Robles Rovelo, Cruz Octavio
Zapata Ruiz, Valvanera (dir.) ; Burguete Tolosa, Javier (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2019
Resumen: La eficiencia en el uso del agua y de la energía es una necesidad en los sistemas de riego recientemente modernizados, de otra forma no son viables ni económica ni medioambientalmente. Una vía para mejorar la eficiencia energética de los regadíos es reducir la presión de trabajo de los emisores, sin que esto afecte a la calidad del riego y a la eficiencia en el uso del agua. En esta tesis se ha realizado un estudio experimental para analizar la viabilidad técnica y agronómica de la disminución de la presión de trabajo en aspersores de impacto usados comúnmente en sistemas de cobertura total. Se ha analizado una reducción de la presión de operación en la boquilla del aspersor de 300 kPa (presión estándar) a 200 kPa (baja presión) sin modificar el espaciamiento del diseño habitual de las coberturas totales. Esto se ha llevado a cabo en una parcela experimental de aproximadamente 2 hectáreas durante 3 campañas de cultivo. El estudio se apoya en resultados previos que mostraron que la reducción de la presión produce pérdidas de calidad del riego moderadas (Robles et al., 2017). Se han ensayado tres tratamientos de riego combinando diferentes tipos de aspersores y presiones de operación: 1) aspersor de impacto convencional a 300 kPa, 2) aspersor de impacto convencional a 200 kPa, y 3) aspersor de impacto de plástico con placa deflectora en la pala a 200 kPa (siguiendo las especificaciones de Kincaid et al., 1991). Los tres tratamientos de riego se han distribuido al azar en una parcela de doce sectores, por lo que cada tratamiento disponía de cuatro repeticiones. Durante las 3 temporadas se ha sembrado maíz por ser un cultivo sensible al estrés hídrico que puede mostrar pérdidas de rendimiento ante cualquier deficiencia en la calidad del riego. La calidad del riego se ha evaluado mediante mallas de pluviómetros (25 puntos) en una réplica de cada tratamiento. Se han realizado diversas mediciones agronómicas, como la altura de planta a máximo desarrollo, la radiación fotosintéticamente activa interceptada por el cultivo y algunos componentes de la producción: biomasa aérea, producción en grano e índice de cosecha. Los resultados de las dos primeras campañas de cultivos mostraron una reducción de los índices de calidad del riego estacional (≈10%) en los tratamientos de baja presión respecto a los de presión convencional. Sin embargo, la producción del cultivo no presentó diferencias significativas entre tratamientos.
En ingeniería del riego, tanto en el diseño como en el manejo de los sistemas de riego, se recomienda unos estándares mínimos de calidad del riego (uniformidad y eficiencia) que aseguran que la producción no se resiente (Stern and Bersler, 1983; Dechmi et al., 2003; Cavero et al., 2008; Sánchez et al., 2010; Urrego-Pereira et al., 2013). Una diferencia de un 10% en uniformidad estacional debería de haberse visto reflejada en la producción del cultivo. Para dar respuesta a esta incógnita, en la tercera campaña de cultivo se ha abordado el análisis de la calidad del riego comparando las medidas sobre el dosel vegetal con las medidas bajo el dosel vegetal (Zapata et al., 2018). Las medidas sobre el dosel vegetal se han realizado en 25 puntos con una malla de 25 pluviómetros y las medidas bajo la cubierta vegetal, en los mismos 25 puntos, con dispositivos especialmente diseñados para medir el agua que fluye a través del tallo (stemflow) y la que cae directa o indirectamente al suelo (throughfall). Estas medidas se han realizado durante ocho eventos de riego, cuando el cultivo del maíz estaba completamente desarrollado en altura. Como medidas complementarias se han medido con un disdrómetro óptico (Montero et al., 2003) los tamaños de gota que emitía cada tratamiento. La suma del stemflow y el throughfall representa el volumen de agua que llega al suelo en cada uno de los 25 puntos de medida de cada tratamiento. Bajo condiciones de viento bajo y con una cubierta vegetal completamente desarrollada (situación frecuente en el riego del maíz), la uniformidad del riego medida bajo la cubierta del cultivo ha sido mayor que la uniformidad medida sobre la cubierta del maíz en los tratamientos de baja presión, mientras que lo opuesto se ha observado en el tratamiento de presión estándar. Se concluye que la cubierta vegetal del maíz reduce las diferencias entre los tratamientos de presión en la distribución del agua de riego que llega al suelo, explicando por qué no hay diferencias de rendimiento entre ellos.
De estos trabajos se deduce que para evaluar la calidad del riego estacional en sistemas de riego por aspersión a baja presión en cultivos de porte alto (como el maíz), las determinaciones de la distribución de agua bajo el dosel vegetal o las determinaciones agronómicas como la producción en grano son más adecuadas que las tradicionales determinaciones de uniformidad sobre la cubierta del cultivo. La distribución de agua que realiza el dosel de los cultivos de porte alto mejora la uniformidad de distribución del agua que llega al suelo, especialmente en los tratamientos de baja presión. Tres años de experimentación permiten concluir que la baja presión en aspersión ahorra energía manteniendo los estándares de calidad, el uso del agua y la producción del cultivo.
Por otra parte, la combinación de los trabajos experimentales y los modelos de simulación suponen una herramienta importante para establecer recomendaciones en la fase de diseño y manejo de los sistemas de riego con la posibilidad de analizar factores económicos y de producción (Playan et al., 2006). La simulación del riego por aspersión se basa en el análisis de la dinámica de las gotas explicada por la teoría balística. En esta tesis, se ha desarrollado una herramienta de autocalibración para calibrar y validar los parámetros óptimos que simulan el riego por aspersión de dos tipos de aspersores: los de impacto y los utilizados en máquinas autopropulsadas (pívot o avance frontal). Se ha desarrollado una base de datos de ensayos experimentales (desarrollados en el grupo RAMA, 2018) incorporando nuevo material de riego para ambos tipos de aspersores que operan a baja presión. La base de datos correspondiente a los aspersores de impacto incluye ensayos experimentales con diversas marcas de aspersores de impacto tanto en cobertura total como de manera aislada reportados en diversos trabajos (Playán et al. 2006; Sánchez et al. 2010; Stambouli et al. 2014; Paniagua, 2015; Robles et al. 2017) y bajo diversas combinaciones de: tamaños de boquillas (principales de 4.0 mm, 4.4 mm, 4.5 mm, 4.8 mm y 5.2 mm y secundarias de 2.4 mm y 2.5 mm), presiones de operación (desde 200 kPa a 400 kPa), espaciamientos (marcos rectangulares, cuadrados) y condiciones meteorológicas (tres niveles de viento, bajo medio y alto). La herramienta de autocalibración combina la base de datos experimental con el modelo balístico y un módulo de calibración. Esta herramienta permite además incorporar nuevo material de riego.
Se ha utilizado un modelo balístico (Playán et al. 2006) para reproducir la trayectoria de las gotas desarrollando e incorporando las siguientes modificaciones:
• simulación del movimiento de las gotas considerando meteorología variable durante el tiempo de los experimentos,
• diferentes métodos y pasos de tiempo para la resolución numérica,
• una ecuación de pérdidas por evaporación y arrastre que represente todos los ensayos,
• consideración de la pendiente del terreno,
• diferentes muestreos de gotas generadas (usando métodos regulares y aleatorios),
• variación del tamaño de celdas del terreno donde caen las gotas simuladas y
• consideración de dos distribuciones diferentes de tamaños de gotas (Weibull y ULLN).
En cuanto al análisis de la baja presión en máquinas de riego, se ha conformado una base de datos de diversos experimentos realizados en campo caracterizando el patrón de aplicación de agua de un aspersor de rotación de tipo spray con movimiento de precesión-nutación que opera a muy baja presión (<137 kPa). Los ensayos se han realizado de forma aislada para seis tamaños de boquilla, con dos presiones de trabajo (69 kPa y 103 kPa) y tres niveles de viento. Se ha utilizado la herramienta de autocalibración considerando algunas de las mejoras incorporadas al modelo balístico descrito anteriormente. Como parámetros de entrada al modelo, se han obtenido y evaluado: 1) la velocidad inicial de las gotas mediante su caracterización con una técnica óptica y simulación inversa, 2) los coeficientes optimizados de las dos distribuciones Weibull (Li et al., 1994; Kincaid et al.; 1996) y ULLN (Mugele and Evans, 1951; Solomon et al., 1985) de tamaño de gotas, 3) tres coeficientes de arrastre diferentes y su comparación en los procesos de calibración y validación.
Los tres modelos de arrastre fueron: 1) el modelo clásico que supone gotas rígidas esféricas cuya resistencia es función del número de Reynolds (Fukui et al. 1980), 2) el modelo comúnmente utilizado que modifica la resistencia de la gota esférica según el ángulo entre la velocidad de la gota y el viento (Tarjuelo et al., 1994) y 3) un nuevo modelo basado en el modelo dos pero cuyos parámetros empíricos no dependen de la velocidad del viento y su cálculo permite la variación de las condiciones meteorológicas durante el tiempo de riego.
De los esfuerzos de simulación en cobertura total se concluye que existen diferencias significativas en el coeficiente de uniformidad medido y simulado cuando se considera un valor constante de la velocidad del viento (9%) con respecto a considerar la velocidad de viento con una frecuencia de tiempo menor o igual a 30 minutos (6%). Además, el efecto de la pendiente del terreno en el coeficiente de uniformidad medido y simulado sólo es relevante (diferencias del 11%) cuando la velocidad de viento es mayor a 4 m s-1.
De los trabajos realizados en aspersores de máquinas de riego se deduce que: la baja presión de este aspersor no modifica el perfil triangular en su distribución de agua por lo que teóricamente podría reproducir coeficientes de uniformidad adecuados al solapar el riego en un pívot. Además, con el uso de la técnica óptica se han caracterizado de manera rápida y automática 16700 gotas que, aunado a la simulación inversa, permitieron obtener las pérdidas de carga originadas por el choque del chorro con el plato deflector (≈60%). El modelo de arrastre propuesto no presenta diferencias significativas en el riego simulado respecto al modelo clásico; sin embargo, ambos mejoran en la fase de validación respecto al modelo dependiente de la velocidad de la gota y del viento.
En ambos tipos de aspersores (de cobertura total y de máquinas de riego) no se han observado diferencias significativas entre considerar una u otra distribución estadística de los tamaños de gotas, por tanto se recomienda usar la más sencilla.
Resumen (otro idioma):
En ingeniería del riego, tanto en el diseño como en el manejo de los sistemas de riego, se recomienda unos estándares mínimos de calidad del riego (uniformidad y eficiencia) que aseguran que la producción no se resiente (Stern and Bersler, 1983; Dechmi et al., 2003; Cavero et al., 2008; Sánchez et al., 2010; Urrego-Pereira et al., 2013). Una diferencia de un 10% en uniformidad estacional debería de haberse visto reflejada en la producción del cultivo. Para dar respuesta a esta incógnita, en la tercera campaña de cultivo se ha abordado el análisis de la calidad del riego comparando las medidas sobre el dosel vegetal con las medidas bajo el dosel vegetal (Zapata et al., 2018). Las medidas sobre el dosel vegetal se han realizado en 25 puntos con una malla de 25 pluviómetros y las medidas bajo la cubierta vegetal, en los mismos 25 puntos, con dispositivos especialmente diseñados para medir el agua que fluye a través del tallo (stemflow) y la que cae directa o indirectamente al suelo (throughfall). Estas medidas se han realizado durante ocho eventos de riego, cuando el cultivo del maíz estaba completamente desarrollado en altura. Como medidas complementarias se han medido con un disdrómetro óptico (Montero et al., 2003) los tamaños de gota que emitía cada tratamiento. La suma del stemflow y el throughfall representa el volumen de agua que llega al suelo en cada uno de los 25 puntos de medida de cada tratamiento. Bajo condiciones de viento bajo y con una cubierta vegetal completamente desarrollada (situación frecuente en el riego del maíz), la uniformidad del riego medida bajo la cubierta del cultivo ha sido mayor que la uniformidad medida sobre la cubierta del maíz en los tratamientos de baja presión, mientras que lo opuesto se ha observado en el tratamiento de presión estándar. Se concluye que la cubierta vegetal del maíz reduce las diferencias entre los tratamientos de presión en la distribución del agua de riego que llega al suelo, explicando por qué no hay diferencias de rendimiento entre ellos.
De estos trabajos se deduce que para evaluar la calidad del riego estacional en sistemas de riego por aspersión a baja presión en cultivos de porte alto (como el maíz), las determinaciones de la distribución de agua bajo el dosel vegetal o las determinaciones agronómicas como la producción en grano son más adecuadas que las tradicionales determinaciones de uniformidad sobre la cubierta del cultivo. La distribución de agua que realiza el dosel de los cultivos de porte alto mejora la uniformidad de distribución del agua que llega al suelo, especialmente en los tratamientos de baja presión. Tres años de experimentación permiten concluir que la baja presión en aspersión ahorra energía manteniendo los estándares de calidad, el uso del agua y la producción del cultivo.
Por otra parte, la combinación de los trabajos experimentales y los modelos de simulación suponen una herramienta importante para establecer recomendaciones en la fase de diseño y manejo de los sistemas de riego con la posibilidad de analizar factores económicos y de producción (Playan et al., 2006). La simulación del riego por aspersión se basa en el análisis de la dinámica de las gotas explicada por la teoría balística. En esta tesis, se ha desarrollado una herramienta de autocalibración para calibrar y validar los parámetros óptimos que simulan el riego por aspersión de dos tipos de aspersores: los de impacto y los utilizados en máquinas autopropulsadas (pívot o avance frontal). Se ha desarrollado una base de datos de ensayos experimentales (desarrollados en el grupo RAMA, 2018) incorporando nuevo material de riego para ambos tipos de aspersores que operan a baja presión. La base de datos correspondiente a los aspersores de impacto incluye ensayos experimentales con diversas marcas de aspersores de impacto tanto en cobertura total como de manera aislada reportados en diversos trabajos (Playán et al. 2006; Sánchez et al. 2010; Stambouli et al. 2014; Paniagua, 2015; Robles et al. 2017) y bajo diversas combinaciones de: tamaños de boquillas (principales de 4.0 mm, 4.4 mm, 4.5 mm, 4.8 mm y 5.2 mm y secundarias de 2.4 mm y 2.5 mm), presiones de operación (desde 200 kPa a 400 kPa), espaciamientos (marcos rectangulares, cuadrados) y condiciones meteorológicas (tres niveles de viento, bajo medio y alto). La herramienta de autocalibración combina la base de datos experimental con el modelo balístico y un módulo de calibración. Esta herramienta permite además incorporar nuevo material de riego.
Se ha utilizado un modelo balístico (Playán et al. 2006) para reproducir la trayectoria de las gotas desarrollando e incorporando las siguientes modificaciones:
• simulación del movimiento de las gotas considerando meteorología variable durante el tiempo de los experimentos,
• diferentes métodos y pasos de tiempo para la resolución numérica,
• una ecuación de pérdidas por evaporación y arrastre que represente todos los ensayos,
• consideración de la pendiente del terreno,
• diferentes muestreos de gotas generadas (usando métodos regulares y aleatorios),
• variación del tamaño de celdas del terreno donde caen las gotas simuladas y
• consideración de dos distribuciones diferentes de tamaños de gotas (Weibull y ULLN).
En cuanto al análisis de la baja presión en máquinas de riego, se ha conformado una base de datos de diversos experimentos realizados en campo caracterizando el patrón de aplicación de agua de un aspersor de rotación de tipo spray con movimiento de precesión-nutación que opera a muy baja presión (<137 kPa). Los ensayos se han realizado de forma aislada para seis tamaños de boquilla, con dos presiones de trabajo (69 kPa y 103 kPa) y tres niveles de viento. Se ha utilizado la herramienta de autocalibración considerando algunas de las mejoras incorporadas al modelo balístico descrito anteriormente. Como parámetros de entrada al modelo, se han obtenido y evaluado: 1) la velocidad inicial de las gotas mediante su caracterización con una técnica óptica y simulación inversa, 2) los coeficientes optimizados de las dos distribuciones Weibull (Li et al., 1994; Kincaid et al.; 1996) y ULLN (Mugele and Evans, 1951; Solomon et al., 1985) de tamaño de gotas, 3) tres coeficientes de arrastre diferentes y su comparación en los procesos de calibración y validación.
Los tres modelos de arrastre fueron: 1) el modelo clásico que supone gotas rígidas esféricas cuya resistencia es función del número de Reynolds (Fukui et al. 1980), 2) el modelo comúnmente utilizado que modifica la resistencia de la gota esférica según el ángulo entre la velocidad de la gota y el viento (Tarjuelo et al., 1994) y 3) un nuevo modelo basado en el modelo dos pero cuyos parámetros empíricos no dependen de la velocidad del viento y su cálculo permite la variación de las condiciones meteorológicas durante el tiempo de riego.
De los esfuerzos de simulación en cobertura total se concluye que existen diferencias significativas en el coeficiente de uniformidad medido y simulado cuando se considera un valor constante de la velocidad del viento (9%) con respecto a considerar la velocidad de viento con una frecuencia de tiempo menor o igual a 30 minutos (6%). Además, el efecto de la pendiente del terreno en el coeficiente de uniformidad medido y simulado sólo es relevante (diferencias del 11%) cuando la velocidad de viento es mayor a 4 m s-1.
De los trabajos realizados en aspersores de máquinas de riego se deduce que: la baja presión de este aspersor no modifica el perfil triangular en su distribución de agua por lo que teóricamente podría reproducir coeficientes de uniformidad adecuados al solapar el riego en un pívot. Además, con el uso de la técnica óptica se han caracterizado de manera rápida y automática 16700 gotas que, aunado a la simulación inversa, permitieron obtener las pérdidas de carga originadas por el choque del chorro con el plato deflector (≈60%). El modelo de arrastre propuesto no presenta diferencias significativas en el riego simulado respecto al modelo clásico; sin embargo, ambos mejoran en la fase de validación respecto al modelo dependiente de la velocidad de la gota y del viento.
En ambos tipos de aspersores (de cobertura total y de máquinas de riego) no se han observado diferencias significativas entre considerar una u otra distribución estadística de los tamaños de gotas, por tanto se recomienda usar la más sencilla.
Resumen (otro idioma):
Pal. clave: riego
Titulación: Programa de Doctorado en Ciencias Agrarias y del Medio Natural
Plan(es): Plan 508
Departamento: Ciencias Agrarias y del Medio Natural
Nota: Presentado: 08 04 2019
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Ciencias Agrarias y del Medio Natural, 2019
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Registro creado el 2020-06-30, última modificación el 2021-05-20
