PROYECTO EJECUTIVO DEL SISTEMA DE R IEGO A BAJA PRESIÓN DE LA PRESA DE ALMACENAMIENTO CALERA, ZAC . P. Alvarado Medellín1, R. Ortiz Gómez1, F. Aguilar Ortega1 O. A. Dzul García 2 y R. Gaytán Bautista2.

Resumen Un proyecto ejecutivo que contempla la tecnificación de la Presa de Almacenamiento Calera se presenta en este artículo. El proyecto ejecutivo contempla varias etapas, entre las que destacan la del diseño hidráulico del sistema. El diseño está basado en el fraccionamiento de la Unidad de Riego en tres módulos, con el fin de facilitar la operación del sistema diseñado. La simulación de los diferentes esquemas fue realizado en el programa de cómputo EPANET y permitió la obtención del mejor esquema de operación. El proyecto ejecutivo consistió entre otras cosas, en el diseño de un sistema de baja presión para aprovechar un gasto de 170 lps, de la presa Calera, que abastece una superficie de 190 hectáreas, y que permitirá elevar la eficiencia global del sistema, y tener sustanciales ahorros de agua en la región. Para que se obtenga el beneficio adecuado, además del proyecto de tecnificación es necesario que se lleve a cabo la organización de los usuarios de la unidad, capacitación de los usuarios en lo referente a la producción, administración, uso del sistema de riego y principalmente para la comercialización. El presente trabajo resume los trabajos realizados como son el estudio y evaluación socioeconómica de la zona, cálculo de las necesidades hídricas de los cultivos, trabajos topográficos, diseño hidráulico del sistema (análisis del funcionamiento de la operación del sistema y programación de la operación del mismo), y lo que se refiere al paquete de concurso (catalogo de conceptos, especificaciones de construcción y presupuesto de la obra).

1 Universidad Autónoma de Zacatecas, Centro de Estudios Multidisciplinarios, Av. Insurgentes No. 108A Zacatecas, Zac., [email protected], [email protected] 2 Universidad Autónoma de Zacatecas, Maestría en Planeación de Recursos Hidráulicos, Av. Ramón López Velarde No. 801, Zacatecas, Zac.

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Introducción En la última década la demanda del agua en el mundo aumentó aproximadamente seis veces, es decir, más del doble del índice de crecimiento de la población. La irrigación es con mucho, el consumidor más grande, utilizando aproximadamente el 69 % del agua disponible para usos humanos, seguido por la industria, utilizando el 23 %, de tal manera que, el 8% restante se utiliza para cubrir todos los usos domésticos (Niemczynowicz, 1999). En México, la agricultura consume aproximadamente el 78% del agua total disponible en México, (CNA, 2002).

En muchas re giones del mundo el manejo inapropiado del agua está amenazando la sustentabilidad de la agricultura de riego. Un factor que frecuentemente contribuye al deficiente manejo del riego es un servicio inadecuado de la distribución del agua, ocasionado por varias causas, como son infraestructura en mal estado, nula conservación, malas políticas de manejo, inexistente capacitación de usuarios, etc. Esto ha contribuido a que se tengan eficiencias muy bajas. La eficiencia de conducción promedio a nivel nacional es de aproximadamente el 60%, la de aplicación del 55%, y la eficiencia global es así, del orden del 33%, (Peña et al., 1999).

Para el estado de Zacatecas la situación es aun más crítica, porque cerca del 91% del agua disponible se destina al uso de la irrigación, aunado a lo anterior, los suelos son casi desnudos de vegetación, las lluvias son erráticas en cantidad y oportunidad, y además, la lluvia, según la FAO, no alcanza a cubrir ni la mitad de la evapotranspiración potencial de los cultivos.

Por lo que en Zacatecas, la Comisión Nacional del Agua en los últimos años ha implementado un programa de rehabilitación y/o modernización de la infraestructura hidroagricola en el Estado.

Entre las Unidades de Riego susceptibles a ser tec nificadas en el estado de Zacatecas, se encuentra la Unidad de Riego Calera. Está ubicada en el municipio de Calera de Víctor Rosales, a unos 30 Km. al norte de la ciudad de Zacatecas. Comprende una superficie de 190 hab. La zona de riego se abastece de la presa del mismo nombre, que tiene una capacidad de 1, 605 millones de m3. 2

La red de conducción y distribución de la zona de riego está constituida por canales de concreto (12 Km.) que presentan pérdidas de agua por evaporación e infiltración, y no cuenta con estructuras de medición, lo que ha ocasionado una operación deficiente, causando descontrol en el manejo del agua, pero lo más importante es la pérdida del recurso hídrico que se da a nivel parcelario. Esta problemática ocasiona que se tengan serias restricciones en el aprovechamiento integral de la Unidad.

Para mejorar esta situación, la UAZ elaboró el proyecto ejecutivo de tecnificación del riego que consistió en un sistema de baja presión para atender una superficie de 190 hab. con un gasto máximo de 170 lps, el cual tuvo como objetivos principales elevar las eficiencias de conducción y prioritariamente la de aplicación a través de uso de un sistema de riego localizado, recuperando importantes volúmenes de agua, además de reducir los intervalos de riego y las jornadas de riego por día.

Metodología y Resultados

El proyecto ejecutivo de la Unidad de Riego Calera se hizo siguiendo una serie de actividades, las cuales se mencionan a continuación: estudio y evaluación socioeco nómica de la zona, cálculo de las necesidades hídricas de los cultivos, trabajos topográficos, diseño hidráulico del sistema (análisis del funcionamiento de la operación del sistema y programación de la operación del mismo), y lo que se refiere al paquete de concurso (catalogo de conceptos, especificaciones de construcción y presupuesto de la obra). A continuación se describe las actividades mencionadas.

Evaluación socioeconómica

Se llevó a cabo una evaluación socioeconómica de la población de Calera, Zac., para ver el contexto en que están inmersos los usuarios de la unidad de riego “Calera”. Este estudio permitió determinar el número de usuarios de la presa, así como las condiciones de vida de los mismos. Estos cuentan en general con todos los servicios de electricidad, agua, vivienda, etc. El ingreso mensual promedio es de $4, 000.00. 3

Además este estudio indicó que la principal limitación para que se lleve a cabo la tecnificada la unidad de riego es por conflictos causados por la desorganización que existe entre los usuarios de la unidad.

Necesidades hídricas de los cultivos

En esta etapa del proyecto, se hizo en primera instancia la propuesta de un nuevo patrón de cultivos diferente al que se venia manejando en la unidad, ya que se debería buscar aquellos cultivos que se ajustaran a las condiciones climáticas y agronómicas de la región, además de que estas permitieran elevar la productividad de la unidad, y por ende el beneficio económico que tendrían los usuarios. Dentro del nuevo patrón de cultivos que se propuso se encuentran el ajo, la cebolla, el chile, el durazno, entre otros. Para el cálculo de las necesidades hídricas de los cultivos se utilizó el software CropWat desarrollado por la FAO, que utiliza el método de Penman Montie th para el cálculo de la evapotranspiración de los cultivos, que es uno de los métodos que más fundamentos fisicomatemáticos tiene.

Trabajos topográficos Se levantó un plano catastral de toda la Unidad de Riego, además se levantaron los perfiles a detalle de la línea principal y laterales de riego. En el plano catastral se hicieron los trazos de la línea principal y las líneas laterales, la delimitación de los módulos en que se seccionó la Unidad, así como la localización de cada una de las líneas regantes, véase Figura 1. El levantamiento topográfico se realizó con ayuda de equipo se posicionamiento global de alta precisión (GPS) y una estación de medición láser, que permite entre otras cosas, obtener con rapidez y exactitud los detalles de la topografía de la Unidad de Riego, en este caso.

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Figura 1. Levantamiento catastral y trazo de las líneas principales y laterales.

Diseño hidráulico del sistema

El diseño hidráulico del sistema consistió en determinar las longitudes y los diámetros adecuados de la línea principal y las líneas sublaterales, así como de las líneas regantes. El diseño comprendió también la determinación de la localización, dimensiones, y tipo de válvulas que requería el sistema. Finalmente, también implicó el diseño de un sistema de filtración.

Para el diseño del sistema se consideraron algunas condiciones particulares del lugar, como son, las cargas mínimas y máximas, 10 y 35 m, respectivamente, datos importantes a tener en cuenta para el funcionamiento adecuado del sistema de riego implementado. La red de distribución del sistema fue de 12 km. El gasto máximo instantáneo que se consideró fue de 170 lps. La propuesta de implementación de un sistema de riego por goteo, se hizo con base a un previo diagnóstico de la unidad de riego, y entre las principales consideraciones que se tomaron en cuenta fueron las características hidrodinámicas del suelo,

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características físicas y climatológicas del lugar, así como las características de los distintos sistemas de riego existentes; proponiéndose,

además un nuevo patrón de

cultivos, (Alvarado et al., 2002).

La Unidad de Riego P. A. Calera, en la actualidad aplica sus riegos por métodos superficiales, y dadas las características de los suelos como los son la textura y las pendientes topográficas, los métodos de riego por superficie no son aquí, en general, recomendables. Por otro lado los riegos frecuentes por aspersión podrían perjudicar el desarrollo foliar. Además, la aspersión representa un consumo hídrico mayor debido a la evaporación en toda la superficie del suelo.

El uso de sistemas de riego localizado se hace especialmente conveniente en el caso de suelos muy arenosos, con capacidad de retención muy escasa, como es el caso de los suelos que predominan en la Unidad de Riego Calera. El riego resulta extraordinariamente lento, y es apropiado para mojar sólo un pequeño entorno de cada punto de emisión.

Utilizando este tipo de riego se tiene poco consumo hídrico,

comparado con otros métodos; se tiene buen control sobre la uniformidad del riego, así como de la dosis aplicada; presenta una evaporación reducida.

Además de las ventajas ya mencionadas, el riego localizado es adecuado para cultivos en línea; este permite el increme nto de la producción con riegos ligeros y frecuentes, y es de fácil automatización, (Losada, 2002). Considerando lo anterior, se determinó que la opción más viable a llevar a cabo para la tecnificación de la Unidad de Riego Calera es, instalar un sistema de riego localizado por goteo.

El diseño se llevó a cabo modelando el sistema con el software EPANET.

Para el diseño hidráulico de la red de distribución de la Unidad de Riego, se tomó como base fundamental el mantener las presiones necesarias en algunos puntos que se consideraron como críticos, esto con la finalidad de garantizar un adecuado funcionamiento de los filtros, válvulas, y otros accesorios que componen el sistema que, permitirá entre otras cosas para mantener la limpieza y calidad del agua, así como el adecuado funcionamiento de los goteros, ya que de no haber un control sobre la presión

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o carga hidráulica estos funcionarán de manera inadecuada, lo que implicará que no se tenga una lámina de humedecimiento uniforme.

Otro de los puntos importantes que se consideraron para hacer el diseño, fue la programación u operación del sistema, ya que de ello dependerían en gran medida cuáles serían los gastos que circularían por las tuberías de conducción y por ende incidiría directamente en los diámetros y consecuentemente en los costos del sistema.

El uso del programa EPANET 2.0 permitió simular el sistema de riego en su totalidad, desde las tuberías principales hasta las tuberías porta ramales, además, la utilización de este modelo consistió en simular el funcionamiento y la ubicación de diferentes accesorios del sistema de riego como válvulas reguladoras, sostenedoras de alivio de presión, etc., filtros y otros sistemas que son característicos de los sistemas de riego localizado. De esta manera se pudo obtener el modelo de operación de la Unidad de Riego Calera.

Análisis del funcionamiento de la operación del sistema

La Unidad de Riego se dividió en diferentes secciones de riego con la finalidad de economizar los costos del proyecto y acortar los tiempos de operación diarios del sistema. Los módulos se dividieron de forma tal que, el gasto se distribuyera en forma equitativa a cada uno de los módulos, durante cada uno de los tiempos de riego. La Tabla 1 muestra las principales consideraciones que se tomaron en cuenta, así como las posibles alternativas para obtener el número de secciones más convenientes en que se dividió la Unidad, para llevar a cabo una adecuada operación del sistema.

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Tabla 1. Alternativas para la selección del número de secciones de riego.

Caso 1

Caso 2

Caso 3

( 3 secciones

( 4 secciones

( 5 secciones

de riego)

de riego)

de riego)

2

2

2

190

190

190

Gasto requerido (lps/ha)

7

7

7

Lámina de riego (mm/hr)

2.6

2.6

2.6

Superficie regada simultáneamente (Has)

21

19

19

Requerimiento máx. de riego (mm/día)

4.5

4.5

4.5

Tiempo de riego (hrs/día)

16.5

20

20

Intervalo de riego (días)

3

2

2

Superficie regada diariamente (has)

63

100

100

Concepto

Gasto por gotero (lph) Superficie total (has)

Después de hacer el análisis de las alternativas propuestas, se optó por seleccionar el caso 1, ya que los casos 2 y 3 implicaban sobre todo un mayor tiempo de riego, y por lo tanto de operación. Se seleccionó el caso 1 con la finalidad de tener una mejor y más fácil operación del sistema. Cada una de las secciones o módulos tienen una superficie aproximada de 65 hectáreas. El tiempo total de riego por día es de 16.5 horas.

La variación de la presión para el diseño del caso seleccionado (caso 1), se logra mantener en un rango apropiado, para las diferentes secciones de la Unidad, logrando tener un funcionamiento global del sistema satisfactorio. En las figuras 2 y 3 se presenta un perfil de las presiones que se presentan en la tubería principal, en las condiciones de funcionamiento más desfavorables (máximas y mínimas), respectivamente. De igual forma, en las figuras 4 y 5 se presentan también los perfiles de presión que se tienen en el lateral izquierdo, para las condiciones de funcionamiento más desfavorables (máximas y mínimas), respectivamente. En la figura 4, las caídas de presión se deben a

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la instalación de válvulas reguladoras de presión, que permiten mantener la presión en un rango conveniente, para la operación del sistema.

Figura 2. Perfil de presiones de las 0:00 – 5:30 horas de operación en la Tubería Principal, 1er día de operación.

Figura 3. Perfil de presiones de las 11:00 – 16:30 horas de operación en la Tubería Principal, 2do día de operación.

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Figura 4. Perfil de presiones de las 0:00 - 5:30 horas de operación en el Lateral Izquierdo, 2do día de operación.

Figura 5. Perfil de presiones de las 5:30 – 11:00 horas de operación en el Lateral Izquierdo, 1er día de operación.

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El simulador utilizado permitió observar el comportamiento de la presión hidráulica a lo largo de todo un periodo de operación (3 días de operación real o aproximadamente 18 horas de tiempo de simulación) en puntos críticos de la tubería principal, así como de los laterales 1+169 y 3+320 (Lateral Izquierdo). Estas gráficas permiten observar las variaciones de presión que hay en un determinado punto de la red a lo largo de toda la operación del sistema, lo que permite verificar en un momento dado el que al inicio de cada una de las tomas se tenga presión suficiente para la buena operación del sistema de riego presurizado. Por otra parte, también es posible observar gráficamente cuáles serían las demandas base en cada una de las líneas diseñadas, véase Figuras 6 y 7.

Figura 6. Demanda base requerida a lo largo de la tubería principal.

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Figura 7. Demanda base requerida a lo largo de la tubería lateral.

Programación de la operación del sistema

La programación de la operación del sistema se ha propuesto que se haga en 3 días, es decir, 21 hectáreas de cada módulo se regarán por día, para así sumar 63 hectáreas regadas diariamente en toda la Unidad de Riego. El tiempo total de riego por día es de 16.5 horas. Cabe mencionar que durante cada uno de los tres días en que se riega la unidad hay 3 “arreglos” distintos en cada uno de ellos, es decir, en las primeras 5.5 horas de riego del primer día solamente se deberán regar 21 hectáreas (aproximadamente 7 hectáreas de cada módulo); en el mismo primer día, pero en las siguientes 5.5 horas de riego (de la hora 5:30 – 11:00) deberán regar otras 21 hectáreas (7 hectáreas de cada módulo). Finalmente, en las últimas 5.5 horas de operación del sistema del primer día, se deberán regar las otras 21 hectáreas (7 hectáreas de cada módulo), para completar un total de 63 en un día. De manera similar se deberá hacer con los otros dos días de operación del sistema.

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Paquete de concurso El paquete de concurso consta de tres partes básicamente, el catálogo de conceptos, las especificaciones de concurso y el .presupuesto de la obra.

Catálogo de conceptos

El catálogo de conceptos incluye todos aquellos conceptos que deberán ejecutarse conforme las especificaciones de CNA, para que se lleve a buen término a construcción de la obra, esta forma se garantiza la calidad de los trabajos.

Especificaciones de concurso Las especificaciones son todos aquellos “requisitos” que se deberán cumplir para la construcción de la obra, tanto de tipo material como de calidad, obviamente que estas deben estar sustentadas por los estudios previos en el proyecto ejecutivo. Esta sirve de apoyo a los constructores a la hora de la construcción de la obra y además estas permiten garantizar la calidad de la obra, para que no se cambien los diseños que se han propuesto, y construir la obra tal cual se ha diseñado. Presupuesto de la obra

Se realizó también el presupuesto de la obra, es decir, el costo total de la tecnificación de la unidad de rie go, en la que se incluye principalmente, la readecuación de la obra de toma, así como la construcción de las líneas de conducción, principal y laterales, así como del sistema de riego por goteo. El presupuesto también incluyó la mano de obra.

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Conclusiones

El uso de los sistemas de riego localizado permite el ahorro de agua, aumentando con esto, el volumen de recursos hídricos disponibles para riegos subsecuentes o secundarios, siendo de mayor valía esto en zonas semiáridas o áridas, como es el caso del el estado de Zacatecas.

El uso de intervalos cortos de riego permite mantener la humedad en niveles óptimos para las plantas y la recuperación de volúmenes al no permitir pérdidas por precolación profunda ni coleos.

Manteniendo los criterios de un gasto pequeño por orificio y de aplicaciones frecuentes, los riegos localizados y, en particular, por goteo, permitirá una agricultura moderna, obteniendo altos rendimientos, y sobre todo, eliminar las pérdidas por precolación profunda y los excesos de aplicación del agua, con lo que se espera aumentar la eficiencia global del sistema de un 80-85 %.

Al desarrollar un modelo de operación del sistema y transferirlo a los usuarios permite entre otras cosas, llevar a cabo un control de la red hidráulica, de manera que la operación del sistema no quede a criterio de los usuarios, con lo que se espera obtener los beneficios esperados.

Recomendaciones

En la etapa de construcción del proyecto, se sugiere la participación de los usuarios de la Unidad para que supervisen que el proyecto se realice conforme a las especificaciones del proyecto. Es de vital importancia la capacitación de los usuarios respecto al manejo del sistema integral.

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Se recomienda la contratación de personal capacitado en el manejo de este tipo de unidades de riego para que se encargue de la asignación del agua, manejo de estructuras, planeación de los riegos y supervisión parcelaria.

Para futuros trabajos se recomienda la implementación de algunas técnicas de optimización a este tipo de proyectos que conduzcan a una mejor planeación y manejo de los recursos hídricos.

Referencias

Alvarado Medellín, P., Ortiz Gómez, R., Aguilar Ortega, F., Dzul García, O. A. y Gaytán Bautista, R. 2002. Proyecto Ejecutivo Unidad de Riego de la Presa de Almacenamiento

Calera.

Reporte

Interno.

Centro

de

Estudios

Multidisciplinarios, UAZ.

Comisión Nacional del Agua. 2002. Programa Nacional Hidráulico 2001-2006. Compendio Básico del Agua en México. Losada Villasante, A., López Gálvez, J. 2002. Riego localizado y plasticultura. Organización Meteorológica Mundial. pp. 1-204.

Niemczynowicz, J. 1999. Urban hydrology and water management - present and future challenges. Urban Water. 1(1):1-14.

Peña Peña, E., M. A. Montiel Gutiérrez, y B. De León Mojarro. 1999. Metodología para aumentar la eficiencia global en distritos de riego. En Memorias del IX Congreso Nacional de Irrigación, Culiacán, Sin. pp. 85-91.

Rossman, L. A. 2000. EPANET 2. Water Supply and Water Resources Division, National Risk Management Research Laboratory, Office of Research and Development, U. S. Environmental Protection Agency, Cincinnati, OH.

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