06 Abr Guía básica para el diseño de sistemas de riego
Guía básica para el diseño de sistemas de riego profesional por difusión y aspersión
- Introducción
La presente guía busca ser un punto de partida a la hora de montar un sistema de riego profesional cuyas aplicaciones pueden ser amplias, desde zonas verdes hasta eras de producción en viveros. Los conceptos y pasos a dar a la hora del diseño, serán también de gran utilidad en casos no profesionales o domésticos.
Conviene tener en cuenta que los sistemas de riego por difusión y aspersión no se caracterizan precisamente por ser eficientes en el uso del agua, por lo que de cara al ahorro de este recurso, es aconsejable asesorarse antes de decidir el tipo de riego. Por otra parte, hay circunstancias en las que la aspersión o la difusión no cuentan con alternativas. Un buen ejemplo de esto es el riego de césped.
Existen otros sistemas de riego, como el goteo, muy eficientes en el uso del agua, pero al igual que la aspersión y difusión cada uno tiene aplicaciones concretas y no todos los sistemas son válidos para todos los casos.
Por cuestiones prácticas, se ha decidido unificar en una misma guía tanto la aspersión como la difusión, puesto que a la hora de realizar los planos y cálculos, resulta indiferente optar por un sistema u otro (la elección queda supeditada, en este caso, únicamente a las dimensiones del espacio que se desea regar).
Por último, hay que tener en cuenta que el seguimiento de esta guía puede verse interrumpido por la falta de datos necesarios, en cuyo caso conviene no desesperarse y seguir con la misma. Es posible hacer frente a esta situación simplemente considerando que el nuestro es el peor de los supuestos (lo cual podría aumentar ligeramente el coste pero asegurar el funcionamiento) o intentar aproximarse a los datos necesarios por suposición o medirlos indirectamente. También conviene aclarar que los rangos de funcionamiento son amplios, por lo que algunas desviaciones no alterarán gravemente el funcionamiento de nuestro diseño.
- Elementos y conceptos
Antes de comenzar, se hará un pequeño repaso, tanto del piecerío disponible en el mercado como de terminología que conviene refrescar antes de empezar.
Tuberías
Las tuberías son los elementos que van a conducir el agua desde la fuente hasta el emisor. Pueden ser de varios tipos, siendo los más normales PE (polietileno) y PVC. En este caso, nos centraremos en las de polietileno, puesto que son, de lejos, las más utilizadas y prácticas. Pero todo lo que a continuación se mencione, puede ser adaptado virtualmente a cualquier tipo de tubería siempre que se disponga de los datos necesarios.
Las tuberías de polietileno cuentan con unas ventajas que las hacen la primera opción para la mayoría de los profesionales: son ligeras y flexibles, lo que las hace enrollables y manipulables, facilitando su instalación. Son baratas, aunque no tanto como el PVC pero sus ventajas se convierten en beneficios sobre las mismas. Por último, soportan mejor la radiación UV, por lo que son ideales para exterior, aunque en función del uso que se quiera dar pueden ir enterradas, aumentando más aún su durabilidad.
Las tuberías de PE suelen tener un marcaje donde se especifican una serie de datos que pueden resultarnos útiles a la hora de dimensionar nuestro sistema de riego: densidad, diámetro exterior, diámetro nominal, espesor nominal, presión nominal, etc., acompañados de otros datos como certificados de calidad, normas UNE o ISO que cumple el producto, fecha de fabricación y tipo de uso (normalmente marcado con líneas de colores, por ejemplo, azules indican uso alimentario, la ausencia de bandas indican uso agrícola, etc.).
Las tuberías de baja densidad (por ejemplo, PE40) serán menos resistentes a la presión y a la radiación UV que tuberías de densidad media o alta (PE80 o PE100, respectivamente), teniendo en cuenta que cuanto mayor la densidad, mayor la rigidez y el peso, y más difícil la manipulación. El espesor o espesor nominal hace referencia al grosor de la pared de la tubería. A igualdad de diámetro exterior, mayor espesor hará a la tubería más resistente a la presión, pero también afectará a la misma a la baja debido a rozamientos, al disminuir el diámetro nominal (diámetro interno de la tubería). Por último, la presión nominal indica la presión máxima que soporta la tubería para un funcionamiento óptimo.
Los diámetros exteriores de las tuberías de PE están estandarizados y se miden en milímetros, pudiendo encontrar de 4, 12, 16, 20, 25 y 32 mm, por ejemplo. En el caso del riego por aspersión y difusión, los diámetros más utilizados suelen ser 20 y 25 mm. Excepcionalmente pueden usarse tuberías de 16 mm para riegos por difusión, pero no es frecuente ni recomendable.
Conectores
La conexión entre tuberías para diámetros de 20 a 40 mm se realiza mediante piezas del tipo “racor”, y suelen estar compuestas de un cuerpo principal, tres piezas internas (anillo, tope y collar) y una pieza roscable que sujeta el conjunto y lo mantiene unido al tubo. En diámetros de 16 mm o inferiores se utilizan otros tipos de conectores, y para diámetros muy grandes la unión no es por piezas sino termofusión o electrofusión, uniendo los tubos unos con otros directamente, pero al no ser el caso que ocupa esta guía, no se detallará al respecto.
Existen varios tipos de conectores, que pueden ser rectos, en L o en T. Estos, a su vez, se consideran reductores si el diámetro del tubo de entrada es mayor que el de salida, y lisos si es el mismo. Los conectores, además de unir tubos, son piezas fundamentales a la hora de colocar emisores (aspersores o difusores). Es especialmente utilizada la T roscada, es decir, con dos salidas dedicadas al tubo de polietileno en el lado recto, y el lado perpendicular con una rosca donde colocar el emisor. Las roscas, a diferencia de los tubos, se miden en pulgadas. Existe una equivalencia entre el diámetro de los tubos y las roscas, siendo ésta la siguiente:
| Diámetro de tubo de PE (mm) | Equivalencia en rosca (pulgada) |
| 20 | ½” |
| 25 | ¾” |
| 32 | 1” |
| 40 | 1 ¼” |
Al igual que en el caso anterior, se considera una reducción si el tamaño de rosca es inferior a su equivalente en el tubo de polietileno.
Automatización
Para que el riego funcione de forma automática y programada, existen dos dispositivos fundamentales: programador y electroválvulas.
El programador es un aparato electrónico que debe estar protegido de la intemperie y accesible al manejo. Existe gran variedad en el mercado con diversas funcionalidades. Los más básicos constan de una serie de fases que mandan la información a cada válvula. Llamamos “fase” al grupo de emisores que se activa simultáneamente (porque forma parte de la misma tubería, que depende de una sola válvula). Determinar la cantidad de fases dependerá de varios factores y es materia de análisis en la presente guía.
Los más complejos pueden tener también control sobre bombas o sensores de humedad o lluvia, para anular el riego según la climatología o las condiciones actuales del terreno. Entre las variables programables, las más frecuentes son: hora de comienzo de riego, duración de riego y días de riego a la semana, siendo cada fase independiente de las demás.
Las electroválvulas son pasos de agua controladas por el programador de manera eléctrica. Pueden estar protegidas en el mismo sitio que el programador, aunque es frecuente verlas agrupadas o solas en arquetas enterradas.
Emisores
Los difusores son emisores estáticos que despiden agua continuamente en forma de paraguas o fracciones del mismo (90º, 180º, 270º o 360º). Son aconsejables cuando el alcance requerido no supera los 4 o 5 metros de distancia. El radio de alcance (ralcance) depende de la presión y la apertura (fracciones menores de círculo generan más velocidad -y alcance- del agua a igualdad de presión). Existen diferentes toberas (orificios de salida de agua en difusores y aspersores) para cada ángulo, con implicación directa sobre la distancia, el patrón y la eficacia en la distribución del riego. La distancia puede ser ligeramente manipulable, reducible alrededor de un 20 o 25% mediante un tornillo.
Los aspersores son emisores dinámicos que echan un chorro único de agua se mueve constantemente para regar la circunferencia deseada. Suelen utilizarse cuando los radios de alcance requeridos son de 5 metros o mayores. El rango de giro es regulable, y el alcance, el patrón y la distribución del agua también depende de las toberas utilizadas. En este caso, se dejarán de lado los aspersores de impacto, que tienen aplicación en agricultura a gran escala o grandes superficies verdes, como campos de fútbol o grandes praderas que requieran riego.
Una consideración importante es que el reparto de agua en el área de riego de cada emisor no es homogénea, y además depende de la presión de funcionamiento, de la siguiente manera:
Para conseguir un riego homogéneo, que es normalmente lo deseado, se recurre al solape de áreas de riego, además de buscar siempre que la presión de funcionamiento sea la óptima.
La situación ideal es tener un solape del 100%, es decir, que el radio de riego de un emisor sea igual o muy similar a la distancia de dicho emisor con el siguiente. Si esto no es posible debido a las condiciones de la parcela, se procurará tener en un eje de la misma un solape lo más próximo al 100% e igual o mayor a 60% en el otro eje. Reducir el solape en una de las direcciones tiene efectos económicos directos, al reducir la cantidad de emisores y el caudal de agua, sacrificando ligeramente la homogeneidad del riego.
Existe una gran variedad de emisores en el mercado, tanto difusores como aspersores, así como de sus respectivas toberas. La elección de los mismos depende de las características de la parcela a regar y de las especificaciones que proporcionen los fabricantes.
(ejemplos)
Para el diseño de un sistema de riego, es importante conocer algunas magnitudes:
El caudal (Q) es la cantidad de agua que circula por una sección en determinado tiempo. Se verá normalmente expresado por las unidades l/min (litros por minuto), m3/h (metros cúbicos por hora), l/s (litros por segundo), l/h (litros por ahora), etc. En un caso práctico, es la cantidad de agua que despide un emisor durante un período de tiempo.
La presión (P) es el peso que ejerce una columna de agua sobre una superficie determinada. Se expresa en bar (bares), kg/cm2 (kilogramo por centímetro cuadrado), atm (atmósfera), mca (metros de columna de agua), Pa (pascales), etc.
Cada fabricante especifica la presión óptima para el funcionamiento de sus emisores, y proporciona los caudales que estos ofrecen al trabajar con dicha presión. Cuando la presión es adecuada, ésta permite que los emisores funcionen correctamente, que superen diferencias de altura (cualquier emisor que esté a una altura superior de la fuente de agua o la zona donde se ha medido la misma, mostrará en la práctica una presión inferior a la medida), y que venzan el rozamiento (la presión cae a lo largo de una tubería debido al rozamiento del agua con el tubo y consigo misma -fenómeno conocido como pérdida de carga o PdC-).
Las presiones que se requiere conocer son la presión estática (Pe) y la presión dinámica (Pd). La primera es la presión medida en la tubería con caudal nulo, es decir, la de la tubería cargada pero sin movimiento de agua. Esta presión será constante en todo el recorrido de la tubería si la altura también lo es. La presión dinámica es la medida cuando el agua circula por la tubería, y su valor desciende a lo largo del recorrido de la misma, tanto por rozamiento como por posibles pérdidas de caudal debidas a emisores.
Es muy importante que la velocidad del agua no supere 1,5 m/s en tuberías principales y secundarias. Obviar esta recomendación puede dar lugar a sobrepresiones o golpes de ariete, entre otros problemas.
- Comenzando la instalación
Una vez decidido que es necesario un sistema de riego por aspersión o difusión en una parcela, tendremos que seguir una serie de pasos que se explican a continuación y darán lugar al dimensionado y diseño del sistema, así como al conocimiento de los materiales necesarios para ejecutar la instalación.
3.1. Toma de datos y obtención de plano
En la parcela a regar, tendremos que obtener una buena cantidad de información. Obviar algunos datos puede llevar a problemas que luego resultará muy difícil resolver. Necesitamos tomar las dimensiones de la parcela de riego, localizar donde está la fuente de agua, anotar todas las posibles infraestructuras u obstáculos presentes en el terreno, conocer diferencia de altura entre la fuente y el punto más alto del terreno (esta medida no será necesaria tomarla si no hay grandes pendientes en el terreno. No existe una medida a partir de la cual sea o no necesaria considerarlo, por lo que quedará supeditado a la opinión del instalador).
Con las medidas tomadas se realizará un croquis sobre el terreno, para posteriormente pasarlo a limpio en un plano a una escala fácil de trabajar. Por ejemplo, si lo realizamos a escala 1:100, sabremos que un centímetro en nuestro plano equivale a un metro en el terreno, con lo cual tenemos una conversión directa que facilitará los cálculos. Aunque no sea totalmente necesario, sí se recomienda ser preciso a la hora de realizar el plano.
(ejemplo)
3.2. Elección del sistema de riego
Las principales opciones son goteo (para zonas localizadas, pero lo omitiremos para ampliar en un tema aparte), difusión (para parcelas o zonas más pequeñas) o aspersión (para parcelas o zonas mayores).
3.3. Distribución de emisores sobre el plano
Dibujar los puntos donde colocaremos los emisores seleccionados, respetando en la medida de lo posible las siguientes normas para optimizar el sistema tanto funcional como económicamente:
-Solape próximo al 100% en un eje y mayor o igual a 60% en el otro.
-No rebase: que el ralcance no supere la distancia de un emisor a los próximos.
-Colocar el mínimo número de aspersores que esa posible.
Para ello es útil contar con las especificaciones del fabricante, y seleccionar los aspersores o difusores que mejor se ajusten a nuestro plano, así como sus boquillas correspondientes. Conviene recordar que ralcance se puede reducir en más o menos un 20 o 25%, lo cual ayudará a la hora de distribuir los emisores.
En cuanto a las toberas, en el caso de difusores, se recomienda elegir primero aquella que menor ángulo tenga en nuestro sistema, y que las demás sean proporcionales a ésta (por ejemplo, en un sistema con difusores que deban regar 90º, primero se elije esa, para 180º se procurará buscar la que emita el valor más próximo al doble de caudal de la anterior, y para la de 270º aquella cuyo valor de caudal sea lo más próximo al triple)
Sacaremos utilidad de un compás si dibujamos con él la fracción de circunferencia que representa el alcance del riego de cada emisor. Es aconsejable, para ahorrar tiempo más adelante, apuntar junto a cada emisor dibujado el ángulo de apertura que hemos decidido para ellos y el caudal de funcionamiento de los mismos, dato especificado por el fabricante.
(ejemplos)
3.4. Determinar la presión y el caudal
Es fundamental realizar la medición en las proximidades de la fuente, o tan cerca como sea posible. La forma más fácil de realizar estas medidas es acoplando a la toma un sistema que conste de un manómetro y dos llaves, una a cada lado del mismo. No es recomendable utilizar como primera llave la propia que pueda tener la toma. Con la llave de la toma y primera llave abiertas, y la segunda cerrada, se obtiene la Pe (recordamos que es la presión con la tubería cargada cuando Q=0). Una vez obtenido ese valor, se abre la segunda llave poco a poco, facilitando el escape de agua y observando que efectivamente Pd (recordamos, la presión con agua en movimiento) va disminuyendo.
En este punto será de gran utilidad un gráfico de coordenadas cartesianas, en el que se establezca P como magnitud del eje de ordenadas y Q en el eje de abscisas. Midiendo el caudal en varios puntos mientras abrimos la segunda llave del manómetro, obtendremos las coordenadas para completar el gráfico. Existen dos recomendaciones a tener en cuenta. La primera es que una vez fijada la llave en el punto deseado, conviene esperar hasta que el manómetro se estabilice. La segunda es que no es necesario obtener muchas coordenadas, sino que es suficiente con tener 2 o 3 puntos, aparte de la que ya habíamos establecido cuando Q=0. Sí es recomendable que esos puntos se distribuyan más o menos alrededor de la mitad del recorrido, o dicho de otra forma, cuando Pd sea la mitad que Pe.
La medición de caudal puede hacerse con un contador de caudal si buscamos más precisión, o con un recipiente de volumen conocido y un cronómetro. Como se ha comentado al principio, la precisión, aunque recomendable, no es fundamental, ya que todos nuestros elementos tendrán un margen de tolerancia al error.
Si se ha medido correctamente, el resultado debería ser que P y Q son inversamente proporcionales, y que los 3 o 4 puntos dibujados (2 o 3 de mediciones con caudal, más el medido con caudal nulo) estén más o menos alineados, de forma que sea fácil trazar una línea que pase próximo a todos ellos. Se puede recurrir a estadística y obtener la recta mediante un análisis de regresión lineal, pero es una precisión de la que podemos prescindir, siendo suficiente con una regla y sentido común. La recta obtenida recibe el nombre de recta de servicio, es la base del diseño sectorizado y será imprescindible para los cálculos posteriores.
El siguiente paso es conocer la presión necesaria en la toma de agua para que el último de los emisores (o el más alto de ellos, en caso de grandes desniveles) funcione adecuadamente. Dicha presión será la resultante de las sumas de las presiones de funcionamiento (la recomendada por el fabricante), de desnivel (que es de 0,1 atm por cada metro de desnivel entre la toma de agua y el emisor que esté más alto) y de rozamiento (que es un dato desconocido, por lo que asumiremos que es 1 atm y aunque nuestro sistema quede sobredimensionado, también será una garantía de funcionamiento y enmascarará pequeños fallos a la baja que hayamos podido tener en mediciones anteriores).
Pdisponible = Pfuncionamiento + Pdesnivel + Prozamiento
Una vez obtenida la presión disponible, hay que buscar en la intersección de la recta de servicio obtenida anteriormente cuál es el caudal disponible (Qd) correspondiente a dicha presión.
Por último, se obtiene el caudal necesario (Qn), sumando el total de los caudales especificados por los fabricantes de cada uno de los emisores que se ha decidido colocar en la parcela.
3.5. Sectorización y agrupamiento
La relación entre Qn y Qd da idea del número de sectores necesarios (o fases de riego). Si Qn es menor que Qd, entonces necesitaremos solo una fase para regar toda la parcela. En caso contrario, conviene hacer la relación Qn/Qp, el resultado será una fracción mayor que uno que, redondeando al alza a partir de la primer decimal, nos dirá el número de fases de nuestro sistema. Es decir, si el resultado fuera 1,09, optaríamos por una fase. Si fuera 1,11, redondearíamos hacia arriba. Y si fuera de 1,1, será el criterio del instalador el que lo determine, teniendo en cuenta que al sobredimensionar Prozamiento existe un margen de error que juega a nuestro favor.
Conociendo el número de sectores o fases, hay que agrupar los emisores teniendo en cuenta dos criterios fundamentales: la distancia entre emisores, el tipo de emisores y el equilibrio entre las fases. Es decir, el resultado de la agrupación llevará directamente al esquema de las tuberías de riego, por lo que el agrupamiento debe realizarse utilizando la menor cantidad de metros de tubo posible, y al mismo tiempo, que cada grupo tenga valores relativamente próximos a los demás, siempre dentro de las posibilidades que se tengan en cada parcela, y que cada fase contenga el mismo tipo de emisor, evitando combinar en la misma fase aspersores, difusores y goteo, en caso de que se haya requerido usar tipos distintos de emisores