Utilización del tanque de descarga por el fondo en el riego de pequeñas superficies agrícolas (página 2)

ESTUDIO DEL RELIEVE

Para la determinación de las características topográficas de la parcela donde se desarrolló el experimento se realizó un levantamiento planialtimétrico en un área de 30 m de largo y 15 m de ancho (fig. 1 y 2).

La pendiente del área se determino en 7 puntos de la parcela, lo que permitió estimar el valor promedio de la misma.

Se encontró que la parcela experimental presenta un relieve casi llano (MINAGRI, 1984), con pendiente longitudinal que varía entre 1.00 y 1.50 %; siendo su valor medio de 1.25 %.

DISEÑO DE FLOTADORES

El TDF utilizado en este trabajo consiste en un tanque plástico de 200 L de capacidad conectado a una tubería de PVC de 50 mm. de diámetro y 6 m de longitud con orificios de 20 mm. a través de los cuales se descarga el agua en los surcos conformados en parcelas con dimensiones de 14 m de ancho y 20 m de largo.

El dispositivo cuenta con un sistema de apertura/cierre en su interior para facilitar la descarga inmediata del volumen de agua acumulado (fig. 3).

Figura 1 Curvas de nivel

Figura 2 Representación tridimensional.

Figura 3 Representación esquemática del TDF.

Flotador superior

Se diseñó un flotador superior con la utilización de tubos de PVC de 115 mm. de diámetro. La forma y dimensiones de este flotador se presentan en la figura 4.

.

Figura 4 Forma y dimensiones del flotador superior

Flotador auxiliar

Se hizo necesaria la utilización de un flotador auxiliar con el propósito de asegurar que el mecanismo de cierre se mantuviera abierto durante la fase de descarga del tanque en que el agua pasa a la tubería de riego por la abertura inferior del TDF. Este flotador auxiliar se construyó de poli espuma con dimensiones de 8 cm. de largo, 5 cm. de ancho y 3.5 cm. de alto. El mismo se coloca a una altura de 15 cm. a partir del fondo del tanque, asegurado fuertemente en el cable del sistema apertura/cierre.

Condición de rotación del flotador

Para que el flotador superior rote y se produzca la descarga, debe cumplirse la condición siguiente:

Donde Ma es el momento actuante y Mr el momento resistente.

Siendo:

;

Donde Fa es la fuerza actuante (Kg.); Fr la fuerza resistente (Kg.); ba y br los brazos correspondientes a las fuerzas antes señaladas (m). estas fuerzas pueden calcularse como:

Donde es el peso especifico del agua (Kg./m3); hf la longitud del brazo largo del flotador (m); hw la altura del agua en el TDF en contacto con el brazo corto del flotador medida a partir del fondo del tanque (m); h la profundidad del agua en el tanque medida desde el fondo hasta el punto mas bajo del brazo largo del flotador superior (m) y Af el área del flotador (m2).

Los datos básicos del cálculo y resultados fundamentales son:

Tabla 1 Datos para la comprobación de la condición de rotación del flotador

Como puede observarse, la condición de giro del flotador se satisface adecuadamente puesto que Ma > Mr; por tanto el flotador diseñado es capaz de garantizar el funcionamiento del mecanismo apertura/cierre.

PRUEBA DE LABORATORIO

Las pruebas de laboratorio realizadas con el TDF consistieron en determinar: (1) relación entre el caudal de entrada y el tiempo de llenado; (2) relación entre el caudal de entrada y la distancia de cada orificio; (3) relación entre el tiempo de descarga y el caudal del orificio y (4) Relación entre la altura del agua dentro del TDF y el caudal del orificio.

Relación entre el caudal de entrada y el tiempo de llenado

La variación del tiempo de llenado del TDF en función de la variación del caudal de entrada, se muestra en la figura 5. Ambas variables manifiestan un comportamiento inversamente proporcional como consecuencia de la naturaleza del fenómeno hidráulico que se presenta, el caudal esta caracterizado por la disminución constante de la altura del agua dentro del tanque gravitatorio, que condiciona una reducción temporal y gradual del flujo en cada orificio de descarga.

Esta variación se produce también espacialmente a lo largo de la tubería de riego, debido al carácter descendente de la rasante de energía motivado por las perdidas hidráulicas que ocurren a lo largo de la línea regante.

Figura 5 Relación entre el tiempo de llenado y el caudal de entrada.

La relación funcional entre el caudal de entrada y el tiempo de llenado, responde a un modelo lineal del tipo:

Tll = -16.286Qe + 14.078; R2 = 0.9516.

Donde TLL es el tiempo de llenado en (min.) y Qe el gasto de entrada al TDF en (L/s).

Relación entre el caudal de entrada y la distancia de cada orificio

En la figura 6 se representa el comportamiento del caudal de entrada en relación con la distancia desde la cara exterior del TDF hasta ciertos orificios de la tubería de riego, tomándose como referencia el orificio inicial, central y final. Se observa que los caudales más elevados se producen al inicio de la tubería y se reducen gradualmente hasta alcanzar el valor más pequeño en su extremo final. El valor máximo y mínimo fue de 0.672 y 0.346 respectivamente con un valor promedio de 0.503 L/s.

La relación entre el caudal de entrada y las distancias en que se produce la descarga de la tubería se ajusta a la siguiente función lineal:

Qe = -0.0614D + 0.6596; R2 = 0.9123

Donde D es la distancia desde la salida del TDF a cada orificio (m)

Figura 6 Relación entre el caudal de entrada y la distancia del orificio.

Relación entre el tiempo de descarga y el caudal del orificio

Los valores promedios del gasto que aporta el orificio inicial, medio y final en relación con el tiempo de descarga o funcionamiento del TDF se refleja en la figura 7. En la misma se observa que el caudal se incrementa en dirección al último orificio, manifestándose claramente una recuperación de la carga de presión.

La uniformidad de distribución en la descarga medida en los orificios extremos de la tubería es de 19.5 %; o sea es inferior al 20 % pudiéndose considerar de aceptable. Este comportamiento se presenta en general para cualquier tiempo de funcionamiento; excepto cuando el tanque esta prácticamente vacío, donde se alcanza un valor promedio de 29 %. Este resultado demuestra la conveniencia de la utilización del TDF en el riego intermitente de los cultivos desde el punto de vista hidráulico ya que se logra una adecuada uniformidad en la descarga de los orificios.

El caudal de los orificios disminuye en la medida que aumenta el tiempo de descarga, lo cual es lógico de esperar porque en el interior del TDF disminuye paulatinamente el volumen de agua almacenada en la medida en que se incrementa el tiempo de funcionamiento.

Figura 7 Relación entre el tiempo de descarga y el caudal del orificio.

Para la estimación del caudal que descarga el orificio en el inicio, medio y final de la tubería de riego se obtuvieron dos ecuaciones exponenciales y una polinómica de segundo grado que presentan un elevado coeficiente de determinación.

qi = 0.6929TD-0.2219TD; R2 = 0.9784

qm = 0.6371TD-0.2836TD; R2 = 0.9642

qf = 0.0078TD2 – 0.1443TD + 0.569; R2 = 0.9629

Donde qi, qm, qf son los caudales de los orificios situados al inicio, medio y final de la tubería respectivamente y TD es el tiempo de descarga del volumen de agua acumulado dentro del TDF en (min.)

Relación entre la altura del agua dentro del TDF y el caudal del orificio

La relación entre el caudal suministrado por los orificios de la tubería de riego y la altura del agua dentro del tanque gravitatorio, se exponen en la figura 8. En la misma se observa la variación decreciente del flujo que sale por las aberturas en la medida en que se va reduciendo la profundidad del agua en el TDF. El mayor caudal se produce cuando el tanque esta lleno, alcanzándose una altura de 77 cm. y una descarga de 0.668 L/s.

El valor mínimo se alcanza cuando la altura del agua alcanza el valor del tirante de cierre (5 cm.), produciéndose un caudal de 0.332 L/s.

Figura 8 Relación entre la altura del agua dentro del TDF y el caudal de entrada.

La relación entre la altura de agua y el caudal del orificio se formula a través de una ecuación lineal con alto coeficiente de determinación que permite relacionar matemáticamente estas dos variables entre si.

Qe = 0.0036h+ 0.364; R2 = 0.9472

Donde h es la altura del agua dentro del TDF (cm.)

Las pruebas realizadas demuestran que este dispositivo de descarga permite que el tanque funcione adecuadamente, siendo capaz de dispararse con la fuerza suficiente para levantar el mecanismo de cierre colocado en el fondo del recipiente y dejar que el volumen de agua acumulado se descargue casi completamente, manteniéndose una carga mínima de 5 cm. De esta manera se logra que la tapa del cierre selle herméticamente impidiendo la salida del agua. Esta operación se sucede de manera automática, provocando que el tanque se llene y se descargue continuamente.

PRUEBA DE CAMPO

Avance del flujo en el riego intermitente

En la figura 9 se presenta la trayectoria de las curvas de avance en los dos ciclos intermitentes aplicados. En la misma se aprecia que la curva correspondiente al ciclo 1 se comporta como si se aplicara el flujo continuo, pues el avance se produce totalmente sobre el suelo seco; sin embargo en la curva de avance que representa al segundo ciclo, se observa que en los primeros 10 m el avance ocurre en un tiempo menor debido al efecto favorable que provoca el suelo prehumedecido lo que permite mejorar los parámetros de riego; entre ellos los relacionados con el ahorro de agua en la parcela.

Figura 4.5 Curva de avance de cada ciclo intermitente.

DISEÑO DEL SISTEMA DE RIEGO CON TDF

En el diseño del sistema de irrigación empleado en la parcela de riego se partió de los datos básicos expuestos e la tabla 2.

Tabla 2 Datos básicos para el diseño en el cultivo de maíz

Los parámetros fundamentales que se determinan son:

Tiempo de llenado (TLL); lamina de riego (Lr); área de la parcela (Ap); volumen de la parcela (Vp); Numero de descarga (Nd); Numero de puesta (Np) y Tiempo de riego (Tr).

Las formulas utilizadas en cada caso son las siguientes:

Los resultados encontrados se exponen en la tabla 3.

Tabla 3 Parámetros de funcionamiento del TDF.

CONCLUSIONES

Se diseña un flotador de PVC con diámetro exterior de 115 mm que satisface adecuadamente los requerimientos de funcionamiento del sistema apertura/cierre en un tanque gravitatorio de descarga por el fondo, comprobándose que los parámetros fundamentales del flotador son: longitud del brazo corto 245 mm; longitud del brazo largo 345 mm; brazo de la fuerza actuante 185 mm y brazo de la fuerza resistente 92 mm. Con estas dimensiones se garantiza que el flotador rote satisfactoriamente.

Se formulan funciones estadístico matemáticas que permiten determinar con facilidad los parámetros de funcionamiento del TDF como: caudal de entrada, tiempo de llenado, caudal descargado por los orificios de la tubería, entre otros.

Se determinan las curvas de avance en condiciones de flujo intermitente, teniéndose en cuenta las características especificas del área de riego y los parámetros de trabajo del tanque gravitatorio instalado en la parcela de riego.

Se realiza el dimensionamiento hidráulico de un sistema de riego por surcos a pequeña escala con el uso de TDF para el cual se determinan las variables fundamentales de diseño y operación como son: lamina de riego, área de la parcela, volumen de agua requerida, número de descargas del tanque gravitatorio, número de puestas del TDF y tiempo de riego.

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Oscar Brown Manrique1

José L. Companioni Sanderson1

Eloy O. Abreu Díaz1

Yurisbel Gallardo Ballat1

Nahum A. García Villanueva2

José N. Barrios Domínguez3

1 Universidad de Ciego de Ávila. Centro de Estudios Hidrotécnicos (CEH) Carretera a Morón, Km. 9 ½, Ciego de Ávila, Cuba

2 Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA)

3 Universidad de Zacatecas (UAZ), México