DISEÑO DE UN SISTEMA DE RIEGO EN LA GRANJA TARAPACÁ UBICADA

EN LA CIUDAD DE SANTIAGO DE CALI

ALEXANDER LONDOÑO OCAMPO

1001838

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA

PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI

2019

DISEÑO DE UN SISTEMA DE RIEGO EN LA GRANJA TARAPACÁ UBICADA

EN LA CIUDAD DE SANTIAGO DE CALI

ALEXANDER LONDOÑO OCAMPO

1001838

Pasantía comunitaria para optar al título de

Ingeniero Mecánico

Director

CARLOS ALBERTO HERRAN DE LA CRUZ

M.Sc. Ingeniería Ambiental y Sanitaria

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA

PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI

2019

3

Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado en

cumplimiento de los requisitos exigidos

por la Universidad Autónoma de

Occidente para optar al título de

Ingeniero Mecánico

Emerson Escobar Núñez

Jurado

Santiago de Cali, 6 de Noviembre de 2019

4

AGRADECIMIENTOS

A la granja Tarapacá y a todos los empleados por orientarme y ayudarme en el desarrollo de mi trabajo de grado.

A Paola Andrea Lujan del departamento de desarrollo humano, por el interés mostrado durante el desarrollo y culminación de este proyecto.

A mis familiares y amigos, quienes me apoyaron mutuamente en mi formación profesional, y que contribuyeron con su apoyo incondicional en la realización de este proyecto.

Al ingeniero Carlos Alberto Herrán por su colaboración y motivación en el desarrollo de este proyecto.

5

CONTENIDO

pág.

RESUMEN 11

INTRODUCCIÓN 13

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 14

1.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 14

1.1.1 Formulación del Problema 14

2. OBJETIVOS 16

2.1 OBJETIVO GENERAL 16

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 16

3. JUSTIFICACIÓN 17

4. MARCO REFERENCIAL 18

4.1 ANTECEDENTES 18

4.2 MARCO TEÓRICO 21

4.2.1 El Riego 21

4.2.2 Sistema de Riego 21

4.2.3 Riego por inundación y surcos 22

4.2.4 Riego Sub-foliar 23

4.2.5 Componentes del sistema de riego por goteo 24

4.2.6 Caracterización de los cultivos 27

4.2.7 El bulbo húmedo 33

6

4.2.8 El Área Humedecida 35

4.2.9 Conceptos Generales de Hidráulica 36

4.2.10 Redes hidráulicas 40

4.2.11 Pérdidas de energía en tuberías 41

4.2.12 El programa EPANET 42

5. METODOLOGÍA 45

5.1 RECOPILACIÓN DE LA INFORMACIÓN 45

5.2 DEMANDA HÍDRICA 46

5.3 DISEÑO AGRONÓMICO 49

5.3.1 El porcentaje de área a regar %AR 51

5.3.2 El área del emisor Ae 51

5.3.3 Número de emisores por planta e. 52

5.3.4 Frecuencia de riego 52

5.3.5 Tiempo de riego Tr 52

5.3.6 Separación máxima entre emisores Smáx: 53

5.4 DISEÑO HIDRÁULICO 53

6. RESULTADOS 61

7. CÓSTOS 65

8. CONCLUSIONES 68

BIBLIOGRAFIA 69

7

LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1. Esquema de un sistema de riego por inundación y surcos. 22

Figura 2. Esquema de un sistema de riego por aspersión. 23

Figura 3. Diseño de un gotero sobrelínea. 26

Figura 4. Diseño de un gotero interlinea o integrado. 26

Figura 5. Componentes de un sistema de riego por goteo. 27

Figura 6. Formación del bulbo húmedo. 34

Figura 7. Efecto de la textura en la forma del bulbo húmedo. 34

Figura 8. Perfil de humedeciendo de un lateral de goteros. 36

Figura 9. Mapa satelital de la granja Tarapacá y delimitación de la zona de cultivo. 45

Figura 10. Escenario 1. Caso 1. Gotero inter-línea. Todos los módulos funcionando simultáneamente con un caudal nominal de 2 l/h y una presión de entrada al sistema de 25 a 30 m.c.a. 55

Figura 11. Escenario 1. Caso 2. Gotero Inter-línea. Módulo 1,2 y 3 funcionando simultáneamente con un caudal nominal de 2 l/h; módulo 4 con demanda base cero (no está siendo regado). Se riega cebolla larga y maíz con una presión de entrada al sistema de 25 a 30 m.c.a. 56

Figura 12. Escenario 1. Caso 3. Gotero Inter-línea. Módulo 2 y 4 funcionando simultáneamente con un caudal nominal de 2 l/h; módulo 1 y 3 con demanda base cero (no está siendo regado). Se riega frijol y maíz con una presión de entrada de 25 a 30 mca. 57

Figura 13. Escenario 2. Caso 1. Gotero sobre-línea. Todos los módulos funcionando simultáneamente con un caudal nominal de 2 l/h y una presión de entrada al sistema de 40 mca. 58

Figura 14. Escenario 2. Caso 2. Gotero sobre-línea. Módulo 1,2 y 3 funcionando simultáneamente con un caudal nominal de 2 l/h; módulo 4 con demanda base cero (no está siendo regado). Se riega cebolla larga y maíz. Presión de entrada al sistema de 40 mca. 59

8

Figura 15. Escenario 2. Caso 3. Gotero sobre-línea. Módulo 2 y 4 funcionando simultáneamente con un caudal nominal de 2 l/h; módulo 1 y 3 con demanda base cero (no está siendo regado). Se riega frijol y maíz con presión de entrada al sistema de 40 mca. 60

Figura 16. Plano del sistema de riego por goteo. 61

9

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Rango de velocidades para tubos de PVC. 41

Tabla 2. Resumen de los valores obtenidos en la demanda hídrica. 48

Tabla 3.Datos generales de siembra para los tres cultivos. 49

Tabla 4. Datos de la prueba de bulbo húmedo para los caudales de 1 l/h y 2 l/h. 50

Tabla 5. Resultados del diseño agronómico. 50

Tabla 6. Porcentaje de área a regar y caudal del emisor según el tipo de cultivo. 51

Tabla 7. Distribución de las frecuencias de riego en la semana. 53

Tabla 8. Datos de la tubería y resultados del número de Reynolds, factor de fricción y las pérdidas por fricción HR. 62

Tabla 9. Valores de la rugosidad absoluta (e), para diferentes materiales. 62

Tabla 10. Propiedades del agua a 20°c. 63

Tabla 11. Resultados de las perdidas por accesorios. 63

Tabla 12. Cotización y lista de materiales para el escenario 1. Emisor interlinea con una separación entre emisores de 15 cm, un diámetro nominal de tubería lateral de 16 mm con diámetro interno de 14.20 mm y un rango de presión aceptable de los goteros de entre 1 bar a 3.5 bar. 65

Tabla 13. Cotización y lista de materiales para el escenario 2. Emisor sobrelínea autocompensado con una separación entre emisores de 10 cm, un diámetro nominal de tubería lateral de 20 mm y un diámetro interno de 17.50 mm, con un rango de presión de funcionamiento de 0.5 bar a 4 bar. 66

10

LISTA DE ANEXOS Pág. Anexo A. Plano final del diseño del sistema de riego por goteo. 71

Anexo B. Catálogo de emisores interlínea para un caudal de 2 L/H. 71

Anexo C. Catálogo de emisores sobrelínea autocompensados para un 71

Anexo D. Catálogo de selección de la bomba. 71

11

RESUMEN

El agua no es un recurso inagotable, es por esto que los sistemas de riego se deben volver más eficientes, proporcionando la cantidad de agua suficiente a las plantas para su óptimo desarrollo, evitando el estrés hídrico y su desperdicio. Por tal motivo el objetivo del presente proyecto es el de realizar el diseño de un sistema de riego por goteo para un área de siembra de aproximadamente de 433.27 m2 para los cultivos de maíz, frijol y cebolla larga, en la granja Tarapacá ubicada en la ciudad de Santiago de Cali.

Para poder diseñar un óptimo sistema de riego por goteo, es necesario conocer el área de trabajo, donde se realizó las respectivas mediciones para obtener el área total del sitio de siembra y con ayuda de la herramienta digital de AutoCAD se realizó los gráficos correspondientes para la ubicación de los módulos de riego, y las tuberías. En los cálculos se utilizaron las formulas de la FAO las cuales ayudan a determinar principalmente el número y tipo de goteros a utilizar en los módulos de riego y las frecuencias de riego necesarias que necesita cada tipo de cultivo.

Finalmente se utilizó el software Epanet donde se simuló el sistema de riego, y se determinaron las velocidades, presiones y caudales requeridos, para cada tramo de las tuberías.

Palabras clave:

Evapotranspiración de referencia (ETo), coeficiente de cultivo (Kc),

evapotranspiración del cultivo (ETc).

12

ABSTRACT

Water is not an inexhaustible resource, which is why irrigation systems must become more efficient, providing enough water to plants for optimal development, avoiding water stress and waste. For this reason, the objective of this project is to carry out the design of a drip irrigation system for a planting area of approximately 433.27 m2 for corn, beans and long onion crops, in the Tarapacá farm located in the city from Santiago de Cali. In order to design an optimal drip irrigation system, it is necessary to know the work area, where the respective measurements were made to obtain the total area of the planting site and with the help of the AutoCAD digital tool the corresponding graphics were made for the location of irrigation modules, and pipes. In the calculations the formulas of the FAO were used which help to determine mainly the number and type of drippers to be used in the irrigation modules and the necessary irrigation frequencies that each type of crop needs. Finally, the Epanet software was used where the irrigation system was simulated, and the required speeds, pressures and flow rates were determined for each section of the pipes.

13

INTRODUCCIÓN

El riego por goteo, conocido bajo el nombre de (riego localizado), es un método de irrigación utilizado en las zonas áridas, que permite la utilización óptima del agua y abonos. Actualmente en el mundo este sistema de riego es visto como una importante herramienta para incrementar la producción en los cultivos agrícolas, maximizando la eficiencia en el uso de los recursos hídricos, ya que permite aplicar agua directamente a la raíz de la planta en forma de gotas, minimizando las perdidas por evaporación y exceso de agua. El agua aplicada por este método de riego se infiltra hacia las raíces de las plantas, irrigando directamente la zona de influencia de las raíces a través de un sistema de tuberías y emisores (goteros).

Los sistemas de riego por goteo son apropiados para terrenos irregulares con texturas no uniformes o si el agua es escasa o costosa; sirven también para una aplicación más precisa de los fertilizantes, ya que van diluidos directamente a la raíz y no permite que tenga contacto con el follaje, tallos y frutos, evitando así el desarrollo de algunas enfermedades y el crecimiento excesivo de malezas.

Para la implementación de un sistema de riego por goteo, se necesita de un mecanismo que de presión al agua para distribuirla por tuberías instaladas sobre el terreno y que estén dotadas de emisores que viertan de 1 a 10 litros por hora. Aunque la tecnología es simple, requiere cierta inversión y mantenimiento cuidadoso, ya que los goteros pueden obstruirse fácilmente. Sin embargo, los resultados obtenidos en muchos países muestran que los agricultores que cambian el riego por surcos o riego por aspersión al riego por goteo, pueden reducir el consumo de agua aproximadamente del 60 al 30 por ciento.1

Al aplicar este sistema de riego, se garantiza el incremento en el rendimiento de los cultivos de maíz, frijol y cebolla larga que son objeto de estudio en este proyecto, ya que con base en los resultados obtenidos tanto en el diseño agronómico como en el diseño hidráulico se les suministrará agua constante y con la frecuencia requerida para cada cultivo y se asegura que esta no se desperdiciará y nada más se aplicará la cantidad necesaria que la planta necesita.

1FAO. Agua y Cultivos [en línea].FAO 2002 [consultado: 10 de septiembre de 2017]. Disponible en: http://www.fao.org/docrep/005/y3918s/y3918s00.htm#TopOfPage

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA La granja agropecuaria y productiva Tarapacá es una iniciativa privada y comunitaria, de padres y profesionales de diversas áreas, que trabaja en la atención integral de personas con capacidades especiales (necesitadas de cuidados anímicos), creada en el año 2009 en la ciudad de Palmira en la hacienda Tarapacá, y trasladada a la zona periurbana de Cali desde el año 2013. El área de la granja es de aproximadamente 1 hectárea y abordan el enfoque de horticultura biodinámica. Actualmente la granja carece de un sistema sofisticado de riego, puesto que aún utilizan el método de riego artesanal o manual para sus cultivos, lo cual implica un importante desperdicio del recurso hídrico, y esto afecta económicamente a la organización y al medioambiente, pero además, se perjudica a los cultivos ya que no reciben la cantidad necesaria de agua, ya sea por exceso o por falta de ésta. Por lo anterior, es posible desde la ingeniería mecánica, aportar a la búsqueda de soluciones, acudiendo a conceptos desarrollados por la mecánica de fluidos, como el diseño de sistemas de bombeo y de riego, que permitan optimizar el recurso hídrico y a su vez el recurso humano y el tiempo de trabajo, dado que la granja funciona en buena parte, gracias al apoyo de voluntarios. 1.1.1 Formulación del Problema

La granja Tarapacá tiene dentro de sus proyectos, avanzar en el objetivo de ser un programa autosostenible que implica la siembra y cultivos de diferentes productos en los terrenos con que cuenta para ello. Sin embargo, en las condiciones actuales, atender esta idea implica un uso excesivo del recurso hídrico, lo que va en detrimento del medio ambiente, pero que además genera costos adicionales que, por las condiciones económicas de la fundación, no siempre pueden sufragar. Aunque entre los objetivos está involucrar a la población que acude a recibir los servicios y cuidados del personal de la granja Tarapacá, también está concientizar a ellos y a sus colaboradores en el uso eficiente del agua, para lo cual es preciso implementar sistemas de riego que respondan a esta iniciativa.

15

En este sentido, se plantea la siguiente pregunta orientadora para el desarrollo de este trabajo:

¿Cómo contribuir a la reducción del uso del recurso hídrico, la mano de obra y optimizar la producción de los cultivos implementando un sistema de riego por goteo?

16

2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL

Diseñar y presentar una propuesta de implementación de un sistema de riego por goteo para disminuir el consumo del recurso hídrico durante el riego de los cultivos en la granja Tarapacá en Cali. 2.1.1 Objetivos específicos

Diseñar un modelo de sistema de riego por goteo que responda a las condiciones topográficas, necesidades hídricas de los cultivos, tipo de cultivo y tipo de suelo en la granja Tarapacá en Cali. Diseñar el sistema de redes hidráulicas y el sistema de bombeo para realizar la distribución del recurso hídrico.

Presentar una propuesta de diseño y de materiales requeridos para la implementación de un sistema de riego por goteo en la granja Tarapacá.

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3. JUSTIFICACIÓN

Uno de los mayores desafíos que se encuentran presentes en la agricultura mundial actual, es el hecho de poder suministrar las cantidades necesarias de agua. Debido al cambio climático, los periodos de lluvias se están volviendo irregulares o nulos en algunos países, provocando que las personas dedicadas a la agricultura no obtengan buenos rendimientos en la producción a causa de la falta del recurso hídrico. En este sentido para poder llegar a obtener un desarrollo óptimo en los cultivos, sin depender de las lluvias y no fracasar en el abastecimiento de la demanda de estos, es preciso conocer los distintos factores que intervienen en el diseño de un sistema de riego, el cual permitirá cumplir con los requerimientos hídricos de los cultivos y así lograr un rendimiento mayor en las cosechas. Dada la falta de adecuación tecnológica en las técnicas de desarrollo de las plantas, se hace necesario el diseño de un sistema de riego que permita reemplazar los métodos tradicionales de riego que en la mayoría de los casos son artesanales.2 Estos sistemas de riego y especialmente el riego por goteo, no son utilizados bien sea por falta de conocimiento o por falta de recursos económicos.

El desarrollo del presente trabajo permitió aplicar una parte significativa de los conocimientos adquiridos en la carrera de ingeniería mecánica, pero también permitió combinarlo con conocimientos de otras áreas como la topografía, la agronomía y la ingeniería ambiental, las cuales aportaron al cumplimiento de los objetivos trazados en el proyecto de implementación de un sistema de riego. Éste posibilitará un uso más eficiente del agua, que redundará principalmente en el ahorro de agua por tratarse de un sistema de riego por goteo, que se espera contribuya al desarrollo de los cultivos y por tanto la producción de la cosecha en la granja Tarapacá.

2HERRERA SWANTON, Henrique Andrés. Diseño de un Sistema de Riego por Goteo para Frutalesy Hortalizas en la Finca Victoria. Tesis para optar al título de ingeniero agrícola. Ecuador: Escuela Superior Politécnica del Litoral. Facultad de ingeniería mecánica y ciencias de la producción, 2016. p. 19.

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4. MARCO REFERENCIAL

4.1 ANTECEDENTES

El riego por goteo ha sido utilizado desde la antigüedad, cuándo se enterraban vasijas de arcilla llenas de agua, con el fin de que el agua se infiltrara gradualmente en el suelo. El riego por goteo se desarrolló en Alemania en el año de 1860, cuándo los investigadores comenzaron a experimentar la subirrigación, con la construcción de una combinación de sistemas de irrigación y drenaje, utilizando tuberías de arcilla, donde éstas fueron empleadas por más de 20 años.3 El desarrollo tecnológico a escala industrial del riego por goteo, tiene sus orígenes en la era del plástico, después de la segunda guerra mundial. Uno de los primeros usos fue en la producción de tomate en Inglaterra entre 1945 y 1948, en el cual el agua era proporcionada empleando tuberías delgadas de plástico entre las hileras de tomate, con boquillas tipo rosca que permitían regular la descarga entre 1 y 21 L/h. Un desarrollo similar ocurrió en los Estados Unidos e Israel.4 La tecnología moderna del riego por goteo, fue inventada en Israel por Simcha Blass y su hijo Yeshayahu. Consistía en utilizar boquillas metálicas de aluminio (semejantes a tornillos), en las tuberías, ya que se obtenía una mejor penetración de agua a niveles más profundos de la tierra y donde mediante la apertura de éstas se podía controlar el flujo de agua, lo que le permitía a la tierra absorber el agua y evitar encharcamientos. El primer sistema experimental de este tipo, fue establecido en 1959 cuando la familia de Blass en el Kibboutz Hatzerim, creó una compañía de riegos llamada Netafim. A continuación, desarrollaron y patentaron el primer emisor exterior de riego por goteo. Este método se ha desarrollado en varios países hasta la actualidad.5 Sobre el uso de este sistema de riego por goteo se pueden mencionar algunos trabajos de grado realizados en el marco de programas de distintas ingenierías, pero que tienen en común fines “sociales” si se puede llamar así, pues han sido pensados para atender a poblaciones o grupos marginados. De ellos se mencionan 3LAMM, Freddie R.; AYARS, James E.; y NAKAYAMA, Francis S. Developments in Agricultural Engineering. Microirrigation for Crop Production: Design, Operation and Management. Netherlands, Elsevier. 2007. p. 1- 26. 4Ibíd., p. 1-26. 5Ibíd., p. 1-26.

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los principales aportes y resultados obtenidos, información que servirá de referencia al momento de desarrollar el presente trabajo.

Tamayo bastidas,6 desarrolló el trabajo “Planteamiento de un sistema de riego en el caso específico de la Hacienda Asturias, enfocado al desarrollo y la tecnificación del campo en Colombia”, cuyo objetivo fue desarrollar un sistema de riego que respondiera a unas condiciones específicas de cultivo y geografía incorporando el uso de los componentes comerciales al alcance de sus habitantes. En él describe distintos tipos de sistema de riego existentes y los materiales que se requieren para su montaje, así como algunos ejemplos en los que éstos han sido utilizados. Presenta un estudio de factibilidad hidroclimatizada de la zona (Departamento de Córdoba-Colombia), la descripción de un estudio de suelos, pero se enfoca en la implementación de un estudio de suelos mediante Pivote. Sin embargo, en este trabajo se destaca el aporte que hace la ciencia y la academia, involucra la aplicación de diferentes modelos matemáticos y fórmulas de ingeniería (que favorecen el correcto diseño de un equipo confiable y con las características necesarias para su funcionamiento a la hora de su puesta en marcha.7

Otro trabajo se denominó “Diseño e implementación de un sistema de riego automatizado y controlado de forma inalámbrica para una finca ubicada en el sector popular de Balerio Estacio”, realizado por Vásconez Cuzco y Chamba Tenemaza8 en Ecuador. En este trabajo se buscó hacer uso de la tecnología para llevarla al campo y beneficiar a familias ubicadas en sectores marginales de Guayaquil. Se destaca de este proyecto, el uso de sistemas automatizados a través de software y que se apoyó en el uso de un microcontrolador 16F877A, encargado de realizar toda la operación del sistema de riego, cuya distancia entre la ubicación de los sensores que miden el nivel de agua y la zona de cultivo es de aproximadamente 170m. Vásconez Cuzco y Chamba Tenemaza afirman que “el sistema consta de un modem GSM ME3003, que se utilizó para generar mensajes de texto cada vez que el sistema de riego se encuentre activo y esta información sea recibida por el o los usuarios que lo requieran.9

6TAMAYO BASTIDAS, Lucas Mateo. “Planteamiento de un Sistema de Riego en el Caso Específico de la Hacienda Asturias, Enfocado al Desarrollo y la Tecnificación del Campo en Colombia”. Trabajo de grado del programa de ingeniería mecánica. Escuela de Ingeniería. Universidad EAFIT. 2011. p. 93. 7Ibíd., p. 93. 8VÁSCONEZ CUZCO, Juan Carlos y CHAMBA TENEMAZA, Felipe de Jesús. “Diseño e Implementación de un Sistema de Riego Automatizado y Controlado de Forma Inalámbrica para una Finca Ubicada en el Sector Popular de Balerio Estacio”. Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Electrónico con mención en sistemas industriales. Universidad Politécnica Salesiana –Guayaquil, Ecuador. 2013. p. 14. 9Ibíd., p. 14.

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Las autoras Quintero Gil y Trujillo Fajardo,10 presentaron el trabajo titulado “implementación de sistemas de riego por goteo en huertas caseras del programa Fami (familia, mujer e infancia) para el desarrollo de la agricultura urbana ecológica en el municipio de la Plata Huila”. La importancia de este trabajo radica, primero, en que su preocupación inicial era actuar frente a la escasez del recurso hídrico en la zona, pero además, evitar que el agua potable o del acueducto fuera usada para el riego, pues por su alto contenido en químicos, terminaba afectando los cultivos. Con la implementación del sistema de riego por goteo se facilitó el acceso a alimentos más saludables, disminución en compras de productos de la canasta familiar y de esta manera, contribuir a la autosostenibilidad en uno de los casos del programa Fami y avanzar en la reflexión sobre la seguridad alimentaria. Además, permitió concientizar a las personas adscritas a dicho programa a interesarse por participar en actividades orientadas al agro y el desarrollo de las huertas caseras. Esto es importante para el presente trabajo, pues se trata de vincular a personas con capacidades especiales a este tipo de actividades, como parte de la terapia para su recuperación en la granja Tarapacá. Finalmente, otro de los trabajos consultados, es el realizado por Martínez Díaz,11 denominado “Diseño e implementación de un sistema de riego por goteo basado en control distribuido”, en el cual se utiliza el método de riego localizado al considerar que es el que permite “aplicar agua de manera más eficiente a una zona determinada del suelo, pues suministra a intervalos frecuentes, pequeñas cantidades de humedad a la raíz de cada planta por medio de delgados tubos de plástico12. Los autores reconocieron la necesidad de un sistema de medición constante y un algoritmo de control discreto con un respaldo de seguridad a fin de establecer niveles de referencia que son seguidos adecuadamente y que realizan un rechazo de las perturbaciones ambientales,13 entre otras ventajas. Como se puede observar, el diseño e implementación de sistemas de riego ha sido abordado desde los distintos programas de ingeniería, que abarca, la ingeniería eléctrica y electrónica, la agrícola y de alimentos, la agroforestal, y que para efectos del presente trabajo, busca aportar desde la ingeniería mecánica. Todos ellos tienen

10QUINTERO GIL, Delcy Johanna y TRUJILLO FAJARDO, María Camila. “Implementación de Sistemas de Riego por Goteo en Huertas Caseras del Programa Fami (familia, mujer e infancia) para el Desarrollo de la Agricultura Urbana Ecológica en el Municipio de La Plata Huila”. Trabajo de grado del programa Ingeniería Agroforestal. Universidad Nacional Abierta y a distancia – UNAD. Escuela de Ciencias Agrarias, Pecuarias y del Medio Ambiente. 2015.p 96 11MARTÍNEZ DÍAZ, Camilo Andrés y DE LA CRUZ FUELTÁN, Yenifer Yolanda. “Diseño e Implementación de un Sistema de Riego por Goteo Basado en Control Distribuido”. Trabajo de grado del programa de Ingeniería Electrónica. Universidad de Nariño. Facultad de Ingeniería, San Juan de Pasto, 2015. p92 12Ibíd., p. 5. 13Ibíd., p. 57.

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como propósito, contribuir al uso eficiente del agua por lo cual, proponen medidas que ayuden a reducir la cantidad de agua utilizada especialmente para actividades agrícolas. Reconocen en la implementación de sistemas de riego, el aumento de la productividad, la reducción de costos de operación, pero sobre todo, el ahorro de agua.

4.2 MARCO TEÓRICO

4.2.1 El Riego

La disponibilidad de agua en el suelo y la posibilidad de ser absorbida por las plantas constituye la base de toda vida vegetal.

El riego es la práctica de aplicar agua al suelo para mantener el nivel de humedad que el cultivo necesita, siempre que las lluvias sean insuficientes. Cuándo, cuánto y cómo regar son preguntas frecuentes a la hora de reponer al suelo la cantidad de agua consumida por el cultivo. El suelo actúa como absorbente del agua que recibe, y sirve como fuente de suministro a las plantas hasta tanto no llueva o se vuelva a regar. El agua se almacena entre las partículas minerales del suelo, en los espacios libres o poros, y en cantidades que dependen de los componentes físicos del suelo: gravas, arenas, limos, arcillas y materia orgánica. El riego es la práctica de la ingeniería más adecuada para aumentar la eficiencia del agua y la productividad de la tierra, permitiendo regular la aplicación del agua a los requerimientos de los cultivos.

4.2.2 Sistema de Riego

Se entiende por sistema de riego, la capacidad que se tiene por medio de emisores, en satisfacer la necesidad hídrica de las plantas, utilizando los factores agroclimáticos, herramientas, tecnología y materiales para su implementación, minimizando los desperdicios e impactos ambientales. Su aplicación depende de los cultivos a irrigar, y la eficiencia de aplicación de agua determina directamente la superficie factible, sin causar un déficit hídrico al cultivo. Generalmente se considera eficiente un método de riego, cuando el agua aplicada a un cultivo es utilizada en un porcentaje superior al 70%.14 La precisión de la dosis y la frecuencia de riego son de suma importancia para satisfacer de la forma más eficiente posible las

14ANTUNEZ B., Alejandro; MORA L., David y FELMER E., Sofía. Eficiencia en Sistemas de Riegopor Goteo en el Secano [en línea]. Chile: INIA, 2010 [consultado: 5 de octubre de 2017]. Disponible en: http://www2.inia.cl/medios/biblioteca/ta/NR36672.pdf

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necesidades hídricas del cultivo en cada etapa de su desarrollo. El sistema de riego está compuesto principalmente por dos tipos los cuales son: Por inundación y surcos (no presurizado) Sub-foliar (presurizados) 4.2.3 Riego por inundación y surcos

Su utilización es muy antigua, específicamente el agua es aplicada mediante pequeños surcos entre dos líneas de siembra; el agua se infiltra y llega alrededor de la zona de las raíces del cultivo, como se muestra en la figura 1. Uno de los aspectos comunes de las áreas de riego es la baja eficiencia del uso del agua, comparado con otros métodos de riego. Figura 1. Esquema de un sistema de riego por inundación y surcos.

Fuente: Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y Alimentación [en línea] fao [consultado: 20 de octubre de 2017]. Disponible en: http://www.fao.org.

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4.2.4 Riego Sub-foliar

Es uno de los sistemas más eficientes, la presión de riego oscila entre 10-50 psi. Este sistema permite que el agua llegue a las plantas o a los cultivos que se pretenden regar, de una manera localizada, donde la planta recibe la cantidad suficiente sin que haya excesos o déficit de ésta. A este grupo pertenecen los siguientes sistemas de riego: 4.2.4.1 Riego por aspersión En éste sistema el agua es aplicada simulando lluvia, donde ésta es esparcida al aire mediante rociadores localizados en la tubería que conduce agua presurizada, lo que le permite al agua caer a la tierra y ser absorbida por la planta o los cultivos. Figura 2. Esquema de un sistema de riego por aspersión.

Fuente: Paisajismo en Mallorca, Proyectos de Jardines y Riego [en línea]. Madrid, España: lotusmallorca 1998 [consultado: 20 de octubre de 2017]. Disponible en: http://www.lotusmallorca.com/aplicaciones5.htm 4.2.4.2 Riego por nebulizadores

Su forma de riego es similar a un roció o neblina, es muy específico en su utilización (invernaderos, reproducción in vitro).

24

4.2.4.3 Riego por pívot

Son sistemas de riego que tienen la capacidad de moverse, pueden ser de movimientos circulares o frontales. 4.2.4.4 Riego por goteo

El riego por goteo se caracteriza por ser un método de riego localizado, es decir que el agua se aplica únicamente a las zonas de las raíces de las plantas, a una taza muy baja, alrededor de 2-20 l/h, con una mayor frecuencia de aplicación, comparado con otros métodos de riego. El riego por goteo es apto para cultivos en hileras, especialmente vegetales y frutas, y una de sus ventajas es que se puede adaptar a cualquier tipo de terrenos, desde arcillosos hasta arenosos, variando su taza de aplicación. Este sistema de riego, consigue mantener el agua en la zona radicular (raíces), en las condiciones de utilización más favorables para las plantas, ya que aplica el agua gota a gota. De ésta forma el agua es conducida por medio de dispositivos que se conocen como goteadores, goteros o emisores. El riego por goteo se entiende, por aquel que entrega el agua a uno o varios puntos determinados, generalmente lo más cerca de las raíces de las plantas, con el fin de que su aprovechamiento sea al máximo, con las menores pérdidas, manteniendo una zona de terreno, llamada bulbo, en constante humedad.15 4.2.5 Componentes del sistema de riego por goteo

El sistema de riego por goteo está constituido principalmente de las siguientes partes como se muestra en la figura 5: 4.2.5.1 Reservorio

Es el tanque donde se almacena el agua necesaria para cubrir un periodo de riego. 4.2.5.2 Unidad de bombeo

Está conformada casi siempre por una bomba centrífuga, la cual convierte la

15YAGÜE FUENTES, José Luis. Curso de Riego Para Regantes. 2 ed. España: Ediciones Mundi-Prensa, 2002.p. 160

25

energía eléctrica, en energía de presión, para que el agua llegue a puntos altos, a los que normalmente no lo haría.

4.2.5.3 Cabecera de control

Está compuesta por las válvulas de control y reguladoras de presión, suele también contener un filtro, el cual puede ser de pantallas o de arena estratificada.

4.2.5.4 Tuberías principales y laterales

Son tuberías de PVC o mangueras de polietileno, que conducen el agua desde la cabecera de control, hasta los goteros.

4.2.5.5 Goteros o emisores

Los emisores o goteros son uno de los elementos fundamentales en un sistema de riego por goteo, ya que son los dispositivos encargados de entregar (descargar) el agua al suelo. De ellos depende la cantidad de agua aportada la cual va a hacer utilizada por las plantas, lo que conlleva a la uniformidad del riego. Los goteros pueden ser compensantes o no compensantes, los primeros mantienen practicante el mismo valor de caudal para una franja de presiones determinada, por esto son muy utilizados en sistema de riego por goteo por su estabilidad en el riego, en los segundos el caudal varía cuando varía la presión.

4.2.5.5.1 Tipos de goteros

Los goteros se clasifican principalmente en dos clases que son:

Goteros sobrelínea: Los emisores o goteros van insertados o pinchados sobre latubería lateral. El usuario realiza las perforaciones en la tubería mediante unperforador o sacabocados a la distancia conveniente y se inserta manualmente elgotero sobre la tubería o lateral de riego, como se observa en la figura 3.

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Figura 3. Diseño de un gotero sobrelínea.

Fuente: Universidad de Riego [en línea]. universidadderiego 2017 [consultado: 20 de septiembre de 2017]. Disponible en: http://www.universidadderiego.com/wp-content/uploads/2017/02/DAG_Doc5_tipos-de-goteros.pdf Goteros interlinea o integrados: El emisor o gotero va instalado en el interior de la tubería o lateral de riego durante el proceso de fabricación, o bien adosado a la pared interior de la tubería (gotero en pastilla) Se suministran en bobinas, como se observa en la figura 4. Figura 4. Diseño de un gotero interlinea o integrado.

Fuente: Universidad de Riego [en línea]. universidadderiego 2017 [consultado: 20 de septiembre de 2017]. Disponible en: http://www.universidadderiego.com/wp-content/uploads/2017/02/DAG_Doc5_tipos-de-goteros.pdf

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Figura 5. Componentes de un sistema de riego por goteo.

Fuente: Aprender a Diseñar un Sistema de Riego [en línea]. Madrid: aclimatecolombia 2017 [consultado: 20 de octubre de 2017]. Disponible en: http://www.aclimatecolombia.org 4.2.6 Caracterización de los cultivos

4.2.6.1 Cultivo de maíz16

Familia: Poaceae (Gramineae).

16Requerimientos Agroecológicos de Cultivos [en línea]. México: inifapcirpac 1999 [consultado: 10 de septiembre de 2017]. Disponible en: http://www.inifapcirpac.gob.mx/PotencialProductivo/Jalisco/AltosNorte/RegionAltosNorteReqAgroecologicos.pdf

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Nombres Comunes: Maíz.

Origen: México, América Central

Distribución: 50º LN a 40º LS

Adaptación: Regiones tropicales, subtropicales y templadas.

Ciclo vegetativo: 100-180 días

Altitud: 0-3300 m

Precipitación: De la siembra a la madurez requiere de 500 a 800 mm, dependiendo de la variedad y del clima. Cuando las condiciones de evaporación corresponden a 5-6 mm/día, el agotamiento del agua del suelo hasta un 55% del agua disponible, tiene un efecto pequeño sobre el rendimiento. Para estimular un desarrollo rápido y profundo de las raíces puede ser ventajoso un agotamiento algo mayor del agua durante los periodos iniciales de desarrollo. Durante el periodo de maduración puede llegarse a un agotamiento del 80% o más.

Prefiere regiones donde la precipitación anual va 700 a 1100 mm. Son periodos críticos por necesidad de agua la germinación, primeras tres semanas de desarrollo y el periodo comprendido entre 15 días antes hasta 30 días después de la floración. Hay una estrecha correlación entre la lluvia que cae en los 10-25 días luego de la floración y el rendimiento final puede ser de 6 a 13% por día en el periodo alrededor de la floración y de 3 a 4% por día en los otros periodos. Desde los 30 días después de la floración, o cuando la hoja de la mazorca se seca, el cultivo no debería recibir más agua.

Su requerimiento promedio de agua por ciclo es de 650 mm. Es necesario que cuente con 6-8 mm/día desde la iniciación de la mazorca hasta el grano en estado masoso. Los periodos críticos por requerimiento de agua son en general el espigamiento, la formación de la mazorca y el llenado de grano.

El uso consuntivo varía de 410 a 640 mm, con valores extremos de 300 a 840 mm. La deficiencia de humedad provoca reducción en el rendimiento de grano en función de la etapa de desarrollo; en el periodo vegetativo tardío se reduce de 2 a 4% por

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día de estrés, en la floración de 2 a 13% por día de estrés y en el llenado de grano de 3 a 7% por día de estrés.

Humedad ambiental: lo mejor es una atmosfera moderadamente húmeda

Temperatura: La temperatura óptima para la germinación está entre 18 y 21ºC; por debajo de 13ºC se reduce significativamente y de 10ºC hacia abajo no se presenta germinación. La mayoría de los procesos de crecimiento y desarrollo en maíz están fuertemente influidos por temperaturas entre 10 y 28ºC. En condiciones de campo donde las plantas están sujetas a fluctuaciones de temperatura, la tasa máxima de asimilación resultó independiente de la temperatura arriba de 13ºC.

Tanto la fotosíntesis como el desarrollo de maíz son muy lentos a 10ºC y alcanzan su valor máximo de 30 a 33ºC. La temperatura base o umbral mínima de desarrollo es de 10ºC para cultivos que se adaptan a regiones tropicales y subtropicales. El maíz prácticamente no se siembra donde la temperatura media es menor a 19ºC o donde la temperatura media nocturna durante los meses de verano, cae por debajo de los 13ºC. Las áreas de mayor producción de maíz están donde los isotermas de los meses más cálidos varían de 21 a 27ºC y un periodo libre de heladas de 120 a 180 días. Para genotipos que se adaptan a regiones templadas o valles altos, la temperatura base es de alrededor es de 7ºC. La temperatura umbral máxima para desarrollo en genotipos subtropicales es de 30ºC. La temperatura umbral máxima para el desarrollo en genotipos adaptados a valles altos es de 27ºC. La temperatura media diaria óptima es de 24-30ºC, con un rango térmico de 15 a 35ºC. La temperatura media óptima se encuentra entre 18 y 24ºC y el máximo umbral para desarrollo entre 32 y 35ºC. El maíz es esencialmente una especie de clima cálido y semicálido. La combinación de temperaturas por arriba de 38ºC produce más estrés hídrico durante la formación de la mazorca e impiden la formación de grano. Mientras que temperaturas inferiores a 15.6ºC retrasan significativamente la floración y la madurez.

Textura de suelo: Prefiere suelos franco-limosos, franco-arcillosos y franco-arcillo-limosos. Prospera en suelos de textura ligera a media.

Profundidad del suelo: Aunque en suelos profundos las raíces pueden llegar a una profundidad de 2 m, el sistema es muy ramificado, se sitúa en la capa superior de 0.8 a 1 m, produciéndose cerca del 80% de absorción del agua del suelo dentro de esta capa. Normalmente el 100% del agua se absorbe de la primera capa de suelo, de una profundidad de 1 a 1.7 m.

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Drenaje: Requiere buen drenaje, ya que no tolera encharcamientos. Los suelos inundados por más de 36 horas suelen dañar a las plantas y su rendimiento final. 4.2.6.2 Cultivo de frijol17

Familia: Fabaceae (Leguminosae).

Nombres Comunes: Fríjol, habichuela, judía, caraota, poroto, alubia, frixos, ñuña, vainita y Feijo.

Origen: América, siendo el principal centro de diversificación primaria el área de México y Guatemala.

Distribución: 50º LN a 45º LS. En la actualidad se cultiva en forma extensiva en todo el mundo.

Adaptación: Regiones tropicales y subtropicales semiáridas frescas, así como zonas subhúmedas. Es un cultivo que se adapta mejor a regiones subtropicales. Se adapta desde el trópico hasta las regiones templadas

Ciclo vegetativo: 85 a 90 días, 90 a 120 días, 700 a 300 días, dependiendo del hábito de crecimiento y de la región y época de cultivo.

Altitud: 0-2400 m, 500 – 1000 m

Precipitación (Agua): 1000 a 1500 mm; lluvias durante la floración provocan caídas de flor. Requiere de 350 a 400 mm durante el ciclo y prospera en regiones con precipitación anual entre 600 y 2000 mm. Son convenientes 110 -180 mm entre siembra y floración; 50-90 mm durante la floración e inicio de la fructificación. Las épocas más críticas por la necesidad de agua son 15 días antes de la floración y 18-22 días antes de la maduración de las primeras vainas. Los 15 días previos a la cosecha, deberían ser secos. Las necesidades de agua durante el periodo son de

17Requerimientos Agroecológicos de Cultivos [en línea]. México: inifapcirpac 1999 [consultado: 10 de septiembre de 2017]. Disponible en: http://www.inifapcirpac.gob.mx/PotencialProductivo/Jalisco/AltosNorte/RegionAltosNorteReqAgroecologicos.pdf

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300 a 500 mm. Puede permitirse hasta un agotamiento de 40 a 50% del total de agua disponible en el suelo durante el desarrollo del cultivo.

Humedad ambiental: Esta especie requiere una atmósfera moderadamente húmeda y es afectada por una atmósfera excesivamente seca y cálida.

Temperatura: El rango térmico para crecimiento es de 2 a 27ºC, con un óptimo de 18ºC. El rango térmico para desarrollo es de 10 a 27º C, con un óptimo de 15 a 20ºC. El rango de 10-35ºC; con un óptimo para fotosíntesis de 25 a 30ºC. La temperatura media óptima es entre 18 y 24ºC y las mínimas de preferencia deberían estar por arriba de los 15ºC. La temperatura mínima para germinación es de 8ºC, para florecer es 15ºC y para la maduración es de 17ºC. Es una especie muy sensible a temperaturas extremosas y las noches relativamente frescas le favorecen. El rango térmico para esta especie es de 10-30ºC, con un óptimo entre 16 y 24ºC. La temperatura óptima para germinación está entre 16 y 29ºC. Altas temperaturas reducen el rendimiento. Para siembra de otoño-invierno, las temperaturas medias mensuales óptimas para el desarrollo del cultivo de fríjol, oscilan entre 20 y 28ºC; el cultivo puede resistir variaciones extremas de 12 a 35ºC, aunque no por tiempos prolongados. El fríjol no tolera heladas. El fríjol se desarrolla bien de 15 a 27ºC; bajas temperaturas retardan el crecimiento, mientras que las altas lo aceleran; temperaturas extremosas disminuyen la floración y ocasionan problemas de esterilidad; temperaturas de 5ºC ó 40 ºC pueden provocar daños irreversibles. La temperatura óptima para máxima fotosíntesis en tierras bajas (< 1500 m) es de 25-30ºC, y para tierras altas (>1500m) es de 15-20ºC.

Textura del suelo: Los suelos óptimos son los de texturas ligeras como los franco-arcillosos y franco-arenosos; en tanto que los suelos pesados de tipo barrial son un poco menos productivos. En sistemas de producción bajo humedad residual la productividad de los terrenos varía en forma descendente en el siguiente orden: suelos aluviales, arenosos y arcillosos. Prefiere suelos sueltos y ligeros de textura franca o franca limosa.

Profundidad del suelo: Puede prosperar en suelos delgados. Requiere de un mínimo de 60 cm de suelo; aunque son mejores para la obtención de máximos rendimientos, los suelos profundos. La absorción de agua se produce principalmente en los primeros 0.5 a 0.7m de profundidad.

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Drenaje:

Requiere suelos aireados y con buen drenaje.

4.2.6.3 Cultivo de cebolla18

Familia: Liliaceae

Nombres Comunes: Cebolla.

Origen: Pakistan Occidental, Irán

Distribución: 50ºLN a 45ºLS

Adaptación: Climas templados no extremosos (González, 1984). Regiones subtropicales con invierno definido.

Ciclo vegetativo: 30 a 35 días en vivero y 100 a 140 días en el campo, 70-110 días después del trasplante.

Altitud: 0-2800 m

Precipitación (Agua): Se cultiva principalmente bajo condiciones de riego, requiriendo de 350 a 550 mm durante el ciclo de cultivo. Con una tasa de evapotranspiración de 5 a 6 mm/día, la tasa de absorción de agua comienza a reducirse cuando se ha agotado alrededor del 25% del agua total disponible, 450 a 800 mm anuales. Es relativamente tolerante a la sequía, sin embargo, no debería faltar agua en las etapas de germinación, la formación de la raíz y desarrollo del bulbo. Hacia la maduración debe contarse con un periodo seco.

18Requerimientos Agroecológicos de Cultivos [en línea]. México: inifapcirpac 1999 [consultado: 10 de septiembre de 2017]. Disponible en: http://www.inifapcirpac.gob.mx/PotencialProductivo/Jalisco/AltosNorte/RegionAltosNorteReqAgroecologicos.pdf

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Humedad ambiental: Requiere una atmósfera seca. Durante el crecimiento del bulbo requiere una humedad relativa inferior al 70%, para la obtención de máximos rendimientos.

Temperatura: Rango de 10-25ºC, con un óptimo entre 15 y 20ºC. Es tolerante a las heladas y para la iniciación floral necesita temperaturas inferiores a 14-16ºC. Los mejores rendimientos se logran en regiones donde las máximas no superan los 26ºC. En general se prefieren temperaturas más bajas en la fase inicial del cultivo y más altas hacia la maduración. Al inicio de la formación de bulbos se requieren temperaturas de entre 15.6 y 25ºC. Durante las etapas anteriores a la formación del bulbo requiere temperaturas inferiores a 18ºC. No se requiere termalización para la iniciación del bulbo, pero ésta es esencial para producción de semilla. La temperatura crítica de helada es -2ºC. Durante la formación del bulbo se requieren temperaturas entre 18 y 25ºC con una máxima no mayor a 35ºC. La mínima umbral está entre 2 y 5ºC. La iniciación floral ocurre a 9-13ºC. El crecimiento de las hojas es óptimo a 23-25ºC y el mayor número de hojas se obtiene a 25ºC. La temperatura para crecimiento cero es 5ºC, con una óptima para crecimiento de 12-23ºC y una mínima para desarrollo de 7ºC. Para germinación las temperaturas mínima, óptima y máxima son 2-4, 20-24 y 40ºC respectivamente. Las temperaturas óptimas para floración están entre 5 y 12ºC.

Textura de suelo: Prefiere suelos franco-arenosos, franco-arcillo-limosos. Requiere suelos de textura media.

Profundidad del suelo: No requiere suelos profundos, siendo suficientes 40-60 cm de suelo, siempre y cuando exista buen drenaje. En general, el 100% de absorción de agua tiene lugar en la primera capa de suelo de 0.3 a 0.5 m de profundidad.

Drenaje: requiere suelos bien drenados.

4.2.7 El bulbo húmedo

Se llama bulbo húmedo al volumen de suelo humedecido por un gotero o emisor. Cuando se deja caer gota a gota el agua en el suelo, esta se mueve hacia los lados horizontalmente y hacia abajo verticalmente, formando el bulbo húmedo el cual tiene un diámetro y una profundidad definidos, este bulbo tiene gran importancia ya que en él se desarrollan las raíces de las plantas, como se observa en la figura 6.

34

Figura 6. Formación del bulbo húmedo.

Fuente: PIZARRO CABELLO, Fernando. Riegos Localizados de Alta Frecuencia. 3 ed. España: ediciones mundiprensa, 1996. p. 164. La forma y tamaño del bulbo húmedo depende de los siguientes factores: La textura del suelo: En los suelos pesados como el arcilloso, la velocidad de infiltración es menor que en los suelos ligeros como el suelo arenoso, lo que hace que el radio del bulbo sea mayor. Esta es la razón por la que el bulbo se extiende más horizontalmente. En los suelos arenosos el bulbo tiene forma alargada y en los suelos barrosos o arcillosos tiene forma achatada. Como se observa en la figura 7. Figura 7. Efecto de la textura en la forma del bulbo húmedo.

Fuente: PIZARRO CABELLO, Fernando. Riegos Localizados de Alta Frecuencia. 3 ed. España: ediciones mundiprensa, 1996. p. 164.

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El caudal del gotero: cuándo el agua empieza a salir del gotero se forma un pequeño charco, a la vez que el suelo empieza a absorber el agua en toda la superficie. A mayor caudal del gotero corresponde una mayor superficie del charco y, por lo tanto, un bulbo más extendido en forma horizontal. El tiempo de riego: A medida que aumenta el tiempo de riego, el tamaño del bulbo aumenta en profundidad y aumenta su tamaño en sentido horizontal hasta cierto límite dependiendo del tipo de suelo. El bulbo húmedo debe medirse en el campo unas horas después de cada riego, para asegurarse de estar regando un volumen adecuado de raíces de las plantas. Se acepta una profundidad de 30 centímetros para la mayoría de los cultivos, pero puede ser menor para cultivos que tengan raíces más superficiales.

4.2.8 El Área Humedecida

Puede asegurarse que los cultivos pueden desarrollarse normalmente cuando se riega un 50% del área ocupada por las raíces, en la zona humedecida la concentración de raíces es 3-4 veces mayor que en otro tipo de riego. Debido a esto la superficie del suelo no debe labrarse. El área humedecida depende del tipo de cultivo; refiriéndose al marco de plantación se consideran adecuados los siguientes porcentajes: Cultivos de hortalizas (tomate, chile verde, repollo, etc.) del 30 al 70%

Cultivos de marco medio (loroco, granadilla, maracuyá, etc.) del 40 al 60% Cultivos de marco amplio (limón, naranja, toronja, aguacate, mango, etc.) del 25 al 35% Dos de los factores principales que afectan las dimensiones del bulbo de humedecimiento son: La textura del suelo. La descarga del gotero. El perfil de humedecimiento de los goteros se puede observar en la figura 8.

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Figura 8. Perfil de humedeciendo de un lateral de goteros.

Fuente: PIZARRO CABELLO, Fernando. Riegos Localizados de Alta Frecuencia. 3 ed. España: ediciones mundiprensa, 1996. p. 224.

4.2.9 Conceptos Generales de Hidráulica

4.2.9.1 Caudal

Se define como caudal a la tasa de variación del volumen de un líquido en una sección por unidad de tiempo. Sus unidades son las siguientes: [ 13 sm ]. El caudal se puede calcular a través de la siguiente formula: vAQ * (1) Donde: Q: Caudal [ 13 sm ] A: Área de la sección transversal a la dirección del flujo [ 2m ]. v: Velocidad media del flujo [ 1sm ]. 4.2.9.2 Presión

Se define como presión a la cantidad de fuerza que se ejerce sobre una unidad de área de una sustancia o una superficie. Se puede determinar la presión con la siguiente fórmula:

37

A

FP (2)

Donde:

P: Presión: [N 2m ]

F: Fuerza [N]

A: Área [ 2m ]

Cuando se habla de presiones en la ingeniería, se presentan 3 clases, estas son la presión absoluta, presión manométrica y la presión atmosférica.

La presión atmosférica es generada por el aire que rodea los cuerpos y todos los cuerpos que no se encuentren en el vacío están sometidos a esta presión. La presión manométrica, en el caso de la hidráulica, es la presión que ejercen los fluidos y se mide con respecto a la presión atmosférica. La presión absoluta es el resultado de sumar la presión manométrica con la presión atmosférica. Cuando se trata de fluidos la presión manométrica en un punto es directamente proporcional a la altura del mismo, a través de su peso específico y se expresa así:

hP * (3)

Donde:

P: Presión [N 2m ]

: Peso Específico [ 3Nm ]

h: Altura del líquido [m]

La energía de presión dentro de un sistema de riego, es aquella que va a ser gastada durante la conducción y para vencer alturas u obstáculos, que se puedan presentar en la red. Para el diseño de un sistema de riego tecnificado tanto la presión como el caudal, son parámetros determinantes para el óptimo funcionamiento de los emisores o goteros.

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4.2.9.3 Número de Reynolds

Es un número adimensional que ayuda a predecir el comportamiento de un fluido en movimiento. El número de Reynolds se distingue entre flujo laminar y flujo turbulento, y fue desarrollado por Osborne Reynolds, quien observo que el carácter del flujo en un tubo redondo, depende del diámetro del mismo, velocidad media del flujo, viscosidad y de la densidad y se expresa así:

(4)

Donde: Re: Número de Reynolds. v: velocidad media del flujo [ ] D: Diámetro interno de la tubería [m]

: Densidad del fluido [kg ]

: Viscosidad dinámica del fluido [kg 1m ] Cuando se obtiene un número de Reynolds mayor a 4000 el flujo es turbulento, mientras que si es menor a 2000 el flujo es laminar. La importancia del número de Reynolds esta en los efectos que puede tener la viscosidad del fluido en el comportamiento del flujo. 4.2.9.4 Ecuación de Bernoulli

En un fluido real la viscosidad origina un rozamiento, tanto del fluido con el contorno (tubería, canal, etc.) y con las partículas del fluido entre sí. Naturalmente se sigue cumpliendo el principio de la conservación de la energía o primer principio de la termodinámica. Es decir, además de las tres clases de energía, aparece la energía de fricción, que según la termodinámica no es una energía distinta. La fricción provoca tan solo una variación del estado térmico del fluido. Esta fricción en la mecánica de fluidos no es aprovechable y es llamada energía perdida, y se expresa en forma de altura como:

vDRe

1sm

3m

1s

21rH

39

La energía en el punto 1 (o suma de la energía de posición, de presión y cinética en el punto 1.) – la energía perdida en el punto 1 y 2 por rozamiento = energía en el punto 2 (o suma de energía de posición, de presión y cinética en el punto 2).

Entonces la ecuación de Bernoulli queda expresada de la siguiente forma:

(5)

Si la corriente atraviesa una o varias máquinas, que le suministran energía (bombas), ésta experimenta un incremento de energía que expresado en forma de altura, queda definida como . Así mismo si la corriente atraviesa una o varias máquinas, a las que cede energía (turbinas), ésta experimenta un decremento de energía, que expresada en forma de altura, queda definida como: .

Por lo tanto, la energía del fluido en el punto 1 – la energía perdida en el punto 1 y el punto 2 + la energía suministrada al fluido por las bombas que hay en el punto 1 y el punto 2 – la energía cedida por el fluido por las turbinas o motores que hay entre el punto 1 y 2, ha de ser igual a la energía en el punto 2.

Entonces la ecuación general de la energía queda expresada de la siguiente forma:

(6)

Donde:

, : Alturas de presión.

, : Alturas geodésicas.

, : Alturas de velocidad.

: Suma de todas las pérdidas hidráulicas entre 1 y 2.

bH : Suma de los incrementos de altura proporcionados por las bombas instaladas entre 1 y 2.

g

vZ

pg

pH

g

vZ

pg

pr

22

2

22

221

2

11

1

bH

tH

g

vZ

pg

pHHH

g

vZ

pg

ptbr

22

2

22

221

2

11

1

pg

p1

pg

p2

1Z 2Z

g

v

2

2

1

g

v

2

2

2

21 rH

40

: Suma de los incrementos de altura absorbida por los motores (turbinas), instalados entre 1 y 2. Si no hay pérdidas y no hay cesión de energía por las turbinas, la altura total de la corriente (energía), permanece constante, entonces: H = C (constante de Bernoulli). 4.2.10 Redes hidráulicas

Se denomina como redes hidráulicas al conjunto de tubos y accesorios que conducen agua hasta uno o varios puntos. De acuerdo a su configuración existen tres tipos de redes hidráulicas las cuales son: Redes hidráulicas abiertas Redes hidráulicas cerradas Redes hidráulicas detríticas En el caso del presente proyecto se utilizará una red abierta, para conducir el agua desde el reservorio hasta los distintos puntos de entrega. 4.2.10.1 Redes hidráulicas abiertas

Son redes que no tienen circuitos cerrados. En el diseño de redes abiertas se busca establecer el diámetro de la tubería que satisfaga todas las condiciones del problema, conocidos los siguientes datos: longitud de la tubería, cotas, caudal de demanda y coeficientes de pérdidas. La velocidad del flujo está limitada al material de la tubería y no debe sobrepasar los valores máximos, y tampoco ser menor que la velocidad mínima recomendada, para tubería de PVC estos son los valores recomendados.

tH

41

Tabla 1. Rango de velocidades para tubos de PVC.

Velocidad Máxima 3 m/s Velocidad Mínima 0.4 m/s

Fuente: Catálogo Agrícola Plastigama [en línea]. Ecuador: ditecnia.com 2007 [consultado: 15 de octubre de 2017]. Disponible en: http://www.ditecnia.com.ec/files/documentos/Plastigama/Agricola/Tuberia-y-accesorios-PVC-PE-DB.pdf

4.2.11 Pérdidas de energía en tuberías

A medida que un fluido se mueve este pierde energía en forma de calor disipado por las paredes de los conductos. La energía que se pierde se debe a la fricción que se produce entre las partículas del fluido, las paredes de los conductos y entre las propias partículas del fluido.

La cantidad de energía perdida, en una conducción recta (HR) depende directamente de las propiedades del fluido, velocidad de flujo, longitud de la tubería, tamaño de la tubería y acabado de la misma, pero cuando se produce un cambio de dirección o de caudal, debido a una válvula o a algún accesorio, también se pierde energía y este valor también es proporcional a la carga de velocidad del fluido, esta última clase de perdidas es pequeña en comparación a las perdidas por fricción en tuberías rectas, por lo que se las conoce como perdidas menores (HL).

Existen varias fórmulas para el cálculo de las perdidas por fricción, pero la ecuación de Darcy-Weisbach es teóricamente aplicable sobre todos los rangos de velocidades, temperaturas, condiciones de rugosidad y número de Reynolds, pero requiere determinar por separado el factor f.

Las pérdidas de energía se calcularán con las siguientes formulas:

𝐻𝑅= 𝑓𝐿

𝐷

𝑣2

2𝑔 (7)

𝐻𝐿= ∑ 𝑘 𝑣2

2𝑔 (8)

Donde:

42

HR: Pérdidas por fricción. [m]

HL: Pérdidas por accesorios. [m]

f: Factor de fricción de Darcy-Weisbach

k : Coeficiente de pérdida del accesorio.

L: Longitud de la tubería. [m]

D: Diámetro de la tubería. [m]

v: Velocidad media del flujo. [m/s]

g: Aceleración de la gravedad. [m/s2]

El factor de fricción de Darcy-Weisbach (f), puede ser calculado por distintas fórmulas o usando el diagrama de Moody, una de las fórmulas de más fácil aplicación y con buenos resultados para flujo turbulento es la fórmula de Colebrook-White y se expresa así:

𝑓 =0.25

[𝑙𝑜𝑔 (𝜀

3.7𝑑+

5.74𝑅𝑒0.9)]

(9)

4.2.12 El programa EPANET

EPANET es un programa de ordenador que realiza simulaciones en periodos prolongados del comportamiento hidráulico y de la calidad del agua en redes de suministro a presión. Una red puede estar constituida por tuberías, nudos (uniones de tuberías), bombas, válvulas y depósitos de almacenamiento o embalses. EPANET efectúa un seguimiento de la evolución de los caudales en las tuberías, las presiones en los nudos, los niveles en los depósitos, y la concentración de las especies químicas presentes en el agua, a lo largo del periodo de simulación discretizado en múltiples intervalos de tiempo. Además de la concentración de las distintas especies, puede también simular el tiempo de permanencia del agua en la red y su procedencia desde las diversas fuentes de suministro.

43

EPANET se ha concebido como una herramienta de investigación para mejorar nuestro conocimiento sobre el avance y destino final de las diversas sustancias transportadas por el agua, mientras ésta discurre por la red de distribución. Entre sus diferentes aplicaciones puede citarse el diseño de programas de muestreo, la calibración de un modelo hidráulico, el análisis del cloro residual, o la evaluación de las dosis totales suministradas a un abonado. EPANET puede resultar también de ayuda para evaluar diferentes estrategias de gestión dirigidas a mejorar la calidad del agua a lo largo del sistema. Entre estas pueden citarse:

Alternar la toma de agua desde diversas fuentes de suministro.

Modificar el régimen de bombeo, o de llenado y vaciado de los depósitos.

Implantar estaciones de tratamiento secundarias, tales como estaciones derecloración o depósitos intermedios.

Establecer planes de limpieza y reposición de tuberías.

EPANET proporciona un entorno integrado bajo Windows, para la edición de los datos de entrada a la red, la realización de simulaciones hidráulicas y de la calidad del agua, y la visualización de resultados en una amplia variedad de formatos. Entre éstos se incluyen mapas de la red codificados por colores, tablas numéricas, gráficas de evolución y mapas de isolíneas.

4.2.12.1 Capacidades para la confección de Modelos Hidráulicos

Dos de los requisitos fundamentales para poder construir con garantías un modelo de la calidad del agua son la potencia de cálculo y la precisión del modelo hidráulico utilizado. EPANET contiene un simulador hidráulico muy avanzado que ofrece las siguientes prestaciones:

No existe límite en cuanto al tamaño de la red que puede procesarse.

Las pérdidas de carga pueden calcularse mediante las fórmulas de Hazen-Williams, de Darcy-Weisbach o de Chezy-Manning.

Contempla pérdidas menores en codos, accesorios, etc.

Admite bombas de velocidad fija o variable.

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Determina el consumo energético y sus costes. Permite considerar varios tipos de válvulas, tales como válvulas de corte, de retención, y reguladoras de presión o caudal. Admite depósitos de geometría variable (esto es, cuyo diámetro varíe con el nivel). Permite considerar diferentes tipos de demanda en los nudos, cada uno con su propia curva de modulación en el tiempo. Permite modelar tomas de agua cuyo caudal dependa de la presión (p.ej. rociadores). Admite leyes de control simples, basadas en el valor del nivel en los depósitos o en la hora prefijada por un temporizador, y leyes de control más complejas basadas en reglas lógicas. 4.2.12.2 Pasos para Utilizar EPANET

Los pasos a seguir normalmente para modelar un sistema de distribución de agua con EPANET son los siguientes:

Dibujar un esquema de la red de distribución o importar una descripción básica del mismo desde un programa de diseño como AutoCAD.

Editar las propiedades de los objetos que configuran el sistema.

Describir el modo de operación del sistema.

Seleccionar las opciones de cálculo.

Realizar el análisis hidráulico o de calidad del agua.

Observar e interpretar los resultados del análisis.

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5. METODOLOGÍA

La metodología utilizada, se fundamentó en definir las variables que permitieron el diseño y la propuesta de implementación del sistema de riego por goteo en la granja Tarapacá, la cual estuvo conformada principalmente de tres etapas que son:

5.1 RECOPILACIÓN DE LA INFORMACIÓN

La granja Tarapacá está ubicada en la Cra 119, a 1 metro de la unidad de cuidados especiales Betania, y aproximadamente a 20 minutos de la universidad Autónoma de Occidente. Por medio del mapa satelital se ubicó exactamente la granja y se delimito el área de cultivo donde se hizo el trabajo de campo, como se observa en la figura 9.

Figura 9. Mapa satelital de la granja Tarapacá y delimitación de la zona de cultivo.

Posteriormente se hizo el reconocimiento del terreno, donde se hizo un trabajo de campo que permitió definir los tipos de cultivo a sembrar los cuales fueron el maíz,

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el frijol y la cebolla, el área total del terreno, la localización de los módulos de riego y el sistema de tuberías a utilizar, para más adelante después de haber desarrollado la demanda hídrica, el diseño agronómico y finalmente el diseño hidráulico, determinar el plano final del diseño del sistema de riego con sus medidas respectivas y la selección de las tuberías y de los goteros. 5.2 DEMANDA HÍDRICA

Para la demanda hidrica se tuvieron en cuenta los datos climatologicos de la estación Universidad del Valle con coordenadas 76°32'1.6"W - 3°22'40.8"N, que es la estación más cercana al sitio. Se trabajaron las variables temperatura maxima, temperatura mínima, humedad relativa, evaporación, brillo solar, precipitación y velocidad del viento con datos mensuales comprendidos en el periodo 1982-2009. Para un tiempo total de análisis de 28 años. Se hizo la estimación de datos climáticos faltantes, se realizó el cálculo de la probabilidad de Weibull, seleccionando los datos correspondientes a la probabilidad del 50%. Posteriormente fue calculada la evapotranspiración de referencia ETo (mm/día), a partir de la ecuación de Penman-Monteith, con ayuda del software Cropwat 8.0.

En riego localizado de alta frecuencia se diseña con los valores máximos para obtener las condiciones críticas de funcionamiento. Por medio del cálculo de la ETo, se produjo un valor crítico de 3,67 mm/día, correspondiente al mes de marzo. El diseño fue hecho para tres cultivos: cebolla larga, frijol y maíz, con los valores máximos de coeficiente de cultivo Kc que se muestran en la tabla 2. El resumen general de las ecuaciones utilizadas se menciona seguidamente y los datos generales de siembra están consignados en la tabla 3.

𝐸𝑇𝑐 = 𝑘𝑐 ∗ 𝐸𝑇𝑜 (10)

La evapotranspiración del cultivo ETc (mm/día) debe afectarse por un coeficiente denominado Kl, que considera el efecto de localización de la aplicación del agua y la diferencia de evaporación del agua en la parte de suelo humedecida y la parte de suelo que no lo está. Para el cálculo se emplean cuatro formulas que tienen en cuenta el porcentaje de área sombreada %As (m2).

𝐴𝐷𝑠 = 𝜋

4𝐷𝑠2 (11)

Donde Ds (m) es el diámetro de sombra; es decir, el diámetro de la proyección del follaje en el suelo. El porcentaje de área sombreada es la razón entre ADs y el área

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de plantación, que no es más que la multiplicación entre la distancia entre surcos DES y la distancia entre plantas DEP.

%𝐴𝑠 =𝐴𝐷𝑠

𝐷𝐸𝑃∗𝐷𝐸𝑆 (12)

Finalmente, cada uno de los Kl se calculan como se muestra a continuación y se hace un promedio entre ellos para obtener el Kl a emplear

𝐾𝑙1 = 1.34 ∗ %𝐴𝑠 (13)

𝐾𝑙2 = 0.1 + %𝐴𝑠 (14)

𝐾𝑙3 = %𝐴𝑠 + 0.5 ∗ (1 − %𝐴𝑠) (15)

𝐾𝑙4 = %𝐴𝑠 + 0.15 ∗ (1 − %𝐴𝑠) (16)

𝐾𝑙3 =𝐾𝑙1+𝐾𝑙2+𝐾𝑙3+𝐾𝑙4

4 (17)

En caso de que alguno de los Kl sea superior a la unidad, no se tendrá en cuenta como factor de corrección de ETc (mm/día). Al afectar la evapotranspiración del cultivo con el coeficiente de localización Kl se obtienen las necesidades de riego netas NRn (mm/día).

𝑁𝑅𝑛 = 𝐾𝑙 ∗ 𝐸𝑇𝑐 (18)

Para el cálculo de las necesidades de riego totales NRt (mm/día) se necesita la eficiencia de aplicación que depende del indice de LANG, la textura del suelo y la profundidad efectiva de raices.

𝐿𝐴𝑁𝐺 =𝑃𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 (19)

El indice de LANG es un factor para seleccionar si el clima es árido o húmedo. Cuando es inferior a 60 es un clima árido. Si es superior a 60 es un clima húmedo. En este caso, se obtuvo un valor inferior a 60, con este valor y la profundidad efectiva de raices de la tabla 3 se obtuvo una eficiencia de aplicación Ea del 95% para los tres cultivos.

𝑁𝑅𝑡 =𝑁𝑅𝑛

𝐸𝑎∗𝐸𝐷∗𝐶𝑈(20)

48

El coeficiente de uniformidad CU en el riego localizado de alta frecuencia es del alrededor de 90%. La eficiencia de distribución ED sin considerar pérdidas de agua en la tubería de distribución es del 97.5%.

𝑁𝑑 = 𝑁𝑅𝑡 ∗ 𝐷𝐸𝑃 ∗ 𝐷𝐸𝑆 (21)

Finalmente, se calculó las necesidades de agua díarias por planta Nd (l/planta-dia), que son las necesidades de riego totales en el marco de plantación.

Tabla 2. Resumen de los valores obtenidos en la demanda hídrica.

VARIABLES CULTIVO

Cebolla

Larga

Frijol Maíz

Eto (mm/día) 3,67 3,67 3,67

Kc Critico 1,05 1,15 1,2

ED 97,50% 97,50% 97,50%

Ea 0,95 0,95 0,95

Panual (mm/año) 1352 1352 1352

Temperatura promedio

(°C)

29 29 29

CU 0,9 0,9 0,9

Textura media media media

Etc (mm/día) 3,85 4,22 4,40

As (%) 0,513 0,524 1,117

A Ds 0,015 0,031 0,126

Kl1 0,6876 0,7016 1,4968

Kl2 0,6131 0,6236 1,2170

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Kl3 0,7566 0,7618 1,0585

Kl4 0,5862 0,5951 1,0995

Kl 0,6609 0,6602 1,1250

NRn (mm/día) 2,9923 2,7862 4,4040

LANG (mm/año-°C) 46,61 46,62 46,62

NRt (mm/día) 3,500 3,342 5,283

Nd (l-planta/dia) 0,105 0,201 0,594

Tabla 3.Datos generales de siembra para los tres cultivos.

CULTIVO Distancia entre

surcos DES (m)

Distancia entre

plantas DEP (m)

Comienzo de siembra

aproximado

Profundidad efectiva de raíces (m)

Área de siembra (m2)

Ds (m)

Maíz 0,75 0,15 Mayo 0,36 139,81 0,14 Cebolla Larga

0,3 0,1 Marzo 0,25 194,46 0,2

Frijol 0,4 0,15 Marzo 0,30 99 0,4 TOTAL 433,27

5.3 DISEÑO AGRONÓMICO

En el diseño agronómico se realizaron dos pruebas de bulbo húmedo en el suelo de la huerta para dos caudales: 1 l/h y 2 l/h. Para la primera, se tomaron valores de diámetro ∅b y profundidad del bulbo Pb en tiempos de 30, 45, 60 y 120 min. Los valores de esta prueba se ajustaron a los tres cultivos; sin embargo, al realizar el diseño hidráulico se encontró que el caudal no era suficiente para atender a las condiciones de velocidad en la tubería, por lo que fue necesario utilizar los valores correspondientes al caudal de 2 l/h. Los valores de la prueba realizada se muestran en la tabla 4.

Tabla 2. (continuación)

50

Tabla 4. Datos de la prueba de bulbo húmedo para los caudales de 1 l/h y 2 l/h.

Prueba de bulbo húmedo Q= 1 l/h

t (h) Va (l) ∅b (m) Pb (m)

0,25 0,25 0,12 0,13

0,5 0,5 0,16 0,165

0,75 0,75 0,18 0,2

2 2 0,32 0,35

prueba de bulbo húmedo para Q=2 l/h

1 2 0,15 0,25

2 4 0,39 0,4

El diseño agronómico consiste en determinar el número de emisores por planta, la frecuencia de riego, el caudal del emisor, el tiempo de riego y la separación máxima de emisores. La tabla 5 muestra los resultados obtenidos del diseño agronómico.

Tabla 5. Resultados del diseño agronómico.

Variable Cultivo

Cebolla larga

Frijol Maíz

(%AR) 0,58 0,55 0,7

Ae 0,0707 0,2290 0,2290

e 0,2462 0,2702 0,3439

e' 0,2 0,3 0,3

Fr (día) 3,810 4,488 1,514

Fr' (día) 4 4 2

TR (h) 1,050 1,337 1,981

TR' (h) 1 1,3 2

Smáx 0,255 0,459 0,459

51

5.3.1 El porcentaje de área a regar %AR

Es un parámetro que se emplea para definir la superficie de aplicación del agua dentro del área de plantación. Surge a partir del conocimiento que se tiene sobre los cultivos y normalmente son usados los que se muestran en la tabla 6, pero se aclara que pueden variar.

Tabla 6. Porcentaje de área a regar y caudal del emisor según el tipo de cultivo.

TIPO DE

CULTIVO

PORCENTAJE DE

ÁREA A REGAR

(%AR)

CAUDAL DEL

EMISOR qe (l/h)

ARBOREOS 30-50 >8

ARBUSTIVOS 30-50 >8

HORTALIZAS 50-75 2 a 8

CULTIVOS

DENSOS

50-75 0.5 a 4

5.3.2 El área del emisor Ae

Es el área humedecida del suelo por un emisor. Para determinarla, es necesario escoger el diámetro del bulbo húmedo que esté dentro de una condición que contempla la profundidad efectiva de raices. Se escogerá entonces, el diámetro que en la prueba de bulbo húmedo le corresponde a un valor de profundidad del bulbo Pb que este comprendido entre 0,9 *profundidad efectiva de raices y 1.1*profundidad efectiva de raíces.

Para el caso de la cebolla el valor de ∅𝑏 fue de 0.15 m con una profundidad de bulbo Pb de 0.25 m. Para el frijol y la cebolla fue necesario realizar un interpolación como una forma de aproximación para realizar el cálculo. El valor de ∅𝑏 para el frijol fue de 0.27 m con un Pb de 0.325 m y para el maíz se emplearon los mismos valores correspondientes a un tiempo de 1,5 h y un volumen de aplicación de 3 l, aplicando un caudal de 2 l/h.

52

5.3.3 Número de emisores por planta e.

Su cálculo implica el porcentaje de área a regar, el marco de plantación y el área del emisor. En los tres cultivos arrojó un valor inferior a uno, esto quiere decir que con un emisor se puede regar más de una planta. 𝑒 =

%𝐴𝑅∗𝐷𝐸𝑃∗𝐷𝐸𝑆

𝐴𝑒 (22)

El número de emisores por planta se aproxima a un valor de una cifra decimal y se denomina e’.

5.3.4 Frecuencia de riego

Indica cada cuanto debe hacerse el riego en cada cultivo. Se calcula de la siguiente forma:

𝐹𝑟 =𝑉𝑎∗𝑒

𝑁𝑑 (23)

Donde Va es el volumen de aplicación correspondiente a los valores de ∅b y pb escogidos en la prueba de bulbo húmedo. Fr se aproxima por defecto y se denomina como Fr’.

5.3.5 Tiempo de riego Tr

Esta variable hace referencia al número de horas que se le proporcionará agua al cultivo. Su aproximación se denomina como Tr’.

𝑇𝑟 =𝑁𝑑∗𝐹𝑟′

𝑄𝑒∗𝑒′ (24)

Donde Qe es el caudal del emisor.

53

5.3.6 Separación máxima entre emisores Smáx:

Representa la máxima distancia que puede existir entre emisores, de tal manera que los bulbos se superpongan en un valor (a) del 30%.

𝑆𝑚á𝑥 = 𝑟𝑏 ∗ (2 −𝑎

100) (25)

5.4 DISEÑO HIDRÁULICO

Esta es la última etapa del diseño. Se verifica el cumplimiento de las condiciones de presión y velocidad en los puntos de entrega y en las tuberías.

Para dar inicio fue necesario realizar el plano de la distribución de los laterales y de las tuberias de conducción. Como se muestra en el anexo A. En este puede verse que se propusieron 4 módulos de riego, el módulo 1 y 3 contienen cebolla larga; el módulo 2, maíz y el módulo 4 frijol. El diámetro de las tuberías, mangueras y las longitudes se muestran en el plano final del anexo A. Para observar el comportamiento del sistema de riego, verificar presiones y encontrar la presión requerida para el óptimo funcionamiento, se empleó el sotware EPANET 2.0 y se modelaron tres casos: cuando funcionan todos los módulos, los modulos 1, 2 y 3 y los módulos 2 y 4. Conforme a las frecuencias de riego obtenidas. Los dias de riego se muestran en la tabla 7.

Tabla 7. Distribución de las frecuencias de riego en la semana.

Cultivo Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado Domingo

Cebolla Larga

X X

Frijol X X

Maíz X X X X

Las condiciones de verificación fueron las siguientes:

54

En las tuberías de conducción el agua debe llevar una velocidad comprendida entre 0.5 y 2.5 m/s

Las presiones en cada punto del gotero debe cumplir con un rango de presión. Para esto, se diseñaron dos escenarios dependiendo de los costos que se deseen invertir los cuales son: Escenario 1: Emisor interlínea con una separación entre emisores de 15 cm, un diámetro nominal de tubería lateral de 16 mm con diámetro interno de 14.20 mm y un rango de presión aceptable de los goteros de entre 1 bar a 3.5 bar. Escenario 2: Emisor sobrelínea autocompensado con una separación entre emisores de 10 cm, un diametro nominal de lateral de 20 mm y un diámetro interno de 17.50 mm con un rango de presión de funcionamiento de 0.5 bar a 4 bar.

La modelaciones hechas en EPANET para los dos escenarios y los tres posibles casos, se muestran desde la figura 10 hasta la figura 15.

55

Figura 10. Escenario 1. Caso 1. Gotero inter-línea. Todos los módulos funcionando simultáneamente con un caudal nominal de 2 l/h y una presión de entrada al sistema de 25 a 30 m.c.a.

56

Figura 11. Escenario 1. Caso 2. Gotero Inter-línea. Módulo 1,2 y 3 funcionando simultáneamente con un caudal nominal de 2 l/h; módulo 4 con demanda base cero (no está siendo regado). Se riega cebolla larga y maíz con una presión de entrada al sistema de 25 a 30 m.c.a.

57

Figura 12. Escenario 1. Caso 3. Gotero Inter-línea. Módulo 2 y 4 funcionando simultáneamente con un caudal nominal de 2 l/h; módulo 1 y 3 con demanda base cero (no está siendo regado). Se riega frijol y maíz con una presión de entrada de 25 a 30 mca.

58

Figura 13. Escenario 2. Caso 1. Gotero sobre-línea. Todos los módulos funcionando simultáneamente con un caudal nominal de 2 l/h y una presión de entrada al sistema de 40 mca.

59

Figura 14. Escenario 2. Caso 2. Gotero sobre-línea. Módulo 1,2 y 3 funcionando simultáneamente con un caudal nominal de 2 l/h; módulo 4 con demanda base cero (no está siendo regado). Se riega cebolla larga y maíz. Presión de entrada al sistema de 40 mca.

60

Figura 15. Escenario 2. Caso 3. Gotero sobre-línea. Módulo 2 y 4 funcionando simultáneamente con un caudal nominal de 2 l/h; módulo 1 y 3 con demanda base cero (no está siendo regado). Se riega frijol y maíz con presión de entrada al sistema de 40 mca.

61

6. RESULTADOS

6.1 CÁLCULO DE LAS PERDIDAS POR FRICCIÓN Y POR ACCESORIOS.

De acuerdo al plano del sistema de riego por goteo de la figura 16, basado en el anexo A del plano final de diseño se realizaron los respectivos cálculos de las perdidas en todos los tramos de las tuberías por fricción y por accesorios, donde hay 3 T, un codo y una válvula de bola.

Figura 16. Plano del sistema de riego por goteo.

En la tabla 8 se indican los valores del diámetro nominal, la longitud, el diámetro interior, la velocidad, el factor de fricción, el número de Reynolds y las perdidas por fricción en las tuberías.

62

Tabla 8. Datos de la tubería y resultados del número de Reynolds, factor de fricción y las pérdidas por fricción HR.

SECCION DIÁMETRO NOMINAL (pulg)

LONGITUD (metros)

DIÁMETRO INTERIOR (metros)

VELOCIDAD (m/s)

Perdidas por fricción HR (metros)

Numero de Reynolds. (flujo turbulento)

Factor de fricción

Caudal (m3/seg)

A-B 2´´ 27.57 0.0557 2.05 7.0 112942.63 0.0663 0.005

C-D 1 ½” 28.25 0.04446 1.59 5.76 69922.25 0.0697 0.0025

TOTAL 12.76

De acuerdo a las ecuaciones 4, 7 y 9 respectivamente se calculan los valores de número de Reynolds, las perdidas por fricción y el factor de fricción, para el flujo turbulento respectivamente. La rugosidad absoluta del PVC se muestra en la tabla 9, y las propiedades del agua para el agua a 20°c se muestran en la tabla 10, para el cálculo del número de Reynolds. Tabla 9. Valores de la rugosidad absoluta (e), para diferentes materiales.

Material e (mm)

Vidrio 0.0003

PVC, CPVC, PE 0.0015

GRP 0.03

Hierro forjado 0.06

Hierro fundido asfaltado 0.12

Arcilla vitrificada 0.15

Hierro dúctil 0.25

63

Tabla 9. (Continuación)

Concreto 0.3-3.0

Acero 0.046

Tabla 10. Propiedades del agua a 20°c.

Densidad 𝜌 998.2 Kg/m3

Viscosidad dinámica

N 1.01E-03 PA*s

Viscosidad cinemática

V= n/p 1.01E-06 m2/s

Luego se procede a calcular las perdidas por accesorios (HL) con la ecuación 8. Los

valores se muestran en la tabla 11.

Tabla 11. Resultados de las perdidas por accesorios.

Accesorios Cantidad K K TOTAL HL (m)

T en sentido

recto

3 0.3 0.9 0.116

Codo de 90 1 0.6 0.6 0.0773

Válvula de bola 1 0.05 0.05 0.010

Total 0.20

Por último, se calculan las pérdidas totales en metros. Como se muestra en la

ecuación 26.

HT = HR+ HL (26)

64

Donde HT = 12.76 + 0.20 = 13 m

6.2 CÁLCULO DE LA POTENCIA DE LA BOMBA

Posteriormente se calcula la potencia de la bomba necesaria para bombear el agua hasta los módulos de riego. Como ya calculamos HT que es la altura total que debe ser producida por la bomba y tenemos el caudal Q de entrada al sistema que es 0.005 m3/seg (300 l/m), se reemplazan estos valores en la ecuación 27 la cual es: 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝜌𝑄𝑔𝐻𝑇 (27)

Reemplazando los valores en la ecuación 27 la potencia es:

Potencia = 998.2 kg/m3 * 0.005 m3/seg * 9.81 m/seg2 * 13 m

Potencia = 636.35 W = 0.63635Kw = 0.853 HP

De acuerdo a los resultados obtenidos de la potencia y altura de la bomba se, seleccionó una bomba centrifuga marca PedRollo ya que son recomendadas para utilizarse en el sector agrícola. Sus elevados rendimientos y la posibilidad de un funcionamiento continuo, permiten utilizar esta clase de bombas para la irrigación por gravedad, por aspersión, para el bombeo de agua de lagos, para riego por goteo y para muchas otras aplicaciones industriales caracterizadas por la necesidad de tener caudales considerables con alturas bajas19 El modelo de la bomba seleccionado se muestra en el anexo D.

19Catalogo Para Bombas Centrifugas. [en línea]. pedrollo [consultado: 20 de agosto de 2019]. Disponible en: http://www.pedrollo.com/public/allegati/HF%20Medie%20portate_ES_60Hz.pdf

65

7. CÓSTOS

Se determinaron finalmente la lista de materiales y los cóstos de instalación del sistema de riego por goteo, los cuales fueron suministrados por la empresa Irridelco teniendo en cuenta los dos escenarios expuestos anteriormente y queda a criterio de los empleados de la granja Tarapacá cual escenario escoger para su posible implementación como se observa en la tabla 12 y en la tabla 13:

Tabla 12. Cotización y lista de materiales para el escenario 1. Emisor interlinea con una separación entre emisores de 15 cm, un diámetro nominal de tubería lateral de 16 mm con diámetro interno de 14.20 mm y un rango de presión aceptable de los goteros de entre 1 bar a 3.5 bar.

Ítem Unidad Cantidad Precio Unitario

Precio Total

Tubería de 2 in RDE 26 o 32,5 Tubo 6 $25.144 $150.864

Tubería de 1 1/2 in RDE 21 Tubo 6 $ 32.841 $197.046

Tubería de 1 1/4 in RDE 26 Tubo 1 $24.164 $24.164

Manguera de 20 mm de diámetro nominal

M 50 $808 $40.400

Manguera con emisor interlínea de separación de 15 cm entre emisor con diámetro nominal de 16 mm y

presión Max de 3,5 bar

M 1100 $625 $687.500

conexión de manguera de 20 mm a manguera de 15 mm

Unidad 111 $750 $83.250

Te de 2 in Unidad 1 $9.600 $9.600

Te de 1 1/2 in Unidad 3 $4.569 $13.707

Buje roscado de 2 a 1/2 in Unidad 1 $6.720 $6.720

Buje roscado 1 1/2 a 1 1/4 in Unidad 1 $2.433 $2.433

Conexión tubería de 1 1/2 " a manguera de 20 mm

Unidad 3 $8.956 $26.868

Conexión tubería de 1 1/4 " a manguera de 20 mm

Unidad 1 $9.000 $9.000

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Filtro de anillos 2 in Unidad 1 $91.596 $91.596

Válvula de bola para tubería de presión de 2 "

Unidad 1 $94.250 $94.250

Manómetro con rango de presión de 0 a 4 bar

Unidad 1 $36.140 $36.140

TOTAL $1.473.538

Tabla 13. Cotización y lista de materiales para el escenario 2. Emisor sobrelínea autocompensado con una separación entre emisores de 10 cm, un diámetro nominal de tubería lateral de 20 mm y un diámetro interno de 17.50 mm, con un rango de presión de funcionamiento de 0.5 bar a 4 bar.

Ítem Unidad Cantidad Precio Unitario

Precio Total

Tubería de 2 in RDE 26 o 32,5 Tubo 6 $25.144 $150.864

Tubería de 1 1/2 in RDE 21 Tubo 6 $32.841 $197.046

Tubería de 1 1/4 in RDE 26 Tubo 1 $24.164 $24.164

Manguera de 20 mm de diámetro nominal

M 50 $808 $40.400

Manguera de 20 mm de diámetro nominal con un

rango de presión máx. de 4 bar

M 1100 $867 $953.700

conexión de manguera de 20 mm a manguera de 20 mm

Unidad 111 $500 $55.500

Te de 2 in Unidad 1 $9.600 $9.600

te de 1 1/2 in Unidad 3 $4.569 $13.707

Buje roscado de 2 a 1/2 in Unidad 1 $6.720 $6.720

Buje roscado 1 1/2 a 1 1/4 in Unidad 1 $2.433 $2.433

Conexión tubería de 1 1/2 " a manguera de 20 mm

Unidad 3 $8.956 $26.868

Conexión tubería de 1 1/4 " a manguera de 20 mm

Unidad 1 $9.000 $9.000

Filtro de anillos 2 in Unidad 1 $91.596 $91.596

Tabla 12. (continuación)

67

Tabla 13. (Continuación)

Válvula de bola para tubería de presión de 2 "

Unidad 1 $94.250 $94.250

Manómetro con rango de presión de 0 a 4 bar

Unidad 1 $ 36.140

$36.140

Emisor sobrelínea autocompensado de 2 l/h con

rango de presión de funcionamiento de 0,5 a 4 bar

Unidad 9090 $530 $4.817.700

TOTAL $6.529.688

68

8. CONCLUSIONES

Existen diferentes sistemas de riego, para una selección adecuada se deben de tomar en cuenta los diferentes factores existentes como tipo de cultivo, topografía del terreno, características climatológicas y suelo, por tales factores se seleccionó y diseñó un sistema de riego por goteo óptimo, para las condiciones que presenta la granja Tarapacá pudiendo así reducir el consumo de agua por cada cultivo.

El diseño del sistema de riego por goteo para la granja Tarapacá ubicada en Santiago de Cali fue viable y funcional para los cultivos de maíz, frijol y cebolla larga.

Se calcularon las frecuencias de riego óptimas para cada planta, esto va a permitir que el sistema de riego sea más eficiente y por lo tanto cada cultivo va a recibir solo la cantidad de agua que necesita, evitando el desperdicio de agua.

Se realizó la simulación del sistema de riego por goteo por medio del software EPANET, y se determinaron las velocidades y las presiones requeridas en cada tramo de tubería, para el correcto funcionamiento del sistema y principalmente de los goteros o emisores.

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Requerimientos Agroecológicos de Cultivos [en línea]. México: inifapcirpac 1999 [consultado: 10 de septiembre de 2017]. Disponible en: http://www.inifapcirpac.gob.mx/PotencialProductivo/Jalisco/AltosNorte/RegionAltosNorteReqAgroecologicos.pdf TAMAYO BASTIDAS, Lucas Mateo. “Planteamiento de un Sistema de Riego en el Caso Específico de la Hacienda Asturias, Enfocado al Desarrollo y la Tecnificación del Campo en Colombia”. Trabajo de grado del programa de Ingeniería Mecánica. Escuela de Ingeniería. Universidad EAFIT. 2011. 99 p. VÁSCONEZ CUZCO, Juan Carlos y CHAMBA TENEMAZA, Felipe de Jesús. “Diseño e Implementación de un Sistema de Riego Automatizado y Controlado de Forma Inalámbrica para una Finca Ubicada en el Sector Popular de Balerio Estacio”. Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Electrónico con mención en sistemas industriales. Universidad Politécnica Salesiana – Guayaquil, Ecuador. 2013. 144 p. YAGÜE FUENTES, José Luis. Curso de Riego Para Regantes. 2 ed. España: Ediciones Mundi-Prensa, 2002. 160 p.

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ANEXOS

Anexo A. Plano final del diseño del sistema de riego por goteo.

Anexo B. Catálogo de emisores interlínea para un caudal de 2 L/H.

Anexo C. Catálogo de emisores sobrelínea autocompensados para un

caudal de 2 L/H.

Anexo DCatálogo de selección de la bomba.

Ver adjuntos