Bomba solar para el riego desde ríos y canales: dimensionar un sistema para un nivel de agua en movimiento

La respuesta corta: bombear desde un río o un canal no es un pozo con una tubería diferente. Un pozo perforado te da tres cosas que un río nunca te dará: un nivel de agua que permanece fijo, agua ya filtrada, y una distancia conocida hasta el agua. Un río no te da ninguna de ellas. El nivel se mueve, unos 10 m al año en el Amazonas en Manaus, y el Mekong en Stung Treng pasa de unos 2.4 m en la estación seca a picos por encima de 12 m en septiembre. El agua arrastra limo, arena y restos. Y la toma suele estar a 100 a 500 m del campo que intentas regar.

Así que dimensiona el sistema en el nivel más bajo que jamás veas, no al nivel de hoy, y trata la línea de impulsión como parte de la bomba en lugar de como fontanería. Dos números siguen decidiendo tu modelo, exactamente como lo hacen para un pozo: la altura manométrica total en esa línea de aguas bajas, y el caudal que tu cultivo necesita dividido por tus horas efectivas de bombeo. La diferencia es que en un río, el primer número cambia por metros mientras no estás mirando.

Tres restricciones que un pozo perforado nunca te da

Cualquier sistema de río que falla en su segunda temporada falla en una de estas tres, y ninguna aparece en un diseño de pozo.

Lee la primera fila otra vez, porque es la que cambia toda la arquitectura. En un pozo perforado, la bomba baja por el agujero y el nivel del agua puede bajar 20 m sin que nadie lo piense. En un río, el nivel del agua se mueve, y tu bomba está a su lado.

Cuánto se mueve realmente el agua

Esto no es una preocupación teórica. Estos son rangos de nivel registrados de ríos aforados, y son la razón por la que un sistema de río no puede diseñarse a partir de una fotografía del sitio en la estación seca.

Fuentes: el Smithsonian Atlas of the Amazon a través de la compilación de niveles fluviales Aguas Amazonicas, que reporta fluctuaciones anuales medias de 10 a 15 m entre el Madeira medio y el Jurua medio y unos 10 m en Manaus, con el estuario mantenido por debajo de 2 m por la acción de las mareas; y los registros de aforo de la Mekong River Commission para Stung Treng, donde los niveles mensuales se sitúan entre 2.36 y 3.23 m de febrero a abril y los máximos anuales de 1995 a 1999 fueron de 8.0 m a 12.2 m en agosto y septiembre.

Dos cosas de esa tabla deberían cambiar cómo piensas sobre tu propio sitio.

La primera es la fila de pie de monte. Un afluente andino puede subir 4 a 9 m en un solo día. Si tu bomba está en una plataforma fija 3 m por encima de la línea normal del agua, mañana está bajo el agua, y pasado mañana está 6 m por encima de un río que baja. La elevación fija no es un diseño en un río así; es una apuesta.

La segunda es que la fila del estuario va en el otro sentido. Donde dominan las mareas, la oscilación es pequeña pero el agua se mueve dos veces al día, que es el problema opuesto: tu toma tiene que diseñarse para un flujo que se invierte y para la salinidad, no para una subida estacional lenta.

Diseña al nivel más bajo, pero sobrevive al más alto

Aquí está la regla que acaba con la mayoría de los sistemas de río caseros, así que léela dos veces.

Debes situar la toma en el nivel de agua más bajo que jamás veas, y debes mantener la electrónica de la bomba por encima del nivel de agua más alto que jamás veas. Esos dos requisitos apuntan en direcciones opuestas, y la distancia entre ellos es el rango del nivel. En un río con una oscilación de 4 m, ese es un problema vertical de 4 m antes de añadir un solo metro de tubería.

Solo hay cuatro respuestas honestas.

Mueve la bomba. Una bomba en un soporte deslizante sobre un poste en la orilla, o sobre un flotador, sigue el nivel. Barato de construir, pero ahora tienes una pieza móvil en una crecida, y un flotador atado a una orilla en una corriente rápida es un riesgo real para quien lo mantiene.

Meté la bomba en el agua. Una sumergible en un cable o un riel nunca tiene una elevación de aspiración, porque el agua ya está a su alrededor. Esta es la respuesta estándar en ríos con gran oscilación, y además elimina por completo el problema del cebado.

Toma el agua de la orilla en lugar del río. Hunde un pozo en la ribera a cierta distancia tierra adentro, y deja que el río venga a ti a través del terreno. Esto amortigua la variación del nivel y filtra el agua al mismo tiempo.

Toma el agua del lecho. Una tubería horizontal ranurada bajo el lecho, una galería de infiltración, mantiene fuera de escena la variación del nivel y los restos, a cambio de la mayor excavación de todas las opciones.

Y hay una quinta respuesta que no es honesta, que es colocar una bomba de superficie a una altura fija en algún punto intermedio del rango y esperar. Ese es el diseño que funciona en todos los meses excepto en los dos que importan.

Cinco formas de extraer agua de un río

Mira la columna de elevación de aspiración y verás por qué la bomba de superficie pierde en un río grande. Una bomba centrífuga montada en la orilla tiene un techo físico duro, y es más bajo de lo que la mayoría de los compradores espera.

A nivel del mar, la presión atmosférica puede sostener una columna de agua de unos 10.3 m en teoría. En la práctica obtienes 6 a 7 m, y la diferencia no es negociable: la bomba necesita un margen por encima de su propia altura de aspiración positiva neta requerida, el filtro y la válvula de pie te cuestan algo, y la manguera de aspiración en sí consume altura. Nuestro ejemplo resuelto más adelante en este artículo necesita 2.5 m de altura de aspiración para una manguera de 8 m a 13.6 m3/h, lo cual es cómodo. Ahora pon la bomba 4 m por encima del agua por una marca de crecida, y estás a 6.5 m antes de que el río haya bajado siquiera.

Hay una segunda penalización, menos obvia, y es visible en la curva medida de DCPM50-17-110-1500-A/D, una centrífuga de superficie de 1500 W con salida de 3 pulgadas. Sus puntos medidos van de 52 m3/h a 1 m de altura hasta 44 m3/h a 5 m, 28 m3/h a 11 m, 16 m3/h a 14 m, 8 m3/h a 16.5 m y cero a 17.5 m. De 5 m a 17.5 m la bomba pierde 44 m3/h de caudal, lo que supone 3.5 m3/h perdidos por cada metro extra de altura. Esto es lo que es una bomba de superficie de alto caudal: brillante a altura casi cero, y acabada para cuando llegas a 17.5 m.

Esa pendiente es por lo que la tubería de impulsión de la siguiente sección importa tanto, y también por lo que las bombas de superficie tienen un techo en este tipo de trabajo. En toda la gama de superficie de nuestro catálogo, una vez que mueves 23 m3/h o más, la altura máxima disponible más alta es 30 m en una máquina de 2.2 kW, y la mayoría de las bombas de superficie de alto caudal se detienen entre 14 y 21 m: DCPM15-14-48-550 a 14 m, DCPM21-14-72-750 a 14 m, DCPM27-21-110-1500 a 21 m. Por encima de unos 25 a 30 m de altura total a un caudal serio, una bomba de superficie deja de ser una opción y estás eligiendo una sumergible quieras o no. Eso no es una recomendación, es un límite en los datos del producto, y apunta en la misma dirección que la física: en un río, mete la bomba en el agua.

El lado sumergible del catálogo no tiene ese techo. 4/6DSC36-22-110-1500 es una unidad de 1500 W que mueve 36 m3/h a 22 m, y 4DSC15-45-110-750 hace 15 m3/h a 45 m con 750 W. Compáralo con DCPM27-21-110-1500, una bomba de superficie de los mismos 1500 W que está clasificada para 27 m3/h a 21 m. Misma potencia, misma clase de altura, y la sumergible lleva ventaja de aproximadamente un tercio en caudal, porque la máquina está sentada en el medio que mueve en lugar de alcanzarlo desde abajo.

Pozos en la ribera: el filtro que ya posees

Un pozo en la ribera es la opción que la mayoría de la gente nunca ha oído mencionar y la que resuelve más problemas de una vez. Hundes un pozo en la ribera a 15 a 100 m tierra adentro desde el agua, y el río tiene que viajar a través del material de la ribera para alcanzarlo. Lo que llega al pozo es agua de río que ya ha pasado por un filtro de arena y grava, y el nivel del pozo no es el nivel del río. Es una versión amortiguada y retardada de él.

Los números de los sistemas documentados de filtración en ribera valen la pena conocer, porque son mejores de lo que la mayoría de los compradores de riego espera:

Para un sistema de riego, la ganancia de calidad del agua es agradable pero el premio real es el nivel estable. Eso es lo que convierte un diseño imposible en uno ordinario, porque un pozo en la ribera te permite usar una sumergible estándar de pozo en lugar de un artefacto flotante. Tu bomba se sitúa a una profundidad fija, su cable nunca tiene que sobrevivir a una crecida, y la altura para la que diseñas no se mueve 4 m entre estaciones.

El problema es la obturación, y la misma revisión es franca al respecto: en los ríos tropicales ricos en sedimentos que parecen más atractivos para el riego, aproximadamente la mitad de los sistemas documentados sufren obturación física de la interfaz de infiltración. Presupuesta eso. Diseña el pozo de modo que la bomba se pueda sacar y la pantalla se pueda lavar con chorro, y espera hacer ese trabajo en un calendario en lugar de en una emergencia.

Dos puntos prácticos más. Primero, mantén el pozo lo suficientemente lejos para que la erosión de la crecida no lo corte, pero lo suficientemente cerca para que sigas induciendo agua de río en lugar de minar el acuífero local. Segundo, analiza la salinidad si estás cerca de un tramo de marea: un pozo en la ribera en un estuario puede extraer agua salobre, y ningún material de impulsor arregla eso.

Galerías de infiltración: la tubería bajo el lecho fluvial

Si quieres el beneficio del agua filtrada sin un pozo vertical, la versión horizontal es una galería de infiltración: una tubería ranurada o con juntas tendida bajo el lecho del río o en la ribera, rodeada de un filtro de grava graduada, con la bomba extrayendo desde un punto de recolección en tierra seca.

Las reglas de diseño publicadas son específicas, y vale la pena seguirlas exactamente:

• Diámetro de tubería 75 a 300 mm, con juntas o ranurada.
• Un filtro de grava graduada alrededor de la tubería, gruesa cerca de la tubería y más fina hacia afuera.
• Al menos 1 m por debajo de la zona saturada de la estación seca, para que la galería nunca aspire aire al final de la estación seca.
• Al menos 1.5 m de profundidad medida contra la erosión del río, para que una crecida no la exponga.
• Elige un lecho de arena media a gruesa y evita el interior de los meandros del río, donde se produce la deposición y se acelera la obturación.
• No dejes que un lecho de grava esté en contacto directo con el agua del río: las partículas finas penetran la grava más profundamente de lo que penetran la arena, y se asientan donde la erosión ya no puede levantarlas.

Ese último punto es el que la gente se equivoca, y es contraintuitivo. Una superficie de grava parece que debería filtrar mejor y mantenerse más limpia. En la práctica la arena resiste mejor la obturación, porque los finos permanecen cerca de la superficie donde la siguiente crecida puede lavarlos.

Para una explotación agrícola, el resumen honesto es que una galería es la opción de mejor calidad y la más trabajosa. Si tu río tiene un lecho de arena, un canal de aguas bajas estable, y puedes llevar maquinaria a la ribera en la estación seca, vale la pena. Si no, un pozo en la ribera te da la mayor parte del beneficio por una fracción de la excavación.

Lo que arrastra el río, y dónde se sitúa

Un pozo te da agua con casi nada en suspensión. Un río te da una carga móvil de sólidos, y el hecho más útil sobre esa carga es que no está repartida uniformemente por la columna de agua.

En la estación de aforo de Obidos en el Amazonas, el sedimento en suspensión medido fue de 300 a 340 mg/L cerca del lecho y solo 50 a 70 mg/L en la parte superior de la misma sección vertical. La concentración media en la estación, promediada a lo largo de años de monitoreo, es de 45 a 80 mg/L. Los afluentes Solimões y Madeira, que juntos transportan la mayor parte del sedimento de la cuenca, superan los 100 mg/L. Alrededor del 90 por ciento de la carga es limo y arcilla, y el material del lecho en Obidos tiene un diámetro medio cercano a 0.2 mm.

Dos conclusiones se siguen de inmediato:

• Eleva la toma del lecho. Un filtro apoyado en el fondo ve de cuatro a seis veces los sólidos de uno colgado un metro más alto. Esta decisión hace más por la vida de la bomba que cualquier filtro que puedas comprar.
• Espera un segundo pico de sedimento cuando el agua baja. En el Amazonas, la descarga de sedimento sube durante la estación de aguas bajas de junio a septiembre, a medida que el material depositado en la llanura de inundación se resuspende, produciendo un aumento medio de alrededor del 72 por ciento. El río que parece más limpio no es necesariamente el que está en crecida.

Para lo que el sedimento hace a los impulsores, y por qué el acero inoxidable o los componentes endurecidos importan más en un río que en un pozo, consulta impulsor de plástico vs acero inoxidable y manejo de arena en pozos arenosos.

Luego decide cuánto de ello vas a eliminar, y sé realista con la respuesta. Una balsa de decantación se dimensiona por superficie, no por volumen, y la regla es simple: el área de superficie requerida equivale al caudal dividido por la velocidad de sedimentación de la partícula más pequeña que quieres captar.

Las velocidades de sedimentación de abajo proceden de la ley de Stokes para partículas de densidad de cuarzo en agua a 20 grados Celsius, y las áreas asumen el caso ideal así que deberías duplicarlas para una balsa real.

Lee la última pareja de columnas en conjunto y la decisión de diseño se toma sola. Eliminar arena es barato: una balsa del tamaño de una mesa pequeña maneja un grano de 0.1 mm a 20 m3/h. Eliminar limo no lo es: baja a 0.02 mm y el mismo caudal necesita una balsa 25 veces mayor, que es un estanque, no un tanque. Así que decanta la arena, controla el limo manteniendo la velocidad baja y elevando la toma, y si necesitas agua realmente limpia a bajo coste, cómprala a la ribera en su lugar, con un pozo en la ribera.

Luego dimensiona el vaciado, porque la balsa es una trampa de sólidos y alguien tiene que vaciarla. A 300 mg/L, la cifra cercana al lecho del Amazonas, una bomba que mueve 12.5 m3/h toma unas 3.75 kg de sólidos por hora. Eso son aproximadamente 2.7 litros de barro húmedo por hora, o unos 16 litros en un día de bombeo de seis horas, y unas 39 litros al día si mueves 30 m3/h. Pon un desagüe y una trampilla de limpieza en la balsa y pon el trabajo en el calendario de mantenimiento, porque una balsa llena deja de decantar y empieza a dejar pasar todo.

El problema de los 300 metros: la línea de impulsión elige tu bomba

Aquí está la parte que sorprende a casi todos los proyectos de río, y no tiene nada que ver con el río. En un pozo perforado, la bomba suele estar cerca del tanque. En un río, la bomba está en el agua y el campo está en otro sitio, y esa distancia es altura.

La altura de fricción en una tubería escala aproximadamente con la longitud dividida por el diámetro a la potencia 4.87. El diámetro está en el denominador de una potencia alta, lo que significa que el diámetro vale mucho más de lo que la mayoría asume. Estas cifras se calculan con la ecuación de Darcy-Weisbach para tubería de PE con una rugosidad de 0.007 mm, transportando agua a 20 grados Celsius.

Tres cosas se deducen de esa tabla.

Una manguera no es una tubería de impulsión. Los mismos 13.6 m3/h que cuestan 2.3 m por un PE de 90 mm cuestan 81.7 m por una manguera de 1.5 pulgadas durante 300 m. Eso no es un error de redondeo, es más altura de la que la mayoría de las bombas solares pueden producir en su mejor día, y es la razón más común por la que un sistema de río dimensionado correctamente sobre el papel no entrega nada en el campo.

La distancia y el diámetro se compensan de forma notablemente uniforme. Una línea de 63 mm que recorre 60 m cuesta 2.6 m de altura; una línea de 90 mm que recorre 300 m cuesta 2.3 m. Así que reducir a la mitad tu distancia y mantener la tubería fina te da aproximadamente lo que habrías obtenido manteniendo la distancia y comprando la tubería gruesa. Una de esas dos cosas normalmente no cuesta nada en absoluto, y es la que deberías mirar primero.

La velocidad es una segunda razón para ir a más grande. A 25 m3/h, el PE de 63 mm va a 2.9 m/s, lo que está por encima de la banda de 1.5 a 2 m/s que normalmente buscas, y erosionará, golpeará y desgastará. El mismo caudal por un PE de 90 mm va a 1.4 m/s y se comporta. Si quieres el método completo en lugar de tres filas de muestra, está en la guía de dimensionado de tubería.

Un ejemplo resuelto: 1.5 hectáreas, a 300 metros del río

Pongamos todo junto. Una parcela de hortalizas de 1.5 hectáreas en una llanura de inundación, a 300 m del canal de aguas bajas, en un río que oscila 4 m entre las aguas bajas de la estación seca y el pico de crecida.

Paso 1, la demanda. A un neto de 5 mm por día sobre 15,000 m2 el cultivo necesita 75 m3/día. Con 5.5 horas efectivas de bombeo en un día solar tropical, el sistema tiene que entregar 13.6 m3/h. Si estás calculando un sitio propio, el método es el mismo que en cómo dimensionar una bomba de agua solar.

Paso 2, la altura. La elevación estática desde la superficie de aguas bajas hasta el hidrante más alto es 6 m. Suma el lado de aspiración y los accesorios, y las dos opciones de tubería de impulsión se separan de inmediato.

Ahora observa lo que esa diferencia hace a la elección de la bomba, usando la curva medida de DCPM50-17-110-1500-A/D, una centrífuga de superficie de 1500 W:

• A 20.8 m la bomba entrega nada en absoluto. Su curva medida llega a cero a 17.5 m. Tu máquina de 1500 W no está «un poco corta», está fuera del agua. Para mover 13.6 m3/h a 20.8 m tienes que salir de esta clase por completo y subir a una máquina de 3 kW.
• A 10.3 m la misma bomba lee unos 29 m3/h en su curva, más del doble de lo que el campo necesita, y los 75 m3 del día se hacen en unas 2.6 horas.

Es toda la lección en dos líneas. La tubería no cambió el requerimiento de agua, el campo, ni el sol. Cambió la clase de la bomba.

Paso 3, la toma. Con una oscilación del nivel de 4 m, una bomba de superficie montada en la orilla colocada por encima de la marca de crecida enfrenta 4 m más su propio franqueo libre de 1.5 m como elevación de aspiración, y tras la manguera y el filtro estás en unos 6.5 m frente a un techo práctico de 6 a 7 m. Eso no es un diseño, es una ruleta cada estación seca. Así que toma la decisión de toma a la que apunta la física y cuelga una sumergible en el agua. La tabla de abajo lista las opciones reales del catálogo para un punto de trabajo de río de unos 10 a 14 m de altura, ordenadas por la elección que realmente estás haciendo: superficie o sumergible.

Para este sitio, 4/6DSC30-19-110-1100 tiene margen cómodo en un punto de trabajo de 10.3 m, y 4/6DSC36-22-110-1500 o 4DSC19-35-110-1500 son los siguientes pasos hacia arriba si quieres altura en reserva para una manguera más larga o un tanque elevado.

Si en su lugar puedes hundir un pozo en la ribera, el diseño vuelve a ser más fácil, porque el nivel del pozo está amortiguado y puedes usar una máquina estándar de pozo: 4DSC15-45-110-750 cubre 15 m3/h a 45 m con solo 750 W, y 4DSC9.5-50-110-750 o 4DSC6-67-72-750 manejan caudales menores a alturas mayores. Para la diferencia entre las dos familias de bombas en general, consulta sumergible vs bomba de superficie.

Paso 4, el conjunto. Los conjuntos solares aquí se especifican a 1.3 veces la potencia de la bomba o más, así que una bomba de 1100 W quiere al menos 1.43 kW de paneles: tres módulos de 550 W te dan 1.65 kW. Luego comprueba el cableado en serie contra el techo de tensión de circuito abierto del controlador antes de comprar cable, que es el error que destruye más controladores que los rayos.

Paso 5, el buffer. Como la bomba entrega 29 m3/h para un requerimiento de 13.6 m3/h, añade un tanque. Un buffer de 10 m3 te permite regar al atardecer, mantiene la bomba fuera de su interruptor de flotador, y convierte una bomba sobredimensionada en un no-problema.

Paso 6, el limo. Si extraes directamente del río en lugar de un pozo en la ribera, y tu toma cuelga medio metro por encima del lecho, dimensiona una balsa de decantación para la arena. A 13.6 m3/h la fila de 0.1 mm de la tabla de Stokes necesita unas 0.42 m2 de superficie ideal, así que construye unas 1 m2 de superficie con una profundidad de trabajo de 0.5 m. Ten claro lo que eso te compra: elimina arena, no limo. A esa superficie tu tasa de desbordamiento es 3.8 mm/s, que capta cualquier cosa más gruesa que unos 0.065 mm y deja pasar el resto.

Puesta en marcha, obturación y cinco errores que acaban con los proyectos de río

Antes de comprar nada, pasa una temporada midiendo. Clava un poste graduado en la ribera y registra el nivel semanalmente, y averigua con la autoridad local o una estación de aforo cercana cuáles fueron las marcas históricas de agua baja y alta. Un sistema de río diseñado en una sola visita al sitio es un sistema diseñado para el tiempo de ese día.

Luego evita estos cinco, que cubren la mayoría de los fallos que veo.

1. Diseñar al nivel de agua de hoy. Dimensiona todo al nivel más bajo registrado, y luego comprueba que el nivel más alto no sumerja tu controlador. Si esas dos no pueden satisfacerse ambas con una bomba fija, la bomba tiene que moverse, o la toma tiene que moverse a la ribera.
2. Usar aspiración donde la bomba debe estar en el agua. Una sumergible en el río cuesta menos que la obra de tierra para hacer que una bomba de orilla sobreviva a una crecida, y elimina el límite de aspiración por completo. Por eso ríos estacionales y cargas de sedimento también empujan los sistemas africanos hacia las sumergibles.
3. Comprar la bomba antes que la tubería. En el ejemplo resuelto de arriba, 63 mm en lugar de 90 mm convirtió un trabajo de 1500 W en uno de 3000 W. La tubería es una fracción del coste de una bomba, un controlador y un conjunto, y es la altura más barata que jamás eliminarás.
4. Dejar que el filtro repose en el lecho. Recuerda los números de Obidos: 300 a 340 mg/L cerca del lecho frente a 50 a 70 mg/L cerca de la superficie. Eleva la toma y reduces la carga de abrasión varias veces por el precio de una cuerda más larga.
5. Construir una toma que nadie pueda mantener. Un filtro al que no puedes llegar, una bomba que no puedes sacar, una balsa sin desagüe. Cada una de esas convierte un trabajo de dos horas en una avería de dos semanas en plena temporada de crecimiento.

Si prefieres no hacer la aritmética en un sitio que no puedes visitar fácilmente dos veces, la herramienta de dimensionado hará el cálculo de la altura por ti, o envíame los números y volveré con un modelo, un tamaño de tubería, un arreglo de toma y un número de paneles que encajen con el río que realmente tienes en lugar del de la fotografía. El trabajo completo de la fricción, la decantación y las cifras de sedimento de este artículo es reproducible con el script del proyecto, así que puedes comprobar cada número contra tu propio sitio.

¿Planeas una bomba solar para un río o un canal? Introduce tu nivel de agua baja, tu altura y tu recorrido de tubería en la herramienta de dimensionado para ver tu altura real, o escríbeme por WhatsApp con tu nivel de agua baja, tu altura desde la línea de aguas bajas, tu distancia al campo, la oscilación estacional que has visto y tu cultivo, y volveré con un modelo, un diámetro de tubería, un arreglo de toma y un número de paneles dimensionados para el nivel más bajo en lugar del día en que tomaste la foto.