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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    de Ciego de Ávila".Tesis de maestría en
    Ingeniería de Riego y Drenaje. Centro de Estudios
    Hidrotécnicos. Universidad de Ciego de Ávila,
    Cuba.

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