ARTÍCULO ORIGINAL

Diseño hidráulico de sistemas de riego para jardines en Cuba

Msc. Yemir Pino Puebla^{I  *} 

Dr.C. Albi Mujica Cervantes^II 

Dr.C. Mayra Emeria González Díaz^III 

^IEmpresa de Ingeniería y Arquitectura # 11 (EPIA-11), Camagüey, Cuba.

^IIUniversidad de Ciego de Ávila (UNICA), Facultad de Ingeniería, Centro de Estudios Hidrotécnicos (CEH), Ciego de Ávila, Cuba.

^IIIFAO. Food and Agriculture Organization of the United Nations, in Cuba.

RESUMEN

En la presente investigación se muestran los resultados obtenidos, durante la conformación de criterios de diseño, para garantizar la ejecución y explotación de sistemas de riego en jardines de forma eficiente. Se incluyeron aspectos relacionados con la determinación de las necesidades de riego, uso del agua, fuentes de abasto, según condiciones climatológicas regionales. Se abordan herramientas para racionalizar el sistema, garantizar eficiencia hídrica, facilitar su ejecución según recursos disponibles, especificando marco de riego, espaciamiento entre aspersores y laterales, así como esquemas de redes. Se detallan elementos sobre dimensionado de circuitos porta aspersores, red principal de distribución, sistema de control automático y estación de bombeo. Estos criterios de diseño fueron aplicados en centros turísticos de Cayo Santa María, Cayo Coco y Cayo Cruz, Cuba.

Palabras clave: criterios de diseño; uso del agua; marco de riego; espaciamiento entre aspersores

INTRODUCCIÓN

Durante el diseño, ejecución, manejo y explotación de jardines, intervienen varios factores, siendo de interés, el paisajismo, vegetación, climatología, movimiento de tierra, drenaje pluvial y sistema de riego, entre otros. Los efectos del cambio climático influyen negativamente sobre el desarrollo de la vegetación, siendo importante disponer de un sistema de riego de alta eficiencia hidráulica, que se adapte a las condiciones de explotación de las instalaciones. La preservación de la vegetación autóctona, selección de plantas a sembrar, el uso del agua y fuentes alternativas de reuso, desempeñarán un importante papel, a complementar con un diseño hidráulico de la red de riego racional.

En el proceso de diseño, se deben definir las necesidades hídricas, fuentes de abasto, esquemas hidráulicos de redes, tipo de riego (localizado, micro o aspersión), selección y ubicación de aspersores, marco de riego, dimensionamiento de laterales, circuito porta aspersores y red principal de riego, empleando herramientas informáticas. En Cuba no se cuenta con un método, o norma, que permita la conformación de un diseño racional, que garantice alta eficiencia de los sistemas de riego en jardines, integrado a la dinámica constructiva, lo cual constituye la motivación principal de esta investigación, y la solución a este problema su principal aporte científico.

MATERIALES Y METODOS

Requerimientos de riego y fuentes de Abasto

Determinar la evapotranspiración de referencia (ETo), mediante Penman-Monteith ^{Solano et al. (2003)}, aplicado por ^{Pino & Mujica (2007)}, muy empleado con buenos resultados (^{Da Silva, 2016}). Para el clima de Cuba la (ETo) oscila entre 5,0 y 6,3 mm/día. Precipitación aprovechable se define, utilizando las expresiones dadas por ^{Pacheco et al. (2004)}, la evapotranspiración real, tomando valores de coeficiente del cultivo, referidos por ^{Lamote (2002)}. Evapotranspiración real o calculada del cultivo (ETc) se expresará por: $ETc=ETo\cdot Kc$

Necesidades netas de riego (Hn) según ecuación general para balance hídrico: Hn = ETc - Pa (precipitación aprovechable) y lámina bruta: Hb = Hneta/Eficiencia (85% aspersión - 95% localizado). En cuanto al tipo de agua a utilizar, se recomienda la reutilización de aguas de lluvia, en combinación con aguas residuales tratadas (incluir nutrientes), para disminuir costos de explotación, integración con los sistemas de drenaje, garantizando sostenibilidad en el manejo y uso del agua para riego.

TABLA 1 Valores de Kc (coeficiente del cultivo) para jardines 

Plants Type	Kc
Shrubs and plants. Arid zones. (preferably hose irrigation)	0.3
Ornamental Shrubs	0.8
Upholstery and flower beds	1.0
Singular trees	0.7
Lawn	1.0

Marco de riego racional, diseño hidráulico novedoso. Sectores de riego

En áreas uniformes de césped, aplicar riego por aspersión; arbustos, macetas y árboles, riego localizado; microdifusores en estaca para tapizantes y macizos de flores. Las mangueras soterradas, en amplias zonas de jardín, para disminuir costos y consumos de agua. En ecosistemas costeros, el riego localizado o soterrado, no es la mejor opción, debido a la salinidad ambiental y salobridad del agua capilar.

Distribución de agua a presión, riego estacionario, sectores automatizados; disponer de tomas de riego, para su uso con mangueras, que cubra todas las áreas de jardín. Los radios de alcance de aspersores o difusores, dependerá de las sinuosidades arquitectónicas y extensión del jardín, empleando difusores de 1,5 a 5,2 m de radio para áreas reducidas, en jardines extensos radios de 8 a 14 m y hasta 18 m en grandes parques. Los sectores de riego localizado, aumentan la eficiencia hídrica, por lo que su uso es favorable, si se cumple con los criterios recomendados.

Las disposiciones entre aspersores aconsejadas son triangular o cuadrada, y las expresiones que se proponen para la determinación del espaciamiento entre laterales y aspersores, son las siguientes:

Disposición Triangular (Tresbolillo):

$Ea=0.50\cdot A$ (1)

$E_L=Ea\cdot 0.87$ (2)

Donde, Ea: espaciamiento entre aspersores (m), A: diámetro de alcance nominal del aspersor (m), y E_L: espaciamiento entre laterales.

Disposición cuadrada:

$Ea=E_L=0.5\cdot A$ (3)

FIGURA 1 Disposición cuadrada.  

FIGURA 2 Disposición triangular. 

No regar con vientos superiores a 25 km/h. Extender el marco de riego hasta un 85% de A, si fuese necesario, siempre con disposición Tresbolillo para minimizar efecto del viento (Figuras 3 - 4), seleccionar aspersores o difusores con más de 2 o 4 tipos de boquillas o toberas, de alta uniformidad, inclusive de radio reducible hasta en un 25% (^{Rain, 2018}; ^{Torres, 2019}).

Para el dimensionado hidráulico de laterales, se propone la expresión de pérdidas de carga en tuberías de Hazen - Williams, junto al factor F típico de Christiansen, que tiene en cuenta que el gasto no se distribuye uniformemente debido a las salidas múltiples (aspersores), expresiones asociadas en varias investigaciones (^{Sadeghi et al., 2011}; ^{Sadeghi y Peters, 2011}; ^{Zerihun et al., 2014}).

FIGURA 3 Disposición racional intermedia. 

FIGURA 4 Disposición racional límite. 

Se obtiene la pérdida de carga del lateral o ramal (hf) por la ecuación:

$Hf=(FI\bullet L)1.15$ (4)

Donde L es longitud del lateral o ramal (m); I pérdida de carga por unidad de longitud (m/m); Hf pérdida de carga total en lateral o ramal (m); F factor de Christiansen (corrección de la longitud) y (1,15) el 15% de perdidas locales.

$\Delta Pa\le 0.20Pn\bullet Asp$ (5)

La variación de presión a la entrada del circuito porta aspersor ∆ Pa, no debe ser mayor al 20% de la Presión nominal de trabajo del aspersor (Pn∙Asp), para que la distribución sea uniforme. El empleo de tablas acelera el diseño, al igual que programas informáticos u hojas de cálculo en Excel.

Determinar:

$\Delta Preal=\sum Hf\pm \Delta Z$ (6)

Comprobar:

$\Delta Preal\le \Delta Padmisible$ (7)

ΔZ (desnivel topográfico)

En Tabla No 2, Q representa el caudal total en L/s del ramal o lateral, las velocidades de diseño nunca deben exceder de 1.0 m/s para Ø ≤ 32 mm, para Ø > 32 mm velocidad máxima de 1.2 - 1.5 m/s, garantizándose menor perdida de carga y mayor uniformidad.

TABLA 2 Dimensionado rápido. H-W 

P.E.A.D. PN-10 atm. H-W, C=150.
V. m/s	I (m/m)	DN (mm) Øint.	Q (L/s)
1,0	0,096	20 (15,4)	0,.19
1,0	0,068	25 (20,4)	0,33
1,0	0,051	32 (26,0)	0,53
1,2	0,055	40 (32,6)	1,0
1,2	0,042	50 (40,8)	1,57
1,2	0,032	63 (51,4)	2,49
1,5	0,039	75 (61,2)	4,41
1,5	0,031	90 (73,6)	6,38
1,5	0,024	110 (90)	9,54
1,5	0,021	125 (102)	12,3
1,5	0,018	140 (115)	15,5
1,5	0,014	160 (140)	23,1

TABLA 3 Corrección de longitud por salidas múltiples 

F of Christiansen, to H-W. Iₒ=1.						F of Christiansen, to H-W. Iₒ=1/2.
# out.	F	# out.	F	# out.	F	# out.	F	# out.	F	# out.	F
1	1,000	11	0,397	22	0,374	1	1,000	11	0,369	22	0,359
2	0,639	12	0,394	24	0,372	2	0,518	12	0,367	24	0,359
3	0,535	13	0,391	26	0,370	3	0,441	13	0,366	26	0,358
4	0,486	14	0,387	28	0,369	4	0,412	14	0,365	28	0,357
5	0,457	15	0,384	30	0,368	5	0,397	15	0,364	30	0,357
6	0,435	16	0,382	35	0,366	6	0,387	16	0,363	35	0,356
7	0,425	17	0,380	40	0,364	7	0,381	17	0,362	40	0,355
8	0,415	18	0,379	50	0,361	8	0,377	18	0,361	50	0,354
9	0,409	19	0,377	60	0,359	9	0,374	19	0,361	100	0,353
10	0,402	20	0,376	100	0,356	10	0,371	20	0,360	200	0,352

Seleccionar F según Tabla 3, cuando la primera derivación esté a una distancia del comienzo de la tubería (lo), igual a la equidistancia (l) entre las derivaciones, es decir, l=lo, o bien cuando (lo = l/2). La relación de Iₒ/I es diversa, inclusive los laterales pueden presentar múltiples diámetros, por lo que para una mayor precisión emplear la expresión general F de Cristiansen, junto al factor correctivo G de Anwars’s (caudales de salida continuo) o G_AVG (caudales de salida múltiple) para H-W, según ^{Sadeghi & Peters (2011)}.

Los caudales (Q) de cada sector de riego, corresponden a la ∑Q aspersores, microaspersores o goteros (según corresponda), los sectores de riego localizado presentan Q pequeño, La cantidad de aspersores o difusores por sectores de riego deben ser similares, para garantizar Q homogéneos, las características de los mismos iguales para cada sector por separado y similares para todo el sistema (presiones, Intensidad y caudal).

El riego localizado aumenta la eficiencia (≥ 95%), pérdidas de agua mínimas, presentando grandes ventajas, pero necesita una elevada inversión, control y mantenimiento para su adecuado funcionamiento (^{Martin, 2018}). Su instalación puede ser en línea o entre líneas, expuesto o soterrado, con amplia gama de surtidos según fabricante ^{Rain (2018)}, para su selección aplicar criterios establecidos en tabla de Karmelli-Keller, que relaciona, caudales, separación entre emisores y tipo de suelo, con porcentajes de humedad.

Red hidráulica principal simulada y estación de bombeo

La red principal de distribución, estará compuesta por sistema de mallas, el pre-dimensionado se realiza, mediante su transformación en una red ramificada equivalente. Pudiéndose dividir el Qm/2, (Qm) caudal máximo del sector de riego más desfavorable; partiendo de la velocidad máxima admisible en la tubería (1,2 a 1,5 m/s), se obtiene el diámetro interior mínimo de los tramos. Se debe considerar inicialmente que: cada sector se riega desde un único nudo de la malla, que el gasto de entrega sea continuo, y que el pre-dimensionado de la red se realice cuando circula el caudal máximo en solo un sentido de los tramos (Figura 5).

FIGURA 5 Predimensionado de la red principal. 

Realizado el trazado, definidas las longitudes, cotas topográficas, se procede a modelar la red en EPANET, pudiéndose combinar con EpaCAD ^{Palomino & Quintana (2017)}, para facilitar la transportación de datos, definiendo las presiones en los nudos, diámetros definitivos, pérdidas y velocidades de tramo a tramo, para caso extraordinario. Las presiones a la entrada de cada sector de riego, se define en corridas específicas (^{Fernandes et al., 2012}). El caudal total a impulsar por el sistema hidroneumático, será el correspondiente al sector crítico, al igual que la carga hidráulica total, incluyendo un coeficiente de pérdidas locales de 1,15. El sistema de bombeo debe presentar mínimo de dos a tres bombas en paralelo, incluyendo una de reserva, presostato o variador de velocidad (preferentemente).

Fuentes de abasto, almacenamiento, automatización y control del riego

Captación de aguas de lluvia y reuso de agua tratada, premisa de sostenibilidad para definir fuentes de abasto (^{Díaz, 2018}; ^{Torres, 2019}). Almacenamiento independiente al de agua potable, con dos vasos por separados, con capacidad mínima recomendada de 1 día de reserva, máximo dos cada uno, un reservorio almacenar aguas de lluvia y en otra agua tratada. Control y gestión del sistema de riego central o autómata desde el cual, se activan todos los sectores de riego y válvulas automáticas solenoides. El autómata debe estar ubicado en local de jardinería preferentemente (existen múltiples opciones), con conexión directa on/off al sistema hidroneumático. Incorporar sensores de humedad del suelo, medidor de lluvia, sincronización solar con medidores de la evapotranspiración, para a través de software realizar balance hídrico diario, inclusive un sistema computarizado puede ser la opción si se disponen de los recursos.

RESULTADOS Y DISCUSION

Requerimientos de riego y volúmenes de almacenamiento. Hotel Coco Caribe, Cayo Cruz, Camagüey, Cuba. 528 habitaciones

El balance hídrico para mes de mayor déficit (abril), aflora una lámina de riego neta de 5,10 mm/día, teniendo en cuenta un 85% de eficiencia en el sistema de riego por aspersión, se debe aplicar una lámina de riego bruta de 6 mm/día, en un área de 1,80 ha, lo cual representan un consumo máximo diario de 108 m³/día. Se ejecutará un vaso de hormigón para el almacenamiento de aguas de lluvia, con rebosadero automático hacia el vaso de agua de reuso, con capacidad cada uno de 1 día de reserva (Volumen = 108 m³).

FIGURA 6 Planta general de áreas verdes. Hotel Coco Caribe. 

Selección del sistema de riego, Aspersores y marco de riego. Hotel Coco Caribe

El diseño y ejecución, optan por la certificación Breeam, con criterios de sostenibilidad ambiental, el uso del agua con alternativas de reuso (pluvial y residuales) aportan créditos. Área total que cubre la obra 7,19 ha, zona costera, frágil, niveles del manto freático de hasta 0,60 m sobre el NMM. Se ha decidido efectuar un riego por aspersión a un área de (1,80 ha) que representan un 25% del total, con cobertura para el riego con tomas y mangueras. A las áreas de vegetación autóctona conservadas, no se les aplicará riego.

FIGURA 7 Red Principal y secundaria para riego (Circuito Porta Aspersores). 

Se analiza (Figura 6), junto a topografía, viales, drenaje, y poliredes, para seleccionar difusores auto emergentes ^{Hunter (2018)}, radios de alcance de 5,2 m, presión de trabajo 1,7 kg/cm² y caudal 0,98 m³/h, ajustables entre 0º- 60º. En áreas de jardín interiores muy reducidos, se dispone de difusores, radio 2.1 m, presión de trabajo de 1,4 kg/cm², caudal 0,25 m³/h, elevados a 0,6-1,0 m, según altura de macizo de flores. Se incluyen tomas de bronce para uso con mangueras, cubriendo todas las áreas de riego (1,80 ha), en puntos vulnerables (piscinas), las tomas se conectan a la red de agua potable. Marco de riego triangular (tres bolillos), se aplican las expresiones, (1), ajustadas para un espaciamiento entre aspersores del 0,85 del alcance, luego la distancia entre laterales según (2).

Los aspersores deben ubicarse, de forma tal que se pueda mantener la estructura de ramales y laterales apropiada, según marco de riego definido (Triangular), luego se procede a realizar el trazado de tuberías dentro del circuito porta aspersores, según se expone en Figura 7, de esta manera es posible dimensionar los circuitos porta aspersores, aplicando la expresión (4), (5), tablas 2 y 3, junto a hojas de cálculo en Excel, software, o tablas completas que cumplan con los criterios de velocidades establecidos, los resultados se representan en Figura 8.

FIGURA 8 Esquemas hidráulicos. Circuito porta aspersores.  

Al aplicar Tabla 2 de dimensionado rápido, siempre se cumple con el criterio de ∆ Pa ≤ 0,20 Pn. Asp. (5), calcular (6) y comprobar (7), demostrando que la entrega de presiones a los aspersores es uniforme, garantizando eficiencia y ectores de riego 7 y 8. Racionalidad. Emplear difusores o aspersores pequeños de bajo caudal es favorables, pues los costos disminuyen, la inserción de nuevas tecnologías es fundamental, siempre debe consultarse las tablas de datos técnicos de fabricantes, Hunter y Rain Bird, pues el uso de aspersores o difusores con gama de boquillas es una opción real, como lo es aspersores de doble chorro, y difusores con radio regulables (^{Hunter, 2018}; ^{Rain, 2018}).

Red Principal de suministro de agua para riego. Hotel Coco Caribe

Caudal en sector crítico de 6,22 L/s, presión máxima requerida 27,5 m.c.a. Las corridas en EPANET, demuestran lo factible de ejecutar un sistema con red principal mallada con diámetro uniforme de DN 2 1/2” en norma ASTM, Øint. 66,92 mm, PVC, PN-11, SDR-26. Ramal principal desde equipo hidroneumático de DN 3”, Øint. 81,54 mm, PN-11. Red mallada, para favorecer presiones, pérdidas, consumo energético, mantenimiento y reparación, trazado junto a zanja de poliredes.

FIGURA 9 Corrida en EPANET. Sector No 6. Punto crítico. Red principal. 

Equipo de bombeo, y control automático. Hotel Coco Caribe

Caudal máximo a circular de 6,53 L/s, carga hidráulica total 35 m.c.a, resultado de corridas en EPANET, permite precisar la potencia de las bombas a instalar. Recomendando 2 en paralelo + 1 de reserva (Pot=6,6 kW total, trabajando 4,4 kW).

El hidroneumático acciona on/off desde controlador automático de riego. Se ha determinado el punto de operación del sistema, junto a curva característica, durante las múltiples corridas, para todos los sectores de riego. El Sistema de control automático propuesto, garantiza funcionamiento simultáneo de programas, conexión con sensores, ubicación en el exterior/interior, soporte a pared o sobre pedestal, arranque y avance manual por teclas, entre otras ventajas, Modelo ACC-1200-SS, capacidad de hasta 12 sectores de riego.

Valoración de recursos, Racionalidad del sistema y Eficiencia.

Cuantificar los recursos disponibles, para efectuar una adaptación racional y diseñar un proyecto viable, sostenible, ajustado a las condiciones climáticas locales. Los resultados que se exponen a continuación, demuestran ahorros significativos en los costos de importación, disminuyendo en un 55% los recursos a emplear, cubriendo el 100% del área de riego prevista.

TABLA 4 Valoración de recursos, Eficiencia y Racionalidad 

Elements considered	UN	Rational Design	Traditional Design	Unemployed resources
Sprinklers Circuits	USD	7300	13505	6205
Main Network	USD	7800	14430	6630
Hydro pressure Syst.	USD	14400	16900	2500
Energy consumption	kW/h	4,4	8	3,6
Total	USD	29500	44835	15335

En Tabla 4, se observa un ahorro en tuberías, accesorio, difusores, tomas, y equipo de bombeo de 15 335 USD, para un sistema de riego de jardín racional (eficiente, novedoso).

El consumo de energía es menor, ahorrando diariamente 3,6 kW/h. En un tiempo de riego de 4 horas previsto 14,5 kW/día∙300 días = 4350 kW/año. Si se tienen en cuenta que en Cuba 0,25 L de petróleo equivale a 1 kW/h de generación, se estarían ahorrando 1090 litros de petróleo por cada 1,8 ha de riego de jardín (460 USD/año).

CONCLUSIONES

• Se proporcionan criterios, expresiones, esquemas, tablas resumidas, que garantizan un diseño hidráulico de sistemas de riego para jardines, racional, novedoso, y de alta eficiencia.

• Los criterios establecidos han sido aplicados a instalaciones turísticas en cayos al norte de Cuba, presentando los resultados obtenidos en Hotel Coco Caribe, Cayo Cruz, con 1,80 ha de riego de jardines.

• Se introducen aspectos de sostenibilidad ambiental, fuentes alternativas para reuso del agua y eficiencia hídrica.

REFERENCES

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Recibido: 15 de Diciembre de 2019; Aprobado: 25 de Septiembre de 2020

^*Author for correspondence: Yemir Pino Puebla, e-mail: [e-mail]