Riego Por Goteo Libro Cap15uniformidad[1]

CAPITULO XV EVALUACION DE LA UNIFORMIDAD DE APLICACION DE RIEGO1, 2 Megh R. Goyal y Luis E. Rivera Martínez 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0

Introducción -----------------------------------------------------------------------------------Factores que reducen la uniformidad -------------------------------------------------------Procedimiento para la evaluación de la uniformidad -------------------------------------Definición de uniformidad -------------------------------------------------------------------Normas para la uniformidad ----------------------------------------------------------------Procedimientos de la evaluación ------------------------------------------------------------Intervalos de confianza -----------------------------------------------------------------------Medidas de la razón de flujo -----------------------------------------------------------------Resumen ----------------------------------------------------------------------------------------Identificación de problemas -----------------------------------------------------------------Bibliografía ------------------------------------------------------------------------------------Formulario para uniformidad -----------------------------------------------------------------

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391 392 393 393 395 396 397 399 399 400 400 402

Manejo de Riego Por Goteo

Capitulo XV: Evaluación de la Uniformidad de Aplicación de Riego

_________________ 1 Este capítulo fue preparado para el libro “Manejo de Riego Por Goteo”. Autor: Dr. Megh R. Goyal, Profesor en Ingeniería Agrícola y Biomédica, Universidad de Puerto Rico – Recinto de Mayagüez, PO Box 5984, Mayagüez, Puerto Rico 00681-5984. Para detalles puede comunicarse al correo electrónico: [email protected] o puede visitar la página de Internet: http://www.ece.uprm.edu/~m_goyal/home.htm. 2

Esta publicación es propiedad pública. Ejemplares pueden reimprimirse con la debida referencia al autor y el Servicio de Extensión Agrícola – Universidad de Puerto Rico, Mayagüez – Puerto Rico, EEUU.

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1.0

Capitulo XV: Evaluación de la Uniformidad de Aplicación de Riego

INTRODUCCION Uno de los factores más difíciles de evaluar es la uniformidad en la aplicación de agua. El

costo inicial, el costo operacional y la respuesta de la planta al riego están relacionados con la uniformidad en la aplicación de agua. Un número considerable de los esfuerzos en el diseño y manejo de sistemas de riego va dirigido a resolver este problema. Este capítulo presenta un método sencillo para evaluar la uniformidad en la aplicación de agua en un sistema de riego por goteo. El mismo no requiere ecuaciones ni equipo complicado para llevarse a cabo. Hay una relación directa entre la uniformidad en la aplicación de agua y el costo inicial de un sistema de riego por goteo. A medida que el agua fluye a través de las cañerías, la presión disminuye debido a pérdida por fricción. Esto resulta en una reducción en el ritmo de aplicación de agua en las secciones más distantes del sistema de riego. Mientras menor sea el diámetro de los tubos, mayor serán las pérdidas por fricción y menor será la uniformidad en la aplicación de agua. Por el contrario, el uso de cañerías de mayor diámetro reducen las pérdidas por fricción y el agua se distribuirá más uniformemente. Dado que la tubería de mayor tamaño es más costosa, un sistema diseñado para mayor uniformidad será más costoso que uno deficientemente diseñado y de baja uniformidad. El agricultor o comprador debe comparar los costos del sistema con sus capacidades de funcionamientos y uniformidad antes de comprar considerando solamente los bajos costos iniciales. Los costos de operación de un sistema de riego están íntimamente asociados a la uniformidad de aplicación. En muchas ocasiones el agua se aplica uniformemente operando el sistema a presiones altas. Esta práctica va en contra de una de las ventajas del riego por goteo relativa al ahorro de energía, ocasionando una falsa economía. Los costos operacionales en un

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Capitulo XV: Evaluación de la Uniformidad de Aplicación de Riego

sistema con tubos pequeños son mayores que los de un diseño apropiado. Esto es debido a que la tubería pequeña requiere más tiempo para aplicar la cantidad de agua deseada a las partes más distantes del sistema. Además, ocasiona que las partes más cercanas tengan exceso de agua creando pérdidas de agua y energía. El rendimiento en la producción de la cosecha se relaciona también con la uniformidad. Es difícil determinar la pérdida en rendimiento ocasionado por la baja uniformidad debido al gran número de factores que afectan. En general, las pérdidas en rendimiento se deben a que algunas plantas no reciben la cantidad apropiada de agua mientras que otras reciben agua en exceso. Aplicaciones excesivas de agua pueden lavar los nutrimientos que están accesibles a las plantas. Para cumplir a perfección las metas del riego, el sistema debe estar diseñado para aplicar agua uniformemente dentro de límites económicos. De esta forma, cada planta en el área regada recibirá la misma cantidad de agua. Esto facilita al operador del sistema ajustar la cantidad aplicada para cubrir las necesidades del cultivo. 2.0

FACTORES QUE REDUCEN LA UNIFORNIDAD EN LA APLICACIÓN DEL AGUA Hay una serie de factores que pueden interactuar para reducir la uniformidad en la

aplicación de agua en un sistema de riego por goteo, reduciendo así la eficiencia del sistema en el área diseñada. Entre otros, están los siguientes: 1. Bomba de riego defectuosa. 2. Líneas de distribución de agua rotas o torcidas. 3. Goteros y/o filtros obstruidos por agentes físicos, químicos o biológicos. 4. Corrosión en las partes del sistema. 5. Válvulas obstruidas o defectuosas. 6. Diseño inadecuado.

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3.0

Capitulo XV: Evaluación de la Uniformidad de Aplicación de Riego

PROCEDIMIENTO PARA LA EVALUACION DE LA UNIFORMIDAD EN LA APLICACIÓN DE AGUA Se ha desarrollado un procedimiento sencillo para evaluar la uniformidad en la aplicación

de agua para un sistema de riego por goteo. Este puede usarse por diseñadores, agricultores y vendedores: 1. Un comprador potencial de un sistema de riego por goteo puede usarlo para evaluar el sistema antes de comprarlo. Además, un sistema recién instalado puede evaluarse para determinar si reúne los requisitos mínimos, antes del pago final al vendedor. 2. Un diseñador o vendedor puede usarlo, para determinar si el sistema ha sido debidamente diseñado o instalado. También puede hacer una evaluación de los componentes del sistema de riego. 3. El operador del sistema puede usarlo para detectar cambios en uniformidad en la aplicación de agua y problemas causados por goteros y filtros tapados. La falta de uniformidad en la aplicación de agua causada por cambios en las características hidráulicas de los goteros y otros componentes del sistema también pueden ser detectados. De esta forma las partes defectuosas pueden repararse o reemplazarse. 4.0

DEFINICION DE LA UNIFORMIDAD La uniformidad en la aplicación de agua (U) se define en términos estadísticos por la

siguiente ecuación: U = 100 x [1.0 – V] ----------------------- ------------------------------------------------------ /1/ En donde, U = Uniformidad con unos intervalos entre 0 a 100%, y V = Coeficiente de variación El coeficiente de variación (V) es la variabilidad del flujo individual de cada gotero en relación al flujo promedio de todos los goteros. La uniformidad se expresa en términos relativos de tal forma que no dependa de la magnitud del flujo de los goteros; sino que dependa solamente de la variación entre el flujo individual y el flujo promedio de los goteros. Una uniformidad de 100% en la ecuación /1/ corresponde a un coeficiente de variación de 0. Esto indica una uniformidad perfecta, por consiguiente no hay variación entre los goteros.

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Capitulo XV: Evaluación de la Uniformidad de Aplicación de Riego

Uniformidades de 100%, 90%, 80%, 70% y 60% corresponden a coeficientes de variación de 0.0, 0.1, 0.2, 0.3 y 0.4, respectivamente. Estos valores de “U” pueden clasificarse como: Excelentes para U = 100%, Buenos para U = 90%, Aceptables para U = 80%, Pobres U = 70% y No aceptables para U = 60%, respectivamente. 5.0

NORMAS PARA LA UNIFORMIDAD EN LA APLICACIÓN DE AGUA La Sociedad Americana de Ingenieros Agrícolas (ASAE) ha desarrollado las normas para

la uniformidad en la aplicación de agua en un sistema de riego por goteo. Estas normas establecen la uniformidad mínima aceptable para el diseño de un sistema de riego por goteo y están indicados en el cuadro 1. Los intervalos indicados representan los valores económicamente eficientes de uniformidad. Diseños para uniformidad más bajas que los indicados resultan en una reducción en el rendimiento y pérdidas de agua y fertilizantes debido a la pobre uniformidad en la aplicación de agua. Diseños para lograr uniformidades más altas que las señaladas aumentan los costos iniciales del sistema. En cada caso se presenta un intervalo en los valores de uniformidad debido al gran número de factores que afectan cada diseño individual. Una topografía irregular del suelo afecta el diseño y la uniformidad en la aplicación de agua. Esto resulta en un mayor costo del sistema. En suelos con topografía irregular, se permite menor uniformidad para balancear los costos iniciales y operacionales del sistema. Las distancias de siembra también afectan la uniformidad deseada en la aplicación de agua. La uniformidad debe ser mayor en distancias de siembra grandes, donde hay goteros individuales que sirve una planta (árbol) solamente. En distancias de siembra y goteros más cercanos, el sistema de raíces de las plantas puede estar entremezclado y los efectos de la variabilidad en la aplicación de agua de un gotero al siguiente se reducen.

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Capitulo XV: Evaluación de la Uniformidad de Aplicación de Riego

Cuadro 1. Intervalos de uniformidad aceptables para sistema de riego por goteo. Tipo de Gotero

Inclinación

Intervalos de Uniformidad (%)

Llano* Inclinado**

90-95 85-90

Goteros de punto colocados en distancia de siembra menores de 3.9 m.

Llano* Inclinado**

85-90 80-90

Goteros insertados perforados en la línea para cultivos anuales en hileras

Llano* Inclinado**

80-90 75-85

Goteros de punto (Point Source) colocados en distancias de siembras mayores de 3.9 m.

*Llano = Inclinación menor de 2%. **Inclinado = Inclinación mayor de 2%.

Cuadro 2. campo).

Tiempos requeridos para llenar el envase en el campo, (Ejemplo de los datos de

89 seg. (bajo)

97 seg.

110 seg. (alto)

104 seg.

107 seg.(alto)

93 seg.

92 seg.

100 seg.

103 seg.

96 seg.

94 seg.

108 seg. (alto)

100 seg.

98 seg.

91 seg.(bajo)

99 seg.

102 seg.

87 seg.(bajo)

Tmáx. = 107 + 110+ 108 = 325 segundos Tmín. = 89 + 91 + 87 = 267 segundos

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Capitulo XV: Evaluación de la Uniformidad de Aplicación de Riego

Cada planta puede tener acceso a dos o más goteros y de esta forma el efecto de la variabilidad al azar en el ritmo de emisión del gotero es mucho menor. Sin embargo, esto no contrarresta los efectos de la reducción continua a lo largo de las laterales debido a las pérdidas por fricción. Por lo tanto, las reducciones permisibles en uniformidad para cultivos que se siembran a distancias bien cercanas son ligeramente menores (aprox. 10%), que aquellas para cultivos a distancias de siembra mayores. 6.0

PROCEDIMIENTO DE EVALUACION El procedimiento de evaluación utiliza una medida de tamaño conocida (un envase) para

determinar la uniformidad en la aplicación de agua en el sistema de riego. El tiempo requerido para llenar el envase se usa como medida de flujo y uniformidad. Esto elimina la necesidad de equipo especial, ya que se puede utilizar cualquier envase. El tiempo requerido para llenar el envase debe medirse en forma precisa mediante un reloj. Para evaluar la uniformidad en la aplicación de agua en un sistema de riego por goteo se debe tomar un mínimo de 18 medidas, o sea, que se debe llenar el envase en 18 goteros diferentes, tomando el tiempo individual que se tarda en llenar el envase. Puede tomarse un número mayor de medidas si fuese necesario. Los goteros a medirse deben ser representativos del sistema, esto es unos distribuidos a principios de la línea lateral, otros en el medio y otros al final del sistema. Además, estas medidas se deben tomar en las partes altas del campo y otras en las partes bajas. Los goteros medidos serán anotados para análisis. Los 3 tiempos mayores se suman y se denominan tiempo máximo (Tmáx.). Los 3 tiempos menores se suman y se denominan tiempo mínimo (Tmín.). Tmáx. y Tmín. se usan en la figura 1 para determinar la uniformidad en la aplicación de agua. Ejemplo: En el cuadro 2, los 3 tiempos mayores anotados fueron 107 seg. , 110 seg., y 108

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Capitulo XV: Evaluación de la Uniformidad de Aplicación de Riego

seg., siendo Tmáx. = 325 segundos. Los 3 tiempos menores fueron 89 seg. , 87 seg. , y 91 seg., siendo el Tmín. = 267 segundos. En la figura 1, la intersección de la línea vertical como Tmáx., y la línea horizontal como Tmín., esta entre las líneas de uniformidad. Al interpolar se nota que la uniformidad del campo es de 94%. Esto se puede interpretar como una uniformidad excelente. Si los datos se recogen de todas las partes del sistema y realmente son representativos, entonces se puede concluir que el sistema esta bien diseñado e instalado. 7.0

INTERVALOS DE CONFIABILIDAD La conclusión señalada en (la sección 6.00) se basa solamente en una muestra de 18

goteros de un sistema amplio de riego. Por ello, los resultados pueden no ser enteramente precisos. La única forma de determinar la uniformidad exacta de un sistema de riego dado seria medir el flujo de cada gotero en el campo. Desde un punto de vista estadístico, se puede decir con un alto grado de certeza que los valores obtenidos de la figura 1, son precisos. El cuadro 3 da el límite de confianza de 95% para los valores de uniformidad leídos en la figura 1. Interpolando en el cuadro 3 encontramos que el limite de confianza para un coeficiente de uniformidad de 94% es U ± 1.7% para 18 medidas de campo. Esto indica que podemos estar confiados que si leemos una uniformidad de 94% de la figura 1, la uniformidad verdadera del campo debe estar en el intervalo de 92.3 a 95.7%, o sea, 94% + 1.7%. El intervalo de confianza de 95% indica que la medida de uniformidad de campo debe estar dentro del intervalo de confianza (92.3% a 95.7%), 95 veces de cada 100, si se repite el procedimiento de muestreo en el campo. En el cuadro 3, el límite de confianza aumenta según disminuye la uniformidad. Esto indica que estamos menos seguros de los resultados cuando la uniformidad es baja. Por ejemplo, si la uniformidad de campo fue sólo 60%, la figura 1 muestra que los límite de confianza son 60% ± 13.3%.

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Figura 1. La uniformidad de campo en riego por goteo basado en los tiempos de los goteros y en la razón de flujo de los goteros.

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Capitulo XV: Evaluación de la Uniformidad de Aplicación de Riego

En este caso la uniformidad verdadera del campo se encontrará en el rango de 46.7% a 73.3%. La razón para el amplio rango es que sólo medimos 18 goteros en un campo entero y la variabilidad entre goteros es grande según indica la baja uniformidad. Por lo tanto, hay una oportunidad mayor que los datos sean más representativos mediante la selección al azar de los goteros que serán medidos. En el cuadro 3, los límites de confianza están dados para muestreos de 18, 36 y 72 goteros. Podemos aumentar nuestra certeza en los resultados si tomamos más datos. De esta forma reducimos el intervalo de confianza. 8.0

MEDIDAS DE LA RAZON DE FLUJO Si alguno de los goteros que se utiliza de muestra está tapado, el tiempo requerido para

llenar el envase será infinito. En este caso, la figura 1 no se puede utilizar directamente. Entonces se suman las 3 razones de flujo de los 3 goteros mayores y los 3 goteros menores. La escala de la figura 1 se cambia entonces a unidades de razón de flujo. De este modo utilizamos las razones de flujo para evaluar la uniformidad en el campo. En este caso las medidas de las razones de flujo serán más difíciles de tomar o calcular. Se requiere el uso de un envase calibrado para medir el volumen de agua que se recoja en un período de tiempo dado para calcular la razón de flujo. 9.0

RESUMEN DEL PR0CEDIMIENTO DE EVALUACION EN EL CAMPO 1. Ponga a operar el sistema y déjelo funcionando a la presión operacional de diseño el tiempo suficiente para remover el aire de las líneas. 2. Mida el tiempo requerido para llenar los envases en cada uno de los 18 goteros muestreados. Esté seguro de que los goteros muestreados representan todas las partes del sistema de riego. 3. Calcule Tmáx sumando los 3 tiempos mayores muestreados, o 1/6 del número total de goteros requeridos para llenar el envase.

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Capitulo XV: Evaluación de la Uniformidad de Aplicación de Riego

4. Calcule Tmín sumando los 3 tiempos menores o 1/6 del numero total de goteros requeridos para llenar el envase. 5. Tomando como referencia la figura 1, determine la uniformidad del predio en la intersección de las líneas Tmáx y Tmín. 6. Si la uniformidad de campo es baja, o el límite de confianza es alto, conviene tomar más data o repetir el procedimiento para asegurarnos que el sistema esta deficiente o mal diseñado. Este método es particularmente ventajoso para uso en el campo debido al número limitado de data requerida y la sencillez del procedimiento. Para facilitar la toma de datos puede hacer uso del formulario. 10.0

IDENTIFICACION DE FALLAS Causa

Remedio Uniformidad de 60%

1. Pocos datos tomados 2. Obstrucciones en los filtros, líneas o goteros

Tomar mas de 18 goteros como muestra Limpiar filtros, lavar líneas y goteros con Ácido. Limpiar goteros tapados o reemplazarlos. Diferencia considerable en Tmáx y Tmín.

3. Puede que la línea de goteros Esté rota o tapada.

Reparar las líneas rotas y limpiar las líneas tapadas. Pérdida de presión debido a la excesiva fricción de las líneas. 4. Tubos menores que lo requerido. Revisar el diseño y corregir las fallas.

11.0

BIBLIOGRAFIA

1.

Agricultural Engineer’s Yearbook, 1993. American Society of Agricultural Engineers, St. Joseph, MI. Pages 519-522.

2.

Bralts, V. G. and C. D. Keesme, 1982. Drip irrigation field Uniformity estimation. Paper No. 822062 Presented at Summer meeting of American Society of Agricultural Engineers.

3.

Smajstrla, A. C.and D. S. Harrison, 1982. Field evaluation of trickle irrigation systems: Uniformity of water application. Cooperative Extension Service, Department of Agricultural Engineering, University of Florida, Gainesville, FL.

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Cuadro 3. campo, U.

Capitulo XV: Evaluación de la Uniformidad de Aplicación de Riego

Limites de confianza en el nivel de 95% para las medidas de uniformidad en el

Uniformidad de campo

18 goteros

36 goteros

72 goteros

Limite de confianza

Limite de confianza

Limite de confianza

N Sum*

%

N Sum

%

N Sum

%

100%

3

U ± 0.0

6

U ± 0.6%

12

U ± 0.0%

90%

3

U ± 2.9

6

U ± 2.0%

12

U ± 1.4%

80%

3

U ± 5.8

6

U ± 4.0%

12

U ± 2.8%

70%

3

U ± 9.4

6

U ± 6.5%

12

U ± 4.5%

60%

3

U ± 13.3

6

U ± 9.2%

12

U ± 6.5%

*N Sum = Es 1/6 parte del total de los goteros medidos. Este es el numero de muestras que se van a sumar para calcular T máx. y T mín. Nivel de 95% indica que la uniformidad de campo medida debe estar dentro de los intervalos de confianza indicados de la uniformidad exacta del campo 95 veces de 100, si el procedimiento de muestreo se repite.

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Capitulo XV: Evaluación de la Uniformidad de Aplicación de Riego

FORMULARIO PARA UNIFORMIDAD DE LA APLICACION DE AGUA Nombre del evaluador: __________________ Fecha de evaluación: _____________________ Nombre del agricultor: __________________ Dirección: ____________________________ Descripción del sistema de riego por goteo: Alta presión / Baja presión Tamaño de la bomba ____________KW Tamaño de la malla del filtro _____________ Tamaño en área del predio muestreado ________________ Procedimiento: 1. 2. 3. 4. 5.

Prenda el sistema para eliminar aire de las líneas. Mida el tiempo (segundos) requeridos para llenar el envase a cada uno de los 18 goteros. Computar el tiempo máximo, sumando los 3 tiempos mayores. Computar el tiempo mínimo, sumando los 3 tiempos menores. Tomando como referencia la figura 1 determine la uniformidad del predio en la intersección de las líneas T máx. y T mín. 6. Si la uniformidad del campo es baja o el intervalo de confianza alto, tome más muestras.

Gotero #

Tiempo (Segundos)

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Gotero #

Tiempo (Segundos)

10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18.

Suma de los 3 tiempos máximos = _______ + _______ + _______ = _______ Tmáx. Suma de los 3 tiempos mínimos = _______ + _______ + _______ = ________ T mín. Usando como referencia la figura 1, Uniformidad = ______________________ % Observaciones y recomendaciones: _______________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________

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