ARTICULO ORIGINAL

Diseño del sistema de riego por aspersión con bombeo eólico en el cultivo de ajo (Allium sativum L.)

MSc. Néstor Méndez-Jurjo^{I  *} 

Dr.C. Oscar Brown-Manrique^I 

Téc. Jorge Rodríguez-Cabrera^II 

MSc. Pablo Antonio Junco-Davis^I 

MSc. Gustavo Humberto Arencibia-Zuñíga^I 

^IUniversidad de Ciego de Ávila (UNICA), Ciego de Ávila, Cuba.

^IIEmpresa Agropecuaria Arnaldo Ramírez, Primeo de Enero, Ciego de Ávila, Cuba.

RESUMEN

La investigación se desarrolló en la finca "La Cuchilla", localizada en la comunidad de Sabicú en el municipio Primero de Enero, provincia Ciego de Ávila con el objetivo de determinar los parámetros de diseño del sistema de riego por aspersión con bombeo eólico en el cultivo del ajo. Los resultados demostraron que en sistema de riego por aspersión con bombeo eólico trabaja con caudal promedio de 0,25 L∙s^-1, presión del aspersor de 6,00 m, pluviometría media de 6,25 mm∙h^-1 y tiempo de riego de 2,68 h para aportar la cantidad de agua demandada por el cultivo. Los parámetros agronómicos del sistema son: lámina neta de 11,75 mm, lámina bruta de 16,78 mm, intervalo de riego medio de nueve días y necesidades brutas totales para el cultivo del ajo de 3606,02 m³∙ha^-1. El hidromódulo promedio es de 3,04 L∙s^-1∙ha^-1 y el caudal de la tubería conductora de 1,02 m³∙h^-1, lo que permite seleccionar un diámetro de 50 mm. El volumen de riego requerido es de 3,42 m³ (3420 L) que se garantiza con la colocación de un tanque de almacenamiento de agua de 5000 L a una altura de 6,00 m en correspondencia con el desnivel topográfico y la carga de diseño de 6,08 m, que es la requerida para el buen funcionamiento del sistema.

Palabras clave: energía renovable; irrigación; flujo en tubería; carga de diseño

INTRODUCCIÓN

Uno de los aspectos más importantes en el desarrollo del ser humano es el aprovechamiento de diversas formas de transformación de la energía en electricidad a partir de la utilización de los recursos naturales. Esto constituye una de las soluciones energéticas para las poblaciones rurales de acuerdo a las necesidades que se requieren cubrir por medio de proyectos sostenibles según ^{Ojeda et al. (2017)} y la preservación del medio ambiente (^{Andrade et al., 2011}). En este sentido son varias las investigaciones que se han realizado en relación con el uso de la energía eólica en comunidades rurales ^{Munday et al. (2011)}; ^{Andreu et al. (2013)}; ^{Huesca et al. (2016)}, las cuales han demostrado que es posible el aprovechamiento eficientemente del potencial energético eólico para la producción agrícola mediante los sistemas de riego accionado con energía eólica. En Cuba se dan pasos importantes para poner el bombeo eólico en función del riego de los cultivos, lo que permitirá el ahorro de recursos energéticos convencionales; por tanto, el objetivo de esta investigación consiste en determinar los parámetros de diseño del sistema de riego por aspersión con bombeo eólico en el cultivo del ajo en el municipio Primero de Enero de la provincia Ciego de Ávila.

MATERIALES Y METODOS

La investigación se realizó durante los años 2016, 2017 y 2018 en la finca "La Cuchilla", localizada en la comunidad de Sabicú en el municipio Primero de Enero de la provincia Ciego de Ávila, entre las coordenadas 21°52´ de Latitud Norte y 78°18´ de Longitud Oeste, con una superficie de 7,5 hectáreas donde se desarrollan diferentes cultivos como tomate, ajo, frijoles, maíz, yuca, plátano, limón, mango, coco y otros.

El suelo de la parcela experimental es del tipo Ferralítico Rojo Típico el cual correlaciona con el orden Ferralsoles según la International Union of Soil Sciences ^{IUSS (2007)}. Este suelo tiene una profundidad de 0,35 cm y sus propiedades hidrofísicas se exponen en la Tabla 1, en la que se muestran los valores de profundidad (P _r ), humedad natural (H _n ), densidad del suelo (ρ), densidad de la fase solida (ρ _s ), capacidad de campo (Cc), porosidad total (P _T ), porosidad de aireación (P _a ) y microporosidad (M _p ). La prueba de infiltración se determinó mediante el método del infiltrómetro estandarizado de doble cilindro con la ecuación de Kostiákov según ^{Castaño et al. (2008)} con el que se encontró valores de velocidad instantánea de 27,67 mm∙min^-1, velocidad inicial de 134,01 mm∙min^-1, velocidad media de 59,78 mm∙min^-1, velocidad básica de 33,67 mm∙min^-1 y velocidad acumulada de 358,69 mm∙8 h^-1.

TABLA 1 Propiedades hidrofísicas del suelo ^{IUSS (2007)}  

P r (cm)	H n (%)	ρ (g∙cm ^-3 )	ρ s (g∙cm^-3)	Cc (%)	P T (%)	P a (%)	M p (%)
0 - 20	24,36	1,23	2,63	31,76	58	26,24	35,26
20 - 40	24,57	1,36	2,7	30,81	53	22,19	39,13
40 - 60	26,07	1,44	2,79	32,68	59	26,32	37,26

El área experimental consistió en una parcela de 931,00 m² (95,00 m x 9,80 m) con 28 surcos sembrados a una distancia de 0,10 m entre plantas y 0,35 m entre surcos para una densidad de 285 714 plantas por hectárea. El cultivo utilizado fue el ajo de la variedad Gibara, el cual se siembra de forma tradicional por campesinos de la zona. Se empleó del riego por aspersión por ser la técnica con el que obtienen rendimientos aceptables y su utilización se justifica exclusivamente por las experiencias empíricas de los productores locales. Este proceder coincide con lo investigado por ^{Mendoza et al. (1989)}; ^{Hanson et al.,2003}; ^{Prato (2016)}, a partir de la utilización del riego por aspersión en este cultivo.

El sistema de riego diseñado es del tipo aspersión accionado con energía eólica a través de un molino multipala de la marca SAMSON 1888 PAT. D con altura de la torre de 10 m; diámetro del rotor de 2,52 m; número de palas 15; diámetro del cilindro de la bomba 80 mm; longitud de la carrera 60 mm y velocidad de arranque 2,5 m∙s^-1 (^{Méndez et al., 2019}).

El sistema de riego consta de las siguientes partes (Figura 1): aerobomba; tanque elevado con la altura determinada (H _tan ); carga de diseño del sistema (H _D ); tubería conductora con diámetro (D _c ) de 50 mm y longitud (L _c ) de 67,00 m; longitud desde la bomba volumétrica al inicio de la parcela (L _B-P ) de 67,00 m; pendiente del terreno (S _o ); diferencia de cotas entre la base de la bomba y la parcela (Δ _Z ) de 0,50 m medida topográficamente mediante una estación total de la marca GGHH-90; longitud de la tubería lateral (L _L ) de 95 m y seis aspersores (N _a ).

FIGURA 1 Esquema del sistema de riego por aspersión con bombeo eólico. 

El aspersor utilizado en la investigación es del modelo NaanDanJain 5022 a impacto de bajo caudal, boquilla de salida a bayoneta de 2,5 mm de diámetro y aleta integral de direccionamiento del chorro. El espaciamiento entre laterales y aspersores fue de 12 m con una altura del emisor de 0,60 m sobre el suelo. Se utilizó una tubería lateral fija y seis emisores funcionando simultáneamente (Figura 2) en la que se tomaron datos de caudal y presión de salida en cada uno de los puntos en donde están ubicados los aspersores.

El caudal del aspersor (q _a ) se determinó mediante el método de aforo volumétrico (^{Playán et al., 2005}). La medición se realizó en la boquilla del aspersor y se determinó la lámina de agua que se aporta al suelo en la unidad de tiempo para satisfacer la demanda hídrica del cultivo. Se utilizó como instrumentos una probeta graduada a escala de un mililitro y un cronómetro digital con precisión hasta los segundos. El efecto que provoca la intensidad de aplicación del aspersor se evalúo mediante la comparación de la pluviometría del aspersor (I _a ) y la capacidad de infiltración del suelo (v _i ); debiéndose logra que I _a < v _i para que no ocurra escorrentía superficial.

FIGURA 2 Lateral de riego con los aspersores funcionando simultáneamente. 

La presión de trabajo se midió con un manómetro metálico de Bourdon de la marca DeWit con presión total de 11 bar (1100 kPa) y precisión de 0,20 bar (20 kPa) como se muestra en la Figura 3. La diferencia de presión entre dos aspersores de un ramal, no debe ser mayor al 20% de la presión de trabajo del aspersor elegido. Se realizaron cinco repeticiones de ambos parámetros para trabajar con el valor promedio.

FIGURA 3 Procedimiento para la medición del caudal y la presión del aspersor. 

La programación del riego se planificó en función de la demanda hídrica del cultivo y las propiedades hidrofísicas del suelo; por lo que se calcularon diferentes parámetros como: lámina neta de riego, lámina bruta de riego, pluviometría del aspersor, intervalo de riego, número de riego y tiempo de riego.

El cálculo de la lámina bruta de riego se basó en la relación entre la lámina neta de riego requerida por el cultivo del ajo acorde con las características del suelo Ferralítico Rojo existente y la eficiencia estimada en el sistema de riego instalado en la parcela experimental. La ecuación empleada fue la siguiente:

$L_b=\frac{L_n}{{\eta }_s}$ (1)

$L_n=10.P_r.\rho \left(C_c-L_p\right)NAP$ (2)

donde: L_b es la lámina bruta de riego (mm); L_n la lámina neta de riego recomendada (mm); P _r la profundidad del sistema de raíces (m); ρ la densidad del suelo (g∙cm^-3); C_c la capacidad de campo en porcentaje en base al suelo seco (%bss);L_p el límite productivo del suelo, estimado al 0,80C_c (%bss); NAP el nivel de agotamiento permisible (0,55) según ^{Sandoval (2017)} y ^{Álvarez (2018)}; η_s la eficiencia de aplicación del riego (estimada en 0,70).

El cálculo del tiempo de riego se obtuvo de la relación entre la lámina bruta de riego y la pluviometría del aspersor; esta última se estimó a partir del caudal del aspersor y el área de suelo regada por un aspersor, lo que posibilitó conocer con mayor exactitud 1a cantidad de agua aportada al cultivo en la unidad de tiempo.

$T_r=\frac{L_b}{I_a}$ (3)

$I_a=3600\left(\frac{q_a}{A_a}\right)$ (4)

$A_a=E_a.E_L$ (5)

donde:I_a es la pluviometría del aspersor (mm∙h^-1); q_a el caudal del aspersor (L∙s^-1); A_a el área de suelo regada por un aspersor (m²).

El cálculo del caudal que debe conducir la tubería conductora del sistema de riego se realizó teniendo en cuenta la evapotranspiración del cultivo determinada según ^{Allen et al. (2006)}, la eficiencia de aplicación del riego y el hidromódulo bruto ^{Pacheco et al. (2007)}. Con este parámetro se determinó el diámetro económico de la tubería conductora mediante la ecuación de Bresse.

$Q_c=q_b.A_p$ (6)

$q_b=\frac{N_b}{\mathrm{86,4}.d}$ (7)

$N_b=\frac{10\left(E{T}_c-P_e\right)}{{\eta }_s}$ (8)

$D_c=\mathrm{1,1284}\sqrt{\frac{Q_c}{v}}$ (9)

donde: Q_c es el caudal de la tubería conductora (L∙s^-1); q_b el hidromódulo bruto (L s^-1 ha^-1); A_p el área que riega el sistema (ha); ET_c la evapotranspiración del cultivo (mm∙mes^-1);P_e la precipitación efectiva (mm∙mes^-1); d los días de riego (se asumió el 0,80∙I_r); η_s la eficiencia de aplicación del riego (adimensional); v la velocidad media del agua en la tubería (m∙s^-1).

El cálculo hidráulico del sistema de riego se basó en el uso de las ecuaciones que se relacionan a continuación:

$q_L=q_a\bullet N_a$ (10)

$V_r=q_L\bullet T_r$ (11)

$F_c=\mathrm{0,3636}+\frac{1}{N_s}+\frac{\mathrm{0,1443}}{N_s^2}$ (12)

$h{f}_T=\mathrm{1,10}\left(h{f}_c+h{f}_L\right)$ (13)

$H_D>P_a+h{f}_T$ (14)

$H_{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}}=H_D-{\Delta }_Z$ (15)

${\Delta }_Z=C_B-C_P$ (16)

donde: q_L es el caudal del lateral de riego (m³ s^-1); V_r el volumen del lateral de riego (m³); hf_cla perdida de carga por fricción en la tubería conductora (m); hf_L la perdida de carga por fricción en la tubería lateral (m); hf_T la perdida de carga total del sistema (m); v_c y v_L las velocidades del flujo en la conductora y el lateral respectivamente (m³ s^-1); F_c el Factor de corrección por salidas múltiples de Christiansen; N_s el número de salidas del aspersor en el lateral (adimensional); H_D la carga de diseño del sistema (m); P_a la presión del aspersor medida con el manómetro (m); H_tan la altura del tanque de almacenamiento de agua (m); Δ_Z el desnivel topográfico entre la bomba y la parcela de riego (m); C_B la la cota de emplazamiento de la bomba (msnm); C_P la cota al inicio de la parcela de riego (msnm).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la Tabla 2 se muestra que el caudal promedio obtenido de forma experimental es 0,25 L∙s^-1 y el área que riega cada aspersor es de 144 m²; por lo que la pluviometría media es de 6,25 mm∙h^-1, lo que proporciona un tiempo de riego de 2,68 horas para aportar la cantidad de agua demandada por el cultivo.

TABLA 2 Parámetros de las tuberías y el aspersor 

Parámetros	Valor
Caudal del aspersor, q a (L∙s^-1).	0,25
Área regada por el aspersor, A a (m^2).	144,00
Pluviometría del aspersor, I a (mm∙h^-1).	6,25
Tiempo de riego, T r (h).	2,68

En la Tabla 3 se presenta un resumen de los parámetros necesarios para la determinación la demanda hídrica del cultivo de ajo. Se observa que, a partir del régimen de precipitaciones de la localidad para los meses de diciembre a marzo, la precipitación total en ese periodo es de 169,46 mm; sin embargo, la que puede ser aprovechable por el cultivo es de 61,67 mm para un coeficiente de aprovechamiento de la lluvia de 0,36, lo que justifica la necesidad de riego. Por otra parte se expone en la propia tabla que en el ciclo vegetativo las necesidades netas son de 252,42 mm; mientras que la evapotranspiración del cultivo es de 314,09 mm, obteniéndose un balance hídrico negativo de 61,67 mm que se requiere reponer mediante la irrigación con la aplicación de una lámina neta de 11,75 mm y una lámina bruta de 16,78 mm en un intervalo de riego que varía en cada mes desde 4 días a 20 días con un valor medio de nueve días.

Las necesidades brutas totales del cultivo del ajo son de 3606,02 m³∙ha^-1, que referidas a 0,093 ha que es el área que riega el sistema de riego, permite aportar un volumen de agua de 335,72 m³ en todo el ciclo vegetativo del cultivo. El hidromódulo obtenido oscila entre 0,19 L∙s^-1 ha^-1 y 4,79 L∙s^-1 ha^-1 con un valor medio de 3,04 L∙s^-1 ha^-1; por lo que el caudal que circula por la tubería conductora es de 1,02 m³∙h^-1.

TABLA 3 Parámetros agronómicos para el cálculo del caudal de la conductora 

Parámetros	Dic.	Ene.	Feb.	Mar.	Total	Media
Días del mes, d m (días).	31	31	28	31	90
Precipitación, P (mm∙mes^-1).	43,5	30,1	42,2	53,7	169,46	42,36
Precipitación efectiva, P e (mm∙mes^-1).	16,1	8,0	15,3	22,2	61,67	15,42
Evapotranspiración referencial, ET o (mm∙mes^-1).	76,6	83,8	103,3	139,1	402,76	100,69
Coeficiente del cultivo, K c (adim).	0,45	0,62	1,10	0,82	2,99	0,75
Evapotranspiración del cultivo, ET c (mm∙mes^-1).	34,5	51,9	113,6	114,1	314,09	78,52
Lámina neta de riego, L n (mm).	6,71	11,75	11,75	11,75	41,95	10,49
Lámina bruta de riego, L b (mm).	9,59	16,78	16,78	16,78	59,93	14,98
Necesidades netas, N n (mm∙mes^-1).	18,4	43,9	98,3	91,9	252,42	63,11
Necesidades brutas, N b (m^3∙ha^-1).	262,6	627,0	1404,1	1312,3	3606,02	901,50
Intervalo de riego, I r (días).	20	8	3	4	35,41	9
Días de riego, d (días).	16	7	3	3	28,33	7
Hidromódulo bruto, q b (L∙s^-1∙ha^-1).	0,19	1,09	6,07	4,79	12,15	3,04
Caudal de la conductora, Q c (m^3∙h^-1).	0,06	0,37	2,03	1,61	4,07	1,02

En la Tabla 4 se exponen los parámetros fundamentales de las tuberías y el aspersor. Se observa que el diámetro seleccionado para la conductora y el lateral de 50 mm, debido a que con el caudal de 1,02 m³∙h^-1 se obtuvo un diámetro económico de 41,6 mm y se adoptó el diámetro comercial de 50 mm, porque permite reducir las pérdidas de energía por fricción y localizadas para favorecer el trabajo de los aspersores. El sistema de riego presenta un desnivel Δ _Z entre la base de la bomba y la parcela de 0,50 m y una presión del aspersor en el punto más crítico de 6,00 m.

TABLA 4 Parámetros de las tuberías y el aspersor 

Parámetros	Valor
Diámetro de la tubería conductora, D c (m).	0,050
Diámetro de la tubería lateral, D L (m).	0,050
Diferencia de cotas entre la base de la bomba y la parcela, Δ Z (m).	0,50
Presión del aspersor, P a (m).	6,00

En la Tabla 5 se muestra que con un lateral de 50 mm, el caudal que circula por la tubería es de 1,50 m³∙h^-1, por lo que el volumen de riego es de 3,42 m³ (3420 L). El sistema garantiza este volumen a través de un tanque de almacenamiento de agua con capacidad de 5000 L y dimensiones de 1,25 m de diámetro y 4,10 m de largo. Las pérdidas totales fueron relativamente bajas de 0,13 m, dando una carga de diseño de 6,08 m y una altura de colocación del tanque de 5,58 m (6,00 m).

TABLA 5 Pérdidas hidráulicas, carga de diseño y altura del tanque 

Parámetros	Valor
Caudal del lateral, q L (m^3/h).	1,50
Volumen de riego, V r (m^3).	3,42
Pérdidas por fricción en la conductora, hf c (m).	0,10
Factor de corrección por salidas múltiples de Christiansen , Fc.	0,45
Pérdidas por fricción en el lateral y la conductora, hf (m).	0,08
Pérdidas por fricción total, hf T (m).	0,13
Carga de diseño, H D (m).	6,08
Altura del tanque, H tan (m).	5,58

CONLUSIONES

• En sistema de riego por aspersión eólico trabaja con caudal promedio de 0,25 L∙s^-1, presión del aspersor de 6,00 m, pluviometría media es de 6,25 mm∙h^-1 y tiempo de riego de 2,68 horas para aportar la cantidad de agua demandada por el cultivo.

• Los parámetros agronómicos del sistema son: lámina neta de 11,75 mm, lámina bruta de 16,78 mm, intervalo de riego medio de nueve días y necesidades brutas totales para el cultivo del ajo de 3606,02 m³∙ha^-1.

• El hidromódulo promedio es de 3,04 L∙s^-1∙ha^-1 y el caudal de la tubería conductora de 1,02 m³∙h^-1, lo que permite seleccionar un diámetro de 50 mm.

• El volumen de riego requerido es de 3,42 m³ (3420 L) que se garantiza con la colocación de un tanque de almacenamiento de agua de 5000 L a una altura de 5,58 m (6,00 m) en correspondencia con el desnivel topográfico entre la cota en la base de la bomba y cota al inicio de la parcela y la carga de diseño que es de 6,08 m, que es la requerida para el correcto funcionamiento del sistema.

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Recibido: 06 de Julio de 2020; Aprobado: 01 de Marzo de 2021

^*Autor para la correspondencia: Néstor Méndez-Jurjo, e-mail: [e-mail]