Universidad Tcnica Departamento Federico Santa Mara de Obras Civiles Asignatura: Mquinas y Sistemas Hidrulicos

TAREA N2 Hidrulica Agrcola

Integrantes:

Josu Larenas V. 2502007-3 Fernando Lizama A. 2711040-1 Felipe Vienne A. 2711027-4 Ricardo Gonzalez Ch. 2704135-3

Profesor:

Ludwig Stowhas B.

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NDICE

Introduccin..3

Objetivos..4

Marco Terico..5

Pregunta 111

Pregunta 215

Conclusiones20

3

INTRODUCCION

El agua es un elemento de vital importancia para la existencia de la vida humana, animal y vegetal

en el planeta, por lo cual su tratamiento, manejo y distribucin no deja de ser un tema menor. La

agricultura es una de las disciplinas para la cual lo anteriormente dicho se hace primordial, ya que

desde el inicio de la vida humana en la Tierra constituy la fuente de alimentos vegetales y aun

hoy en da muchas poblaciones la tienen como principal actividad.

La Hidrulica Agrcola es la ciencia que relaciona el agua y la agricultura, entregando informacin

relevante para los distintos tipos de suelo y cultivos, adems de mtodos para distribuir el agua

mediante sistemas de riego, buscando la optimizacin del proceso, reduciendo costos producto de

perdidas innecesarias y aumentando los beneficios, que no solo sern monetarios para los

agricultores sino tambin se traducirn en mejores productos para los consumidores, pensando

tambin en el mejor aprovechamiento del recurso en posibles periodos en que ste escase.

En esta tarea se diseara un sistema de riego gravitacional considerando adems un tranque de

noche. Adems se dimensionara un sistema de riego por aspersin mediante configuracin Nido

de Abeja, determinando la programacin del riego para cierto mes y cubicando los elementos

utilizados para esto. Ambos diseos se realizarn para un cultivo de frutales de hojas caducas con

un suelo limo arcilloso.

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OBJETIVOS

Disear un sistema de riego gravitacional para un cultivo de frutales tipo hoja caduca.

Dimensionar un tranque de noche.

Disear una red de riego utilizando aspersores con configuracin tipo Nido de Abeja.

Determinar las diferencias existentes entre un sistema de riego gravitacional y un sistema

de riego por aspersin.

Programar el riego por aspersin para el mes de enero.

Cubicar los elementos utilizados en la red de riego.

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MARCO TERICO

Es importante distribuir de buena manera el agua con el fin de disminuir las perdidas ya sea por

percolacin profunda, por derrame y por conduccin. Segn el tipo de sistema de riego que se

utilice se tendrn distintos niveles de eficiencia. As tambin, dependiendo del tipo de suelo y tipo

de planta se tendrn distintos resultados. Antes definimos algunos conceptos relevantes;

CAPACIDAD DE CAMPO (CC), es el mximo contenido de humedad que el suelo es capaz de

contener contra la gravedad. Humedades por sobre CC son solo transientes (lluvia o riego).

PUNTO DE MARCHITEZ PERMANENTE (PMP), es el nivel mximo de humedad al cual la planta se

marchita permanentemente y de manera irreversible (una vez pasado PMP la planta muere).

CC y PMP dependen del tipo de suelo y tipo de planta utilizado.

VOLUMEN DE AGUA APROVECHABLE (Vu), es la cantidad de agua que aprovecha la planta sin

marchitarse o sufrir exceso de humedad. Expresado como lmina de agua,

= 23

Con z= profundidad races [m]

Para evitar que una planta llegue a PMP se limita la humedad de sta utilizando un factor de

seguridad de 2/3.

Se deber efectuar riego en los meses cuando la Evapotranspiracin (ET) sea mayor a la

Precipitacin (P).

FRECUENCIA DE RIEGO (f), es el tiempo que transcurre entre riegos. Al regar, la planta queda con

humedad CC, posteriormente se debe evitar que la planta alcance PMP.

= Con i representando cada mes.

En esta tarea se asume f>0, o sea se necesita riego.

Se define adems la FRECUENCIA DE RIEGO CRITICA (fcrit) como

=

6

L a EVAPOTRANSPIRACION (ET) se puede determinar mediante distintos mtodos, en este caso se

usara la Formula de Schonhaut, que se muestra a continuacin

= =

=

Donde son los valores de evaporacin por mes y que son entregados en esta ocasin. Los valores de Ci (coeficientes de cultivo) dependen del tipo de planta y son entregados en el

grafico.

Por efectuar el riego tenemos tres tipos distintos de riego, estos son; Riego Superficial, Riego por

Aspersin y Riego por Goteo. Los tres tipos de riego mencionados podemos subdividirlos como

sigue

1. Riego Superficial

a) Riego por Inundacin

b) Riego por Surco

c) Riego por Tazas

d) Riego Californiano

2. Riego por Aspersin

a) Macro Aspersin

b) Micro Aspersin

c) Microjet

3. Riego por Goteo

a) Goteros en Lnea

b) Goteros de Botn

c) Cintas de Riego

Para la eleccin del tipo de riego a utilizar se debe tener en cuenta el tipo de suelo (pendiente,

profundidad races, infiltracin, etc), tipo de cultivo, ventosidad del lugar.

En general en todos los tipos de riego se tendrn perdidas, en el riego superficial habr prdidas

por conduccin (PC), perdidas por percolacin profunda (PP) y prdidas por derrame (D). En el

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riego por aspersor y por goteo se tienen perdidas por geometra. Considerando esto, el volumen a

aplicar debe ser mayor al utilizable.

PARA UN RIEGO SUPERFICIAL

= + +

La eficiencia de riego se define como

! =

Pero tambin se producen perdidas en la conduccin, luego

"# = +

La eficiencia de la conduccin ser

!$ = "#

Posteriormente, la eficiencia a nivel de fundo es

!% = !$ !

En la siguiente tabla se muestran las perdidas segn el tipo de suelo

Suelos

Arenoso Franco Arcilloso

PC [%Vtoma] 15 10 5

PP [%Vapl] 35 15 10

D [%Vapl] 5 10 25

p 0,6 0,75 0,65

c 0,85 0,9 0,95

f 0,5 0,65 0,6 TABLA 1. EFICIENCIAS SEGN TIPO DE SUELO

Finalmente, el volumen aplicable se define como

&'( = !

Y el volumen de toma

"# = !%

8

dl

Como puede ocurrir que se tenga que regar una vez cada muchos das, no vale la pena tener el

canal sin uso. Lo que se hace es parcelar el regado.

) = $*" ) )+ Donde NDNR=das de no riego

EL rea por parcela (Ap) es

, = ,-) Donde At= rea total

El caudal de Diseo en la Toma (Qd) ser

./ = "#$*" ,-

Sin embargo existe un problema ya que no se riega las 24 [hr] del dia. El mximo es 12 [hr]. Para

solucionar esto se utiliza un TRANQUE DE NOCHE, que es una especie de estanque de regulacin

que se ubica en la parte ms alta del fundo y lo que se hace es regar el fundo con 2 Qd. Al

tranque de noche se le da un volumen asociado a 40 [hr], que vienen de 24 [hr] domingo + 8 [hr]

sbado + 8 [hr] lunes.

PARA UN RIEGO POR ASPERSION

Las prdidas en este tipo de riego son distintas a las del riego superficial, aqu las prdidas por

percolacin profunda son menores y el derrame es 0. Sin embargo se producen perdidas por la

geometra, por viento y perdidas por roce en las tuberas.

Para una configuracin Tipo Nido de Abeja

0( = 32

0&

+ 1

3 0&

2

3 0(

!3 3 45660

9 0,82

9

Pendiente K

< 5% 1

5% - 8% 0,8

8% - 12% 0,6

12% - 20% 0,4

> 20% 0,25

TABLA 3. K SEGN PENDIENTE

Donde g es la eficiencia por geometra. Adems q corresponde a la eficiencia hidrulica que

depende de la pendiente del terreno y de las prdidas de carga de la tubera y v a la eficiencia

por viento.

Se define el tiempo de riego de lnea (Trl) como

5

Donde 5? = 5

El tiempo de regadio total (Trt) debe ser menor que 24 [hr].

Se define nc como el numero de cambios de caeria

6$ =

10

Por otra parte, las curvas de descarga aproximadas sern

+ = 0,08 H/I D J/I

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PREGUNTA 1

Disear un sistema de regado gravitacional mediante un tranque de noche-

Solucin:

De acuerdo a los datos se tiene que es un suelo del tipo limo arcilloso, este suelo va atener las

siguientes caractersticas:

PC(%Vtoma) = 5

PP(%Vapl) = 10

D(%Vapl) =25

p= 0.65

c=0.95

f=0.6

en el que la eficiencia del fundo es calculada como

= $ 0.6 Ahora calculamos los volmenes de agua, estos van a estar expresados como lminas de agua

Ahora calculamos el volumen til mediante la siguiente formula,

= 23B N* [P]

Evaluando los datos se tiene que

= 23 12001000 0.29 0.15 0.8 [P] = 0.0896 [P]

Con esto podemos calcular el volumen de toma

"# =

"# = 0.08960.6 = 0.15 [P]

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Tambin calculamos el volumen aplicado

= =0.0896

0.65 = 0.1378 [P] Podemos cambiar estos volmenes de unidades por lo que quedaran

= 896 [PH

U&]

= 1378 VPH

U&W

"# = 1500 [PH

U&] Ahora calculamos la frecuencia de riego de cada mes mediante la frmula

= Pero suponemos que tiene valor 0 ya que lo hacemos para los meses en que no llueve (meses ms crticos).

Pero para esto tenemos que calcular =

Donde son los valores de evaporacin entregados mensualmente y que corresponden a e f m a m j j a s o n d

Eai [mm] 182 148 123 82 57 42 46 62 83 115 140 175

y se calcula mediante la siguiente frmula: =

En donde los valores de son entregados de la tabla de Schonhaut y son los correspondientes a las plantas de hoja caduca:

s o n d e f m a

Ci 0,18 0,49 0,77 0,96 0,99 0,85 0,58 0,22

Para el resto de los meses tiene valor 0 y no se consideran.

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El valor de se calcula de la siguiente manera = $X

En donde $X corresponde al tipo de planta y, para la hoja caduca , tiene un valor de 0.65 Cabe hacer notar que solo se consideran los 8 meses en que es distinto de 0. Remplazando nos da un valor de = 0.917 Ahora podemos remplazar en todas las frmulas , lo que se ve mejor representado en la siguiente

tabla

s o n D e f m a

YZ 0,18 0,49 0,77 0,96 0,99 0,85 0,58 0,22 [Z = YZ [\]^

0,165 0,449 0,706 0,880 0,908 0,779 0,532 0,202

_]Z 83 115 140 175 182 148 123 82 _`aZ = [Z _]Z 13,70 51,67 98,85 154,06 165,23 115,36 65,42 16,54 bZ = cd_`aZ [\ef] 6,54 1,73 0,91 0,58 0,54 0,78 1,37 5,42 bZ[gZ]] 196 52 27 17 16 23 41 162

Como no se puede regar con una frecuencia mayor a 30 das en un mes , todos los valores de

bZ[gZ]] mayores a 30 ahora pasan a valer 30, aunque en todo caso esto indica que no es necesario regar las plantas en esos meses

Con esto valores tenemos bhiZjZhk = cd_`\]^ que corresponde al valor ms bajo de frecuencias, este valor es 0.54 [mes] o 16 [das]

Teniendo la frecuencia calculamos el nmero de parcelas de nuestro fundo esta es calculada como

la frecuencia crtica y se le resta los das que no riego , como por ejemplo los domingos

) = $*" ) )+ ) = 16 2 = 14 '&mno(&p

Esto quiere decir que voy a subdividir en 14 mi fundo y voy a regar una cada da hasta completar el

ciclo de 16

Ahora calculamos el rea de cada parcela, esta se calcula de la siguiente manera:

,*$ = ,"#")

14

,*$ = 1214 [U&] = 0.85 [U&] Ahora calculamos el caudal de diseo

.X = "#$*" ,"

Remplazando los valores vamos a tener que .X = 1125[qX] Con este valor vamos a poder calcular el volumen del tranque, este corresponde a 2 veces el

caudal de diseo multiplicado por 40 horas ya que se considera que este es el tiempo de mayor

tiempo de no regado.

"*rs = 2 .X 40 [mp] "*rs = 3750 [PH]

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PREGUNTA 2

Disear una red de riego utilizando aspersores, mediante configuracin tipo Nido de Abeja.

Determinar la programacin del riego para el mes de enero.

Cubicar los elementos de la red de riego, como tuberas, aspersores, codos, etc. Entregar

esquema de la configuracin (planta red de riego, parcela tipo).

Volumen til [m3/m2]:

Vu = FS z{| CC PMP z

Considerando un FS de 2/3 se obtiene:

Vu = 0.0896 [mH/mIQ 896 [mH/HaQ

Parmetros de la configuracin tipo Nido de Abeja:

dl H

I da R

J

H da

I

H dl

H

I daI 3 ? = 0.827

Donde, dl : Distancia entre lneas. da : Distancia entre aspersores. R : Radio de accin de cada aspersor. : rea efectiva. : Eficiencia asociada a la geometra del sistema de regado por aspersin. En este caso, como es una configuracin tipo Nido de Abeja, toma el valor de 0.827. Caractersticas de los aspersores:

R = 0,08 hH/I qu 0,342 hJ/I Eficiencia a nivel de potrero:

Donde, : Eficiencia geomtrica igual a 0.827. : Eficiencia asociada a prdidas por viento. Se adopta un valor de 0.85

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: Eficiencia hidrulica asociada al caudal que es capaz de regar cada Aspersor. Se adopta un valor de 0.95. = 0.827 0.85 0.95 = 0.668

Volumen aplicable:

Vz{ = Vu =896 [mH/HaQ

0.668 = 0.1343 [mH/mIQ 1343[mH/HaQ

Tiempo de riego en lnea:

T Vz{i

Donde,

i = 10 [mm/hr], para un suelo Limo-Arcilloso. Luego el tiempo de riego entre lnea es:

T 0.1343[mH/mIQ

0.01[m/hrQ 13.43[hr] 14[hr]

Clculo de parmetros de la red tipo Nido de Abeja:

A partir de las formulas:

R = JH da = HI daI R = 0.08 hH/I

Se obtiene:

0.016634 hH

El caudal de cada aspersor se puede expresar como se indica a continuacin:

qu = Vz{ T = 0.0001596 hH

Lo anterior se iguala con la curva de descarga del aspersor y se obtiene la carga de agua en cada

aspersor:

0.342 hJ/I 0.0001596 hH h = 21.5[m]

Con este resultado se puede calcular explcitamente qu y R:

qu = 1.586[mH/hrQ R 7.974[mQ

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Ahora, a partir de R se despeja da y dl:

da = 3 R = 13.8[m] dl = 32 R = 12[m] Se calculan:

Nmero de lneas: N = z = JI??[]JI[] = 100 Nmero de aspersores por lnea: Nz/ z J??[QJH,[] = 7.25 8 Nmero de cambios de lnea (Escogemos T = 1[hr]) N = = J

[]J[] = 1

Nmero de lneas de riego simultneo: N = = J??JJ = 6.25 7 Por lo tanto, la red propuesta tiene 7 lneas y 8 aspersores por lnea. Esta red trabajar por 14

[hrs], regando un sector de la parcela cada da. En 14 das trabajados se regaran todas las parcelas.

Clculo de caudal de diseo de la tubera matriz:

Q = qu Nz/ N 1.586[mH/hrQ 8 7 = 88.816[mH/hrQ Dimetro de las tuberas laterales:

Se determinara el dimetro de las tuberas laterales, considerando la eficiencia hidrulica

0,95. Los caudales mximos y mnimos arrojados por cada aspersor estn relacionados entre s de la siguiente manera:

qu = q = 1.586 VmH

hr W , para h = 21.5[m]

q 2 = qz qzq = 1.1

De la curva de descarga tenemos:

q = 0,342 hJ/I qz 0,342 hzJ/I De esto obtenemos la relacin

hzJ/I

hJ/I 1.1

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Se despeja hz y h resperctivamente: hz = 26.015[m] h = hz h = 4,515[m]

La prdida de carga total en una lnea se calcula como sigue: h = J i L + Nz/ L Se considerar Nz/ L 0,5[m]. Al pasar el agua por los aspersores, el caudal vara. Esta variacin se considerar como lineal en los clculos, por lo tanto, las prdidas se calculan por tramo. La prdida de carga unitaria (J) se expresa como:

J = J?,, J,I

(Hazen-Williams)

Sea CHW = 150; qu = 4,846 10[mH/sQ; da 13.8[m]; i = 0,03 L = 100[m]

Se tiene que:

J L = 10,667D,I quCHW

J,I da iJ,I

J= h + i L Nz/ L D 0.0431[m] = 43.1[mm]

Como el dimetro comercial ms cercano es 50[mm], este es el que se usar y con ste se

recalcularn las prdidas. Se obtiene:

h = 0.9038[m] Luego se procede a calcular la eficiencia hidrulica, a partir del qz:

qz = 0.342 h + hJ/I 0.342 22.4038J/I 1.619[mH/hrQ Finalmente:

q 2 = qz 1.586

2 = 1.619 = 0.9897 Se verifica que la eficiencia hidrulica calculada es mayor a la estimada en pasos anteriores.

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Tubera sub-matriz:

Considerando que al inicio de la sub-matriz corre el mximo caudal se usaran tambin tuberas de

50[mm]

Programacin del Riego:

Se regarn 14 [hrs] cada da sin cambios de posicin de la red. Se regar cada da un sector

diferente, de manera que, en 16 das (14 das de trabajo, pues se descuentan los domingos) se

habrn regado las 12 hectreas.

Cubicacin de Riego:

La cubicacin del sistema diseado se resume en la siguiente tabla:

Artculos Cantidad Artculos

Tuberas PVC 50[mm] 1700 [m] 1000 [m] de sub-matriz y 7 lneas laterales de riego simultneo de 100 [m] cada una

Aspersores 56 unidades 8 aspersores para cada una de las 7 lneas

Uniones T 50[mm] 100 unidades Para conectar cada lnea a la sub-matriz

Tapones 50[mm] 101 unidades Para cerrar el final de la sub-matriz, de cada lnea en uso y de las en desuso

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CONCLUSIONES

El problema de programar y disear una red de riego, como en todo problema de diseo, implica

trabajar con una gran cantidad de variables por lo que se debe tener un amplio criterio, ya que son

muchas las combinaciones que cumplen con las restricciones establecidas pero no todas son igual

de ptimas.

En el anlisis realizado no se consideraron los costos econmicos de las piezas a usar. Por ejemplo,

es posible que se desee favorecer el ahorro monetario y se sacrifique la eficiencia hidrulica,

obteniendo resultados menos ptimos hidrulicamente, pero ms adecuados en el anlisis

multivariado que incluye los costos.

En cuanto a la cubicacin, se debe tener en cuenta que estn calculados sin que sufra ningn dao

y que todos los elementos solicitados vengan en perfecto estado, por lo que si se quiere tener

mayor seguridad, se debe aumentar las cantidades de elementos.