UNIVERSIDAD TCNICA PARTICULAR DE LOJA

La Universidad Catlica de Loja

TITULACIN DE INGENIERO CIVIL

Simulacin del factor energtico por los modelos de Clment

en redes de riego presurizadas

Trabajo de Fin de Titulacin

Autor:

Ramn Zhigui Katherine Ivanova

Director:

Lapo Pauta Carmen Mireya, Ing.

LOJA-ECUADOR

2012

i

CERTIFICACIN

Ing. Mireya Lapo Pauta

DIRECTORA DEL TRABAJO DE FIN DE TITULACIN

CERTIFICA:

Que el presente trabajo de fin de carrera desarrollado paraobtener el ttulo de

Ingeniero Civil, titulado Simulacin del factor energtico por los modelos

de Clment en redes de riego presurizadas, realizado porKatherineIvanova

Ramn Zhigui, ha sido elaborado bajo mi direccin yminuciosamente supervi-

sado y revisado, por lo que autorizosu presentacin a la Titulacin de Ingenier-

a Civil.

Es todo cuanto puedo certificar en honor a la verdad.

f:

Ing. Carmen Mireya Lapo Pauta

CI: 1102738448

DIRECTOR DE TESIS

ii

AUTORA

Las ideas, diseos, clculos, resultados, conclusiones, tratamiento formal y

cientfico de la metodologa de la investigacin contemplada en el trabajo de fin

de carrera titulado Simulacin del factor energtico por los modelos de

Clement en redes de riego presurizadas, previo a la obtencin del grado de

Ingeniero Civil de la Universidad Tcnica Particular de Loja, son de exclusiva

responsabilidad del autor.

f:

Katherine Ivanova Ramn Zhigui

CI: 1104528433

iii

CESIN DE DERECHOS

Yo, Katherine Ivanova Ramn Zhigui, declaro ser autor del presente trabajo y

eximo expresamente a la Universidad Tcnica Particular de Loja y a sus repre-

sentantes legales de posibles reclamos o acciones legales.

Adicionalmente declaro conocer y aceptar la disposicin del Art. 67 del Estatuto

Orgnico de la Universidad Tcnica Particular de Loja que en su parte pertinen-

te textualmente dice: Forman parte del parte del patrimonio de la Universidad

la propiedad intelectual de investigaciones, trabajos cientficos o tcnicos y te-

sis de grado que se realicen a travs, o con el apoyo financiero, acadmico o

institucional (operativo) de la universidad.

f:

Katherine Ivanova Ramn Zhigui

CI: 1104528433

iv

DEDICATORIA

Con profundo aprecio:

A mi Padre Juan Ramn que a travs

de su ejemplo fue la principal

motivacin para mis ms grandes logros

a mi madre Vanessa Zhigui mi constante apoyo

y fortaleza en cada batalla de la vida.

v

AGRADECIMIENTO

Primeramente a Dios por permitirme llevar a cabo

cada uno de mis sueos.

Agradezco a mi padre Juan Ramn que desde el cielo ha guiado

cada uno de mis pasos, a mi madre Vanessa Zhigui, que ha sido m

apoyo incondicional e indispensable en la realizacin

de este sueo.

A mis hermanos Erika y Juan Andrs que con sus

sonrisas, y su cario han hecho ms fciles mis das.

As tambin agradezco a la Ing. Mireya Lapo quien con sus

Conocimientos impartidos ha contribuido a la culminacin

exitosa de este proyecto de investigacin.

Al Voluntariado Misin Sonrisas

que me ha permitido combinar mis estudios con la alegra

de ayudar, y ha cambiado mi vida de manera radical.

vi

RESUMEN

En Ecuador la SENAGUA (Secretara Nacional del Agua), establece tres usos

especficos del recurso hdrico: riego, caudal ecolgico y consumo humano, se

distribuyen en 80.6%, 10.8% y 8.6% respectivamente; segn la publicacin de

abril 2011 de Jaime Wong Jo, El uso del agua y sus limitaciones en los culti-

vos , afirma que de los 3 140 000 hectreas de tierras cultivables, solamente

el 30% cuenta con infraestructura de riego, el 70 % restante solo recibe aguas

lluvias.

Razn por la que se desarrolla la presente investigacin considerando el anli-

sis tcnico y econmico del diseo de redes de riego presurizadas a la deman-

da, por el primer y segundo modelo de Clment (Clment y Galand, 1986), mo-

delos usados con eficiencia a nivel Europeo, disminuyendo el dimetro de tu-

beras con el clculo de caudales basado en distribuciones probabilsticas.

Para los que se simularon dos escenarios, tanto para el mtodo analtico como

para el diseo en un software de programacin lineal, y finalmente se observ

que el diseo obtenido del software basado en programacin lineal es ms

econmico energticamente.

vii

ABSTRACT

In Ecuador the SENAGUA (National Water Secretariat), establishes three spe-

cific uses of water resources: irrigation and human consumption ecological flow,

are distributed in 80.6%, 10.8% and 8.6% respectively, according to the publica-

tion in April 2011 of James Wong Jo "water use and limitations in crops," states

that the 3 '140 000 hectares of arable land, only 30% have irrigation infrastruc-

ture, the remaining 70% received only rainwater.

Reason for this research is developed considering the technical and economic

analysis of the design of pressurized irrigation networks on demand, for the first

and second Clment model (Clment and Galand, 1986), models used effec-

tively at European level, decreasing the pipe diameter with the flow calculation

based on probability distributions.

For those two scenarios were simulated for both the analytical method to design

a linear programming software, and finally found that the design obtained from

linear programming software is based on cheap energy.

viii

Contenido

Certificacin ......................................................................................................... i

Autora ................................................................................................................ ii

Cesin de derechos ........................................................................................... iii

Dedicatoria ......................................................................................................... iv

Agradecimiento ................................................................................................... v

Resumen ............................................................................................................ vi

Abstract ............................................................................................................. vii

1. GENERALIDADES ..................................................................................... 1

1.1. Introduccin .......................................................................................... 1

1.2. Objetivos ............................................................................................... 2

1.3. Antecedentes ........................................................................................ 2

1.4. Justificacin .......................................................................................... 3

2. ESTADO DEL ARTE ................................................................................... 3

2.1 Definicin primer modelo de Clment ................................................... 4

2.2 Definicin segundo modelo de Clement ................................................ 8

2.3 Factor energtico ................................................................................ 12

3. CASO DE ESTUDIO ................................................................................. 13

3.1 Ubicacin ............................................................................................ 13

3.2 Beneficiarios ....................................................................................... 13

3.3 rea de Proyecto ................................................................................ 13

3.4 Clima ................................................................................................... 14

3.5 Levantamiento topogrfico .................................................................. 14

3.6 Captacin ............................................................................................ 14

3.7 Topologa de la Red ............................................................................ 15

3.8 rea de diseo .................................................................................... 15

4. mtodologa .............................................................................................. 15

4.1 Topografa ........................................................................................... 16

4.2 Topologa de la Red ............................................................................ 16

4.3 Distribucin de hidrantes ..................................................................... 17

4.4 Caudal ficticio continuo ....................................................................... 19

Determinacin del caudal ficticio continuo analticamente ............................... 22

4.5 Acumulacin de hidrantes por lnea .................................................... 25

4.6 Estimacin de caudales por los modelos de Clment ......................... 26

ix

4.6.1 Primer modelo de Clment .............................................................. 26

4.6.2 Segundo modelo de Clement .......................................................... 29

4.7 Clculos hidrulicos de la red ............................................................. 30

5. clculo tipo de la red ................................................................................. 36

5.1 CLCULO TIPO DE CAUDALES DE CLMENT ............................... 36

5.1.1 Primer modelo de Clment .............................................................. 36

5.1.2 CLCULO TPO DEL DISEO HIDRAULICO ................................. 42

6. DIOPRAM ................................................................................................. 46

6.1 PRINCIPIOS FUNDAMENTALES ....................................................... 49

7. EPANET .................................................................................................... 50

8. aplicacin de softwareS ............................................................................ 51

8.1 Diseo de la red de riego Tuncarta en Diopram ................................. 51

8.2 Simulacin de la red de riego Tuncarta en Epanet ............................. 55

8.2.1 Coeficiente del emisor ..................................................................... 57

9. anlisis y discucin de resultados ............................................................. 58

9.1 Anlisis del Primer vs Segundo modelo de Clment .......................... 58

9.2 Anlisis del Primer vs Segundo modelo de Clment (incluido bomba) 61

9.3 Anlisis del primer modelo de Clment vs. Diopram ........................... 64

9.4 Anlisis del primer modelo de Clment vs. Diopram (perido extendido)

68

10. CONCLUSIONES ................................................................................... 80

11. Recomendaciones .................................................................................. 81

12. REFERENCIAS ...................................................................................... 81

12.1 BIBLIOGRAFA ................................................................................ 81

12.2 ANEXOS .......................................................................................... 83

Artculo tcnico para publicacin ...................................................................... 96

x

NDICE DE CUADROS

CUADRO 1. GARANTIA DE SUMINISTRO.................................................................................. 6

CUADRO 2. VALORES DE U. EN FUNCIN DE CALIDAD DEFUNCIONAMIENTO (CF) ........ 7

CUADRO 3. DISTRIBUCIN DE HIDRANTES .......................................................................... 18

CUADRO 4. DATOS CLIMATICOS ............................................................................................ 19

CUADRO 5. PRECIPITACIONES MENSUALES ....................................................................... 20

CUADRO 6. GARANTIA DE SUMINISTRO................................................................................ 26

CUADRO 7. DISTRIBUCIN ESTANDAR NORMAL ................................................................. 27

CUADRO 8. COEFICIENTES DE PERDIDAS MENORES ........................................................ 33

CUADRO 9. VALORES DE MDULO DE ELASTICIDAD (E) ................................................... 34

CUADRO 10. ASPERSOR SENNINGER .............................................................................. 57

CUADRO 11. RESUMEN DEMANDA DE CAUDALES .............................................................. 59

CUADRO 12. NMERO DE HIDRANTES SIMULTANEOS ....................................................... 59

CUADRO 13. PRESIONES ......................................................................................................... 59

CUADRO 14. DISTRIBUCIN VRP- RAMALES PRINCIPALES ............................................... 60

CUADRO 15. DISTRIBUCIN VLVULAS DE DESAGUE- RAMALES PRINCIPALES ........... 60

CUADRO 16. DISTRIBUCIN VLVULAS DE AIRE- RAMALES ............................................. 60

CUADRO 17. VALORES DE LA CURVA CARACTERSTICA ................................................... 63

xi

NDICE DE FIGURAS

FIG. 1 ESQUEMA DE FUNCIN NORMAL ................................................................................. 6

FIG. 2 DIAGRAMA DE REPRESENTACIN u COMO FUNCIN DE F (u) ............................ 11

FIG. 3 CURVA CARACTERSTICA DE UNA BOMBA ............................................................... 13

FIG. 4 PROGRAMACIN DEL CULTIVO CRTICO (MAIZ) ....................................................... 21

FIG. 5 DATOS DEL SUELO TUNCARTA (SARAGURO) ........................................................... 21

FIG. 6 CAUDAL FICTICIO CONTINUO ...................................................................................... 22

FIG. 7 RED DE EJEMPLO .......................................................................................................... 25

FIG. 8 HIDRANTES EN FUNCIONAMIENTO A LO LARGO DE JER. ....................................... 27

FIG. 10 DATOS TOPOGRFICOS DEL PROYECTO ............................................................... 51

FIG. 11 DATOS GENERALES DEL PROYECTO ...................................................................... 53

FIG. 12 DATOS GENERALES DE CAUDAL .............................................................................. 53

FIG. 13 DATOS DE ZANJA ........................................................................................................ 54

FIG. 14 DATOS DE HIDRANTES ............................................................................................... 54

FIG. 15 DATOS DE TRAMOS DE TUBERA .............................................................................. 55

FIG. 16 DATOS DE NUDOS ....................................................................................................... 56

FIG. 17 VELOCIDADES RAMAL PRINCIPAL 1 ......................................................................... 61

FIG. 18 COSTE ENERGTICO PARA ALTURA DE 10 m ......................................................... 62

FIG. 19 COSTE ENERGTICO PARA ALTURA DE 15 m ......................................................... 62

FIG. 20 CURVA CARACTERSTICA .......................................................................................... 63

FIG. 21 DATOS INGRESADOS SOFTWARE BIPS ................................................................... 64

FIG. 22 PRESIONES EN LA RED DE RIEGO TUNCARTA SIN VRP ....................................... 65

FIG. 23 PERFIL LONGITUDINAL DE PRESIN (MTODO ANALTICO) ................................ 66

FIG. 24 PERFIL LONGITUDINAL (DIOPRAM) ........................................................................... 67

FIG. 25 TIEMPO DE SIMULACIN ............................................................................................ 68

FIG. 26 PATRN DE MODULACIN DE DEMANDA ................................................................ 68

FIG. 27 BALANCE DE CAUDALES PRIMER MODELO DE CLEMENT .................................... 69

FIG. 28 BALANCE DE CAUDALES DIOPRAM .......................................................................... 70

FIG. 29 VARIACIN DE PRESIN EN EL NUDO CRTICO (Mtodo Analtico) ....................... 70

FIG. 30 VARIACIN DE PRESIN EN EL NUDO CRTICO (Diopram) .................................... 71

FIG. 31 CAUDAL LINEA PREVIA AL NUDO CRTICO (Mtodo Analtico) ................................ 72

FIG. 32 CAUDAL LINEA PREVIA AL NUDO CRTICO (Diopram) ............................................. 72

FIG. 33 PRDIDA UNITARIA EN LINEA PREVIA AL NUDO CRTICO (Mtodo Analtico) ...... 73

FIG. 34 PRDIDA UNITARIA EN LINEA PREVIA AL NUDO CRTICO (Diopram) ................... 73

FIG. 35 DISTRIBUCIN DE PRESIN (Mtodo Analtico) ........................................................ 74

FIG. 36 DISTRIBUCIN DE PRESIN (Diopram) ..................................................................... 74

FIG. 37 DISTRIBUCIN DE CAUDAL (Mtodo Analtico) ......................................................... 75

FIG. 38 DISTRIBUCIN DE CAUDAL (Diopram) ....................................................................... 75

xii

FIG. 39 DISTRIBUCIN DE VELOCIDADES (Mtodo Analtico) .............................................. 76

FIG. 40 DISTRIBUCIN DE VELOCIDAD (Diopram) ................................................................ 76

FIG. 41 DISTRIBUCIN DE PRDIDAS (Mtodo Analtico)...................................................... 77

FIG. 42 DISTRIBUCIN DE PRDIDAS (Diopram) ................................................................... 77

FIG. 43 OPCIONES DE ENERGA PARA UNA ALTURA h= 10 m ............................................ 78

FIG. 44 COSTE HORARIO DE ENERGA (Diopram) ................................................................. 78

FIG. 45 COSTE HORARIO DE ENERGA (PRIMER MODELO DE CLMENT) ....................... 79

FIG. 46 COSTE ENERGTICO DIARIO (PRIMER MODELO DE CLMENT) .......................... 79

FIG. 47 COSTE ENERGTICO DIARIO (DIOPRAM) ................................................................ 79

INDICE DE ANEXOS

ANEXO 1.INFORME COMPLETO DEL SOFTWARE DIOPRAM

ANEXO 2.SIMULACIN DEL PRIMER MODELO DE CLMENT EN EPANET (HAZEN- WI-

LLIAMS).

ANEXO 3.SIMULACIN DEL PRIMER MODELO DE CLMENT EN EPANET (DARCY -

WEISBACH).

ANEXO 4.SIMULACIN DEL SEGUNDO MODELO DE CLMENT EN EPANET (HAZEN- WI-

LLIAMS).

ANEXO 5.SIMULACIN DEL SEGUNDO MODELO DE CLMENT EN EPANET (DARCY -

WEISBACH).

ANEXO 6. SIMULACIN PRIMER Y SEGUNDO MODELO DE CLMENT EN EPANET

(DARCY - WEISBACH) CON BOMBA

ANEXO 7.SIMULACIN DEL PRIMER MODELO, DATOS DIOPRAM.

ANEXO 8.SIMULACIN DEL PRIMER MODELO, DATOS DIOPRAM. CON BOMBA

ANEXO 9. SIMULACIN DE LA RED EN PERIODO EXTENDIDO, PRIMER MODELO DE

CLMENT, CON BOMBA (hora 6).

ANEXO 10. SIMULACIN DE LA RED EN PERIODO EXTENDIDO, PRIMER MODELO DE

CLMENT, CON BOMBA (hora 6). DATOS DIOPRAM.

ANEXO 11. CARACTERSTICAS DE BOMBA PARA ALTURA DE 10 m

ANEXO 12 CARACTERSTICAS DE BOMBA PARA ALTURA DE 15 m.

ANEXO 13. PLANOS

1

1. GENERALIDADES

1.1. Introduccin

La distribucin de la precipitacin es irregular debido a la forma de las tierras,

de esta manera el agua no se reparte por igual por todas las zonas del planeta,

lo que ha generado que en el mundo existan zonas de riqueza y pobreza agr-

cola.

El hombre siendo por naturaleza un ser de supervivencia durante muchos aos

tuvo que ingenirselas para transportar agua al lugar donde se encontraba

habitando, para fortalecer su produccin agrcola; lo cual se convirti en su sus-

tento diario. Conforme el paso de los aos, el hombre desarroll tcnicas de

almacenamiento y distribucin del agua para el riego agrcola, las cuales han

sido determinantes para aquellas zonas de difcil regado.

La SENAGUA (Secretara Nacional del Agua) en Ecuador, establece tres usos

especficos del recurso hdrico: riego, caudal ecolgico y consumo humano, se

distribuyen en 80.6%, 10.8% y 8.6% respectivamente; segn la publicacin de

abril 2011 de Jaime Wong Jo, El uso del agua y sus limitaciones en los culti-

vos afirma que de los 3 140 000 hectreas de tierras cultivables, solamente el

30% cuenta con infraestructura de riego, el 70 % restante solo recibe aguas

lluvias, razn por la cual es indispensable contar con diseos que permitan op-

timizar dimetros y energa al tratarse de redes de riego presurizadas.

Clment (1979) y Granados (1990) desarrollaron en base a algunas hiptesis

que se detallan a lo largo de esta investigacin, una metodologa para el di-

mensionamiento de caudales por lnea en base a probabilidades de funciona-

miento, que dependen directamente de la apertura de los hidrantes de riego

simultneamente; de esta manera los modelos de Clment permiten demandar

para el sistema de riego nicamente el caudal suficiente para el funcionamiento

de los hidrantes que se encuentran dentro de la probabilidad de funcionamien-

2

to, mas no un caudal continuo e innecesario en el que se consideran que el 100

% de los hidrantes funcionan al mismo tiempo.

El diseo de redes de riego a presin permite garantizar el uso del agua, lo

cual, muestra una relacin inversa entre el coste energtico de la energa con-

sumida en la campaa de riego y los dimetros de la red elegidos. Por lo que

es esencial establecer a priori los caudales nominalmente circulantes por lnea,

que en esta investigacin se desarrollar a travs del primer y segundo modelo

de Clment, as tambin a travs de un software basado en programacin line-

al, traducindose en la posibilidad de disear el dimetro de la tubera.

A partir de estos razonamientos, se realizar la comparacin del primer y se-

gundo modelo de Clment, y as tambin del diseo obtenido a partir del soft-

ware basado en programacin lineal vs el primer modelo de Clment, y la pos-

terior simulacin en el software Epanet, para determinar finalmente que meto-

dologa permite obtener un mayor ahorro en cuanto a coste de tubera y en

coste de energa en el caso de los sistemas de riego diseados con bomba.

1.2. Objetivos

General

a. Determinar el factor energtico en redes presurizadas de riego por los mo-

delos de Clement.

Especficos

a. Realizar el diseo del sistema de riego usando los modelos de Clement.

b. Comparar el coste energtico de los modelos implementados en la red de

riego

1.3. Antecedentes

En Europa el principal objetivo es el diseo de redes de riego ptimas, funda-

mentalmente a travs de los modelos formulados por Clment (Planells, P. et

al. CRITERIOS PARA EL DISEO DE REDES COLECTIVAS DE RIEGO EN

INGENIERA DEL AGUA. 1999. Vol. 6), cuyo diseo de caudales a travs de

3

probabilidades de funcionamiento, garantiza el uso real del recurso hdrico du-

rante toda la jornada efectiva de riego.

Permitiendo un ahorro en el consumo de energa producida en el sistema que

incluyen el uso de un equipo motor bomba.

1.4. Justificacin

La deforestacin y las prcticas generalizadas que utilizan agua sobrestimando

las necesidades de los cultivos estn cobrando un creciente costo medio am-

biental, las prcticas agrcolas nmadas causan problemas de erosin en la

tierra y desgaste innecesario del recurso hdrico vital para la supervivencia de

los seres vivos; razn por la cual es necesario implementar de manera urgente

riego con tcnicas y diseos adecuados; as como realizar la gestin ptima de

este servicio tomando en cuenta que el aumento del consumo del factor

energtico implica un desgaste innecesario del recurso hdrico que puede llegar

a ocasionar grandes sequas y por tanto limitaciones de suministro energtico.

2. ESTADO DEL ARTE

El primer y segundo modelo de Clment, son los ms usadospara el diseo de

redes de riego a la demanda por su metodologa, a nivel Europeo.

Cuando se usa cualquiera de los dos modelos, sin importar la metodologa

usada para calcular el caudal de diseo, se debe aplicar la garanta de suminis-

tro (GS), que es el valor, en porcentaje de la probabilidad estadstica de que los

caudales circulantes por la red durante el periodo punta de consumo superen a

los de diseo (Granados 1990). Este es un factor que el proyectista selecciona

tomando en cuenta parmetros de coste, buscando equilibrio entre la garanta

de suministro y el coste, evitando as el sobredimensionamiento.

Se definen a continuacin los modelos de Clment.

4

2.1 Definicin primer modelo de Clment

El primer modelo de Clment tiene como parmetros principales las hiptesis

introducidas por Clment (1979) y Granados (1990), en las cuales se explicaba

la ocurrencia de un riego a la demanda.

a) El fenmeno aleatorio de riego solo permite dos estados de ocurrencia,

que son boca de riego abierta con probabilidad p y boca de riego cerrada con

probabilidad (1-p), la funcin que describe esta probabilidad es:

Donde,

n: Nmero de bocas totales

x: Nmero de bocas abiertas.

b) Si el nmero de bocas es muy grande la funcin de distribucin dada por

la ecuacin (1) se aproxima a una funcin normal con media igual:

Y la varianza por:

Donde,

di: Dotacin correspondiente a la boca i

pi: Probabilidad de funcionamiento de la boca i

() =

. . 1 (1)

= . =1 (2)

2 = . . . (3)

5

c) La probabilidad de funcionamiento es la misma para el periodo de horas

disponibles de riego en un da.

Esta hiptesis supone la distribucin aleatoria de caudales de manera q si una

red tiene n tomas, que pueden estar abiertas o cerradas en un momento dado

con una dotacin qd, es improbable que todas estn abiertas a la vez, tomando

en consideracin que este modelo es aplicable para Redes de riego que pose-

an mnimo 10 hidrantes; por lo tanto el caudal de cabecera ser:

El caudal que puede circular por una lnea es una variable aleatoria, resultado

de la suma de variables aleatorias binomiales relacionadas con cada uno de los

hidrantes aguas abajo de la lnea en anlisis.

Si el nmero de hidrantes aguas abajo es elevado puede considerarse que el

caudal que circula por la lnea sigue una distribucin normal media () como se

muestra en la ecuacin(2).

La probabilidad media de apertura del hidrante es:

De donde Ns el nmero de sectores de riego por parcela, tr el tiempo de riego

de un sector para satisfacer la necesidad de un cultivo, JER jornada efectiva de

riego (h/da), Ir intervalo entre riegos, y td el tiempo diario medio de riego del

hidrante.

El caudal de diseo (Q) puede ser calculado por la ecuacin (6), que represen-

ta el lmite superior del intervalo de confianza (FIG.1) cuyo coeficiente de con-

fianza est dado por el parmetro GS (Garanta de suministro), cuyos valores

correspondientes a U (CUADRO2.) son los percentiles de la funcin de distri-

bucin normal.

= . (4)

= .

. =

(5)

6

Donde,

: Es la media de la funcin de la funcin de densidad normal

: Desviacin estndar

FIG. 1 ESQUEMA DE FUNCIN NORMAL

FUENTE:Planells, P. et al. CRITERIOS PARA EL DISEO DE REDES COLECTIVAS DE RIEGO EN

INGENIERA DEL AGUA. 1999. Vol. 6

La garanta de suministro (GS) o calidad de funcionamiento (CF) (CUADRO 1.)

debe ser seleccionada por el diseador, de acuerdo al nivel de garanta que se

desee proporcionar a la red, cabe recalcar que ste ir cambiando de acuerdo

al nmero de hidrantes que existan aguas abajo de la red.

CUADRO 1.GARANTIA DE SUMINISTRO

No.Hidrantes Garanta de suministro

1-5 100%

6-20 99%

21-50 95%

>50 90%

FUENTE: Pascua, D. GARANTA DE SUMINISTRO EN SISTEMA DE BOMBEO EFICIENTE CON VA-

RIADORES DE FRECUENCIA. 2010. Pg. 21.

= + (6)

7

CUADRO2.VALORES DE U. EN FUNCIN DE CALIDAD DE FUNCIONAMIENTO (CF)

FUENTE:Planells, P. et al. CRITERIOS PARA EL DISEO DE REDES COLECTIVAS DE RIEGO EN

INGENIERA DEL AGUA. 1999. Vol. 6

La Ecuacin de Clment generalizada (Clment y Galand 1986) para n hidran-

tes diferentes, ser:

Siendo Qr el caudal continuo por una lnea que tiene aguas abajo N tomas de

distinto tipo, cada una de ellas con dotacin qdi por lo que ser:

El caudal total Qt con todas las tomas abiertas a la vez, es:

O tambin,

Donde,

qdi: Dotacin en cada una de las tomas en l/s. ha

Ni: Nmero de hidrantes iguales

di: Dotacin en cada toma l/s. ha

= + . . 1 . 2

=1 (7)

= =1 = .

=1 (8)

= . =1 (9)

= . =1 (10)

8

El coeficiente de simultaneidad tambin es igual a CS= Q/Qt, por lo que eviden-

temente no puede ser Q >Qt situacin que se presentara solo si se aplica la

frmula de Clment para un nmero muy reducido de tomas.

Normalmente en la mayora de las zonas regables es suficiente con aplicar la

frmula de Clement sin introducir medidas correctoras (Granados 1990), ya que

las modificaciones que se produzcan, sern compensadas por los efectos tales

como:

Lo que se entiende como coeficiente de seguridad, denominado rendi-

miento (r= JER/24h, normalmente no mayor a 18/24=0.75), ste podra

aumentar la JER(Jornada efectiva de riego) si sta se mostrara insufi-

ciente para atender la demanda.

Para definir el rea efectiva de riego, se obtiene la diferencia entre el

rea de la parcela y el rea no cultivada en zona regable, la cual est

entre el 10% -20%

A travs de todas estas definiciones, Lamaddalena resume en la formula gene-

ralizada de Clement (Clment y Galand 1986).

Donde:

N: Nmero de hidrantes que funcionan simultneamente.

R: Numero de hidrantes acumulados

P: Probabilidad de funcionamiento

U (p): Percentiles de la funcin de distribucin binomial.

2.2 Definicin segundo modelo de Clement

Tomando en consideracin las limitaciones del primer modelo, Clment elabora

un segundo modelo para clculo de las descargas en sistemas de riego a la

demanda (Clment 1966).

= . + . . . 1 (11)

9

Este segundo modelo est basado en la teora estocstica de Markov, o ms

conocida como cadena de Markov, la cual se fundamenta en el nacimiento y

muerte de los procesos, la formulacin completa se encuentra en Clment

(1966) y Lamaddalena (1997), la derivacin del segundo modelo de Clment se

basa en algunosconceptos fundamentales sobre la teora de los procesos esta-

cionarios de Markov.

Con objeto de explicacin, consideramos un conjunto de clientes que llegan a

una estacin de servicio (tomas en el caso de un sistema de riego), el patrn

de llegadas est descrito por una funcin de distribucin de tiempos de llegada.

Los clientes necesitan diferentes perodos para ser atendidos, y por ende los

tiempos de servicio son descritos por otra funcin de distribucin estadstica;

para sistemas de riego las consideraciones fueron las siguientes:

Los clientes que van a disponer del servicio, sern el nmero intermedio

de llegadas durante el periodo de tiempo promedio, de funcionamiento

de la toma de riego.

El nmero de clientes atendidos, es el nmero promedio de bocas que

operan en un determinado instante t.

Los clientes en la cola, sern el nmero promedio de llegadas cuando el

sistema est saturado (durante el tiempo de espera promedio).

Se considera un sistema genrico caracterizado por una funcin aleatoria, f=X

(t), suponiendo que los valores 1,2, .........., N, representan cualquier posible

estado del sistema.

En el caso de un sistema de riego, el estado del sistema se define por el nme-

ro de tomas de riego en funcionamiento, mientras que el nacimiento y la muerte

se corresponden con la apertura o el cierre de una toma de riego, respectiva-

mente.

Entonces si se toma en cuenta la posibilidad de una red de riego con nmero

de hidrantes R y suponiendo que el tiempo de funcionamiento de todas las to-

mas de riego sigue la misma funcin de distribucin con una duracin media de

las tomas, el funcionamiento ser igual al tiempo de riego medio. Por otra par-

10

te, supongamos que la red ha sido diseado con la hiptesis considerando

hidrantes abiertos simultneamente N (N

11

A partir de un diagrama que representa F (u ') como una funcin de u', o direc-

tamente a partir de la ecuacin que representa tal funcin (FIG. 2). Es entonces

posible determinar el valor correspondiente de U, utilizando la ecuacin (11),

despus de esto podemos calcular el nmero de tomas de riego que funciona

simultneamente en la red:

Esta ecuacin representa la segunda frmula de Clement.

FIG.2DIAGRAMA DE REPRESENTACIN u COMO FUNCIN DE F (u)

FUENTE:Lamaddalena, N. Sagardos, J. PERFORMANCE ANALYSIS OF ON-DEMAND PRESSURIZED

IRRIGATION SYSTEMS. Pg. 34

El segundo modelo Clment se basa en la teora de nacimiento y muerte de los

procesos como ya se mencion anteriormente. sta hiptesis es la que limita

su aplicabilidad. De hecho, esta teora es bien aplicada para el diseo de lneas

telefnicas, es as que si la lnea ocupada se llama (saturacin) y el cliente tie-

ne que llamar ms tarde. Para sistemas de riego no es tan fcil de establecer

condiciones de saturacin. Adems, cuando el sistema de riego est saturado

el usuario puede decidirse a regar con una presin ms baja y / o secrecin en

la boca de riego.

= . + . .. (1 ) (17)

12

Por ltimo, la complejidad en el enfoque matemtico y las pequeas diferencias

en los resultados empuj a todos los diseadores a aplicar en cualquier mo-

mento el primer modelo en lugar del segundo modelo de Clment. Resultado

que ser afirmado o negado al final de esta investigacin.

2.3 Factor energtico

Cuando se habla de este trmino, son muchos los significados que se asocian

a esta palabra, pero en todos ellos factor energtico se encuentran vinculado al

uso de una bomba, la cual genera un gasto de energa que en cualquier medio

tiene un coste, que puede variar segn la eficiencia del sistema. Razn por la

cual en este proyecto cuando se habla de factor energtico se refiere al costo

de energa consumida en el sistema de riego por el uso de un equipo motor

bomba.

Es por eso que una vez obtenidos todos los parmetros de diseo, es necesa-

rio simular el comportamiento de la estacin de bombeo, ya que permite anali-

zar la eficiencia energtica cuando vara el caudal y la presin demandada en

cabecera de la red.

El modelo, requiere los siguientes datos: curvas caractersticas Q-H y Q- de

las bombas (tericas o medidas si estn disponibles), nmero de bombas, pre-

sin en cabecera, y distribucin del caudal a lo largo de la campaa de riegos

(medida, si est disponible, o siguiendo diferentes distribuciones estndar). El

modelo simula el comportamiento de bombas de velocidad variable utilizando

las leyes de semejanza. De este modo, el modelo calcula la relacin caudal-

rendimiento para el rango completo de caudales de la estacin de bombeo.

En el caso de que la distribucin de caudales a lo largo de la campaa de rie-

go est disponible, se calcula la frecuencia de caudales introduciendo los datos

de caudal en una base de datos. Si los datos medidos no estn disponibles, el

diseador deber seleccionar una distribucin estndar (Poisson A, B, C, y D;

aleatoria o cualquier otra disponible). El usuario puede escoger la distribucin

estndar que estime que mejor se ajusta a la distribucin de descarga real ba-

sado en experiencias previas o en diferentes algoritmos encontrados en la bi-

bliografa (Lamaddalena, 1997; Khadra, 2004; Pulido-Calvo et al. 2003a).

13

En cuanto a la optimizacin de las curvas caractersticas, estas guardan una

relacin entre caudal presin (Q-H) y caudal rendimiento (Q-)(FIG. 3).

FIG. 3CURVA CARACTERSTICA DE UNA BOMBA

FUENTE: Moreno, M. et al. OPTIMIZACIN DE LAS CURVAS CARACTERSTICAS DE BOMBAS EN

HERRAMIENTAS PARA EL DISEO Y ANLISIS DE ESTACIONES DE BOMBEO EN REDES COLEC-

TIVAS DE RIEGO. 2007

3. CASO DE ESTUDIO

3.1 Ubicacin

La comunidad de Tuncarta, est ubicado en la provincia de Loja, Cantn Sara-

guro, Parroquia Saraguro. Con una altura que flucta desde los 2,503 a 2,344

m.s.n.m., el centro de la comunidad se encuentra alrededor de las coordenadas

699200 E y 9567600 N (en coordenadas WGS84).

3.2 Beneficiarios

Este sistema fue diseado para el servicio de 150 usuarios aproximadamente.

3.3 rea de Proyecto

El rea del proyecto est alrededor de 217 ha., en la cual estn incluidos los

seis sectores que integran la comunidad, siendo estos los siguientes: Matriche,

Tioloma, centro de Tuncarta, Huashapamba, Chaquipirca, Zhiqun.

14

3.4 Clima

Tuncarta tiene un clima ecuatorial, con presencia de lluvias en los meses de:

enero mayo. Las temperaturas medias fluctan entre las mnimas de 5 y

10C, y mximas que van desde 10 y 17C.

3.5 Levantamiento topogrfico

El levantamiento topogrfico (Anexo 13)se lo realiz con la ayuda de los fun-

cionarios de Gobierno Provincial de Loja y de la comunidad, la entrega de los

diferentes datos para realizar el estudio se lo realiz por parte del departamen-

to de Recursos Hdricos del Concejo Provincial.

Posteriormente se incorpor la informacin fotogrfica digital del sector, la

misma que fue proporcionada por el departamento de Avalos y catastros del I.

Municipio de Saraguro.

3.6 Captacin

Se efectu el levantamiento integral de la lnea de conduccin, se realiz el

reconocimiento a los diferentes sitios donde se implantarn las nuevas obras

del sistema con la finalidad de definir de forma tcnica adecuada la generacin

de un proyecto ideal, tomando en cuenta lugares como vas y linderos a fin de

evitar problemas posteriores cuando se instale las tuberas.

Para asegurar el buen funcionamiento del sistema cuando se encuentre todas

las parcelas en su mxima produccin necesitamos un caudal alrededor de los

150 l/s, que corresponde al caudal de la lnea dos 118x1.2.

El caudal con el que se cuenta es el siguiente:

Captacin Sillada 14 l/s

Captacin Fishala 20 l/s

Total 34 l/s

De acuerdo a estos datos es urgente contar con el caudal adjudicado del ro

que est alrededor de 39 l/s, e incluso se tiene que aumentar el caudal adjudi-

15

cado a 120 l/s que es la actividad que tiene que realizar la junta como algo prio-

ritario dentro de este proyecto ya que este proyecto est orientado a mejorar

las condiciones de vida de todos los usuarios y para ello necesitamos contar

con agua para todos, lo que se va a realizar es dejar con la infraestructura lista

para el funcionamiento total del sistema.

Toda sta informacin fue proporcionada por RIDRENSUR (Empresa pblica

de riego y drenaje del sur, del gobierno provincial de Loja)con la finalidad de

llevar a cabo esta investigacin.

3.7 Topologa de la Red

Se presentan dos ramales para el sistema de distribucin (Anexo13); de los

cuales el ramal uno que abastecer a ms de tres sectores y el ramal dos para

los sectores restantes dentro de estos se encuentran Tioloma y Huazhapamba.

3.8 rea de diseo

De la encuesta realizada, con motivo de la preparacin del presente estudio, se

determin que la comunidad, est conformada por alrededor de 150 usuarios,

al momento se tiene aproximadamente 217 ha., tomando en cuenta que se tra-

ta de ms de 700 parcelas.

4. MTODOLOGA

Para llevar a cabo cualquier investigacin es necesario seguir una secuencia

de pasos que conducirn a la culminacin exitosa del proyecto; en esta investi-

gacin dichos pasos han sido distribuidos de la siguiente manera:

1. Topografa (Anexo 13)

2. Topologa de la red (Anexo digital, Archivos ACAD).

3. Distribucin del nmero de hidrantes en todas las parcelas.

4. Determinacin del caudal ficticio continuo mtodo analtico y a travs del

software Cropwat.

16

5. Acumulacin de hidrantes por lnea.

6. Estimacin de caudales por los modelos de Clment.

7. Clculo hidrulico de la red

4.1 Topografa

La comunidad Tuncarta ubicada en el Cantn Saraguro posee una topografa

irregular lo que permite disponer de carga hidrulica suficiente, es decir presio-

nes entre 2 y 4 atmsferas, debido a la gran diferencia de cotas que existe en-

tre el punto ms alto cuya cota es de 1500 y el ms bajo con una cota de 1282,

lo que significa una diferencia de 218 m. de altura entre cotas.(Anexo 13)

4.2 Topologa de la Red

Se estableci un punto nico de distribucin donde se encontrar un Reservo-

rio ubicado en la cota 1500 msnm. Y para abarcar todos los terrenos de la co-

munidad se utilizaron dos ramales de distribucin que parten desde el reservo-

rio, a partir de estos ramales principales se derivan los ramales secunda-

rios(Fig. 3).

17

Fig. 3Topologa de la red de riego Tuncarta

Fuente: La Autora

4.3 Distribucin de hidrantes

Para la distribucin de los hidrantes, se tomaron en cuenta algunos aspectos

como el rea de las parcelas y el rea efectiva de riego definida tras analizar si

el sector es nicamente de uso agrcola o comparte su produccin con gana-

dera.

La comunidad de Tuncarta(imagen1)segn datos proporcionados por el Ilustre

Municipio de Saraguro, a travs de su sitio webwww.saraguro.org, el porcentaje

de rea no regable se encuentra entre 10 y 50%, es decir que mientras ms

extensa sea el rea de la parcela, menos probabilidad existe que el 100% de la

misma sea cultivada, ya que la agricultura en este sector aun se realiza a

travs de mtodos tradicionales.

http://www.saraguro.org/

18

IMAGEN 1. PANORMICA TUNCARTA

FUENTE: Municipio de Saraguro, 26 de Junio del 2012 en-

http://www.saraguro.org/zctuncarta81.htm

Por lo tanto el nmero de hidrantes por rea de riego va a estar determinado

por un intervalo de superficie (Cuadro 3.).

CUADRO 3.DISTRIBUCIN DE HIDRANTES

Tipo de to-ma

Intervalo de superficie (ha) (SUPERFICIE: S)

N de hidrantes

por parcela

A S

19

4.4 Caudal ficticio continuo

El caudal ficticio continuo fue determinado atravs de dos mtodos, el primero

a travs del software Cropwat que es de uso libre (desarrollado por la FAO,

Food and AgricultureOrganization of theUnited) y el segundo de manera analti-

ca al final de su clculo se escoger el mayor, por considerarse el ms crtico

para la estimacin de caudales por Clment.

Determinacin del caudal ficticio continuo por el software Cropwat

El clculo del caudal ficticio continuo es el primer paso para el dimensionamien-

tode una red de riego, este es el caudal que se deber abastecer de manera

continua y permanente para cubrir la demanda de las necesidades brutas de

riego.Para su clculo se tom en consideracin datos hidrolgicos proporcio-

nados por el INAMHI a travs de su ltima publicacin a la que se tiene acceso

Anuario Meteorolgico del 2008. Debido a que la estacin meteorolgica

ms cercana al lugar de estudio Tuncarta, es la ubicada en el cantn Saraguro

Los datos seleccionados sern los correspondientes a la misma.

El caudal ficticio continuo se calcul a travs del programa Cropwat utilizando

datos climticos (CUADRO 4.) y precipitaciones mensuales (CUADRO 5.)

CUADRO4.DATOS CLIMATICOS

FUENTE:INSTITUTO NACIONAL DE METEOROLOGA E HIDROLOGA INAMHI ANUARIO ME-

TEREOLGICO. 2008

20

CUADRO 5.PRECIPITACIONES MENSUALES

FUENTE: INSTITUTO NACIONAL DE METEOROLOGA E HIDROLOGA INAMHI ANUARIO ME-

TEREOLGICO. 2008

Para el clculo del caudal ficticio adems de los datos hidrolgicos del sector,

es necesario considerar las caractersticas de los cultivos, en este caso se di-

se para un cultivo crtico, es decir el cultivo que posee menor deficiencia

hdrica (Cuadro 5) y por tanto consume mayor cantidad de agua al momento

de su produccin, el maz (FIG. 4). Se supone pues, que si el caudal ficticio

continuo obtenido es capaz de abastecer a un cultivo de maz cuya necesidad

de riego es mayor que la de otros cultivos, ser capaz de abastecer tambin a

una variedad de cultivos cuya necesidad de riego es inferior que la del CULTI-

VO CRTICO.

CUADRO 5. PERIDOS CRTICOS DE DFICIT HDRICO DE ALGUNOS CULTIVOS

FUENTE: Jara, J. Valenzuela A. NECESIDADES DEL AGUA DE LOS CULTIVOS, Chilln 1998.

21

FIG. 4DATOS AGRONMICOS DEL CULTIVO CRTICO (MAIZ)

FUENTE: LA AUTORA

Los datos del tipo de suelo son los correspondientes a suelos frtiles, cuyas

condiciones obedecen al sector (FIG. 5)

FIG. 5DATOS DEL SUELO TUNCARTA (SARAGURO)

FUENTE: LA AUTORA

22

FIG.6CAUDAL FICTICIO CONTINUO

FUENTE: LA AUTORA

Para seleccionar el caudal ficticio, se escoge el mayor valor de la columna de-

finida como FWS(FIG. 6)que en este caso es de 0.46 l/s.ha, asegurando de

esta manera la dotacin adecuada en los puntos de consumo de la red.

DETERMINACIN DEL CAUDAL FICTICIO CONTINUO ANALTICAMENTE

Otra forma de obtener el caudal ficticio continuo es a travs del mtodo pro-

puesto por Monserrat et al. (1997), para lo que es necesario contar con datos

de:

Intervalo de riego (Ir): Das de riego a la semana, considerando un da libre, 6

das.

Tiempo de riego (tr): Nmero de horas de riego en el da, 6 horas, consi-

derando las necesidades hdricas de los cultivos y el rea efectiva de riego.

Necesidades netas de riego: Cantidad de agua suficiente para el crecimien-

to de los cultivos, es decir 2. 81 mm/dia.

Dosis neta de riego: Cantidad de agua que es aprovechada por la planta

en los 6 dias de riego a la semana; lo que corresponde a 16.54 mm/6dias,

23

Dosis bruta de riego: Cantidad de agua de riego en los 6 das, 20.8

mm/dia

Una vez fijados estos datos indispensables, para la determinacin del caudal

ficticio, se procede con el clculo, de la siguiente manera:

NECESIDADES BRUTAS DE RIEGO: Es la cantidad de agua utilizada para

riego durante 6 das, en base a la dosis bruta.

Donde:

Dosis brutas de riego: Expresada en mm

Ir: Intervalo de riego en das.

PLUVIOSIDAD DEL SISTEMA (Pms) : Este factor es utilizado para zonas de

riego por aspersin, est determinado por la dosis bruta de riego y el tiempo

de riego (tr); sta deber ser constante dentro de la zona regable aunque de-

ntro de las parcelas se utilicen diferentes escenarios de riego.

Donde:

Dosis brutas de riego: Expresada en mm

tr: Tiempo de riego en horas.

CAUDAL FICTICIO CONTINUO: Es el caudal circulante por las lneas de riego

que necesitar el cultivo para su efectivo crecimiento.

=

(18)

=

(19)

= .10000

24 .3600= 0.116 . (20)

24

Donde:

q: Caudal ficticio continuo (l /s. ha.)

Nr: Necesidades brutas de riego

RENDIMIENTO DE LA RED:

Considerando que las instalaciones de riego en la realidad no van a estar fun-

cionando todo el tiempo, sino un cierto nmero de horas a las que se denomina

JER (Jornada Efectiva de Riego) y suelen estar entre 16 a 18 horas, en este

caso escogimos el mayor por seguridad, 18 horas. Con esta jornada efectiva de

riego es posible determinar el rendimiento de la red a travs de:

Donde:

JER: Jornada efectiva de riego (horas)

r: Rendimiento de la red

CAUDAL FICTICIO CONTINUO DE DISEO:

Finalmente el caudal ficticio continuo que se utiliza en el diseo es:

Donde:

qs: Caudal ficticio continuo de diseo (l /s. ha.)

r: Rendimiento de la red

A travs de este mtodo el valor del caudal ficticio continuo es de 0.54 l/s.ha,

Cuyo clculo se detalla en el apartado denominado CLCULO TIPO, y ya que

inicialmente se obtuvo a travs del software Cropwat el valor de 0.46 l/s.hase

escogi por seguridad el valor mayor para el diseo de la red.

=

24 . (21)

=

(25)

25

4.5 Acumulacin de hidrantes por lnea

Un principio bsico de los dos modelos de Clment es la acumulacin de

hidrantes, ya que de ella depende el caudal circulante por lnea.

Esta acumulacin se realiza empezando desde el primer punto de distribucin,

de esta manera el nmero de hidrantes de la primera lnea, ser igual al nme-

ro de hidrantes que se encuentran aguas abajo de esta lnea; y siguiendo el

mismo principio el nmero de hidrantes de la segunda lnea dispuesta a conti-

nuacin de la primera ser igual al nmero de hidrantes aguas debajo de la

segunda lnea menos el numero de hidrantes de la primera. Concepto que se

aclara a continuacin con el siguiente ejemplo Fig. 7

FIG. 7RED DE EJEMPLO

FUENTE: LA AUTORA

Tomando en cuenta lo mencionado anteriormente y la red ejemplo de la FIG. 7,

se va a realizar la acumulacin de hidrantes de la siguiente manera:

TABLA 1. ACUMULACIN DE HIDRANTES

LNEA # DE HIDRANTES ACUMULACIN DE HIDRANTES

1 1 3

2 2 2

FUENTE: LA AUTORA

26

4.6 Estimacin de caudales por los modelos de Clment

Clment (1979) y Granados (1990) establecieron una serie de hiptesis, que

optimizan el diseo de riego a la demanda, los cuales se basan en el clculo de

la dotacin exacta por parcela, impidiendo la aparicin de holguras que sobre-

dimensionen los sistemas de riego. Estas hiptesis se resumen dentro de dos

modelos principales denominados primer y segundo modelo de Clment.

4.6.1 Primer modelo de Clment

El primer modelo de Clment es una distribucin probabilstica(fig. 2) en la que

considera que la apertura de los hidrantes se ajusta a una distribucin binomial,

determinando as un coeficiente de simultaneidad, que afecta al valor del cau-

dal ficticio continuo. Si el nmero de hidrantes aguas abajo de la red es sufi-

cientemente grande sigue una distribucin normal, pero si este nmero es pe-

queo, se toma en consideracin que hay mayor probabilidad de que estn

funcionando todos los hidrantes a la vez y se considera una garanta de sumi-

nistro del 100% como se muestra en el CUADRO 6.

CUADRO 6.GARANTIA DE SUMINISTRO

No. Hidrantes

Garanta de suministro

1-5 100%

6-20 99%

21-50 95%

>50 90%

FUENTE: Pascua, D. GARANTA DE SUMINISTRO EN SISTEMA DE BOMBEO EFICIENTE CON VA-

RIADORES DE FRECUENCIA. 2010. Pg. 21.

Este coeficiente de simultaneidad est definido por el valor de U(Pq) que ha

sido determinado con anterioridad por Clmenten base a la Garanta de sumi-

nistro (CUADRO7) obteniendo como resultado el nmero de hidrantes que fun-

cionan simultneamente como se describe en la Ec. 26 como sigue:

= . + . . . 1 (26)

27

Donde:

N: Nmero de hidrantes que funcionan simultneamente.

R: Nmero de hidrantes acumulados

P: Probabilidad de funcionamiento

U (p): Percentiles de la funcin de distribucin binomial.

FIG.8HIDRANTES EN FUNCIONAMIENTO A LO LARGO DE JER

(JORNADA EFECTIVA DE RIEGO).

FUENTE:Tarjuelo J.M. et. al, CABECERA DE REDES DE RIEGO A LA DEMANDA SEGN LA CALIDAD

DE SERVICIO DESEADA. Espaa (2001)

CUADRO 7.DISTRIBUCIN ESTANDAR NORMAL

FUENTE:Lamaddalena, N. Sagardos, J. PERFORMANCE ANALYSIS OF ON-DEMAND PRESSURIZED

IRRIGATION SYSTEMS. 2000. Pg. 34

28

PROBABILIDAD DE FUNCIONAMIENTO

Se refiere a la cantidad de hidrantes aguas abajo del punto de anlisis que se

encontrarn en funcionamiento simultneamente a lo largo de toda la red, esta

probabilidad puede ser determinada detalladamente por lnea, o como es el

caso determinando una probabilidad de funcionamiento promedio para todo el

sistema.

Donde:

qs: Caudal ficticio continuo de diseo (l/s.ha)

A: rea efectiva de riego (ha.)

r: Rendimiento de la red

d: Dotacin (l/s.ha)

R: Nmero total de hidrantes en todo el sistema.

DOTACIN

Determinar la dotacin puede llevarse a cabo a travs de varias consideracio-

nes e hiptesis, existiendo discrepancia entre la bibliografa (Bonnal 1983,

Clement y Galand 1986, Granados 1990, Arviza 1993, Monserrat et al. 1997).

Por esta razn (P. Planells, J. F. Ortega, M. Valiente, J. Montero y J.M. Tarjue-

lo, en su artculo CRITERIOS PARA EL DISEO DE REDES COLECTIVAS

DE RIEGO) aestablecido un procedimiento claro y conciso de manera que sea

posible llegar a considerar una dotacin media en todos los intervalos de la su-

perficie.

Donde:

= .

. . (27)

= 2.778 . .

(28)

29

Pms: Pluviosidad del sistema (l.m-2h-1)

S: Superficie de riego (ha.)

Ns: Nmero de unidades de riego.

De esta manera se concluye con el clculo del caudal por lnea, con:

Donde:

d: Dotacin media del sistema (l/s)

Nadop: Nmero de hidrantes funcionando simultneamente aguas abajo

del sistema.

4.6.2 Segundo modelo de Clement

Esta hiptesis considera que el caudal puede ser regulado a travs del porcen-

taje de saturacin del suelo, es decir, cuidando la integridad del cultivo e impi-

diendo la sobresaturacin del suelo, que lejos de ser una ayuda, solo termina

en el desperdicio del recurso hdrico. Esta hiptesis se resume en:

Donde:

u: Variable estndar normal

Psat.: Porcentaje de Saturacin del suelo (%)

R: Nmero de hidrantes

p: Probabilidad de funcionamiento del hidrante.

= . (29)

= 3.9715 4.1693 . . . . 1 0.2623

(30)

30

A diferencia del primer modelo, para el clculo del nmero de hidrantes si-

multneos, se utilizar el valor de la variable estndar normal a cambio del per-

centil de la funcin binomial.

Donde:

N: Nmero de hidrantes que funcionan simultneamente.

R: Numero de hidrantes acumulados.

P: Probabilidad de funcionamiento.

u: Variable estndar normal.

Y finalmente concluye la determinacin del caudal igual que en el primer mode-

lo con:

Donde:

d: Dotacin media del sistema (l/s)

Nadop.: Nmero de hidrantes funcionando simultneamente aguas abajo

del sistema.

4.7 Clculos hidrulicos de la red

El dise de la red se realiz por el MTODO DE LA PENDIENTE UNIFORME.

ste componente es la parte ms importante dentro del diseo de una red de

riego, ya que si el diseo hidrulico de la red es el adecuado, el dimensiona-

miento de la tubera y accesorios ser el ms ptimo. Para lo cual se han to-

mado en consideracin los siguientes criterios.

= . + . .. 1 (31)

= . (32)

31

Presin dinmica mnima 40 m.c.a para el ptimo funcionamiento de los

aspersores.

Presin esttica mxima, es la mayor que pueda soportar la tubera se-

leccionada.

Clculo de sobrepresin, por la intervencin de fenmenos transitorios

como el golpe de ariete.

Se considera prdidas menores por uniones.

Prdidas por Hardy- Cross y Darcy Weisbach.

PERDIDAS DE CARGA: Es el factor que representa la prdida de energa del

flujo hidrulico en cada tramo de diseo por efecto de rozamiento.

Para el clculo hidrulico de las prdidas de carga, se determin inicialmente

los valores de friccin con la frmula de Colebrook-White, mediante el clculo

iterativo de Newton Raphson; sta friccin f est dada en funcin de Rey-

nolds (Re), la rugosidad() y el dimetro interno (D) de la tubera.

Donde:

J disponible: Gradiente hidrulico disponible

Hc: Carga del nudo fuente (m)

Zi: Cota del nudo i (m)

Lj: Longitud de tramos hasta el nudo i (m)

REYNOLDS:

= +

(33)

= .

(34)

32

Donde:

V: Velocidad (m/s)

D: Dimetro. (mm)

v: Viscosidad(m2/s)

FRICCIN:

Las prdidas hf se determinaron con HAZEN- WILLIAMSinicialmente

As como tambin porDarcy Weisbach, siendo una de las frmulas ms exac-

tas.

PRDIDAS MENORES: Mientras las mayoras de las prdidas por rozamien-

to dentro de la tubera suponen la mayorparte de las prdidas de presin, tam-

bin se producen otras cuando la tubera cambia de direccin ode tamao o

cuando se instalan vlvulas u otros accesorios. Estas prdidas se conocen ge-

neralmentecomo prdidas menores.

Pese a que las prdidas menores, con respecto a los rangos de presiones al-

tos, no influye mucho en el clculo es necesario tenerlas en cuenta para

aproximar el diseo de la red a condiciones reales, en este caso se las deter-

min por medio de la altura cintica corregida, mediante un coeficiente empri-

co K para uniones (CUADRO 8.).

1

= 2 . log10

3.7.+

2.51

. (35)

=10.646 .

4.87037

1.85185

(36)

= 8 . .

2 . . 5 .2 (37)

33

CUADRO 8.COEFICIENTES DE PERDIDAS MENORES

ACCESORIOS Km

Codo de radio corto (r/d 5 6 1) 0.9

Tee en sentido recto 0.3

Tee a travs de la salida lateral 1.8

Unin 0.3

FUENTE: SALDARRIAGA, J. HIDRAULICA DE TUBERAS. 2007

COTA PIEZOMTRICA: En un inicio es la diferencia entre la cota de inicio y

la perdida hf, posteriormente para obtener las dems cotas piezomtricas, se

calcula la diferencia entre la cota piezomtrica final del tramo anterior y la

prdida hf.

PRESIN DINMICA: Es la presin que ejerce un flujo cuando existen con-

sumos en la red, es decir cuando el fluido est en movimiento, esta se obtiene

de la diferencia entre la cota piezomtrica y la cota del terreno.

PRESIN ESTTICA: Se trata de la presin que ejerce un fluido cuando se

encuentra en reposo, en este caso se producir en hora de la noche cuando no

existe consumo de agua para riego.

VELOCIDAD: Algunos autores (Clement-Galand, 1979 Granados, 1986) pro-

ponen la determinacin de la velocidad ptima del agua en funcin del Dime-

tro de la tubera, Velocidad que es resultado de una optimizacin econmica.

CELERIDAD: Es la velocidad de la onda elstica en el fluido, que se pro-

paga a travs del agua contenida en la tubera.

Donde:

=2 .

2 . (38)

= 1.5 . . 0.05 (39)

e

D

EK

C

.1

1425

(40)

34

C: Celeridad o velocidad de propagacin de la onda (m/s)

K: Relacin entre mdulos de elasticidad de agua y el material de la

tubera (adimensional)

D: Dimetro interno de la tubera (m).

e: espesor de la pared del tubo (m)

E: Mdulo de elasticidad. (kg/cm2)

El mdulo de elasticidad, estvara de acuerdo al tipo de tuberia como se

muestra a continuacin:

CUADRO9.VALORES DE MDULO DE ELASTICIDAD (E)

MATERIAL E Kg/cm2

Acero 2,10E+06

Hierro fundido 9,30E+05

Concreto simple 1,25E+05

Asbesto-cemento 3,28E+05

PVC 3,14E+04

Polietileno 5,20E+03

Agua 2,067E+04

FUENTE: VALDEZ, C. Y GUTIERRES, L. ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE (2007) Pg. 155

GOLPE DE ARIETE: Se denomina Golpe de Ariete al fenmeno transito-

rio producido por el choque violento sobre las paredes de las conducciones

forzadas.

El dimensionamiento del Golpe de ariete se puede realizar, a travs de dos

frmulas, Allievie Micheaud, cierre rpido o lento respectivamente. Para lo

que se ha determinado la longitud crtica (Lc) descrita en la ecuacin(41).

Donde:

= .

2(41)

35

C: Celeridad

T: Tiempo fase (s)

A travs del valor de longitud crtica se tomaron las siguientes consideraciones:

Si la longitud crtica (Lc) > longitud del tramo (L), entonces se denomi-

nar conduccin corta y se solucionar con la frmula de Micheaud.

Si la longitud crtica (Lc) < longitud del tramo (L), entonces se denomi-

nar conduccin corta y se solucionar con la frmula de Allievie.

Por esta razn se desarroll los clculos con la frmula de Micheaud:

Donde:

ha: Golpe de ariete (m.c.a)

L: Longitud (m)

V: Velocidad (m/s)

g: Gravedad(m/s2)

T: Fase o periodo de tubera (s)

Por lo tanto el periodo de la tubera es igual a:

Donde:

T: Fase o periodo de tubera (s)

Tg

VLha

.

..2

(42)

C

LT

.2

(43)

36

L: Longitud (m)

C: Celeridad o velocidad de propagacin de la onda (m/s)

SOBREPRESIN: Se denomina sobrepresin a aquella presin que permite

dimensionar un sistema de tal manera que garantice que en su funcionamiento

no se produzcan daos en la tubera por la presencia de fenmenos transito-

rios.

Donde:

PD: Presin dinmica

ha: Golpe de ariete

5. CLCULO TIPO DE LA RED

5.1 CLCULO TIPO DE CAUDALES DE CLMENT

En el clculo tipo se detalla numricamente la aplicacin de las frmulas defini-

das en estado del arte y metodologa, aplicadas directamente a la primera lnea

de la red. Cuyo clculo completo de las mismas se detalla en el Anexo digital

de Microsoft Excel, razn por la cual la simbologa [3], corresponde al nmero

de columna del clculo desarrollado en este software.

5.1.1 Primer modelo de Clment

Para llevar a cabo el desarrollo de este mtodo es necesario contar con los

siguientes datos:

Caudal ficticio continuo (qs) = 0.536 l/s.ha

rea total (At) = 97.81 ha.

Jornada efectiva de riego (JER) = 18horas

= + (44)

37

Nmero de hidrantes (R)= 133

Pluviosidad media del sistema (Pms)= 3.467 mm/h

5.1.1.1 RENDIMIENTO DE LA RED (r):

=

24

Entonces:

=18

24 = 0.75

5.1.1.2 DOTACIN

Para el clculo de la dotacin segn Tarjuelo(1998) con datos de distribucin

de hidrantes y rea de cobertura, es posible determinar una dotacin promedio

para todo el sistema como se muestra a continuacin:

DATOS:

JER= 18 horas

tiempo de riego(tr)= 3 horas

Intervalo de riego (Ir)= 6 das

dias libres (dl)= 1 das

Necesitamos establecer algunos tipos de hidrantes como A y B, los cuales fun-

cionen para un intervalo de rea determinado, as como tambin cada toma

tenga la cantidad de hidrantes de acuerdo a la superficie de riego:

Tipo de toma Intervalo de N de hidran-

38

superficie

(ha)

tes por par-

cela

A S

39

Qs: Caudal ficticio continuo (l/s.ha)

S: rea de la parcela en (ha.)

di: Dotacin de la toma (l/s)

Entonces a partir de los datos calculados anteriormente el grado de libertad Gli

de la toma A ser:

=10.03296

0.536 . 1 = 18.71

La Toma B, solo ser el Gli de la toma A para el nmero de hidrantes en ese

tramo, es decir 2.

=18.71

2= 9.356

5.1.1.3 PROBABILIDAD DE FUNCIONAMIENTO Y NMERO DE SUB

UNIDADES:

Como ya se ha mencionado antes, es necesario determinar para cada tipo de

toma la probabilidad de funcionamiento simultaneo, y as determinar, cada to-

ma cuantas subunidades aspersores es capaz de abastecer.

=1

=

1

18.71= 0.0534

Tipo de

toma

Intervalo

de superfi-

cie (ha)

N de

hidrantes

por parcela

di calcula-

do

Gli calcu-

lado Pi= 1/GLi

numero de

subunidades

de cada tipo

A S

40

# =

# = 18

3 . 6 1 = 30

Existen varios criterios al momento de disear redes de riego por los modelos

de Clement, entre ellas est la determinacin de los caudales considerando

una dotacin por cada lnea, o determinando una probabilidad de funciona-

miento de todo el sistema a partir de la dotacin media del mismo, lo que sera

lo ms lgico ya que este criterio es el que se acerca mucho ms a la realidad

y permitir determinar el nmero de tomas que podrn estar en funcionamiento

simultneo considerando toda la red, ste valor de probabilidad deber estar

dentro de un intervalo definido por los dos tipos de tomas A y B, es por ello que

la probabilidad del sistema ser utilizada efectivamente solo si esta se encuen-

tra dentro del intervalo comprendido entre 0.07 y 0.10.

Para el clculo de la dotacin usamos la ecuacin:

= 2.778 . .

= 2.778 . 3.467 97.81

133= 7.08 /

Y la probabilidad de funcionamiento ser:

= .

..

=0.536 . 97.81

0.75 . 133 . 7.08= 0.074

De esta manera queda comprobado que la probabilidad de funcionamiento de

todo el sistema es de 0.074, que se encuentra dentro del intervalo permitido.

A partir de todos estos parmetros se realizar el diseo de la red de riego por

los dos modelos de Clement.

41

5.1.1.4 NMERO DE HIDRANTES (R) [3]

Cada lnea tiene asignado un nmero de hidrantes, ya sea uno o dos por lnea

dependiendo de la superficie de riego, pero hay algo muy importante y bsico

dentro de este tipo de diseos, que es la acumulacin del numero de hidrantes,

es decir para nuestro diseo se tomar en cuenta el numero de hidrantes que

se encuentran aguas debajo de la lnea a disearse, por ejemplo para el tramo

uno aguas abajo del tramo 1 , existen 133 hidrantes, lo que significa que el di-

seo toma en consideracin, la cantidad de tomas que deber abastecer esta

lnea.

5.1.1.5 GARANTIA DE FUNCIONAMIENTO (GS) [5]

Si el nmero de hidrantes acumulados en el tramo 1 es de 133, la garanta de

funcionamiento o suministro segn los valores que constan en el CUADRO

1.GARANTIA DE SUMINISTRO, ser de 90%.

5.1.1.6 DISTRIBUCIN ESTANDAR NORMAL U(Pq)[6]

Esta se determina en base a la garanta de suministro, es as como segn los

valores que constan en elCUADRO 2. DISTRIBUCIN ESTANDAR NORMAL,

para una garanta de suministro del 90%, el valor de la distribucin estndar

normal es de 1.285.

5.1.1.7 NMERO DE HIDRANTES SIMULTANEOS[9]

Para calcular el nmero de hidrantes que van a funcionar en forma simultnea,

se utiliza la siguiente ecuacin:

= . + . . 1

= 133. 0.074 + 1.285 . 133 . 0.074 . 1 0.074 = 13.75

[] = 14

42

5.1.1.8 CAUDAL DE CLEMENT PRIMER MODELO[9]

= .

= 14 . 7.08 = 99.15 /

5.1.1.9 CAUDAL DE CLEMENT SEGUNDO MODELO(anexo digital,

hojas de Excel)[8]

Psat= 1%

R= 133

= 3.9715 4.1693 . 0.01 . 133 . 0.074 . 1 0.074 0.2613

= 2.31

= 133 . 0.074 + 2.31 . 133 . 0.074 . 1 0.074 = 16.81 = 17

= 17 . 7.08 = 120.4 /

5.1.2 CLCULO TPO DEL DISEO HIDRAULICO

Gradiente hidrulica[12]:

= +

=1540 1493 + 40

36= 0.1944

A partir del diseo de la red por el mtodo de la gradiente hidrulica en cada

tramo se seleccion el valor de 0.038 correspondiente al menor valor registrado

el cual se le asigna el nombre de J*.

Reynolds[13]:

=.

43

=0.72 .

181

1000

0.000001007= 129414.1013

Friccin[14]:

1

= 2 . log10

3.7 .+

2.51

.

1

0.02= 2 . log10

0.0000015

3.7 . 187.6/1000 +

2.51

129414.1013 . 0.02

Luego de tanteo f=0.017

Dimetro terico[16]:

() = 8 . .

2

2 ..

5

() = 8 . 0.02 .

99.15

1000

2

2 . 9.81 . 0.038

5

. 1000 = 211.9

Dimetro comercial[17]:

Seleccionado en base a catlogos nacionales de tubera existente. 187.6 mm

dimetro interno y 200 mm externo en este tramo.

Uniones por tubera[18]:

# =

1

# =36

6 1 = 5

Prdidas por tubera[19]:

= # . 2

2

= 5 . 0.3 . 0.722

2 . 9.81 = 0.0396

44

Prdidas por friccin[20]:

Las prdidas hf con HAZEN- WILLIAMSinicialmente:

=10.646 .

4.87037

1.85185

=10.646 . 36

181

1000

4.87037

99.15

1000

150

1.85185

= 2.04

As como tambin porDarcy Weisbach, siendo una de las frmulas ms exac-

tas.

= 8 ..

2 ..5 .2

= 8 0.0178 . 36

2 . 9.81 . 187.6

1000

5 . 99.15

1000

2

= 2.249

Prdidas totales[21]:

= +

= 0.0239 + 2.04 = .

Cota piezomtrica[23]:

= +

= 1493 + 2.08 = 1495.08

Carga al nudo[24]:

=

= 1540 1495.08 = 44.91

Presin esttica[25]:

45

= 47 . ..

Velocidad[26]:

= 1.5 181

1000+ 0.05 = 0.72

Celeridad[36]:

E=3.14 +E4 Kg/cm2 = 3.14 +E8 Kg/m2

K=2.07 +E8 Kg/m2

e=9.5 mm

D=181 mm

e

D

EK

C

.1

1425

=1425

1 +2.07+8

3.14+8. 181

9.5

= 387.23

Tiempo fase[37]:

19.023.387

36.2T

Golpe de ariete[38]:

Tg

VLha

.

..2

=2.36.0.72

9.81 . 0.19= 27.81

Sobrepresin [29]:

46

= 44.91 + 27.81 = 72.72 . ..

As de esta manera se llevar a cabo el clculo de todos los tramos, para obte-

ner el Dimetro de la tubera y determinar la ubicacin de las vlvulas reducto-

ras de presin, las cuales se definir su ubicacin a travs de la modelacin de

la red en el software Epanet.

6. DIOPRAM

El programa DIOPRAMes un software de uso Premium, desarrollado por el

GWF (Grupo multidisciplinario de modelacin de fluidos de la Universidad de

Valencia), el cual trabaja bajo el entorno Windows, con el fin de disear redes

ramificadas siguiendo el criterio econmico. ste programa es capaz de calcu-

lar diferentes caractersticas hidrulicas de redes ramificadas con varios cientos

de nudos, adems tambin es capaz de redisear las tuberas de estas redes

siguiendo el mismo criterio econmico.

DIOPRAM posee una extensa base de datos que puede ser modificada y am-

pliada, donde se recogen los precios de tuberas y materiales as como el coste

de obra de las mismas.

Tambin es capaz de aplicar las diferentes tarifas elctricas y estos datos tam-

bin se encuentran en sta base de datos.

El modo de ver los resultados obtenidos es mediante informes que pueden ser

modificados por el usuario para que reflejen aquellos datos que desee. Adems

estos informes tambin pueden ser impresos y guardados para un posterior

uso en hojas de clculo. Otra posibilidad que ofrece el programa es la creacin

de tablas y grficos a partir de los resultados obtenidos en el clculo de las re-

des.

La informacin necesaria para realizar el diseo de una red mediante DIO-

PRAM se puede resumir en tres tems:

Configuracin fsica de la red: trazado, conectividad, cotas y longitu-

des.

47

Requisitos que debe satisfacer: caudales de consumo y presiones

mnimas de servicio en los nudos.

Datos econmicos: Coste de la tubera, de la energa y del movimiento

de tierras.

La obtencin de la solucin ptima de diseo est basada en la aplicacin de

un modelo de programacin con una funcin objetiva de tipo econmico y res-

tricciones funcionales, referentes tanto a las presiones de servicio como a otras

variables hidrulicas, modelos que se ensamblan de forma verstil para su

adaptacin a diferentes consideraciones en el diseo, como por ejemplo:

Permite optimizar el coste de la inversin, o bien, optimizar el coste con-

junto de amortizacin de la inversin ms el coste energtico de la ope-

racin del sistema.

La solucin obtenida es definitiva, en el sentido de que se presenta con

tuberas comercialmente disponibles, de entre el conjunto seleccionado

por el usuario.

Es posible dimensionar selectivamente algunas de las lneas, mientras

que el dimetro de otras ha sido prefijado por el usuario. Esta caracters-

tica resulta especialmente til cuando se plantea el diseo de ampliacio-

nes sobre una red existente.

Permite incluir el efecto de las prdidas menores en la instalacin, bien

sea de forma individual en cada una de las lneas, o bien mediante un

coeficiente de mayoracin de prdidas aplicado a todas ellas.

Admite la aplicacin de mrgenes de seguridad en las presiones de tra-

bajo seleccionadas en las tuberas.

Permite una estimacin muy precisa de los costes energticos a partir

de la aplicacin de tarifas elctricas, cuyos datos pueden ser actualiza-

dos por el usuario.

Debido a que la interfaz del programa no es compleja, el usuario podr

realizar sus diseos, en la mitad de tiempo que le llevara realizarlos de

la manera tradicional (hojas de clculo en Excel).

48

DIOPRAM es una aplicacin idnea para el diseo de redes de distribucin de

agua en zonas de nueva urbanizacin, reas industriales y para redes de riego

a presin.

Desde sus inicios, el programa DIOPRAM est sesgado hacia el diseo

de redes de riego a presin, y para estos casos incluye bastantecuidado espe-

cialmente para el clculo de caudales de Clment en el caso del riego a la de-

manda.

De esta manera Diopram est compuesto como se muestra a continuacin:

Entrada de datos:

Interfaz alfanumrica de forma tabular para los datos y resultados princi-

pales de la red.

Presentacin en formatos compactos o amplios en la tabla de datos.

Compatibilidad en el intercambio de datos y resultados con Microsoft

Excel.

Compatibilidad con base de datos a travs de archivos de Microsoft Ac-

ces.

Seleccin de las unidades empleadas en datos y resultados.

Posibilidad de definir individualmente varios hidrantes de riego por nudo.

Bases de datos:

Tuberas normalizadas y disponibles comercialmente.

Zanjas tipo que se asocian a cada una de las lneas.

Tarifas elctricas para la estimacin de costes energticos.

Todos los datos pueden ser actualizados por el usuario.

Definicin de caudales:

Caudales consumidos en nudos.

Caudales de lnea.

Caudales probalsticos de Clment.

49

Clculo:

Inclusin de restricciones de velocidad mxima y minima.

Trabaja con tuberas disponibles comercialmente.

Selecciona los dimetros ptimos y, en su caso, la altura de bombeo ne-

cesaria.

Calcula el coste de movimiento de tierras.

Permite disear ampliaciones o modificaciones sobre un proyecto conso-

lidado.

Presentacin de resultados:

Compatibilidad con formatos Ms Excel, Word y HTML

Elaboracin de informes detallados de la solucin obtenida.

6.1 PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

El software Diopram est establecido en un algoritmo de programacin lineal,

basado en la consideracin de que, en la solucin final, una lnea de la red de-

ber estar constituida por tuberas de dimetros normalizados (Conjunto discre-

to y finito), y de este modo se formula el modelo considerando que hipottica-

mente, una lnea puede estar formada por varios tramos de diversos dimetros,

siendo las incgnitas del problema las longitudes de dichos tramos.

Este planteamiento, adems de hacer uso de la programacin lineal, propor-

ciona directamente los dimetros normalizados que deben formar las lneas de

la red.

Los dimetros que pueden formar parte de las lneas de la red reciben el nom-

bre de dimetros candidatos, y debern cumplir dos condiciones, deben ser

dimetros estndar disponibles comercialmente, la velocidad de circulacin del

agua adoptando tales dimetros debe estar comprendida entre los lmites

mximo y mnimo que se establezcan. Es as que el proceso de seleccin de

dimetros candidatos incorpora de forma implcita las limitaciones de velocidad.

50

7. EPANET

Epanet es un programa de uso libre elaborado por GWF(Grupo multidisciplina-

rio de modelacin de fluidos de la Universidad de Valencia) para el anlisis de

sistemas de distribucin de agua potable. Aunque en general puede ser utiliza-

do para el anlisis de cualquier fluido no compresible con flujo a presin.

El programa permite realizar anlisis hidrulicos de redes a partir de las carac-

tersticas fsicas de las tuberas y dinmicas de los nudos (consumos) para ob-

tener la presin y los caudales en nodos y tuberas respectivamente. Adicio-

nalmente, EPANET permite el anlisis de calidad de agua a travs del cual es

posible determinar el tiempo de viaje del fluido desde la fuente (depsitos y

embalses), hasta los nodos del sistema.

Entre los elementos que puede simular el programa se encuentran fundamen-

talmente tubos, nodos, depsitos y embalses (referencias de carga constante)

y adicionalmente permite utilizar elementos ms complejos como bom-

bas y vlvulas.

Este software tambin realiza simulaciones en perodo extendido (o cuasiest-

tico) del comportamiento hidrulico y de la calidad del agua en redes de tuber-

as a presin. Una red puede estar constituida por tuberas, nudos (uniones de

tuberas), bombas, vlvulas y depsitos de almacenamiento o embalses.

EPANET permite seguir la evolucin del flujo del agua en las tuberas, de la

presin en los nudos de demanda, del nivel del agua en los depsitos, y de la

concentracin de cualquier sustancia a travs del sistema de distribucin du-

rante un perodo prolongado de simulacin. Adems de las concentraciones,

permite tambin determinar los tiempos de permanencia del agua en la red y su

procedencia desde los distintos puntos de alimentacin.

EPANET ha sido diseado como una herramienta de investigacin para mejo-

rar el conocimiento del movimiento y evolucin de los constituyentes del agua

en el interior de los sistemas de distribucin.

http://es.wikipedia.org/wiki/Softwarehttp://es.wikipedia.org/wiki/Aguahttp://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_en_tuber%C3%ADa

51

8. APLICACIN DE SOFTWARES

8.1 Diseo de la red de riego Tuncarta en Diopram

Diopram, posee una amplia base de datos en cuanto a tuberas, y as tambin

se pueden ingresar unas cuantas mas, lo que es necesario ya que la base de

datos que contiene el programa corresponde a tubera existente en Europa, de

donde tambin es originario el software, este programa, es un programa que se

caracteriza por la seleccin de la gama de tubera optima, tanto econmica-

mente, como en el componente hidrulico, de tal manera que la tubera, sea la

optima para el funcionamiento del sistemas, y para el coste del proyecto.

Dentro de los datos, que se ingres para esta modelacin, necesarios para el

diseo en el software, estn el nmero del tramo, inicio y final del mismo, Cota,

longitud numero de hidrantes(FIG. 9), rea efectiva de riego por hidrante en

cada tramo la cual se determin de manera emprica considerando del rea de

terreno, el porcentaje que podra ser regado, presin mnima en cada nudo de

consumo(Anexo 1).

FIG. 9.DATOS TOPOGRFICOS DEL PROYECTO

FUENTE: LA AUTORA

52

Para la modelacin en Diopram, se dividi la red en 2 partes, considerando que

todo el sistema est evidentemente formado por dos ramales principales; para

saber cunto ser la necesidad hdrica en cada toma, se considera los clculos

determinados anteriormente, en la seccin denominada PROBABILIDAD DE

FUNCIONAMIENTO Y NMERO DE SUB UNIDADES, en la que se determin

el nmero de subunidades o aspersores que funcionarn por cada hidrante, y

sabiendo ya el caudal necesario para el funcionamiento de cada aspersor, es

fcil determinar cul ser el caudal por unidad de riego.

La gama de tuberas ingresada corresponde a la que proporciona PLASTIGA-

MA para uso agrcola, TUBERIA E/C, es decir unin Espiga Campana, apta

para redes de riego, otra de las gamas de tubera ingresadas, son tuberas de

hierro fundido, debido a las altas presiones que debe soportar la tubera por

tratarse de un sistema a gravedad, tubera que se ha ingresado de acuerdo a

la disponible en el mercado(Gama de materiales Anexo1).

Para el diseo de la red de riego Tuncarta en Diopram inicialmente se defini

los datos generales del proyecto (FIG. 10) en el que se defini como cota de

tanque 1540 m.s.n.m correspondiente a la cota que se obtuvo mediante el

mtodo analtico, esto para cuestiones de comparacin de resultados del dise-

o, no existe presin estimada, ya que la idea inicial es que la presin sea la

misma producida por la diferencia de cotas.

53

FIG.10DATOS GENERALES DEL PROYECTO

FUENTE: LA AUTORA

Los datos de caudal(FIG. 11) Ingresados en el software corresponden a los

mismos utilizados en el mtodo analtico, entre ellos se encuentra el caudal

ficticio continuo con un valor de 0.54 (l/s. ha), la jornada efectiva de riego (JER)

de 18 horas y dentro de las opciones de clculo de los caudales de Clmentse

determin que sera con discriminacin y con un nmero mximo de tres

hidrantes, porque esto quiere decir que el programa considerar al momento

del clculo Garantas de suministro diferentes a lo largo de la red.

FIG. 11DATOS GENERALES DE CAUDAL

FUENTE: LA AUTORA

54

Los datos de zanja han sido ingresados conforme lo establecido en la NORMA

CPE INEN5 PARTE 9.1, 1992, en cuanto a tuberas de agua potable, conside-

rando tambin, que la ubicacin de la tubera ser en lugares que no se en-

cuentran en contacto con trfico de algn tipo. (FIG. 12)

FIG. 12DATOS DE ZANJA

FUENTE: LA AUTORA

Dentro de toda la informacin que debe ser ingresada para el diseo de la red

de riego, est la informacin de cada hidrante, es decir, el rea efectiva de rie-

go cubierta por cada hidrante y la dotacin del hidrante (FIG. 13)

FIG. 13DATOS DE HIDRANTES

FUENTE: LA AUTORA

55

8.2 Simulacin de la red de riego Tuncarta en Epanet

Una vez que se ha desarrollado exitosamente el diseo hidrulico de la red

analticamente (Microsoft Excel) y a travs del Software Diopram, se realiz el

anlisis tcnico, de los diferentes diseos, tanto por el primer y segundo mode-

lo de Clment, como por el diseo obtenido a travs del software Diopram, para

comprobar tcnicamente que tan efectivos son los diseos, es decir, con los

parmetros determinados inicialmente como se comporta la red, y de esta ma-

nera definir la ubicacin de las vlvulas reductoras de presin, definir si es ne-

cesario vlvulas de purga; as tambin realizar anlisis en cuanto optimizacin

hidrulica y de coste.

Para la modelacin en este software, es necesario definir el valor del coeficien-

te de emisor, los dimetros internos obtenidos del clculo analtico, cotas, longi-

tudes y rugosidad sern los nicos datos ingresados en cada tramo de tuber-

a(FIG.14) y en cada nudo (FIG. 15).

FIG. 14EJEMPLO DE DATOS INGRESADOS EN TRAMO DE TUBERA

FUENTE: LA AUTORA

56

FIG. 15EJEMPLO DE DATOS INGRESADOS EN NUDOS

FUENTE: LA AUTORA

La modelacin de la red, se realiz tomando algunas variantes en las conside-

raciones hidrulicas, en cuanto al primer y segundo modelo de Clment. As se

realizaron en los siguientes escenarios.

PRIMER MODELO DE CLMENT Y PERDIDAS POR HAZEN-

WILLIAMS(Anexo 2)

PRIMER MODELO DE CLMENT Y PERDIDAS POR DARCY-

WEISBACH(Anexo 3)

SEGUNDO MODELO DE CLMENT Y PERDIDAS POR HAZEN-

WILLIAMS (Anexo 4)