Análisis del entubamiento de la red de distribución en los módulos

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Artículo: COMEII-15019
I CONGRESO NACIONAL COMEII 2015
Reunión Anual de Riego y Drenaje
Jiutepec, Morelos, México, 23 y 24 de noviembre
ANÁLISIS DEL ENTUBAMIENTO DE LA RED DE DISTRIBUCIÓN EN LOS
MÓDULOS DE RIEGO
Jorge A. Castillo G.1; María Dolores Olvera Salgado1; Juan Carlos Herrera Ponce 1
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, Paseo Cuauhnáhuac 8532, Colonia Progreso, Jiutepec, Morelos,
C.P. 62550, México
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Resumen
En este trabajo a partir de una serie de anteproyectos de modernización de un Módulo de
Riego del Distrito de Riego 010, Culiacán Humaya, se realiza un análisis de sus
condiciones, comparando diferentes combinaciones de entubamientos y rehabilitación de
canales. Las opciones estudiadas son: la rehabilitación completa de los canales de riego, la
rehabilitación de los canales laterales y el entubamiento del resto de la red de distribución,
la substitución de la red de distribución de canales por canales entubados, y la
substitución de la red por entubamientos con la adición del cierre de algunas redes.
Se comparan diferentes combinaciones de entubados y rehabilitación de canales
analizando sus ventajas y desventajas desde un punto de vista operativo y económico.
Cabe destacar que se parte de la necesidad de la rehabilitación total de la red de
distribución del módulo, es decir, no es aplicable al caso de una red en buen estado, por
otro lado, un alto porcentaje de las redes de distribución de los módulos de riego del país
se encuentran en un estado de requerimiento de rehabilitación casi total.
El anteproyecto más económico resultó la rehabilitación de canales laterales y la
substitución del resto de la red de tuberías; sin embargo, considerando que no hay
diferencia significativa de inversiones, la que tiene más ventaja operativa es la de la
substitución total de los canales por tuberías, cerrando circuitos.
Palabras claves: canales; tuberías; modernización.
I Congreso Nacional COMEII 2015, Jiutepec, Morelos, México, 23 y 24 de noviembre
Introducción
Existe una creciente presión sobre los módulos de riego en todo el país para que se
incremente la eficiencia del uso del agua de riego, para esto se requiere de mejoras y
cambios en la forma de operación y en la infraestructura del módulo. Para tener un
sistema de operación que sea más preciso se requiere de suficiente infraestructura en buen
estado.
En general la infraestructura de los módulos de riego en el país se encuentra en mal estado
en gran parte debido a la conservación diferida provocada por la falta de recursos. En el
caso del Módulo de Riego IV-1, del Distrito de Riego 010, Culiacán Humaya, Sinaloa, las
tres cuartas partes de la red de canales se encuentran de regular o mal estado, lo que
provoca la necesidad práctica de rehabilitar la totalidad de la red de distribución.
Considerando esto se plantea la realización de una propuesta de infraestructura que ayude
al módulo a incrementar la eficiencia en el uso del agua.
El Módulo de Riego en estudio (IV-1) es abastecido por el canal principal Humaya, el cual
también abastece otros siete módulos, este canal es administrado por una Sociedad de
Responsabilidad Limitada (SRL), los canales que abastecen los terrenos del módulo IV-1,
laterales, sublaterales, ramales y subramales derivados son administrados por una
Asociación Civil (AC), que es la responsable de cobrar las cuotas, entregar el agua a los
usuarios y también el responsable de realizar proyectos de todo tipo enfocados al mejor el
manejo de los recursos del módulo en beneficio de los usuarios, por lo que este proyecto se
enfoca a red de distribución que maneja la AC, sin tocar el canal principal.
El módulo tiene una superficie aproximada de 15,000 hectáreas, ubicadas en un área
geográfica con desnivel, lo que facilita la circulación del agua por gravedad en los canales
de la red de distribución. Hay aproximadamente 40 m de diferencia entre la elevación más
alta y la más baja, este desnivel es energía potencial que puede aprovecharse para la
operación de la red de distribución sin la necesidad de utilizar equipos de bombeo, ésta es
suficiente para compensar las pérdidas de carga utilizando velocidades de circulación en
las tuberías cercanas a los 2 m/s, sin que los diámetros de tubo se incrementen más allá de
los mínimos necesarios, haciendo que el costo de la red sea también mínimo.
Materiales y métodos
Se analizaron cuatro alternativas de modernización de la red de distribución del módulo y
se seleccionó la más adecuada desde el punto de vista técnico y económico, considerando
ventajas en el servicio y costo. Las alternativas analizadas son las siguientes: rehabilitación
de la red de canales; rehabilitación de canales laterales y sustitución de canales
sublaterales, ramales y subramales por tubería; tubería en red abierta; y tubería en red
cerrada.
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Para cada alternativa se elaboró un anteproyecto de modernización con el objetivo de
definir las cantidades de obra, equipamiento necesario, los montos de inversión, así como,
analizar posibles ventajas y desventajas para el esquema de operación.
En dos de los cuatro anteproyectos se propone la rehabilitación total o parcial de los
canales de la red actual por lo que no se consideró la posibilidad de un cambio en el trazo;
y en los otros dos anteproyectos, se propone la construcción de redes de tubería cuyo trazo
y configuración podría ser distinto al de la red actual, sin embargo, la opinión de los
representantes del módulo y los usuarios es que se sustituyan los canales por tubería
siguiendo el mismo trazo de los canales que ya existen, para evitar modificaciones en las
parcelas y en la tenencia de la tierra. De otra manera, un nuevo trazo podría retrasar la
ejecución del proyecto, por los posibles desacuerdos entre los usuarios que tendrían que
ceder los espacios para la construcción de las nuevas estructuras.
Considerando lo anterior en los cuatro anteproyectos se propone seguir con el trazo de la
actual red de distribución, con ligeras modificaciones únicamente para la red cerrada por
ser indispensables. En la figura 1, se muestra una imagen del trazo que sigue la red de
distribución en el módulo.
Figura 1.- Trazo de la red de distribución del módulo
Con respecto a la ubicación de las tomas, al tratarse de una modernización de la red
existentes, en general la distribución de las tomas parcelarias se conserva, debido a que la
infraestructura dentro de las parcelas como las regaderas y los trazados de surcos y
melgas para las puestas de riego, ya se encuentra construida con base en la ubicación de
las tomas actuales.
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Para la determinación de la superficie que domina cada toma se hizo una revisión las
parcelas dominadas por cada toma. Para el diseño de las redes de tubería se consideró una
velocidad de circulación del flujo máxima de 2.5 m/s, y mínima de 0.5 m/s, para evitar
erosión, daño de la tubería y para evitar sedimentación de azolves.
Para el cálculo de los entubamientos se utilizó el programa EPANET, el cual fue útil
especialmente en el cálculo de las redes cerradas, esto se ilustra en la figura 2.
Figura 2. Cálculo de la red con EPANET
A continuación se describen las alternativas de modernización analizadas.
Rehabilitación de canales de riego
Esta alternativa propone rehabilitar completamente la red de distribución reponiendo el
revestimiento de concreto de los canales en su forma original, así mismo, renovar las
estructuras de control y medición que se encuentran destruidas o en mal estado.
Para desarrollar esta alternativa se tomó como base la información del inventario de
canales de la red y el estudio de diagnóstico de la situación en que se encuentra el módulo
IV-1 del D.R. 010 realizado por el IMTA.
Para calcular el costo total de la rehabilitación de la red de distribución, primero se
obtuvieron los costos unitarios por tipo de canal, debido a que la red tiene canales de
diferentes tipos de sección transversal, para cada tipo se obtuvo el costo de rehabilitación
por metro lineal de canal, de acuerdo a las condiciones predominantes y el costo del
suministro y colocación del concreto para el revestimiento de los canales.
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En la siguiente figura se muestra la proporción en que
conservación de la red de canales del módulo.
se
encuentra
el
estado
de
Figura 3.- Estado de conservación de la red de canales del módulo
Los precios unitarios varían de acuerdo al tamaño de la sección transversal; los costos van
desde 2,558.44 pesos para los canales de sección más pequeña hasta 3,999.14 para los
canales con la sección transversal más grande.
Con los costos unitarios calculados y con las longitudes desglosadas para cada uno de los
canales que conforman la red de distribución, se calculó el costo de la reposición del
revestimiento. En total la propuesta de rehabilitación de la red de canales requiere una
inversión total de 389,389,299.9 pesos.
El modulo cuenta con una superficie de 15,428 ha regables y todas se beneficiarían con la
modernización por lo que el costo unitario de esta alternativa sería de 25,239.1 $/ha.
Entubamiento de la red de distribución completa
En esta alternativa de modernización consiste en sustituir la red de canales por una red de
tubería, conservando la misma forma, es decir, las líneas de tubería seguirían el trazo de
los canales y las tomas se ubicarían en el mismo lugar donde se encuentran las tomas
granja actuales.
Para la construcción de la red de tubería se utilizarían tres tipos de material aprovechando
las ventajas propias de cada uno:
Tubos de PVC, para diámetros entre 250 y 630 mm, con las siguientes ventajas: precios
competitivos, amplia disponibilidad comercial en tubos y accesorios de estos diámetros,
facilidad de transporte e instalación, y sencillez en la reparación de fugas por
mantenimiento correctivo.
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Tubos de Polietileno de Alta Densidad, para diámetros de 26” a 52” (660-1200mm), con las
ventajas de precios competitivos, gran resistencia a la erosión, durabilidad y resistencia a
la intemperie.
Tubos de Poliéster Reforzado con Fibra de Vidrio, para diámetros > 1200 mm, disponibles
comercialmente en grandes diámetros, mayor hermeticidad que el concreto y menores
perdidas por fricción.
Figura 4.- Red abierta que sustituye los canales en su totalidad
Para conocer el monto de la inversión necesaria para esta alternativa, se calculó la red de
tuberías que sustituirían a la red de canales y se elaboró el catálogo de conceptos, la
inversión necesaria es de 353,145,844.47 pesos lo que equivale a una inversión de 22,899.93
pesos/ha.
Rehabilitación de laterales con entubamiento del resto de la red del módulo
En esta alternativa de modernización es una combinación de las dos anteriores consiste en
rehabilitar los canales laterales y sustituir los canales sublaterales, ramales y subramales
por tuberías siguiendo el trazo actual de la red de distribución.
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Para la construcción de las líneas de tubería se utilizarán las mismas tuberías descritas en
el apartado anterior.
El costo de esta alternativa de modernización se describe en el siguiente cuadro
Tabla 1. Costos de la alternativa
Concepto
Rehabilitación de canales Laterales
Sustitución por tubería de los canales
Sublaterales, Ramales y Subramales
Total
Costo ($)
210,158,666.35
133,276,418.96
343,435,085.31
Para esta alternativa la inversión necesaria son 343,435,085.31 pesos, lo que en términos
unitarios es una inversión de 22,260.5 pesos/ha.
Entubamiento y cierre de circuitos
Para configurar la red de distribución cerrada se siguió el mismo procedimiento que en la
red abierta se efectuó la simulación de su comportamiento hidráulico con EPANET y se
efectuó el procedimiento de ajuste y optimización de diámetros hasta conseguir resultados
óptimos en cuanto a desempeño hidráulico y costo. La red resultante se muestra en la
figura 5.
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Figura 5.- Red entubada con circuitos cerrados
Resumen de costos de alternativas
A manera de resumen y con el propósito de comparar las inversiones necesarias para las
diferentes alternativas. En la siguiente tabla puede observarse los montos de las
inversiones requeridas.
Tabla 2.- Costo de las alternativas de modernización del módulo
Opción
Costo $
Rehabilitación de canales
389,389,299.90
Red abierta de tubería
353,145,844.47
Red cerrada de tubería
367,957,143.93
Rehabilitación de laterales e
instalación de tubería en
Sublaterales y sus derivaciones 343,435,085.31
Como puede observarse la alternativa más costosa es la rehabilitación de canales con
386.39 millones de pesos y la más barata es la alternativa de rehabilitar los canales laterales
y cambiar por tubería los canales Sublaterales, Ramales y Subramales con un costo de
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343.44 millones de pesos. La diferencia es de al menos 13%, por lo que es más importante
considerar las ventajas y desventajas de cada opción al realizar una elección.
La alternativa que se propone es la segunda más cara pero es la que tiene mayores ventajas
operativas, su costo es de 367.96 millones de pesos lo que la ubica 21.43 millones de pesos
por debajo de la alternativa más cara y 24.52 millones de pesos por arriba de la alternativa
más barata, lo que la ubica en un costo intermedio, con fuertes ventajas en la operación
incrementando su flexibilidad y con disminución notable de las pérdidas por conducción y
operación.
Análisis costo - beneficio
El análisis económico de la propuesta de modernización, se basa en la comparación de dos
escenarios, sin proyecto y con proyecto en los 15 años posteriores a la inversión que serían
el periodo de vida útil de la de toda la infraestructura construida sin necesidad de
mantenimiento correctivo.
El escenario sin proyecto, es una proyección de la tendencia que ha tenido el módulo a
partir del ciclo agrícola 2000-2001 hasta el ciclo agrícola 2009-2010 para los próximos 15
ciclos agrícolas. En futuros ciclos agrícolas se consideran similares las eficiencias de
conducción y aplicación del agua a los cultivos, y se mantiene el rendimiento promedio
que se obtuvo en los ciclos de referencia; en cuestiones económicas, los costos de
producción y el valor de la producción se actualizan por efecto inflacionario a razón de
6.4% anual.
El escenario con proyecto, considera el principal beneficio de la modernización, el rescate
del volumen de agua que se pierde por conducción, desde los puntos donde el módulo
recibe el agua, hasta las parcelas. Con este volumen rescatado se propone el incremento de
superficie regada del principal cultivo, y de los tres cultivos que han generado mayor
utilidad por unidad de superficie, con la siguiente proporción: 55% del volumen rescatado
sería para incrementar la superficie de maíz que es el principal cultivo del módulo, 15%
para aumentar la superficie de tomate de exportación, 15% para acrecentar la superficie
de chile y 15%para Berenjena; estos tres últimos cultivos son los que generaron mayor
utilidad por unidad de superficie según las estadísticas de los ciclos agrícolas del año 2000
hasta el año 2010. En el aspecto económico, los costos de producción y el valor de la
producción se actualizan por el efecto inflacionario a una tasa del 6.4% anual, de la misma
manera que en el escenario anterior.
En la siguiente Tabla 3, se muestran los datos resultado de la aplicación del esquema con –
sin proyecto proyectado del ciclo agrícola 2014-2015 hasta el ciclo 2028-2029.
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Ciclo Agrícola
INVERSIÓN
2014-2015
2015-2016
2016-2017
2017-2018
2018-2019
2019-2020
2020-2021
2021-2022
2022-2023
2023-2024
2024-2025
2025-2026
2026-2027
2027-2028
2028-2029
Tabla 3.- Flujo de efectivo
Año
Utilidad
utilidad
sin
con
proyecto
proyecto
0
1
267.70
352.67
2
284.83
375.24
3
303.06
399.25
4
322.46
424.80
5
343.10
451.99
6
365.06
480.92
7
388.42
511.70
8
413.28
544.45
9
439.73
579.29
10
467.87
616.37
11
497.81
655.81
12
529.67
697.78
13
563.57
742.44
14
599.64
789.96
15
638.02
840.52
Diferencia
-391.506
84.96
90.40
96.19
102.34
108.89
115.86
123.28
131.17
139.56
148.50
158.00
168.11
178.87
190.32
202.50
Análisis y discusión de resultados
Con los datos da la tabla anterior se calculan la TIR, al Valor Actual Neto y la Relación
Benéfico – Costo.
Tabla 4.- Indicadores económicos del proyecto
Concepto
Valor
Tasa interna de retorno (TIR)
26.5%
Valor Actual Neto (VAN)
1,145.46 millones de
pesos
Relación Beneficio Costo
3.11
(RBC)
Los indicadores económicos demuestran que el proyecto es rentable, la inversión se
recupera entre el cuarto y quinto año y tanto la TIR como la RBC tienen valores más que
aceptables. Esto indica que es mejor entubar los canales que rehabilitarlos con la
reconstrucción de sus losas ya que el entubado además de tener pérdidas en la conducción
y el manejo del agua mucho menores, permite de manera más natural el establecimiento
de sistemas de riego más eficientes como goteo y microaspersión que permiten el
establecimiento de cultivos más rentables.
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El manejo de los sistemas de riego presurizados en redes de distribución de canales es
factible, pero su operación de forma correcta se dificulta ya que una de las razones por la
que estos sistemas son productivos es que realizan pequeños riegos de forma frecuente,
que, siendo abastecidos por los actuales canales abiertos permiten desperdicio de agua que
se iría a los drenes. Aquí cabe aclarar que para cambiar la forma de operar los canales del
esquema actual hacia aguas abajo a hacia aguas arriba, para facilitar su operación, se
requiere rediseño y reconstrucción.
Conclusiones
Es de mencionarse que el entubamiento tiene costos relativamente altos; sin embargo,
estos costos han bajado con el uso de materiales más económicos como son el PVC, el
polietileno de alta densidad (PEAD) y el poliéster reforzado con fibra de vidrio (PRFV) en
sus diferentes modalidades. El uso de estos materiales hace que para cierto límite de
tamaño de tuberías, sea incluso más económico que la construcción o reconstrucción de
canales, además de las ventajas de los entubados como el agua rescatada, bajo
mantenimiento y mejora en la operación.
Buena parte de la red de distribución de los módulos de riego del país se encuentra en
malas condiciones, por lo que el entubamiento es una alternativa con ventajas operativas y
que facilita el cambio de sistemas de riego por gravedad a sistemas presurizados; esto
permite incrementar tanto calidad como cantidad de los productos agrícolas de alto valor
como lo son muchas hortalizas. El entubamiento es una alternativa cada vez más usada
por sus ventajas; sin embargo requiere de un análisis económico en cada caso, ya que en
muchos casos los canales siguen siendo los más apropiados.
Referencias Bibliográficas
Castillo, G., Jorge A. (2013). “Plan de acciones para el uso sustentable del agua de riego y
el incremento de la productividad del módulo”. Informe de proyecto, Instituto
Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA), Jiutepec, Morelos, México.
Novelo, M., Soto, E. y Osuna, L. (2011). Criterios Técnicos en la Evaluación de Proyectos,
Fideicomisos Instituidos en Relación con la Agricultura (FIRA), FIRA Boletín de
educación financiera, Banco de México, agosto de 2011, Morelia, Michoacán,
México.
De León, B., Ángeles, J.M. (2007), Manual para diseño de zonas de riego pequeñas, Instituto
Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA), Jiutepec, Morelos, México.
Cuadra, J., y Ángeles, J.M. (2002). Manual para la elaboración y revisión de proyectos ejecutivos
se sistemas de riego parcelario, Comisión Nacional del Agua, México Distrito Federal,
México.
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