Optimización Energética de Sistemas de Riego Localizado

Con el fin de obtener una metodología de diseño óptima para las Redes de Riego Localizado de Alta Frecuencia, el objetivo general de esta investigación se centra en establecer criterios que conlleven a un óptimo diseño de estos sistemas, partiendo desde el díselo de un submódulo, hasta llegar al diseño de la red matriz, teniendo en cuenta importantes variables como los turnos de riego, la distribución de turnos y los números de emisiones, así como los costos energéticos condicionados al uso de bombas. Dentro de los objetivos específicos se comprende a grandes rasgos, el análisis y verificación de metodologías para el diseño de un submódulo en un sistema RLAF, interpretación y análisis de variables de operación que pudieran modificar la eficiencia de una RLAF, así como la importancia de costos energéticos dentro de un sistema operado por bombeo.

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TESIS DE PREGRADO 

 

OPTIMIZACIÓN ENERGÉTICA DE SISTEMAS DE RIEGO LOCALIZADO 

DE ALTA FRECUENCIA. DISEÑOS OPTIMIZADOS.

 

 

 

 

Andrés Felipe Ardila Jiménez 

 

 

Asesor: Juan G. Saldarriaga Valderrama 

 

 

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES 

FACULTAD DE INGENIERÍA 

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL 

PREGRADO EN INGENIERÍA CIVIL 

BOGOTÁ D.C. 

2013 

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AGRADECIMIENTOS 

 

A  mis  padres,  Irene  y  Alberto,  a  quienes  les  debo  todos  los  logros  que  he 
obtenido en mi vida, por su incondicional amor y paciencia, sin ellos nada de 
esto hubiera sido posible. A mis hermanos Juan y Andrea, por ser ejemplos a 
seguir y por apoyarme siempre. 

 

A  mi  asesor,  el  profesor  Juan  Saldarriaga,  y  a  los  integrantes  del  Centro  de 
Investigaciones  en  Acueductos  y  Alcantarillados  de  la  Universidad  de  los 
Andes – CIACUA, por brindarme su conocimiento y ayuda. Gracias a ellos he 
podido crecer como ingeniero, colega y amigo.  

 

Muchas Gracias. 

 

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                                     Universidad de los Andes 
                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                          Proyecto de Grado 

TABLA DE CONTENIDO 

 

ÍNDICE DE GRÁFICAS ...........................................................................................................................iii 

ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................. iv 

ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................................................... vi 

1. 

INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ..................................................................................................... 1 

1.1 

Introducción ........................................................................................................................ 1 

1.2 

Objetivo General ................................................................................................................. 3 

1.3 

Objetivos Especificos ........................................................................................................... 3 

2. 

MARCO TEÓRICO ......................................................................................................................... 5 

2.1 

Redes de Riego Localizado de Alta Frecuencia ................................................................... 5 

2.1.1 

Componentes de una Red de Riego Localizado de Alta Frecuencia ............................... 6 

2.1.2 

Emisores de Riego ........................................................................................................... 8 

2.1.2.1  Comportamiento hidráulico de los emisores .................................................................. 8 

2.1.2.2  Clasificación de emisores .............................................................................................. 11 

2.2 

Uniformidad del Riego ...................................................................................................... 15 

2.2.1 

Tolerancia de caudales y presiones ............................................................................... 17 

2.3 

Hidráulica de los sistemas RLAF ........................................................................................ 18 

2.4 

Diseño Hidráulico Tradicional de redes RLAF ........................................................................ 20 

2.5 

Metodología para el diseño de submódulos de una RLAF propuesta por Bermúdez........... 24 

2.5.1 

Metodología de la Superficie Óptima de Gradiente Hidráulico .................................... 24 

2.5.2 Cálculo de la presión de entrada al Submódulo propuesto por Bermúdez ......................... 26 

2.6 Metodología de diseño optimizado de submódulos de sistemas RLAF mediante Programación 
Lineal propuesto por Hernández ....................................................................................................... 29 

2.7 Pruebas para la metodología propuesta por Bermúdez y Hernández para el diseño de 
submódulos de sistemas RLAF .......................................................................................................... 37 

2.7.1 Caso de estudio 1, Submódulo simétrico con topografía planta ..................................... 37 

2.7.2 Caso de estudio 2, Submódulo Asimétrico con topografía planta ................................... 40 

3. DISEÑO DE LA RED MATRIZ PARA SISTEMAS DE RIEGO LOCALIZADO DE ALTA FRECUENCIA ...... 44 

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                                     Universidad de los Andes 
                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

ii 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                          Proyecto de Grado 

3.1 Programa REDES ...................................................................................................................... 45 

3.2 Planteamiento de la Red Matriz .............................................................................................. 48 

3.3 Metodología OPUS (Optimal Power Use Surface) .................................................................. 49 

1. 

Estructura de Árbol ........................................................................................................... 50 

2. 

Optimal Power Use Surface .............................................................................................. 50 

3. 

Distribución Óptima del Caudal ........................................................................................ 51 

4. 

Cálculo de diámetros ......................................................................................................... 51 

5. 

Redondeo de diámetros .................................................................................................... 51 

6. 

Optimización ..................................................................................................................... 51 

3.4 Turnos de Riego ....................................................................................................................... 52 

3.4.1 Ejemplo de diseño mediante turnos de riego ...................................................................... 52 

3.4.1.1 Caso de Estudio 3 .......................................................................................................... 53 

- Un turno de Riego ................................................................................................................... 53 

- Dos turnos de Riego: ............................................................................................................... 55 

- Cuatro turnos de Riego: .......................................................................................................... 57 

3.5 Distribución de turnos ............................................................................................................. 58 

3.6 Número de Emisores por planta ............................................................................................. 60 

3.7 Pruebas y análisis para el número de turnos, la distribución de turnos y el número de 
emisores por planta ...................................................................................................................... 61 

3.7.1 Caso de Estudio 4 ............................................................................................................. 61 

3.7.2 Caso de Estudio 5 ............................................................................................................. 75 

4. REDES DE RIEGO LOCALIZADO DE ALTA FRECUENCIA ALIMENTADAS POR BOMBEO .................. 84 

4.1 Costo comercial de la bomba .................................................................................................. 84 

4.2 Costos energéticos .................................................................................................................. 86 

4.3 Costo de la red matriz ............................................................................................................. 86 

4.4 Resultados y Análisis ............................................................................................................... 86 

5 CONCLUSIONES .............................................................................................................................. 91 

6 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................. 93 

 

 

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

iii 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                          Proyecto de Grado 

ÍNDICE DE GRÁFICAS 

 

Gráfica 1 Coeficiente de Uniformidad Resultante vs PES, Caso de estudio 1 ................................... 38 
Gráfica 2 Curva Costo vs Diámetros de tubería. Tomado de Hernández (2012) .............................. 39 
Gráfica 3 Curva CU vs PES, Caso de Estudio 2 ................................................................................... 42 
Gráfica 4 Curva Q vs Presión para emisor ACUAFLO fabricado por AGRIFIM. Tomada del catálogo 
de emisores de AGRIFIM ................................................................................................................... 64 
Gráfica 5 Potencia máxima vs costos bomba .................................................................................... 85 
Gráfica 6 Altura de Bombeo vs Costos, Caso de Estudio 4 ............................................................... 88 
Gráfica 7 Altura de bombeo vs Costos proyección a 2 años, Caso de Estudio 4............................... 89 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

iv 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                          Proyecto de Grado 

ÍNDICE DE FIGURAS 

 
Figura  1 Clasificación de RLAF en función del caudal. Adaptado de (Saldarriaga, 2007) ................... 6 
Figura  2 Componentes Generales de una RLAF. Adaptado de Saldarriaga (2007) ............................ 7 
Figura  3 Curvas caudal vs presión. Tomado de Bermúdez (2010) ..................................................... 9 
Figura  4 Secuencia del diseño hidráulico de una red RLAF. Adaptado de Pizarro (1996) ................ 20 
Figura  5 Línea de Gradiente Hidráulico Óptima. Adaptado de Hernández (2012) .......................... 25 
Figura  6 Relación CUr - PES. Tomado de Bermúdez (2011) ............................................................. 27 
Figura  7 Valores para  ,   y   según    y   . Tomado de Bermúdez (2011) .................................. 28 
Figura  8 Diagrama de Flujo, metodología para diseños de Su módulos de sistemas RLAF mediante 
Programación Lineal y SOGH. Tomado de Hernández (2012) .......................................................... 35 
Figura  9 Diagrama de Flujo, metodología para diseños de Su módulos de sistemas RLAF mediante 
Programación Lineal y SOGH. Tomado de Hernández (2012) .......................................................... 36 
Figura  10 Caso de Estudio 1, REDES 2012 ........................................................................................ 37 
Figura  11 Caso de Estudio 2, red asimétrica con topografía plana .................................................. 41 
Figura  12 Esquema Red Matriz de Sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia ..................... 44 
Figura  13 Programa Redes, desarrollado por el Centro de Investigaciones en Acueductos y 
Alcantarillados, CIACUA .................................................................................................................... 46 
Figura  14 Interfaz REDES. Elementos de diseño ............................................................................... 47 
Figura  15 Interfaz REDES. Metodologías de diseño ......................................................................... 47 
Figura  16 Modelación Red Matriz .................................................................................................... 48 
Figura  17 Esquema Metodología OPUS, tomado de “OPTIMAL POWER USE SURFACE FOR DESIGN 
OF WATER DISTRIBUTION SYSTEMS” ................................................................................................ 50 
Figura  18 Caso de Estudio 3, Análisis de turnos de riego ................................................................. 53 
Figura  19 Distribución de caudales para 1 turno de riego, Caso de Estudio 3 ................................. 54 
Figura  20 Distribución de caudales para el primer turno de riego, Caso de Estudio 3 .................... 56 
Figura  21 Distribución de caudales para el segundo turno de riego, Caso de Estudio 3 ................. 56 
Figura  22 Distribución de caudales para cuatro turnos de riego, último submódulo, Caso de 
Estudio 3 ............................................................................................................................................ 57 
Figura  23 Opción A Distribución de riego con 3 turnos, Caso de Estudio 3 ..................................... 59 
Figura  24 Opción B Distribución de riego con 3 turnos, Caso de Estudio 3 ..................................... 59 
Figura  25 Opción C  Distribución de riego con 3 turnos, Caso de Estudio 3 .................................... 59 
Figura  26 Opción D Distribución de riego con 3 turnos, Caso de Estudio 3 ..................................... 60 
Figura  27 Configuración sistema de riego, Caso de Estudio 4 ......................................................... 62 
Figura  28 Submódulo de Riego, Caso de Estudio 4 .......................................................................... 62 
Figura  29 Distribución de turnos con 1 turno de riego, Caso de Estudio 4 ...................................... 69 
Figura  30 Distribución de turnos con 2 turnos de riego Opción A, Caso de Estudio 4 .................... 70 
Figura  31 Figura  30 Distribución de turnos con 2 turnos de riego Opción B, Caso de Estudio 4 .... 70 
Figura  32 Figura  30 Distribución de turnos con 2 turnos de riego Opción C, Caso de Estudio 4 .... 71 

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                                     Universidad de los Andes 
                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                          Proyecto de Grado 

Figura  33 Figura  30 Distribución de turnos con 3 turnos de riego Opción A, Caso de Estudio 4 .... 71 
Figura  34 Distribución de turnos con 3 turnos de riego Opción B, Caso de Estudio 4 ..................... 72 
Figura  35 Distribución de turnos con 3 turnos de riego Opción C, Caso de Estudio 4 ..................... 72 
Figura  36 Esquema sistema de riego, Caso de Estudio 5 ................................................................. 75 
Figura  37 Diseño Submódulo, Caso de Estudio 5 ............................................................................. 76 
Figura  38 Distribución de Turnos, 1 turno, Caso de Estudio 5 ......................................................... 80 
Figura  39 Distribución de Turnos, 2 turnos Opción A, Caso de Estudio 5 ........................................ 80 
Figura  40 Distribución de Turnos, 2 turnos Opción B, Caso de Estudio 5 ........................................ 80 
Figura  41 Distribución de Turnos, 2 turnos Opción C, Caso de Estudio 5 ........................................ 81 
Figura  42 Distribución de Turnos, 3 turnos Opción A, Caso de Estudio 5 ........................................ 81 
Figura  43 Distribución de Turnos, 3 turnos Opción B, Caso de Estudio 5 ........................................ 81 
Figura  44 Distribución de Turnos, 3 turnos Opción C, Caso de Estudio 5 ........................................ 82 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

vi 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                          Proyecto de Grado 

ÍNDICE DE TABLAS 

 
 
Tabla 1 Características Emisores de Alto Caudal. Adaptado de Bermúdez (2010) ........................... 11 
Tabla 2 Características de goteros de largo conducto. Adaptado de Bermúdez (2010) ................... 12 
Tabla 3 Características de goteros de orificio. Adaptado de Bermúdez (2010) ................................ 13 
Tabla 4 Características de goteros tipo Vortex. Adaptado de Bermúdez (2010) .............................. 13 
Tabla 5 Características del gotero autocompensante. Adaptado de Bermúdez (2010) ................... 14 
Tabla 6 Características de mangueras. Adaptado de Bermúdez (2010) ........................................... 14 
Tabla 7 Características Cintas Exudantes .......................................................................................... 14 
Tabla 8 Clasificación de goteros, mini aspersores y difusores. Adaptado de Bermúdez (2010) ...... 16 
Tabla 9 Valores para relación M. Adaptado de Saldarriaga (2007)................................................... 18 
Tabla 10 Matriz de Pérdidas Totales (DP. Tomado de Hernández (2012) ........................................ 30 
Tabla 11 Matriz de Conectividad (w) ................................................................................................ 31 
Tabla 12 Datos agronómicos Caso de Estudio 1 ............................................................................... 37 
Tabla 13 PES y presión mínima, Caso de Estudio 1 ........................................................................... 38 
Tabla 14 Diámetros Comerciales Disponibles, Caso de Estudio 1 ..................................................... 38 
Tabla 15 Resultados Caso de Estudio 1 ............................................................................................. 39 
Tabla 16 Resultados Caso de Estudio 1 ............................................................................................. 40 
Tabla 17 Diseño obtenido por SOGH, Caso de Estudio 1 .................................................................. 40 
Tabla 18 Datos Agronómicos, Caso de Estudio 2 .............................................................................. 41 
Tabla 19 Resultados para PES y Pmin Caso de Estudio 2 .................................................................. 41 
Tabla 20 Resultados Flecha 0 y Flecha 0.25 Caso de Estudio 2 ......................................................... 42 
Tabla 21 Resultados Metodología CIACUA y SOGH, Caso de Estudio 2 ............................................ 43 
Tabla 22 Caudales de diseño para 1 turno de riego, Caso de Estudio 3 ........................................... 55 
Tabla 23 Caudales de diseño para 2 turnos de riego, Caso de Estudio 3 .......................................... 56 
Tabla 24 Caudales de diseño para cuatro turnos de riego, Caso de Estudio 3 ................................. 57 
Tabla 25 Resultados 1 Turno de Riego 1 Emisor, Caso de Estudio 4 ................................................. 65 
Tabla 26 Resultados 1 Turno de Riego 2 Emisores, Caso de Estudio 4 ............................................. 65 
Tabla 27 Resultados 2 Turnos de Riego 1 Emisor, Caso de Estudio 4 ............................................... 65 
Tabla 28 Resultados 2 Turnos de Riego 2 Emisores, Caso de Estudio 4 ............................................ 66 
Tabla 29 Resultados 2 Turnos de Riego 3 Emisores, Caso de Estudio 4 ............................................ 66 
Tabla 30 Resultados 3 Turnos de Riego 1 Emisor, Caso de Estudio 4 ............................................... 67 
Tabla 31 Resultados 3 Turnos de Riego 2 Emisores, Caso de Estudio 4 ............................................ 67 
Tabla 32 Resultados 3 Turnos de Riego 3 Emisores, Caso de Estudio 4 ............................................ 67 
Tabla 33 Resultados PES y Pmin para Caso de Estudio 4 .................................................................. 67 
Tabla 34 Resultados diseño submódulo mediante la metodología de Hernández ........................... 68 
Tabla 35 Resultados diseños finales, Caso de Estudio 4 ................................................................... 73 
Tabla 36 Resultados 1 Turno de Riego 1 Emisor, Caso de Estudio 5 ................................................. 76 

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                                     Universidad de los Andes 
                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

vii 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                          Proyecto de Grado 

Tabla 37 Resultados 1 Turno de Riego 2 Emisores, Caso de Estudio 5 ............................................. 76 
Tabla 38 Resultados 2 Turnos de Riego 1 Emisor, Caso de Estudio 5 ............................................... 77 
Tabla 39 Resultados 2 Turnos de Riego 2 Emisores, Caso de Estudio 5 ............................................ 77 
Tabla 40 Resultados 2 Turnos de Riego 3 Emisores, Caso de Estudio 5 ............................................ 78 
Tabla 41 Resultados 3 Turnos de Riego 1 Emisor, Caso de Estudio 5 ............................................... 78 
Tabla 42 Resultados 3 Turnos de Riego 2 Emisores, Caso de Estudio 5 ............................................ 78 
Tabla 43 Resultados 3 Turnos de Riego 3 Emisores, Caso de Estudio 5 ............................................ 79 
Tabla 44 Resultados PES y Pmin, Caso de Estudio 5 ......................................................................... 79 
Tabla 45 Resultados Diseño Submódulo, Caso de Estudio 5 ............................................................ 79 
Tabla 46 Resultados diseños Finales Caso de Estudio 5 .................................................................... 82 
Tabla 47 Costos comerciales de las bombas, tomado de BWM-II .................................................... 84 
Tabla 48 Costos totales Caso de Estudio 4 ........................................................................................ 87 
Tabla 49 Resultados Costos Bombeo a una proyección de 2 años, Caso de estudio 4 ..................... 88 
 

 

 

 

 

 

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

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Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

1.  INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 

1.1 Introducción 

 

El  agua,  como  bien  sabido,  es  uno  de  los  recursos  más  importantes  e  indispensables  para  que 
pueda  existir  la  vida  en  nuestro  planeta.  Según  el  Programa  de  las  Naciones  Unidas  (UNEP), 
actualmente  el volumen de agua dulce consumible en el mundo es de aproximadamente 2.5% del 
volumen  total  de  agua.  De  este  2.5%,  el  70%  del  agua  dulce  se  encuentra  congelada  en  los 
glaciares  y  cubriendo  permanentemente  las  montañas  y  nevados.  De  esta  forma,  se  dispone 
realmente  de  un  30%  del  agua  potable  para  suplir  todas  las  necesidades  que  demanda  una 
población que va creciendo día a día.  

De acuerdo con los informes de la Organización Mundial de la Salud (WHO), entre 1990 y 2000 la 
población  mundial  aumentó  aproximadamente  un  15%,  pasando  de  5270  a  6060    millones  de 
habitantes, llegando hasta hoy en día a una cantidad de 7046 millones de habitantes en el mundo. 
Ante estas cifras es totalmente claro que se debe tener una visión crítica sobre los diferentes usos 
que se le da a este importante recurso. Todos los usuarios están en la obligación de hacer un uso 
racional  y  lo  mayor  eficientemente  posible  del  agua,  para  de  esta  forma,  evitar  escases  en  un 
futuro.  

Según el Programa de Evaluación Mundial del Agua (WWAP), un 10% del uso total que se le da al 
agua dulce está destinado al uso doméstico, un 20% para uso industrial y por último, un 70% para 
sistemas  de  riegos.  Este  importante  porcentaje  de  participación  hace  que  los  sistemas  de  riego 
deban ser lo más eficientes posibles. Lamentablemente, este tipo de sistemas hidráulicos son los 
que  menos  avances  han  tenido  con  el  paso  del  tiempo.  Actualmente,  se  hace  uso  de  una 
metodología  clásica  para  el  diseño  de  estas  redes  de  distribución  de  agua.  La  falta  de 
conocimiento e innovación en este campo, hace que los diseños de las redes de riegos no sean los 
mejores, y esto conlleve a posibles sobredimensionamientos de la red, lo que a su vez se traduce 
en una entrega de agua mayor a lo que las plantas realmente necesitan. Es por esto que uno de los 
objetivos principales de este trabajo es el análisis de diferentes variables que pueden influenciar 
sobre el diseño óptimo de una red de riego. 

El  Centro  de  Investigación  en  Acueductos  y  Alcantarillados  de  la  Universidad  de  los  Andes 
(CIACUA)  ha  venido  trabajando  en  metodologías  de  diseño  que  se  alejan  del  método  clásico  de 
diseño para redes de Riego Localizado de Alta Frecuencia, el cual está basado únicamente en una 
comprobación de diseño. Estos avances fueron impulsados por los muy buenos resultados que ha 
obtenido el CIACUA en el diseño de Redes de Distribución de Agua Potable (RDAP), por medio de  
diferentes metodologías. Dentro de estas metodologías se destacan dos: La primera denominada 
“Superficie Óptima de Gradiente Hidráulico (SOGH)” (Ochoa & Saldarriaga, 2009), la cual se basa 

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optimizados.  

 

 

 

 

 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

en  la  estimación  de  una  superficie  óptima  de  alturas  piezométricas  que  conlleva  a  una 
configuración de mínimo costo. Esta superficie es obtenida por medio de una flecha de diseño, la 
cual describe la forma de la línea de gradiente hidráulico en función de características hidráulicas, 
topológicas  y  comerciales  del  sistema  (Bermúdez,  2011).  La  segunda  metodología  de  diseño 
corresponde  a  la  denominada  “Optimal  Power  Use  Surface  (OPUS)”  (Saldarriaga,  Páez,  Cuero  & 
León, 2012). El objetivo de esta metodología es obtener un diseño de mínimo costo haciendo uso 
de  un  número  reducido  de  iteraciones.  Esto  lo  consigue  haciendo  uso  de  principios  hidráulicos 
deterministas, obtenidos por medio del análisis de la distribución del caudal y de la forma en que 
la energía es usada en estos sistemas (Saldarriaga et al., 2012). 

Por  medio  de  estas  metodologías  de  diseño  para  Redes  de  Distribución  de  Agua  Potable,  el 
CIACUA planteó la solución para el diseño de Redes de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Aquí 
se  resalta  el  trabajo  realizado  por  Nataly  Bermúdez  y  David  Hernández,  al  proponer  una 
metodología  de  diseño  óptima  para  submódulos  de  sistemas  de  riego.  Bermúdez  encontró,  por 
medio de un análisis extensivo, una forma de hallar la Presión de Entrada al Submódulo (PES) que 
necesitaría  éste  para  cumplir  con  el  Coeficiente  de  Uniformidad  Resúltate  (CUr)  y  asegurar  la 
presión  mínima  requerida  en  el  sistema.  Por  su  parte,  Hernández  hizo  uso  de  esta  Presión  de 
Entrada al Submódulo para poder  desarrollar una metodología que  encontrara el diseño óptimo 
del  submódulo  por  medio  de  Programación  Lineal.  Los  resultados  obtenidos  por  medio  su 
metodología  propuesta  los  comparó  con  los  resultados  obtenidos  usando  SOGH,  logrando  una 
reducción de aproximadamente 2% sobre el costo del diseño del submódulo.  

En  este  punto,  el  CIACUA  ha  desarrollado  una  metodología  capaz  de  encontrar  la  PES 
correspondiente para cumplir con unos requerimientos agronómicos y a partir de ésta, encontrar 
el diseño de mínimo costo del submódulo, el cual cumple con las presiones mínimas y proporciona 
el caudal adecuado a cada una las plantas. Resta entonces conocer el diseño de la red matriz del 
sistema  de  Riego  Localizado  de  Alta  Frecuencia.  Aplicando  la  metodología  de  Bermúdez  y 
Hernández para el diseño del submódulo, se obtiene una PES que debe ser respetada para  cada 
submódulo.  El  submódulo  entonces  puede  ser  modelado  como  un  nudo  con  una  presión 
constante (PES) y una demanda constante; la cual correspondería a la sumatoria del caudal que le 
llega  a  cada  una  de  las  plantas  del  submódulo.  El  problema  correspondería  ahora,  a  una  red 
abierta  con  presiones  y  caudales  constantes.  Se  propone  entonces,  por  medio  de  este  trabajo, 
encontrar  la  forma  de  diseño  óptima,  en  cuanto  a  costos  constructivos,  para  una  Red  de  Riego 
Localizado de Alta Frecuencia, teniendo en cuenta diversas variables que influyen en este, como lo 
son los turnos de riego, el número de emisores por planta y la distribución de turnos de riego. 

Aparte  del  costo  constructivo  en  una  red  de  Riego  Localizado  de  Alta  Frecuencia  (tuberías, 
accesorios, etc.), los costos energéticos deben ser tenidos en cuenta cuando se está haciendo uso 
de  una  o  varias  bombas  para  diferentes  propósitos,  ya  sea  filtración,  adición  de  fertilizantes  o 
succión de pozos cercanos. Independientemente de su propósito, la finalidad de las bombas es la 

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optimizados.  

 

 

 

 

 

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misma:  aportar  energía  al  sistema  para  poder  hacer  llegar  el  agua  a  todos  los  usuarios  con  las 
presiones y  los caudales demandados. Aunque estos costos pueden no ser tenidos en cuenta a la 
hora de escoger una configuración de  diámetros, si deben ser tenidos en cuenta cuando se  está 
haciendo  un  análisis  de  costos  a  largo  plazo.    Estos    costos  energéticos  pueden  llegar  a  ser 
bastante significativos para los costos totales cuando estos se traen a valor presente neto; por esta 
razón, se pretende también estudiar hasta qué punto los costos constructivos juegan una mayor 
participación  en  el  costo  total,  y  en  qué  momento  dejan  de  ser  principales  para  dar  paso  a  los 
costos energéticos. De igual forma, se quiere saber hasta qué punto se podría dar un ahorro en los 
costos constructivos debido a una mayor energía disponible proporcionada por una bomba. 

 

1.2 Objetivo General 

 

Con el fin de obtener una metodología de diseño óptima para las   Redes de Riego Localizado de 
Alta Frecuencia, el objetivo general de la tesis se centra en establecer criterios que conlleven a un 
óptimo  diseño  de  éstos  sistemas,  partiendo  desde  el  diseño  de  un  submódulo,  hasta  llegar  al 
diseño  de  la  red  matriz,  teniendo  en  cuenta  importantes  variables  como  los  turnos  de  riego,  la 
distribución de turnos y los números de emisores, así como los costos energéticos condicionados 
al uso de bombas.  

1.3 Objetivos Específicos 

 

Los objetivos específicos planteados a continuación, por medio de los cuales se busca alcanzar el 
objetivo general, comprenden a grandes rasgos, el análisis y verificación de metodologías para el 
diseño  de  un  submódulo  en  un  sistema  RLAF,  interpretación    y  análisis  de  las  variables  de 
operación que pudieran modificar la eficiencia de una RLAF, así como la importancia de los costos 
energéticos dentro de un sistema operado por bombeo. Los objetivos específicos son: 

 

Realizar un estado del arte de la metodología tradicional y la metodología propuesta por el 

CIACUA para el diseño  de  una Red de  Riego  Localizado de  Alta Frecuencia, con el fin de 

establecer los avances alcanzados en esta última. 

 

Realizar  varias  comparaciones  entre  los  resultados  encontrados  para  el  diseño  de  un 

submódulo  de  Riego  Localizado  de  Alta  Frecuencia  usando  la  metodología  de  David 

Hernández y Nataly Bermúdez, y los resultados obtenidos mediante la metodología SOGH 

(Superficie  Óptima  de  Gradiente  Hidráulico).  De  esta  forma,  se  busca  demostrar  que  el 

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diseño  de  submódulos  de  sistemas  RLAF  encontrado  mediante  Programación  Lineal, 

corresponde al diseño óptimo. 

 

Realizar una búsqueda bibliográfica sobre el diseño de una Red RLAF teniendo en cuenta 

variables  externas.  Dentro  de  estas  variables  se  encuentran  los  turnos  de  riego,  la 

distribución de turnos y el número de emisores por planta. 

 

Analizar  y  entender  estas  variables  externas,  las  cuales  pueden  llegar  a  modificar  la 

operación y por consiguiente, la optimización de un diseño de una Red de Riego Localizado 

de Alta Frecuencia.  

 

Realizar  varios  diseños  en  diferentes  escenarios,  modificando  las  variables  establecidas, 

para poder entender como estas afectan los costos totales del diseño de un sistema RLAF. 

 

Establecer  la  forma  óptima  de  diseño  de  una  RLAF  (metodología  para  encontrar  diseño 

más  económico  posible,  el  cual  cumple  todos  los  requerimientos)  haciendo  uso  de  las 

variables  externas  anteriormente  mencionadas,  y  la  metodología  para  el  diseño  de  un 

submódulo propuesto por el David Hernández y Nataly Bermúdez. 

 

Analizar la importancia de los costos energéticos sobre  los costos totales de  una Red de 

Riego  Localizada  de  Alta  Frecuencia  cuando  esta  es  operada  bajo  bombeo,  teniendo  en 

cuenta varios periodos de tiempo. De esta forma, establecer un criterio sobre esta variable 

para el diseño óptimo de sistemas RLAF. 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

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2.  MARCO TEÓRICO  

2.1 Redes de Riego Localizado de Alta Frecuencia 

 

Los  sistemas  de  Riego  Localizado  de  Alta  Frecuencia  son  la  evolución  del  sistema  tradicional  de 
riego  por  canales,  donde  se  produce  un  gran  gasto  de  agua  debido  a  que  se  está  saturando  el 
suelo con una cantidad mayor de agua a la que la planta realmente requiere. Las Redes de Riego 
Localizado de Alta Frecuencia (RLAF) se caracterizan por brindar un mayor ahorro en la cantidad 
de agua que se le aplica a la planta. Esto lo consigue por medio de dos características básicas: la 
localización del riego y su alta frecuencia.  

La primera característica consiste en la zona donde se va a estar aplicando las dosis de agua a la 
planta. Dado que la planta absorbe agua y nutrientes del suelo por medio de sus raíces, será esta 
zona donde únicamente se aplicará la cantidad necesaria que ésta necesita. Debido a que solo se 
está  humedeciendo  parte  del  volumen  de  suelo  total  del  cultivo,  la  cantidad  de  agua  que  se 
desperdicia es mínima. De igual forma, se debe tener en cuenta los efectos de evapotranspiración, 
distribución de raíces y distribución de sales que son producidos debido a la localización. Por otra 
parte, la capacidad de almacenamiento del suelo es reducida ya que únicamente se está aplicando 
agua  en  un  volumen  reducido.  Esto  conlleva  a  la  segunda  característica  básica  de  los  sistemas 
RLAF:  la  alta  frecuencia  de  aplicación.  Una  alta  frecuencia  en  la  aplicación  de  agua  compensa  la 
poca capacidad de almacenamiento que tiene el volumen limitado de suelo que realmente se va a 
humedecer.  Al  igual  que  la  localización,  la  alta  frecuencia  de  aplicación  tiene  efectos  sobre  la 
capacidad de absorción de agua de las raíces, la aireación en la zona radicular y la concentración 
de sales en el suelo humedecido (Saldarriaga, 2007). 

Por medio de estas características, el objetivo primordial de los sistemas de Riego Localizado de 
Alta  Frecuencia  es  obtener  una  máxima  eficiencia  en  el  uso  de  agua,  evitando  a  toda  costa, 
posibles desperdicios de este recurso. Este sistema de riego va en contraste con las obligaciones 
actuales que se tienen para con el uso racional y responsable del agua.  

Los sistemas de Riego Localizado de Alta frecuencia son clasificados, normalmente, por medio del 
caudal que son capaces de transportar: 

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Figura  1 Clasificación de RLAF en función del caudal. Adaptado de (Saldarriaga, 2007). 

Cuando se está tratando con un caudal ente 16 y 150 L/h se puede establecer que la RLAF es una 
red  de  Alto  Caudal  y  por  consiguiente  debe  usarse  emisores  con  elementos  giratorios  (micro 
aspersión) o con toberas no giratorios (difusión), por medio de los cuales el agua es pulverizada y 
el caudal es distribuido en la zona de riego. Por otro lado, cuando se está transportando un caudal 
menor a 16 L/h se puede hablar de una red de Bajo Caudal, en las cuales se contempla el uso de 
emisores de tipo gotero, en los cuales el agua se entrega a través de gotas con una alta frecuencia. 
En  el  caso  de  una  red  de  alto  caudal,  es  de  esperarse  que  los  costos  constructivos  tiendan  a 
aumentar debido a que para transportar un caudal más alto, es necesario tuberías de diámetros 
mayores. 

2.1.1  Componentes de una Red de Riego Localizado de Alta Frecuencia 

 

Comúnmente las redes de Riego Localizado de Alta Frecuencia se encuentran compuestas de las 
siguientes partes: 

 

Embalse o estación de  riego:  Fuente  inicial de  donde  se  obtendrá el agua que se  piensa 
utilizar  para  el  riego.  Ésta  puede  ser  obtenida  de  un  embalse,  de  un  pozo,  de  aguas 
subterráneas, etc. De igual forma, en este componente se encuentran localizado todo el 
sistema de bombeo necesario para poder  aumentar la altura de energía inicial, logrando 
así,  que  el  agua  pueda  pasar  por  el  filtrado,  la  aplicación  de  fertilizantes,  las  tuberías 
primarias y secundaria, hasta llegar a los emisores con una presión correcta.    
 

 

Tubería Primaria: Consiste en la tubería que lleva el agua desde la estación de riego hasta 
la tubería secundaria. Esta se caracteriza por tener un tamaño más grande que las demás 
tuberías en el sistema, dado que por esta es transportado todo el caudal que está siendo 
demandando por las plantas.  
 

 

Tuberías  Secundarias:  Son  aquellas  tuberías  que  trasportan  el  agua  desde  la  tubería 
primaria hasta la entrada de cada submódulo, los cuales componen un módulo de Riego. 

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                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

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optimizados.  

 

 

 

 

 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Estas tuberías también transportan un caudal importante, por lo cual, su tamaño también 
es considerable. 
 

 

Tubería Múltiple: Es la tubería que lleva el caudal desde la tubería secundaria hasta cada 
uno de los laterales de riego. Estas tuberías se encuentran caracterizadas por tener aguas 
abajo un regulador de presión. La tubería múltiple, los laterales de riego y el regulador de 
presión componen un submódulo de riego. 
 

 

Tuberías  Laterales:  Estas  tuberías  llevan  el  caudal  desde  la  tubería  múltiple  hasta  los 
emisores,  los  cuales  se  encuentran  localizados  a  lo  largo  de  ésta  y  serán  éstos  los  que 
suministren el agua a cada una de las plantas. 
 

 

Válvulas  reguladoras  de  presión:  Se  encuentran  localizados  al  comienzo  de  cada 
submódulo y se utilizan para poder contralar y fijar la presión que entra a éste.  
 

 

Válvulas  de  caudal:  Se  encuentran  localizadas  entre  la  tubería  primaria  y  la  tubería 
secundaria.  Su  fin  consiste  en  controlar  la  cantidad  de  agua  que  será  enviada  a  los 
módulos de riego para así evitar transportar más caudal del necesario.  

 

               

  

Figura  2 Componentes Generales de una RLAF. Adaptado de Saldarriaga (2007). 

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Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

2.1.2  Emisores de Riego 

 

Los  emisores  de  riego  constituyen  una  parte  fundamental  e  indispensable  de  una  Red  de  Riego 
Localizado  de  Alta  Frecuencia.  Son  los  encargados  de  suministrar  el  agua  directamente  al suelo, 
donde será absorbida por las raíces de la planta. Aunque hay diferentes tipos de emisores, cada 
uno  con  características  y  usos  diferentes,  todos  comparten  la  misma  función.  Pizzaro  (1996) 
establece tres criterios deseables para poder tener un funcionamiento correcto de los emisores: 

 

Se  desea  que  el  caudal  suministrado  por  el  emisor  no  sea  muy  alto  con  el  fin  de  evitar 
dimensiones muy grandes en la tubería múltiple y en los laterales. 

 

Debido a los desniveles del terreno, a la longitud de las tuberías y al tipo del material que 
se esté empleando para éstas, la pérdida de energía en el sistema puede ser alta o baja, 
por lo tanto se recomienda que los emisores tengan disponible una presión alta y así evitar 
uniformidades de riego bajas.  

 

Los emisores son bastante sensibles a posibles obturaciones debido a partículas minerales, 
orgánicas  o  químicas,  por  esta  razón,  se  aconseja  que  el  diámetro  de  entrega  de  los 
emisores sea lo más grande posible. 

Es evidente que los criterios que se desean para los emisores de riego son contradictorios. Por un 
lado, una alta presión teniendo en cuenta un diámetro grande implicaría un caudal alto. Dado esta 
contradicción, siempre se desea mantener un equilibrio entre la presión, el diámetro y el caudal 
para evitar problemas de obturaciones, menores costos constructivos y déficits de presiones. 

2.1.2.1  Comportamiento hidráulico de los emisores 

 

Los  emisores  se  caracterizan  por  ser  la  parte  más  sensible  de  las  Redes  de  Riego  Localizado de 
Alta  Frecuencia,  dado  que  son  los  encargados  de  suministrar  el  agua  a  cada  planta.  Cuando  se 
habla de la hidráulica de los emisores se debe resaltar en primera instancia, la relación que existe 
entre  el  caudal  que  sale  del  emisor  y  la  presión  que  se  tiene  en  éste.  Esta  relación  es  de  tipo 
exponencial  y  tiene  en  cuenta  tanto  la  altura  de  presión  que  se  tiene  en  el  emisor,  como 
características propias de éste: 

      

 

                  

Siendo: 

  el caudal suministrado por el emisor. 

  el coeficiente del emisor. 

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  la altura de presión que se tiene en la tubería, en el lugar donde se encuentra ubicado el emisor. 

  el exponente del emisor. 

Tanto el exponente como el coeficiente son características propias del emisor y pueden cambiar 
dependiendo del tipo de emisor que se use. En algunos casos, estos valores son proporcionados 
por  el  fabricante,  mientras  que  en  otros,  el  fabricante  provee  una  gráfica  Caudal  vs  Altura  de 
Presión, de la cual es posible obtener estos parámetros. Aunque los dos términos son importantes 
para conocer el caudal que puede ser suministrado por el emisor a una altura de presión conocida, 
el exponente del emisor juega un papel fundamental en la relación que tienen estas dos variables. 
En  la  gráfica  presentada  a  continuación  se  puede  ver  como  la  función  exponencial  varía 
dependiendo del exponente  que  se  esté  usando. Si por ejemplo se  tiene un exponente  de  1, se 
puede establecer que el flujo dentro del emisor es de tipo laminar y por consiguiente la relación 
Caudal – Presión es de tipo lineal: 

 

Figura  3 Curvas caudal vs presión. Tomado de Bermúdez (2010). 

Si por otro lado, se tiene un exponente de 0.5, se puede establecer que el flujo dentro del emisor 
es    plenamente  de  tipo  turbulento  (zona  1),  mientras  que  con  un  exponente  de  0  se  puede 
establecer  que  el caudal que  es  suministrado por el emisor no se ve  influenciado por la presión 
que se tenga en éste (Zona 2). Este último caso es el que en la mayoría de los casos se quisiera 
tener,  ya  que  se  está  asegurando  un  caudal  constante  sin  importar  las  diferencias  de  presiones 
que  pudieran  existir  entre  los  emisores.  Esto  asegura  que  se  obtendrá  un  coeficiente  de 
uniformidad alto, logrando de esta forma, que todas las plantas reciban el caudal requerido para 
su correcto crecimiento. Por otro lado, no es muy recomendado usar emisores que sean de tipo 

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Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

laminar  ya  que  éstos  tienen  ciertas  particularidades  en  su  comportamiento  hidráulico  que  se 
quisieran evitar: 

1.  Las  pérdidas  por  fricción  deben  ser  calculadas  por  medio  de  la  ecuación  de  Darcy  – 

Weisbach, la cual a su vez hace uso del factor de fricción de Darcy: 
 

 

 

   

 

 

 

 

  

                      

El  coeficiente  de  fricción  de  Darcy  para  el  flujo  laminar  se  determina  únicamente  con el 
número de Reynolds: 
 

   

  
  

                          

 
El número de Reynolds, para el caso de flujo laminar, es función de la viscosidad absoluta 
del  fluido,  lo  que  a  su  vez  quiere  decir  que  las  pérdidas  por  fricción  van  a  estar 
directamente relacionadas con la temperatura a la cual este expuesta el agua. Dado que 
normalmente  los  sistemas  de  Riego  Localizado  de  Alta  Frecuencia  usan  mangueras  con 
aditivo negro de humo para evitar la cristalización por acción de los rayos ultravioleta, y 
adicionalmente, estos se encuentran ubicados en zonas abiertas donde reciben los rayos 
del sol directamente, se pueden llegar a tener aumentos de temperatura bastante altos. 
Estos aumentos de temperatura hacen que las presiones a lo largo de las tuberías se vean 
influenciadas,  y  por  consiguiente,  la  uniformidad  de  los  caudales  de  entrega  no  sea  la 
esperada.  
 

2.  En el flujo laminar el exponente de la emisor tiene un valor de 1, lo que quiere decir que el 

caudal suministrado por este tiene una alta dependencia de la altura de presión que se 
tenga en el emisor. Esto quiere decir que si tiene una diferencia muy alta entre las 
presiones de los diferentes emisores, se tendrá también una diferencia importante en los 
caudales entregados, lo que se traduce en una baja uniformidad de riego. Por otro lado, si 
se tienen exponentes más pequeños (menores o iguales a 0.5) se puede contar con un 
régimen turbulento y una menor dependencia de la presión, aspectos que se desean en un 
sistema RLAF. 
 

3.  Una tubería con flujo laminar es más propensa a sufrir taponamiento, debido a que 

aunque el área de salida requerida es mayor, la velocidad de flujo que se tiene no es lo 
suficientemente alta para evitar sedimentaciones importantes, las cuales terminan 
disminuyendo la capacidad de la tubería y  de igual manera, la uniformidad de riego 
(Saldarriaga, 2007). 

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2.1.2.2  Clasificación de emisores 

 

En  el  mercado  existe  una  gran  variedad  de  emisores,  los  cuales  varían  dependiendo  de  sus 
características  hidráulicas  (exponente  y  coeficiente),  el  riesgo  de  obturaciones,  su  forma  de 
inserción en los laterales, entre otros. Según la investigación llevada a cabo por Bermúdez (2011), 
la  cual  trae  a  colación  los  trabajos  de  Pizarro  (1996)  y  López  (1992),  se  pueden  establecer  la 
siguiente clasificación de emisores: 

Emisores de Alto Caudal  

Se  habla  de  emisores  de  alto  caudal  cuando  estos  suministran  caudales  entre  16  L/h  y 150  L/h. 
Dentro de estos, se encuentran emisores de tipo difusores, micro aspersores y microtubos de alto 
caudal.  Aunque  cada  uno  de  estos  tipos  de  emisor  posee  características  diferentes,  estos  son 
usados  cuando  el  suelo  es  bastante  permeable;  donde  el  bulbo  de  humedad  de  los  goteros  se 
desarrolla a  una  profundidad  considerablemente  alta  y  una  poco  anchura,  lo  cual  se  traduce  en 
riegos  insuficientes  (Saldarriaga,  2007).  Estos  tipos  de  emisores  están  menos  expuestos  a  las 
obturaciones causadas por  sedimentaciones, gracias a las altas velocidades de flujo que se tienen 
en éstos. Algunas características propias de estos tipos de emisores se presentan a continuación: 

Tabla 1 Características Emisores de Alto Caudal. Adaptado de Bermúdez (2010). 

Micro aspersores y Difusores 

Tipo de Emisor 

Rango Exponente 

Esquema 

De orificio 

0.45 - 0.85 

 

 

Vórtice 

0.35 - 0.45 

De largo conducto 

0.45 - 0.5 

Autocompensante 

0.0 - 0.25 

 

En  el  caso  de  los  microtubos  de  alto  caudal,  estos  casi  no  son  usados  debido  al  alto  costo  que 
conllevan (consecuencia de los grandes diámetros en las tuberías laterales y múltiples necesarias 
para poder transportar el alto caudal) y su poca área de suelo mojada.  

 

 

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Emisores de Bajo Caudal  

Cuando se requiere transportar caudales menores de 16 L/h se debe usar emisores de bajo caudal. 
Dentro  de  estos  emisores  se  encuentran  los  goteros,  mangueras  y  cintas  exudantes.  A 
continuación se presentan algunas características de estos tipos de emisores: 

Goteros de largo conducto:

 Debido a su largo conducto y a su pequeño diámetro, las pérdidas de 

energía  que  se  experimentan  dentro  de  ellos  son  altas.  El  flujo  dentro  de  ellos  es  de  régimen 
laminar,  por  lo  presentan  una  alta  sensibilidad  a  la  presión  y  la  temperatura,  además  de  ser 
bastante  sensibles a los taponamientos. Dentro de  esta  categoría se  encuentran los microtubos, 
los helicoidales y los goteros de laberinto:  

Tabla 2 Características de goteros de largo conducto. Adaptado de Bermúdez (2010). 

Goteros de Largo Conducto 

Emisor 

Características 

Esquema 

Microtubos 

Coeficiente interior: 2 mm - 0.6 mm 
Coeficiente de Variación: 0.02 - 0.05 
Exponente del Emisor: 0.55 - 0.80 
Coeficiente del Emisor: 4 - 8 

 

Helicoidales 

Coeficiente de Variación: 0.02 - 0.13 
Exponente del Emisor: 0.65 - 0.85 
Coeficiente del Emisor: 0.4 - 0.8 
Caudales Nominales: 2 - 4 L/h 

 

De Laberinto 

Caudales Nominales: 2 - 8 L/h 
Coeficiente de Variación: <0.05 
Exponente del Emisor: 0.5 - 0.6 

 

 

Goteros de orificio: 

Se caracterizan por  presentar un flujo turbulento con un exponente  de 0.5. 

Gracias a esto, con su uso se evitan todos los inconvenientes del flujo laminar a excepción de uno: 
los diámetros de este tipo de goteros son bastante pequeños, por lo que las obturaciones son un 
problema común en ellos: 

 

 

 

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Tabla 3 Características de goteros de orificio. Adaptado de Bermúdez (2010). 

Emisores de Bajo Caudal 

Emisor 

Características 

Esquema 

Gotero de orificio 

Diámetro interior : <0.4 mm 
Coeficiente de Variación: 0.07 - 0.11 
Exponente del emisor: 0.5

 

 

 

Goteros  tipo  vórtice: 

Se  caracterizan  por  tener  propiedades  autocompensantes.  Parte  de  la 

energía  que  se  tiene  antes  de  entrar  al  emisor  es  transformada  en  velocidad  y  la  presión  en  el 
centro del vórtice crece de una forma menos rápida que la presión en la periferia. Por esta razón 
estos emisores suelen tener un exponente de 0.4: 

Tabla 4 Características de goteros tipo Vortex. Adaptado de Bermúdez (2010). 

Emisores de Bajo Caudal 

Emisor 

Características 

Esquema 

Gotero Vortex 

Diámetro interior : >0.6 mm 
Coeficiente de Variación: 0.04 
Exponente del emisor: 0.4 
Coeficiente del emisor: 1

 

 

 

Goteros Autocompensantes: 

Se trata de goteros especialmente fabricados para poder mantener 

un caudal constante  e  independiente de  la presión que  se  tenga en el emisor. Esto quiere decir 
que el exponente del emisor es de 0. Esto lo consigue haciendo uso de un elastómero, de caucho o 
silicona, el  cual  se  deforma  según  la  diferencia  de  presiones.  Aunque  tiene  grandes  ventajas,  se 
debe  tener  en  cuenta  los  problemas  de  envejecimiento  del  elastómero,  los  altos  costos  de  los 
emisores y la sensibilidad de estos a ciertos abonos químicos, plaguicidas e insecticidas: 

 

 

 

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optimizados.  

 

 

 

 

 

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Tabla 5 Características del gotero autocompensante. Adaptado de Bermúdez (2010). 

Emisores de Bajo Caudal 

Emisor 

Características 

Esquema 

Goteros Autocompensantes 

Diámetro interior : 0.5 mm - 0.7 mm 
Coeficiente de Variación: 0.02 
Exponente del emisor: 0.0 – 0.25

 

 

 

Mangueras: 

Son utilizadas en cultivos intensivos, donde el espaciamiento entre planta y planta es 

muy estrecho y donde se requeriría una gran cantidad de goteros. Éstas son tuberías provistas de 
emisores tipo gotero cada 60 centímetros aproximadamente y son utilizadas muy frecuentemente 
en  los  sistemas  de  Riego  Localizado  de  Alta  Frecuencia  debido  a  su  bajo  costo.  Adicionalmente, 
dependiendo del tipo de manguera  que se use, el régimen de flujo puede ser turbulento, evitando 
así los problemas del flujo laminar anteriormente planteado: 

Tabla 6 Características de mangueras. Adaptado de Bermúdez (2010). 

Emisores de Bajo Caudal 

Emisor 

Características 

Esquema 

Tipo manguera 

Exponente del Emisor: 0.4 -0.8 

Coeficiente de Variación: 0.1 - 0.2 

Presiones de operación: < 10 m.c.a

 

 

 

Cintas exudantes: 

Son tuberías compuestas por microfibras de polietileno entrecruzadas con el fin 

de formar una maya por la cual pueda pasar el agua, aun con alturas de presión muy bajas. Debido 
al tamaño de los poros (entre 4 y 5 micras) este tipo de cintas es muy sensible a las obturaciones y 
se debe hacer ciclos de limpieza con el fin de permitir el paso de impurezas: 

Tabla 7 Características Cintas Exudantes 

Emisores de bajo caudal 

Emisor 

Características 

Esquema 

Cintas Exudantes 

Caudales de operación: 1.0 - 1.75 L/h/m 
Presiones de operación: entre 2 y 3.5 m.c.a 

 

 

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                                     Universidad de los Andes 
                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

15 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

2.2 Uniformidad del Riego 

 

La  finalidad  de  un  sistema  de  riego  consiste  básicamente  en  proveer  el  agua  y  los  nutrientes 
necesarios a todas las plantas del cultivo de forma homogénea, con el fin de que todas las plantas 
puedan alcanzar el desarrollo y la producción óptimos. Esta uniformidad del riego es medida por 
medio del Coeficiente de Uniformidad (CU) y se debe tener en cuenta para poder asegurar que el 
diseño planteado cumple con la uniformidad de riego mínima requerida en el diseño agronómico.  

El cálculo del Coeficiente de  Uniformidad de  Riego tiene  en cuenta  tanto factores constructivos, 
como  factores  hidráulicos.  Los  factores  constructivos  corresponden  a  imperfecciones  que  se 
pueden  tener  en  los  emisores,  las  cuales  dificultan  la  entrega  del  caudal  deseado.  Estas 
imperfecciones  son  medidas  por  medio  del  Coeficiente  de  Variación  de  Fabricación  (  ).  La 
variabilidad  de  fabricación  depende  del  diseño  del  emisor,  de  los  materiales  utilizados  en  su 
proceso de producción, del cuidado y la tolerancia utilizados en este proceso. Por otra parte, debe 
tenerse  en  cuenta  el  envejecimiento  de  los  emisores,  la  diferencia  de  temperaturas  entre 
diferentes  partes  del  sistema  y  posibles  obturaciones  de  los  emisores,  los  cuales  pueden 
influenciar  en  el  Coeficiente  de  Variación.  Estos  últimos  factores  no  son  tenidos  muy  en  cuenta 
debido a la alta incertidumbre que existe con relación a ellos. 

Dentro de los factores hidráulicos que son tenidos en cuenta para el cálculo de la uniformidad del 
riego,  se  encuentran  las  pérdidas  de  energía  por  fricción  y  pérdidas  menores,  y  las  diferencias 
topográficas  que  se  tienen  entre  cada  uno  de  los  nudos  de  consumo  (en  cada  emisor).  La 
uniformidad de riego es una de las variables más importantes para poder establecer si el diseño 
hidráulico del sistema de Riego de Alta Frecuencia se encuentra bien diseñado. El Coeficiente de 
Uniformidad es calculado por medio de la siguiente ecuación:  

     [   

         

√ 

 

]

 

  

 

 

                      

donde: 

  : Corresponde al Coeficiente de Uniformidad del riego. Este valor es normalmente un dato de 
entrada del diseño agronómico. Con base en éste se verificará si el diseño planteado cumple con 
los requisitos. 

  : Coeficiente de Variación por Fabricación. Este depende propiamente del tipo de emisor como 
se explicó anteriormente. 

 

 

:  Número  de  emisores  por  planta.  En  la  mayoría  de  casos  un  solo  emisor  no  alcanza  a 

suministrar todo el caudal que la planta requiere, por esta razón se usan varios. 

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Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

  

:  Caudal  de  mínima  presión.  Corresponde  al  caudal  del  emisor  que  se  obtiene  mediante  la 

mínima  presión;  este  sería  por  tanto,  el  caudal  más  bajo  de  todo  el  riego.  Normalmente,  este 
emisor  es  el  que  se  encuentra  más  alejado  de  la  entrada  al  submódulo,  o  el  que  presenta  las 
diferencias topográficas más desfavorables.  

 

 

: Caudal medio por planta. Es el caudal que se espera que cada una de las plantas recibas, con 

el cual se asegura un correcto crecimiento de la planta. Normalmente, este es un valor de entrada 
del diseño agronómico. 

El coeficiente variación a su vez es calculado por medio de la siguiente ecuación: 

    

 

 

 

                      

donde   es la desviación estándar y se calcula de la siguiente forma: 

    √

  

 

   

 

 

 

 

   

 

                       

donde: 

 

 

: Caudal del emisor i 

 

 

: Caudal medio 

 : Número de emisores en la prueba 

El  coeficiente  de  variación  (CV)  se  puede  clasificar  según  la  US  Soil  Conservation  Service  de  la 
siguiente forma: 

Tabla 8 Clasificación de goteros, mini aspersores y difusores. Adaptado de Bermúdez (2010). 

Coeficiente de Variación (CV) 

Categoría 

≤ 0.05 

Excelente 

0.05 < CV ≤ 0.07 

Normales 

0.07 < CV ≤ 0.11 

Marginales 

0.11 < CV ≤ 0.15 

Deficientes 

> 0.15 

Inaceptables 

 

 

 

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Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

2.2.1  Tolerancia de caudales y presiones 

 

Dado que el objetivo de los sistemas de riego localizado de alta frecuencia es que todas las plantas 
reciban una cantidad de agua y nutrientes necesaria para su óptimo desarrollo, es decir, asegurar 
el  Coeficiente de  Uniformidad mínimo estipulado por el diseño agronómico, se debe buscar que 
los caudales que reciban las plantas no sean muy diferentes unos de otros. Se debe estimar unos 
valores  máximos  y  mínimos  para  poder  establecer  un  rango  de  caudales.  Se  parte  entonces 
encontrando una tolerancia de caudales por medio de la ecuación del coeficiente de uniformidad: 

  

     [   

         

√ 

 

]

 

  

 

 

                       

El diseño agronómico proporciona el valor mínimo que debe tener el Coeficiente de Uniformidad y 
el caudal medio que necesitan las plantas para que puedan crecer correctamente. Por otro lado, 
se debe conocer qué tipo de emisores se va a usar, es decir, conocer el coeficiente de variación, y 
la  cantidad  de  emisores  por  planta.  De  esta  forma,  el  único  valor  que  se  desconoce  de  esta 
ecuación  es  el  valor  del  caudal  de  mínima  presión.  Conociendo  el  caudal  de  mínima  presión,  es 
posible encontrar la presión mínima del sistema, haciendo uso de la ecuación del emisor: 

 

  

 

      

 

[   

         

√ 

 

]

                        

 

 

  

       

  

 

                        

 

  

   

 

  

 

 

   

                            

De igual forma que se calculó la presión mínima es posible encontrar la presión media: 

 

 

       

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

   

                     

Ahora  es  necesario  conocer  la  tolerancia  de  presiones,  la  cual  consiste  básicamente  en  cuanta 
altura  de  presión  se  tiene  disponible  para  que  el  agua  pueda  realizar  todo  el  recorrido  por  el 
sistema. Se tiene entonces: 

      

   

   

  

                    

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18 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

donde: 

  : Tolerancia de presiones. 

 

   

: Altura de presión máxima. Ésta está normalmente localizada a la entrada del submódulo y 

es llamando también Presión de Entrada al Submódulo (PES). 

La tolerancia de presiones   , admitida para el submódulo será proporcional a la diferencia entre 
la  presión  media  y  la  presión  mínima  teniendo  en  cuenta  un  factor  M  de  relación  entre  la 
diferencia de presiones máxima y mínima: 

      [ 

 

   

  

]                        

El valor de la relación M depende del número de diámetros que se usen en una misma tubería y de 
las  características  topográficas  del  terreno.  La  experiencia  obtenida  en  estos  sistemas  de  riego 
aconsejan los siguientes valores para M: 

Tabla 9 Valores para relación M. Adaptado de Saldarriaga (2007). 

Diámetro 

Constante 

4.3 

2 Diámetros  2.7 
3 Diámetros 

 

El problema surge cuando se está diseñando la red, y por consiguiente, se desconoce la cantidad 
de diámetros que se planea utilizar. En este caso, se recomienda un valor de 2.5 para el parámetro 
M. Obtenido el valor de   , se  debe  diseñar los laterales  y el múltiple teniendo en cuenta este 
valor de altura de presión disponible. 

 

2.3 Hidráulica de los sistemas RLAF 

 

El  diseño  de  las  redes  de  riego  siguen  los  principios  básicos  de  la  hidráulica  de  tuberías.  Las 
ecuaciones básicas para analizar y diseñar estas redes son las ecuaciones  de conservación de la 
energía  y  el  cálculo  de  las  pérdidas  de  energía  por  fricción,  así  como  por  pérdidas  menores.  A 
continuación se explicará brevemente cada uno de estos principios con el fin de hacer más claro el 
proceso de diseño, tanto tradicional como moderno, de los sistemas RLAF: 

 

 

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19 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Ley de la conservación de la energía 

Esta  ley  establece  que  la  diferencia  de  energía  entre  dos  puntos  del  sistema  corresponde  a  la 
sumatoria de las pérdidas de energía, tanto de fricción, como menores, que se dan entre estos dos 
puntos. De esta forma se tiene la siguiente ecuación entre un punto a y un punto b

 

 

   

 

   

 

   

 

                   

donde: 

 

 

 y  

 

 corresponden a las alturas en los puntos a y b. 

 

 

 corresponden  a las pérdidas de energía a causa de la fricción 

 

 

 corresponden a las pérdidas menores 

Pérdidas por fricción 

Las  pérdidas  por  fricción  son  calculadas  por  medio  de  la  ecuación  de  Darcy  –  Weisbach  en 
conjunto con la ecuación de Colebook - White para el cálculo del coeficiente de Darcy: 

 

 

   

 

 

 

 

  

                     

 donde: 

  es el factor de Darcy 

  corresponde  a longitud de la tubería entre los puntos a y 

  es el diámetro de la tubería 

  corresponde a la velocidad media del flujo entre estos dos puntos 

El cálculo de   se hace por medio de una ecuación no explícita, con ayuda de métodos iterativos: 

 

√ 

       

  

(

 

 

    

 

    

  √ 

)                      

donde: 

 

 

 corresponde  a la rugosidad del material usado para las tuberías 

   corresponde al número de Reynolds 

 

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20 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Pérdidas menores 

Para el cálculo de las pérdidas menores se hace uso de la siguiente ecuación, en donde se debe 
tener en cuenta la sumatoria de los coeficientes de pérdidas por accesorios  

 

 

 

    ∑  

 

 

 

 

  

                       

Teniendo en cuenta estos principios se procede a explicar el proceso de diseño tradicional para 
una red de riego localizado de alta frecuencia.  

2.4 Diseño Hidráulico Tradicional de redes RLAF 

 

En  el  diseño  hidráulico  de  sistemas  de  riego  localizado  se  deben  tener  en  cuenta  múltiples 
variables,  tanto  hidráulicas  como  agronómicas.  El  diseño  agronómico  del  cultivo  debe  realizarse 
antes  del  hidráulico,  ya  que  con  base  en  éste,  se  conocerán  cuáles  son  los  requerimientos  que 
deben  ser  cumplidos  por  la  red  diseñada.  Al  final  del  diseño  agronómico  se  debe  establecer  el 
Coeficiente  de  Uniformidad  (  ),  el  número  de  emisores  por  planta  ( 

 

),  el  caudal  medio  por 

planta ( 

 

), las dosis y el tiempo de riego y el esparcimiento entre emisores. Adicionalmente, se 

debe tener en cuenta otros parámetros como el Coeficiente de Variación de Fabricación (CV), el 
plano topográfico y el tipo de conexión lateral – emisor. A continuación se presenta un diagrama 
del proceso de diseño hidráulico para un sistema RLAF: 

 

 

Figura  4 Secuencia del diseño hidráulico de una red RLAF. Adaptado de Pizarro (1996).

 

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optimizados.  

 

 

 

 

 

21 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

El diseño de un sistema RLAF debe empezar con el diseño de los submódulos de riego antes que el 
diseño  de  la  red  matriz  (tuberías  secundarias,  primaria  y  el  cabezal,  siendo  éste  último  el 
encargado de la gestión, filtrado y repartición del agua hacia los diferentes sectores). Esto se debe 
a que la presión de entrada al submódulo es controlada por una válvula reguladora de presión, lo 
cual hace que desde ese punto, el submódulo pueda ser tomado como  una red aparte. Por otra 
parte,  aguas  abajo  de  esta  válvula  reguladora  de  presión,  las  presiones  en  cada  uno  de  los 
emisores  cambiará  debido  a  las  pérdidas  de  energía  a  causa  de  la  fricción  en  las  tuberías  y  los 
accesorios en ellas. Esto hace el caudal entregado por los emisores a las plantas no sea el mismo, y 
por consiguiente, el Coeficiente de Uniformidad del submódulo no sea del 100%.  

El proceso de diseño hidráulico de los sistemas de riego localizado de alta frecuencia comienza con 
el  cálculo  de  la  tolerancia  de  caudales,  el  cual  es  calculado  por  medio  del  Coeficiente  de 
Uniformidad (  ), el número de emisores ( 

 

) y el caudal medio del emisor ( 

 

), por medio de la 

Ecuación  8. Posteriormente  se  calcula la tolerancia de  presiones y por medio de  la ecuación del 
Emisor es posible calcular el caudal de los laterales y múltiples. Una vez encontrados los caudales 
de  los  laterales  y  múltiples,  se  diseña  la  red  para  transportar  estos  caudales  y  verificar  que  se 
cumplan las presiones mínimas y el coeficiente de uniformidad.  

La metodología de diseño tradicional de los sistemas de riego, de acuerdo con Saldarriaga (2007), 
se  traduce  en  una  metodología  más  de  comprobación  que  de  diseño.  Esto  se  debe  a  que  de 
antemano no se conoce el emisor de presión mínima, por lo que es necesario iterar los diámetros 
de los laterales y múltiples para que estos cumplan con los requisitos establecidos, es decir, que 
cumplan con las presiones mínimas, caudales requeridos y coeficiente de uniformidad mínimo. 

A  continuación  se  describe  el  proceso  tradicional  de  cálculo  para  un  submódulo  de  RLAF.  Este 
proceso fue tomado de Saldarriaga (2007): 

1.  Escoger  los  diámetros  de  las  mangueras  que  van  a  conformar  los  laterales  de  riego 

utilizando  los  disponibles  en  el  mercado  local.  Posteriormente,  escoger  el  diámetro  del 
múltiple,  el  cual  debe  permitir  una  conexión  adecuada  con  las  mangueras  que  van  a  
conformar los laterales de riego. 
 

2.  Escoger el emisor con las condiciones más adversas de presión. En la mayoría de casos, se 

puede  iniciar  con el  emisor  más  alejado  del  regulador  de  presión o  punto  de  entrada  al 
submódulo. Otra opción sería escoger el emisor o grupo de emisores más elevados, desde 
el punto de vista topográfico, del submódulo de riego. A este emisor se le asigna la presión 
mínima permisible. 
 

3.  A partir de este emisor de mínima presión, calcular el lateral que lo contiene, teniendo en 

cuenta que  este  es  un tubo en serie  de  diámetro conocido. Para el  cálculo  hidráulico se 
deben utilizar las ecuaciones de Darcy – Weisbach para las pérdidas por fricción: 

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

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 Se  debe  tener  en  cuenta  que  el  caudal  que  debe  ser  utilizado  en  la  ecuación  anterior 
corresponde a la sumatoria de los caudales de los emisores que se encuentran aguas abajo 
del emisor calculado, que en ese caso sería el emisor de mínima presión. Para el caudal de 
salida de este emisor se tiene entonces: 

 

 

   

   

  ∑  

  

   

   

                       

 

 

 

    

 

 

                     

 
Las alturas de pérdidas de fricción  

  

 deben ser calculadas con un caudal diferente para 

cada  emisor ya  que  la tubería  se  encuentra en  serie  y  en  con el  paso de  cada emisor el 
caudal disminuirá. Este nuevo caudal se calcula mediante la siguiente ecuación: 

 

 

  ∑  

 

 

   

                      

 
Esquemáticamente se tiene: 

 

Figura 1 Esquema de Caudales para Lateral. Adaptado de Saldarriaga (2007). 

 

4.  Mediante  las  ecuaciones  anteriores  se  llega  al  cálculo  de  la  presión  en  el  punto  de 

conexión entre el múltiple y el lateral que contiene al emisor de mínima presión. 
 

5.  Conocida  la  presión  en  el punto  de  conexión entre el  múltiple y  el  lateral,  se  procede  a 

calcular el siguiente lateral. En este punto, el proceso debe realizarse iterando ya que no 
se conoce el caudal que pasa por el lateral. Dicho proceso implica que: 

 

Se supone una presión en el último emisor del lateral que está siendo calculado. 

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optimizados.  

 

 

 

 

 

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Posteriormente, se  calcula el lateral de  la misma forma que se hizo en los pasos 
anteriores (1 – 4). 

 

Al  llegar  al  múltiple,  debe  comprarse  la  presión  encontrada  con  la  presión 
calculada en el paso 4. Si son diferentes se  debe  volver  a calcular la altura en el 
último  emisor  del  lateral  que  está  siendo  calculado  por  medio  de  la  siguiente 
ecuación: 

{

 

 

   

 

 

     

  

   

    

    

 

 

   

 

 

     

  

   

    

    

                     

donde: 

 

 

 corresponde a la presión del múltiple encontrada en el paso 4. 

 

 

 

 corresponde a la misma presión del múltiple pero calculada en el paso 5. 

 

  

 corresponde a la nueva presión del último emisor del lateral. 

 

    

 corresponde a la presión anterior supuesta para el último emisor del lateral. 

   es un dato que debe ser suministrado por el diseñador.  

El proceso de iteración finaliza cuando la diferencia entre los valores de la presión en el múltiple 
encontrados en el punto 4 y el punto 5 sea menor a un error establecido por el diseñador: 

  

 

   

 

 

                          

6.  Una  vez  calculada  la  presión  en  el  múltiple  se  calcula  la  presión  del  siguiente  punto  de 

conexión múltiple – lateral, calculando las pérdidas de fricción entre estos dos puntos del 
múltiple: 

 

  

   

  

   

      

                      

 

      

   

 

 

 

 

  

   

 

 

 

     

 

   

 

                         

7.  Una  vez  encontrado  esta  presión  del  múltiple  se  repite  el  paso  5  hasta  verificar 

nuevamente  las  dos  presiones  del  múltiple.  Este  proceso  se  debe  repetir  hasta  haber 
calculado todos los laterales. 
 

8.  Calculados los caudales y las presiones en todos los emisores y en todo el múltiple se debe 

llegar hasta en punto de entrada al submódulo. 
 

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9.  Para este punto se debe verificar todas las presiones de todos los emisores y comprobar 

que  estas sean mayores a la presión mínima permisible. En el caso de  que  se encuentre 
una  presión  menor  a  la  permisible,  se  debe  realizar  de  nuevo  todo  el  proceso  desde  el 
paso 1, asignando a este emisor o emisores, la presión mínima. 
 

10. Por último, se calculan la tolerancia de presiones y de caudales para luego ser verificadas 

con las tolerancias establecidas por medio de los requerimientos del diseño agronómico. 
Si son muy diferentes es necesario cambiar los diámetros de laterales y múltiple y reiniciar 
el proceso.  

2.5  Metodología para el diseño de submódulos de una RLAF 

propuesta por Bermúdez  

 

Nataly  Bermúdez,  estudiante  de  la  Universidad  de  Los  Andes,  realizó  una  extensa  investigación 
sobre  una  nueva  metodología  de  diseño  de  submódulos  de  redes  de  Riego  Localizado  de  Alta 
Frecuencia con  el  fin  de  volver  el  proceso  de  diseño  más  cercano  al  óptimo, ofreciendo  diseños 
más  económicos  y  obtenidos  en  un  menor  tiempo  computacional.  Para  lograr  esto,  utilizó  la 
metodología  de  la  Superficie  Óptima  de  Gradiente  Hidráulico    (SOGH)  propuesta  por  Juan 
Saldarriaga  y  Susana  Ochoa  de  la  Universidad  de  los  Andes  en  el  2009.  Esta  metodología  fue 
propuesta con el fin de minimizar los costos de  una red  de  agua potable,  por lo cual,  Bermúdez 
debió  realizar  pequeños  cambios  para  que  esta  metodología  se  acoplara  al  diseño  de  redes  de 
Riego Localizado de Alta Frecuencia. A continuación se hace una pequeña y concisa descripción de 
esta metodología de diseño: 

2.5.1  Metodología de la Superficie Óptima de Gradiente Hidráulico   

 

Por medio del concepto de Superficie Óptima de Gradiente Hidráulico (SOGH), se buscó solucionar 
el problema del diseño óptimo de Redes de Distribución de Agua Potable (RDAP). Este problema 
consiste  en  encontrar  la  combinación  de  diámetros  de  tuberías  que  minimice  los  costos 
constructivos pero cumpla igualmente, con las presiones mínimas y los caudales demandados en 
cada  nudo  del  sistema.  La  solución  al  problema  se  dificulta  al  tener  millones  de  posibilidades 
(combinaciones de diámetros) que pueden cumplir con los requisitos mínimos establecidos; este 
número  de  combinaciones  posibles  depende  de  la  cantidad  de  diámetros  disponibles  en  el 
mercado.  Esto  hace  que  el  costo  computacional  sea  bastante  elevado  si  se  quiere  encontrar  el 
diseño  óptimo.  Con  el  fin  de  resolver  este  problema,  Saldarriaga  y  Ochoa,  proponen  una 
metodología de diseño que se basa netamente en la compresión de la hidráulica y de la topología 
del sistema. 

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La metodología SOGH establece que es posible llegar a un diseño bastante cercano al óptimo de la 
red  si  se  parte  la  superficie  óptima  de  gradiente  hidráulico.  Esta  superficie  corresponde  a  las 
coordenadas espaciales X y Y de la topología del sistema, con una componente Z correspondiente 
a  la  Línea  de  Gradiente  Hidráulico  ideal  (   

     

).  Esta  línea  de  gradiente  hidráulico  ideal 

corresponde a la altura piezométrica que debería tener cada nudo del sistema  para poder obtener 
el diseño de mínimo costo, el cual cumple exactamente con las presiones mínimas y los caudales 
requeridos.  

La  línea  de  gradiente  hidráulico  puede  ser  representada  por  medio  de  una  ecuación  parabólica, 
donde  se  necesitan  3  puntos  para  poder  describirla.  Estos  tres  puntos  corresponden  al  punto 
inicial del sistema (nudo de entrada al submódulo), punto final (nudo más alejado de la entrada) y 
el punto de curvatura máxima: 

 

 

Figura  5 Línea de Gradiente Hidráulico Óptima. Adaptado de Hernández (2012). 

Tal y como se puede ver en la figura anterior, el punto de curvatura máxima está establecido por 
medio de la flecha. Según concluyó I - pai Wu (1975), el diseño óptimo para una red con demandas 
constantes  es  aquel  diseño  donde  se  usa  una  flecha  de  15%.  Sin  embargo,  Saldarriaga  y  Ochoa 
establecieron  que  la  flecha  de  diseño  óptima  se  debe  basar  en  tres  características  hidráulicas  y 
topológicas del sistema:  

 

La relación entre caudal demandado y la longitud total de la red de tuberías. 

 

La distribución de demandas. 

 

El exponente de la función de costos. 

Una vez encontrada la Línea de Gradiente Hidráulica óptima del sistema, se asignan las pérdidas 
de energía objetivo de cada tramo que compone la red y  se encuentra el diámetro ideal de cada 
tubería, con el fin de que las pérdidas de energía objetivo y las reales sean muy parecidas. En este 
punto se tienen los diámetros continuos para cada tramo de la red que conllevan al diseño óptimo 

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de esta. Lamentablemente, los diámetros continuos deben ser discretizados, ya que en el mercado 
local solo se pueden conseguir ciertos tamaños de tuberías. Para realizar esta aproximación a los 
diámetros comerciales se usan distintas metodologías, todas con el fin de que la línea de gradiente 
hidráulico obtenida, se aleje lo menos posible a la Línea de Gradiente Hidráulico ideal.  

Bermúdez  realizó  algunas  modificaciones  en  la  metodología  SOGH  para  poder  ser  usadas  en  el 
diseño de redes de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Estos cambios se debieron principalmente 
a que en una red de riego, los caudales demandados no se conocen a priori. Esto se debe a que 
estos  caudales,  suministrados  por  los  emisores,  son  función  de  la  presión  que  se  tenga  en  los 
mismos. Por esta razón, no se puede hablar de un centroide de demanda, ni tampoco de una Línea 
de  Gradiente  Hidráulico  objetiva  a  priori.  Posteriormente,  Hernández  (2012)  propuso  una 
metodología  de  diseño  mediante  SOGH  y  Programación  Lineal,  la  cual  daría  resultados  más 
económicos  que  los  obtenidos  por  medio  de  la  metodología  SOGH  –  Ajustada  propuesta  por 
Bermúdez. Esta nueva metodología se explicará más a fondo en las siguientes páginas. 

Sin embargo, el gran aporte de Bermúdez al desarrollo de una metodología para el diseño óptimo 
de submódulos de sistemas RLAF consistió en un proceso para encontrar la presión de entrada al 
submódulo (PES) que cumpliera con el Coeficiente de Uniformidad del diseño agronómico, dada la 
topología de la red y las características del emisor. Esta se explica a continuación. 

 

2.5.2 Cálculo de la presión de entrada al Submódulo propuesto por 
Bermúdez 

 

Por  medio  de  diversos  análisis,  Bermúdez  encontró  que  existía  una  relación  inversamente 
proporcional  entre  el  Coeficiente  de  Uniformidad  Resultante  (  

 

)  y  la  Presión  de  Entrada  al 

Submódulo (   ), descrita por una función polinómica de segundo orden (Bermúdez, 2011). Esta 
relación se puede apreciar en la siguiente gráfica: 

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Figura  6 Relación CUr - PES. Tomado de Bermúdez (2011). 

Haber  encontrado  esta  relación  fue  de  fundamental  importancia  ya  que  por  medio  de  esta  se 
estableció  que  se  podría  llegar  a  conocer  la  PES  necesaria  para  cumplir  exactamente  con  un 
Coeficiente  de  Uniformidad  establecido  por  el  diseño  agronómico.  De  esta  forma,  el  trabajo  de 
Bermúdez  se  enfocó  a  entender  y  comprobar  qué  parámetros  hidráulicos  y  topológicos  podrían 
explicar esta relación polinómica: 

  

 

        

 

                                 

en donde los factores  ,   y   son los coeficientes que describen la relación y son influenciados 
por  parámetros  hidráulicos  y  topológicos  propios  del  sistema.  Para  encontrar  estas  relaciones, 
Bermúdez  realizó múltiples variaciones de parámetros y verificó si éstas influenciaban en la curva 
  

 

     . Los parámetros que tuvo en cuenta para el análisis fueron los siguientes: 

 

Variación del exponente del emisor ( ) 

 

Variación del coeficiente del emisor ( ) 

 

Variación de la topología de la red 

 

Variación en los caudales requeridos 

 

Variación en la presión media de operación 

 

Variaciones en el Coeficiente de Uniformidad requerido (  

 

  

 

Cambios debido al coeficiente de Variación de Fabricación del Emisor (  ) 

 

Variación en el número de emisores por planta ( 

 

  

Después  de  verificar  los  anteriores  parámetros,  Bermúdez  llegó  a  la  conclusión  de  que  la  curva 
  

 

      se veía influenciada por la presión media de operación, del exponente del emisor, el 

Coeficiente  de Uniformidad Inicial (  

 

) y el Coeficiente de Variación del Emisor (  ), mientras es 

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independiente del caudal medio de operación y la topología de la red. Establece finalmente que la 
ecuación  que  relaciona  el  Coeficiente  de  Uniformidad  Resultante    y  la  Presión  de  Entrada  al 
Submódulo es la siguiente:  

  

 

        

 

                

[  ]

   

[  ]

                        

donde  ,   y   se pueden calcular por medio de la siguiente tabla, conociendo de antemano la 
presión media en el submódulo ( 

 

) y el exponente del emisor ( ): 

 

Figura  7 Valores para    y   según  

 

 y   . Tomado de Bermúdez (2011). 

Por otra parte,  

[  ]

 y  

[  ]

 corresponden a los coeficientes de corrección debido a cambios en el 

Coeficiente  de  Uniformidad  Inicial  (  

 

)  y  en  el  Coeficiente  de  Variación  (  ) 

correspondientemente.  

El parámetro  

[  ]

 se puede calcular por medio de la siguiente ecuación y representa una tasa de 

cambio igual a un valor de 0.03 por cada diferencia del 5% en el   

 

 con respecto a un CU del 80%: 

 

[  ]

         [

  

 

     

    

]                       

Adicionalmente, este coeficiente es independiente de la presión y caudal medio de operación del 
emisor y topología de la red. 

De  la  misma  forma,   

[  ]

  es  independiente  de  la  presión  y  el  caudal  medio  de  operación  del 

emisor, y topología de la red. Este coeficiente representa una tasa de cambio igual a un valor de 
0.004 por cada diferencia del 0.01 en el    con respecto a un    DE 0.04. Este se puede calcular 
por medio de la siguiente ecuación: 

 

[  ]

          [

         

    

]                      

Una  vez  encontrados  los  coeficientes     ,   ,     ,   

[  ]

  y   

[  ]

  los  cuales  explican  la  curva    

 

 

   ,  es  necesario  definir  la  Presión  de  Entrada  al  Submódulo  en  función  de  la  presión  mínima 
permisible y la presión media de operación, por lo cual se tiene: 

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29 

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Sabiendo  que  la  altura  de  presión  máxima  corresponde  a  la  Presion  de  Entrada  al  Submódulo 
(   ), se despeja ésta haciendo uso de la ecuación 26: 

      [ 

 

   

  

]                         

            

  

                         

       [ 

 

   

  

]    

  

                        

Finalmente para la construcción de la curva    

 

     , Bermúdez propone un rango entre 0.5 y 

4.5  para  el  valor  del  factor  M,  con  un      de  0.1  para  su  determinación.  Una vez establecida  la 
curva,  sólo  se  necesita  revisar  cual  debe  ser  la  Presión  de  Entrada  al  Submódulo  que  cumple 
exactamente con el Coeficiente de Uniformidad (  ) requerido por el diseño agronómico.  

 

2.6 Metodología de diseño optimizado de submódulos de sistemas 
RLAF mediante Programación Lineal propuesto por Hernández 

 

David  Hernández,  estudiante  de  la  Universidad  de  los  Andes,  estableció  una  metodología  de 
diseño óptimo de submódulos de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia, haciendo uso 
de la metodología SOGH (Saldarriaga & Ochoa, 2009) y la metodología para el cálculo de la Presión 
de  Entrada  al  Submódulo (Bermúdez,  2011).  Para  poder  encontrar  la  solución óptima  de  diseño 
del submódulo, Hernández propuso modelar el problema mediante una formulación lineal, siendo 
de esta forma posible encontrar el diseño óptimo de la red.  

Al  ser  las  redes  de  riego  redes  abiertas  es  posible  solucionar  el  problema  de  diseño  mediante 
Programación Lineal. Para esto, se debe conocer diferentes parámetros hidráulicos y topológicos 
de  la red. Dentro de  estos se  encuentran la longitud de  los tramos,  la rugosidad absoluta  de  las 
tuberías  (k

s

),  el  coeficiente  de  pérdidas  menores  (k

m

)  y  el  caudal  transportado  en  cada  tramo.  

Teniendo estos parámetros, Hernández propone usar cuatro matrices, con las cuales se modela el 
problema de forma líneal y por medio de las cuales se encuentra el diseño óptimo: 

1. 

Matriz de pérdidas totales de energía

: En esta matriz se establece cuáles son las pérdidas 

de  energía  debido  a  fricción  y  accesorios  que  se  tendrían  en  cada  tramo  de  la  red  para 
cada  uno  de  los  diámetros  comerciales  disponibles.  La  energía  total  está  calculada  por 
medio  de  la ecuación  de  Darcy  –  Weisbach  en  conjunto  con  la  ecuación  de  Colebrook  – 
White: 

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                                     Universidad de los Andes 
                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

30 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

      

 

   

 

         

   

 

[∑  

     

   

   

 

   

 

   

donde: 
   corresponde a las pérdidas totales entre los nudos i y 
  

   

 corresponde al caudal que es transportado por la tubería entre los nudos i y 

 

     

 corresponde al coeficiente de pérdidas menores entre los nudos i y 

 

   

  corresponde  al  factor  de  Darcy,  calculado  por  medio  de  la  ecuación  de  Colebrook-

White 
 
Esta  matriz  es  denotada  como  la  matriz  DP  y  tiene  la  siguiente  forma,  tomando  como 
ejemplo la siguiente red: 
 

 

Figura 2 Red ejemplo. Tomada de Hernández (2012). 

Se  establece  una  red  pequeña  donde  se  tiene  una  fuente  de  abastecimiento  (N1)  y  4 
nudos de demanda (N2, N3, N4 y N5).  

Tabla 10 Matriz de Pérdidas Totales (DP. Tomado de Hernández (2012). 

Pérdidas Totales (m) 

Diámetros Comerciales (mm) 

200 

100 

75 

T

ra

mo

 

N

1

-N

2

 

0.0642 

18.153 

73.182 

N

2

-N

3

 

0.0189 

0.5176 

2.052 

N

2

-N

4

 

0.0403 

1.1113 

4.4235 

N

2

-N

5

 

0.0413 

1.1373 

4.5219 

 
En  la  figura  anterior  se  puede  ver  un  ejemplo  para  la  matriz  de  pérdidas  totales  (DP), 
donde  para  cada  diámetro  comercial  disponible  tiene  asociada  una  pérdida  de  energía 

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                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

31 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

total entre dos diferentes nudos. De esta forma se tiene por ejemplo, que entre el nudo 2 
(N

2

) y el nudo 3 (N

3

) se tiene una pérdida de energía de 0.5176 metros. 

 

2. 

Matriz de costos: 

Esta matriz corresponde a los costos que se tendrían al usar una tubería 

de  cada  diámetro  comercial  disponible  en  cada  uno  de  los  tramos  que  componen  el 
sistema. Este costo se obtiene por medio de la siguiente ecuación: 

 

              

 

                     

 
donde: 
  corresponde al costo de la tubería  
  y x corresponden al coeficiente y al exponente de la ecuación de costos 
  es el la longitud de la tubería 
  corresponde al diámetro de la tubería 
 

3. 

Matriz de Líneas de Gradiente Hidráulico mínimas (   

   

): 

Esta matriz corresponde a 

las alturas piezométricas mínimas que debería tener cada uno de los nudos, para que se 
cumpliera la presión mínima requerida por el diseño agronómico. Para poder establecer 
esta matriz se deben conocer la altura topográfica de cada uno de los nudos y la presión 
mínima permitida, siendo esta última calculada por medio de la tolerancia de caudales y 
los requerimientos agronómicos del cultivo: 
 

    

       

   

              

   

   

                          

 

4. 

Matriz  de  conectividad:

  Matriz  binaria  que  indica  si  existe  una  conectividad  entre  dos 

nudos del sistema, tomado un valor de uno si existe tal conexión o cero de  lo contrario. 
Para el caso del ejemplo correspondería a la siguiente: 

Tabla 11 Matriz de Conectividad (w). 

Tramo 

Conectividad 

N

1

-N

2

 

N

2

-N

3

 

N

2

-N4 

N

2

-N

5

 

 

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DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

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Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Por  otra  parte,  es  necesario  fijar  variables  de  decisión,  restricciones  del  problema  y  la  función 
objetivo para que el problema pueda ser resuelto mediante Programación Lineal. En base a esto, 
Hernández estableció los siguientes parámetros: 

Variable de decisión  

   

Esta variable binaria será la que establecerá si para el tramo comprendido entre el nudo i y el nudo 
j se tiene una tubería con un diámetro d. De esta forma se tendrá 1 si la tubería de diámetro d está 
uniendo esto dos nudos, o 0 de lo contrario: 

 

   

  {                                                                      

                                             

 

 

siendo N el conjunto que contiene todos los nudos del submódulo y D, el conjunto que contiene 
todos los diámetros comerciales disponibles. 

Restricciones del problema: 

Hernández establece también 3 restricciones del problema, las cuales tendrá que cumplir el diseño 
óptimo encontrado: 

 

Restricción  de  Línea  de  Gradiente  Hidráulico     

   

:  Se  desea  que  todos  los  nudos 

tengan  una  línea  de  gradiente  hidráulico  superior  a  la  Línea  de  Gradiente  Hidráulica 
Mínima establecida por medio de la Ecuación 30.

 

 

 

Restricción de     en nudos aguas abajo: Se debe verificar que exista una conservación 
de la energía, por lo cual se debe asegurar que la     de un nudo aguas abajo sea la resta 
entre  la       del  nudo  aguas  arriba  de  éste  y  las  pérdidas  totales  que  se  dieron  en  el 
tramo:

 

 
 

   

 

     

 

  ∑   

   

   

   

   

                     

 
 

 

Restricción de un único diámetro  en cada tramo: Por medio de esta restricción se quiere 
asegurar que en cada tramo se asigne únicamente un diámetro.

 

 
 

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DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

33 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Función Objetivo 

La función objetivo corresponde al costo total de las tuberías que componen la red: 

∑ ∑ ∑  

   

   

   

   

   

                      

   

 

El  objetivo  de  la  metodología  es  minimizar  los  costos  totales,  sin  incumplir  las  restricciones 
establecidas, obteniendo así el diseño óptimo.  

Ya  establecidos  estos  parámetros,  se  puede  hacer  uso  de  Xpress,  el  cual  es  un  software 
especializado en optimizar funciones haciendo uso de sofisticados subprocesos y algoritmos que 
tienen  la  capacidad  de  resolver  problemas  lineales,  cuadráticos  y  convexos,  entre  otros.  Sin 
embargo,  cuando  se  desea  aplicar  esta  forma  de  solución  al  problema  de  las  redes  de  Riego 
Localizado  de  Alta  Frecuencia  existe  un  inconveniente.  Como  se  había  explicado  anteriormente, 
los  caudales  que  son  suministrados  por  los emisores  son  función  de  la  altura de  presión  que  se 
tengan  en  éstos.  Esta  altura  de  presión  va  a  variar  a  medida  que  el  agua  se  aleja  del  punto  de 
entrada al submódulo, debido a las pérdidas por fricción y las pérdidas menores. Por esta razón, 
no se puede realizar la matriz (DP) de forma directa. Para resolver este problema, Hernández hace 
uso de la metodología SOGH (Saldarriaga y Ochoa, 2009), por medio de la cual se puede establecer 
una Superficie Óptima de Gradiente Hidráulico de la red y de esta forma, poder conocer por medio 
de  la  ecuación  del  emisor,  el  caudal  que  es  suministrado  por  éste.  Una  vez  encontrados  estos 
caudales, estos se establecen como demandas constantes y se puede hacer uso de Programación 
Lineal para encontrar el diseño Óptimo.  

Hernández encontró que el diseño final encontrado mediante Programación Lineal es sensible a la 
flecha con la que se diseñe la Superficie de Gradiente Hidráulico. Esto se debe a que a medida que 
se cambia la flecha de diseño en la metodología SOGH, se está cambiando también las presiones 
ideales  en  los  nudos  y  al  mismo  tiempo  los  caudales  que  son  suministrados  por  cada  emisor. 
Debido a estos cambios en el caudal, se encontró que algunos de los diseños finales encontrados 
mediante  Programación  Lineal  no  cumplían  con  las  presiones  mínimas  requeridas  por  el  diseño 
agronómico.  

Mediante un análisis detallado, Hernández estableció que el rango en donde se debe encontrar la 
flecha de diseño óptima va a estar entre un valor de 0 y 0.25. De esta forma, propone comenzar 
con los límites de este rango, es decir, encontrar el diseño mediante una flecha de 0 y una flecha 
de  0.25.  Una  vez  obtenidos  estos    diseños  (los  cuales  fueron  encontrados  mediante  caudales 
constantes), deben ser modelados mediante emisores, y se debe comprobar que los nudos tengan 
una presión mayor o igual a la presión mínima establecida. En el caso de que el diseño encontrado 
mediante una flecha de 0.25 cumpla con las presiones mínimas, se debe tomar éste como diseño 
final  del  sistema,  ya  que  corresponderia  al  diseño  óptimo.  Si  por  otro  lado,  existen  nudos  con 

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DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

34 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

presiones  menores  a  la  mínima,  Hernández  propone  calcular  el  promedio  de  los  caudales 
obtenidos por medio de estas dos flechas y volver a diseñar mediante Programación Lineal. Este 
proceso se repite hasta que todos los nudos tengan una presión mayor o igual a la presión mínima, 
y se obtenga el diseño óptimo final del submódulo. 

A continuación se presenta un diagrama de flujo de la metodología propuesta por Hernández para 
el diseño óptimo de submódulos de sistemas RLAF: 

 

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optimizados.  

 

 

 

 

 

35 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

Figura  8 Diagrama de Flujo, metodología para diseños de Su módulos de sistemas RLAF mediante Programación Lineal y 

SOGH. Tomado de Hernández (2012). 

 

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optimizados.  

 

 

 

 

 

36 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

 

Figura  9 Diagrama de Flujo, metodología para diseños de Su módulos de sistemas RLAF mediante Programación Lineal y SOGH. Tomado de 

Hernández (2012). 

 

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optimizados.  

 

 

 

 

 

37 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Debido a que para el análisis de la red matriz se utilizará la metodología propuesta por Bermúdez y 
Hernández  para  el  diseño  de  submódulos,  objetivo  de  esta  tesis,  es  necesario  realizar  algunas 
pruebas con el fin de verificar que los diseños finales cumplan con todos las presiones mínimas, 
caudales demandados, Coeficiente de Uniformidad y demás requerimientos agronómicos, además 
de  ofrecer  un  diseño  más  económico  que  el  encontrado  usando  la  metodología  SOGH.  A 
continuación se presentan las pruebas realizadas para esta metodología. 

2.7 Pruebas para la metodología propuesta por Bermúdez y 
Hernández para el diseño de submódulos de sistemas RLAF 

 

Se realizaron varias pruebas para la metodología propuesta, teniendo en cuenta varios escenarios 
donde varían la topografía, el número de emisores por planta, el caudal medio por emisor, entre 
otros. A continuación se presentan cada escenario y su respectivo resultado: 

2.7.1 Caso de estudio 1, Submódulo simétrico con topografía planta 

 

Este caso de estudio corresponde a un submódulo de veinte laterales, cada uno con 5 plantas. El 
caudal  medio  por  planta  es  de  80  L/h.  El  terreno  es  completamente  plano,  por  lo  cual  la  LGH 
corresponde a la altura de presión únicamente. La topología de la red se muestra a continuación 
con los demás requerimientos agronómicos: 

 

Figura  10 Caso de Estudio 1, REDES 2012. 

Tabla 12 Datos agronómicos Caso de Estudio 1. 

DATOS AGRONÓMICOS 

Coeficiente 

de 

uniformidad 

(CU) 

Número de 

emisores 

por planta 

(n

e

Presión media 

de operación 

(h

m

Caudal medio 

por emisor (Q

m

() 

() 

(m) 

(L/h) 

0.8 

10.08 

80 

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DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

38 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

  

  

  

  

Coeficiente de variación del emisor (CV) 

0.04 

Exponente del emisor 

0.5 

Coeficiente del emisor (L/h)/(mx) 

0.007 

 

Adicionalmente, se tiene una longitud de 5 metros entre lateral y lateral, y una longitud de 2 
metros entre planta y planta. 

Por medio de la metodología propuesta por Bermúdez (2011), se obtiene el siguiente resultado 
para la Presión de Entrada (PES) y la presión mínima permisible: 

Tabla 13 PES y presión mínima, Caso de Estudio 1. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

7.16 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

14.89 

 

 

Gráfica 1 Coeficiente de Uniformidad Resultante vs PES, Caso de estudio 1. 

Para el diseño, se tiene la siguiente lista de diámetros comerciales disponibles:  

Tabla 14 Diámetros Comerciales Disponibles, Caso de Estudio 1. 

Diámetros 

(mm) 

6.2  9.5  12.7  19.05  25.4  31.75  38.1  50.8  63.5  76.2  101.6  152.4  200 

 

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

0

5

10

15

20

25

Co

ef

ici

e

n

te

 d

e

 Uni

for

m

id

ad

  

R

e

su

lt

an

te

 ()

 

Presión de Entrada al Submódulo (m) 

Curva PES vs CU

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                                     Universidad de los Andes 
                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

39 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Adicionalmente, se usará un exponente de 1.647 y un coeficiente de 16.871 para la ecuación de 
costos. Estos fueron obtenidos por David Hernández en su trabajo según los costos de tuberías en 
pesos colombianos (COP): 

 

Gráfica 2 Curva Costo vs Diámetros de tubería. Tomado de Hernández (2012). 

Siguiendo la metodología propuesta por Hernández, se realizaron los diseños del submódulo por 
medio  de  Programación  Lineal  para  las  Superficies  de  Gradiente  Hidráulico  obtenidas  con  una 
flecha de 0 y 0.25. Posteriormente, estos diseños son modelados mediante emisores y se obtienen 
los siguientes resultados: 

Tabla 15 Resultados Caso de Estudio 1. 

Diseño 

Caudal Total del 

submódulo 

(L/s) 

CUr 

Presión 

Mínima (m) 

Nudos con Presión 

< Presión mínima 

Costo submódulo (COP) 

Flecha 0 

1.848045 

0.9075 

7.16 

$   259,741.69 

Flecha 0.25 

1.819442 

0.9055 

6.909 

12 

$   252,201.88 

 

En la tabla anterior se puede evidenciar los dos diseños para el submódulos obtenidos por medio 
de una flecha 0 y una flecha de 0.25. Tal como explica Hernández, el caudal que es transportado 
por el diseño obtenido por la flecha de 0.25  (D2)  es mayor al caudal transportado por el diseño 
obtenido  por  la  flecha  0  (D1).  Esto  se  debe  a  que  un  aumento  en  la  flecha  significa  una  mayor 
curvatura  en  la  SGH,  y  por  consiguiente,  una  disminución  en  el  caudal  total.  Se  puede  apreciar 
también como en el diseño D2 se incumplen restricciones de presión mínima, teniendo 12 nudos 
donde este requerimiento no es cumplido. 

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                                     Universidad de los Andes 
                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

40 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Se procede entonces a realizar el promedio del caudal para cada uno de los nudos, y se vuelve a 
diseñar el submódulo por medio de Programación Lineal. Este proceso se repite hasta que todos 
los  nudos  tengan  una  presión  menor  o  igual  a  la  presión  mínima  permitida.  Se  obtienen  los 
siguientes resultados: 

Tabla 16 Resultados Caso de Estudio 1. 

Diseño 

Caudal Total del 

submódulo (L/s) 

CUr 

Presión 

Mínima 

(m) 

Nudos con 

Presión < Presión 

mínima 

Costo submódulo (COP) 

Promedio 

1.837013 

0.9075 

7.074 

$  258,055.50 

Promedio 

1.848045 

0.9075 

7.16 

$   259,741.69 

 

En los resultados anteriores se puede apreciar como a medida que se hacen más iteraciones en el 
proceso  de  diseño,  los  nudos  con  presión menor  a  la  presión mínima  disminuyen.  Sin  embargo, 
este caso en especial, el diseño obtenido con el segundo promedio de caudales es el mismo diseño 
obtenido con una flecha diseño de 0. Esto quiere decir que éste sería el diseño óptimo de la red, 
teniendo un costo final de $259,741.69 (COP). Este valor se compara con el costo obtenido para la 
red diseñada por medio de SOGH: 

Tabla 17 Diseño obtenido por SOGH, Caso de Estudio 1. 

Diseño 

Caudal Total del 

submódulo (L/s) 

CUr 

Presión 

Mínima (m) 

Nudos con 

Presión < Presión 

mínima 

Costo submódulo 

(COP) 

Diseño 

SOGH 

1.87531 

0.911 

7.429 

$  280,199.67 

  

Acorde con los resultados planteados, el diseño obtenido por medio de la metodología propuesta 
por Bermúdez y Hernández es aproximadamente un 7.3% más económica en comparación con el 
diseño  obtenido  usando  la  metodología  SOGH.  De  igual  forma,  los  dos  diseños  cumplen  los 
requisitos de presión mínima y Coeficiente de Uniformidad.  

2.7.2 Caso de estudio 2, Submódulo Asimétrico con topografía planta 

 

Este caso corresponde a un submódulo asimétrico de 7 laterales, los cuales contienen 5 nudos de 
demanda cada uno. La topografía del terreno es plana, mientras que la distancia entre laterales es 
de 5 metros y la longitud entre plantas es de 2 metros. Se usará un emisor por planta, teniendo en 

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                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

41 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

cuenta un exponente de 0.3, con un coeficiente de 0.01 (L/s)(m

x

). A continuación se presenta una 

vista del submódulo y los requerimientos agronómicos del cultivo: 

 

Figura  11 Caso de Estudio 2, red asimétrica con topografía plana. 

 

Tabla 18 Datos Agronómicos, Caso de Estudio 2. 

DATOS AGRONÓMICOS 

Coeficiente de 

uniformidad (CU) 

Número de emisores 

por planta (n

e

Presión media de 

operación (h

m

Caudal medio por 

emisor (Q

m

() 

() 

(m) 

(L/h) 

0.85 

9.18 

70 

  

  

  

  

Coeficiente de variación del emisor (CV) 

0.04 

Exponente del emisor 

0.3 

Coeficiente del emisor (L/s)/(mx) 

0.01 

 

Por medio  de  la  metodología  propuesta  por  Bermúdez  (2011),  se  obtiene  el  siguiente  resultado 
para la Presión de Entrada (PES) y la presión mínima permisible: 

Tabla 19 Resultados para PES y Pmin Caso de Estudio 2. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

6.98 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

16.10 

 

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                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

42 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

Gráfica 3 Curva CU vs PES, Caso de Estudio 2. 

Para este diseño se utilizará la misma lista de diámetros comerciales disponibles que se usó en el 
Caso de Estudio 1. Se procede entonces al diseño del submódulo por medio de las SGH con una 
flecha de 0 y 0.25: 

Tabla 20 Resultados Flecha 0 y Flecha 0.25 Caso de Estudio 2. 

Diseño 

Caudal Total del 

submódulo (L/s) 

CUr 

Presión 

Mínima 

(m) 

Nudos con Presión 

< Presión mínima 

Costo submódulo (COP) 

Flecha 

0.823281 

0.9181 

7.212 

$   105,990.84 

Flecha 

0.25 

0.796922 

0.9281 

6.71 

$   103,750.16 

 

En los resultados anteriores  se  evidencia nuevamente como el diseño  D2 incumple con  6 nudos 
donde  la  presión  es  menor  a  la  presión mínima. Por  otro  lado,  el  diseño D1  satisface  la  presión 
mínima  en  todos  los  nudos.  En  los  dos  casos  el  Coeficiente  de  Uniformidad  es  superior  al 
establecido por el diseño agronómico (0.85). Se continúa entonces con promedio de los caudales 
en cada uno de los nudos y se vuelve a diseñar mediante Programación Lineal: 

 

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                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

43 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Tabla 21 Resultados Metodología CIACUA y SOGH, Caso de Estudio 2. 

Diseño 

Caudal Total 

del submódulo 

(L/s) 

CUr 

Presión 

Mínima (m) 

Nudos con Presión 

< Presión mínima 

Costo submódulo (COP) 

Promedio 1 

0.82261 

0.9034 

7.06 

$     105,296.42 

Diseño 

SOGH 

0.832984 

0.9113 

7.315 

$      117,019.80 

 

En la tabla anterior  se muestra  el diseño final obtenido por medio de  la  metodología  propuesta 
por  Bermúdez y  Hernández  para  el  diseño  del  submódulo.  En  ésta  se  obtiene  un  Coeficiente  de 
Uniformidad de 0.9034, cumpliendo con el Coeficiente de Uniformidad requerido. De igual forma, 
cumple con la presión mínima en todos los nudos asegurando que todas las plantas reciban más 
del  caudal  mínimo  especificado  por  el  diseño  agronómico.  Este  diseño  tiene  un  valor  de 
$105,296.42 COP, resultando un 10.01% más económico que el diseño encontrado por medio de la 
metodología SOGH, el cual tiene un costo de $117,019.80 COP. 

Por medio de estos casos de estudio se demuestra que la metodología propuesta por Hernández y 
Bermúdez  ofrece  diseños  más  económicos  que  los  encontrados  por  medio  de  SOGH,  y  que 
cumplen  con  los  requerimientos  agronómicos  e  hidráulicos  necesarios  para  obtener  un  correcto 
crecimiento y producción del cultivo.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

44 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

3. DISEÑO DE LA RED MATRIZ PARA SISTEMAS DE RIEGO 
LOCALIZADO DE ALTA FRECUENCIA  

 

Por  medio  de  los  trabajos  realizados  por  Bermúdez  y  Hernández  se  establece  una  metodología 
para diseñar submódulos de sistemas de riego localizado de alta frecuencia. Esto quiere decir que 
partiendo desde un diseño agronómico (establecido por el tipo de cultivo que se va a regar), una 
topografía establecida y una lista de diámetros comerciales, es posible encontrar el diseño óptimo 
para  un  submódulo.  Este  diseño  comprende  desde  la  válvula  reguladora  de  presión  hasta  cada 
lateral que compone en el submódulo. Hernández establece que este diseño final cumplirá con los 
requisitos de presión mínima establecida por medio de la tolerancia de caudales y presiones.  

Para  este  punto,  resta  entonces  diseñar  la  red  Matriz  del  sistema,  la  cual  corresponde  a  las 
tuberías  que  comunican  la  fuente  de  abastecimiento  con  los  submódulos  que  conforman  el 
sistema. Esta red matriz está compuesta por la tubería primera y las tuberías secundarias: 

 

 

Figura  12 Esquema Red Matriz de Sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. 

Como se puede ver en la figura anterior, la red Matriz no se compara en cantidad de tuberías con 
respecto a los submódulos de riego. En ésta, únicamente se están teniendo en cuenta la tubería 
primaria, la cual es la encargada de entregar el caudal a cada una de las tuberías secundaria y por 
lo tanto recorre todo el sistema, y las tuberías secundarias, las cuales se encargan de llevar el agua 

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                                     Universidad de los Andes 
                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

45 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

desde  las  tuberías  primarias  hasta  la  válvula  reguladora  de  presión,  lugar  donde  empieza  el 
submódulo de riego.  

Aunque  la  cantidad  de  tuberías  que  componen  la  red  Matriz  es  mucho  menor  a  la  cantidad  de 
tuberías  que  componen  cada  uno  de  los  submódulos  de  riego, ésta  no es  menos  importante. El 
correcto diseño de la tubería principal es fundamental para que el sistema de riego sea eficiente y 
óptimo. Esta tubería tiene la obligación de transportar la totalidad del caudal que es demandado 
por  cada  una  de  las  plantas  que  conforman  el  cultivo;  esto  hace  que  el  tamaño  de  ésta  sea 
bastante considerable. Adicionalmente, esta tubería debe recorrer todo el largo del sistema, por lo 
que  es  la  tubería más  larga  de  toda  la  red.  Estos  dos  aspectos  hacen  que  el costo  de  la  tubería 
primera sea bastante elevado. Las tuberías secundarias tampoco dejan de ser importantes, ya que 
aunque  no  transportan  todo  el  caudal  total,  si  transporta  el  caudal  demandado  por  los 
submódulos  que  alimentan.  Igualmente,  las  longitudes  de  estas  pueden  ser  considerables 
dependiendo de la distribución del cultivo y el terreno donde se llevará a cabo. 

La  presente  investigación  consiste  entonces,  en  encontrar  la  forma  de  diseño  óptima  de  la  red 
Matriz,  partiendo  desde  los  avances  de  Bermúdez  y  Hernández  para  el  diseño  óptimo  de  los 
submódulos.  Para  esto,  en  primera  instancia  es  necesario  explicar  el  software  con  el  cual  se 
trabajara para lograr el objetivo. 

 

3.1 Programa REDES 

 

El  Programa  REDES  es  un  software  especializado  en  el  diseño  de  redes  de  distribución  de  agua 
potable (RDAP) desarrollado por el Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados de la 
Universidad  de  los  Andes,  Bogotá,  Colombia.  Consiste  en  una  herramienta  de  simulación  de 
sistemas de tuberías con flujo a presión, por medio de la cual es posible diseñar redes nuevas, o 
ampliar redes existentes. Este software está enfocado al diseño optimizado de redes, para lo cual 
hace uso de diversas metodologías de diseño. Dentro de estas se encontran: Algoritmos Genéticos 
aplicados  al  diseño  de  redes,  Superficie  Óptima  de  Presiones  (SOP),  Programación  por 
Restricciones, Superficie Óptima de Gradiente Hidráulico (SOGH), Búsqueda de Armonía, y Optimal 
Power Use Surface (OPUS), siendo esta última la metodología que se usará para el análisis de la 
red Matriz: 

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                                     Universidad de los Andes 
                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

46 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

Figura  13 Programa Redes, desarrollado por el Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados, CIACUA. 

 

REDES ofrece la posibilidad de simular y diseñar redes de tuberías, contando con elementos como 
embalses, tanques, válvulas, bombas, tuberías, emisores, y nudos de demanda. Adicionalmente, el 
programa permite múltiples  opciones de cálculo al usuario; entre  estas  se encuentran  el  cálculo 
hidráulico  estático  (cálculo  de  alturas  piezométricas  y  presiones),  calculo  hidráulico  en  periodo 
extendido (calculo hidráulico a diferentes a diferentes horas del  día), cálculo de calidad del agua 
(concentración,  edad,  trazadores  y  porcentaje  de  procedencia),  diseño  de  RDAP  con  métodos 
modernos  y  sumamente  óptimos,  calibración  de  redes  y  cálculo  del  Índice  de  Resiliencia.  Todo 
esto en conjunto con una interfaz gráfica bastante clara, donde es posible ver desde parámetros 
como la presión, el caudal y líneas de gradiente hidráulico ideales y reales, hasta curvas de nivel y 
superficies. 

 

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                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

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optimizados.  

 

 

 

 

 

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Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

Figura  14 Interfaz REDES. Elementos de diseño. 

 

Figura  15 Interfaz REDES. Metodologías de diseño. 

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                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

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Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

3.2 Planteamiento de la Red Matriz 

 

Por medio de los avances logrados por Bermúdez y Hernández es posible diseñar óptimamente un 
submódulo de sistema RLAF; resta ahora diseñar la red matriz optimizando el diseño para que se 
obtenga el menor costo constructivo. Para este fin, es necesario simplificar un poco el sistema de 
riego. Dado que para este punto ya se conoce una metodología óptima de diseño de submódulos 
de  sistemas  de  Riego  Localizado  de  Alta  Frecuencia,  se  podría  pensar  en  simplificar  estos 
componentes de la red.  

Al finalizar el diseño de un submódulo de RLAF, se deben obtener los diámetros de cada una de las 
tuberías  que  componen  el  múltiple  y  los  laterales.  De  igual  forma,  se  debe  conocer  cuál  es  la 
Presión de Entrada al Submódulo (PES), la cual se obtiene mediante la metodología de Bermúdez 
(2011). Esta  presión de  entrada es  controlada  por la  válvula  reguladora de  presión, ubicada a la 
entrada  de  cada  submódulo.  Esta  válvula  se  encarga  de  controlar  la  presión  que  entra  al 
submódulo  para  que  se  ajuste  a  la  deseada,  teniendo  claramente,  aguas  arriba    de  está,  una 
presión de llegada más alta o igual a la presión deseada. Adicionalmente, al finalizar el diseño de 
un submódulo, se conoce también el caudal total que es demandado por éste.  

Teniendo  en  cuenta  estas  dos  premisas,  es  posible  modelar  el  submódulo  como  un  nudo  de 
demanda  constante  y  presión  constante.  Esta  suposición  será  fundamental  para  poder  analizar 
correctamente el diseño óptimo de la red Matriz.  

 

Figura  16 Modelación Red Matriz. 

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

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Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Haciendo  estas  dos  suposiciones  y  realizando  la  modelación  anteriormente  propuesta,  la  red 
Matriz se convierte en una red abierta con nudos de demanda constante y presión fija, por lo cual 
se podría comparar con una red abierta de distribución de agua potable (RDAP). Como se explicó 
anteriormente, el Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados de la Universidad de 
los Andes, CIACUA, ha desarrollado diversas metodologías para el óptimo diseño de este tipo de 
redes, de las cuales sobresalen la metodología SOGH (Superficie Óptima de Gradiente Hidráulico, 
Saldarriaga & Ochoa 2009) y la metodología OPUS (Optimal Power Use Surface, Saldarriaga et al., 
2012). 

Se podría pensar entonces que el problema queda reducido a encontrar el diseño óptimo de la red 
Matriz usando las metodologías de diseño propuestas por el CIACUA. Sin embargo, existen ciertas 
variables  que  pueden  llegar  a  modificar  el  diseño  de  la  red  Matriz  debido  a  que  éstas  pueden 
alterar tanto el caudal demandado y transportado, como la Presión a la Entrada del Submódulo. 
Dentro de estas variables se encuentran los turnos de riego, la distribución de turnos de riego y los 
números de emisores que se usen por planta. 

Antes de explicar en qué consisten estas variables es necesario explicar la metodología de diseño 
con la que se trabajará para entenderlas. La metodología OPUS ha sido un gran avance del CIACUA 
para el diseño  de  redes de  distribución de  agua potable (RDAP), ofreciendo diseños óptimos los 
cuales cumplen con todos los requerimientos de demanda e hidráulicos. A continuación se explica 
brevemente en que consiste esta metodología. 

3.3 Metodología OPUS (Optimal Power Use Surface) 

 

Como  se  explicó  anteriormente,  la  metodología  OPUS  nació  como  una  solución  al  problema  de 
diseño  de  redes  de  distribución  de  agua  potable  (RDAP).  El  objetivo  de  esta  metodología  es 
obtener un diseño de mínimo costo haciendo uso de un número reducido de iteraciones. Esto lo 
consigue haciendo uso de principios hidráulicos deterministas, obtenidos por medio del análisis de 
la  distribución  del  caudal  y  de  la  forma  en  que  la  energía  es  usada  en  estos  sistemas.  La 
metodología consiste en 6 subprocesos que son explicados a continuación:  

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                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

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optimizados.  

 

 

 

 

 

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Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

Figura  17 Esquema Metodología OPUS, tomado de Saldarriaga et al (2012).  

1. 

Estructura de Árbol

: Este paso está basado en dos principios fundamentales: El primero 

establece que una red de distribución de agua de mínimo costo es aquella que transporta 
el caudal demandado a cada nudo desde la fuente de abastecimiento por medio de una 
sola ruta. Esto conlleva a que las redes abiertas puedan ser más económicas que las redes 
cerradas.  Es  por  esto  que  la  metodología  propone  convertir  la  red  cerrada  en  una  red 
abierta, la cual es modelada con una estructura tipo árbol. El segundo principio se deriva 
de  la ecuación de Darcy  – Weisbach en conjunto con la ecuación de  Colebrook  –  White. 
Dejando  los  demás  parámetros  constantes,  el  caudal  presenta  una  relación 
aproximadamente proporcional al diámetro a una potencia de 2.6, lo que significa que a 
medida  que  aumenta  el  caudal  de  diseño  de  las  tuberías,  los  costos  marginales 
disminuyen.  El  Árbol  es  construido  por  medio  de  pares  tubería  –  nudo,  los  cuales  son 
establecidos  por  medio  de  su  valor  Costo  –  Beneficio.  Este  valor  es  calculado  como  el 
cociente entre la demanda del nudo y el costo marginal que conlleva conectar el par a la 
fuente de abastecimiento. 
 

2. 

Optimal Power Use Surface

: Una vez el Árbol es construido se procede a proponer una 

altura  piezométrica  objetivo  para  cada  nudo,  formando  una  Superficie  de  Gradiente 
Hidráulico. Esta superficie  depende de la relación entre caudal demandado y longitud de 
las  tuberías,  al  igual  que  de  función  de  costos.  Se  debe  tener  en  cuenta  que  la  flecha 

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                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

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Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

objetivo debe ser modificada a medida que se está moviendo por el árbol. Al finalizar este 
paso todos los nudos deben tener una altura piezométrica objetivo.  
 

3. 

Distribución Óptima del Caudal

: Este  paso tiene como fin encontrar un  esquema de 

distribución  de  flujo  único,  el  cual  respete  la  conservación  de  la  masa  y  se  ajuste  a  la 
Optimal Power Use Surface, anteriormente calculada. El caudal demandado se encuentra 
dividido entre el caudal transportado por la tubería principal y el caudal transportado por 
las otras tuberías. Para identificar la tubería principal del sistema se usan varios criterios 
dentro  de  los  cuales  se  encuentra  función  H/L

2

.  Al  finalizar  este  paso, todas  las  tuberías 

deben tener un caudal objetivo que va a ser trasportado por ellas. 
 

4.   

Cálculo de diámetros

: Por medio de este paso se asigna un diámetro continuo a todas 

las  tuberías.  Este  diámetro  es  obtenido  por  medio  de  las  ecuaciones  hidráulicas  de 
acuerdo  con  la  altura  piezométrica  objetivo  y  caudal  objetivo  transportado,  calculados 
anteriormente.  El  diseño  obtenido  en  este  paso  es  diseño  teórico  con  un  costo  muy 
cercano al mínimo. El siguiente paso corresponde a volver este diseño óptimo teórico en 
un diseño óptimo factible. 
 

5.   

Redondeo  de  diámetros

:  Este  paso  consiste  básicamente  en  asignar  un  valor  de 

diámetro  discreto  a  los  diámetros  continuos  obtenidos  en  el  paso  anterior.  Para  esto 
existen  varios  criterios  que  pueden  ser  utilizados,  sin  embargo,  este  redondeo  afecta 
drásticamente el comportamiento hidráulico del sistema y puede que el diseño deje de ser 
óptimo. 
 

6.   

Optimización

: Este último paso tiene dos finalidades principales: La primera consiste en 

asegurarse de que todos los nudos tengan una presión igual o mayor a la presión mínima, 
mientras que el segundo consiste en buscar una posible reducción de costos. Para esto se 
deben  realizar  numerosas  iteraciones  el  fin  de  obtener  un  diseño  de  bajo  costo  que 
cumpla con todos los requerimientos de presión.  

Al  finalizar  la  metodología  se  obtiene  un  diseño  de  bajo  costo,  mediante  el  cual  se  obtiene  una 
presión  mayor  o  igual  a  la  presión  mínima  en  todos  los  nudos.  Es  importante  resaltar  que  el 
tiempo  computacional  que  es  requerido  por  esta  metodología  es  bastante  inferior  al  costo 
computacional que requiere obtener un diseño de bajo costo usando heurísticas como Algoritmos 
Genéticos, Búsqueda de Armonía, Colonia de Hormigas, entre otras.  

 

 

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                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

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optimizados.  

 

 

 

 

 

52 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

3.4 Turnos de Riego 

 

En los grandes cultivos existe la necesidad de tener un esquema de turnos de riego, ya que sería 
muy costoso transportar toda el agua necesaria por todas las plantas que componen cada uno de 
los  submódulos  de  riego.  De  ser  así,  las  tuberías  primarias  y  secundarias  tendrían  que  ser 
diseñadas  con  un  caudal  bastante  considerable,  y  debido  a  la  importante  longitud  que  estas 
tienen, el costo constructivo que esto implicaría sería bastante elevado.   

Otro  ejemplo  de  la  necesidad  de  turnos  son  los  distritos  de  riego.  Estos  son  los  encargados  de 
suministrar  el  caudal  que  necesitan  los  diferentes  usuarios  para  el  correcto  crecimiento  y 
producción de sus cultivos. El agua distribuida por el distrito proviene en la mayoría de casos de 
fuentes subterráneas, siendo necesario tener un esquema de turnos de riego para que todos los 
usuarios  reciban  el  caudal  requerido.  Por  otro  lado,  los  costos  energéticos  que  puede    llegar  a 
tener  el  uso  de  bombas  dependiendo  de  la  hora  del  día  en  que  se  use,  hace  que  sea  también 
necesario tener turnos de riego, con el fin de disminuir estos costos. 

En este orden de ideas, los turnos de riego son una variable importante dentro del diseño de una 
red RLAF. Los turnos de riego se definen como los periodos de tiempo en los que está dividido el 
tiempo operacional total del sistema de riego. Estos periodos suelen ser de la misma duración y se 
debe  poder entregar el  agua  necesaria  para  las  plantas  en  ese  tiempo.  Tomando  como  ejemplo 
una  red  de  riego  compuesta  por  varios  submódulos,  la  variable  de  turnos  de  riego  consiste  en 
saber  cuáles  de  estos  submódulos  van  a  estar  funcionando  al  mismo  tiempo,  de  forma  que  se 
logre obtener un diseño final de la red más económico. Se debe recordar que cada planta necesita 
un volumen de agua, ya sea diario, semanal o mensual, establecido por el diseño agronómico. El 
caudal  que  es  necesario  suministrar  a  la  planta  va  a  depender  de  la  cantidad  de  tiempo  que  se 
tenga por turno para poder suministrar el volumen requerido. Si se tiene poco tiempo, el caudal 
que tendrá que ser suministrado va a ser mayor, mientras que si se dispone de un mayor tiempo, 
el caudal transportado por las tuberías será menor.  

Consecuentemente con lo planteado, el diseño de la red matriz está fuertemente relacionado con 
los  turnos  de  riego.  A  continuación  se  presenta  un  ejemplo  donde  es  más  fácil  visualizar  esta 
dependencia. 

 

3.4.1 Ejemplo de diseño mediante turnos de riego 

 

Como se expuso anteriormente, uno de los objetivos del presente trabajo consiste en comprender 
en  qué  medida  los  turnos  de  riego  pueden  llegar  a  modificar  el  diseño  de  la  red  Matriz,  y 

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                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

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optimizados.  

 

 

 

 

 

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Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

consecuentemente,  llegar  a  modificar  los  costos  constructivos  de  ésta.  Esto  con  el  fin  de 
establecer  cuál  sería  la  forma  óptima  de  diseño  del  sistema  riego  según  este  criterio.  A 
continuación se plantea un ejemplo con el fin de explicar más detalladamente este criterio: 

3.4.1.1 Caso de Estudio 3 

 

Se dispone de un cultivo de manzanos compuesto de cuatro submódulos; de los cuales cada uno 
suministra  agua  a  100  plantas.  El  diseño  agronómico  establece  que  cada  árbol  necesita  un 
volumen  diario  de  40  litros  para  poder  tener  un  crecimiento  y  producción  correcta. 
Adicionalmente, debido a los costos de energía, se dispone de un tiempo total de riego de 8 horas 
diarias.  

 

Figura  18 Caso de Estudio 3, Análisis de turnos de riego. 

 

Se  desea  calcular  el  caudal  que  debe  ser  transportado  por  la  tubería  principal  para  uno,  dos  y 
cuatro turnos de riego. De esta forma se tiene: 

- Un turno de Riego

: En este caso, todos los submódulos están suministrando agua a sus plantas 

durante las 8 horas totales disponibles. El caudal que debe ser entregado a cada planta se obtiene 
mediante el siguiente cálculo: 

 

        

                 

                          

                     

Reemplazando para este caso se tiene: 

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                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

54 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

      

 

    

        

        

Realizando el cálculo del caudal por submódulo se tiene: 

 

         

   

      

                                  

 

         

                        

Según  este  resultado,  se  calcula  el  caudal  total  que  debe  ser  suministrado  por  la  fuente  de 
abastecimiento, y el volumen total de agua entregado a las plantas: 

 

     

   

         

                                          

 

     

                         

       

     

   

     

                                               

       

     

                               

Por medio de estos resultados se puede suponer el siguiente esquema de distribución de caudal 
para la red matriz: 

 

Figura  19 Distribución de caudales para 1 turno de riego, Caso de Estudio 3. 

 

De esta forma se obtiene un caudal diseño para cada tubería: 

 

 

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                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

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optimizados.  

 

 

 

 

 

55 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Tabla 22 Caudales de diseño para 1 turno de riego, Caso de Estudio 3 

Red Matriz 

Tubería   

      

 (L/h) 

2000 

1500 

1000 

500 

 

- Dos turnos de Riego: 

Para este caso se establecen dos turnos de riego, lo que quiere decir que 

dos  de  los  cuatro  submódulos  van  a  estar  suministrando  agua  a  sus    plantas,  mientras  que  los 
otros dos van a estar apagados. Se debe tener en cuenta que ahora cada submódulo no tendrá las 
8 horas totales disponibles, sino que ahora cada submódulo contará únicamente con 4 horas para 
que pueda suministrar el volumen diario requerido por la planta. Para este caso, se debe tener en 
cuenta la distribución de turnos, variable que consiste en definir cuáles serán los dos submódulos 
que estarán prendidos en el mismo turno y cuales apagado. Para este ejemplo, solo se tomará en 
cuenta una distribución de turnos de las varias que pueden existir; sin embargo, más adelante esta 
variable será analizada más a fondo. Se procede entonces a calcular los caudales de diseño de las 
respectivas tuberías: 

 

      

 

    

        

         

 

         

                                                

 

     

                                                               

       

     

                                                      

 

Suponiendo que los dos primeros submódulos son aquellos que se prenden en el primer turno, y 
los  dos  siguientes  se  prenden  en  el  segundo  turno,  se  obtienen  los  siguientes  esquemas  de 
distribución de caudales: 

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                                     Universidad de los Andes 
                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

56 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

Figura  21 Distribución de caudales para el segundo turno de riego, Caso de Estudio 3. 

Por medio de los esquemas de distribución de riego presentados anteriormente, y sabiendo que 
las tuberías deben diseñarse para cumplir el máximo caudal demandado, se puede establecer los 
siguientes caudales de diseño para cada tubería:  

Tabla 23 Caudales de diseño para 2 turnos de riego, Caso de Estudio 3. 

Red Matriz 

Tubería   

      

 (L/h) 

2000 

2000 

2000 

1000 

 

Figura  20 Distribución de caudales para el primer turno de riego, Caso de Estudio 3. 

 

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                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

57 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

-  Cuatro  turnos  de  Riego: 

Este  es  el  mayor  número  de  turnos  que  se  puede  tener  en  este 

ejemplo,  ya  que  se  cuenta  únicamente  con  cuatros  submódulos  de  riego.  Esto  quiere  decir  que 
cada  submódulo  de  riego  estará  suministrando  agua  en  un  turno  diferente.  Cada  submódulo 
cuenta entonces con 2 horas para poder suministrar el volumen de agua propuesto por el diseño 
agronómico. Para este caso se tiene entonces:   

 

      

 

    

        

         

 

         

                                                

 

     

                                             

       

     

                                              

A  continuación  se  muestra  el  esquema  de  distribución  de  caudales  para  el  turno  en  el  que    el 
último submódulo del sistema está suministrando agua. Este caso es el más crítico ya que el caudal 
total debe ser trasportado por toda la red primaria. 

 

Figura  22 Distribución de caudales para cuatro turnos de riego, último submódulo, Caso de Estudio 3. 

Por medio de este análisis se obtienen los siguientes caudales de diseño para cada tubería: 

Tabla 24 Caudales de diseño para cuatro turnos de riego, Caso de Estudio 3. 

Red Matriz 

Tubería   

      

 (L/h) 

2000 

2000 

2000 

2000 

 

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

58 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Por medio  de  los  diferentes  resultados  obtenidos  para  los  caudales  de  diseño  en  cada  turno de 
riego,  se  puede  evidenciar  que  a  medida  que  aumenta  el  número  de  turnos  de  riego,  también 
aumentan  los  caudales  de  diseño  para  cada  tubería  de  la  red  matriz.  Esto  se  debe  a  que  al 
aumentar los turnos de riego, disminuyen las horas disponibles, por turno, que se tiene para poder 
suministrar el volumen de agua requerido por la planta. Para cumplir con este volumen, el caudal 
debe aumentar considerablemente, lo que a su vez se traduce en un aumento del diámetro de las 
tuberías y a un aumento en el costo total de la red.  

Aunque  los resultados obtenidos en este ejemplo demuestran que con un turno de riego se puede 
obtener el diseño óptimo, no se desea sacar conclusiones apresuradas.  Es por esta razón que se 
realizaron más pruebas, teniendo en cuenta las otras dos variables que pueden llegar también a 
modificar  el  diseño  de  la  red  matriz:  la  distribución  de  turnos  y  el  número  de  emisores.  Los 
resultados de las pruebas son presentados a continuación. 

3.5 Distribución de turnos 

 

Como se explicó anteriormente, los turnos de riego consisten en periodos de tiempo en los cuales 
los  submódulos  de  riego  están  suministrando  el  caudal  necesario  a  las  plantas  para  su  correcto 
crecimiento y producción. El uso de turnos de riego conlleva también a definir una distribución de 
turnos. Esta distribución de  turnos consiste en determinar cuáles son los submódulos que van a 
estar suministrando agua a sus plantas en cada turno.  

La distribución de turnos es una variable de total importancia ya que dependiendo de cómo estén 
organizados  los  turnos  de  riego,  el  caudal  que  debe  ser  transportado  por  la  red  matriz  puede 
aumentar  o  disminuir.  El  fin  de  una  correcta  distribución  consiste  en  disminuir  el  caudal 
transportado  por  la  red  matriz,  logrando  de  esta  forma,  un  diseño  con  diámetros menores  y  un 
ahorro  en  los  costos  constructivos.  A  continuación  se  presentan  las  posibles  distribuciones  de 
turnos para el Caso de Estudio 3, teniendo 3 turnos de riego: 

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                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

59 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

Figura  23 Opción A Distribución de riego con 3 turnos, Caso de Estudio 3.

 

 

Figura  24 Opción B Distribución de riego con 3 turnos, Caso de Estudio 3. 

 

 

Figura  25 Opción C  Distribución de riego con 3 turnos, Caso de Estudio 3. 

 

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                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

60 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

Figura  26 Opción D Distribución de riego con 3 turnos, Caso de Estudio 3. 

Estos  son  solo  algunas  de  las  opciones  de  distribuciones  de  turnos  que  se  pueden  tener  para  el 
caso de 3 turnos de riego. El número de posibles distribuciones es directamente proporcional de la 
cantidad de turnos que se tengan y la cantidad de submódulos con los  que cuente el sistema de 
riego,  siendo  ésta  una  relación  exponencial.  Es  por  esta  razón  que  es  difícil  realizar  un  análisis 
exhaustivo de todas las distribuciones de riego.  

Con  el  fin  de  poder  establecer    conclusiones  acerca  de  cómo  afecta  la  distribución  de  turnos  el 
costo  total  de  la  red,  se  realizaron  pruebas  con  algunas  posibles  distribuciones  de  riego, 
intentando  que  estas  fueran  lo  suficientemente  representativas.  Sin  embargo  se  resalta  que 
hacerlo  de  forma  exhaustiva  demandaría  un costo  computacional  importante. Los  resultados  de 
estos análisis son presentados más adelante. 

 

3.6 Número de Emisores por planta 

 

El  número  de  Emisores  por  planta  es  una  variable  que  puede  llegar  a modificar  el  diseño  de  un 
submódulo. Esto se debe a que dependiendo del número de emisores que se tenga por planta, la 
presión que  se  requiere  en los laterales puede  llegar a aumentar o disminuir.  Para explicar esto 
mejor se debe hacer uso de la ecuación del emisor: 

 

      

    

 

       

Si se tiene un solo emisor por planta, éste debe encargarse de suministrar todo el caudal que  la 
planta necesita. Esto conlleva a que se requerirá una altura de presión bastante considerable para 
poder  lograr  este  propósito.  Si  por  otro  lado,  se  dispone  de  un  número  mayor  de  emisores  por 
planta, el caudal que debe ser entregado a planta se reparte entre estos emisores y por lo tanto la 
presión que se necesita en cada uno de ellos es menor.  

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                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

61 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

El  hecho  de  que  se  necesite  una  presión  menor  a  medida  que  se  tenga  un  número  mayor  de 
emisores por planta hace que el diseño pueda ser más económico (sin tener en cuenta los costos 
de los emisores). Esto se debe a que a medida que se tiene una presión mínima más pequeña, es 
posible  reducir  los  diámetros  de  las  tuberías,  logrando  así,  un  diseño  más  económico.  Sin 
embargo, se debe tener en cuenta que así como disminuye la presión mínima admisible, es muy 
factible  que  se  reduzca  también  la  Presión  de  Entrada  al  Submódulo  propuesta  mediante  la 
metodología de Bermúdez.  

Esta reducción de la Presión de Entrada al Submódulo puede tener pros y contras para los costos 
del  sistema.  Por  un  lado,  si  se  tiene  una  Presión  de  Entrada  al  Submódulo  menor,  se  tendrá 
igualmente unas presiones fijas menores cuando se vaya a realizar el diseño de la red matriz. Esto 
significará un uso diámetros menores y por consiguiente,  un ahorro en los costos constructivos. 
Por otro lado, si la PES disminuye, significa que se va a tener una menor energía disponible para 
recorrer todo el Submódulo. Esto puede conllevar a que sean necesarias tuberías de diámetro más 
grande, lo cual conduce a un aumento en los costos constructivos.   

Con el fin de entender claramente cuáles son los efectos que tienen los números de emisores por 
planta en el diseño de la red matriz y los submódulos, se plantean varios casos de estudio. Estos 
son presentados y analizados a continuación. 

 

3.7 Pruebas y análisis para el número de turnos, la distribución de 
turnos y el número de emisores por planta 

 

Con el fin de entender como estas variables modifican el diseño final tanto de la red matriz como 
de los submódulos, se plantea el siguiente escenario y la siguiente metodología:  

3.7.1 Caso de Estudio 4 

 

Se  tiene  un  sistema  de  riego  localizado  de  alta  frecuencia  compuesto  por  12  submódulos 
distribuidos de la forma indicada en el siguiente esquema. Cada submódulo tiene 16 laterales de 
riego,  los  cuales  suministran  agua  a  5  plantas  cada  uno,  obteniendo  un  total  de  80  plantas  por 
submódulo y 960 plantas en todo el sistema de riego. La distancia entre lateral y lateral es de 10 
metros, mientras que la distancia entre planta y planta es de 5 metros. Adicionalmente, se tiene 
una distancia entre submódulos de 80 metros y una longitud de 100 metros para las tuberías que 
componen la red primaria.  

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

62 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

Figura  27 Configuración sistema de riego, Caso de Estudio 4. 

  

p

 

Figura  28 Submódulo de Riego, Caso de Estudio 4. 

 

El diseño agronómico establece que cada planta necesita en promedio 34 litros de agua diarios, de 
tal  forma  que  esta  pueda  desarrollarse  y  crecer  adecuadamente.  El  diseño  agronómico  estipula 
además un Coeficiente de Uniformidad (  ) de 0.80. La fuente de abastecimiento está disponible 
12 horas diarias para suministrar el caudal que sea necesario. Se desea conocer el costo de diseño 
de cada submódulo, así como de la red matriz, teniendo en cuenta los siguientes aspectos: 

 

Uso de 1, 2 y 3 turnos de riego. 

 

Uso de 1, 2 y 3 emisores de riego por planta. 

 

Uso de 3 tipos de distribuciones de turnos de riego. 

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

63 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Para  encontrar  los  diferentes  diseños  requeridos  variando  cada  una  de  las  variables  se  usó  la 
siguiente metodología: 

1.  Encontrar el caudal que debe ser suministrado por el emisor para cumplir con el volumen 

requerido, dependiendo de la cantidad de turnos de riego y el número de emisores que se 
disponga por planta. 
 

2.  Obtener por medio de  la  metodología  propuesta  por Bermúdez la Presión de  Entrada al 

Submódulo y la presión mínima admisible para cada una de las combinaciones de turnos 
de riego y números de emisores por planta. 
 

3.  Calcular  por  medio  de  la  metodología  propuesta  por  Hernández  el  diseño  óptimo  del 

submódulo para cada una de los casos. Se tendrá de esta forma, un costo constructivo del 
submódulo, su Coeficiente de Uniformidad Resultante, el caudal total requerido por éste. 
 

4.  Modelar  la  red  matriz  con  nudos  a  presión  (PES)  y  demanda  constante  (Caudal  total 

requerido  por  el  submódulo).  Utilizar  la  metodología  de  diseño  OPUS  por  medio  del 
programa  REDES  para  diseñar  la  red  matriz  teniendo  en  cuenta  las  diferentes 
distribuciones de riego. 
 

5.  Comparar los resultados de los costos de la red matriz con los costos de los submódulos y 

poder establecer conclusiones sobre el uso de los turnos de riego, la distribución de turnos 
y el número de emisores por planta para obtener el diseño de menor costo del sistema de 
riego.  

Para poder tener resultados cercanos a los reales, se decidió utilizar un emisor real, el cual puede 
ser  encontrado  en  el  mercado  local.  Se  utilizará  un  emisor  ACUAFLO  de  4  L/h,  fabricado  por  la 
empresa AGRIFIM. Las características de este emisor fueron sustraídas del catálogo ofrecido por la 
empresa. Para obtener el coeficiente y el exponente  del emisor se  hizo uso de la gráfica        
ofrecida por el fabricante: 

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                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

64 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

Gráfica 4 Curva Q vs Presión para emisor ACUAFLO fabricado por AGRIFIM. Tomada del catálogo de emisores de 

AGRIFIM. 

Se obtiene entonces un coeficiente ( ) de            y un exponente ( ) de         para este 
emisor. Adicionalmente,  tiene que  tenerse  en cuenta la presión mínima de  seguridad propuesta 
por el fabricante para evitar problemas de sedimentación y obturaciones. Esta presión mínima de 
seguridad es de 5 PSI, siendo aproximadamente 3.52 m. 

Se presentan los respectivos cálculos para el caudal que deben suministrar el emisor, así como la 
presión media de estos. Posteriormente, se muestra la PES y la presión mínima para cada uno de 
los casos, obtenidas por medio de la metodología de Bermúdez: 

 

Para 1 Turno de Riego con 1 Emisor por planta: 

 

                  

 

    

        

              

 

 

                  

   

 

 

 

   

      

              

          

 

         

           

 
 

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                                     Universidad de los Andes 
                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

65 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Tabla 25 Resultados 1 Turno de Riego 1 Emisor, Caso de Estudio 4. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

3.88 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

10.77 

 

 

Para 1 Turno de Riego con 2 Emisores por planta: 

 

                  

 

    

        

          

             

 

 

                  

      

             

          

 

         

           

 

 

Tabla 26 Resultados 1 Turno de Riego 2 Emisores, Caso de Estudio 4. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

0.92 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

2.75 

  
Como  se  puede  apreciar  en  la  tabla  anterior,  la  presión  mínima  es  menor  a  la  presión 
mínima  de  seguridad  establecida  por  el  fabricante  para  evitar  taponamiento  por 
sedimentación en los emisores (0.92 m < 3.52 m). Esto quiere decir que no tiene caso usar 
dos emisores en este escenario, ya que con uno es suficiente. 
 

 

Para 1 Turno de Riego con 3 Emisores por planta: No se tiene en cuenta ya que como se 
explicó anteriormente, en este caso es suficiente usar un emisor por planta. 
 

 

Para 2 Turnos de Riego con 1 Emisores por planta: 

 

                  

 

    

       

             

 

 
 

 

                  

    

              

          

 

         

          

 

 

Tabla 27 Resultados 2 Turnos de Riego 1 Emisor, Caso de Estudio 4. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

15.84 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

32.52 

  

 

Para 2 Turnos de Riego con 2 Emisores por planta: 

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                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

66 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

                  

 

    

        

          

             

 

 
 

 

                  

      

             

          

 

         

          

 

 

Tabla 28 Resultados 2 Turnos de Riego 2 Emisores, Caso de Estudio 4. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

3.76 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

10.77 

  
 

 

Para 2 Turnos de Riego con 3 Emisores por planta: 

 

                  

 

    

        

          

            

 

 

 

                  

      

             

          

 

         

          

 

 

Tabla 29 Resultados 2 Turnos de Riego 3 Emisores, Caso de Estudio 4. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

1.63 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

3.55 

 
En este caso se vuelve a observar que la presión mínima en el submódulo es menor a la 
presión  mínima  de  seguridad  (1.63  m  <  3.52  m),  lo  que  significa  que  no  es  conveniente 
usar tres emisores de riego en este caso; con dos emisores o uno, sería suficiente. 
 

 

Para 3 Turnos de Riego con 1 Emisores por planta: 

 

                  

 

    

        

         

 

 

 

                  

      

          

          

 

         

      

 

 
 

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

67 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Tabla 30 Resultados 3 Turnos de Riego 1 Emisor, Caso de Estudio 4. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

36.05 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

38.29 

 

 

Para 3 Turnos de Riego con 2 Emisores por planta: 

 

                  

 

    

        

          

          

 

 

 

                  

      

           

          

 

         

         

 

 

Tabla 31 Resultados 3 Turnos de Riego 2 Emisores, Caso de Estudio 4. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

8.56 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

18.37 

 

 

Para 3 Turnos de Riego con 3 Emisores por planta: 

 

                  

 

    

        

          

             

 

 

 

                  

      

              

          

 

         

          

 

 

Tabla 32 Resultados 3 Turnos de Riego 3 Emisores, Caso de Estudio 4. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

3.71 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

10.77 

 

Resumiendo los resultados anteriores se obtiene la siguiente tabla: 

Tabla 33 Resultados PES y Pmin para Caso de Estudio 4. 

Número 

de Turnos 

Número de Emisores por 

Planta 

Caudal por 

emisor (L/h) 

Presión 

media (m) 

Presión 

mínima (m) 

PES 
(m) 

1 Turno 

1 Emisor 

2.8333 

5.4922 

3.88 

10.77 

2 Emisores 

3 Emisores 

2 Turnos 

1 Emisor 

5.6667 

22.407 

15.84 

32.52 

2 Emisores 

2.8333 

5.4922 

3.76 

10.77 

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

68 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

3 Emisores 

3 Turnos 

1 Emisor 

8.5 

51 

36.05 

38.29 

2 Emisores 

4.25 

12.5 

8.56 

18.37 

3 Emisores 

2.8333 

5.4922 

3.71 

10.77 

 

En esta tabla se puede ver cómo, a medida que se usa un mayor número de emisores por planta, 
tanto la Presión de Entrada al Submódulo (PES) como la presión mínima admisible disminuyen. Sin 
embargo, en algunos casos es más favorable que en otros. Un ejemplo de esto se puede ver en el 
uso de 2 turnos de  riego. En este  caso, usando un emisor se obtiene  una PES  de  32.52 m y una 
presión  mínima  de  15.84  m,  lo  que  quiere  decir  que  se  cuenta  con  aproximadamente  16.68  m 
disponibles de  energía. Por otro lado, si se  usan dos emisores por planta se obtiene  una PES de 
10.77 m y una presión mínima de 3.76, lo que significa que solo se cuenta con 7.01 m de presión 
para recorrer el submódulo.  

Por  medio  de  estos  resultados  se  precede  a  diseñar  el  submódulo,  para  cada  uno  de  los  casos, 
según la metodología propuesta por Hernández, obteniendo los siguientes resultados: 

Tabla 34 Resultados diseño submódulo mediante la metodología de Hernández. 

Número 

de Turnos 

Número de 

Emisores 

Costo Submódulo 

(COP) 

CUr 

PES (m) 

Q por Submódulo 

(L/s) 

1 Turno 

1 Emisor 

$ 184,307.56 

0.84 

10.77 

0.072722 

2 Emisores 

3 Emisores 

2 Turnos 

1 Emisor 

$ 191,996.00 

0.861 

32.52 

0.139233 

2 Emisores 

$ 208,863.00 

0.8 

10.77 

0.147244 

3 Emisores 

3 Turnos 

1 Emisor 

$ 276,936.00 

0.9848 

38.29 

0.181798 

2 Emisores 

$ 216,551.00 

0.883 

18.37 

0.198441 

3 Emisores 

$ 237,630.00 

0.802 

10.77 

0.227782 

 

Se  puede  apreciar  por  medio  de  los  resultados  obtenidos,  que  a  medida  que  aumentan  los 
números de turno, aumentan igualmente los caudales que deben ser suministrados a las plantas, 
aspecto  que  se  había  explicado  anteriormente.  Al  aumentar  los  caudales  que  necesitan  ser 
transportados  por  el  submódulo,  aumentan  también  los  costos  constructivos  del  submódulo  ya 
que se necesitan tuberías más grandes. Por otro lado, en todos los casos se cumple el Coeficiente 
de Uniformidad requerido por el diseño agronómico, lo que quiere decir que cualquiera de estos 
diseños es viable y cumple con los requerimientos hidráulicos y agronómicos. 

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

69 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Aunque  por  medio  del  análisis  de  estos  resultados  se  pueden  ir  estableciendo  conclusiones,  se 
debe  verificar  primero  el  diseño  de  la  red  matriz  para  verificar  que  tanto  afectan  el  número  de 
turnos y el número de emisores por planta el costo constructivo de la red primaria y secundaria.  

Para comprobar esto, se hace uso de del planteamiento de la red Matriz anteriormente explicado. 
Este consiste en definir los submódulos de riego como nudos de demanda contaste y presión fija. 
Posteriormente,  se  realiza  el  diseño  de  la red matriz  haciendo  uso  de  la  metodología  OPUS y el 
programa REDES.  Es en estas pruebas donde se comienza a tener en cuenta las distribuciones de 
turnos de riego, ya que como se explicó anteriormente, esta variable puede modificar el caudal de 
diseño de las tuberías y por lo tanto, el costo constructivo de la red. A un mayor caudal de diseño 
se necesitará un diámetro mayor para poder satisfacerlo.  

Dado que para este Caso de Estudio se tienen muchas posibilidades de distribuciones de turnos de 
riego, se escogieron algunas con el fin de acotar un poco el proceso de diseño. A continuación se 
presentan las distribuciones de riego que se probaron para este caso: 

 

Figura  29 Distribución de turnos con 1 turno de riego, Caso de Estudio 4. 

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

70 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

Figura  30 Distribución de turnos con 2 turnos de riego Opción A, Caso de Estudio 4. 

 

 

Figura  31 Figura  30 Distribución de turnos con 2 turnos de riego Opción B, Caso de Estudio 4. 

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

71 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

Figura  32 Figura  30 Distribución de turnos con 2 turnos de riego Opción C, Caso de Estudio 4. 

 

 

Figura  33 Figura  30 Distribución de turnos con 3 turnos de riego Opción A, Caso de Estudio 4. 

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                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

72 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

 

Figura  34 Distribución de turnos con 3 turnos de riego Opción B, Caso de Estudio 4. 

 

Figura  35 Distribución de turnos con 3 turnos de riego Opción C, Caso de Estudio 4. 

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

73 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Teniendo en cuenta cada una de las opciones de distribuciones de turnos de riego, se procede a 
realizar el diseño de la red matriz. Se debe tener en cuenta que cuando se está diseñando la red 
matriz,  se  debe  diseñar  la  red  completa  turno  por  turno,  escogiendo  al  final,  los  mayores 
diámetros.  En  todos  los  casos  se  usó  una  LGH  en  el  embalse  de  50  metros.  Los  resultados  son 
presentados a continuación: 

Tabla 35 Resultados diseños finales, Caso de Estudio 4. 

 

 Como se puede apreciar en los resultados mostrados, el diseño final más económico se obtiene 
por medio de un solo turno de riego y haciendo uso de un emisor por planta (ésta se observa en 
color  verde).  Con  esta  configuración  se  obtiene  un  costo  de  la  Red  Matriz  (tuberías  primarias  y 
secundarias) de $3’297,371.71 COP, y un costo por submódulo de $184,307.56 COP, obteniendo 
un  costo  total  de  la  red  (tuberías  primarias,  secundarias,  múltiples  y  laterales  totales)  de 
$5’509,062.43 COP. Por otro lado, el diseño más costos se consigue por medio de tres turnos de 
riego y un emisor por planta (fila de color rojo). 

Debido a toda la información que se tiene por medio de los resultados, es necesario verificar como 
se ve afectado cada uno de los costos por cada una de las variables:  

Análisis de Turnos de Riego 

Como se explicó anteriormente, a medida que aumentan los turnos de riego, aumentan también 
el caudal que  debe ser trasportado tanto por la red matriz, como por el múltiple y laterales del 
submódulo.  Esto  hace  que  los  costos  constructivos  de  éstos,  se  vean  aumentados 

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                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

74 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

considerablemente. En el caso de  un turno de  riego, se tiene el menor costo para la red matriz, 
mientras que  para dos turnos y tres turnos, el costo podría llegar a aumentar más de un 100%; 
como es el caso específico de 3 turnos usando 1 emisor por planta.  

Para los costos constructivos de los submódulos se puede evidenciar la misma tendencia, aunque 
en menores  proporciones. El diseño más económico para los submódulos corresponde al diseño 
con  un  turno  de  riego  y  un  solo  emisor  por  planta,  mientras  que  nuevamente  el  diseño  más 
costoso se consigue con tres turnos de riego y un solo emisor. Este último caso es el escenario más 
crítico de los probados en el Caso de Estudio. Al tener tres turnos de riego se  está estableciendo 
que  el  submódulo  solo  tendrá  un  tercio  de  las  horas  totales  disponibles  para  poder  entregar  el 
volumen diario de agua que cada planta necesita. Además de esto, se está usando un solo emisor, 
lo  que  quiere  decir  que  todo  el  caudal  que  la  planta  necesita va  a  ser  entregado  por  éste.  Para 
poder entregar todo este caudal, el emisor necesita una altura de presión bastante considerable, y 
por  lo  tanto,  el  diseño  se  ve  obligado  a  tener  unos  diámetros  más  grandes  con  el  fin  de  evitar 
perder energía y poder cumplir con la presión mínima.  

Análisis de número de emisores por planta 

El número de emisores por planta juega un papel crucial en el costo final de las redes  RLAF. Por 
medio  de  los  resultados  se  puede  evidenciar  que,  en  la  mayoría  de  los  casos,  a  medida  que 
aumenta  el  número  de  emisores  por  planta,  disminuye  también  el  costo  la  red  matriz.  Esto  se 
debe a que al aumentar el número de emisores, el caudal que debe ser entregada a la planta se 
reparte  entre  éstos,  haciendo  que  la  presión  que  se  necesite  en  los  laterales  sea  menor.  Esta 
disminución  en  la  presión  mínima  permitida,  conlleva  a  que  la  PES  obtenida  mediante  la 
metodología  de  Bermúdez  se  vea  reducida  y  por  lo  tanto,  el  diseño  de  la  Red  Matriz  sea  más 
económico.  

Por otra parte, se debe tener en cuenta que a medida que aumenta el número de emisores por 
planta  y  la  PES  disminuye,  se  va  a  tener  una  menor  energía  disponible  para  el  diseño  del 
submódulo.  Debido  a  esto,  puede  ser  que  el  costo  constructivo  del  submódulo  se  vea 
incrementado.  

Análisis de distribuciones de Turno 

Dentro  del  Caso  de  Estudio  se  realizaron  pruebas  con  3  diferentes  distribuciones  de  turno  para 
cada  uno  de  los  casos.  Para  el  escenario  con  un  turno    de  riego,  no  tiene  caso  hablar  de 
distribuciones de turno ya que todos los submódulos van a estar suministrando agua a las plantas. 
Sin  embargo,  en  los  escenarios  de  dos  y  tres  turnos  de  riego  si  es  posible  evidenciar  un 
comportamiento en los costos de la Red Matriz.  

Para el escenario de dos turnos de riego, el mayor costo constructivo de la Red Matriz se consiguió 
mediante  la  opción  A  de  distribución  de  turnos,  independiente  del  número  de  emisores  por 

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                                     Universidad de los Andes 
                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

75 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

planta. Usando un emisor por planta, el valor de la red matriz para la distribución A tiene un costo 
de $5’741,049.24 COP, mientras que la red matriz para las distribuciones B y C tiene un costo de 
$5’059,495.55 COP. El aumento en el costo de la red matriz para la distribución A se debe a que la 
distribución de caudal en está no se encuentra  distribuida correctamente. En el primer turno, los 
6  submódulos  más  cercanos  a  la  fuente  de  abastecimiento  se  encuentran  encendidos,  haciendo 
que el caudal que pasa por las primeras tuberías de la red principal sea excesivo. Por otra parte, en 
las distribuciones  B y C los submódulos que  son prendidos simultáneamente se encuentran  más 
alejados unos de otros, lo que hace que el caudal se encuentre mejor distribuido y las tuberías de 
la red matriz necesiten de un diámetro menor. 

En el escenario de tres turnos de riego, se presenta el mismo comportamiento. La distribución A 
presenta un costo más alto que la distribución B y C, sin importar el número de emisores que se 
use. Para el escenario de 2 emisores por planta, la red matriz tiene un costo de $5’142,970 COP, 
mientras que para la distribución B y C tiene un costo de $4’729,429.92 COP, aproximadamente un 
8% más económico, lo que es un ahorro importante.  

Se puede establecer de esta forma, que a medida que la distribución de turnos logre optimizar la 
distribución  del  caudal,  es  decir,  que  minimice  el  caudal  que  debe  ser  transportado  por  las 
tuberías  primarias,  se  obtendrá  un  mejor  diseño  de  la  red  matriz.  Para  estar  más  seguro  de  las 
premisas expuestas anteriormente, se realizó otro Caso de Estudio presentado a continuación. 

3.7.2 Caso de Estudio 5 

 

Se  desea  diseñar  un  sistema  RLAF  compuesto  por  6  submódulos.  Cada  submódulo  contiene  10 
laterales, donde cada uno suministra agua a 5 plantas. La distancia entre lateral y lateral es de 5 
metros, mientras que la distancia entre plantas es de un metro. La longitud entre submódulos es 
de 20 metros. El diseño agronómico establece que las plantas necesitan un volumen diario de 15 
litros,  y  el  riego  debe  tener  un  Coeficiente  de  Uniformidad  igual  o  mayor  a  0.85.  La  fuente  de 
abastecimiento provee agua únicamente 6 horas diarias, por lo que es el tiempo total que se tiene 
disponible para el riego.  

 

Figura  36 Esquema sistema de riego, Caso de Estudio 5. 

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                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

76 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

Figura  37 Diseño Submódulo, Caso de Estudio 5. 

Se usará el mismo emisor fabricado por AGRIFIM, utilizado en el Caso de  Estudio 4. Se diseñará 
para un, dos y tres turnos de riego, variando nuevamente el número de emisores por planta. Se 
procede al cálculo de los caudales por emisor y presiones medias para cada uno de los casos: 

 

Para 1 Turno de Riego con 1 Emisor por planta: 

 

                  

 

    

       

            

 

 

                  

   

 

 

 

   

      

            

          

 

         

           

 

Tabla 36 Resultados 1 Turno de Riego 1 Emisor, Caso de Estudio 5. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

3.88 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

6.43 

 

 

Para 1 Turno de Riego con 2 Emisores por planta: 

 

                  

 

    

       

          

            

 

 

                  

      

            

          

 

         

          

 

 

Tabla 37 Resultados 1 Turno de Riego 2 Emisores, Caso de Estudio 5. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

0.95 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

2.08 

 

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

77 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Al igual que en Caso de Estudio 4, la presión mínima en el submódulo que se obtiene es menor a la 
presión de seguridad establecida por el fabricante de emisores (0.95 m < 3.52 m). Esto demuestra 
que para este transportar el caudal necesario es suficiente con un emisor. 

 

Para 2 Turnos de Riego con 1 Emisor por planta: 

 

                  

 

    

       

           

 

 
 

 

                  

    

            

          

 

         

           

 

 

Tabla 38 Resultados 2 Turnos de Riego 1 Emisor, Caso de Estudio 5. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

15.84 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

26.81 

  

 

Para 2 Turnos de Riego con 2 Emisores por planta: 

 

                  

 

    

        

          

            

 
 

 

                  

      

            

          

 

         

          

 

 

Tabla 39 Resultados 2 Turnos de Riego 2 Emisores, Caso de Estudio 5. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

3.76 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

6.43 

  
 

 

Para 2 Turnos de Riego con 3 Emisores por planta: 

 

                  

 

    

        

          

           

 

 

 

                  

      

            

          

 

         

          

 

 

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                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

78 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Tabla 40 Resultados 2 Turnos de Riego 3 Emisores, Caso de Estudio 5. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

1.63 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

3.33 

 
En este caso se vuelve a observar que la presión mínima en el submódulo es menor a la 
presión  mínima  de  seguridad  (1.63  m  <  3.52  m),  lo  que  significa  que  no  es  conveniente 
usar tres emisores de riego en este caso, con dos emisores o uno, sería suficiente. 
 

 

Para 3 Turnos de Riego con 1 Emisores por planta: 

 

                  

 

    

        

       

 

 

 

                  

      

        

          

 

         

          

 

 

Tabla 41 Resultados 3 Turnos de Riego 1 Emisor, Caso de Estudio 5. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

36.05 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

37.50 

 

 

Para 3 Turnos de Riego con 2 Emisores por planta: 

 

                  

 

    

        

          

       

 

 

 

                  

      

        

          

 

         

          

 

 

Tabla 42 Resultados 3 Turnos de Riego 2 Emisores, Caso de Estudio 5. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

8.56 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

14.79 

 

 

Para 3 Turnos de Riego con 3 Emisores por planta: 

 

                  

 

    

        

          

           

 

 

 

                  

      

            

          

 

         

          

 

 

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

79 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Tabla 43 Resultados 3 Turnos de Riego 3 Emisores, Caso de Estudio 5. 

Presión mínima en el submódulo (m) 

3.71 

Presión de Entrada al Submódulo (PES), (m) 

6.43 

 

Resumiendo los resultados anteriores se obtiene la siguiente tabla: 

Tabla 44 Resultados PES y Pmin, Caso de Estudio 5. 

Número de 

Turnos 

Número de 

Emisores por 

Planta 

Caudal por 

emisor (L/h) 

Presión 

media (m) 

Presión 

mínima (m) 

PES (m) 

1 Turno 

1 Emisor 

2.666 

4.8567 

3.88 

6.43 

2 Emisores 

3 Emisores 

2 Turnos 

1 Emisor 

5.333 

19.8141 

15.84 

26.81 

2 Emisores 

2.666 

5.8567 

3.76 

6.43 

3 Emisores 

3 Turnos 

1 Emisor 

45.099 

36.05 

37.5 

2 Emisores 

11.054 

8.56 

14.79 

3 Emisores 

2.666 

5.8567 

3.71 

6.43 

 

Por medio de estos datos se procede al diseño del submódulo para cada una de las combinaciones 
turnos de riego – número de emisores por planta, siguiendo la metodología de Hernández. 

Tabla 45 Resultados Diseño Submódulo, Caso de Estudio 5 

Número 

de Turnos 

Emisores 

Costo Submódulos (COP) 

CUr 

PES (m) 

Q por Submódulo 

(L/s) 

1 Turno 

1 Emisor 

$ 174,091.80 

0.9213 

6.43 

0.04167 

2 Emisores 

3 Emisores 

2 Turnos 

1 Emisor 

$ 174,091.80 

0.934 

26.81 

0.08216 

2 Emisores 

$ 194,922.96 

0.9242 

6.43 

0.07789 

3 Emisores 

3 Turnos 

1 Emisor 

$ 255,938.64 

0.9901 

38.29 

0.11016 

2 Emisores 

$ 194,922.96 

0.92 

14.79 

0.11936 

3 Emisores 

$ 230,638.98 

0.9202 

6.43 

0.12148 

 

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                                     Universidad de los Andes 
                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

80 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Resta ahora realizar el diseño de la red matriz definiendo la distribución de turnos de riego que se 
va  a  usar.  Se  proponen  3  distribuciones  de  riego  para  acotar  el  espacio  muestra  que  se  tiene, 
intentando que esta sean representativas: 

 

Figura  38 Distribución de Turnos, 1 turno, Caso de Estudio 5. 

 

 

Figura  39 Distribución de Turnos, 2 turnos Opción A, Caso de Estudio 5. 

 

 

Figura  40 Distribución de Turnos, 2 turnos Opción B, Caso de Estudio 5. 

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                                     Universidad de los Andes 
                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

81 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

Figura  41 Distribución de Turnos, 2 turnos Opción C, Caso de Estudio 5. 

 

 

Figura  42 Distribución de Turnos, 3 turnos Opción A, Caso de Estudio 5. 

 

 

Figura  43 Distribución de Turnos, 3 turnos Opción B, Caso de Estudio 5. 

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                                     Universidad de los Andes 
                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

82 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

Figura  44 Distribución de Turnos, 3 turnos Opción C, Caso de Estudio 5. 

Teniendo  en  cuenta  estas  distribuciones  de  turnos  de  riego  se  procede  a  diseñar  la  red  matriz 
haciendo uso de la metodología OPUS y REDES. A la fuente de abastecimiento se le asigna una LGH 
suficientemente  alta  para  poder  ser  usada  en  todos  los  escenarios;  se  le  asigna  entonces  40 
metros. A continuación se presentan los resultados para los diferentes costos de cada escenario: 

 

Tabla 46 Resultados diseños Finales Caso de Estudio 5. 

Turno 

Emisores 

Distribución 

Riego 

Costo Red Matriz 

(COP) 

Costo Submódulos 

(COP) 

Costo Total (COP) 

Uniforme 

$         107,833.66 

$    174,091.80 

$           281,925.46 

$         209,012.98 

$    174,091.80 

$           383,104.78 

$         175,289.77 

$    174,091.80 

$           349,381.57 

$         196,367.99 

$    174,091.80 

$           370,459.79 

$         145,778.33 

$    194,922.96 

$           340,701.29 

$         116,266.88 

$    194,922.96 

$           311,189.84 

$         116,266.88 

$    194,922.96 

$           311,189.84 

$         364,500.38 

$    255,938.64 

$           620,439.02 

$         338,275.95 

$    255,938.64 

$           594,214.59 

$         312,051.51 

$   255,938.64 

$           567,990.15 

$         196,367.99 

$    194,922.96 

$           391,290.95 

$         175,289.77 

$    194,922.96 

$           370,212.73 

$         154,211.55 

$    194,922.96 

$           349,134.51 

$         175,289.77 

$     230,638.98 

$           405,928.75 

$         154,211.55 

$    230,638.98 

$           384,850.53 

$         133,133.33 

$    230,638.98 

$           363,772.31 

 

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                                     Universidad de los Andes 
                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

83 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Aunque  en  este  Caso  de  Estudio,  los  pesos  para  los  costos  de  la  red  matriz  y  el  costo  de  los 
submódulos  son  diferentes,  debido  a  lo  pequeño  del  sistema  de  riego,  se  puede  apreciar 
nuevamente las conclusiones que se habían establecido por medio del Caso de Estudio 4: 

 

A medida que aumentan los turnos de riego, se incrementa el costo total del sistema de 
riego. Esto se puede comprobar al verificar que el diseño del sistema más económico fue 
encontrado mediante un turno de riego y un emisor por planta, tanto para los costos de la 
red matriz, como lo para los costos de los submódulos. 
 

 

 Dependiendo  del  número  de  emisores  por  planta  se  puede  encontrar  un  diseño  más 
costoso  o  más  económico,  viendo  únicamente  costos  de  tuberías.  Se  puede  ver 
nuevamente  cómo  a  medida  que  aumenta  los  números  de  emisores  por  planta  en  un 
escenario de turnos definidos, el costo de la red matriz disminuye, mientras que el costo 
del submódulo aumenta. Que tan conveniente resulta usar un mayor número de emisores 
por  planta va  a  depender  de  características  propias del  sistema  de  riego:  qué  tan  largas 
son  las  tuberías  de  la  red matriz,  de  qué  tamaño  es  el  submódulo,  cuantos  submódulos 
tiene el sistema, etc.   
 

 

La  distribución  de  turnos  juega  también  un  papel  importante  en  los  costos  de  la  red 
matriz.  Dependiendo  de  cómo  es  distribuido  el  caudal  en  cada  turno,  el  costo  de  la  red 
matriz  puede  aumentar  o disminuir.  Esto  se  puede  evidenciar  en  la  tabla  de  resultados; 
para todos los turnos de riego y números de emisores por planta, el mayor costo de la red 
matriz se obtuvo con la distribución A. Esta distribución es la que peor distribuye el caudal 
de  las  tres  distribuciones,  ya  que  los  submódulos  prendidos  están  muy  cerca  unos  de 
otros,  haciendo  que  el  caudal  de  diseño  de  la  red  matriz  sea  bastante  alto,  y  por 
consiguiente, los diámetros de estas tuberías. De esta forma, a medida que se consiga una 
mejor distribución del caudal, se obtendrá también un menor costo de la red matriz. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

84 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

4. REDES DE RIEGO LOCALIZADO DE ALTA FRECUENCIA 
ALIMENTADAS POR BOMBEO  

 

El  bombeo  es  una  de  las  formas  más  comunes  de  proveer  energía  adicional  a  Redes  de 
Distribución  de  Agua  Potable  (RDAP),  para  que  de  esta  forma,  se  pueda  entregar  el  caudal  y  la 
presión  requeridos  en  los  nudos  de  demanda.  Con  el  mismo  fin,  las  bombas  son  usadas  en  los 
sistemas  RLAF.  Sin  embargo,  los  costos  energéticos  de  las  bombas  son  altos,  haciendo  que  en 
algunos  casos,  sea  más  económico  aumentar  el  diámetro  de  las  tuberías  para  así  evitar  perder 
energía, a pagar por toda la electricidad que puede consumir la(s) bomba(s) que se utilicen.  

Con el fin de ver de una forma más clara esta relación, costos bombeo vs costos constructivos, se 
plantea  usar  una  bomba  en  el  Caso  de  Estudio  4,  la  cual  proporcionará  la  LGH  de  la  fuente  de 
abastecimiento.  La  bomba  aumentará  gradualmente  la  energía  en  el  embalse,  para  que  de  esta 
forma,  el  tamaño  de  los  diámetros  de  las  tuberías  de  la  red  matriz  pueda  ser  disminuido.  Sin 
embargo,  se  tendrá  en  cuenta  los  costos  energéticos  que  se  producen  al  tener  funcionando  la 
bomba  y  los  costos  comerciales  de  ésta.  El  análisis  se  llevará  a  cabo  sobre  la  combinación:  un 
turno de riego y un emisor por planta, ya que  se comprobó que esta era la configuración con la 
que se obtenía el diseño más económico.  

4.1 Costo comercial de la bomba 

 

Para poder establecer un costo comercial de la bomba en función de la potencia que esta consuma 
se utilizó los costos establecidos por la competencia mundial The Battle of the Water Networks II 
(BWM-II), llevada a cabo Septiembre de 2012. A continuación se presenta la tabla para el costo de 
las bombas propuesta en la competencia: 

Tabla 47 Costos comerciales de las bombas, tomado de BWM-II (2012). 

Modelo de la Bomba  Potencia Máxima  Costo Comercial (COP) 

45.24 

$  8,025,211.42 

31.67 

$  6,918,419.62 

10 

49.76 

$  8,425,209.86 

11 

22.62 

$  6,262,111.50 

8a 

22.62 

$  6,262,111.50 

10a 

24.88 

$  6,421,334.18 

11a 

11.31 

$  5,533,959.00 

8b 

54.28 

$  8,842,683.96 

9b 

38 

$  7,417,446.80 

10b 

59.71 

$  9,365,012.02 

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                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

85 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

De esta forma se puede graficar costo comercial de la bomba vs la potencia máxima de ésta, con el 
fin de encontrar una ecuación que relacione estas dos variables: 

 

Gráfica 5 Potencia máxima vs costos bomba. 

Se tiene entonces: 

               

 

               

        

                   

 

donde P equivale a la potencia máxima de la bomba. Para este caso se supondrá que  la potencia 
que bomba necesite para mover el caudal del Caso de Estudio será la potencia máxima de ésta.  

A su vez, la potencia requerida por la bomba para mover un caudal definido a una altura definida 
se puede calcular por medio de la siguiente ecuación: 

     

 
 

                               

donde: 

  corresponde a la eficiencia del sistema de bombeo (motor, bomba, etc) 

  es el caudal movilizado por la bomba, en m

3

/s 

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DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

86 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

  corresponde a la altura a la que cual se quiere llevar el caudal. 

Para  el  Caso  de  Estudio  4  este  caudal  corresponde  al  caudal  total  solicitado  por  todos  los 
submódulos. Se tiene entonces: 

 

     

   

         

                       

 

     

                                             

 

   

4.2 Costos energéticos 

 

Para los costos energéticos que conlleva el uso de la bomba se debe tener en cuenta la potencia 
que necesita la bomba y los costos por energía a cargo de la empresa proveedora de electricidad. 
Para esto se  usará un costo por kWh de  $329.436 COP, precio obtenido del boletín de  Codensa 
para  el  año  2013.  El  costo  energético  diario  de  la  bomba  se  calcula  por  medio  de  la  siguiente 
ecuación: 

                                                                 

donde N corresponde al número de horas en las cuales la bomba se encuentra funcionando. 

4.3 Costo de la red matriz 

 

Para  los  costos  de  la  red  matriz  se  utilizará  la  metodología  de  diseño  OPUS,  modelando 
nuevamente la red como una red abierta con nudos de demanda y presión constantes. Lo único 
que variará será la LGH que se tendrá en la fuente de abastecimiento. 

4.4 Resultados y Análisis 

 

A continuación se presentan los resultados obtenidos para una proyección de un año: 

 

 

 

 

 

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DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

87 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Tabla 48 Costos totales Caso de Estudio 4. 

Q (m3/s) 

(m) 

P(kW) 

Costo Energía 

Anual (COP) 

Costo Bomba 

(COP) 

Costo Tubería 

Red Matriz 

(COP) 

Costo Total 

(COP) 

0.00087266 

20 

0.2283 

$ 329,403.32 

$ 4,803,287.49  $ 5,291,781.71  $ 10,424,472.52 

0.00087266 

25 

0.2854 

$ 411,754.15 

$ 4,806,276.47  $ 4,675,343.75 

$ 9,893,374.37 

0.00087266 

30 

0.3424 

$ 494,104.98 

$ 4,809,267.31  $ 4,233,285.52 

$ 9,536,657.81 

0.00087266 

35 

0.3995 

$ 576,455.82 

$ 4,812,260.01  $ 3,818,907.20 

$ 9,207,623.02 

0.00087266 

40 

0.4566 

$ 658,806.65 

$ 4,815,254.57  $ 3,734,594.15 

$ 9,208,655.37 

0.00087266 

45 

0.5136 

$ 741,157.48 

$ 4,818,251.00  $ 3,415,417.48 

$ 8,974,825.95 

0.00087266 

50 

0.5707 

$ 823,508.31 

$ 4,821,249.29  $ 3,361,028.11 

$ 9,005,785.71 

0.00087266 

55 

0.6278 

$ 905,859.14 

$ 4,824,249.45  $ 3,143,050.12 

$ 8,873,158.70 

0.00087266 

60 

0.6849 

$ 988,209.97 

$ 4,827,251.47  $ 3,075,584.33 

$ 8,891,045.77 

0.00087266 

65 

0.7419  $ 1,070,560.80  $ 4,830,255.36  $ 2,988,728.52 

$ 8,889,544.68 

0.00087266 

70 

0.7990  $ 1,152,911.63  $ 4,833,261.12  $ 2,870,682.76 

$ 8,856,855.51 

0.00087266 

75 

0.8561  $ 1,235,262.46  $ 4,836,268.75  $ 2,803,216.97 

$ 8,874,748.19 

0.00087266 

80 

0.9132  $ 1,317,613.29  $ 4,839,278.26  $ 2,739,560.58 

$ 8,896,452.13 

0.00087266 

85 

0.9702  $ 1,399,964.12  $ 4,842,289.63  $ 2,685,171.20 

$ 8,927,424.96 

0.00087266 

90 

1.0273  $ 1,482,314.95  $ 4,845,302.88  $ 2,566,703.70 

$ 8,894,321.54 

0.00087266 

95 

1.0844  $ 1,564,665.78  $ 4,848,318.01  $ 2,448,657.93 

$ 8,861,641.72 

0.00087266 

100  1.1414  $ 1,647,016.62  $ 4,851,335.01  $ 2,414,925.40 

$ 8,913,277.03 

 

Se  puede  ver  por  medio  de  los  resultados  que  a  medida  que  aumenta  la  Línea  de  Gradiente 
Hidráulico de la fuente de abastecimiento, es decir, que aumenta la altura a la cual la bomba lleva 
el agua, los costos de la red matriz se van disminuyendo. Esto era de esperarse debido a que a una 
mayor una altura en el embalse, se dispondrá de una mayor energía para recorrer el sistema. Esto 
quiere  decir  que  los  diámetros  de  las  tuberías  podrían  disminuir,  haciendo  que  el  costo  de  las 
tuberías decrezca. Por otro lado, se puede ver que a medida que aumenta la altura proporcionada 
por  la  bomba,  aumentan  también  los  costos  de  energía  ya  que  ésta  demandará  una  mayor 
potencia. Sin embargo, estos dos costos parecen equilibrarse en los costos totales de la red. Esto 
puede evidenciarse más fácilmente en la siguiente gráfica: 

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                                     Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

88 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

Gráfica 6 Altura de Bombeo vs Costos, Caso de Estudio 4. 

A medida que aumenta la altura de bombeo aumentan los costos por energía, pero a su vez los 
costos  por  tubería  disminuyen,  esto  hace  que  la  línea  de  Costos  Totales  permanezca  constante 
desde aproximadamente los 55 metros de altura. Debe tenerse en cuenta que para este Caso de 
Estudio, el caudal que se está moviendo por la bomba es sumamente pequeño y por lo tanto, los 
costos de energía parecen no ser tan importantes como se cree en la actualidad. 

Para  verificar  que  tan  importante  es  el  costo  de  energía  dentro  de  los  costos  totales  se  decidió 
hacer  el  mismo  análisis  pero  ahora  a  un  horizonte  de  2  años.  Los  resultados  se  presentan  a 
continuación: 

Tabla 49 Resultados Costos Bombeo a una proyección de 2 años, Caso de estudio 4. 

Q (m3/s) 

(m) 

P(kW) 

Costo Energía 

2 Años (COP) 

Costo Bomba 

(COP) 

Costo Tubería 

Red Matriz 

(COP) 

Costo Total 

(COP) 

0.00087266 

20 

0.2283 

$ 658,806.65 

$ 4,803,287.49  $ 5,291,781.71  $ 10,753,875.84 

0.00087266 

25 

0.2854 

$ 823,508.31 

$ 4,806,276.47  $ 4,675,343.75  $ 10,305,128.52 

0.00087266 

30 

0.3424 

$ 988,209.97 

$ 4,809,267.31  $ 4,233,285.52  $ 10,030,762.80 

0.00087266 

35 

0.3995  $ 1,152,911.63  $ 4,812,260.01  $ 3,818,907.20 

$ 9,784,078.84 

0.00087266 

40 

0.4566  $ 1,317,613.29  $ 4,815,254.57  $ 3,734,594.15 

$ 9,867,462.01 

0.00087266 

45 

0.5136  $ 1,482,314.95  $ 4,818,251.00  $ 3,415,417.48 

$ 9,715,983.43 

0.00087266 

50 

0.5707  $ 1,647,016.62  $ 4,821,249.29  $ 3,361,028.11 

$ 9,829,294.01 

0.00087266 

55 

0.6278  $ 1,811,718.28  $ 4,824,249.45  $ 3,143,050.12 

$ 9,779,017.84 

0.00087266 

60 

0.6849  $ 1,976,419.94  $ 4,827,251.47  $ 3,075,584.33 

$ 9,879,255.74 

0.00087266 

65 

0.7419  $ 2,141,121.60  $ 4,830,255.36  $ 2,988,728.52 

$ 9,960,105.48 

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

89 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

Q (m3/s) 

(m) 

P(kW) 

Costo Energía 

2 Años (COP) 

Costo Bomba 

(COP) 

Costo Tubería 

Red Matriz 

(COP) 

Costo Total 

(COP) 

0.00087266 

70 

0.7990  $ 2,305,823.26  $ 4,833,261.12  $ 2,870,682.76  $ 10,009,767.14 

0.00087266 

75 

0.8561  $ 2,470,524.92  $ 4,836,268.75  $ 2,803,216.97  $ 10,110,010.65 

0.00087266 

80 

0.9132  $ 2,635,226.58  $ 4,839,278.26  $ 2,739,560.58  $ 10,214,065.42 

0.00087266 

85 

0.9702  $ 2,799,928.25  $ 4,842,289.63  $ 2,685,171.20  $ 10,327,389.08 

0.00087266 

90 

1.0273  $ 2,964,629.91  $ 4,845,302.88  $ 2,566,703.70  $ 10,376,636.49 

0.00087266 

95 

1.0844  $ 3,129,331.57  $ 4,848,318.01  $ 2,448,657.93  $ 10,426,307.51 

0.00087266 

100  1.1414  $ 3,294,033.23  $ 4,851,335.01  $ 2,414,925.40  $ 10,560,293.64 

 

Para  este  caso,  es  más  evidente  el  peso  que  tienen  los  costos  de  energía  dentro  de  los  costos 
totales  del  sistema  de  riego.  Se  puede  ver  como  a  medida  que  aumenta  el  horizonte  de 
proyección,  los  costos  energéticos  comienzan  a  ser  más  altos  y  comienzan  a  tener  una  mayor 
participación y consecuencia sobre el costo final de la red. Si en la proyección a un año se veía que 
el costo por energía y el costo de tubería tendían a equilibrarse, para este caso el aumento en los 
costos por energía es mayor a la disminución en los costos de las tuberías, haciendo que los costos 
totales aumenten a medida que se aumenta la altura de bombeo. Se puede apreciar que también 
existe un valor mínimo para el Costo Total, el cual se consigue con una altura de bombeo de 45 
metros. Esto se puede apreciar más claramente en la siguiente gráfica:  

 

 

Gráfica 7 Altura de bombeo vs Costos proyección a 2 años, Caso de Estudio 4. 

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                                     Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA  
                                     Optimización energética de sistemas de Riego Localizado de Alta Frecuencia. Diseños        

DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

90 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

Se puede concluir entonces que el peso de los costos energéticos dentro de los costos totales de la 
red va a depender del horizonte de proyección en el cual se esté analizando el proyecto. A medida 
que aumenta el tiempo que se use la bomba, los costos por energía serán más altos, y por lo tanto, 
el ahorro que se obtuvo en la red matriz se verá reducido hasta ser sobrepasado por estos costos.  

Dependiendo del horizonte de proyección y la estructura de la red matriz (qué tan largas son las 
tuberías) se puede encontrar una altura de bombeo la cual minimice los costos totales de la red. 
Esto  quiere  decir  que  a  esta  cierta  altura  de  bombeo,  el  ahorro  en  la  red  matriz  va  a  ser  más 
importante que el aumento en los costos energéticos que se tienen para alcanzar esta altura. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

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Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

5 CONCLUSIONES 

 

A  lo  largo  de  este  trabajo  se  presentaron  diferentes  pruebas,  análisis,  metodologías  y 
comparaciones,  por  medio  de  las  cuales  se  obtuvieron  importantes  resultados  y  conclusiones 
acerca  de  la  forma  óptima  en  la  que  deben  ser  diseñados  los  sistemas  RLAF.  A  continuación  se 
presentan éstas: 

 

Por medio del análisis y compresión de todas las características que componen un sistema 
RLAF, fue posible entender de manera amplia los diferentes problemas y dificultades que 
se tienen para poder establecer una forma óptima de diseño para este tipo de redes. Una 
vez entendidos los diferentes parámetros del diseño, fue posible verificar la metodología 
propuesta por David Hernández y Nataly Bermúdez para el diseño óptimo de submódulos. 
Se encontró que efectivamente esta metodología ofrece resultados más económicos que 
los encontrados mediante la metodología SOGH, llegando en algunos casos, hasta un 10% 
de  ahorro.  Estos  diseños  cumplen  igualmente  con  los  requerimientos  hidráulicos  y 
agronómicos:  presión  mínima,  tolerancia  de  caudales  y  Coeficiente  de  Uniformidad 
Resultante.  
 

 

El diseño de la red matriz está fuertemente influenciado por las tres variables estudiadas 
en este trabajo: Los turnos de riego, el número de emisores por planta y la distribución de 
los turnos. 
 

 

Se estableció que a medida que aumentan los turnos de riego, aumenta también el caudal 
que debe ser transportado, tanto por los laterales y los múltiples, como por la red matriz. 
Esto  hace  que  a  un  mayor  número  de  turnos,  se  tenga  un  mayor  costo  tanto  en  la  red 
matriz como en los submódulos. Por esta razón, se debe intentar usar el menor número de 
turnos  posibles.  De  esta  forma,  se  disminuirá  el  caudal  que  debe  ser  movilizado  y  los 
diámetros de las tuberías no requerirán un tamaño mayor. 
 

 

El número de emisores por planta juega un papel fundamental en el diseño óptimo de este 
tipo de redes. A medida que se usa un mayor número de emisores por planta, el caudal 
que debe ser entregado por cada uno de estos va a disminuir. Esto lleva a que la presión 
mínima en el submódulo se vea reducida y de igual forma, la PES sea menor. Al tener una 
PES menor, los requerimientos de presión mínima en la red matriz se verán disminuidos, 
haciendo  que  el  diseño  de  esta  resulte  más  económico.  Sin  embargo,  debe  tenerse  en 
cuenta que al tener una PES menor, el costo de los submódulos podrán aumentar, debido 
a que la energía disponible para recorrer éste va a ser menor.  
 

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DSDDDDDDDDDDD  

optimizados.  

 

 

 

 

 

92 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

 

La distribución de turnos de riego también influenciara en cierta manera, el costo final de 
la  red matriz  del  sistema de  riego.  Dependiendo  de  qué  tan  bien  se  distribuya  el  caudal 
entre  las  tuberías  para  cada  turno  de  riego,  el  costo  de  la  red matriz  podrá  aumentar o 
disminuir. Se quiere, entonces, que la distribución de turnos de riego que se utilice,  sea 
aquella  que  logre  la  mejor  distribución  del  caudal  posible.  De  esta  forma,  el  caudal  de 
diseño de cada una de las tuberías de la red matriz podrá ser menor, logrando que la red 
sea más económica.  
 

 

Las bombas ofrecen una fuente importante de energía adicional cuando no se tiene una 
línea  de  gradiente  hidráulico  lo  suficientemente  alta  para  poder  obtener  un  diseño 
adecuado  de  la  red  matriz.  Sin  embargo,  debe  tenerse  en  cuenta  los  costos  energéticos 
que  produce  el  uso  de  las  bombas.  Se  encontró  que  el  peso  que  tiene  este  costo 
energético dentro de los costos totales de la red dependerá del tiempo de proyección para 
el  cual  se  analice  el  sistema.  A  medida  que  aumente  el  tiempo  de  uso  de  la  bomba, 
aumentarán también los costos energéticos, y por consiguiente, llegará un momento en el 
cual  el  aumento  en  los  costos  energéticos  sea  mayor  al  ahorro  que  se  obtiene  en  los 
costos de tuberías, logrados gracias al uso de la bomba. Es en este caso donde el usar una 
bomba deja de ser óptimo y se convierte una opción menos económica. De esta forma, se 
establece que dependiendo del tamaño de la red matriz, del caudal que se quiera mover y 
del  tiempo  de  proyección  del  diseño,    existe  una  altura  de  bombeo  que  minimiza  los 
costos totales de la red, y es precisamente esta altura de bombeo que se debe usar.     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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optimizados.  

 

 

 

 

 

93 

Andrés Felipe Ardila Jiménez                            Proyecto de Grado 

 

6 BIBLIOGRAFÍA 

 

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Universidad de los Andes.  

Saldarriaga,  J.  (2007).  Hidráulica  de  Tuberías.  Abastecimiento  de  Agua,  Redes,  Riegos.  Bogotá: 
Alfaomega, 978-958-682-680-8 

Bermúdez,  N.  (2011).  Desarrollo  de  una  metodología  de  díselo  hidráulico  para  submódulos  de 
sistemas de riego localizado de alta frecuencia
. Bogotá: Universidad de los Andes. 

Hernández,  D.  (2012).  Diseño  optimizado  de  submódulos  de  sistemas  de riego  localizado  de  alta 
frecuencia. 
Bogotá: Universidad de los Andes. 

Pizzaro,  F.  (1996).  Riegos  Localizados  de  Alta  Frecuencia.  Goteo,  microaspersión,  exudación
Madrid: Mundi-Prensa. 

Wu, I. (1975). Design of Drip Irrigation Main Lines. Journal of Irrigation and Drainage Division, 265 -
278. 

Ochoa,  S.  (2009).  Diseño  Optimizado  de  Redes  de  Distribución  de  Agua  Potable  con  Base  en  el 
Concepto  Energético  de  Superficie  Óptima  de  Gradiente  Hidráulico
.  Bogotá:  Universidad  de  los 
Andes. 

Saldarriaga,  J.,  Paez,  D.,  Cuero,  P.,  &  León,  N.  (2012).  Optimal  power  use  surface  for  design  of 
water  distribution  systems.  
Adelaida:  WDSA  2012:  14th  Water  Distribution  Systems  Analysis 
Conference, 24-27.   

 

 

 

 

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