Estación de bombeo y red de distribución de agua de riego

Abstract

En el presente proyecto se desarrolla el diseño y la construcción de una estación de bombeo y una red de distribución de agua de riego. Las instalaciones se ubicarán en el término municipal de Fustiñana, Navarra. La estación de bombeo se ubicará a la altura del kilómetro 15 de la carretera autonómica NA-126, carretera que conecta las localidades de Tauste y Tudela. La ubicación de las instalaciones proyectadas se encuentra dentro de las Bardenas Reales de Navarra. En esta zona el clima es semidesértico, con escasas precipitaciones casi siempre de carácter torrencial. La explotación de cultivos de regadío en esta zona requiere del almacenamiento y la canalización de los escasos recursos hídricos de los que se dispone. El diseño y construcción de la estación de bombeo y la red de distribución de agua proyectadas, se realiza para permitir la implantación de cultivos de regadío. Los cultivos de regadío se implantarán en una serie de explotaciones agrícolas privadas donde actualmente se cultivan cultivos de secano. Los cultivos de regadío son más rentables económicamente que los cultivos de secano que se explotan actualmente en el área de ubicación de las instalaciones proyectadas. Con las instalaciones proyectadas se pretende conseguir una mayor rentabilidad económica para los propietarios de las explotaciones que formarán el área regable abastecida por esta instalación. El punto de captación de la estación de bombeo es el Canal de Tauste, con una cota de 248 metros sobre el nivel del mar. La estación de bombeo impulsará el agua hasta un depósito de almacenamiento situado en Cabezo Espinoso, con una cota de 358 metros sobre el nivel del mar. La tubería que conectará la estación de bombeo con el depósito de almacenamiento discurrirá de forma paralela a un camino forestal que atraviesa el área regable. La tubería de impulsión recorrerá 2.476 metros con una diferencia de cotas de 110 metros. El depósito de almacenamiento situado en Cabezo Espinoso será la cabecera de la red de distribución del agua de riego. El agua bombeada por la estación de bombeo se almacenará en el depósito y se distribuirá a las 29 parcelas de riego diseñadas, según sus necesidades hídricas y de acuerdo al sistema de turnos proyectado. El área regable se ha organizado en parcelas de riego para poder realizar el diseño de la red de distribución de agua de riego de una forma eficiente. El área regable que se podrá abastecer con este proyecto es de 257,76 hectáreas.Este área regable se ha dividido en 29 parcelas de riego tal y como se muestra en los planos del proyecto. Estas 29 parcelas se han organizado en 5 turnos de riego. El diseño de turnos de riego se ha realizado para poder hacer un diseño de la red de distribución y de la estación de bombeo lo más eficiente posible. El diseño de las parcelas y los turnos de riego se ha realizado de manera que las parcelas regadas en un mismo turno tengan una cota geométrica semejante. Con un diseño que cumpla este criterio el sistema de riego de las explotaciones agrícolas podrá ser por goteros no compensantes. Aunque el sistema de riego de las parcelas queda fuera del alcance de este proyecto es importante conocer el sistema que se implantará, pues define los requisitos de presión en los nudos de demanda de la red de distribución proyectada. Con un sistema de riego por goteros no compensantes, el nivel de presión que se ha requerido en los nudos de demanda de la red de distribución es de 12 mca. La demanda de agua del conjunto de las explotaciones agrícolas del área regable se ha determinado a partir de las necesidades de agua de los posibles cultivos a implantar. Los cultivos a implantar serán leguminosas y hortícolas. La demanda de agua diaria de estos cultivos para el conjunto de las explotaciones del área regable es de 14.087.937,32 litros. A partir de la demanda diaria de agua se ha calculado el caudal de diseño de la estación de bombeo. Para determinar cuál es el caudal que mejor se ajustaba al criterio de diseño de mínimo coste del ciclo de vida de la instalación, se ha realizado un estudio comparando diversas alternativas. Los parámetros que se han ido variando en el estudio comparativo han sido: horas de funcionamiento de la estación de bombeo, material de la tubería de impulsión y diámetro de la tubería de impulsión. De las diversas opciones comparadas se han analizado las estimaciones de los dos costes más importantes en el ciclo de vida de una estación de bombeo: los costes de instalación y los costes energéticos. La opción analizada que mejor se ajustaba al criterio de mínimo coste del ciclo de vida de la instalación ha sido un caudal de diseño de 1.149,03 m3/h. Este caudal será trasegado por la estación de bombeo durante 12 h al día para abastecer la demanda de los cultivos del área regable. Del análisis comparativo resulta también la selección de la tubería de impulsión. Conociendo el caudal de diseño se han diseñado los distintos elementos que componen la estación de bombeo. Se ha dimensionado la arqueta de impulsión con el programa informático PSD. Se ha seleccionado el modelo de bomba utilizando el programa informático ABSEL y realizando un estudio comparativo para seleccionar el modelo de bomba que minimizara el coste del ciclo de vida de la instalación. El modelo de bomba que se ajusta mejor a los requerimientos de caudal y altura es el modelo Z22-400/350-70 C344 de ABS. Se instalarán dos bombas en seco con sus correspondientes circuitos de manera totalmente independiente. De este modo, en caso de avería o mantenimiento la instalación podrá seguir abasteciendo de agua a los cultivos. Las tuberías de la estación de bombeo serán de fundición, con un diámetro DN 400 en las tuberías de aspiración y con un DN 350 en las tuberías de descarga. Sobre las tuberías de aspiración y de descarga se montarán válvulas de cierre y de retención de la marca comercial AVK. Las dos tuberías de descarga se conectaran entre sí mediante un colector de impulsión y se conectarán a la tubería de impulsión con dos ampliaciones.Las bombas serán accionadas por motores eléctricos modelo M5500/4-93 del fabricante ABS. La tubería de impulsión tendrá un diámetro nominal DN 600 mm y será de hormigón en masa. Con este diámetro se consigue que la velocidad del flujo en la tubería sea de 1,13 m/s. La tubería de impulsión discurrirá soterrada durante su recorrido de 2.476 metros. Las pérdidas de carga en la estación de bombeo y en la tubería de impulsión se han calculado para verificar el correcto funcionamiento de la estación de bombeo. Las pérdidas de carga se han calculado a mano y con el programa informático Pipe Calc de ABS. Las pérdidas de carga totales en la instalación son de 9,72 mca. La altura manométrica que resulta en la instalación es de 119,72 mca. Se ha verificado que la instalación cumpliera el criterio de no cavitación. La altura neta positiva disponible tiene un valor de 6,9 mca, un valor muy superior a los 3,4 mca de altura neta positiva requerida por el modelo de bomba. El depósito de almacenamiento ubicado en Cabezo Espinoso será la cabecera de la red de distribución de agua de riego. Este depósito permite que el funcionamiento de la red de distribución sea independiente del funcionamiento de la estación de bombeo. Al estar situado en una cota elevada permite que el riego de las parcelas se realice por gravedad. De este modo, la estación de bombeo simplemente bombea agua al depósito para su almacenamiento que la red de distribución irá utilizando de acuerdo a los turnos de riego y la demanda de las parcelas. El diseño de la red de distribución de agua de riego se ha realizado utilizando el programa informático EPANET. El proceso de diseño de las conducciones de la red de distribución ha consistido en un método iterativo para conseguir que la velocidad en las conducciones y la presión en los puntos de consumo fueran adecuadas. Mediante una simulación de 24 horas de funcionamiento de la instalación se ha verificado el diseño de la red de tuberías para que cumpliera con los requisitos de velocidad en los conductos y presión en los nudos de demanda. Para realizar la simulación se han modelado todos los componentes de la instalación en el programa informático EPANET. El modelo resultante incluye 67 conexiones y 46 nudos de consumo. En la simulación se han incluido también los turnos de riego mediante patrones temporales en los nudos de demanda de las parcelas. El funcionamiento de la bomba se ha modelado también mediante su curva de trabajo y un patrón de tiempo. El trazado de tuberías de la red de distribución diseñada tiene 19.497 m de longitud. Todo el trazado de tuberías de la red de distribución de agua de riego irá soterrado para permitir las labores en las parcelas de cultivo. Las tuberías instaladas son de polietileno de baja densidad para uso agrícola. Los tubos se han seleccionado entre las soluciones comerciales de la marca Plasex. En cuanto a los aspectos económicos, el presupuesto del proyecto es de 1.529.537,02 €. Este es el presupuesto para la construcción e instalación de la estación de bombeo y la red de distribución de agua de riego.Para el análisis de la viabilidad económica de este proyecto se han considerado además todos los costes que pueden aparecer en el ciclo de vida de la instalación, así como los ingresos que se generarían en las explotaciones agrícolas del área regable. Considerando lo anterior se concluye que el presente proyecto tiene un valor actual neto de 645.891,34 €. El periodo de recuperación de la inversión inicial es de 6,37 años. Por todo ello, el proyecto resulta atractivo a nivel económico para los propietarios de las explotaciones agrícolas donde se implantará.In the present project the design and construction of a pumping station and an irrigation water distribution system is developed. The facilities will locate in the township of Fustiñana, Navarra. The pumping station will locate close to the kilometre 15 of the autonomous road NA-126, road that connects the towns of Tauste and Tudela. The location of the designed facilities is inside the Bardenas Reales de Navarra territory. In this location the climate is semidesertical, with few rains and almost every time with a torrential nature. The use of irrigated farming in this area demands the storage and scoring of the few hydrological resources that are available. The design and construction of the designed pumping station and irrigation water distribution system is done in order to allow the implementation of irrigated crops. Irrigated farming will be implemented in some private farms where only rainfed crops are growing nowadays. Irrigated farms are more profitable than rainfed farms that are being cultivated in the location area of the planned facilities. With the designed facilities a higher profitability is hoped for the owners of the farms that integrate the irrigation area supplied by this facility. The collection point of the pumping station is the Canal de Tauste, with a height of 248 meters above sea level. The pumping station will propel the water to a storage tank located in Cabezo Espinoso, with a height of 358 meters above sea level. The pipe that will connect the pumping station with the storage tank will run parallel to a forest road that crosses the irrigation area. The discharge pipe will cover 2.476 meters with a height difference of 110 meters. The storage tank located in Cabezo Espinoso will be the headwaters of the irrigation water distribution system. The propelled water by the pumping station will be stored in the storage pump and distributed to the 29 irrigation plots. This irrigation plots have been designed according to their hydraulic needs and in compliance with the designed turns system. The irrigation area has been organized in irrigation plots in order to design a distribution network in a more efficient way. The irrigation area that could be supplied with this project reaches 257,76 hectares.The irrigation area is divided in 29 irrigation plots as it is shown in the plans of this project. These 29 plots have been organized in 5 irrigation turns. The design of irrigation turns has been designed in order to achieve a design of the distribution network and the pumping station as efficient as possible. The design of the irrigation plots and the irrigation turns has been done for achieving a similar height in all the plots irrigated in the same turn. With a design in compliance with this criteria, a system with non-balancing droppers could be used in the irrigation system of the farms. Although the irrigation system of the farms is out of the scope of this project it is important to know the system that will be implemented, because it defines the pressure requirements in the demand knots of the designed distribution network. With a non-balancing droppers irrigation system, the pressure level required in the demand knots of the network is 12 meters water column. The water demand for all the farms in the irrigation area has been determined from the water needs of possible crops. The crops likely to grow in the irrigation area are leguminous and vegetables. The daily water demand of these crops for the whole irrigation area reaches 14.087.937,32 litres. From the daily water demand the design flow of the pumping station has been calculated. In order to determine which is the flow that fits better with the design criteria of minimum facilities life cycle cost, a study has been developed comparing several alternatives. The parameters analysed in the comparative study are: pumping station working hours, material of the discharge pipe and discharge pipe diameter. For all the options considered, the two more important costs of its life cycle have been analysed. Those costs analysed for the pumping station life cycle are: the cost of installation and energy costs. The analysed option that fit better to the minimum life cycle cost criteria is a design flow of 1.149,03 m3/h. This flow will be propelled by the pumping station during 12 hours per day in order to satisfy the demand of the crops of the irrigation area. From the comparative study results the selection of the discharge pipe diameter. Once the design flow is known, the different components of the pumping station have been designed. The design of the pumping station well has been developed with the software PSD. The pump model has been selected using the software ABSEL and doing a comparative analysis in order to choose the pump model with a minimum life cycle cost for the facility. The pump model which fits better to the height and flow requirements is the pump Z22-400/350-70 C344 from ABS. Two identical pumps will be installed dry in two independent pipe loops. This way, in case of accident or maintenance the facility will be able to supply water to the farms. Pipes in the pumping station will be made of smelting, with a diameter DN 400 in the collection pipes and with a DN 350 in the discharge pipes. The collection and discharge pipes will incorporate closing and retention valves of the commercial name AVK. The two discharge pipes will be connected through a discharge collector and will be connected to the discharge pipe through two enlargements. Both pumps will be operated by two electric motors M5500/4-93 model of the commercial brand ABS.The discharge pipe will have a nominal diameter DN 600 mm and will be made of mass concrete. With this diameter a water speed flow through the pipe of 1,13 m/s is achieved. The discharge pipe runs 2.476 meters underground. Pressure drops in the pumping station and the discharge pipe have been calculated in order to assure the correct functioning of the pumping station. Pressure drops have been calculated using analytical formulations and also with the computer software Pipe Calc of ABS. Total pressure drops in the facility are 9,72 meters water column. The manometric height of the facility is 119,72 meters water column. It has been verified that the facilities comply with the non-frothing criteria. The net positive height available has a value of 6,9 meters water column, a much higher value than the 3,4 meters water columns of net positive height required by the pump model. The storage tank located in Cabezo Espinoso will be the headwaters of the irrigation water distribution network. This tank will allow the independent work of the distribution network and the pumping station. As being located in a great height, this tank allows that farms are irrigated by gravity. That way, the pumping station will simply propel water to the storage tank in order to be stored. The distribution network will make use of this water according to the irrigation turns and the water demand of farms. The irrigation water distribution network has been designed using the software EPANET. The water pipes design process has been an iterative analysis to achieve adequate water flow speed and pressure in the consumption knots. Through a 24 hours simulation of the facilities work, the design of the pipes in the distribution network has been verified. The design must comply with the criteria of water flow speed in pipes and pressure in the demand knots. In order to develop the simulation, all elements of the designed facility have been modelled with EPANET. The resulting model of the network includes 67 connections and 46 demand knots. In the developed simulation irrigation turns have been included through patterns in the demand knots. The work of the pump has been modelled through its working curve and a temporal pattern. The layout of pipes in the designed distribution network has 19.497 meters length. The layout of pipes in the irrigation water distribution network will run underground in order to allow operations in the farms. Pipes installed are made of low density polyethylene for agricultural usage. Pipes have been selected from the commercial offer of the brand Plasex. Regarding economic aspects, the budget for this project is 1.529.537,02 €. This budget includes building and installing all components of the pumping station and the distribution network. In the economic viability analysis of this project have been considered all costs that could appear in the life cycle of the facility. The estimated income that will be generated by the farms of the irrigation are have been considered also in this economic analysis. Taking all this into account it can be stated that this project has a net present value of 645.891,34 €. The payback period is 6,37 years. For all those reasons the project is attractive in economic terms for the land owners where the project will be implemented.