Hydraulic behaviour of the superficial and sub superficial drip irrigation system

Manuel Reinaldo Rodríguez García y  Omar Puig Estrada

Másteres en Ciencias, Investigadores, Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola (IAgric), Apdo. postal 6090. La Habana, Cuba, Telefax:   6911038, E-mail: direccion.general@iagric.cu

RESUMEN

Para su evaluación el sistema de riego fue montado con un diseño experimental completamente aleatorizado, con cuatro tratamientos, uno con el sistema de riego por goteo superficial y tres con sistemas de riego por goteo sub superficiales con emisores soterrados a 15, 30 y 45 centímetros de profundidad. Se realizaron evaluaciones de laboratorio y de campo de los principales parámetros hidráulicos del sistema, al inicio de la primera campaña de riego y al final de la tercera, obteniéndose en el tratamiento superficial una apreciable disminución del caudal medio del emisor (q_med), un aumento de la desviación de dicho caudal con relación al caudal nominal (Dq_nom) y aumento del coeficiente de variación por obturación (CV_obt), que permite inferir un aumento del taponamiento de estos emisores debido a precipitados de carbonato de calcio, fosfatos e hidróxidos que se forman a la salida de los emisores al entrar en contacto directo con los agentes atmosféricos. En cuanto al comportamiento del Coeficiente de Uniformidad Estadístico (CU_Est) y el Coeficiente de Uniformidad del cuarto más bajo (CU₂₅), los valores obtenidos para este índice fueron siempre elevados, estando comprendidos entre 97 y 98%.

Palabras clave: evaluación de sistema de riego, coeficiente de uniformidad.

ABSTRACT

Key words:  evaluation irrigation system, Coefficient of Uniformity, emitter obstruction.

Entre los métodos existentes, los riegos localizados goteo y micro aspersión se consideran los de mayor eficiencia. Como una alternativa al riego por goteo tradicional, las tuberías pueden enterrarse a una determinada profundidad, lo que se conoce como riego por goteo sub superficial.La uniformidad necesaria en un sistema de riego localizado de alta frecuencia es superior a los límites establecidos en otros sistemas de riego, al estar el volumen radicular mas concentrado en los bulbos húmedos.

Diversos son los factores que inciden en el funcionamiento hidráulico de un sistema de riego localizado y dentro de los fundamentales podemos citar: variabilidad de funcionamiento tanto espacial (uniformidad de fabricación de sus emisores), como temporalmente (envejecimiento), exactitud en su diseño y montaje y factores químicos, físicos y biológicos que contribuyen al taponamiento de los emisores. En el caso concreto del riego por goteo sub superficial se adiciona la influencia de una presión positiva del suelo que puede producir la disminución del caudal del emisor y la obstrucción de los emisores por instrucción de raíces en el interior de sus laberintos, (Shani et al., 1996; Gil et al., 2007; Gil et al., 2008).

Reportes de Pizarro (1990), indican que la variación por manufactura y el taponamiento son los factores más importantes que afectan la uniformidad de la irrigación por goteo.  Al respecto Nakayama et al. (1981), encontró que un porcentaje pequeño de emisores obturados puede reducir la uniformidad de aplicación de agua y Bralts et al. (19812),  informaron que esa obstrucción reduce el flujo total en la línea lateral y hace más alta la descarga de los emisores no obstruidos. Por su parte, Sietan y Ali (2003), concluyen que la uniformidad y eficacia son muy afectados por el daño y taponado de los emisores.

Para la obtención de los parámetros que definen el comportamiento hidráulico de un sistema de riego localizado, se realizan evaluaciones de laboratorio y campo que en la actualidad además de determinar el coeficiente de uniformidad de riego, establecen otros parámetros que miden el grado de obturación de los goteros y ayudan a definir las causas que lo provocan, (Martín et al., 2002 y 2003).

MATERIALES Y MÉTODOS

Las evaluaciones fueron realizadas en la Estación Experimental del Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola, situada en el municipio Alquízar, Provincia Artemisa (Latitud 22°46’ N y Longitud 82° 37’ W) a seis metros sobre el nivel del mar.

El suelo del área de estudio está clasificado como Ferralítico Rojo compactado (Instituto de Suelos, 1999).

El agua utilizada para el riego es de origen subterráneo cálcica, característica de la zona sur de la provincia.  La misma según Duarte (2003), presenta  contenido relativamente alto de carbonato  que forma  sales incrustantes de calcio de elevado valor,  que por su inestabilidad provoca precipitaciones de éstas sales en los sistemas de riego.

Para ser evaluado, el sistema de riego fue montado con un Diseño Experimental Completamente Aleatorizado, con cuatro tratamientos, uno con el sistema de riego por goteo superficial y tres con sistemas de riego por goteo sub superficiales con emisores soterrados a 15, 30 y 45 centímetros de profundidad. Cada tratamiento contó con cuatro repeticiones, las parcelas experimentales estuvieron conformadas por tres doble hileras de plantas, de las cuales se utilizó la doble hilera central para la realización de las evaluaciones, las mismas tenían una longitud de 100 m. (Figura 1).

Evaluaciones realizadas

Primeramente se determinaron mediante evaluaciones hidráulicas, las relaciones caudal presión y el coeficiente de variación de fabricación de los goteros nuevos a ser usados en el sistema de riego.

La metodología de ensayo utilizada es la descrita en la norma UNE 68-075 (1986). En cada ensayo se sometía una muestra de 25 goteros, secuencialmente a las posiciones de 50, 100, 150, 200, 250, 300. 350 y 400 kPa. Para cada posición se midió volumétricamente el caudal individual de cada gotero. Como se trata de goteros autocompensantes, se trabajó con presiones ascendentes y descendentes en un mismo ensayo según lo indicado en la citada norma.

Con los datos obtenidos, mediante un análisis de regresión estadístico, se determinó la ecuación de gasto del gotero:

q es el gasto de gotero en lh^-1, h es la presión de trabajo en kPa, K el coeficiente de gasto y x el exponente hidráulico.

Para determinar la homogeneidad de funcionamiento de los goteros se calculó el Coeficiente de Variación de Fabricación (CV_f) y la desviación del caudal medio con respecto al caudal nominal (D_qmed). Ambas determinaciones se realizaron a la presión nominal de 100 kP_a.

El coeficiente de variación de fabricación se determinó mediante la siguiente ecuación:

Donde:

S es la desviación típica y q _med es el gasto medio de la muestra de goteros.

Y la desviación del caudal medio con respecto al caudal nominal se calculó utilizando la expresión:

donde:

q _n es el  caudal nominal que indica el fabricante de los goteros y q _med es el caudal medio obtenido en laboratorio.

Como segundo paso y una vez montados los laterales de goteo, según las restricciones impuestas por los tratamientos, se realizó la evaluación de campo del sistema de riego, esta evaluación se efectuó según la metodología de Merriam y Keller, (1978), pero con dos modificaciones. La primera, que los cuatro laterales a evaluar en cada tratamiento los constituyeron, los laterales de las hileras de cálculo de cada réplica y segundo que para la medición de los caudales en las cuatro zonas de dichos laterales, localizadas en cabeza, a 1/3, a 2/3 y al final de de los mismos, en los tratamientos soterrados, fue necesario excavar en el lugar donde se encuentran los emisores, para poder medir el volumen de agua que aplican los goteros en un tiempo dedo, es decir su caudal horario.

Con los 16 caudales medidos, determinaremos el coeficiente de uniformidad de riego del cuarto más bajo, la uniformidad de distribución global del agua en el sistema de riego mediante la uniformidad estadística y el grado de obturación de los emisores en cada tratamiento. Estas evaluaciones se llevaron a cabo, al comienzo de la campaña de riego del primer año experimental y al final de la campaña de riego del tercer año de estudio.

El coeficiente de uniformidad de riego del cuarto más bajo CU₂₅ se calculó siguiendo la metodología de Merriam y Keller (1978), mediante el uso de la siguiente expresión:

Donde:

q_med caudal medio de las 16 zonas medidas (l/h) y q₂₅, caudal medio de las 4 zonas con menor caudal en (L/h).

La uniformidad de distribución global del agua, se determinó mediante la uniformidad estadística (US), índice recomendado por Bralts et al. (1981):

US = 1- CV

CV es el coeficiente de variación global que se define como la relación entre la desviación típica y el gasto medio de la muestra de goteros.

Bralts et al. (1987), propusieron la expresión siguiente para el cálculo del coeficiente de variación global a partir del efecto combinado de los factores que condicionan la uniformidad.

 CV_obt es el coeficiente de variación del gasto debido a la obturación de los goteros, CV_f es el coeficiente de variación de fabricación del gotero, CV_h es el coeficiente de variación de presiones, e es el número de goteros por planta y X es el exponente hidráulico del emisor.

Cuando el gotero es autocompensante la ecuación anterior se simplifica:

Esta expresión permite determinar el coeficiente de variación debido a la obturación de los goteros (CV_obt) a partir del coeficiente de variación global, calculando con los datos de la evaluación en campo y del coeficiente de variación de fabricación del gotero, que se determina ensayando en laboratorio una muestra de goteros nuevos.

Para comprobar la posible disminución del caudal de los emisores soterrados debido a la influencia de una presión positiva producida por el suelo a la salida de los emisores, se midieron los volúmenes de agua aplicados por los distintos tratamientos (V_aplic) mediante la utilización de hidrómetros.

Como tercer paso se retiró un ramal porta goteros por cada una de las replicas en los distintos tratamientos al final de los tres años de experimentación, con la finalidad de analizar su funcionamiento hidráulico en laboratorio y se comparó con los resultados de la evaluación de la muestra de goteros nuevos. La metodología de ensayo utilizada es la descrita en la norma UNE 68-075 (1986).

Con los datos obtenidos, mediante un análisis de regresión estadístico, se determinó la ecuación de gasto del gotero después de tres años de funcionamiento para cada uno de los tratamientos, así  como el coeficiente de variación de funcionamiento (CV_f) y la desviación del caudal medio con respecto al caudal nominal (D)

Para cuantificar la obturación de los goteros, se utilizaron dos índices: el coeficiente de variación debido exclusivamente a la obturación de los goteros (CV_p) y el grado de obturación (GO) de los mismos. Ambos índices se determinan también para la presión nominal del emisor.

donde:

q _{med nuevo} es el caudal medio de los goteros nuevos y q _{med usado} es el caudal medio de los goteros usados. Para comprobar si existen diferencias estadísticamente significativas entre tratamientos se realizó un análisis de la varianza, utilizando como variables los distintos parámetros determinados.

En la Figura 2, se muestra la curva caudal vs presión de mejor ajuste para los datos experimentales de la muestra de goteros nuevos, de la misma se puede apreciar que la desviación del caudal medio con respecto al caudal nominal brindado por el fabricante es mínima 0.0002 L/h. El coeficiente de variación de fabricación para la presión de 100 kPa, con valor de 3,6%, lo sitúa en la categoría A de la norma ISO y con categoría excelente en (ASAE, 1989). Además el emisor presenta buen comportamiento de auto compensación en el rango de presión de 100 a 400 kPa, con solo una diferencia de caudal de 0.159 L/h.

En la Tabla 1 se muestran los parámetros de funcionamiento del sistema de riego, en el inicio de la campaña de riego del primer año de estudio y al final de la campaña de riego del tercer año de funcionamiento.

De los resultados de la evaluación de campo, puede inferirse que se produce un aumento de la obturación de los emisores en el tratamiento superficial, que se manifiesta por una disminución del q_med y un aumento de la Dq_med y el CV_obt. En relación a este tema, Boman (1995), expone que aparte de la arena y el limo, los causantes más comunes de los taponamientos en los emisores que están en superficie, son las precipitaciones de carbonato de calcio (CaCO₃) y componentes de fosfatos e hidróxidos que forman precipitados a la salida de los emisores al entrar en contacto directo con los agentes atmosféricos, proceso que se pudo observar en muchos de los emisores de los laterales colocados en superficie.

En cuanto al comportamiento del CU_Est y el  CU_25, los valores obtenidos para este índice fueron siempre elevados, estando comprendidos entre 97 y 98 % valores que lo sitúan con categoría de excelente tanto en la norma UNE 68-075 (1986), como en la norma (ASAE 1989ª). El alto valor de este parámetro esta dado por  la poca influencia del desnivel y las pérdidas hidráulicas, ya que la sub unidad de riego es pequeña y el terreno es llano. Según reportes de Martín et al. (2004), en un suelo homogéneo la uniformidad del riego sub superficial es similar o incluso mayor que la del riego por goteo convencional, pues se evidencia un posible efecto auto regulador del suelo sobre la variabilidad del caudal de los emisores.

Al analizar los volúmenes de agua aplicados, existe el valor mas bajo en el tratamiento superficial, debido a su mayor grado de taponamiento, en cuanto a los tratamientos soterrados se aprecia una disminución a medida que se incrementa la profundidad de soterramiento y ello esta en concordancia con lo plantado por Gil et al. (2008), pues a medida que se incrementa el peso de la masa de suelo sobre el emisor se hace mayor la fuerza positiva que ejerce el suelo en oposición a la salida de su caudal.

En la Tabla 2 se observa que los goteros con mayor q_med y menor Dq_med fueron los de los sistema de riego sub superficial, Al respecto Casaño (2001), expresa que los sistemas de goteo subterráneos reducen considerablemente los problemas de calcificación al no producirse precipitados de cal en los goteros.

En cuanto al grado de obturación (GO) alcanzado por los distintos goteros a lo largo del tiempo de funcionamiento el tratamiento superficial tiene igualmente el valor más alto, resultado que coincide con el observado en la evaluación de campo. En los tratamientos sub superficiales no aparecen diferencias estadísticamente significativas en cuanto a este parámetro. Similares efectos son reportados por el Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias (2005), para líneas porta goteros que situadas a 30 cm de profundidad llevan funcionando unos 5 años sin registro alguno de pérdida de caudales debido a obturaciones de líneas o goteros.

Gury (1997), Shevach y Kohen (1996) y Sangines (1991), igualmente informan que el sistema de riego localizado subterráneo ha generado mayor aceptación, gracias a la superación de problemas de diseño y calidad, donde las obstrucciones ya no son un problema cuando la filtración, manejo y mantenimiento, se ejecutan bien.

Oron et al. (1995), se refiere a que el incremento del  riesgo de obturación en los sistemas subterráneos por intrusión de las raíces se puede paliar mediante la utilización de herbicidas, de forma similar se expresa Sangines y Ruskin (1991), en relación a laterales de goteros con tecnología Rootguard, enterrados a una profundidad de 35 cm, los cuales funcionaron durante siete temporadas de riego con aguas servidas y recicladas a nivel de tratamiento secundario, con mantenimiento estable del flujo de los goteros, sin que se hayan registrado obturaciones en los emisores, ya sea debido a la calidad del agua o a la penetración de raíces.

El coeficiente de variación de funcionamiento en los goteros usados aumentó respecto a los goteros nuevos, pero los ramales desenterrados de los tratamientos soterrados a mayor profundidad, alcanzaron valores más bajos de este parámetro, lo que se corresponde a lo planteado por Bachar (2001), referido a que las tuberías enterradas, están menos expuestas a la acción adversa de los cambios, como secado/ mojado, frió/calor, por lo que se espera que el sistema tenga una mayor vida útil. Y en el caso nuestro, de goteros autocompensantes con membranas flexibles que sufren deterioro en el tiempo por los cambios térmicos, su deterioro es más inmediato en los emisores que yacen en la superficie y están expuestos directamente a la acción del sol y la intemperie.

CONCLUSIONES

•    En el tratamiento superficial se obtuvo una apreciable disminución del caudal medio del emisor un aumento de la desviación de dicho caudal con relación al caudal nominal y aumento del coeficiente de variación por obturación,  que permite inferir un aumento del taponamiento de estos emisores.

• ]]>    Los valores obtenidos del Coeficiente de Uniformidad Estadístico (CU_Est) y el Coeficiente de Uniformidad del cuarto más bajo (CU₂₅), fueron siempre elevados, estando comprendidos entre 97 y 98%.

•    Se aprecia una disminución del volumen de agua aplicado por los tratamientos sub superficiales a medida que se incrementa la profundidad de soterramiento dado por el aumento de la influencia del peso de la masa de suelo sobre el emisor, que hace mayor la fuerza positiva que ejerce el suelo en oposición a la salida de su caudal.

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