Desarrollo de modelos de riego por aspersión en cobertura total y pivote central
- Autores: Sofiane Ouazaa
- Directores de la Tesis: Javier Burguete Tolosa (dir. tes.), Valvanera Zapata Ruiz (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2015
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Miguel Ángel Moreno Hidalgo (presid.), Francisco Javier García Ramos (secret.), Juan Antonio Rodríguez Díaz (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Digital CSIC
- Resumen
En el valle del Ebro, área en la que se desarrolla esta tesis, el riego por aspersión ha sido el más extendido en los procesos de modernización. Esta tesis está orientada a la mejora y ampliación del campo de aplicación de los modelos de riego por aspersión en cobertura total y en máquinas autopropulsadas tipo pivote desarrollados por el grupo RAMA.
En primer lugar, se adaptó el modelo balístico presentado por Playán et al. (2006) y modificado por Burguete et al. (2007) para simular el funcionamiento de riego por aspersión de los aspersores sectoriales (círculo parcial, PC) y los aspersores con placa deflectora (DP), que se corresponden con las soluciones de campo más utilizadas para el riego de los bordes de las parcelas. Se diseñaron dos tipos de experimentos de campo, los primeros se llevaron a cabo con un aspersor aislado en condiciones de viento en calma con el objetivo de estimar los parámetros de distribución del tamaño de las gotas. La segunda serie de ensayos se realizó en una parcela de riego por aspersión equipada con una cobertura fija bajo condiciones de viento, con el objetivo de calibrar y validar los parámetros del modelo balístico que caracterizan la deformación del patrón de reparto de agua en presencia de viento. El diseño experimental de esta segunda serie de ensayos, permitió comparar las dos soluciones del riego de los bordes en las mismas condiciones técnicas y meteorológicas. Las comparaciones entre los diferentes diseños (DP o PC) se establecieron en términos de calidad de riego y rendimiento del cultivo para una parcela comercial. Los resultados indican que las diferencias entre ambas soluciones fueron insignificantes en el rendimiento de maíz (<1%), aunque las láminas de agua aplicada fueron ligeramente diferentes (¿7%). La forma de la parcela, y en concreto, la superficie de borde respecto a la total, tiene un gran peso en el análisis de la solución más adecuada. Así, en el caso de una parcela larga y estrecha con una superficie de borde de un 30% respecto a la total, el aspersor con DP resultó ser el más adecuado para equipar las zonas de borde. En el análisis se incluyen los costes de inversión, de explotación y los ingresos por cosecha, en este caso, de un cultivo de maíz.
La extensión de los esfuerzos recientes en la simulación balística de los aspersores de impacto a los emisores de máquinas de riego automotrices ha sido uno de los objetivos de esta tesis. La modelización del reparto de agua de estos emisores precisa, antes de poder aplicar la teoría balística, la determinación de la velocidad con la que salen las gotas/chorro del emisor tras su choque con el plato deflector. Las pérdidas de carga producidas por el impacto del chorro con la placa deflectora para boquillas de plato fijo (FSPS) y de plato rotatorio (RSPS) se caracterizaron experimentalmente. Para ello, se utilizó la técnica fotográfica de baja velocidad que permite determinar, el diámetro, la velocidad y el ángulo de la trayectoria de las gotas (Salvador et al., 2009) que salen de un emisor o de un plato deflector. Esta caracterización se realizó para ambos modelos de boquillas, bajo dos presiones de trabajo y un rango amplio de tamaños de boquilla (desde 2 mm a 9 mm). Tras conocer la velocidad de salida de las gotas se aplicó el modelo balístico a los ensayos de campo para calibrar y validar los parámetros del modelo (D50, n, K1 y K2). Los resultados de medida de la velocidad de las gotas muestran que las pérdidas de carga que ocasionan los platos deflectores se reducen al aumentar el tamaño de la boquilla hasta alcanzar un valor mínimo, a partir del cual aunque aumente el tamaño de boquilla, las pérdidas se mantienen constantes. El modelo calibrado y validado reproduce de forma satisfactoria los patrones de reparto de agua tanto en condiciones de viento en calma (r = 0,98 y r = 0,99 para FSPS y RSPS, respectivamente), como en condiciones de viento medio-alto (r = 0,76 y r = 0,96 para FSPS y RSPS, respectivamente). Para simular el reparto de agua de los emisores en condiciones de viento no ensayadas en campo, pero dentro del rango de evaluación, se establecieron relaciones entre los parámetros de corrección de la resistencia aerodinámica (K1¿ y K2¿) y la velocidad del viento. Estas relaciones se validaron con ensayos de campo, dando lugar a resultados satisfactorios.
Otro de los retos de la simulación del riego con máquinas automotrices de aspersión ha sido la incorporación del movimiento intermitente y discontinuo de las torres. Hasta el momento, en la literatura sólo se había analizado este efecto en el reparto del agua de una máquina pivote de forma experimental, sin que los ensayos permitiesen llegar a resultados concluyentes. En el caso de la simulación, Omary y Sumner (2001) incorporaron a la simulación del riego de un pivote central el movimiento intermitente pero no discontinuo de las torres, es decir, suponiendo que las torres marchan y paran a la vez de forma alineada. En esta tesis se caracterizó experimentalmente el movimiento intermitente y discontinuo de las torres de un pivote comercial instalando un GPS de alta precisión en cada una de las torres. Con los resultados de un total de 59 riegos se caracterizaron las velocidades de las torres y los ángulos de conmutación que accionan la marcha y el paro de cada una de ellas. El estudio determinó que tanto las velocidades de las torres como los ángulos de conmutación presentan una distribución normal con un coeficiente de variación pequeño. Se propuso un modelo de movimiento en el que cada torre se mueve con la velocidad media medida y los ángulos de marcha y paro adoptan también el valor medio medido que varía aleatoriamente en el rango de más o menos una desviación estándar. El modelo de simulación del movimiento de las torres se acopló al modelo de reparto de agua de los emisores. El pivote central se equipó con emisores de plato fijo (FSPS) y se evaluaron cinco eventos de riego utilizando pluviómetros. Se validó el modelo acoplado del movimiento de las torres y de distribución de agua de los emisores con los datos de las evaluaciones de riego. Además, se utilizó la herramienta de simulación para evaluar el efecto de la calidad de la alineación de las torres, la velocidad de desplazamiento del pivote central y las condiciones de viento en la calidad de riego. Se realizaron comparaciones en términos de uniformidad de riego radial, circular y total. Los resultados indican que la dinámica de las torres del pivote evaluado, que presenta un desfase en el ángulo de conmutación de 0.5º tiene un efecto despreciable en la uniformidad de riego. El efecto en la uniformidad del riego comienza a ser relevante cuando el ángulo de desfase es igual o mayor a 5º. En las condiciones de este trabajo, la velocidad del viento presenta un claro efecto sobre la uniformidad. A medida que aumenta la velocidad del viento la uniformidad disminuye hasta un valor a partir del cual la uniformidad mejora. Se requiere seguir con el trabajo de investigación para ampliar el campo de aplicación del modelo a otro tipo de emisores de riego y para otros diseños de máquinas de riego.
En el último capítulo de la tesis se ha realizado un avance en el desarrollo de la herramienta de simulación de riego con máquinas pivote. La principal novedad es que se ha incorporado la posibilidad de simular la variabilidad meteorológica que se produce a lo largo del riego. El tiempo que tarda en completarse el riego con una máquina pivote, si bien depende de varios factores (características y tamaño de la máquina y velocidad de giro programada), es de varias horas (entre 12 y 24 horas son valores muy comunes). Esta duración hace que las condiciones meteorológicas del riego en las diferentes zonas del pivote sean diferentes. Se analizó en riegos largos y con variabilidad meteorológica el efecto de considerar una meteorología promedio, o el de considerar la variabilidad real, en el patrón de distribución de agua. Además, se abordó un análisis global, de toda la campaña de riego, del efecto que tanto la alineación de las torres como la variabilidad meteorológica tienen en la distribución del agua de riego y el efecto que esta variabilidad tiene en la producción de un cultivo de maíz. Para ello se analizó la campaña de riegos aplicada a un cultivo de maíz el año 2013 en el pivote comercial descrito en el capítulo anterior. En esta ocasión el pivote se equipó con boquillas de tipo rotatorio (RSPS). Se instaló una estación meteorológica automática que registró cada segundo a lo largo de la campaña de riegos los meteoros, temperatura, humedad relativa, pluviometría y velocidad y dirección del viento. Se evaluaron un total de 10 riegos con radios pluviométricos para validar el modelo de distribución de agua de los emisores RSPS. Se realizó la cosecha del maíz con cosechadora comercial equipada con GPS. Se utilizaron los registros de posicionamiento de las torres (capítulo anterior) de cada uno de los riegos aplicados al maíz para reproducir el movimiento real de las torres. Asimismo, se simuló la dinámica de las torres de cada uno de los riegos con el modelo de movimiento propuesto en el capítulo anterior. Se simuló la distribución de agua de toda la campaña de riegos con: 1) la dinámica de las torres medida, 2) la dinámica de las torres simulada; 3) la dinámica de las torres suponiendo que se mueven de forma alineada; 4) la meteorología medida cada segundo y 5) la meteorología promedio de cada riego. Además, se simuló la producción del maíz acoplando el modelo de distribución de agua del pivote (simulada bajo los supuestos anteriores) con el modelo de cultivos presentado en Dechmi et al. (2004). La producción simulada de los diferentes casos se comparó con la producción medida en campo. Los resultados indican que en la distribución de agua de toda la campaña de riegos considerar que las torres se mueven de forma alineada, o con su movimiento real o con el movimiento simulado no presentan diferencias significativas. Esto es así porque los mecanismos de alineación están bien regulados y el ángulo de desfase permitido en la máquina estudiada es muy pequeño. En cuanto a la meteorología, los resultados indican que la consideración de unas condiciones medias en la simulación de un riego frente a la simulación de la variabilidad meteorológica real sí que tiene efecto en la distribución de agua, tanto para riegos individuales que presentan variabilidad como cuando el análisis se hace de forma estacional. La variabilidad en el reparto de agua debido a la variabilidad del viento intra-riegos se aprecia al comparar las simulaciones en las que se considera el viento variable o el viento constante a lo largo del riego. Estas diferencias observadas en los patrones gráficos de distribución de agua no se recogen cuando se analizan coeficientes de dispersión como el CUC o la desviación estándar. El patrón de reparto de agua se traslada al patrón de distribución de la producción cuando se utiliza aquél para simular éste. Considerar la variabilidad del viento intra-riegos en la simulación del reparto de agua mejora la simulación del reparto de agua y de la producción del cultivo. La variabilidad de la producción medida está correlacionada con la cantidad de agua recibida y también con la producción simulada. A pesar de ello, hay zonas que no guardan relación debido al resto de factores no considerados que también afectan al rendimiento, como son las características del suelo, la fertilización, el ataque de plagas, los problemas de nascencia, etc.
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