Conducción del Agua en Canales de Riego: Tipos y Materiales

Las técnicas de canalización de aguas lluvias son aquellas que permiten recoger, transportar y aprovechar el agua de la lluvia para diversos fines, como riego, abastecimiento o prevención de inundaciones. Existen diferentes tipos de técnicas de canalización de aguas lluvias, según el método, el material y el diseño que se utilicen.

Tipos de Canales

Existen diferentes tipos de canales, entre ellos:

• Cunetas: Son zanjas que se construyen a lo largo de las calles o caminos para conducir el agua de la lluvia hacia un punto de desagüe o almacenamiento. Suelen estar hechas de hormigón, asfalto o piedra. HAURATON ofrece una familia de productos denominada FASERFIX que cumple todas las exigencias de carga.
• Canales: Son estructuras más anchas y profundas que las cunetas, que se usan para transportar grandes volúmenes de agua de la lluvia desde una zona alta a una baja. Pueden estar revestidos de hormigón, metal o plástico. HAURATON tiene la respuesta perfecta con sus originales canales. RECYFIX es un material hecho 100% de materia prima reciclada.
• Tubos: Son conductos cerrados que se instalan bajo tierra o sobre la superficie para llevar el agua de la lluvia a un lugar determinado.
• Tanques: Son recipientes que se colocan en los puntos donde cae el agua de la lluvia, como los bajantes de los techos, para recolectarla y almacenarla.
• Techos verdes: Son sistemas que consisten en cubrir los techos de los edificios con vegetación y una capa impermeable, para captar el agua de la lluvia y utilizarla para regar las plantas o almacenarla para otros usos. Utilice una sierra de corona (accesorio de taladro) para cortar libremente la abertura de conexión vertical en el canal y desbarbar con un cuchillo de corte.

La elección de la mejor técnica de canalización de aguas lluvias depende de varios factores, como el clima, el terreno, el presupuesto y el objetivo del proyecto.

Diseño y Construcción de Canales Hidráulicos

El diseño y construcción de canales hidráulicos es un tema de gran importancia, especialmente en tierras bajo riego. Este problema adquiere un nivel importante de complejidad cuando se trata del diseño de canales sin revestir excavados en suelos aluviales. Ello se debe a la gran cantidad de variables a tener en cuenta y a la falta de un conocimiento adecuado en lo que respecta a los fenómenos físicos vinculados (Farias, 1995). Los fluidos son elementos líquidos o gaseosos que al tener baja cohesión molecular adoptan la forma del recipiente que los contiene. Estos recipientes pueden clasificarse en canales o tuberías.

En los primeros se tiene una superficie del fluido en contacto con la atmósfera, en el segundo el fluido está confinado en un espacio cerrado haciendo que este ejerza una presión a la tubería. En el caso de los fluidos líquidos, la diferencia para los conductos no solo se limita a la forma, sino al comportamiento del fluido dentro del conducto. Dentro de las tuberías el líquido fluye debido a fuerzas como son la gravedad, resistencia, presión y viscosidad; adicional a estas fuerzas, en los canales actúan la tensión superficial y fuerzas que puedan provocarse si hay sedimentos arrastrados. La adición de fuerzas en los canales con respecto a las tuberías hace que su estudio sea más complejo (Sotelo-Ávila, 2002).

Los canales adicionalmente tienen ciertas características que deben considerarse para entender la dinámica del fluido que contienen. Una de estas características es el borde libre, que se define como la distancia o altura desde la superficie del líquido (normalmente agua) hasta la parte superior del canal. El borde libre se tiene en cuenta ya que permite (entre otras condiciones), que las ondas de agua oscilen sin salirse del canal. Otra característica es la pendiente longitudinal del fondo del canal necesaria para el flujo del agua (Chow, 2004). Estas y otras características deben ser asumidas a la hora de la construcción de canales para la conducción de agua.

Los canales pueden ser de tipo natural o artificial debido a su origen. Los primeros han sido creados por los ecosistemas para drenar el agua de la tierra en forma de arroyos o ríos. Por su parte los canales artificiales son creados por el hombre para generar electricidad, navegación, riego, etc., estos canales tienen como principal reto conducir eficientemente el agua para cumplir la función por la cual fueron creados.

Los canales naturales tienen su flujo en lo que se denomina "cauce"; este es irregular por las variaciones del caudal de agua en el tiempo, lo cual hace que las dimensiones, profundidad y forma varíen a lo largo del canal. Contrario a los canales naturales, los artificiales tienden a ser de forma geométrica claramente definidas y en diversas secciones se tienen dimensiones constantes.

Basados en las características anteriormente mencionadas, se observa que transportar agua en canales es un trabajo complejo que involucra muchas variables.

Optimización y Automatización

En la literatura es posible encontrar el desarrollo de diferentes sistemas de canales o el estudio de los fenómenos físicos que intervienen en el flujo del agua por los canales, todo esto para la optimización de los recursos. Sistemas de adquisición de datos inalámbricos y acceso remoto para el cubrimiento de necesidades básicas como el desarrollado por (Bolaños et al, 2015), el cual permite aprovechar al máximo las fuentes naturales de agua y de esta manera evitar pérdidas considerables. Otro trabajo es la implementación de un sistema de automatización basado en controladores no lineales de nivel, para el control de las compuertas de un canal de irrigación (Dulhoste et al, 2007; Marbello, 2005).

La optimización de canales basados en su diseño es un tema de interés; (Vatankhah, 2013) optimiza el flujo a través de secciones geométricas semi-rectangulares que son propuestas y evaluadas para dicho fin por Swamee y Chahar (2012) y Tofiq y Guven (2015) quienes describen formas para el diseño óptimo de canales de riego desde la fuente al destino, minimizando costos teniendo en cuenta la topografía del canal y el uso de técnicas de programación lineal. Se han propuesto algoritmos como el MHBMO (Niazkar y Afzali, 2015) el cual pretende minimizar los costos y aumentar la optimización de secciones de canales de formas comunes.

Por último, el análisis de flujos en canales sirve para apoyar actividades académicas, como es el caso de (Bougamouza et al., 2015), donde se realiza el análisis de la consecuencia de tener en el flujo un obstáculo en el fondo del canal rectangular, esto realizado en pruebas en el laboratorio. También se han diseñado y construido canales hidráulicos para aulas educativas como es el caso de (Marín, Menjívar y Zavaleta, 2012), trabajo en el que se generan manuales de mantenimiento y guías de laboratorio para el aprovechamiento del canal construido.

Canales Hidráulicos: Flujo y Clasificación

El flujo de agua en un conducto puede ser: flujo en canal abierto o flujo en tubería. Aunque estas dos clases de conductos son similares en muchos aspectos, se diferencian por el hecho que los canales tienen una superficie libre en la cual el líquido está en contacto con la atmósfera. Por otra parte, el flujo en tuberías puede ser: a tubo lleno funcionando bajo presión (o forzado); y a tubo parcialmente lleno funcionando como un canal (Marín, Menjívar y Zavaleta, 2012).

A pesar de la similitud que existe entre estos dos tipos de flujo, es mucho más difícil resolver problemas de flujo en canales abiertos que en tuberías a presión. Las condiciones de flujo en canales abiertos se complican por el hecho de que la posición de la superficie libre puede cambiar con el tiempo y el espacio, y también porque la profundidad de flujo, caudal y las pendientes del fondo del canal y de la superficie libre son interdependientes (Chow, 2004).

Clases de Canales Abiertos

Un canal abierto es un conducto en el cual el agua fluye con una superficie libre, dependiendo de su origen, un canal puede ser natural o artificial. Los canales naturales incluyen todos los cursos de agua que existen de manera natural en la tierra, los cuales varían en tamaño desde pequeños arroyos en zonas montañosas, hasta quebradas, ríos grandes y pequeños ciénagas y los mares.

Los canales artificiales son aquellos construidos o desarrollados por los seres humanos un ejemplo de ellos son: canales de vegetación, canales de centrales hidroeléctricas, canales y canaletas de irrigación, cunetas de drenaje, vertederos, canales de desborde, canales de madera, así como canales de modelos construidos en el laboratorio con propósitos experimentales (Chow, 2004; Marín, 2012). También existe un caso particular de ciudades que sufren de inundaciones repentinas por lluvias, donde sus calles se convierten en canales (Cama-Pinto et al., 2016).

Diseño y Construcción de Canales Abiertos

En este ítem se describe el proceso de cálculo de parámetros del canal partiendo de ecuaciones existentes para poder realizar su diseño. Entre los parámetros calculados están la geometría del canal, la curva de pendiente crítica y la profundidad normal.

Geometría del Canal

Apoyándose en las necesidades presentes del laboratorio de hidráulica de la Universidad Manuela Beltrán y con base a las características del banco hidráulico (Armfield), se optó por la construcción de un canal rectangular que cumpla con las especificaciones sugeridas en la Figura 2. Estos detalles se toman como referentes del canal de manufactura original que es complemento del banco ya existente en la institución.

De la literatura se toman las ecuaciones a utilizar para la obtención de los valores propios del canal (Chow, 2004; Rodríguez, 2008; Morales Nava y Et al, 2013). En la Figura 2, se observan las dimensiones propuestas para el diseño, tales como: ancho del canal (b) = 0,076 metros; altura del canal (HT) = 0,25 metros; y aunque no se observa en la Figura 2, también se tiene la longitud del canal (L) = 5 metros.

El borde libre (BL): se obtiene por una simple regla de 3 teniendo en cuenta que este sería el 30% de la altura total del canal.

Cálculo de Pendiente y Caudal

Para determinar la curva de la pendiente crítica versus caudal, el rango de altura crítica Yc (m) y posteriormente el caudal de operación del canal Qop, es necesario realizar iteraciones con las ecuaciones (9) y (11), y luego obtener el valor del punto crítico directamente del grafico Sc vs Qc. Las iteraciones realizadas se muestran en la Tabla 1. En ella se dan valores de profundidad del flujo Yc, en un rango de 0,005 a 0,25 metros y se utiliza η = 0,010 que es la rugosidad del vidrio; estos datos serán utilizados para obtener la gráfica que permita obtener el punto de operación del equipo (Chow, 2004).

Al realizar las iteraciones y graficar, se evidencia que existe una parte de la gráfica terminada en punta con forma de nariz, y es precisamente en el cambio de pendientes sobre la curva donde podemos ubicar el caudal de operación máxima de nuestro sistema, como se puede ver en la Figura 3, de donde se obtienen los valores siguientes: profundidad crítica (Yc = 0,02 m); pendiente crítica (Sc = 0,001765); y caudal crítico (Qc = 0,00067317 m3/s). (S), representa la pendiente del canal y el valor usado en nuestro caso es 0,01765 (adimensional).

Después de realizar el proceso de iteración se obtiene que: Yn = 0,0693236 m

Ahora, retomando los valores encontrados, se tiene que: YCc = 0,0849 m; Yn = 0,0693236 m; Ymax = 0,175 m

De los resultados mostrados anteriormente se observa que Yn < YCc, lo que indica que el canal es de pendiente fuerte "zona 2", pero de igual manera cabe resaltar que el perfil del flujo puede cambiar con el valor del caudal utilizado, esto indica que en el mismo canal se pueden obtener diversos tipos de flujo: sub-critico, crítico y supercrítico.

La inclinación del canal se calcula con ayuda del teorema de Pitágoras, teniendo en cuenta que el ángulo será de θ = 1° y L = 5 m como se muestra en la Figura 4.

Validación del Prototipo

Para efectos de validar el funcionamiento del prototipo construido, se realizó un experimento que permitió determinar la relación entre la energía específica y la carga de agua por encima y por debajo de un bloque con forma de triángulo sumergido en el canal, para ello se utilizó el montaje mostrado en la Figura 9. Para efectos de encontrar la energía especifica antes y después del bloque no se contemplan los cambios bruscos en el flujo debido a que no hay cambio en la geometría de la sección que dé lugar a tirantes críticos múltiples (Sotelo-Ávila et al., 2006).

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