En la primera parte vimos los caudales empleados en riego por goteo, la presión de trabajo así como la velocidad de circulación del agua, aspectos todos esenciales en el diseño hidráulico de una instalación de riego.
En esta segunda y última parte, vamos a seguir profundizando en las características de estas instalaciones según la perspectiva hidráulica.
Pérdida de presión máxima admitida
Desde el momento en el que se pone en circulación el agua en el interior de una tubería ya tenemos pérdidas porque existe un rozamiento del fluido con las paredes interiores de los tubos. Estas pérdidas pueden ser importantes si no se dimensiona bien la instalación y pueden causar desviaciones significativas de los caudales emitidos por los emisores de riego.
Cuanto más extenso sea un bloque de riego, mayor sea su pendiente o más ajustados se encuentren los diámetros de las tuberías, se tendrá un mayor riesgo de desviaciones significativas en los caudales de los emisores.
Llamamos bloque, sector o unidad de riego al conjunto de emisores que está sujeto al control de una válvula o de una electroválvula y riegan a la vez durante la operación de riego.
Si a un ramal o lateral de riego se le pide que durante la operación de riego no debe de existir variaciones superiores al 10% del volumen descargado por sus emisores, a un bloque o unidad de riego se le debe de exigir exactamente lo mismo.
Pues bien, para que no exista una variación superior al 10% en volumen, la diferencia de presión entre la presión máxima y la presión mínima en el bloque de riego debe ser igual o inferior al 20%.
En resumen, para goteros no compensantes la máxima diferencia de presión será de un 20% de la presión de trabajo (siendo su exponente de descarga x ≈ 0,5)
La presión de trabajo es la presión nominal (PN) o presión a la que el gotero emite el caudal nominal durante su funcionamiento.
La siguiente imagen resume lo comentado –para un terreno llano-:
PMAX – PMIN ≤ 0,2·PN
La presión máxima en un terreno llano la tendremos a la salida de la válvula del bloque de riego (si vamos a la figura anterior lo observamos en la Unidad 4). El agua, en su avance por las tuberías laterales y terciaria de la Unidad 4, va perdiendo presión debido al rozamiento con las paredes interiores de la tubería. Finalmente al último gotero le llegará una presión mínima. Esta diferencia de presiones, cuando los goteros son no compensantes, debe de ser igual o inferior al 20% de la presión de trabajo del gotero. De esta forma garantizamos que la diferencia de caudales sea igual o inferior al 10% en la Unidad.
Debemos de tener en cuenta que cuando regamos con goteros no compensantes, las variaciones de presión en los goteros implican variaciones del caudal emitido. Estas diferencias de presión son en definitiva las pérdidas de carga (Hl) que existen entre un punto y otro de la instalación de tal manera que:
PMAX – PMIN = Hl
Hl ≤ 0,2·PN [I]
¿Qué ocurre en parcelas con pendiente?
La pendiente de un terreno supondrá para el sistema de riego una ventaja (parcelas con pendiente descendente) o bien una desventaja (pendientes ascendentes). En el primer caso porque resulta favorable a la operación de riego y en el segundo porque precisaremos de mayor presión para hacer circular el agua.
La ecuación [I] se verá modificada por el efecto de la pendiente de tal forma que ahora tendremos:
Hl ± Zl ≤ 0,2·PN [II]
Siendo Zl la pendiente con signo positivo si es ascendente o con signo negativo se es descendente.
Para entenderlo supongamos que un gotero con exponente de descarga x=0,489 va a trabajar a una presión de 1,5 bar (15 mca) en terreno llano. La máxima pérdida de presión que debe de producirse en el ramal será según [I]:
Hl ≤ 0,2·PN; Hl ≤ 0,2·15; Hl ≤ 3 mca
¿Qué ocurriría si discurre el ramal por una pendiente ascendente con una diferencia de cota de 1,2 metros?
Según [II] tendríamos:
Hl ± Zl ≤ 0,2·PN; Hl +1,2 ≤ 0,2·15; Hl ≤ 3 -1,2; Hl ≤ 2,2 mca
Nos está restringiendo la pérdida de presión a un valor más desfavorable que en terreno llano debido al efecto de la pendiente. El significado de esto es que tendremos que utilizar laterales de mayor diámetro para una misma longitud comparado con el terreno llano o bien disminuir la longitud del lateral.
¿Y si discurre el ramal por una pendiente descendente con una diferencia de cota de 1,2 metros?
Pues tendríamos el efecto contrario: Hl ≤ 4,2 mca, es decir, disponemos de un mayor margen en las pérdidas comparado con el caso anterior pudiendo ir a laterales con menor diámetro y con una mayor longitud. ¿Veis la diferencia? No hay ningún secreto escondido, todo se reduce a entender las pérdidas de presión y cómo afectan estas pérdidas junto con la pendiente del terreno al comportamiento del fluido.
Las pérdidas de carga son independientes de la topografía del terreno. Las pendientes del terreno contribuyen a que el sistema de riego gane o pierda presión, según sean descendentes o ascendentes. El efecto es similar a la fuerza del viento durante un vuelo: cuando el avión tiene de frente el viento supone una mayor duración del vuelo, ya que es un freno al avance y, cuando los vientos soplan de cola, la duración del vuelo disminuye, pues favorece el avance. Cuanto mayor sea la fuerza del viento, más se nota.
Recomiendo la lectura del post: Sobre el caudal y la presión del agua.
Si diseñamos la instalación con goteros no compensantes debemos de ser muy cuidadosos en el cálculo de pérdidas de presión y de los valores máximos y mínimos calculados en el bloque de riego para que no se produzcan desviaciones de caudal superiores al valor máximo permitido.
Si diseñamos la instalación con goteros compensantes disponemos de un mayor margen siempre y cuando las presiones de trabajo se encuentren en los límites de compensación dados por el fabricante del gotero.
Un bloque o una unidad de riego por goteo se compone de los laterales o ramales de riego más la tubería terciaria que suministra el agua a estos laterales. Las pérdidas de presión del bloque serán por tanto suma de la pérdida del lateral más la pérdida de la tubería terciaria. La ecuación II se transformaría ahora en:
Hl + Ht ± Zl ± Zt ≤ 0,2·PN [III]
(l hace referencia a la tubería lateral y t a la tubería terciaria)
Tradicionalmente se ha empleado el criterio de Karmelli y Keller (1975) para repartir esta pérdida de carga en la unidad de riego de modo que un 45 % se produjese en la tubería terciaria y el 55 % restante en la tubería lateral. Este criterio, al ser fijo, no permitía optimizar los diámetros. Experimentalmente se puede comprobar que soluciones más económicas que cumplen todos los requerimientos de diseño, incrementan el porcentaje de pérdidas de carga que se produce en los laterales. Véase el capítulo 8 del libro “Diseño agronómico e hidráulico de riegos agrícolas a presión” en el que se explican estas soluciones que no se incluyen en el post a causa de su extensión.
La aportación de agua por los emisores deberá ser lo más uniforme posible, es decir, todos los emisores deberán aplicar aproximadamente la misma cantidad de agua. Para lograr una buena uniformidad será necesario:
- Que todos los emisores de la instalación sean de buena calidad, garantizados por el fabricante y que cumplan las normas de calidad.
- Que la presión del agua en todos los emisores sea lo más parecida posible, para lo que habrá que dimensionar la red correctamente.
Control de las presiones en la unidad/subunidad* de riego
Debido a las pérdidas de carga y a la pendiente del terreno, en cada una de las unidades y subunidades de riego se van a producir diferencias de presión entre los distintos emisores de las tuberías laterales. Por lo tanto, la presión de entrada en la subunidad de riego debe de ser tal que el emisor que está sometido a menor presión reciba la suficiente para suministrar el caudal adecuado. Para que la presión de entrada en cada subunidad sea similar y no varíe durante la operación de riego, es preciso instalar un regulador de presión al principio de cada tubería terciaria. Sin pinchas en el enlace anterior te llevará a un post que escribí sobre este asunto.
(*) Las unidades pueden estar divididas en varias subunidades o superficies más pequeñas. Se suelen agrupar las subunidades que maniobran dentro de un mismo turno de riego. Dependiendo del diseño de la instalación de riego el control de la unidad puede hacerse sobre las subunidades en conjunto o bien cada subunidad puede controlarse de manera independiente.
Longitud de tuberías laterales
Ya hemos comentado anteriormente que el agua en su recorrido por la instalación va perdiendo presión como consecuencia de los rozamientos con las paredes de las tuberías, cambios de dirección a través de codos, tés, etc. También se necesitará más presión cuando el recorrido del agua en la tubería sea ascendente, mientras que se precisará menos presión cuando este recorrido sea descendente.
La longitud de las tuberías laterales está condicionada, entre otros aspectos, por la topografía del terreno, siendo menor la longitud del lateral cuando la pendiente es ascendente pudiéndose aumentar a medida que la pendiente es menor y se hace descendente.
Vamos a ver a continuación en una tabla unos valores genéricos de las longitudes máximas de lateral en el bloque de riego cuando varía la pendiente. Los ensayos se realizan con goteros integrados no compensantes con un exponente de descarga de 0,495.
- Supongamos un lateral de 16 milímetros de diámetro con emisores de 2,5 litros/hora separados entre sí 0,8 metros y con una presión de trabajo de 1,5 bar.
La pendiente del terreno tendrá una influencia en la longitud máxima recomendada del lateral. Una pendiente ascendente hará que tengamos que reducir la longitud del lateral para mantener la diferencia de presiones en unos valores aceptables, mientras que con una pendiente descendente podremos conseguir mayor distancia de lateral manteniendo una buena uniformidad de riego.
En caso de que la pendiente sea muy acusada o irregular, tendremos que utilizar goteros compensantes, con la finalidad de mantener constante el caudal suministrado. Así, usando emisores compensantes e independientemente de la topografía del terreno, se pueden ampliar las longitudes máximas de los laterales de riego. En la siguiente tabla podemos observar esta diferencia. Los goteros compensantes utilizados en este ensayo tienen un exponente de descarga de 0,062.
- En una unidad de riego se han instalado laterales de 16 mm de diámetro con goteros de 4 l/h separados 1 metro a una presión de trabajo de 2 bar.
Si se mantienen constantes estas características, solamente el hecho de utilizar goteros compensantes nos permitirá aumentar considerablemente la longitud de las tuberías laterales.
Criterios de diseño
A mayor diámetro de las tuberías se reducen las pérdidas de carga, por lo tanto se podría aumentar la longitud de los laterales, pero el coste de la instalación aumenta.
- En una unidad de riego los goteros emiten 3,5 litros hora y están separados entre sí por 1 metro. El hecho de variar el diámetro del lateral modificaría la longitud máxima que puede alcanzar.
El caudal del emisor condiciona la longitud de la tubería lateral, de tal forma que cuanto mayor sea el caudal del emisor, menor será la longitud del lateral.
- Consideremos una subunidad de riego con ramales de 16 mm de diámetro y goteros separados entre sí por 0,5 metros. La variación de caudales implica variación en la longitud máxima del lateral.
La distancia entre emisores también condiciona la longitud del lateral, de tal manera que cuanto más distanciados estén los emisores, mayor longitud podrá tener la tubería lateral.
- Disponemos de tres subunidades de riego compuestas de ramales de 20 mm de diámetro y goteros de 4 l/h separados entre sí por 0,5, 1 y 1,5 metros en cada subunidad. Las longitudes máximas de lateral que se podrán alcanzar serán:
Siempre que sea posible, a la tubería terciaria se le debe suministrar el agua en su punto más elevado, de forma que las pérdidas de carga se vean compensadas por la pendiente.
No obstante, conviene recordar que la distancia entre emisores, el caudal que suministran y la distancia entre tuberías laterales, no es arbitraria sino que se determina en función del tipo de suelo, forma del bulbo húmedo que se desea conseguir y el marco de plantación o siembra del cultivo, en un proceso de cálculo denominado diseño agronómico. Estos valores no se deben de modificar por criterios hidráulicos aunque ello implique ahorro o comodidad.
Para finalizar me despido con una frase que repito con frecuencia: “controlando la presión controlaremos el caudal y la eficiencia de la instalación”.
Autor: Miguel Ángel Monge Redondo
Ingeniero Técnico Agrícola.
Profesor de la Universidad Internacional de Riego.
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