Evaluación experimental de redes hidráulicas de drenaje de suelos agrícolas

Transcripción

1 Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Agronomía e Ingeniería Forestal Programa de Doctorado en Ciencias de la Agricultura V Congreso Nacional - IV Congreso Iberoamericano de Riego y Drenaje Evaluación experimental de redes hidráulicas de drenaje de suelos agrícolas Patricio Oyarce Vargas Ing. Agr. M. Sc.

2 Problemática - Según un estudio de CIREN (2008) en Chile existirían 2.9 millones de hectáreas con problemas de drenaje, de un área agrícola potencial cercana a las 5 millones de Ha. (CIREN, 2008): - Es una de las principales limitantes para obtener los beneficios de las inversiones agrícolas, por su efecto negativo sobre la productividad de los cultivos - Los proyectos de drenaje financiados por empresas privadas no están adecuadamente registrados y los aportes de fomento público para drenar suelos son muy limitados, a pesar de la significativa inversión en el financiamiento público privado de proyectos de riego tecnificado.

3 Problemática Los agricultores: - Evitan en lo posible utilizar aquellos suelos con problemas de drenaje - Cultivan especies de corto periodo de desarrollo, en los meses que hay una depresión natural de las napas subsuperficiales - Desconocen el beneficio agronómico del drenaje agrícola - No cuentan con el apoyo de consultores y especialistas en temas de drenaje - La acción estatal de fomentar la investigación, transferencia tecnológica y el fomento a las inversiones en drenaje es casi inexistente.

4 Problemática - Escasa investigación respecto de este tema - Carencia de profesionales especializados en esta disciplina -Falta de modelos hidráulicos simples, materiales y maquinaria que simplifiquen el diseño y la instalación de redes de drenaje. - Carencia de herramientas innovadoras y de estaciones demostrativas o pilotos, donde se conduzca experiencia que demuestren los beneficios agronómicos. - Inexistencia de protocolos y normativas de diseño e instalación de un sistema de drenaje agrícola

5 Esta investigación E Desarrollo de materiales y estrategias para drenar suelos agrícolas con costos mínimos - Marco teórico -Experimentación piloto - Conclusiones

6 Marco teórico

7 Flujo interface suelo-dren Según Ernst (1954), el flujo del agua hacia un dren subterráneo consta: Flujo vertical descendente desde la napa Flujo horizontal hacia el área prox. del dren Flujo radial hacia el dren Flujo de entrada de agua en el dren Cada uno de estos flujos está sometido a una resistencia específica, representada por una pérdida de carga

8 Flujo interface suelo-dren La relación entre la pérdida de carga y la correspondiente resistencia es la siguiente: Donde; ΔH t = q L W i La pérdida de carga total es entonces: ΔH t = H e + H r + H h + H v h i = diferencia de carga (m), L = espaciamiento entre drenes (m), q = caudal específico (m/d), W = resistencia (d/m), i = subíndice v (vertical), r (radial), e (entrada) o t (total)

9 Flujo interface suelo-dren Si las resistencias W i son reemplazadas por coeficientes adimensionales: Donde; α= K * W; W = α K = conductividad hidráulica (m d -1 ), K α = Factor geométrico sin dimensión ΔH t = ql(w e + W r + W h + W v ) Donde: ΔH t = ql( α e K e + α r k r + α h k h + α v k v ) α v + α h = Dependen del medio poroso α r= Depende del medio poroso y diámetro del dren α e = Depende del medio poroso y tipo de dren

10 Pérdida de carga hidráulica (resistencia de entrada) El agua entra en un dren real a través de un número finito de perforaciones, que representan como máximo el 1 al 2% del área total de la pared de tubería Las líneas de corriente convergen hacia las perforaciones en la proximidad del dren. Esto causa una resistencia de entrada (W e ) y una pérdida de carga en la entrada (h e ).

11 Resistencia de entrada La resistencia de entrada de un dren real se puede calcular en base a: H e = q L W = ql K e e - Forma y disposición de las perforaciones del dren - Por pérdida de carga = diferencia de carga entre piezómetro lateral y piezómetro sobre el dren

12 Resistencia de entrada (α ep ) = Resistencia de entrada con limite plano (α ea ) = Resistencia de entrada con limite arqueado Limite entre suelos y las perforaciones (1). Perforación llena de suelos (2). Suelo forma límite plano con las perforaciones (3). Suelo forma un arco con las perforaciones (4). Suelo forma un límite irregular La transición entre el suelo y las perforaciones del dren también afecta a la resistencia de entrada, dado que ésta es provocada por la convergencia de líneas de corriente hacia esos orificios

13 Modelo de Dierickx (1999), para expresar la resistencia de entrada Resistencia de entrada para limite arqueado (α ea ) Resistencia de entrada para un límite plano (α ep ) Donde: C = distancia entre las filas, R o = radio externo del dren, β s = ancho de la ranura, Λ c = espacio entre las perforaciones sobre la circunferencia del dren.

14 Hipótesis y Objetivo Hipótesis: La optimización en la densidad y forma de las perforaciones de una tubería de drenaje permite aumentar su eficiencia de extracción de agua desde el suelo agrícola, respecto a los sistemas actualmente disponibles. Objetivo: El objetivo del trabajo fue evaluar y validar los modelos de resistencia de entrada del agua al dren, para definir la densidad óptima de las ranuraciones en tuberías de drenaje agrícola, en relación con el caudal de descarga y el sustrato a drenar.

15 Experimentación

16 Actividades Validar el ajuste de un modelo en un banco de prueba (modelo físico), para diferentes densidades de área de extracción de la tubería y la granulometría del medio. Evaluar la disminución de la carga máxima mecánica (CMM) de la tubería de drenaje resultante del incremento en la densidad de las perforaciones (aumento del área de extracción).

17 Metodología 1. Ensayo de Descarga Constante: En los ensayos de drenaje con caudal de descarga constante se mantuvo una altura piezométrica de 0.15 m sobre el dren; este ensayo se realizó con los sustrato 1 (s1), sustrato 2 (s2), además de trabajar sin sustrato sin malla (ssm) y sin sustrato con malla (scm). Sustrato 1 Sustrato 2 Densidad aparente [g/cm 3 ] Porosidad Total [%] Conductividad hidráulica saturada [m h -1 ] Porosidad drenable [%]

18 Metodología 2. Ensayo Descarga Variable: En los ensayos de tiempo de descarga variable, se utilizó 4 alturas piezométricas de columna de agua sobre el dren, midiendo el tiempo de descarga a los 0.20, 0.15, 0.10, 0.05 y 0 m sobre el dren; también este ensayo se realizó con los sustrato 1 (s1), sustrato 2 (s2), sin sustrato sin malla (ssm) y sin sustrato con malla (scm).

19 Metodología (ranurado) * 40 mm de diámetro externo Distancia entre ranuras c [mm] Ancho de ranuras β [mm] Área de extracción [cm 2 m -1 ] Resistencia de entrada (αe) Dierickx,

20 Metodología (ensayos mecánicos) Ensayo de impacto Norma UNE 53994/2012 NCh 399/2011 Diámetro tubería [mm] Altura de caída [m] Masa percusor [kg] Energía de impacto [N m -1 ] Ensayo de aplastamiento Norma NCh 815/1995 Diámetro tubería [mm] Aplastamiento [%] Presión [Bar]

21 Resultados (Caudal constante) Área de extracción [cm² m ¹] Resistencia de entrada αe Caudal [l/s] s1 Caudal [l/s] s2 Caudal [l/s] scm Caudal [l/s] ssm a a a a b b b b c c c c d d d d e e e e *Prueba de comparación múltiple de medias de Tuckey (P<0,05)

22

23 Resultados (ajuste experimental del modelo)

24 TIEMPO DE DESCARGA PARA DIFERENTES ALTURAS PIEZOMETRICAS Y DENSIDADES DE RANURADO: Con sustrato: el tiempo de drenaje se diferencia recién desde una altura de 5 cm, para cada ranurado Sin sustrato: el tiempo de drenaje se diferencia desde una altura de 15 cm, para cada ranurado Relación entre densidad de ranurado y profundidad de la napa

25 Resultados (ensayos mecánicos) A A: Superficie Lisa 60 cm B: Superficie Lisa 80 cm C: Sobre ranura 60 cm D. Sobre ranura 80 cm Sin daño Con daño Superficie Lisa Sobre ranura

26 Resultados (ensayos mecánicos) NORMANCh815/1995 Para tuberías de 40 mm Aplastamiento de 55 bares Sin daño Con daño

27 Resultados (Simulación Comsol) Líneas de flujo Menor presión Líneas de flujo Mayor presión DREN PERMEABLE IDEAL 360 DREN PERMEABLE IDEAL 180 INFERIOR

28 Resultados (Simulación Comsol) DREN PERMEABLE IDEAL 360 DREN PERMEABLE IDEAL 180 INFERIOR

29 Resultados (Simulación Comsol) DREN PERMEABLE IDEAL 360 DREN PERMEABLE IDEAL 180 INFERIOR

30 Conclusión La extracción de agua por medio de una tubería ranurada enterrada es directamente proporcional al área de extracción efectiva, determinada por la densidad de ranurado; sin embargo, a medida que se aumenta el número de ranuras por [m] de longitud de la tubería, esta pierde su capacidad de soporte y su resistencia al impacto mecánico. Debido a que no es posible aumentar la densidad de ranurado, por la pérdida de las propiedades mecánicas de la tubería, para sustratos finos y con la necesidad de utilizar malla envolvente para impedir el acceso de partículas sólidas a la tubería de drenaje, es necesario disminuir la distancia óptima entre drenes paralelos, para conservar una misma velocidad de extracción.

31 Conclusión Se ha establecido una relación entre la resistencia de entrada αe y el caudal de extracción, con una correlacionada alta entre los resultados del modelo de Dierickx y las mediciones experimentales. Los modelos de diseño de sistemas de drenaje utilizados en la actualidad se basan en considerar que las tuberías perforadas o ranuradas constituyen un dren ideal, esto es, no consideran la existencia de una resistencia de entrada a nivel de las perforaciones o ranuras.

32 Conclusión Este trabajo demuestra que esta resistencia de entrada debe ser considerada en el diseño, pues la distancia óptima entre drenes paralelos será significativamente menor que la distancia calculada sin incluir los valores de esta resistencia, especialmente en suelos de granulometría fina y cargas hidráulicas pequeñas.

33 GRACIAS

34 Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Agronomía e Ingeniería Forestal Programa de Doctorado en Ciencias de la Agricultura V Congreso Nacional - IV Congreso Iberoamericano de Riego y Drenaje Evaluación experimental de redes hidráulicas de drenaje de suelos agrícolas Patricio Oyarce Vargas Ing. Agr. M. Sc.