TEMA 15 TEORÍA DE DRENAJE

Transcripción

1 TEMA 15 TEORÍA DE DRENAJE Página 1 Compilado por: Ing. E.L. Díaz Ing. O. Duarte Ing. C. Ricciardi

2 El Drenaje agrícola en su expresión más simple se basa en tres aspectos fundamentales, que son: 1) Aspecto Agrícola: es la búsqueda del equilibrio expresado en la definición de la relación suelo-planta-aire-agua, se presentan una extensa gama de niveles que pueden expresarse por el rendimiento de la planta frente a estados de excesos de humedad en el perfil del suelo, de diferente duración ó tiempo de sumersión "ts". En este mismo esquema debe introducirse otro condicionamiento, la "época" que se produce la sumersión. En el ciclo vegetativo hat determinadas épocas en que la planta es muy sensible a la sumersión y el grado o alcance de esta repercute directamente en el rendimiento, pudiendo en casos extremos llegar a ocasionar la muerte de la misma. Establecida una programación de cultivos a implantar en el área a sanear o drenar, se deberá hacer un balance cualitativo y cuantitativo de los rendimientos para estados diferentes de sumersión "ts", en cada época crítica de los cultivos, o por cada estación, etc. De esta manera podremos determinar las situaciones más críticas y los niveles en los que se alcanza la sumersión. Los resultados se relacionarán con los costos de implantación del sistema de drenaje que asegure el tiempo de sumersión correspondiente a cada caso. De ello surgirá la relación Beneficio/Costo que hará la implantación óptima desde el punto de vista económico. Lo que obtendremos y que luego será elemento de diseño será el "tiempo de sumersión admisible". Otro valor agronómico del cual dependerá nuestro diseño es la "Profundidad de abatimiento del frente de saturación", = n. 2) Aspectos edáficos: el conocimiento del suelo en todo estudio de drenaje agrícola es un aspecto clave. Como lugar de asentamiento de las plantas, como reservorio de agua, como almacén de nutrientes, como planta evaporadora y concentradora de sales, como elemento conductor y regulador de los movimientos del agua ( efectos de capilaridad y gravitatorios ). De allí surge que se deberán estudiar las condiciones : - Físicas. - Químicas. - Hidrodinámicos. - Biológicas. ( relacionadas con la fertilidad) De estos estudios surgirán los caminos a seguir para la recuperación de los suelos degradados, descensos de napas y frentes de saturación, las operaciones de disminución de la salinidad, laboreos especiales y la incorporación de abonos, etc. En nuestro estudios de drenaje, en que nos referimos particularmente a la eliminación del exceso de agua nos interesa conocer como elemento clave el coeficiente de conductividad hidráulica o permeabilidad "K". 3) Aspectos hidrológicos: el drenaje regional de cuencas encierra una variedad de imperativos a resolver hidrológicamente. Desde el punto de vista del diseño nos interesa conocer los caudales máximos a evacuar por la red de colectores de los distintos órdenes y el emisario Página 2

3 final, ya sea para el diseño y proyecto de una red de drenaje o el reacondicionamiento de la existente ( ya sea natural o artificial ), que desde el pinto de vista de la productividad que queremos alcanzar resulta suficiente. Para el diseño de nuestro sistema de drenaje, debemos calcular los caudales a evacuar, y para ello utilizaremos las formulaciones hidrológicas, ya vista en el capítulo de escurrimiento superficial y subterráneo. Por lo que deberemos incorporar una nueva serie de elementos para el diseño: a) Precipitación: - altura de precipitación. - intensidad de la misma. - duración de la lluvia de diseño "d". - frecuencia asignada. b) Relieve: - pendiente "I". - rugosidad "n" de Manning. - radio hidráulico. - secciones de pasaje del agua. c) Suelo: - infiltración "I". - Permeabilidad "K". - Erosividad. d) Cartografía: - curva número ó coeficiente de escurrimiento. - tiempo de concentración "tc". DRENAJE EN LA PARCELA Esta técnica engloba todos los trabajos que tienen como objeto la evacuación intensiva, en lapsos determinados y cortos, en todos los puntos de una parcela de un terreno agrícola y de una manera uniforme, de las aguas en exceso o que se estanquen en superficie haciéndola menos apta para un cultivo. El drenaje se practica tanto en zonas húmedas como en zonas irrigadas; en los lugares húmedos, donde la salinidad no constituye un problema, la esencia del drenaje es mantener una zona de aireación sobre la capa freática. Mientras que en las zonas irrigadas, donde deberá tenerse en cuenta la salinidad, también es necesario mantener una zona radicular aireada, pero probablemente sea de mayor importancia la necesidad de mantener la parte de las raíces razonablemente libre de sales solubles. De acuerdo con la naturaleza de las obras y el acondicionamiento de las parcelas a drenar podemos distinguir las siguientes características: a) Drenajes por zanjas abiertas ( fig. 1) b) Drenajes por cañerías enterradas ( fig. 2) b.1. zanjas cubiertas b.2. canalizaciones con tubos de barro cocido, cemento o plástico. ( fig. 3). b.3 drenes conformados en la tierra con un arado topero ( fig. 4). c) drenaje por pozos absorbentes. (fig. 5). d) abatimiento de la capa freática por bombeo ( fig. 6). Página 3

4 Naturaleza del drenaje por tuberías: Tecnología de Tierras y Aguas I - Teoría de Drenaje Un drenaje por tuberías enterradas consiste esencialmente en una red de tuberías dispuestas en el suelo de la forma más conveniente para sanearla y para airearla. Las tuberías son en general de barro cocido, cemento ó plásticas. Una red comprende dos series de tuberías colocadas unas a continuación de las otras: unas formadas por tuberías del más pequeño diámetro, llamadas "pequeños drenes" o "drenes", y otras de diámetro mayor y variable, que reciben el nombre de colectores. Los "drenes" están dispuestos, casi siempre en líneas paralelas los unos a los otros, tomando directamente el agua del suelo y conduciéndola a los colectores. Estos evacuan el agua arrojándola sucesivamente en los colectores secundarios; el que reúne finalmente todas las aguas del área considerada es el "colector principal". Se termina por una obra que se llama "boca" y se arroja en una zanja, un riachuelo, un río, una lámina de agua que se conoce como "emisario". Ese conjunto de drenes y de colectores que vierten los unos en los otros y se reúnen para terminar en una misma boca lleva el nombre de "sistema". Hay tantos sistemas como bocas. Dirección de los drenes: La dirección de los drenes se define en relación a la línea de máxima pendiente. Se distinguen dos técnicas principales: - transversalmente a la dirección principal de la pendiente, se lo conoce como "drenaje longitudinal". Constituye el método más comúnmente adoptado en las aplicaciones prácticas del drenaje. - paralelamente a la dirección de la pendiente más grande, se lo conoce como "drenaje longitudinal" constituyendo en la actualidad casos particulares de drenaje. Las razones que hacen superior al primero frente al segundo son: a) los drenes dispuesto transversalmente a la pendiente evacuan las aguas más rápidamente que los otros, porque los colectores tienen en este caso la pendiente máxima que se les puede dar, lo que asegura el desecamiento del suelo en el tiempo más pequeño posible y evita los problemas de obstrucción de cañerías. b) los drenes transversales hacen sentir su acción a una distancia más grande, o lo que es equivalente, cada uno de ellos actúa sobre un volumen de tierra mayor, y por consiguiente permite reducir el número de tuberías empleadas por unidad de superficie. Colectores Los colectores, en el drenaje transversal, están dispuesto siguiendo la pendiente máxima y colocados en las depresiones del terreno, los colectores secundarios en las depresiones secundarias y los colectores principales en las depresiones principales. Estas disposiciones tienen que ser rigurosamente respetadas, es decir, que los colectores tienen que adaptarse a las inflexiones de la topografía. Página 4

5 En el caso de existir drenes más largos de lo aconsejado se colocan los denominados colectores de reanudación, asimismo se colocan cuando se trata de recibir una serie de drenes que no pueden ser unidos directamente a estos colectores en razón de su diámetro grande ( mayor a 0.14 m ). Las uniones de los drenes y colectores deben hacerse mientras lo permita la topografía en un ángulo mayor a 30 y menor que 60. Excepcionalmente pueden acercarse a los 90, y si por algún tipo de problema debe unirse a contrasentido el dren con el colector, se lo debe unir por una curva de un radio de por lo menos 5 metros. La longitud total de la red es variable, según el trazado adoptado, se debe evitar en la medida de lo posible el drenaje en forma de "aleta de pescado", pues exagera el drenaje del terreno vecino al colector. Para el caso del agua que ingresa lateralmente a un potrero existen los denominados "drenes de cintura", que tienen como objetivo interceptar el ingreso lateral del agua al sistema a drenar. Estos drenes acaban en los colectores secundarios o principales de la red. No es conveniente darles una longitud muy grande, y hacer que se comuniquen con los colectores por lo menos dada metros, y en casos especiales a una distancia de la línea del perímetro igual al cuarto a la mitad de la separación, adoptada para los drenes. Profundidad de la red de drenaje subsuperficial. A partir de las fórmulas de espaciamiento de los drenes se deduce que la profundidad de los drenes y su separación son dos variables que dependen linealmente una de la otra, para una misma condición hidrológica. Es decir que para el diseño debemos prefijar una de las dos y evaluar la otra. Ambas variables juegan una aumentando el volumen de excavación unitario por metro de dren ( a mayor profundidad ), y el número de drenes ( a menor espaciamiento ). La decisión ingenieril consiste en diseñar un sistema que cumpliendo los objetivos agroingenieriles resulte el óptimo desde el punto de vista económico. Como principio general lo primero que se hace es deducir la profundidad y a partir de ella calcular el espaciamiento entre drenes. La determinación de profundidad será hecha esencialmente por consideraciones prácticas y experimentales. Esta profundidad varía de hecho entre 0.70 y 1.50 metros. En los terrenos drenados muy superficialmente, el agua gracias a los fenómenos capilares, se mantiene en un nivel elevado, en suelos arcillosos o pesados la componente de ascenso capilar es importante. El drenaje profundo ejerce una acción más activa que la del drenaje superficial, y desde el punto de vista ingenieril debe ser preferido. A diferencia del drenaje superficial el profundo no presenta el problema de obstrucción de los drenes por las raíces. Por otro lado debe tenerse en cuenta un límite inferior de profundidad, pues si se arriesga un descenso elevado pueden suceder problemas en caso extremos de sequía. Página 5

6 DRENAJE REGIONAL El Objetivo del Drenaje regional es determinar cuales son las causas de la elevación del nivel freático en un área. Conocer si es producto de la recarga a partir de un río, pérdidas de eficiencia del sistema de riego o por un origen de la elevación de los niveles de aguas subterráneas (períodos húmedos). Las investigaciones necesarias son: a) construcción de una red de pozos de observación: de profundidad que oscila entre 3 a 5 metros, en lo general de 1 metro por debajo del nivel freático. Los diámetros oscilan entre 0.10 a 0.15 m, se construye con un barreno de suelos, se lo entuba con cañería de PVC y filtros que se engravillan. Se deben medir sistemáticamente los niveles de la napa freática y toda la red de pozos se relaciona topográficamente a una cota (normalmente Cota IGM o una cota relativa). b) Mapa de suelos: de los pozos de estudios se toman muestras de suelos para su análisis y se construye un plano general de los suelos en escala acorde al área de trabajo ( 1: a 1: ). c) Determinación de la conductividad hidráulica: en cada uno de los pozos realizados mediante barrenos se realizan determinaciones de la conductividad hidráulica k a distintas profundidades (dependiendo del tipo de suelos). d) Balance hidrológico: si la superficie a drenar es amplia es conveniente analizar las componentes del ciclo hidrológico mediante la técnica del Balances Hídricos tipo Thonrthwaite. e) Confección de planos: en base a la cartografía base de la región (normalmente planchetas IGM escalas 1: a 1: , o fotografías aéreas escala 1:20.000) se confeccionan los siguientes planos e.1) Plano Base e.2) Plano de isohipsas: curvas que unen puntos de igual nivel de la freática con intervalos entre 0.20 a 0.50 metros. Es un mapa de gran importancia para definir las zonas de recargas y descargas, define las líneas de flujo del escurrimiento subterráneo. Permite inferir las variaciones de la K espacialmente, en curvas cercanas la k disminuye, en curvas alejadas la k aumenta. e.3.) Plano de isobatas: curvas que unen puntos de igual profundidad al nivel freático. Definen las áreas con mayor o menor profundidad a la freática y marca las áreas que se encuentran afectadas a mayor escala. Este plano se trabaja en conjunto con el de áreas cultivadas. e.4.) Plano de niveles mínimos: permite determinar las condiciones del hidroapoyo del sistema. Para ello se utilizan los mínimos niveles registrados. e.5.) Plano de isoincrementos: se obtienen tomando las diferencias de alturas de un mes determinado con respecto al de mínimos niveles por lo que determinan las áreas de igual variación del nivel freático. Página 6

7 e.6.) Plano de isosalinidad: unen puntos de igual salinidad del suelo (generalmente de 0.50 a 1.00 metros de profundidad), para obtener la variación salina a esa profundidad y la afectación a partir de la freática. e.7.) Planos de k : permite diferencias zonas con distintos suelos y capacidad de conducción de aguas. e.8.) Plano de redes de flujo: permiten determinar las redes de escurrimiento subterráneo. e.9.) Hidrogramas de pozos en el tiempo: para cada pozo de observación se representan los hidrogramas de niveles en función del tiempo y asociado con riegos y precipitaciones. Bibliografía - Custodio, E y R.Llamas Hidrología Subterránea. Editorial Omega. - USDA. (2001). National Engineering Handboob. Part 650. Capítulo 10. Table Control - USDA. (2001). National Engineering Handboob. Part 650. Capítulo 14. Water Management (Drainage). - International Institute for Land and Improvement. Principios y aplicaciones del drenaje. ILRI Chambouleyron, 1980.J. Riego y drenaje. ACME. - Roe, H. y Q. Ayres Drenajes agrícolas para ingenieros. Ed. OMEGA S.A., Barcelona. 546 p. - Rojas, R Drenaje superficial de tierras agrícolas. CIDIAT. - Theobald, G Métodos y maquinarias para el drenaje por tubos. FAO. Página 7

8 DRENAJE AGRÍCOLA PARCELARIO I -Contenido: El desarrollo teórico se realiza en la unidad Nº 12 y 13. Criterios de drenaje agrícola. Principios del drenaje subsuperficial y superficial. Drenaje subsuperficial. Drenaje por zanjas. Drenaje por tubos. Parámetros de diseño. Fórmulas del flujo de agua a drenes o zanjas en medios homogéneos y heterogéneos. Cálculo del espaciamiento de estructuras de drenaje. Drenaje superficial. Cálculos de los excedentes hídricos superficiales. métodos de drenaje superficial. Diseño de una red colectora. II.- Objetivos para el alumno: Manejar los métodos de drenaje subsuperficial. Diseñar redes de drenaje parcelarios. Definir el método más adecuado de drenaje en cada situación. III.- Actividades: Cálculo de lámina. Cálculo del espaciamiento de drenes, longitud y diámetro de los drenes. Interpretación de cartas y planos. Gráficos y conclusiones. IV.- Recursos o Material de apoyo: Se considera como un mínimo indispensable contar con los siguientes materiales didácticos para el adecuado desarrollo del práctico: Guía de trabajo. Series de datos de estaciones pluviométricas. Planchetas ó cartas topográficas del área bajo análisis. Planímetro. Datos de suelo y cultivos. Página 8

9 DRENES APOYADOS SOBRE UN TERRENO IMPERMEABLE Eje Y (m) q c K Superior n H h Dren Q (m 3 /seg) 0 L (m) Dren E (m) Q (m 3 /seg) Eje X (m) A partir de la Ley de Darcy que dice: Q = k * S * I Donde: Q = caudal subterráneo K = Conductividad hidráulica del suelo saturado S = sección de conducción I = gradiente hidráulico (m 3 /día) (m/día) (m 2 /día) (m/m) Si se aplica al caso de un sistema de drenes subterráneos espaciados una distancia E (m) y a una profundidad H (m) desde el terreno natural, sobre un terreno impermeable, siendo la conductividad hidráulica del terreno superior K (m/día), para cualquier sección de conducción se puede escribir para el caudal por unidad de ancho a una distancia x desde el centro entre dos drenes: Q = q c * (x * 1 m) S = y * 1m I = - dy/dx Por lo que q c * x = - k * y * dy/dx que equivale a q c dx = - k * y * dy si integramos obtenemos q c x 2 / 2 = -k*y 2 / 2 + Constante q c x 2 + k*y 2 = constante para X = 0 implica que y = h por lo que Constante = k * h 2 para X = L implica que y = 0 por lo que Constante = q c L 2 finalmente k * h 2 = q c L 2 y adoptando E = 2 * L tenemos que: E 2 = ( 4 * K * h 2 ) / q c finalmente E = 2 * h * (k / q c ) Página 9