rehabilitacion de un sitema de riego a la demanda

AMH XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRULICA

ACAPULCO, GUERRERO, MXICO, NOVIEMBRE 2012 AMH

Introduccin

Los usuarios de la Presa Atopula en Huitzuco, Guerrero, realizaron obras para la modernizacin de su zona de riego de 116 ha mediante la presurizacin de su red de canales y la instalacin de un sistema de riego por goteo a nivel de parcela, conformando un sistema de riego colectivo a la demanda ya que el sistema estaba diseado para extraer un gasto de 280 l/s de la presa suficiente para el riego simultneo de las 42 tomas parcelarias. Sin embargo, un mal diseo hidrulico de la red y problemas en la operacin de un sifn colocado sobre la cortina de la presa, tuvo como consecuencias cargas disponibles menores a las necesarias, lo que origin que algunas parcelas presentaran gastos y presiones inadecuadas originando problemas de una aplicacin ineficiente del riego y sobretodo problemas de operacin en la red que originaba conflictos sociales de uso del agua. Para resolver el problema se planteo la rehabilitacin de la red, mediante el anlisis hidrulico de la operacin para aumentar la capacidad en gasto en algunos tramos y homogenizar las presiones en las tomas.

Se realiz una revisin del proyecto original, as como la determinacin de la capacidad requerida del sistema considerando el riego a la demanda y contrastarlo con el sistema instalado. De igual forma, se realiz un anlisis hidrulico del sifn y de las redes, as como de las condiciones de operacin del sistema para poder estar en condiciones de determinar las deficiencias que pudieran estar presentes y hacer recomendaciones tcnicas para la rehabilitacin y ejecucin de las obras complementarias que permitan hacer ms eficiente el funcionamiento de la red de conduccin y distribucin del en la zona de riego.

Objetivos

Analizar el funcionamiento hidrulico del sifn sobre la cortina de la presa para recomendar o no su puesta en marcha.

Analizar la operacin de la red, considerando el uso del sifn sobre la cortina de la presa que permita mejorar el funcionamiento hidrulico de las secciones de riego por goteo.

Analizar la operacin de la red mediante la propuesta de acciones de rehabilitacin de la red de riego aumentando la capacidad de conduccin de las tuberas para homogenizar las presiones.

Desarrollo

La zona del proyecto se localiza en el Municipio de Huitzuco, en el estado de Guerrero, dentro de la zona parcelada de la

localidad de Huitzuco del mismo municipio. La siguiente imagen de la Figura 1, presenta la zona de riego en estudio, la cual consta de 116 ha actualmente con una red entubada desde la presa ATOPULA. El relieve de la zona de riego a nivel parcelario es plano en un 90% con pendientes suaves. El desnivel mximo entre la cota de salida de la obra de toma y la ltima toma es de 34 m. La superficie total de riego que se abastece con la tubera de conduccin objeto de este proyecto es de 115.85 ha con 42 parcelas, consolidadas en una superficie media por usuario de 2.75 hectreas aproximadamente. Los cultivos dominantes que se riegan actualmente con el agua disponible, son jitomate y tomate verde entre otras. La red instalada es de tubera de PVC con tomas de entrega en cada una de las parcelas. Dado que la aplicacin del agua a los cultivos es por medio de un sistema de riego localizado, en este caso riego por goteo con cinta, se considera una eficiencia de aplicacin del 95 %.

Figura 1.- Zona de riego de la Unidad de Riego Huitzuco,

Guerrero.

En la superficie de riego dominada de riego se establecen principalmente jitomate y tomate verde en la temporada de riego y maz en la temporada de lluvias, por lo que los espaciamientos entre regantes son de 1 m y de 0.15 m para el espaciamiento entre emisores, para regar con cinta de goteo de 0.63 l/h, evitando de esta manera encharcamientos al ser suelo franco arcilloso. El factor de cobertura de mojado considerado es del 60%, es decir se espera como mximo un bulbo de humedecimiento de 60 centmetros de distancia desde la cinta. Con estos datos, el volumen bruto diario regando 6 de 7 das de la semana es: 0.82 litros y el tiempo de riego es de 1.3 horas (78 minutos) por seccin.

REHABILITACIN DE UN SISTEMA DE RIEGO A LA DEMANDA

Montiel Gutirrez Mario Alberto

Especialista en Hidrulica del Instituto Mexicano de Tecnologa del Agua

Paseo Cuauhnahuac 8532 Colonia Progreso, Jiutepec, Morelos Mxico, CP 62550.

Tel. (777) 3293658. Email: [email protected].



Con el gasto disponible de 280 l/s en la tubera y con tandeo riguroso, se puede regar en 6.21 horas por da (casi 5 turnos o cambios de 1.3 hrs aproximadamente) es posible sin ningn problema abastecer de agua a la totalidad de las parcelas regando simultneamente, ya que la capacidad del sistema es de hasta de 280 l/s ya que se tiene instalada tubera de 16 (400 mm) en la red principal.

Los cabezales de operacin a nivel parcelario son en su gran mayora de 75 mm(3) y constan de sus vlvulas de globo y accesorios, as como un filtro de malla de 3 y en algunos casos con su sistema de inyeccin de fertilizantes tipo Venturi, en donde la diferencia de presin es suficiente para su aplicacin y uso.

Las conexiones y accesorios a nivel parcelario son porttiles en material de polietileno, con la caracterstica de que todos los distribuidores o tuberas secundarias que abastecen a las mangueras son en 2 (50 mm) lo que implica que no existi un diseo a nivel parcelario, ni hubo capacitacin en el manejo del sistema por parte de la empresa que instal el sistema de riego. De acuerdo con los propios usuarios, se pierde demasiada presin en estos distribuidores o secundarias lo que implica una revisin a nivel parcelario, para mejorar el riego y lograr el uso eficiente del agua en la Unidad de Riego.

El diseo hidrulico original, supone la puesta en marcha de un sifn hidrulico de 400 mm ( 16) para extraer el agua a presa llena y semillena, con cota mxima coincidente con la cortina de la presa, en la a Elev.1018. Sin embargo la cota del vertedor o Nivel de Aguas Mxima de la presa (NAME) se localiza en la cota 1015. Existe una diferencia de 13 m adicionales desde el nivel del agua en el canal de salida con el NAME de la presa. La siguiente figura 2 muestra el perfil del sifn en la presa Atopula.

Figura 2.- Elevaciones del sifn de la presa Atopula en Huitzuco

Guerrero.

Como se observa en la figura 3, el sifn colaps hidrulicamente durante el primer ao de uso, en donde se tuvieron problemas de roturas en la tubera descendente. Esta tubera inicialmente fue cambiada por una de mayor clase o resistencia, pero igualmente se presentaron fallas.

La siguiente figura 3 muestra el estado actual del sifn en la parte ms elevada y en los taludes y en la cortina de la presa Atopula.

Figura 3.- Sifn de 16 (400 mm) parte aguas arriba y aguas abajo de la cortina de la presa Atopula, Huitzuco, Guerrero.

En el presente proyecto, se pretendi analizar las causas de falla y posible rehabilitacin y puesta en marcha del sifn para con su operacin lograr aumentar la carga hidrulica disponible en la zona de riego y se tenga mayor flexibilidad en la operacin del sistema de riego instalado. La siguiente imagen muestra el planteamiento de un sifn convencional y las variables que en su funcionamiento hidrulico intervienen.

Figura 4.- Esquema hidrulico de la instalacin de una Sifn.

Fuente: Arviza (2003).

El sifn es una conduccin cerrada que eleva el lquido a una altura superior a la de la superficie libre del lquido en el origen (LLL), descargando posteriormente a una altura inferior a la del origen (punto 2 de la Error! No se encuentra el origen de la referencia.). Aplicando el teorema de Bernoulli entre 1 y 2, se tiene que:

122

22

21 hg

VZZ ++=

(1)

El caudal que circula por el sifn puede calcularse despejando la prdida de carga de la ecuacin anterior, y sustituyndola en una frmula de prdidas de carga. Utilizando la frmula de Darcy-Weisbach:



==g2

V

D

LfK

g2

VZZh

2

2m

2

22112

El gasto del sifn ser igual entonces a:

A

D

LfK

HgAVQ

m

+

==

1

22

(2)

Siendo A el rea de la seccin transversal de la tubera del sifn, y Km el coeficiente de prdidas de carga localizadas. La presin mnima en el sifn se verificar en el punto A, siendo sta calculada nuevamente a partir de la ecuacin de Bernoulli entre 1 y A:

g2

V

D

LfK1Z

g2

V

D

LfK

g2

VZZ

P 2A1mA1

A1m

2

A1A

+== (3)

Si la presin absoluta en A (PA) resulta menor que la de vaporizacin del fluido (hv) se producir la vaporizacin parcial del fluido en A, no siendo vlida la expresin que permita el clculo del caudal. Para efectos prcticos el flujo se interrumpira, vibrando la tubera, debiendo volver a llenar el sifn para su presurizacin desde 1 hasta 2. Asumiendo una altitud a nivel del mar de 10 m.c.a, se producir la vaporizacin del fluido cuando:

vA h

P+

10

(4)

Para la zona de Huitzuco, Guerrero, con una altura sobre el nivel medio del mar de 1015 m, se tiene una presin atmosfrica equivalente a 897,40 HPa, que redondeando los milmetros se pueden considerar en 9 m.c.a. Se realiz el clculo para las condiciones locales del sifn, considerando las prdidas de carga para un gasto mximo de 280 l/s y una longitud total de 80 m y se obtuvo una altura equivalente a 7.21m por debajo del nivel mnimo del punto ms alto del sifn (A).

mP

mmP

HfmhP

A

AAV

A

21.7

55.1924.09 1

KK

(5)

Considerando que el punto de la presin mnima en A era la cota 1018, la elevacin del agua a partir de la cual se empieza a presentar la cavitacin en la tubera, es la 1010.79 m. Se recomienda no operar el sifn a partir de la Elevacin 1011 m.

Por otra parte, , se realiz un anlisis hidrulico en EPANET 2.0 de las condiciones actuales de la red hidrulica de las redes de riego actuales en operacin, para poder estar en condiciones de determinar las deficiencias en presin que pudieran estar presentes y hacer recomendaciones tcnicas para la rehabilitacin mediante la ejecucin de obras complementarias que permitieran hacer ms eficiente el funcionamiento de la red de conduccin y distribucin de la zona de riego sobretodo en las partes con falta de presin. La siguiente figura 5 muestra la red capturada en EPANET 2.0. (EPA, 1998).

Figura 5.- Anlisis hidrulico de la red de conduccin original en

EPANET 2.0.

Para efectos de anlisis hidrulico, se analizaron las condiciones hidrulicas de las redes, operando en la condicin actual con la Elevacin 1002 perteneciente a la elevacin del canal de salida en la obra de toma. La elevacin 1015 equivalente al valor del NAME o presa llena y con el sifn operando, adems de la Elevacin 1011 equivalente a la elevacin ltima en la presa que permite la operacin del sifn sin presentarse cavitacin para un gasto de 280 l/s.

Cuando la cota de operacin en el embalse es la elevacin 1015, la carga de operacin en las puntas de la red se sube de 9.33 m o hasta 14.39 m en el mejor de los casos, con un promedio en las cargas del orden 21 m en toda la red. Situacin que elimina de manera provisional la necesidad de operacin al final de las redes de riego. Por otra parte, cuando el sifn llega a la cota lmite de la elevacin 1010.2 que es cuando comienza deja de operar el sifn, se tiene una condicin diferente a la operacin anterior, ya que la presin de los nodos al final de las redes es de alrededor de 4 a 5 m, presin que actualmente, no es suficiente para su operacin.

-7.00

-14.00

-63.00

-70.00

-77.0049.00

21.00

14.00

7.00

28.00

7.007.00

7.00

28.00

-6.00

-13.00

15.00

-7.00

8.00

4.00

-7.00-14.00

-14.0039.0032.00

32.00

25.00-7.00

11.00

-6.00

-7.007.00

-186.00

-207.00

-214.00

-214.00

-7.007.00

-221.00

-235.00

-7.00-7.00

7.00

-242.00

-249.00

-263.00

-270.00

-7.00

-270.00

263.00

270.00

21.00

28.00

28.00

-14.00

15.00

70.00

133.00

0.00

7.00

186.0039.00

263.00

14.00

5.84

7.64

12.72

12.90

12.43

13.9414.09

13.0213.0712.44

13.10

11.74

10.50

10.5410.399.86

5.195.26

12.27

11.4310.39

11.37

11.79

4.924.46

1.721.85

3.60

4.03

11.8012.5012.287.10

6.83

5.67

4.764.55

1.610.68

11.2711.1411.77

11.07

12.38

11.66

11.59

8.29

7.818.057.72

6.63

8.038.05

8.236.99

7.14

8.78

9.40

10.81

11.25

3.38

11.14

9.8810.69

0.00

Pressure

6.00

10.00

15.00

20.00

m

Flow

25.00

50.00

75.00

100.00

LPS

D

LfK

HgVHZZ

D

LfK

g

V

m

m

+

===

+1

21

2221

2

2



Figura 6.- Lnea piezomtrica resultante del anlisis hidrulico de

la red de conduccin en la condicin de operacin con y sin sifn

operando sobre la presa Atopula.

Los resultados obtenidos en el anlisis, muestran una falta de presin en los hidrantes ubicados al final de la red, producto de un mal diseo hidrulico del sistema de riego construido, ste mismo efecto se presenta en la condicin de operacin con y sin sifn, sin embargo, para los usuarios de la parte ms baja, se recupera una carga de operacin equivalente a 0.5 Kg/cm2, a sifn lleno, situacin que se presenta slo en un mes al ao. Ante lo anterior, es necesario considerar que la rehabilitacin de las redes es necesaria, porque nadie asegura que todos los aos, despus de las lluvias se tendr niveles de operacin cercanos a la cota 1015. Es ms probable, tener niveles cercanos a la cota 1010, situacin que no permite el funcionamiento del sifn, como ya ha sucedido antes.

Para corregir la problemtica de mnimas cargas de operacin en los tramos ltimos de las redes, que ocasiona que no se tenga la presin mnima necesaria en las secciones de riego por goteo, se plante la rehabilitacin de las redes incrementando su capacidad de conduccin en gasto en algunos de sus tramos y por lo tanto disminuir las prdidas de carga en los recorridos, disminuyendo la velocidad en los conductos y por la tanto las prdidas de carga por friccin que resuelvan la problemtica de operacin de las lneas. Se agregaron nuevos tramos en la red original sobretodo en las partes ltimas de la red que benefician a los usuarios finales de los tramos. Se realizaron varias alternativas con el fin de lograr obtener menores prdidas de carga y lograr mayores efectos en la recuperacin de la presin disponible. Estas redes fueron simuladas en EPANET 2.0 tal y como se revis originalmente. La siguiente figura muestra el planteamiento propuesto en el software para el cierre de la red en algunos de sus tramos, operando con la carga de operacin del canal en la Elevacin 1002, mnima en la presa, es decir, sin sifn operando.

Figura 7.- Opcin de rehabilitacin de la red en EPANET

mediante el cierre de circuitos.

Los resultados del anlisis hidrulico muestran que se homogenizan las presiones de operacin sobre los hidrantes de las parcelas, teniendo ahora una presin de operacin promedio de 1 Kg/cm2 disponible para un sistema de riego por goteo a baja presin.

Figura 8.- Lnea piezomtrica y del terreno resultante del anlisis

hidrulico en EPANET para la ruta crtica con y sin

rehabilitacin operando sin sifn desde la Cota 1002 sobre el

canal de salida.

LINEAS PIEZOMETRICAS DE LA CONDICION DE OPERACIN EN HUITZUCOCON SIFON Y SIN REHABILITACION. COTAS DE SALIDA 1015 Y 1010.

950

955

960

965

970

975

980

985

990

995

1000

1005

1010

1015

1020

N70 N69 N68 N66 N65 N62 N64 N59 N57 N55 N54 N53 N50 N52 N37 N12 N11 N9 N8 N7 N24 N25 N29 N30 N32 N33

LINEA PIEZOMETRICA DE LA CONDICION DE OPERACIN EN HUITZUCOSIN SIFON Y CON REHABILITACION. COTA DE SALIDA 1002.

950

960

970

980

990

1000

1010


Lnea Piezomtrica OriginalQ = 270 l/s

Lnea Piezomtrica RehabilitadaQ = 280 l/s

-1.06

-8.06

-38.15

-45.15

-52.1549.00

26.71

2.35

22.29

7.007.00

1.29

35.00

-7.00

-14.00

6.02

-0.17

5.85

-1.15

1.36-5.64

-5.6428.0021.00

21.00

14.00-7.00

-7.007.00

-196.00

-217.00

-224.00

-224.00

-7.007.00

-231.00

-245.00

-7.00-7.00

7.00

-252.00

-259.00

-273.00

-280.00

-7.00

-280.00

273.00

280.00

21.00

35.00

28.00

-8.29

6.02

45.15

108.15

0.00

7.00

141.7828.00

273.00

14.00

45.85

38.85

31.85 8.36

8.15

5.71

9.35

4.65

5.94

5.94

14.98

14.98

4.65

13.71

12.79

13.66

13.83

13.37

13.3613.42

12.1112.1411.50

11.02

10.64

11.77

10.1610.009.48

9.68

10.16

13.12

11.7010.2611.60

12.50

11.8811.88

10.3110.84

9.57

9.55

11.1611.3711.258.448.37

7.84

7.607.39

10.6710.90

10.2110.0710.7110.00

11.18

10.63

10.59

7.40

6.957.186.86

5.81

7.41

7.43

7.616.37

6.44

8.20

8.94

10.45

10.92

3.34

10.07

8.829.63

11.89

13.81

12.03

0.00

Pressure

6.00

10.00

15.00

20.00

m

Flow

25.00

50.00

75.00

100.00

LPS

Day 1, 12:00 AM



Resultados

Se puso en marcha el sifn mediante el llenado del mismo, la instalacin de una vlvula de operacin y se propuso un rango de niveles de operacin en la presa para su correcta operacin. Mediante el cierre de circuitos en la red y aumentando la capacidad de algunos dimetros en la conduccin se homogenizaron las presiones.

Los resultados muestran que con la rehabilitacin de la red es suficiente con la carga de operacin actual, sin embargo, la operacin mejora con el uso del sifn con niveles adecuados en el embalse.

Figura 9.- Lneas piezomtricas resultado del anlisis

hidrulico de la rehabilitacin de la red con y sin uso del

sifn en la presa.

Se realiz una propuesta de rehabilitacin y puesta en marcha del sifn que permite una operacin mixta del sistema de riego colectivo. El costo de la rehabilitacin fue de aproximadamente $7,500/ha.

El sifn debe operarse mximo hasta la cota 1011 del embalse. Incluso para gastos mayores de 280 l/s, se recomienda operar hasta la cota 1011.5 m. A presa con nivel mnimo la mejor solucin en la rehabilitacin de los circuitos.

Conclusiones

La rehabilitacin de las redes de riego por errores en el diseo hidrulico no debera suceder, sin embargo, se presentan ste tipo de casos, debido a la falta de certificacin de calidad de las empresas confiables del sector riego en Mxico.

Se recomienda el uso de ste tipo de estructuras como el Sifn, en pequeas presas y bordos de almacenamiento, donde por condiciones de

construccin no sea posible conectar el tubo en las obras de toma con fines de riego presurizado con carga hidrulica natural.

Referencias

Arviza, Jaime (2003). Riego por Goteo. Universidad Politcnica de Valencia. Hidrulica Rural. Editorial Mundiprensa, Madrid Espaa.

EPANET 2.0 . EPA, Manual de Usuario. www.epa.gov.

Proyecto Ejecutivo de la Modernizacin de la Unidad de Riego Huitzuco, Guerrero. Plano General.

LINEAS PIEZOMETRICAS DE LA CONDICION DE OPERACIN EN HUITZUCO COTA DE SALIDA 1015 CON Y SIN REHABILITACION. CON Y SIN SIFON

950

955

960

965

970

975

980

985

990

995

1000

1005

1010

1015


Lnea piezomtrica con RehabilitacinSin Sifn y operando de la elevacin 1002

Lnea piezomtrica sin RehabilitacinCon Sifn y operando de la elevacin 1015

rehabilitacion de un sitema de riego a la demanda

Documents