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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].
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ACAPULCO, GUERRERO, MXICO, NOVIEMBRE 2012 AMH
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:
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==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
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ACAPULCO, GUERRERO, MXICO, NOVIEMBRE 2012 AMH
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
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
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
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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
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
Lnea piezomtrica con RehabilitacinSin Sifn y operando de la
elevacin 1002
Lnea piezomtrica sin RehabilitacinCon Sifn y operando de la
elevacin 1015