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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA Disciplina: AD-178 Irrigação e Drenagem Avaliação de Sistemas de Irrigação por Aspersão em Diferentes Espaçamentos NOME Fortaleza 2012 2 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO......................................................................................................03 2. MATERIAL E MÉTODOS...................................................................................05 3. RESULTADO E DISCUSSÃO..............................................................................11 3.1 Irrigação por Aspersão.....................................................................................11 4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................19 3 1 INTRODUÇÃO A prática da irrigação tem sido fundamental para garantir o abastecimento de produtos agrícolas. A futura demanda na produção de alimentos é criticamente dependente da agricultura irrigada. Entre os benefícios da irrigação pode-se citar: melhoria no desempenho financeiro de empreendimentos agrícolas e do padrão de vida de comunidades rurais, possibilidade de expansão da fronteira agrícola e diminuição do risco envolvido na atividade agrícola. A agricultura irrigada também favorece a expansão do mercado de trabalho no país. O potencial para expansão da agricultura irrigada, praticada de forma sustentável, depende do avanço na geração e difusão de tecnologias nas áreas de irrigação, engenharia, agronomia e biologia. O consumo expressivo da água na irrigação evidencia a importância de estratégias de planejamento, monitoramento e operação, relativas ao uso racional de recursos hídricos em projetos de irrigação. Estas estratégias devem ser consideradas nas políticas governamentais voltadas para expansão da agricultura irrigada, visando garantir a disponibilidade de água para os múltiplos fins, em termos quantitativos e qualitativos (BORGES JÚNIOR et al, 2004). Conforme Silva e Silva (2005) para que a irrigação seja eficiente, é imperativo que os sistemas apresentem alta uniformidade de aplicação da água. Uma vez instalado um projeto de irrigação, é necessário verificar se as condições previstas inicialmente se confirmam em campo. Para tanto, deve-se avaliar as condições de pressão, vazão e lâminas d’água aplicadas. Para analisar a qualidade da irrigação em campo são utilizadas algumas variáveis de desempenho como a uniformidade de distribuição e eficiência do sistema. Segundo Miranda e Pires (2003), o termo uniformidade refere-se às variáveis de desempenho associado à variabilidade de lâmina de irrigação aplicada. Soares et al. (1993), diz que a uniformidade de aplicação de água influencia, diretamente, a produtividade da cultura e a energia consumida no bombeamento de água, sendo que a produtividade tende a aumentar com a uniformidade de aplicação da irrigação. Na irrigação por aspersão a aplicação de água ao solo resulta da fragmentação de um jato de água lançado sob pressão no ar atmosférico, por meio de simples orifícios 4 ou bocais de aspersores. De forma geral, os sistemas de irrigação apresentam vantagens e limitações que devem ser analisadas quando da seleção do sistema a ser utilizado. Sousa et al (2003) afirma que os problemas que afetam a uniformidade de distribuição são divididos em duas classes: causas hidráulicas: todas aquelas que afetam a pressão de operação dos emissores, poderão ser oriundas de um projeto hidraulicamente mal concebido, da falta de reguladores de pressão ou desajuste destes reguladores, elevada perda de carga, elevado desnível geométrico, etc.; baixa uniformidade dos emissores: decorrente do alto coeficiente de variação de fabricação e/ou da obstrução dos emissores. Segundo Bernardo (1995), o termo eficiência representa um balanço entre os volumes de água envolvidos no processo de irrigação. Esses volumes referem-se à quantidade de água captada na fonte, fornecida às parcelas, volume necessário às plantas, armazenado no solo à profundidade efetiva do sistema radicular das culturas e volume perdido por deriva, escoamento superficial ou run-off, evaporação e percolação. São vários os fatores que interferem na distribuição de água às plantas. Do volume que é retirado da fonte (represa, poço artesiano, rio ou reservatório), uma parcela é perdida no sistema de condução, através de vazamentos em tubulações, conexões e registros. Durante o funcionamento dos sistemas, dependendo das condições atmosféricas, como ventos, altas temperaturas e baixa umidade relativa do ar, um alto percentual de água é evaporado. Assim, haverá uma redução significativa entre o volume inicial e o volume final, aplicado ao solo. A uniformidade está associada à variabilidade da lâmina de irrigação ao longo da área molhada (FRIZZONE, 1992). Segundo Bernardo (1995), a uniformidade pode ser expressa por índices ou coeficientes, sendo o mais utilizado o Coeficiente de Uniformidade de Christiansen (CUC). São também utilizados em menor escala o Coeficiente de Uniformidade de Distribuição (CUD) e o Coeficiente Estatístico de Uniformidade (CUE). Objetivou-se com esta aula prática avaliar o aspersore agropolo NY 30, cor de bocal 1 verde e bocal 2 preto em função dos espaçamentos entre aspersores (12x12, e 18x18, metros). Calcular o coeficiente de uniformidade de Christiansen (CUC) e o de uniformidade de aplicação (CUA); Eficiência de aplicação em potencial (EAp); Eficiência de aplicação do menor quartil (EAq); Eficiência de aplicação da menor mediana (EAm) e Perda por evaporação e arrastamento pelo vento (Pv). 5 2 MATERIAL E MÉTODOS Essa prática foi realizada em uma área da Fazenda Experimental Vale do Curu, da Universidade Federal do Ceará, em Pentecoste – CE. O sistema de aspersão utilizado no trabalho era formado por uma motobomba de 5 CV, com 100 mm de diâmetro na sucção e 100 mm de diâmetro no recalque. Para a realização do teste de uniformidade, foram utilizados coletores da marca Fabrimar tipo C1, hastes de alumínio, provetas de vidro, proveta especial de plástico graduada em mm, cronômetro, tubo Pitot associado a um manômetro (Figura 1), recipiente plástico para 15L, mangueiras ou sifões, trena métrica e anemômetro portátil e batedores de madeira. Figura 1- Tubo Pitot associado a manômetro. Primeiramente, foi instalada a linha de tubulação que iria conduzir água para o aspersor, contendo 6 varas de 6 m cada, além de serem também instalados o tubo de subida e a tubulação de saída.O aspersor a ser avaliado foi estabelecido em um tripé. Foram feitas medições das alturas correspondentes ao tubo de subida e altura de saída do aspersor utilizado em comparação com o solo (Figura 2). 6 Figura 2- Instalação do aspersor. A prática propriamente dita foi iniciada dividindo-se a área a ser estudada em 4 quadrantes principais subdivididos em 36 quadrantes secundários. Em seguida, utilizou-se uma trena para delimitação destes quadrantes menores com 3 m de lado, perfazendo-se áreas menores de 9 m² cada, em cujos centros foram instalados coletores que interceptaram a água emitida pelo aspersor a uma altura média de 0,5 m (Figura 3). Totalizando 144 coletores distribuídos uniformemente por toda a área. Figura 3- Coletores instalados para realização da prática. 7 Antes de iniciar o ensaio, com os coletores foram virados com a “boca” para baixo, evitando entrada de água nestes no momento das avaliações iniciais. Essas avaliações consistiram de medição da pressão de serviço do aspersor com o auxílio de um Tubo Pitot acoplado a um manômetro e a mensuração da vazão de cada aspersoravaliado, esta última obtida através da utilização de uma tubulação tipo mangueira de jardim, um recipiente para recolher a água e uma proveta para medir a água coletada do aspersor em um determinado período de tempo em quatro repetições. Equacionando essas duas variáveis (volume coletado e tempo decorrido), tem-se a vazão como mostra a equação a seguir: T V Q (1) Em que: Q: vazão do aspersor, em L s -1 ; V: volume coletado, em L; T: tempo, em s. A vazão final do emissor foi determinada somando as vazões dos dois bocais, as quais foram medidas em tempos diferentes. Tendo em mãos a pressão de serviço e a vazão, deu-se início ao teste de uniformidade de irrigação. Em uma área fora do raio de abrangência dos aspersores, foram colocados três recipientes, contendo 15 mm de água em cada, objetivando quantificar o volume de água evaporada. Afim de tentar estimar a evaporação nos coletores durante a leitura dos volumes, foram dispostos três coletores como referência, posicionados a aproximadamente 20 m distante da área de testes. Esses coletores continham volumes conhecidos. Os volumes foram medidos novamente após o término da leitura dos volumes contidos nos coletores da área teste. Em cada coletor, o volume de água coletado foi corrigido a partir da evaporação ocorrida durante o processo de leitura. A leitura de cada coletor foi aumentada em valor igual à metade da evaporação ocorrida durante o processo de leitura dos dados, estimada por meio dos coletores de referência, conforme recomenda Tarjuelo et al (2000). 8 A avaliação foi realizada por um tempo de duas horas, correspondendo à metade do tempo de irrigação. Durante o tempo de avaliação, a cada 20 minutos, observou-se a velocidade do vento através de um anemômetro digital portátil, há uma altura de 2.0 metros do solo e voltado para onde os ventos predominantes estivessem (Figura 4). Figura 4- Anemômetro digital portátil. Outro parâmetro avaliado durante o teste foi a rotação do aspersor e a uniformidade na rotação em seus quadrantes. A rotação do aspersor foi medida durante cada ensaio em intervalos de 20 minutos. Para tal, mediu-se o tempo gasto da passagem de uma revolução do jato numa mesma posição preestabelecida, através de um cronômetro de precisão de centésimos de segundo, com oito repetições para cada intervalo de tempo. Para isso foi necessário que quatro voluntários ficassem em pontos distintos equidistantes ao redor do aspersor, com a finalidade de quantificar o tempo no qual o aspersor em movimento, percorria cada quadrante e consequentemente, o tempo de um giro completo. 9 Decorridas duas horas, a motobomba foi desligada, sendo suspensa a irrigação na área. Deu-se início à coleta da água em cada coletor (Figura 5). Utilizando proveta (especial para os copos) graduada em mm, onde foi feita a quantificação do volume de água coletada nos recipientes. Ao final do teste também foram coletados os volumes de água presente nos recipientes colocados fora da área de alcance dos aspersores, com a finalidade de se obter valores relacionados à evaporação. Figura 5- Coletor de precipitação do aspersor. Para avaliar os parâmetros do sistema de aspersão, utilizou as seguintes equações: Coeficiente de uniformidade de Christiansen: ) Em que: CUC : Coeficiente de uniformidade de Christiansen, em percentagem; iX : altura de precipitação coletada no i-ésimo coletor; X : altura de precipitação média dos coletores; n : número de coletores. Coeficiente de uniformidade de distribuição (CUD ou CUA), sugerido pelo serviço de Conservação do Solo dos Estados Unidos é expresso por: 10 X x CUD 100 Em que: x : média de 25% do total de coletores, com as menores precipitações; X : média das precipitações, considerando todos os coletores. Eficiência de aplicação em potencial (EAp): Em que: x : média de 25% do total de coletores, com as menores precipitações; X : média das precipitações, considerando todos os coletores. ev: Lâmina evaporada Perdas por evaporação e arrastamento pelo vento (Pv): Eficiência de aplicação no menor quartil (EAq): Eficiência de aplicação da menor mediana (EAm): 11 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Irrigação por aspersão A Tabela 1 mostra os valores das vazões que foram obtidas na aula prática. Então, de acordo com a Tabela 1, verifica-se que a média das vazões foi de 0,00399837 m³ s -1 ou 1,44 m 3 h -1 . É importante saber que a pressão de serviço do aspersor foi 3 kgf cm -2 . A descarga do aspersor vai depender do diâmetro e da pressão no bocal. Para se obter um bom perfil de distribuição, os aspersores devem funcionar dentro dos limites de pressão especificados pelo fabricante. Pressão muito alta causará excessiva pulverização do jato de água, diminuindo seu raio de alcance e causando precipitação excessiva próxima ao aspersor. Pressão muito baixa resultará numa inadequada pulverização do jato de água, o que causará um perfil de distribuição muito irregular. Tabela 1- Vazão do bocal 1 e 2 do aspersor utilizado em aula prática. Pentecoste - CE, 2012. Bocal 1 VERDE Bocal 2 PRETO Tempo (s) Va (L) qa m³s-1 Tempo (s) Va (L) qa m³s-1 5,28 2,19 0,000414773 3,09 1,2 0,00038835 6,17 2,4 0,000388979 3,79 1,49 0,00039314 4 1,68 0,00042 3,86 1,52 0,000393782 Média 0,000407917 0,000391757 Vazão média do aspersor em (qa m³s-1) 0,000399837 12 Na Tabela 2 encontram-se os dados obtidos do tempo de rotação do aspersor. Verifica-se que o emissor apresenta rotações entre 1,22 à 1,75 e sua média de rotações por minuto é de 1,38. Esta rotação esta dentro do limite de funcionamento que é de 0,5 a 2,0 segundo (BERNARDO, 1989). Provavelmente isto ocorreu devido a direção do vento, que ocasionou uma resistência em consequência de estar contra o movimento rotacional do jato nos quadrantes. Tabela 2- Média das rotações em RPM da área irrigada durante os testes com aspersor. Pentecoste-CE, 2012. Teste RPM 1 1,75 2 1,5 3 1,22 4 1,26 5 1,26 6 1,3 Media 1,38 Conforme Christiansen (1942), a uniformidade de distribuição depende do perfil de distribuição do aspersor e está em função da pressão de serviço do aspersor, da velocidade do vento, da uniformidade de rotação, do espaçamento entre aspersores e da altura de elevação e do diâmetro do bocal. Corroborando com Christiansen (1942), Mateos (1998) afirma que a uniformidade da aplicação de água na superfície do solo é afetada por diversos fatores, como por exemplo: pressão de serviço, ângulo do jato da operação, espaçamento, declividade do terreno, direção e velocidade do vento, evaporação das gotas, tempo de operação por posição, dentre outros fatores. Verifica-se também na Tabela 2 que durante o teste foi necessário uma frequência de 1,38 rpm. O valor encontrado está dentro da rotação do aspersor proposta por Bernardo; Marouelli (1989), onde consideram que a velocidade de rotação do aspersor deve variar de 0,5 a 2,0 e 0,3 a 1,3 rotações por minuto (rpm), respectivamente. Na Tabela 3, logo a seguir, verificam-se os valores da velocidade do vento durante o teste e constata-se que a mesma variou de 0,25 a 1,57 m s -1 e o valor médio obtido foi de 1,05 m s -1 . 13 Tabela 3- Velocidade do vento durante a realização do teste em aula prática. Pentecoste-CE, 2012. Hora Vvento (m s -1 ) 11:50 0,55 12:10 1,51 12:30 1,14 12:50 1,57 13:10 1,27 13:30 0,25 Média 1,05 A Tabela 4, logo a seguir, mostra os valores obtidos no decorrer dos experimentos da evaporação. Constatou-se que a variação foi 1mm, e que a médiada evaporação foi de exatamente 14mm. Tabela 4- Evaporação durante os testes com o aspersor agropolo NY 30 Pentecoste - CE, 2012. Coletor (N°) Volume Inicial (mm) Volume Final (mm) Evaporação (mm) 1 15 14 1 2 15 14 1 3 15 14 1 Média 15 14 1 Bernardo (1995) menciona que, além da velocidade do vento, a umidade relativa e a temperatura do ar também exercem influência marcante no uso da irrigação por aspersão. Na figura 6 observa-se o arranjo espacial do aspersor, ou seja, os valores dos volumes dos copos que foram convertidos em valores de lâmina total irrigada por copo em milímetros. Então, pode-se verificar, através deste arranjo espacial, o desempenho que houve em cada quadrante avaliado. 14 0,5 1,5 2 0,5 0,5 3 4,5 5 5 4 1,5 0,5 3 5 7 8,5 10 8 4 0,5 1,5 4,5 6 15,5 21 26,5 13,5 6 1,5 1,5 5,5 9,5 24,5 31 38,5 9 6,5 2 1,5 4,5 8 22 37,5 30,5 13 5,0 1 0,5 2,5 6 11 15,5 12 6 2,5 0,5 1 3,5 5 5 4 2,5 0,5 1,5 1,5 2 1 0,5 0,5 0,1 Figura 6- Arranjo espacial da precipitação do aspersor agropolo NY 30 em mm. Pentecoste - CE, 2012. As figura 7 e 8 apresentam os valores da sobreposição nos espaçamentos entre aspersores de 12 x 12 m e 18 x 18 m respectivamente. 12 x 12 m. 40.5 28 33.5 45 27.5 25 24.5 26 36 25.5 27 29 45 21.5 34 38.5 Figura 7- Dados relacionados a sobreposição no espaçamento 12 x 12 m. 18 x18 m. 30.5 14.5 9.5 9 22 37.5 12 7 5 7 12.5 17.5 9 6.5 3.5 6.5 9 10 11 9 7 7 8.5 10.5 26.5 15 10.5 7.5 16 21 38.5 10.5 12 11.5 24.5 31 Figura 8- Dados relacionados a sobreposição no espaçamento 18 x 18 m. M.B 2º QUADRANTE 1º QUADRANTE 4º QUADRANTE 3º QUADRATE 15 Depois de todos os dados coletados, com o auxílio do programa Golden Software Surfer, foi feito um mapa em formas de curvas de nível, onde foi possível avaliar a distribuição da água nos quadrantes (Figuras 9 e 10). Utilizou-se a cor verde para mostrar a umidade nos quadrantes. O setor com a coloração verde mais intensa representa o ponto onde se concentrou a maior distribuição hídrica. À medida que a coloração verde vai clareando (até adquirir a cor branca), a distribuição hídrica vai diminuindo. As Figuras 9 e 10, apresentam a distribuição hídrica e as isoietas do aspersor VYR 86 operando com a pressão de serviço de 3,0 kgf.cm -1 nos espaçamentos 12×12, e 18×18 m, respectivamente. A uniformidade de distribuição em toda a área de aplicação é melhor visualizada pelo gráfico das isoietas, cujo grau de proximidade das linhas indica a variação de precipitação. 16 Figura 9- Mapa de distribuição hídrica do aspersor agropolo NY 30 em curvas de nível e em 3D no espaçamento 12×12 m. 17 Figura 10- Mapa de distribuição hídrica do aspersor agropolo NY 30 em curvas de nível e em 3D no espaçamento 18×18 m. 18 Tabela 5. Valores obtidos em campo do CUC e CUD do aspersor agropolo NY 30 em diferentes espaçamentos. Pentecoste - CE, 2012. ESPAÇAMENTO (m) CUC (%) CUD (%) 12×12 79,8 76,2 18×18 50,75 47,28 De acordo com a Tabela 5, pode-se observar que em todos os espaçamentos estudados o CUC encontra-se dentro do limites permitidos (CUC ≥ 85%), ou seja, o CUC foi aceitável em todos os espaçamentos, mostrando uma boa uniformidade na distribuição da água. Mantovani; Ramos (1994) indicam para aspersão valores de CUC entre 80 e 85% como satisfatórios. Merriam et al. (1973) recomendam que, para culturas de alto valor econômico e com sistema radicular pouco profundo, o coeficiente de uniformidade de Christiansen deve ser superior a 88%; para culturas com sistema radicular medianamente profundo, o CUC deve variar entre 82 e 88% e, para culturas com sistema radicular profundo, em locais onde a quantidade de chuva é substancial, o CUC pode variar entre 70 e 82%. Já o CUD mostrou desempenho entre 69,63% e 51,57% para os espaçamentos testados respectivamente, pois obteve índices abaixo de 70%, mostrando, assim, que está fora da faixa de 70 a 80% ou seja, o valor obtido pode ser considerado inaceitável. Para o espaçamento 12x12 metros observar-se que tanto o CUD e CUC apresentaram valores mais próximos do recomendado em relação ao espaçamento 18x18 metros, mostrando que a intensidade de aplicação é inversamente proporcional ao espaçamento, como essa área é menor, então houve uma melhor distribuição hídrica. Rezende et al (2002) em seus experimentos, verificou que os valores médios do coeficiente de uniformidade de distribuição (CUD), obtidos para os dados de lâmina aplicada, diminuíram com o aumento do espaçamento entre aspersores. Rezende (2002) afirma que o fato de CUD ser sempre menor que CUC é inerente às variáveis das equações utilizadas na determinação desses coeficientes, pois no cálculo de CUD consideram-se apenas 25% da área que recebeu menos água. 19 Na Tabela 7 observam-se os valores encontrados para a eficiência de aplicação potencial (EAp), eficiência de aplicação no menor quartil (EAq), eficiência de aplicação da menor mediana (EAm) e perdas por evaporação e arrastamento pelo vento (Pv). Tabela 7- Eficiência de aplicação potencial e perda por evaporação do aspersor agropolo NY 30 em diferentes espaçamentos. Pentecoste - CE, 2012. Verifica-se que a maior eficiência de aplicação potencial foi obtida no espaçamento 12×12 m e a maior perda por evaporação foi no espaçamento 18×18 m, onde encontramos os valores de 67,58% e 48,34% (EAp) e 32,42% e 51,66 (Pv), respectivamente. Os valores de AEq e EAm para todos os espaçamentos estão abaixo dos valores recomendados por (BERNADO, 1995). Observou-se no ensaio que o EAp o valor encontrado estar compreendido em torno de 48,34% e 67,58% para o espaçamento de 18x18m e 12x12m respectivamente. Este valor está próximo ao valor encontrado por Nascimento (2009) em seu trabalho. Bernardo et al. (2006) menciona em sua publicação que: o EAq e o EAm devem esta entre (60-85 %) e (70 -88%), respectivamente, para que aproximadamente 80% da sua área receba uma lâmina maior ou igual a real necessária. O sistema avaliado apresenta serias complicações, pois seus valores de o EAq e EAm, estão baixos em relação a publicação de Bernardo et.al. (BERNARDO,1995). Os valores encontrados para (CUD ou CUA) EAp,EAm, EAq e Pv, estão anormais, ou seja apresentam valores muito inferiores aos encontrados em trabalho anteriores. Uma hipótese para estes resultados atípicos pode ser o fato de erro nas leituras dos volumes coletados. Esse erro na leitura coletada, pode ser o responsável pelos valores anormais dos parâmetros (CUD ou CUA) EAp,EAm, EAq e Pv. ESPAÇAMENTO (m) EAp (%) EAq(%) EAm(%) Pv (%) 12×12 74 19,81 21 26 18×18 44 26,5 28,4 56 20 4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALVES, E.F; JUNIOR, O.C.R; CASTRO, P.T. Perdas de Água por Evaporacão e por Arraste num Sistema de Irrigacão por Aspersão em Diferentes Espaçamentos e Velocidades de Vento. Ciência Agronômica, v.28.n.1/2.1997. BERNARDO, S. Manual de Irrigação. 5.ed. Viçosa: Imprensa Universitária, 1989. 596p. BERNARDO, S. Manual de Irrigação. 6ª ed. rev. e ampl. Viçosa: UFV, Imprensa Universitária, 1995. 657 e 405 p. BORGES JÚNIOR, J.C.F. Modelo Computacional para Tomada de Decisão em Agricultura Irrigada. Viçosa: UFV, 2004. 250p. Tese Doutorado. CHRISTIANSEN, J. E. Irrigation by Sprinkling. Berkeley: University of Califórnia, 1942. 124 p. FRIZZONE, J. A. Irrigação por Aspersão: Uniformidade e Eficiência. Piracicaba: ESALQ, 1992, 53 p. (Séria Didática). HOWELL, T. A.; HILLER, E. A. Designing Trickle Irrigation Laterals for Uniformity. 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