Análisis, caracterización y diseño de Hidrantes multiusuario para riego

Abstract

[EN] A rational and correct usage of available water resources in irrigation entails access to infrastructures that utilise pressurised pipelines to carry the required volumes of water from the catchment to the plant. The pressurised irrigation systems, whether at collective or smallholding level, permit a high degree of control over the water applied, and guarantee a high rate of application efficiency. Over the last 30 years, the adoption of these irrigation systems have led to the construction and start-up of numerous collective pressurised irrigation networks. In the Mediterranean region, where the production model is based on the intensive farming of small and medium-sized plots of land (areas not exceeding 0.5 hectares), the water distribution systems from the network to the allotment is normally via so-called multi-user hydrants. These devices have unique features that make them difficult to characterise and model. Traditionally their design and configuration has been the responsibility of the engineering design team who use their own experience as a criterion of design, disregarding the fact in many cases, of how the design and configuration affects the hydraulic response of these devices as well as the influence this will have on the infrastructure works connected downstream from these devices. This thesis deals with the study of these multi-user hydrants. Firstly it analyses their current state of operation, compiling the problems encountered at present, highlighting the metrological blocking of meters, corrosion, leaks, excessive load losses, unsuitable materials and equipment, etc. Problems that impair the equipment and make it impossible for them to perform the functions for which they were installed. Secondly, an attempt to organise the devices based on their configuration is done, classifying them according to the position of the water meter, in horizontal and vertical. Analyses of the regulations that define the characteristics of the hydrants (UNE-EN14267) is carried out, demonstrating that it is insufficient for these types of elements. Therefore, through the experience gained in the LHIR of UPV (The Hydraulics and Irrigation Laboratory of the Politechnic University of Valencia), and from the hydraulic trials of 13 of these devices, we propose tests of hydraulic characterisation that allow us to assess the correct configuration and operation of the aforementioned devices, analysing and proposing solutions for the main problem that was encountered - the blocking of metrological meters. Thirdly, once the situation of the multi-user hydrants is analysed, and after the problems encountered in the field and laboratory are compiled, a design protocol is developed that culminates in a draft of the Technical Specifications of the types of devices. The application of this draft with the collaboration of SEIASA (Spanish Society of Agricultural Infrastructures) leads to the development of a hydrant configuration type called "Costella", where the main challenges that were encountered ultimately are solved. This part of the thesis ends with validation through hydraulic tests in the laboratory (LHIR), of three hydrants with this configuration. The fourth and last part of the thesis proposes a method of analysis, based on the EPANET 2.0 application, which makes it possible to verify and configure this type of hydrant validating its operation before its installation in the network. Utilising all the experimental framework a model has been constructed using Computational Fluid Dynamics (CFD) from the collectors of the trialed hydrants. In paralllel every type of hydrant has been characterised by means of EPANET adjusting the resitance coefficients of the different unique components that constitute each hydrant. These CFD models have made it possible to validate the models in EPANET that simulate with great precision the real response of the collectors and therefore apply to the simulation of the whole hydrant.

[ES] Un aprovechamiento racional y ajustado de los recursos hídricos disponibles en el regadío implica la necesidad de disponer de infraestructuras que mediante conducciones a presión permitan llevar desde captación hasta la planta los volúmenes requeridos. Los sistemas de riego a presión, tanto a nivel colectivo como en parcela, permiten un alto control sobre el agua aplicada y garantizan una alta eficiencia de aplicación. La adopción de estos sistemas de riego ha conllevado en los últimos 30 años la construcción y puesta en marcha de numerosas redes colectivas de riego a presión. En el arco mediterráneo donde el modelo productivo se basa en una agricultura intensiva de parcelas de tamaño pequeño y medio (superficies medias no superiores a 0,5 ha), el sistema de distribución del agua desde la red a la parcela se realiza normalmente a través de hidrantes denominados multiusuario. Estos dispositivos presentan unas características singulares que los hacen difíciles de caracterizar y modelizar. Tradicionalmente su diseño y configuración ha corrido a cargo de los ingenieros proyectistas utilizando la propia experiencia como criterio de diseño, desconociendo, en muchos casos, cómo afecta el diseño y configuración a la respuesta hidráulica de estos dispositivos, y la influencia que éstos tendrán en las obras de infraestructura conectadas aguas abajo de los mismos. Esta Tesis aborda el estudio de estos hidrantes multiusuario. En primer lugar analizando su estado actual de funcionamiento, recopilando los problemas que se encuentran en la actualidad, resaltando el bloqueo metrológico de contadores, oxidaciones, fugas, pérdidas de carga excesivas, materiales y equipos no adecuados, etc. Problemas que deterioran estos equipos e imposibilitan que realicen las funciones para los que fueron instalados. En segundo lugar se intenta organizar, los dispositivos en función de su configuración, clasificándolos según la posición del contador de agua, en horizontales y verticales. Se analiza la normativa que define las características de los hidrantes (UNE-EN 14267), demostrando que es insuficiente para este tipo de elementos. Por lo que a través de la experiencia recogida en el LHIR (Laboratorio de Hidráulica y Riegos) de la UPV, y del ensayo hidráulico de 13 de estos dispositivos, se proponen ensayos de caracterización hidráulica que permitan evaluar la correcta configuración y funcionamiento de los mismos, analizando y proponiendo soluciones al principal problema encontrado, el bloqueo metrológico de contadores. Una vez analizada la situación de estos hidrantes multiusuario, y tras la recopilación de los problemas encontrados en campo y en laboratorio, se desarrolla un protocolo de diseño que culmina con la redacción de un Pliego de Condiciones Técnicas para este tipo de dispositivos. La aplicación de este pliego junto con la colaboración de SEIASA (Sociedad Española de Infraestructuras Agrarias) desemboca en el desarrollo de una configuración de hidrante tipo denominado "Costella", donde se solucionan los principales problemas planteados. Esta parte finaliza con la validación a través de ensayos hidráulicos en el laboratorio (LHIR), de tres hidrantes con esta configuración.La cuarta y última parte propone un método de análisis, basado en la aplicación EPANET, que permita verificar y realizar configuraciones de este tipo de hidrantes validando su funcionamiento antes de su instalación en la red. Utilizando toda la base experimental se ha construido un modelo mediante Técnicas Computacionales de Fluidos (CFD) de los colectores de los hidrantes ensayados. Paralelamente se ha caracterizado cada tipo de hidrante mediante EPANET ajustando los coeficientes de resistencia de los diferentes elementos singulares que configuran cada hidrates. Estos modelos CFD han permitido validar los modelos en EPANET que simulen con gran precisión la respuesta real de los colectores y por tanto aplicarlos a la s

[CA] Un aprofitament racional i ajustat dels recursos hídrics disponibles en el regadiu implica la necessitat de disposar d'infraestructures que, mitjançant conduccions a pressió, permeten portar els volums requerits des de la captació fins a la planta. Els sistemes de reg a pressió, tant en l'àmbit col·lectiu com en parcel·les, permeten un alt control sobre l'aigua aplicada i garanteixen una alta eficiència d'aplicació. L'adopció d'aquests sistemes de reg ha comportat en els últims trenta anys la implantació de nombroses xarxes col·lectives de reg a pressió. En l'arc mediterrani, on el model productiu es basa en una agricultura intensiva de parcel·les de dimensions petites i mitjanes (superfícies mitjanes no superiors a 0,5 ha), el sistema de distribució de l'aigua des de la xarxa fins a la parcel·la es du a terme normalment a través de hidrant denominades multiusuari. Aquests dispositius presenten unes característiques singulars que els fan difícils de caracteritzar i modelitzar. Tradicionalment, el disseny i la configuració han anant a càrrec dels enginyers projectistes utilitzant la pròpia experiència com a dissenyadors, i desconeixent, en molts casos, com afecta el disseny i la configuració a la resposta hidràulica d'aquests dispositius, i la influència que aquests tindran en les obres d'infraestructura connectades aigües avall. Aquesta tesi aborda l'estudi d'aquestes hidrants multiusuari. En primer lloc, analitzant-ne l'estat actual de funcionament, recopilant els problemes que hi ha en l'actualitat, ressaltant el bloqueig metrològic de comptadors, oxidacions, fuites, pèrdues de càrrega excessives, materials i equips no adequats, etc. Problemes que deterioren aquests equips i impossibiliten que duguen a terme les funcions per a les quals van ser instal·lats. En segon lloc, s'intenta organitzar els dispositius en funció de la configuració, i així es classifiquen, segons la posició del comptador d'aigua, en horitzontals i verticals. S'analitza la normativa que defineix les característiques de les hidrants (UNE-EN 14267), i es demostra que és insuficient per a aquesta classe d'elements. Per això, a través de l'experiència arreplegada en el LHIR (Laboratori d'Hidràulica i Regs) de la UPV, i de l'assaig hidràulic de 13 d'aquests dispositius, es proposen assajos de caracterització hidràulica que permeten avaluar-ne la configuració i el funcionament correctes, s'analitza el bloqueig metrològic de comptadors i es proposen solucions a aquest problema, que és el principal problema detectat. Una vegada analitzada la situació d'aquestes hidrants multiusuari de reg, i després de la recopilació dels problemes trobats en camp i en laboratori, es desenvolupa un protocol de disseny que culmina amb la redacció d'un plec de condicions tècniques per a aquest tipus de dispositius. L'aplicació d'aquest plec juntament amb la col·laboració de SEIASA (Societat Espanyola d'Infraestructures Agràries) desemboca en el desenvolupament d'una configuració de hidrant tipus denominat "Costella", en què se solucionen els principals problemes plantejats. Aquesta part finalitza amb la validació, a través d'assajos hidràulics en el laboratori (LHIR), de tres hidrants amb aquesta configuració. La quarta i última part proposa un mètode d'anàlisi, basat en l'aplicació EPANET 2.0, que permeta verificar i fer configuracions d'aquest de tipus hidrants validant-ne el funcionament abans d'instal·lar-los en la xarxa. Utilitzant tota la base experimental, s'ha construït un model mitjançant tècniques computacionals de fluids (CFD) dels col·lectors de les hidrants assajades. Paral·lelament, s'ha caracteritzat cada tipus d'hidrant mitjançant EPANET ajustant els coeficients de resistència dels diversos elements singulars que configuren cada hidrant. Aquests models CFD han permès validar els models en EPANET que simulen amb gran precisió la resposta real dels col·lectors y per tant aplicar-los a la