Caracterización hidráulica del riego por goteo a partir de ensayos en ramales y unidades para su proyecto y gestión económica

Resumen

El sector agrícola debe adaptarse a un clima cambiante y a la escasez de agua en muchas regiones del mundo, por lo que es necesario el uso racional y eficiente de los recursos. Por ello, el riego por goteo experimenta un gran crecimiento a nivel mundial.
Con el objetivo de avanzar hacia el uso eficiente de los recursos, en la presente tesis, por una parte, se analizan y proponen métodos de evaluación para determinar en campo las características hidráulicas de emisores, ramales y tuberías portarramales de una unidad de riego por goteo. De esta forma se pretende poder disponer de las características propias, reales y actuales del funcionamiento de los sistemas y no los estimados a partir de los datos, en su caso, aportados por el fabricante sobre material nuevo material genérico. En particular, se aborda la caracterización, en primer lugar, de la curva de gasto del emisor y su coeficiente de variación en función de la presión de trabajo y, en segundo lugar, de las pérdidas de carga en ramales y en la tubería portarramales. Para ello, se han ensayado en el laboratorio ocho ramales (con emisores compensantes y no compensantes), trabajando a diferentes presiones, en un rango más amplio al normalmente usado en las instalaciones. Asimismo, en campo se ha ensayado una unidad de riego con goteros autocompensantes en un amplio rango de presiones.
Los resultados muestran que es posible determinar la curva de gasto y coeficiente de variación con una precisión similar a la que se obtiene con el método normalizado, presentando la ventaja de ser más representativa de la instalación real. Para los emisores autocompensantes, el rango de compensación coincidió con el aportado por el fabricante, sin embargo, los caudales resultaron algo superiores a los aportados por el fabricante. Para la predicción de resultados a través de la simulación del funcionamiento se considera que, salvo casos muy especiales, en estos emisores, se propone un caudal constante por encima del límite inferior del rango de compensación y una curva de descarga de tipo orificio por debajo de ese límite. Para los goteros no compensantes se propone asimilar a una curva de gasto tipo orificio, con exponente x = 0.5, asimismo, salvo para casos muy específicos. En todos los goteros ensayados el coeficiente de variación de manufactura se mostró independiente de la presión y, además, con valores relativamente bajos, todos por debajo de 0.04, si bien, el material ensayado era nuevo o casi nuevo.
Con respecto a las pérdidas de carga se participó en los ensayos para proponer una norma CEN (europea) junto con los técnicos del Centro Nacional de Tecnología de Regadíos que lideran su redacción. Para su caracterización, se ha estudiado, por una parte, aportar un valor de las pérdidas de carga para un ramal de referencia previamente definido y, por otra, aportar un parámetro de las pérdidas de carga locales por la presencia de los goteros, bien como el coeficiente K que multiplica al sumando cinético, bien como longitud equivalente le. Este último presentó valores más independientes del flujo y, por tanto, se considera preferible. En el caso de ramales con emisores autocompensantes, para su caracterización, es conveniente realizar ensayos con el extremo aguas abajo abierto, con objeto de comprobar su viabilidad para distintas condiciones de flujo y reducir la incertidumbre en los experimentos. Para los ramales con goteros no compensantes fue suficiente realizar varias pruebas con diferentes presiones. En todos los ramales se produjo un pequeño efecto de histéresis con mayores valores de pérdidas de carga en una primera fase con caudal ascendente que en la posterior con caudal descendente. Para validar los métodos se realizaron ensayos tanto en el Centro Nacional de Tecnología de Regadíos como en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas, de la Universidad Politécnica de Madrid. Los resultados obtenidos en los distintos laboratorios no mostraron diferencias significativas en los resultados de los ensayos realizados, lo que deja prever que el método propuesto permite determinar de forma consistente las pérdidas de carga.
En cuanto a la unidad de campo, la curva de gasto y su coeficiente de variación se determinó a partir de ensayos con distintas presiones en cabeza, los resultados muestran que la unidad se puede operar de modo que el flujo de descarga promedio y la uniformidad se puede controlar simplemente controlando la presión de entrada a la unidad. La determinación de las pérdidas de carga y, en particular, los parámetros de las pérdidas de carga localizadas resultaron algo más complejo y con menor precisión, por las pequeñas pérdidas de carga existentes, falta de alineación de algunos ramales y algunas fugas. La realización de varios ensayos con apertura de ramales en cola redujo la incertidumbre. No obstante, con el método propuesto de evaluación, también se pudo obtener la respuesta hidráulica y uniformidad del riego de la unidad.
Para abordar el uso eficiente del conjunto de recursos, tanto del agua como de la energía o los costes de inversión, la segunda parte de la tesis aborda el proyecto de la instalación y su manejo desde un punto de vista económico. Se presenta un enfoque novedoso para el diseño de sistemas de riego por goteo en el que se cuestionan algunos valores o reglas arbitrarias que se usan en los proyectos y se sustituyen por los valores resultantes de una optimización económica. En particular, se analizan variables como la presión media o las pérdidas de carga a disponer, así como su reparto en ramales y porta-ramal. Dichas variables pueden condicionar los costes de energía o si esta está limitada condicionar los costes de inversión en tuberías, por otra parte, en el caso de goteros no compensantes, también condicionan la uniformidad de riego. De esta forma, la presión media, las pérdidas de carga y la uniformidad puede cambiar de ser elegida de forma arbitraria en la fase inicial para determinar el proyecto a ser también resultados finales de una optimización. En la función de coste objetivo se han incluido los costes de inversión (tanto en tuberías como en bombas) y los costes de operación (coste de energía y coste del agua) de las unidades de riego por goteo.
Para ilustrar la viabilidad de la metodología propuesta se presentan varios ejemplos con emisores autocompensantes y no compensantes, alimentados desde una estación de bombeo o desde una balsa, unidades horizontales con gradientes favorables y desfavorables, entre otros. Asimismo, se han obtenido, para unidades rectangulares, expresiones analíticas que permiten obtener los óptimos de las variables, en general, presión media y pérdidas de carga en ramal y porta-ramal. Si bien, las expresiones pueden usarse de forma muy diversa según se fijen unas variables u otras como datos o incógnitas.