SOFTWARE

Software para el diseño hidráulico de los sistemas de riego de pivote central

Maiquel López-Silva^{I  *} 

Dayma Carmenates-Hernández^I 

Albi Mujica-Cervantes^I 

Pedro Paneque-Rondon^II 

^IUniversidad de Ciego de Ávila (UNICA), Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Estudios Hidrotécnicos, Ciego de Ávila, Cuba.

^IIUniversidad Agraria de La Habana (UNAH), Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

RESUMEN

Se elaboró un software CurvePivot 2.0 para el diseño hidráulico de los sistemas de riego de pivote central para las condiciones específicas de operación. El lenguaje de programación que se utilizó fue C# con una interfaz sencilla para el usuario. El programa se fundamentó en un modelo matemático que considera variables hidrogeológicas, hidráulicas, edáficas, agronómicas y económicas, a través del cual, se obtiene de forma rápida y eficaz el caudal de diseño con el menor costo de inversión y operación del sistema de riego. Además se determina la eficiencia y abatimiento del pozo, radio de influencia del pozo, los parámetros de la bomba centrífuga, el punto de funcionamiento del sistema, la pluviosidad en el extremo del lateral, los diámetros y longitudes de las tuberías, presión de trabajo, número de torre y la velocidad de la última torre. Esta herramienta ha sido utilizada en varias empresas agrícolas de la provincia de Ciego de Ávila, Cuba.

Palabras clave: programación; agua; energía

INTRODUCCIÓN

Los software en las últimas décadas se han convertido en una herramienta eficaz en el diseño y manejo de los sistemas de riego, con el objetivo de maximizar la producción agrícola con un uso eficiente de los recursos naturales, como alternativa de bajo costo, rápida y fácil de utilizar (^{Ferreira y Assuncao, 2015}; ^{Kisekka et al., 2016}; ^{Pinheiro y Alves, 2017}).

En el Ministerio de la Agricultura de la república de Cuba los sistemas de riego a presión constituyen los de mayor consumo de energía eléctrica entre el 18% al 20% (^{López et al., 2017a}) y en países desarrollados supera el 20% (^{Kopp et al., 2016}), lo que surge la necesidad de analizar el diseño, explotación y evaluación de estos sistemas. En Cuba en la década de los noventas se realizó el software “PIVOT” para el diseño de los sistemas de riego de pivote central por accionamiento hidráulico y eléctrico, pero este no contempla el parámetro hidrogeológico, el hidráulico en toda su extensión y los económicos (^{López et al., 2017b}).

Han sido varios los autores que han desarrollado metodologías y software para el diseño y evaluación de los sistemas de riego de pivote central (^{Allen, 1991}; ^{Moreno et al., 2012}; ^{Valín et al., 2012}; ^{Montero et al., 2013}; ^{Pérez et al., 2015}; ^{Almeida et al., 2017}; ^{Camejo et al., 2017}), pero tienen como limitantes el análisis de la topografía del terreno, la hidráulica de pozo, las curvas de las bombas centrífugas, los tipos de emisores en el lateral y aspectos económicos. Por tal motivo, es inevitable la importancia de elaborar software sustentado en metodologías óptimas que integren todas las variables para el diseño de los sistemas de riego de pivote central, y así contribuir al aumento de la eficiencia y productividad del riego.

En este sentido, el objetivo de este trabajo es desarrollar un software para el diseño hidráulico de los sistemas de riego de pivote central en condiciones específicas de operación que contemple las variables hidrogeológicas, hidráulicas, edáficas, agronómicas y económicas para la obtención del caudal de diseño.

MÉTODOS

Se implementó el software CurvePivot 2.0 a partir del modelo matemático propuesto por (^{López et al., 2017b}), atribuyéndoles nuevas condiciones de trabajo, tanto para acuíferos libres y confinados considerando un flujo lineal en régimen permanente en el pozo; así como variables agronómicas, operacionales y económicas que determinan el diseño del pivote central como se muestra en el diagrama de flujo 1.

FIGURA 1 Diagrama de flujo del modelo matemático.  

La ecuación general del modelo matemático que integra la combinación de la curva del acuífero, el pozo, la bomba centrífuga y la curva del sistema de riego se expone mediante la siguiente expresión:

(1)

Donde:

Q	- caudal de la bomba (m^3 s^-1)
D, E, F	- coeficientes de ajuste de la curva
h g	- altura de succión del nivel estático del agua en el pozo (m)
T	- transmisividad (m^2 s^-1)
W(u)	- función “u” del pozo
CQ ^2	- abatimiento en el pozo (m)
P o	- presión del último emisor en el lateral (m)
C L	- coeficiente de rugosidad de la tubería
D rs	- diámetro interno de la tubería del lateral (m)
s	- integración desde el inicio del lateral hasta la distancia rs (m)
L	- longitud del lateral de riego (m)
h p	- altura del pivote (m)
∆Z	- desnivel topográfico entre el punto del pivote y la extremidad del lateral (m)
L b	- longitud de la tubería de soporte del emisor (m)
D PEBD	- diámetro interno de la tubería de soporte del emisor (m)
L t	- longitud de la tubería de succión e impulsión respectivamente (m)
D t	- diámetro interno de la tubería de succión e impulsión respectivamente (m), considerados iguales los diámetros
ε	- rugosidad absoluta de la tubería (m)
v	- viscosidad cinemática (m^2 s^-1)
K loc	- coeficientes de pérdidas locales (adimensional).

Se determinó el diámetro económico para el caudal de diseño en la expresión (1), apartir del análisis de los costos fijos y de operación del sistema, empleando los diámetros comerciales existentes en el mercado para los sistemas de riego de pivote central, la expresión se muestra mediante las siguientes ecuaciones:

(2)

(3)

Donde:

C T	- costo total ($ ha^-1 año^-1)
C F	- costo fijo ($ año^-1)
C v	- costo variable ($ ha^-1 año^-1)
A	- área de riego (ha)
FRC	- factor de recuperación de la inversión (%)
r	- tasa de interés real
t	- vida útil de la inversión (años).

Los costos fijos en la fórmula (2), es la suma de los costos de la bomba, la tubería de impulsión, el pivote, el lateral; así como el tipo de emisor y regulador de presión. Mientras que el costo de la bomba está en función de su potencia y el costo del pivote en dependencia del diámetro, según estudios realizados por (^{Montero et al., 2013}), que se expresan mediante las ecuaciones:

(4)

(5)

(6)

Donde:

C b	- costo de la bomba ($)
C t	- costo de la tubería de impulsión ($)
C p	- costo del pivote ($)
C l	- costo del lateral ($), en función del número de las torres y el diámetro
C e	- costo del tipo emisor ($)
C r	- costo del regulador de presión ($)
P b	- potencia de la bomba (kW)
D	- diámetro del pivote (mm).

Los costos variables de la fórmula (2), dependen de la operación del sistema de riego, que se define como la suma del costo de la energía, el costo de mantenimiento y el costo del agua que se expresan mediante la ecuación:

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

Donde:

C ee	- costo de la energía eléctrica consumida ($ ha^-1 año^-1)
C ma	- costo de mantenimiento ($ ha^-1 año^-1)
C a	- costo del agua ($ ha^-1 año^-1)
C W	- costo del volumen de agua extraído (0.01 $ m^-3 según la ^Resolución No. 421/2012 (Ministerio de Finanzas y Precios (MFP), 2012; ^Pérez y Sabatier, 2015)
t D	- tiempo de trabajo diurno al mes (h)
t N	- tiempo de trabajo nocturno al mes (h)
A	- área de riego (ha)
T m	- tasa anual de mantenimiento (%)
PS	- precio de adquisición e instalación del equipamiento de riego ($)
K	- coeficiente de ajuste por variación del precio del combustible según la ^Resolución No. 28/2011(Ministerio de Finanzas y Precios (MFP), 2011; ^Pérez y Sabatier, 2015)
N r	- número de riegos (adimensional)
ƞ b	- eficiencia de la bomba (decimal)
H b	- altura manométrica de la bomba (m)
ϒ	- peso específico del agua (9,806 kN m^-³)

RESULTADO Y DISCUSIÓN

Se elaboró el software CurvePivot 2.0 que permite realizar el diseño hidráulico de los sistemas de riego de pivote central para las condiciones específicas de operación, que incluye variables hidrogeológicas, hidráulicas, edáficas, agronómicas y económicas.

El programa se diseñó con una interfaz sencilla que permite al usuario mayor concentración en el contenido del trabajo. Se utilizó como tecnología Windows Presentation Foundation contenida en el Framework en su versión 4.0 y como lenguaje de programación se utilizó C# en su versión 5.0 y como Interface Development Enviroment Visual Estudio 2015, compatible con la versión Windows XP en adelante.

El usuario accede de una forma lógica y ordenada que se indican a continuación a partir de la información almacenada e introducida como: insertar, seleccionar e importación de datos del Microsoft Excel, eliminar y actualizar datos, diámetros y materiales de las tuberías, tipos de torres, emisores y suelos, muestra de resultados, obtención de las ecuaciones y curvas del sistema; muestra del punto de operación del sistema y de la escorrentía e imprimir tablas o figuras. El software consta de tres interfaces vitales:

• La primera parte, al grupo de pestañas las cuales agrupan los campos de entrada (pozo, bomba, tubería y pivote central) junto con una tabla de resultado, siempre visible para el usuario.

• La segunda parte, se accede mediante el botón de escorrentía de la barra de navegación ingresando a los campos de entrada para el cálculo de la escorrentía y la tabla de resultado.

• La tercera parte, se accede del botón curva de la barra navegación para acceder a las curvas generadas por la bomba y sistema de riego.

En las siguientes figuras se muestra un ejemplo de las características y funcionamiento del Software CurvePivot 2.0 para el diseño del pivote central. En la Figura 2 se muestra la pantalla principal del sistema informático; mientras que, en la Figura 3 se observa la pantalla para introducir los datos de explotación del pozo y el acuífero, como la transmisividad, coeficiente de almacenamiento y los coeficientes de pérdidas del pozo según las características constructiva, así como los niveles freáticos del acuífero.

FIGURA 2 Pantalla principal del sistema informático 

FIGURA 3 Pantalla de datos del pozo. 

En la Figura 4 se muestra la pantalla de introducción de datos de la bomba centrífuga y variables agronómicas, se selecciona la curva de la bomba, el tiempo de funcionamiento de la bomba, número de impelentes, número de riego, la evapotranspiración máxima del cultivo, el coeficiente de ajuste por variación del precio del combustible como el factor K, entre otros. En la Figura 5 se muestra la pantalla de introducción de datos de la tubería impulsión

FIGURA 4 Pantalla de datos de la bomba centrífuga 

FIGURA 5 Pantalla de datos de la tubería impulsión. 

La Figura 6 muestra la pantalla de introducción de los datos del pivote central, se seleccionan las características de la tubería del lateral y del emisor, así como la eficiencia del sistema. En la Figura 7 se muestra la pantalla de datos del tipo de suelo y cultivo a regar.

FIGURA 6 Pantalla de datos del pivote central. 

FIGURA 7 Pantalla de datos del tipo suelo y cultivo. 

En la Figura 8 se muestra la pantalla de resultados del sistema de riego, como abatimiento del pozo, los parámetros de funcionamiento de la bomba centrífuga, diámetros y longitudes de las tuberías, presión de trabajo, número de torre, velocidad de la última torre y costo total del sistema de riego. Esta pantalla permite la selección técnica y económica más adecuada para elevar la eficiencia de realización de los proyectos de riego con los pivotes centrales en condiciones reales de explotación. De este modo se logra una reducción de gastos de recursos materiales, humanos, energéticos y el tiempo para realizar los cálculos y análisis, garantizando un mayor control técnico y económico del diseño del sistema de riego con los mínimos recursos.

FIGURA 8 Pantalla de resultados del sistema de riego. 

FIGURA 9 Pantalla del punto de funcionamiento del sistema. 

En la Figura 9 se observa la obtención de las curvas del punto de funcionamiento del sistema (H_b v Q; η v Q y curva del sistema), que facilita la interpretación y la visualización de los resultados técnicos para el aumento de la vida útil de la bomba, a partir de la estabilización del punto de funcionamiento que repercute en menor costo de mantenimiento por los sellos mecánicos, rodamientos y menor probabilidad del desalineamiento del eje.

En la Figura 10 se exponen los resultados de la escorrentía en el extremo del lateral. Estos valores posibilitan la selección adecuada del tipo emisor para evitar la escorrentía en el extremo del lateral según el tipo emisor, que favorece al uso racional del agua y energía en el sistema de riego.

FIGURA 10 Pantalla de la escorrentía en el extremo del lateral para el emisor Rotator. 

CONCLUSIONES

Se elaboró el software CurvePivot 2.0 que constituye una innovación tecnológica de suma importancia que permite realizar el diseño hidráulico óptimo de los sistemas de riego de pivote central para las condiciones específicas de operación.

La implementación del software CurvePivot 2.0 permite la elaboración eficiente de los proyectos de riego con pivote central en menor tiempo, facilita la interpretación y la visualización de los resultados técnicos económicos que repercute en el aumento de la productividad del riego; así como la disminución de los impactos medioambientales.

REFERENCES

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Recibido: 02 de Junio de 2017; Aprobado: 11 de Septiembre de 2018

^*Autor para correspondencia: Maiquel López-Silva. e-mail: [e-mail]