistema

Con la información de los capítulos anteriores, se puede determinar ahora la demanda de agua a nivel de la parcela y a nivel del sistema. La demanda de agua de una parcela con determinadas plantas está dada por:

Ln = ETP * Kc, donde: Ln = Lámina neta (mm/día) ETP= Evapotranspiración potencial (mm/día) Kc = Coeficiente de cultivo promedio de las plantas El módulo de esta parcela se calcula a través del razonamiento siguiente: La evaporación de una lamina de 1 mm de agua por día en 1 hectárea equivale a un volumen de agua de

0,001 x 100 x 100 = 10 m3 = 10 000 litros/día. 1 día (24 horas) tiene: 24 x 60 x 60 = 86 400 segundos Por hectárea, 10 000 litros/ día equivalen a

10 000 = 0.116 litros/seg. 86 400 Entonces, la evaporación de 1 mm/día equivale a un caudal fijo de 0.116 litros/seg/ha. El módulo de la parcela (módulo neto M n) está dado por:

Mn = Ln * 10 000 86 400

(litros/segundo/hectárea)

Mn = Módulo neto Ln = Lámina neta Para determinar el módulo del sistema M s (módulo bruto) se tiene que tomar en consideración la eficiencia total del sistema del capítulo 3.3, y se aplica la fórmula siguiente:

19

Ms = Mn * 100 Eff  Ms = Módulo del sistema (bruto) (l/s/ha) Mn = Módulo de la parcela (neta) (l/s/ha) Eff = Eficiencia total del sistema (%)

Ejemplo: Supongamos un agricultor que quiere hacer una parcela con riego por aspersión con 50% papas, 25% alfalfa y 25% col. Su parcela se encuentra a 3000 msnm. La eficiencia total del sistema se estima a 65%. El ETP en esta parcela será 3 mm/día (interpolado del  Cuadro 6   ). El coeficiente de cultivo promedio K c  en esta parcela será (véase Cuadro 7   ) Kc = 0,5 * 0,83 + 0,25 * 0,9 + 0,25 * 0,86 = 0,86 Ln = ETP * Kc = 3 * 0,86 = 2,6 mm/día Mn = Ln * 10 000 = 2,6 * 10 000 = 0,3 l/s/ha 86 400 86 000 Ms = Dn * 100 = 0,3 * 100 = 0,46 l/s/ha Eff 65

evapotranspiración de la parcela = L n = ETP x Kc

Ln = 2,6 mm/día

1 ha

= 26 000 lit/día

Mn = 26 000 = 0,3 lit/seg 86 400

20

3

Area neta regable

3.1

El caudal de diseño del sistema

En el caso de la Sierra Peruana, donde el agua es un recurso escaso mayormente disponible en forma de manantiales, pequeñas fuentes, o ríos y quebradas que llevan agua todo el año, el área total que se puede regar a partir de un manantial (o manantiales), quebrada o canal depende del caudal disponible en la época de estiaje. Es necesario analizar de cada fuente cuáles son sus otros usos, a parte del riego. Véase la ficha de evaluación de la pre-factibilidad de un proyecto de riego por aspersión, anexo 1. Hay que tomar referencia al plan de cultivos que se propone por los agricultores, y analizar cómo la cédula de los cultivos se relaciona con la disponibilidad de agua en diferentes momentos. En el mes de mayo / junio, cuando terminan las lluvias y empieza la campaña de riego, los caudales son todavía altos. En los meses de agosto / setiembre, los caudales bajan hasta su mínimo, limitando el área a regar en este momento a un mínimo también. Si existen fuertes variaciones entre los caudales disponibles al inicio de la época de estiaje, meses Junio-Julio, y el final de estiaje, se puede aumentar al caudal de diseño con un 20 a 30%, a fin de aprovechar la mayor disponibilidad hídrica en Mayo-Julio y en época de lluvias. Pero no debemos sobredimensionar demasiado el sistema, ya que esto implica un importante aumento de inversión. Hay que tener en cuenta también que al inicio de la época de estiaje por lo general la demanda de agua aún no es muy fuerte. La decisión sobre el dimensionamiento del sistema en función al caudal mínimo de estiaje medido, deberá ser tomada en diálogo con los futuros beneficiarios y con juicio, analizando la utilización del agua de riego en las diferentes épocas del año, costos de inversión, etc. En el caso de que se quiera tomar el agua de un canal para un sistema de riego por  aspersión, la disponibilidad en agua, a parte de saber el caudal que lleva el canal en mayo/junio y en setiembre, depende de cuántos turnos van a poder ser utilizado para el sistema de riego por aspersión, cuántas horas tiene cada turno y cuánto tiempo hay entre dos turnos. Eso requiere un buen análisis del sistema de reparto del canal. Es conveniente convertir un turno de un canal de riego en un caudal continuo equivalente, para el cálculo del área a regar por aspersión.

Ejemplo: El Caudal del canal es: 15 l/s El turno de riego es: 4 horas cada 9 días El caudal continuo equivalente es: 15 * 4 = 0.278 l/s 9 * 24

21

3.2

El área total regable El área regable del sistema está dada por:

A=

Q Ms

(Ha)

A = Area regable (Ha) Q = Caudal (l/s) Ms = Módulo del sistema (l/s/ha)

Ejemplo: Con el ejemplo del capítulo 4, suponiendo que la fuente que se piensa utilizar tiene un caudal de 2,5 l/s en setiembre que es 100% utilizable para riego, el área a regar  sería dado por: Caudal de diseño: Q = 2,5 + 20% = 3 l/s A =

3.3

3 0,46

= 6,5 Ha.

Por usuario

Una vez determinado al área total que se podrá regar con el caudal disponible, se tendrán que fijar las áreas netas de cada usuario. Hay tres formas de determinar la distribución de parcelas entre usuarios: 





La forma equitativa, en que cada uno tiene una parcela de la misma área. Eso se aplica cuando cada uno de los usuarios tiene mucho más terreno de lo que se puede regar. La forma proporcional, de acuerdo al área total que tiene cada uno: eso se aplica si una repartición equitativa dejase un número considerable de usuarios con más agua que necesario para regar su terreno. Proporcional con un tope máximo de X Has por beneficiario, si la distribución proporcional dejaría a unas pequeñas parcelas con muy poca área regada.

La propuesta de una parcela comunal se puede considerar, pero es mucho más complejo en términos de quién dará el terreno, quienes son responsables para el mantenimiento del equipo, que se hará con la cosecha, etc.

22

4 4.1

Lámina e intervalo de riego y selección de aspersores El intervalo y la dotación de riego

Tenemos que saber aquí con qué tipo de suelo contamos, que profundidad tiene, y hasta qué profundidad van las raíces de las plantas. El agua disponible en el suelo se expresa en porcentaje de volumen del suelo, y varía con el estado de humedecimiento del mismo. Los dos extremos son: 



Capacidad de campo: el suelo está totalmente mojado, pero no saturado; el agua que no está adherida a las partículas del suelo por fuerzas capilares ha sido drenada. Punto de marchitez permanente: el suelo contiene tan poco agua que las plantas sufren y que el proceso de marchitez es irreversible.

El volumen de agua entre estos dos extremos se llama Agua Rápidamente  Aprovechable (ARA), y constituye el agua que teóricamente está a la disposición de las plantas. Este volumen de agua disponible varía considerablemente con el tipo de suelo. El da valores para 3 tipos: suelos arcillosos, limosos y arenosos. Del agua disponible en el suelo, entre la capacidad de campo y el punto de marchitez permanente, solamente una parte es fácilmente aprovechable para la planta para evitar que la planta sufra de una escasez de agua: la Fracción de Agua Rápidamente Aprovechable (FARA, ver Cuadro 8). Cuadro 8:

Datos sobre profundidad de raíces de cultivos en media estación y la Fracción de Agua Rápidamente Aprovechable (FARA).

CULTIVO

PROFUNDIDAD RAICES (m)

FARA

Ln>3mm/día Ln< 3mm/día  Alverja 0.45-0.60 0.35 0.45  Alfalfa 1.5 0.55 0.7 Caña de azúcar  0.45-1.05 0.65 0.85 Cebada 1.25 0.55 0.7 Cebolla 0.3 0.25 0.3 Col 0.60 0.45 0.6 Espinaca 0.60-0.90 0.2 0.25 Frijol 0.45-0.60 0.45 0.6 Lechuga 0.15-0.45 0.3 0.4 Legumbres 0.4 0.2 0.25 Maíz 0.6-0.9 0.55 0.7 Papa 0.6-0.9 0.25 0.3 Pasto 0.3-0.75 0.5 0.65 Pimiento 0.75 0.25 0.3 Trigo 0.75-1.05 0.55 0.7 Zanahoria 0.45-0.60 0.35 0.45 Fuente: FAO publicación 24 / ILRI publicación 46

23

Cuadro 9: Capacidades de retención de agua de diferentes tipos de suelo TIPO DE SUELO

Agua Rápidamente Aprovecha(ARA) (volumen %)  Arcilloso 20% Limoso 14%  Arenoso 6% Fuente: FAO publicación 24 La cantidad de agua que una planta puede extraer del suelo está determinada por la profundidad de sus raíces en m, el agua rápidamente aprovechable en el suelo (ARA) en decimales, y la fracción de esta agua (FARA), igualmente en decimales, que depende del cultivo y de la evapotranspiración en la zona. Esta cantidad es expresada en una lámina de agua, (LARA, Lámina de Agua Rápidamente Aprovechable) generalmente tiene la dimensión de mm. CUIDADO: si el suelo es menos profundo que los valores en el Cuadro 8, se toma como profundidad de raíces la profundidad del suelo! En fórmula

LARA = prof.raíces(m) * ARA * FARA * 1000 (mm) El intervalo de riego (IR) depende de la lámina que evapora la planta por día (L n) y la cantidad de agua que puede extraer del suelo (LARA), y está dado por:

IR (días) = LARA (mm) Ln (mm/día) La dotación neta de riego D n (en mm) es la lámina de agua que se requiere dar al suelo cuando la planta ha extraído la fracción de agua rápidamente aprovechable (FARA) de su zona de raíces. Una dotación más grande significa una pérdida de agua, por que significa que el nivel de humedad en la zona de raíces superará la capacidad de campo, y parte del agua percolará por debajo de la zona de raíces. La dotación bruta de riego Db (en mm) es mayor que la dotación neta (D n) porque parte de la lámina de riego aplicado es perdida como consecuencia de desuniformidad de la lámina aplicada, y otros factores:

Db = Dn * 100 Eff ap Eff ap = Eficiencia de aplicación (65-75% para riego por aspersión, 85-90% para riego por goteo) Para los pequeños sistemas a que se refiere esta guía, y dado el hecho que las conducciones y distribuciones serán generalmente entubadas, se asume que las principales pérdidas ocurrirán a nivel de parcela, justamente en la aplicación del agua a la planta. Por  eso se considera que la eficiencia de aplicación prácticamente equivale a la eficiencia total del sistema. La dotación bruta Db tiene que ser asegurado por los aspersores que tienen una intensidad de precipitación P (mm/hora), y eso determina el tiempo de riego, es decir las horas que los aspersores tienen que estar en una sola posición. En parcelas con diferentes cultivos la solución más práctica es de adoptar el intervalo más corto de los calculados para los diferentes cultivos.

24

Ejemplo: Con el ejemplo del capítulo 4, para el caso de la papa la Lámina neta Ln será dado por: Ln papa = Kc papa * ETP = 0.83 * 3 = 2,5 mm/día (Cuadro 7) Entonces Ln papa < 3mm/día

FARA papa = 0,3 (Cuadro 8)

Suponiendo un suelo limoso de 0.75 m de profundidad, la cantidad de agua que la planta de la papa puede extraer del suelo está dado por: LARA papa = prof. Raíces papa x ARA limoso x FARA papa = 0.5 * 0.14 * 0.3 = 0.021 m. = 21 mm.

El intervalo de riego, usando los datos anteriores, es de: IR = LARA papa = Ln papa

21mm = 8,4 días 2,5 mm/día

Se puede regar preferiblemente cada 8 días. La dotación neta Dn es de 21 mm., y se tiene que saber la eficiencia de aplicación del riego  para conocer la dotación bruta Db. Suponiendo una eficiencia de aplicación 70%, esta última será de 21 / 0,7 = 30 mm. El Tiempo de riego: Depende básicamente del tipo de aspersor. Si el aspersor seleccionado tuviera una intensidad de precipitación de 4 mm/hora, el tiempo de riego sería 30 / 4 = 7,5  horas. En este caso se tomarían 8 horas (dos cambios de aspersores por 24 horas).

4.2

La elección del aspersor 

La elección del tipo de aspersor a aplicar en un sistema de riego por aspersión está sujeta a varios factores: 







Velocidad básica de infiltración: la intensidad de precipitación del aspersor, expresada en mm/hora, no debe superar la velocidad básica de infiltración del suelo, para evitar  escorrentía. El tamaño de las parcelas: en parcelas grandes se puede aplicar aspersores con una diámetro mojado grande, mientras que en parcelas pequeñas se deberían aplicar  aspersores con diámetros mojados más pequeños para adecuarse al área más pequeña, o aplicar aspersores sectoriales. Tipo de cultivos: Si la parcela será dedicada a hortalizas con rotaciones muy estrechas, será conveniente un aspersor con un diámetro pequeño (micro aspersores) para poder  ajustar el riego a las necesidades de cada parte de la parcela. Presiones de trabajo disponibles: para condiciones de la sierra se quiere aspersores que puedan trabaja trabajar en un rango largo, desde presiones de 1 atm. hasta 4.5 atm.

Existe una gama larga de modelos de aspersores, adaptados a diferentes condiciones del terreno, exigencias del clima, características del sistema, etc. Sin embargo, no todos los tipos se adaptan igualmente a las condiciones específicas de un riego presurizado por gravedad, que es el tipo sistema que se adecua especialmente a la agricultura campesina de la Sierra (por su bajo costo: no se emplean estaciones de bombeo). Los siguientes criterios pueden servir para hacer una selección entre los modelos presentes en el mercado:

25









Material de confección: existen aspersores de bronce (de varias calidades) y de plástico (igualmente de varias calidades). Por lo general, a pesar de que el bronce es más duradero, las marcas conocidas (VYR, Naan, Rainbird, Nelson, etc.) tienen aspersores de plástico de alta calidad. Aspersores de bronce requieren por lo general una presión mínima de 2 a 2,5 Bar (20 a 25 metros de carga de agua), lo que limita su aplicación para sistemas presurizadas por gravedad. Aspersores de plástico son más ligeros y pueden funcionar (aunque deficitariamente) con 10m de carga de agua. Las conexiones de aspersores varían de ½” a 1” , y los aspersores pueden tener 1 o 2 boquillas. Aspersores con 2 boquillas tienen generalmente conexiones ¾” o 1” y emiten caudales mayores por lo cual necesitan presiones relativamente altas. Pueden tener  impactos fuertes, que lleva el riesgo de la destrucción de la estructura del suelo en terrenos con pendientes fuertes. Para nuestros sistemas escogeremos preferiblemente aspersores de ½” con una boquilla. Hay aspersores que son sectoriales y aspersores que funcionan a círculo completo.  Aspersores sectoriales tienen la ventaja de acomodarse con mayor facilidad en parcelas pequeñas. Micro aspersores y aspersores tipo KARPAY, obtienen su movimiento rotativo de la misma reacción del chorro de agua, contrario a los aspersores de tipo martillo que obtienen su rotación de un contrapeso y resorte que impulsa la cabeza giratoria. El impulso necesario para lograr la rotación disminuye la velocidad del agua y el radio mojado, con la consecuencia de que este tipo de aspersores tienen un diámetro más pequeño y una intensidad de precipitación mayor. Las desventajas son que se tiene que cambiar los aspersores más frecuentemente (cada 2 a 4 horas), y existe un mayor  peligro de erosión por exceso de intensidad de precipitación. Ventaja es que este tipo de aspersores pueden dar una uniformidad aceptable con presiones más bajas (hasta mínimo 6 metros de carga de agua).

En resumen, para las condiciones de la sierra en dónde se quiere regar  permanentemente con pequeños caudales, aprovechando al máximo de los desniveles en el terreno, eso nos lleva a tener preferencia para pequeños aspersores de plástico de tipo martillo, con 1 boquilla, y si posible sectoriales, porque: 

Tienen precipitaciones relativamente bajas



Su costo es relativamente bajo



Se aprovecha de presiones a partir de 10m



Son aptos para pequeñas áreas

En el mercado, se encuentran entre otros los modelos siguientes: NAAN 5OI, NAAN 427, NAAN 435, VYR 802, y muchos otros. Para la elección del aspersor podemos utilizar el software proporcionado por el fabricante NAAN (NAANCAT). Con este podemos obtener rápidamente una idea de las características de diferentes tipos de aspersores que hay en el mercado. En situaciones donde los desniveles del terreno a regar con la fuente de agua son insuficientes para aplicar aspersores de tipo martillo, podemos optar por micro aspersores o aspersores tipo KARPAY. Para este curso trabajamos con aspersores de plástico de la fábrica NAAN, porque NAAN tiene la ventaja de ofrecer un software para el diseño de redes de riego presurizado.  A continuación se presentan dos modelos cuyas tablas de características se presentan en anexo 2.

26

NAAN 501, espaciamiento recomendado hasta 8.5 m (con una altura de 0.8 metros sobre el suelo).

Ventajas: 





Precipitación relativamente baja: entre 1,6 y 7,3 mm/ hora. Caudal bajo y diámetro mojado reducido: se adapta a pequeñas áreas (huertos) y a caudales pequeños Trabaja con presiones bajas (1 atm = 10 m.)

Desventajas: 



Pulveriza mucho el chorro de agua, lo que efectúa pérdidas grandes en áreas con mucho viento. Comparado con aspersores de mayor diámetro, el costo por metro cuadrado irrigado es mayor 

NAAN 427, espaciamiento recomendado hasta 15 m. Ventajas: 







La precipitación está entre 4 y 8,2 mm/hora, que puede servir para dotaciones más grandes de agua en menos tiempo, siempre y cuando la velocidad de infiltración del suelo lo permita. Diámetro mojado más grande, para áreas más extendido, y el costo por metro cuadrado irrigado es más bajo Sectorial, facilita el riego en pequeñas parcelas, y puede evitar el choque del chorro contra la ladera en caso de pendientes fuertes. Trabaja con presiones bajas (1 atm = 10 m.)

Desventajas: 

4.3

Puede tener un diámetro mojado grande para parcelas pequeñas, por ejemplo huertos. Velocidad básica de infiltración (VBI)

La mejor manera de determinar la velocidad básica de infiltración VBI es mediante mediciones en situ, utilizando por ejemplo un cilindro infiltrómetro o el método del surco infiltrómetro. Para más información, véase “Necesidades hídricas de los cultivos”, Soto Hoyos 1997.  Algunos datos indicativos y referenciales sobre la taza de infiltración de diferentes tipos de suelos presenta el cuadro siguiente: Cuadro 10: Velocidades de infiltración típicas Textura del suelo  Arena Franca Limosa Franco arcilloso  Arcillo

Velocidad básica de Infiltración (mm/hora) 50 25 12,5 8 2,5

Una manera sencilla para hacer una estimación de la intensidad de precipitación de un tipo de aspersor, es a través de los cálculos siguientes:

27

Se determina, a través del anexo 2 o a través del programa NAANCAT, el caudal que corresponde con determinada presión y determinada boquilla, expresado en m 3/h. De acuerdo al espaciamiento entre los aspersores, se puede considerar que el área de influencia directa de cada aspersor, incluyendo todos los efectos de traslape, corresponde a la distancia de espaciamiento elevado al cuadrado Si el caudal del aspersor es Q (m3/h) y la distancia de espaciamiento entre 2 aspersores es D (m), la precipitación del aspersor será

P = Q * 1000 D²

(P en mm/h)

Para una elección de un tipo de aspersor el criterio es entonces que

VBI

P

Ejemplo: En el ejemplo del capitulo 4, el suelo es de tipo limoso. Un aspersor NAAN 427, trabajando a una presión de 15m (1.5 bar), con una boquilla de 4 mm (negra) tendrá un caudal Q de 0.72 m3 /h (o sea 0.2 l/s). Con un espaciamiento entre aspersores D de 12 m, la precipitación será

P = 0.85 * 1000 = 5 mm/h 144 VBI > P

12.5 > 5

O.K.

El tiempo de riego del ejemplo del capitulo 7 con este aspersor bajo estas condiciones esta dado por: Dotacion bruta = 30 mm P 5 mm/h

6 horas

Entonces, el agricultor cambia la posición de los aspersores cada 6  horas, y para una determinada posición pasarán 8 días entre 2 riegos de 6  horas.

28

5

Selección de sectores de riego

Si el área de riego es mayor de 3 a 4 hectáreas y el número de regantes mayor de uno, será conveniente dividir la zona de riego en sectores, cada uno regando independientemente con un caudal continuo. Los sectores pueden consistir de una parcela o varias, dependiendo de las áreas a regar de las parcelas. La selección de sectores de riego es un proceso principalmente de intuición del dibujante. Se toman en cuenta factores como costo, topografía, barreras en el terreno como quebradas, caminos, etc, lazos de solidaridad entre agricultores, y otros. trataremos cada una de estas consideraciones a continuación: Topografía: En la selección de sectores se tomará en cuenta la topografía del terreno. Se seleccionan áreas compactas que pueden ser abarcadas fácilmente desde un solo punto (cámara de carga). A veces es importante tomar en cuenta las disponibilidad de terrenos apropiados para la construcción de reservorios. Para las partes más altas estos tienen que estar en elevaciones que permiten abarcar la mayor parte de los terrenos con suficiente presión. También se evaluará la forma en que se puede distribuir al agua al interior de los sectores. •

Número de parcelas : El número de parcelas del sector es de preferencia uno, porque esto significará que el equipo de riego móvil con que se riego el sector pertenece a un solo regante, con todas las ventajas que esto implica. Sin embargo, cuando las áreas de riego de cada parcela son muy pequeñas, no quedará otra alternativa que juntarlas para tener caudales de riego manejables y para evitar gastos excesivas en reservorios, líneas de parcela, tanques de repartición, mano de obra para cambiar aspersores, etc.

•

Solidaridad entre regantes : Es obvio que cuando se juntan varias parcelas en un sector, lo mejor es seleccionar parcelas cuyos propietarios tienen confianza entre ellos. Esto porque las líneas fijas y el equipo móvil de riego tendrá que ser adquirido y administrado en forma compartida. Además, el riego de diferentes parcelas en un sector se realiza mediante turnos, y esto requiere de una coordinación fluida entre los usuarios. En la práctica esto significa muchas veces que se juntarán en un sector las diferentes parcelas de una sola herencia, o parcelas de vecinos que tienen buenas relaciones de confianza.

•

Tamaño del sector : Una indicación para el tamaño mínimo de un sector es de 0,5 has, con un caudal continuo de alrededor de 0,2 lit/seg, que es el caudal de un aspersor  pequeño. Si las parcelas son mayores de 0,5 a 1 ha, por lo general se puede asignar a cada parcela un caudal fijo de riego.

Una vez que se tienen definido los límites de los sectores de riego y la ubicación de las cámaras de carga de cada uno, se puede delimitar las áreas netas a regar, tomando para ellos todas las partes regables que se encuentren por debajo de los 12 metros de la altura del reservorio (las partes no regables podemos marcar con una sombrilla). Luego nos queda sumar las superficies neta regables de cada parcela en los sectores, obteniendo así las superficies regables de cada sector. Estas a su vez van a determinar los caudales de riego de cada sector, el número de aspersores, los diámetros de tubería, etc.

29

Figura 5: Línea de riego móvil

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Figura 6: ubicación de las líneas de riego, adecuándose a las curvas de nivel

6 6.1

Ubicación de los hidrantes Diseño de la línea de riego móvil 

Una vez que se tiene definidos los sectores de riego y la ubicación de las cámaras de carga, se puede proceder a la ubicación de los hidrantes. Pero primeramente tenemos que diseñar la línea de riego móvil que va a regar el sector. El caudal de riego del sector es dado por:

30

Qsector  = Asector  x Mr  El número de aspersores es dado por:

Naspersores = Qsector  / Qaspersor  Para el caudal del aspersor tomaremos el caudal dada por la tabla de característica del aspersor seleccionado, y para la presión promedia que se espera obtener en las líneas de riego (1,8 o 2,0 Bar generalmente). El resultado de Q sector  / Qaspersor  redondeamos hacia arriba (por ejemplo: 4,3 aspersores redondeamos a 5). Una vez determinado el número se aspersores del sector se debe definir el distanciamiento entre aspersores. Para eso se tiene que respetar el criterio de:

Dist. entre aspersores

0,8 x Diámetro área mojado

Para determinar el diámetro mojado consultamos la tabla de característica del aspersor. Si nuestra intención es, elevar el aspersor con un elevador de X metros (para regar encima de cultivos altos), el diámetro indicado en tablas se aumentará entre 4 * X y 6 * X. El distanciamiento máximo entre aspersores se escoge evaluando el sector a regar. En el plano topográfico se determina la longitud máxima que debe tener la línea de riego para que todas las parcelas del sector puedan ser cubiertas por la línea de riego en sentido paralelo a las curvas de nivel. Si el ancho del sector, medido paralelo a las curvas de nivel, es mayor que:

Naspersores * 0,8 * Diámetro área mojada, Entonces se tendrá que optar por ubicar una o varias filas de hidrantes en medio de las parcelas (la parcela de regará extendiendo la línea de riego móvil hacia ambos lados de los hidrantes). Una vez determinado la mayor distancia entre hidrante y límite del sector de riego, medido en forma paralela a las curvas de nivel, se divide esta distancia entre el número de aspersores para definir el distanciamiento.  Ahora podemos calcular el diámetro de la manguera portador de los aspersores, con ayuda del programa NAANCAT. Se lo encuentra en el Internet, buscando www.naan.co.il . En este se escoge el aspersor y la boquilla. En la pantalla “cálculo hidráulico” se escoge el distanciamiento determinado, y la distancia máxima de la línea de riego. Luego se escoge una presión de cabecera de la línea de riego (se coloca el valor mínimo esperado) y un tipo de tubería. Si la curva de presiones se mantiene dentro de los límites permitidos (1 Bar  normalmente), el diámetro escogido es suficiente. 6.2

Ubicaciones de la línea de riego móvil por el sector de riego

En el plano topográfico se diseña la línea de riego determinado, y se trata de ubicarlo de la manera más conveniente por todo el sector a regar. Para eso se tienen que marcar  primeramente las áreas no regables por falta de presión hidrostática, relativa a la altura de la cámara de carga/reservorio proyectado para el sector, o por otras razones. Las ubicaciones de las líneas de riego se proyectan luego sobre el área a regar, pensando en el requisito de que la línea de riego no debe tenderse mucho en sentido hacia abajo o hacia arriba de la pendiente, porque esto produce desuniformidad de precipitación entre aspersores (es decir, la línea de riego sigue el sentido de las curvas de nivel, ver  Figura 6). Figura 7: Rotación de la línea de riego móvil por el sector 

31

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6 

Ejemplo: Distanciamiento7  recomendado = 12 x 12 = 144 m2. Ancho de la mitad  de la parcela medido paralelo a las curvas de nivel = 60 m. Número de aspersores = 4. Distancia entre aspersores = 60 / 4 = 15 m. Distancia entre líneas 8  = 144 / 15 = 9,6 m. Podemos redondear a 10 metros. 9 1 0  1 1 1 2 

En la distancia entre las líneas de riego tenemos que tener en cuenta el distanciamiento recomendado (por ejemplo 12 x 12 m = 144 m 2), y el distanciamiento entre aspersores obtenidos arriba por la división del ancho de la parcela a regar por el número de aspersores. Dividimos el distanciamiento recomendado al cuadrado por el distanciamiento entre aspersores para obtener el distanciamiento entre líneas. Cuando se determinaron de esta manera las posiciones que la línea de riego móvil tendrá para cobertura de todo el sector, se escogen los puntos de entrega, los hidrantes, tomando en cuenta lo siguiente: Los hidrantes son componentes relativamente caras en la red de parcela, por lo tanto su número tiene que limitarse. Como regla se puede tomar para la distancia entre hidrantes 3 veces la distancia entre líneas (ver Figura 7). Para determinar la longitud de la manguera de la línea de riego móvil, utilizamos la siguiente fórmula:

LM = (Naspersores – ½) * Daspersores + Dlíneas LM = Longitud de la manguera de la línea móvil Naspersores = número de aspersores de una línea Daspersores = Distanciamiento entre aspersores en la línea de riego Dhidrantes = Distanciamiento entre líneas 6.3

Diseño de las líneas de riego fijas (líneas de presión)

Ejemplo: Distancia entre aspersores = 15 m. Número de aspersores = 4. Distancia entre líneas = 10 metros. Longitud de la línea móvil es 3½ * 15 + 10 = 62,5 m Para el diseño de las líneas de riego fijas, basta conectar los hidrantes del sector con el reservorio / cámara de carga por la vía más corta. Por lo general esto significa conectar 

32

los hidrantes con líneas rectas. Donde los puntos a conectar forma triángulos con lados equidistantes puede ser conveniente conectarlos en forma de “polígonos de Thiessen” (ver  Figura 8). Figura 8: Conexión de hidrantes con polígonos de Thiessen Hidrante 2 o

120

120o 120o

Hidrante 2

Hidrante 2

120o Hidrante 2

120o

Hidrante 2

o

120

33

7 7.1

Redes de conducción, distribución, y líneas fijas de parcela Introducción

Una vez determinado los planes de cultivos, los requerimientos en agua, el área total regable, la repartición del área total entre los usuarios, el caudal de diseño, y la distribución de los sectores de riego y de los hidrantes, se puede proceder al diseño de la infraestructura desde la fuente hasta los hidrantes. Figura 9: Esquema de la distribución de agua, conducción, distribución proporcionar, línea fija y línea móvil El concepto básico del planteamiento hidráulico de los pequeños sistemas de riego desarrollado en este curso, consiste en: Una repartición del flujo de agua desde la captación o de la fuente, a través de una red de conducción y distribución, en forma proporcional hasta los sectores, en caudales continuos que alimentan pequeños reservorios / cámaras de carga. Esta parte del sistema tiene que ser diseñado de tal manera que en las obras de repartición haya presión atmosférica para poder asegurar una repartición proporcional correcta. Significa que esta parte del sistema consiste de canales abiertos y/o tubería con presión atmosférica, con en algunas partes si necesario tramos presurizados para atravesar pendientes fuertes o quebradas (con sifones) que luego desembocan en una obra repartidora o en un reservorio/cámara de carga.  A partir de los reservorios/cámaras de carga el flujo continuo que corresponde a cada sector entra en una red de tubería presurizada, que tiene como salida uno o varios hidrantes. En esta red no se puede lograr reparticiones del agua en forma proporcional entre los hidrantes, y por lo tanto la distribución es en forma de turno o rotación (ver  Figura 9). 7.2

Líneas de conducción y de distribución

De acuerdo al caudal que tiene que pasar por la tubería, se puede considerar 2 opciones: conducción con tubos llenos, y conducción con tubos con tirante hasta 75% del diámetro del tubo. Con tubos llenos, se aplicará la siguiente formula para tubos de PVC o con rugosidad igual a PVC, basada en Hazen Williams, :

D = (0.349 * Q * S -0.5701) 0.369 Con: Q = caudal en l/s S = pendiente del tubo en m/m D = diámetro del tubo en pulgadas El resultado D de este calculo tiene que ser redondeado hacia arriba para obtener  valores de diámetros existentes. También se puede hacer los cálculos utilizando la hoja de cálculo en Excel “perdida de carga.xls”.

34

Para calcular los tirantes de agua en tubos parcialmente llenos, se puede utilizar el programa HCANALES. 7.3

Obras de arte en las líneas de conducción y de distribución

 A continuación van a ser presentados algunos tipos de obras que podemos necesitar  en las líneas de conducción y de distribución. 

Captación o bocatoma



Sedimentador 



Obras de repartición



Cámara rompe-presión



Cajas de válvulas de purga y de desfogue



Reservorio/cámara de carga

Se asume que los diseños de pequeñas captaciones, bocatomas, sedimentadores, cámaras rompe-presión y válvulas de purga y de desfogue son suficientemente conocidos, y nos limitamos a dar más detalles sobre las obras de repartición, las reservorios/cámaras de carga. 7.4

Obras de repartición

El objetivo de una obra de repartición en el contexto de riego por aspersión es: asegurar una repartición proporcional del flujo de agua de acuerdo a una proporción preestablecida: 50% - 50%, 60% - 40%, 1/3 – 2/3, independientemente de la variación del caudal que pasa por la obra. Eso para asegurar que las diferentes secciones del sistema siempre reciban la misma proporción del caudal total. Se han desarrollado experiencias con 2 tipos de obras de repartición: 



Los vertederos triangulares de cresta aguda, en que el ángulo de la apertura tiene una relación directa con el caudal que pasa por el vertedero (ver  Figura 10). Los orificios circulares, en que el numero de orificios con diámetro determinado determina la repartición de agua entre 2 o más partes (ver Figura 13)

Ejemplo: un caudal de 2 l/s puede pasar por 10 orificios de 0.2 l/s cada uno, y 6 de estos orificios separan el agua para un ramal mientras que 4 llevan el resto del flujo a otro ramal, asegurando de esta manera una repartición 60% - 40%. La elección del tipo de obra repartidora tiene mucho que ver con el nivel de conflictos y/o confianza de los (futuros) usuarios: en muchos casos es muy importante visualizar bien la repartición de agua. En estos casos podría ser más conveniente escoger una obra con orificios en ves de una con vertedores: la repartición determinada por números de orificios es más fácil de entender que una repartición determinada por ángulos de vertedores.

35

Figura 10: Tanque repartidor con vertederos triangulares  0         . 1          0        

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Vertedero triangular  Para repartir el flujo de agua proporcionalmente en 2, 3 o más partes, se construye una caja en concreto con una sección donde entra el caudal a repartir. Esta sección esta separada de las secciones de salida mediante una placa metálica de 2 o 3 mm que tiene para cada sección de salida una apertura triangular. Variando el ángulo entre 2 vertedores, se llega a una diferencia entre los caudales que pasan por cada vertedero con una proporción constante. El Cuadro 11 muestra 3 ángulos de vertederos y la relación entre los caudales que pasan por cada vertedero. Cuadro 11: Angulos específicos para vertederos triangulares  Angulo del vertedero 90° 53° 8’ 35° 46’

θ

Proporción del caudal Q Q ½*Q 1/3*Q

Ejemplo: si colocamos en una caja repartidora un vertedero de 90 ° y un de 35 ° 46’, dividiremos un caudal de entrada de 1 l/s en 2 caudales: 0.75 l/s y 0.25 l/s. En el caso de remplazar el vertedero de 35 ° 46’ por uno de 53° 8’, la división del  mismo caudal sería: 0.66 l/s y 0.33 l/s.

La formula para determinar la relación entre el caudal Q y el ángulo es la siguiente:

36

θ

del vertedero

Q = Ce 8 2g tan (h1 + Kh) 2.5 15 2 Con: Q = caudal en m3 /s = ángulo del vertedero en grados g = 9.81 m/s² h1 = altura del nivel del agua, aguas arriba del vertedero, medido a partir del punto del ángulo (m) Ce = coeficiente en función de , véase Figura 12 Kh = coeficiente en función de , véase Figura 11 (la lectura es en mm, se convierte en m para introducir en la formula). Figura 11: Valor de K h, función de

θ

Fuente: Bos M.G.,1976 Figura 12: Coeficiente de descarga C e, funcion de

θ

ángulo del vertedero en grados

ángulo del vertedero en grados

Fuente: Bos M.G., 1976

Ce

Manteniendo constante la altura h1, se puede variar el ángulo θ y iterativamente calcular los caudales parra llegar a proporciones de caudal entre dos vertedores, diferentes de los presentados en el cuadro 8. Condiciones a respetar: 

Sabiendo los caudales máximos que tienen que repartirse y la proporción, se determina el h1max. La caja repartidora tiene que ser diseñado de tal manera que la distancia P entre el fondo de la caja y el punto de los vertedores respeta la condición:

P 

2.5 * h 1max.

La anchura de la caja tiene que ser suficiente para que sea igual a la suma de los anchos de flujo B mínimos de cada vertedor. Para cada uno, B tiene que respetar la condición:

B

5 * h 1max.

Para una caja con 2 vertedores, B caja será entonces:

Bcaja

2 * 5 * h 1max

En general, con un numero X de vertedores:

Bcaja

X * 5 * h 1max

37



El nivel del agua, aguas abajo de los vertedores, no tiene que superar 0.05 m por debajo del punto de los vertedores, para garantizar una caída libre del agua a través de los vertedores

Es de suma importancia para el buen funcionamiento de esta obra la fabricación correcta de los vertedores, que se hace preferiblemente en un taller especializado (en Cajamarca: Herrandina, ESMEPRE). Luego, su instalación debe de hacerse con la máxima precisión para que los vertedores estén en una posición perfectamente horizontal. Repartidor con orificios Cuando nos interesa incorporar cierta flexibilidad en las proporciones, se puede optar  por el repartidor con orificios perforados en tubos de PVC verticales como demuestra la Figura 13. Los orificios son perforados en tubo de PVC de 6” o 8”, si los caudales de salida son menores de 3 lit/seg. Para repartir caudales mayores es preferible optar por repartidores del tipo vertedero. El pedazo de tubo perforado no debe pegarse en su unión/reducción que se está anclado en el fondo del tanque, para que pueda ser removida. A parte de ser una solución relativamente flexible, el costo es bajo porque las dimensiones de los tanques son reducidas. Figura 13: Tanque repartidor con orificios en tubos verticales

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La descarga de un orificio sumergido que descarga libremente en el aire es:

Q = Cd * ¼ *

* d2 * (2g * h)

Cd = coeficiente de descarga (ver tabla siguiente) d = diámetro del orificio g = 9,8 h = carga hidráulica Cuadro 12 presenta los valores de la coeficiente de descarga C d en función del diámetro de orificios con salida libre en el aire.

38

Cuadro 12: Valores de C d como función de d, orificios con salida libre

diámetro orificio (metros)

Cd (coeficiente de descarga)

0.02

0.61

0.025

0.62

0.035

0.64

0.045

0.63

0.05

0.62

0.065

0.61

>0 .075

0.60

Orificios de ½” (12 mm), sumergidos con 0,1 metros de agua tiene una descarga de aproximadamente 0,1 lit/seg. Entonces, si los aspersores a usar tuvieran un caudal aproximado de 0,1 lit/seg, podríamos establecer la repartición proporcional del agua mediante un orificio de este tamaño por cada aspersor que en el sistema de riego estuviera operando bajo el repartidor. Cuando por algún motivo, la repartición tiene que ser cambiada posteriormente, los mismos usuarios podrán realizar los cambios con la ayuda de un mecánico que puede perforar los orificios. Orificios que están de más pueden ser tapados temporal- o permanentemente. Para asegurar la proporcionalidad, es necesario que las alturas de los orificios respecto a la altura del agua en el tanque sean perfectamente iguales. Esto significa que todos los orificios deben estar a la misma altura, o se puede perforar en dos o más filas si esto se hace proporcionalmente (es decir, cuando la proporción tiene que ser 1/3 – 2/3, se debe asegurar que hay dos orificios a cada altura, en un lado, por un orificio a la misma altura al otro lado).

Ejemplo: en un tubo de 6” se pueden perforar 20 orificios con un diámetro de 12  mm a una sola altura. Sumergidos con 0,1 metros de agua, por los 20 orificios  pasarán cerca de 2 lit/seg. 7.5

Reservorios cámaras de carga El tipo de obra descrito en este capitulo tiene 2 funciones:





cámara de carga para generar la presión para la red presurizada obra de regulación para permitir el buen funcionamiento del sistema con caudales variables. En algunos casos tiene una tercera función:



rompe-presión para evitar presiones demasiado altas en la red presurizada.

39

Figura 14: Reservorio / cámara de carga de 8 m3, concreto reforzado con malla galvanizada La regulación es necesaria por el hecho que el sistema de riego esta diseñado con

0

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un caudal máximo pero que debe de poder funcionar con caudales más pequeños sin que la red presurizada aspire aire: el reservorio permite almacenar el agua entrando durante cierto tiempo, para que después se pueda regar con toda la capacidad del sistema. Más que todo esta obra asegura la flexibilidad del sistema cuando los caudales disminuyen, y deja a los agricultores de escoger las opciones que ellos prefieren para regar: 



pueden regar con toda la capacidad que tienen, es decir con todos los aspersores y boquillas con qué también regan en la época de máximos caudales. En este caso los tiempos de riego serán más cortos, y van a tener que esperar con más frecuencia que se llene de nuevo el reservorio. pueden sacar unos aspersores, poner boquillas más pequeños, o poner otro tipo de aspersor que gasta menos, para adecuar el riego al caudal disminuyente, maximizando así los tiempos de riego y minimizando las veces que tienen que esperar que se llene el reservorio.

En todo caso, dado que es prácticamente imposible ajustar en cada momento el caudal con qué se riega exactamente al caudal entrando, la necesidad de estos reservorios se justifica para no desperdiciar agua o estar regando con dificultad. El volumen de un reservorio depende de los factores siguientes: 

La diferencia entre el caudal máximo y mínimo con qué funciona el sistema

40



El tiempo de riego que se considera conveniente para los agricultores, entre dos llenadas del reservorio. Eso se puede determinar conversando con ellos, y generalmente es conveniente hacerlo encajar en unidades de 6, 8 o 12 horas.

Ejemplo: El sistema de riego por aspersión de San José, Shirac, ha sido diseñado tomando en consideración un caudal mínimo de 0.3 l/s (aforado en setiembre) y un caudal máximo de 0.5 l/s (estimado para el mes de junio). La capacidad del sistema esta entonces  para poder funcionar con 0.5 l/s. El reservorio/ cámara de carga se diseño de la siguiente manera: se determinó que los agricultores tienen que poder regar un mínimo de 8 horas en el  tiempo de caudales mínimos (0.3 l/s), con toda la capacidad del sistema, es decir  con un caudal de 0.5 l/s. el volumen de la diferencia entre 0.3 l/s y 0.5 l/s durante 8 horas tiene que ser  entonces almacenado en un reservorio: V reservorio = (0.5 – 0.3) * 8 * 3600 = 5760 litros = 5.76 m3

se consideró construir un reservorio de 6 m3, que se llenaría en 6000/ 0.3/ 3600 = 5,5  horas.

La construcción de los reservorios puede hacerse en concreto armado, o mampostería con revestimiento de geomembrana de PVC o de polietileno. Preferiblemente se les da una forma trapezoidal para mayor estabilidad y una construcción menos costoso en el caso de concreto. Para revestimientos con geomembrana esta forma es indispensable. Este ultimo tipo de revestimiento esta todavía en estado de experimentación pero parece ser una alternativa interesante por su costo bajo. Los anexos 3 y 4 muestran un análisis de costos de 2 tipos de revestimiento: concreto armado y manta de polietileno de 0.1 mm. 7.6

Redes presurizadas

Una vez que se conoce el caudal que tiene que pasar por una red presurizada, a partir de su reservorio/cámara de carga, se puede jugar con la topografía del terreno y varios diámetros de tubería para llegar a las presiones optimas al nivel de cada hidrante, a través de las pérdidas de carga dentro de la tubería. Se utiliza la hoja de calculo Excel “pérdida de carga.xls” para determinar las presiones en los diferentes puntos de la red presurizada, las cantidades de tubos de diferentes diámetros necesarios, y el costo por tramo y total. Se trata de evitar diferencias grandes de presión entre los hidrantes conectados a una red presurizada con fines de poder trabajar lo más que posible con el mismo equipo móvil con la misma presión en cada hidrante. Figura 15 presenta en croquis los elementos y accesorios necesarios para una red presurizada, un hidrante, y un equipo móvil de aspersión.

41

Figura 15: Esquema de red presurizada, hidrante, equipo móvil de aspersión

42

8

Costos y presupuesto

Para calcular los costos de un sistema de riego presurizado hemos definido los rubros siguientes, con referencia a los componentes del sistema: 

Captación

Conducción (que incluye los tanques de repartición y las redes de distribución) 



Reservorios reguladores/ cámaras de carga

Redes presurizadas (que incluye líneas de riego fijas y enterradas, hidrantes, y líneas de riego móviles) 



Mano de obra calificada (maestros, residentes de obra)



Mano de obra no-calificada

Elaboración de proyecto y supervisión (Ing o que diseña y supervise el sistema, topógrafo, etc.) 



Capacitación

En principio, la política institucional que se está desarrollando frente al implementación de proyectos de riego define que el rubro D, redes presurizados, sea financiado por los propios beneficiarios, si posible mediante un crédito. Significa que la mano de obra calificada (rubro E) se calcula tan sólo sobre la infraestructura de base (rubros A, B y C). Mediante la capacitación (rubro H) se puede enseñar lo necesario a los beneficiarios, para que ellos mismos instalen sus hidrantes, conectan sus tubos, y armen sus líneas móviles de riego. Como ejemplo están presentados aquí los costos de 2 proyectos ejecutados en 1998 y 1999 por la Dirección Departamental de PRONAMACHCS Cajamarca. Los proyectos distintos en su concepción. Cuadro 13 da un resumen de los costos totales del proyecto de riego por aspersión Hierba Santa que capta el agua de un manantial con Q = 0.3 l/s y lo reparte entre 8 familias de tal manera que cada familia pueda regar unos 1250 m 2. Hay varios cultivos (papa, hortalizas, alfalfa, alverja, cebada), para autoconsumo y para venta al mercado. Los beneficiarios tenían que comprarse los aspersores y la manguera pero fueron apoyado en eso por el Municipio Distrital. Cuadro 14 muestra los costos del proyecto de riego Pedregal que se alimenta de una fuente de 8.5 l/s y es un sistema de riego por gravedad que ha sido convertido en riego por  aspersión. Cada beneficiario recibe un caudal proporcional al área que puede regar. Los beneficiarios son ganaderos vendedores de leche, regando mayormente pastos y algunos cultivos en limpio (papa). Los beneficiarios asumen todo el gasto para las redes presurizados (rubro D) mediante un crédito otorgado por el proyecto ALTURA de CARE.

43

Cuadro 13: Resumen de costos del proyecto de riego Hierba Santa Proyecto:  Area regada: Beneficiarios:

Hierba Santa, provincia San Marcos 1 ha 8 familias

Rubro

Especificación

 A. Captación B. Conducción

Captación Tubería + accesorios Tanque repartidor  C. Reservorios Reservorios 3m3 reguladores D. Redes Líneas de riego fijas presurizados Mangueras  Aspersores Hidrantes  Accesorios E. Mano de obra calificada F. Mano de obra nocalificada G. Elaboración de proyecto y supervisión H. Capacitación

Cantidad

Costo S/.

1 296 m 1 2

330 464 130 458

645 m 100 m 8 8

1695

500 1500 800

200

TOTAL

6077

Costo por hectárea

6077

Cuadro 14: Resumen de costos del proyecto de riego Pedregal Proyecto:  Area regada: Beneficiarios:

Rubro  A. Captación B. Conducción

Pedregal, provincia Celendín 20 ha 15 familias

Especificación

Captación Tubería + accesorios Tanques repartidor  Tanques de valvula C. Reservorios Reservorios 3m3 reguladores D. Redes Líneas de riego fijas presurizados Mangueras  Aspersores Hidrantes  Accesorios E. Mano de obra calificada F. Mano de obra nocalificada G. Elaboración de proyecto y supervisión H. Capacitación

Cantidad

Costo S/.

1 2570 m 7 3 13

610 24340 1820

2020 m 800 m 43 52

7000

9600

3300 6500 9000

5500

44