Mejora del riego por aspersión en parcela: caracterización de aspersores a baja presión, estudio de diferentes sistemas de medición de gotas y análisis del modelo balístico

• Autores: María Pilar Paniagua Antón
• Directores de la Tesis: Javier Burguete Tolosa (dir. tes.), Raquel Salvador Esteban (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2016
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Luciano Mateos Íñiguez (presid.), F. Dechmi (secret.), José Fernando Ortega Álvarez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencias Agrarias y del Medio Natural por la Universidad de Zaragoza
• Materias:
  • Ciencias agrarias
    • Ingeniería agrícola
      • Riego
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de la construcción
      • Irrigación
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Digital CSIC
• Resumen

  • “MEJORA DEL RIEGO POR ASPERSIÓN EN PARCELA: CARACTERIZACIÓN DE ASPERSORES A BAJA PRESIÓN, ESTUDIO DE DIFERENTES SISTEMAS DE MEDICIÓN DE GOTAS Y ANÁLISIS DEL MODELO BALÍSTICO.” La presente tesis se centra en la mejora del riego por aspersión en parcela a través de tres enfoques diferentes.

    1. Evaluación de un aspersor agrícola a baja presión de trabajo. Estudiar la calidad del riego en distintas condiciones de un aspersor a baja presión. Analizar las mejoras físicas introducidas en un aspersor de impacto para trabajar a baja presión.

    2. Análisis de la idoneidad de un disdrómetro comercial de nueva generación para su uso en investigación de riego por aspersión. Estudiar la fiabilidad de sus medidas en distintas condiciones.

    3. Reconstrucción de la trayectoria de las gotas emitidas por un aspersor para evaluar y proponer mejoras de un modelo balístico del riego por aspersión.

    1. Evaluación de un aspersor agrícola a baja presión de trabajo.

    Actualmente el precio de la energía en España está suponiendo un reto para los agricultores, haciendo necesaria la actualización de los sistemas vigentes para reducir el costo energético.

    El principal objetivo del riego por aspersión es la aplicación de agua de riego con uniformidad y eficiencia suficientemente elevadas como para minimizar la variabilidad de rendimiento de los cultivos. El indicador más usado en agricultura es el coeficiente de uniformidad de Christiansen (Christiansen, 1941), requiriendo la mayor parte de los riegos por aspersión agrícola un valor mínimo de uniformidad de reparto de agua (CU≥80%) para considerarlos aceptables. Valores bajos de los coeficientes de uniformidad a menudo indican una combinación incorrecta del número y tamaño de boquillas, presión de trabajo y/o espaciamiento de aspersores (Tarjuelo y col., 1992). La velocidad del viento (magnitud y dirección) influye también de manera significativa en la uniformidad del riego (Dechmi et al., 2003).

    Actualmente un gran inconveniente del riego por aspersión es la necesidad de energía para el funcionamiento del sistema en gran parte de las zonas transformadas. Esta energía, utilizada para proporcionar presión a la red de distribución de agua a través de un bombeo, tiene un coste elevado y que varía en función del día y la hora de riego. Las redes de riego de las comunidades de regantes están dimensionadas según un criterio económico que limita el riego simultáneo en todas las parcelas de la comunidad, por lo que no todos los usuarios pueden regar en los momentos en los que el precio de la energía es menor. Disponer de aspersores que trabajen con menos presión y boquillas que proporcionen una pluviometría similar a los utilizados hasta el momento sin mermar la uniformidad del riego permitiría reducir notablemente los costos de explotación. El reto actual consiste en conseguir riegos a bajas presiones que se adapten a las coberturas fijas existentes y encontrar la mejor solución para las nuevas zonas regables que se habilitan.

    Para riego por aspersión por cobertura total, las presiones de funcionamiento más comunes en España se sitúan entre 300 y 400 kPa. Las combinaciones de marcos y tamaños de boquilla más utilizadas son marcos triangulares (T) de 18x18 m y 18x15 m, y marcos cuadrados (C) de 15x15 m y 18x18 m, con boquillas de 4,0+2,4 mm, 4,4+2,4 mm y 4,8+2,4 mm. Disminuir la presión de funcionamiento de los aspersores lleva consigo una disminución del alcance del aspersor y por lo tanto la necesidad de un espaciamiento menor entre aspersores para mantener una correcta uniformidad. Con la presión adecuada, el chorro se rompe lo suficiente como para producir un patrón de reparto de agua aceptable. Los patrones de aplicación de agua óptimos son los triangulares, que permiten un buen solapamiento a la hora de realizar una cobertura con aspersores. Los patrones en forma tórica (similar a una rosquilla), típicos de bajas presiones, tienen comportamientos más irregulares frente al solapamiento y requieren distancias entre aspersores muy cortas, por lo que no son deseables. La necesidad de reducir los costos de energía en las explotaciones lleva consigo realizar investigaciones e inversiones que permitan el uso de bajas presiones compatibles con uniformidades que no disminuyan los rendimientos de los cultivos. Un objetivo importante es poder mantener la misma pluviometría, disminuir la presión y mantener los marcos de aspersión para actualizar al menor coste las instalaciones que ya funcionan.

    En 1991, Kincaid propuso una modificación en el aspersor a la que denominó difusión intermitente (Kincaid, 1991). Esta modificación consistía en un deflector unido a la pala del aspersor que impactaba de forma intermitente con el chorro permitiendo su difusión y obteniendo patrones de distribución de agua óptimos manteniendo un radio mojado amplio. Este deflector resultó especialmente beneficioso a bajas presiones de funcionamiento y en condiciones de viento. En la actualidad, varias empresas han retomado este tipo de diseño para mejorar la distribución de agua con bajas presiones de funcionamiento.

    En el capítulo I se ha estudiado un aspersor agrícola de impacto NaanDanJain5036 a presiones bajas de trabajo (170-210 kPa) y con tres tamaños de boquilla principal diferentes (4,5, 5,0 y 5,5 mm). Se ha evaluado la influencia en la distribución del agua de riego de las características que diferencian a este aspersor de otros modelos comerciales como son la presencia de placa deflectora y una mayor velocidad de giro.

    Posteriormente, en ensayos en cobertura total, se han realizado pruebas con el aspersor estudiado en marcos habitualmente utilizados en parcelas comerciales actuales (18x18C y 18x15T) para determinar su comportamiento en diferentes condiciones de velocidad de viento y con distintos tamaños de boquilla. Finalmente, se han contrastado los resultados obtenidos de uniformidad y pérdidas por evaporación de arrastre de las diferentes boquillas y marcos con los datos de velocidad de viento horarios en diferentes zonas de Aragón y relacionándolos con el calendario energético vigente.

    Los resultados obtenidos han sido los siguientes: 1- El aspersor estudiado es capaz de trabajar con una aceptable calidad del riego en el rango de presiones bajas estudiadas, suponiendo una mejora en el coste de producción.

    2- Los ensayos realizados con el aspersor aislado han determinado que la placa deflectora aumenta la pluviometría en los primeros metros del aspersor proporcionando una curva radial más adecuada para el solapamiento de aspersores y unos coeficientes de uniformidad mayores que los obtenidos en el mismo aspersor sin la placa deflectora. El aumento de la velocidad de giro no ha supuesto una mejoría salvo para el caso de la boquilla más grande (5,5 mm) y la presión más baja (170 kPa), que permite un aumento del coeficiente de uniformidad de hasta 9 puntos porcentuales según el marco a estudiar.

    3- Las pluviometrías aplicadas con las boquillas de 5 y 5,5 mm a baja presión son similares a las obtenidas por aspersores comerciales con boquillas más pequeñas.

    4- En cobertura total se observa cómo la uniformidad desciende a medida que aumenta la velocidad del viento, pero este descenso es mucho más acusado en el marco 18x18C que en el 18x15T. Sin embargo, a velocidades de viento bajas la uniformidad del marco 18x18C es mejor que la obtenida en el marco triangular. Es posible mantener CU superiores al 80% con vientos de hasta 3 m/s en marcos de 18x18C y con vientos de hasta 5 m/s en marcos de 18x15T.

    5- Las diferencias encontradas entre los coeficientes de uniformidad con presión de 300 kPa y presiones bajas son menores conforme disminuye el tamaño de la boquilla.

    6- La comparación de los resultados obtenidos con el aspersor estudiado con otros trabajos y aspersores diferentes muestran que el comportamiento es similar en condiciones parecidas.

    7- Es posible mejorar la calidad del riego de una determinada zona a través del análisis conjunto de los datos históricos de la velocidad del viento, el calendario energético vigente y los valores tabulados de uniformidad y pérdidas por evaporación y arrastre frente a la velocidad del viento en riego por aspersión. Marcos triangulares de 18x15T se adaptan mejor a zonas ventosas mientras que marcos de 18x18C son preferibles en zonas con velocidades de viento bajas.

    2. Analizar la idoneidad de un disdrómetro comercial para su uso en investigación de riego por aspersión.

    Los aspersores distribuyen el agua en forma de pequeñas gotas que se transportan por el aire. El estudio de estas gotas a través de la determinación de su diámetro, velocidad y trayectoria se ha empleado para diseñar y evaluar los sistemas de riego por aspersión, así como para desarrollar modelos de simulación de la calidad de estos sistemas. El tamaño, número y distribución de las gotas de un aspersor influyen en la uniformidad del riego y en los valores de pérdidas por evaporación y arrastre. De forma general, a menor tamaño de las gotas, mayor evaporación debida a las altas temperaturas y al arrastre por el viento. La frecuencia de cada clase de diámetro de gotas permite asimismo progresar en la simulación de la uniformidad del riego bajo distintas condiciones (Sudheer y Panda, 2000).

    En las últimas décadas han sido muchos los esfuerzos realizados para lograr una apropiada caracterización de las gotas. Como consecuencia se han descrito diferentes métodos (Magarvey, 1956; Joss y Waldvogel, 1967; Eigel y Moore, 1983; Kohl y DeBoer, 1984; Sudheer y Panda, 2000). Los métodos más relevantes para esta tesis son: - Método de fotografía de baja velocidad: Basada en la toma de fotografías de gotas a velocidad baja 1/100 seg. Las gotas aparecen como tubos donde se puede estimar su diámetro, su ángulo de caída y de forma indirecta la velocidad (Salvador y col, 2009). Tiene una gran precisión de medida pero es muy laborioso.

    - Métodos ópticos: Desde finales del siglo XX se han utilizado dos métodos para la caracterización de gotas tales como el análisis de la desviación de un láser al pasar un conjunto de gotas de diferentes características (Kincaid y col, 1996) y el disdrómetro óptico, que mide la atenuación de un flujo de luz al pasar gotas (Hauser y col., 1984; Montero y col., 2003).

    Los disdrómetros se han utilizado principalmente en estudios de precipitaciones naturales (Donnadieu, 1980; Hauser y col., 1984; Salles y col, 1998; Salles y Poesen, 1999), aunque también hay trabajos realizados en riego (Salles y Poesen, 1999; Montero y col., 2003; King y col., 2010). La principal ventaja de los disdrómetros es la recolección automática de los datos, lo que requiere poca mano de obra a diferencia de otros métodos. Sería muy interesante conocer la precisión de las mediciones de un disdrómetro en un riego por aspersión para ser utilizado en trabajos de caracterización de aspersores así como para la calibración y validación en los modelos balísticos de simulación de riego.

    En el capítulo II se han analizado las posibilidades de un disdrómetro óptico Parsivel para su utilización en la caracterización de la distribución de gotas aplicadas por un aspersor y comprobar si es posible adaptarlo al uso en investigación de riego por aspersión. Incluir las medidas tomadas por un disdrómetro en los modelos balísticos disminuiría la carga de trabajo que supone esta toma de medidas. Una particularidad del riego por aspersión es que las gotas no caen verticales sino con distintos ángulos de inclinación por lo que se ha calculado la variación que supone en la medida de diámetro y velocidad el ángulo de caída de la gota, así como el punto del haz de la banda láser por donde atraviesan las gotas. Asimismo, las medidas obtenidas por el disdrómetro se han comparado con las medidas obtenidas por la técnica de fotografía a baja velocidad (Salvador y col., 2009). Por medio de un modelo de diámetro de gota que tiene en cuenta la deformación a velocidad no terminal, basada en el número de Weber, se ha corregido el diámetro y la velocidad proporcionados por el disdrómetro y el diámetro proporcionado por la técnica fotográfica. Este modelo ha permitido obtener el diámetro equivolumen de las gotas deformadas que no viajan a velocidad terminal y ha permitido ajustar también la velocidad proporcionada por el disdrómetro. Se ha observado que el disdrómetro realiza medidas del mismo orden a las proporcionadas por el método fotográfico, especialmente en lo que a velocidad de caída se refiere. El disdrómetro tiene, por lo tanto, utilidad a la hora de medir distribución de tamaños de gota pero para datos muy precisos como los necesarios en la validación del modelo balístico es recomendable recurrir a la técnica fotográfica.

    Los resultados obtenidos pueden resumirse en los siguientes puntos: 1- El uso del disdrómetro resulta adecuado para la caracterización de distribuciones de gotas emitidas por un aspersor agrícola, así como para la medida aproximada de la velocidad de las mismas, aunque para estudios más detallados se recomienda la técnica fotográfica por su mayor fiabilidad. Para realizar calibraciones o aportaciones al modelo balístico también se recomienda la técnica fotográfica.

    2- Se ha observado que el disdrómetro registra un número superior de gotas a las emitidas, siendo estas diferencias mayores en las gotas de menos de 1 mm. Eliminar las gotas menores de 1 mm permite obtener un número similar de gotas a las emitidas.

    3- Se pueden distinguir y eliminar fácilmente las gotas que atraviesan la banda láser por el extremo proporcionando medidas incorrectas.

    4- Las medidas de diámetro y velocidad obtenidas por el disdrómetro presentan una mayor dispersión que las obtenidas por la técnica fotográfica.

    5- La medida del diámetro y velocidad no son completamente homogéneas en todo el ancho de la banda láser, especialmente en el caso de gotas de mayor tamaño. Existen variaciones de hasta ±0,35 mm en diámetro y ±0,25 m/s en velocidad. Sin embargo en los valores de diámetro y velocidad medios no hay diferencias.

    6- El ángulo de inclinación gota/disdrómetro afecta a las medidas de velocidad y diámetro. El tamaño de las gotas influye en las diferencias encontradas. Así, respecto al diámetro, las diferencias obtenidas oscilan entre +0,3 a +0,5 mm en gotas menores de 5 mm y -0,6 mm en gotas ≥5 mm. Las menores diferencias se dan en el ángulo de 15º. Respecto a la velocidad, para gotas de hasta 5 mm la velocidad aumenta hasta +0,3 m/s para ángulos de 15º y 30º, y disminuye hasta -0,4 m/s para inclinaciones de 45º. Para gotas mayores de 5 mm la velocidad es la misma a 15º y disminuye hasta 0,7 m/s en inclinaciones de 30º a 45º.

    7- El disdrómetro realiza una corrección en el diámetro de la gota detectada pero, dado que las gotas emitidas por un aspersor no alcanzan la velocidad terminal, esa corrección no resulta apropiada. El diámetro medio volumétrico del mismo grupo de gotas medido con el disdrómetro aumenta conforme aumenta la altura de caída llegando a suponer hasta un 18,7% más. Se ha propuesto un modelo de deformación de gota dependiente de la velocidad y tamaño de la misma. Este modelo permite ajustar los valores de diámetro de gota tomados con la técnica fotográfica y los medidos por el disdrómetro y corregir también la medida de la velocidad proporcionada por el disdrómetro.

    8- Con este modelo, las medidas del disdrómetro y las tomadas con la técnica fotográfica son más coincidentes y las diferencias entre diámetros medios volumétricos son menores (13% en promedio). De todas formas sigue habiendo discrepancias entre el diámetro equivalente de las gotas emitidas a baja altura (0,4 m) y las de mayor altura (1,6 y 3,5 m), por lo que sería necesaria una corrección mayor especialmente en las gotas menores de 5 mm.

    9- Una vez realizadas las correcciones de diámetro y el ajuste de la velocidad correspondiente, se observa una menor dispersión en las medidas del disdrómetro y un mayor ajuste tanto en diámetro como en velocidad.

    10- Se observa que la velocidad de las gotas tomada con la técnica fotográfica respecto a la velocidad teórica de caída es coincidente a 0,4 m pero es menor conforme aumenta la velocidad de caída, lo que sugiere que hay un coeficiente de resistencia mayor al convencional que afecta a las gotas en su trayectoria.

    11- El disdrómetro proporciona unas medidas bastante ajustadas a la realidad, por lo que permitiría su uso para caracterización de aspersores aunque las medidas no son lo suficientemente precisas como para utilizarlas en la calibración de modelos balísticos.

    3. Reconstrucción de trayectoria de gotas a partir de medidas de diámetro y velocidad.

    El desarrollo de modelos balísticos ha resultado muy útil para estimar la distribución del agua sobre la superficie del suelo, incluyendo el efecto de las pérdidas por evaporación y arrastre (De Wrachien y Lorenzini, 2006), así como para estimar otros aspectos como compactación del suelo debida al riego (Thompson y James, 1985). Los modelos balísticos simulan la trayectoria de gotas de diferentes diámetros emitidas por un determinado modelo de aspersor y boquillas, con determinados valores de altura sobre el suelo, presión de trabajo y velocidad del viento (Fukui y col., 1980; Vories y col., 1987; Carrión y col., 2001; Playán y col., 2006). La aplicación del procedimiento inverso permite estimar la distribución de tamaños de gotas a partir de la curva radial de aplicación de agua del aspersor (Carrión y col., 2001; Playán y col., 2006). Sin embargo, cuando se dispone de medidas experimentales de diámetros de gotas es posible realizar la simulación a partir de datos reales y validar así los modelos de simulación.

    La velocidad y la trayectoria de la gota en su vuelo desde la boquilla al suelo dependen de diversos factores siendo los más importantes el tipo de aspersor y boquilla, los parámetros hidráulicos a los que opera y las condiciones medioambientales del lugar donde se ubica. La teoría balística constituye el método más usado para la simulación del riego por aspersión (Fukui y col., 1980; Vories y col., 1987; Carrión y col., 2001; Playán y col., 2006). Sin embargo, no existe un modelo balístico generalizable para cualquier aspersor o condiciones de funcionamiento.

    La teoría balística se basa en la hipótesis de que las gotas se forman en la boquilla del aspersor y viajan individualmente por el aire según las ecuaciones de la balística, a partir de la velocidad inicial del chorro a su salida de la boquilla (Fukui y col., 1980). Debido a la complejidad de analizar el chorro que sale del aspersor se realizan las siguientes simplificaciones: 1- El chorro de agua se disgrega a la salida de la boquilla en forma de gotas individuales y de diferentes diámetros que se mueven independientemente en el aire.

    2- El coeficiente de resistencia aerodinámica no depende de la altura del aspersor respecto a la superficie del suelo, el ángulo de inclinación con el que sale el chorro, la velocidad del viento y el diámetro de la boquilla.

    3- Las gotas de diferentes diámetros caen a diferentes distancias (Carrión y col., 2001). Sin embargo, los resultados obtenidos al medir las gotas muestran gotas pequeñas a todas las distancias del aspersor que son difícilmente explicables con la teoría balística actual. En el capítulo III se ha reconstruido la trayectoria de las gotas desde el chorro del aspersor hasta diversos puntos de medida. En este estudio se ha utilizado el modelo balístico (Playán y col., 2006) de forma inversa, con intervalos de tiempo negativos, partiendo de medidas de diámetro, velocidad y ángulo de gotas tomados con la técnica fotográfica. Al utilizar el modelo balístico de forma inversa ha sido posible estimar la trayectoria de las gotas desde el punto de toma de datos hasta un punto cercano al chorro principal del aspersor. Sin embargo, esta trayectoria no ha sido adecuada en todos los casos debido a las limitaciones que presenta el modelo balístico. Se ha comprobado que, para una gota de tamaño dado, pequeñas variaciones del coeficiente de resistencia del aire modifican considerablemente la trayectoria de la gota. Se ha concluido que es necesario modificar el actual modelo introduciendo un modelo de diámetro de gota como el utilizado en el capítulo II y un modelo de resistencia aerodinámica que permita obtener la resistencia aerodinámica individual de cada gota.

    Con las trayectorias inversas de las gotas se ha podido estimar la cantidad de agua que desvía la pala del aspersor. También se ha estimado el volumen de agua que se desprende del chorro principal a lo largo de su trayectoria y el punto de origen de las gotas observándose que las gotas más grandes se desprenden en puntos más alejados de la boquilla del aspersor y las gotas más pequeñas se desprenden a lo largo de toda la trayectoria del chorro principal.

    Resultados: - Mediante fotografías ha sido posible reconstruir la trayectoria principal del chorro del aspersor.

    - Por medio de la técnica fotográfica a baja velocidad se han podido caracterizar las gotas, y ha sido posible determinar la cantidad de agua que desvía la pala de este aspersor en las condiciones de trabajo (11,5% del volumen). La cantidad obtenida concuerda con la estimada en otros estudios y da idea de la representatividad de las medidas.

    - La velocidad de las gotas varía a lo largo de su trayectoria siendo mayor en la zona más cercana al chorro principal, disminuyendo conforme se aleja del punto de origen. En el momento en el que la componente vertical de la trayectoria se hace más acusada vuelve a aumentar la velocidad de caída.

    - La trayectoria inversa permite estimar el punto aproximado del chorro principal en el que se desprenden las gotas y muestra la generación de gotas de tamaño pequeño a diferentes distancias del aspersor.

    - Al reconstruir la trayectoria inversa de las gotas medidas a la altura del aspersor (0 m) se observa que el punto de origen de las gotas no alcanza en muchos casos la trayectoria del chorro principal. Esto hace suponer que la resistencia aerodinámica de las gotas es mayor de lo que se ha estimado en la realización del modelo. Se muestra un ejemplo de cómo variando el coeficiente de resistencia aerodinámica mínimamente el origen de las gotas es sustancialmente diferente.

    - Sin embargo, en los puntos de medida de gotas más altos (0,9 y 1,4 m) se observa que algunas de las trayectorias de gotas sobrepasan el chorro principal. Esto parece indicar que existe un efecto colaborativo entre gotas que se da en zonas próximas al chorro provocando una disminución de la resistencia aerodinámica en las cercanías al chorro principal.

    - La velocidad a la que abandonan las gotas el chorro principal disminuye conforme el origen de las mismas está más alejado del aspersor. Esto parece indicar que aunque la estructura compacta del chorro disminuye su resistencia aerodinámica, ésta es capaz de frenar la velocidad de salida de las gotas. La resistencia aerodinámica sufrida por el chorro debería tenerse en cuenta en los modelos balísticos.

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