Increasing the efficiency of water and energy use in agriculture is of vital importance in the face of climate change Selim et al. (2018), so it is necessary to generate adaptation actions that allow adjusting planning, operation and evaluation processes of irrigation service Ojeda et al. (2012). In this context, different efficiency indicators have been proposed (De Lima et al., 2008, Rodríguez et al., 2011, Schons et al., 2012, Bolognesi et al., 2014 and Won et al., 2016), fundamental factors to help in the decision-making process regarding improvements in the water distribution system, in order to optimize energy and economic consumption (Tarjuelo et al., 2015).

There are multiple indicators of water efficiency; the most common are irrigation efficiency and water use efficiency. Low efficiency in irrigation systems affects agricultural yields (Camejo et al., 2017 and Zhuo and Hoekstra, 2017). The efficiency of the sprinkler irrigation system can be evaluated by the Uniformity Coefficient of Heerman and Hein and by the Efficiency of Application, while the specific energy in these systems is evaluated through specific power or consumption indicators (De Almeida et al., 2017). For example, in Brazil, they can be characterized in terms of their specific consumption between 0,2 to 0,6 kWh m³ (De Lima et al., 2008). However, they are not sufficient to characterize the overall efficiency of an irrigation system (López et al., 2017).In this sense, the objective of this work is to analyze the efficiency criteria for the evaluation of projects and operation of sprinkler irrigation in the agricultural companies Cubasoy and La Cuba of various crops, in the province of Ciego de Ávila.

The research was carried out in the enterprises Cubasoy and La Cuba in the hydrogeological sector south CA-II-1 and north CA-I-8, while their average water levels behave in 9.66 m and 17.53 m, respectively, according to the historical series of 30 years (1985 to 2015). Table 1 shows the characteristics of the central pivot irrigation system that were analyzed.

Table 2 shows the results of the variables measured in the irrigation systems. It is observed that the flows in the irrigation systems range between 60,10 to 76,67 L/s. However, the manometric heights of the centrifugal pumps were superior in the Cubasoy Company and it, consequently, reached an average electrical consumption of 69%. The prevailing wind speeds in the central pivots are classified as low winds according to Tarjuelo (2005), which favorably influences an application efficiency for 80% of the adequately irrigated area from 77,30% to 82,80%; values higher than those reached by Román et al. (2013) and similar to those obtained by Palacios et al. (2017).

Table 3 shows the results of the power dissipated by each of the components of the irrigation system. It is appreciated that the highest energy consumption in the pumping station 3116 is 19,71 kW and a power dissipated in the irrigation system of 33,03 kW, this registered the lowest efficiency of the pump set of 62,78% product to the operation time. However, the rest of the efficiencies of the motor pump set in the other irrigation systems ranged from 69,5 to 74,10% classified as excellent according to Abadia et al. (2008). The favorable results were in Lango pumping station with dissipated power of 4,37 kW and a power dissipated in the irrigation system of 17,24 kW.

Figure 1 shows the percentages of the power dissipated in each element of the irrigation system. It is confirmed that the component with the highest power consumption is the pump-motor assembly and the 3116 consumes 40,78% of its electrical energy to convert it into energy, while the pumping station 3120 only uses 28,68%. These obtained values are close to those reached by De Lima et al. (2008). In Figure 1, in the laterals of the central pivots, the dissipated powers oscillate from 24,20% to 29,59% with lengths of 309 m to 451 m. The pivot 3116, equipped with the Rotator sprinkler, achieved a lower dissipated power of 15,96%, which is higher than those obtained by De Lima et al. (2008), parameter that is attributed to the years of the irrigation system in operation without receiving adequate maintenance. However, the useful powers of the central pivots of Cubasoy Company were superior to those of the Cuba, because it uses the highest hydraulic variables, flow and pump gauge height and, consequently, electrical power.

The stratification of the power dissipated in each component of the irrigation systems provides a view of the loss of energy, but according to De Lima et al. (2008), it is restricted because it is considered that all the water pumped is harvested by the crop. Therefore, it is necessary to obtain indicators expressed in terms of the efficiency of application.

Table 4 shows the results of the hydraulic and energetic efficiency of the central pivot irrigation system. The most favorable pivot to the consumption of useful energy was that of Lango with 3,93 kWh ha^-1 and the highest consumption was in the pivot 3116 with 9,55 kWh ha-1 for 80% of the area adequately irrigated at 81,40% and 81,02% of the application efficiency of the irrigation system, respectively. However, the specific energy consumption for pumping one cubic meter ranged from 0,18 kWh m^-3 to 0.32 kWh m^-3. These results are lower than those obtained by De Lima et al. (2008), Schons et al. (2012) and Brenon et al. (2018), due to the study areas of these authors show topographic differences greater than 20 m. However, the comparison of specific values of energy consumption to refer to pumping stations must be made with caution because of the different factors involved.

The pivot with the best performance of the normalized energy consumption of the pump-motor assembly was the 2415 with 0,31 kWh m^-3 100^-1 m^-1, which means that the operating point of the irrigation system operates with a stable efficiency over 80%. However, it was identified that the selection of the pump-motor assembly for the pivot 3116 was not the most suitable, because it has the highest consumption of 0.36 kWh m^-3 100^-1 m^-1. However, the results obtained are lower than those determined by De Lima et al. (2008) and Schons et al. (2012).

Figure 2 shows the specific energy consumption normalized in irrigation. It is observed that the pivot 2415 obtains the lowest specific energy consumption normalized in the irrigation of 17.16 kWh to provide one millimeter of water in 80% of the adequately irrigated area, when the geometric height is less than 100 m. However, Figure 3 shows the percentage of energy actually used and the 2415 system reaches 15.80% with a higher percentage of energy actually used in irrigation. That means that the pump-motor assembly, the pipes, the leakage, water losses, pressure regulators, sprinklers and water losses due to evaporation and drag dissipate 84.20% of the energy.

In general, Figures 1 and 2 show that the central pivots of Cubasoy Company have lower specific energy consumption and, in turn, greater energy actually used in irrigation. This result is due to the sensitivity analysis performed to the energy indicators that for each 1 kW of power measured in the electric motor, the specific energy consumption normalized in irrigation is 0,25 kWh mm^-1 ha^-1 100^-1 m^-1. While, for every 1 m of topographic difference between the water level in the well and the sprinkler in the most unfavorable condition of the system, increases 0,88% the percentage of energy actually used. These factors are also due to the characteristics of the curves of the centrifugal pumps placed in the pressure irrigation systems.

The stratification of the power dissipated in each component of the irrigation system allowed identifying the pumping station with the highest energy consumption for the immediate maintenance of its elements. The central pivot 2415 reached the best performance of the efficiency indicators with a normalized energy consumption of the pump-motor set of 0,31 kWh m^-3 100^-1 m^-1, a specific energy normalized in the irrigation of 17,16 kWh mm^-1 ha^-1 100^-1 m^-1 at an application efficiency of 82,80% for 15,80% of energy actually used in irrigation.

It is reaffirmed that efficiency criteria contribute to the valorization of efficient irrigation technologies for the project modality and in the specific operation conditions for optimum crop productivity, based on a sustainable use of natural resources; as well as it allows improving the decision making for the previous maintenance.

Incrementar la eficiencia del uso del agua y la energía en la agricultura es de vital importancia ante el cambio climático Selim et al. (2018), por lo que es necesario generar acciones de adaptación que permitan ajustar el proceso de planificación, operación y evaluación del servicio del riego Ojeda et al. (2012). En este contexto se han propuesto diferentes indicadores de eficiencia De Lima et al. (2008); Rodríguez et al. (2011); Schons et al. (2012); Bolognesi et al. (2014); Won et al. (2016), factores fundamentales para ayudar en el proceso de toma de decisiones con respecto a las mejoras en el sistema de distribución de agua, a fin de optimizar el consumo energético y económico Tarjuelo et al. (2015).

Existen múltiples indicadores de eficiencia del agua, los más comunes son la eficiencia del riego y la eficiencia del uso del agua. Una baja eficiencia en los sistemas de riego afectan a los rendimientos agrícolas Camejo et al. (2017); Zhuo y Hoekstra (2017). La eficiencia del sistema de riego por aspersión puede ser evaluada por el Coeficiente de Uniformidad de Heerman y Hein y por la Eficiencia de Aplicación; mientras que, la energía específica en estos sistemas es a través de indicadores de potencia o consumo específico De Almeida et al. (2017). Por ejemplo, en Brasil pueden ser caracterizados en cuanto a su consumo específico entre 0,2 a 0,6 kWh·m^-3 (De Lima et al., 2008). Sin embargo, no son suficientes para caracterizar la eficiencia global de un sistema de riego (López et al., 2017). En este sentido, el objetivo de este trabajo es analizar los criterios de eficiencia para la evaluación de proyectos y operación del riego por aspersión en la empresa agropecuaria Cubasoy y cultivos varios La Cuba de la provincia de Ciego de Ávila.

La investigación se desarrolló en la empresa Cubasoy y La Cuba dentro del sector hidrogeológico sur CA-II-1 y norte CA-I-8, mientras que sus niveles freáticos promedio se comportan en 9,66 m y 17,53 m respectivamente, según la serie histórica de 30 años (1985 a 2015). En la Tabla 1 se muestran las características del sistema de riego de pivote central que se analizaron.

En la Tabla 2 se muestran los resultados de las variables medidas en los sistemas de riego. Se observa que los caudales en los sistemas de riego oscilan entre 60,10 a 76,67 L/s. Sin embargo, las alturas manométricas de las bombas centrífugas son superiores en la empresa Cubasoy y consecuentemente alcanzó mayor consumo eléctrico promedio de 69%. Las velocidades del viento predominante en los pivotes centrales se clasifican como vientos bajos según Tarjuelo (2005), lo que influye favorablemente en una eficiencia de aplicación para el 80% del área adecuadamente regada de 77,30% a 82,80%; valores superiores a los alcanzados por Román et al. (2013) y similares a los obtenidos por Palacios et al. (2017).

En la Tabla 3 se muestran los resultados de la potencia disipada por cada uno de los componentes del sistema de riego. Se aprecia que el de mayor consumo energético es la estación de bombeo 3116 es de 19,71 kW y una potencia disipada en el sistema de riego de 33,03 kW, éste registró la menor eficiencia del conjunto bomba motor de 62,78% producto al tiempo de operación. No obstante, el resto de las eficiencias del conjunto bomba motor de los demás sistemas de riego osciló de 69,5 a 74,10% clasificado como excelente según Abadia et al. (2008). Los resultados favorables fue la estación de bombeo de Lango con potencia disipada de 4,37 kW y una potencia disipada en el sistema de riego de 17,24 kW.

En la Figura 1 se muestran los porcentajes de la potencia disipada en cada elemento del sistema de riego. Se ratifica que el componente de mayor consumo de potencia es el conjunto bomba-motor y el 3116 consume el 40,78% de su energía eléctrica para convertirla en energía, mientras que, la estación de bombeo 3120 solo emplea el 28,68%. Estos valores obtenidos son próximos a los alcanzados por De Lima et al. (2008). En la Figura 1 los laterales de los pivotes centrales las potencias disipadas oscilan de 24,20% a 29,59% con longitudes de 309 m a 451 m. El pivote 3116 dotado del aspersor Rotator alcanzó menor potencia disipada de 15,96%, dicho valor es superior respecto a los obtenidos por De Lima et al. (2008), parámetro que se le atribuye a los años del sistema de riego en funcionamiento sin recibir el mantenimiento adecuado. Sin embargo, las potencias útiles de los pivotes centrales de la empresa Cubasoy soy superiores respecto a los de la Cuba, debido a que emplea las mayores variables hidráulicas, caudal y altura manométrica de la bomba y consecuentemente la potencia eléctrica.

La estratificación de la potencia disipada en cada componente de los sistemas de riego proporciona una visión de la pérdida de energía, pero de acuerdo con De Lima et al. (2008) queda restringido porque considera que toda el agua bombeada es aprovechada por el cultivo, por tanto, es necesario obtener indicadores expresados en función de la eficiencia de aplicación.

En la Tabla 4 se exponen los resultados de la eficiencia hidráulica y energética del sistema de riego de pivote central, el pivote más favorable al consumo de energía útil fue el de Lango con 3,93 kWh·ha^-1 y el de mayor consumo el pivote 3116 con 9,55 kWh·ha^-1 para el 80% del área adecuadamente regada al 81,40% y 81,02% de la eficiencia de aplicación del sistema de riego respectivamente. Sin embargo, los consumos de energía específica para bombear un metro cubico oscilaron entre 0,18 kWh·m^-3 a 0,32 kWh·m^-3. Esto resultados son inferiores con respecto a los obtenidos por De Lima et al. (2008); Schons et al. (2012); Brenon et al. (2018), producto a que las áreas de estudios de estos autores presentan desniveles topográficos superiores a los 20 m. No obstante, la comparación de valores específicos de consumo de energía para referirse a estaciones de bombeo debe hacerse con precaución por los diferentes factores que intervienen.

El pivote con mejor desempeño del consumo de energía normalizada del conjunto bomba-motor fue el 2415 con 0,31 kWh·m^-3·100^-1·m^-1, lo que significa que el punto de funcionamiento del sistema de riego opera con una eficiencia estable superior al 80%. Sin embargo, se identificó que la selección del conjunto bomba-motor para el pivote 3116 no fue el más adecuado, porque posee el mayor consumo de 0,36 kWh·m^-3·100^-1·m^-1. No obstante, los resultados obtenidos son inferiores a los que determinó De Lima et al. (2008); Schons et al. (2012).

En la Figura 2 se muestra el consumo de energía específica normalizada en el riego. Se observa que el pivote 2415 obtiene el menor consumo de energía específica normalizada en el riego de 17,16 kWh para proporcionar un milímetro de agua en el 80% del área adecuadamente regada, cuando la altura geométrica es inferior de 100 m. Sin embargo, en la Figura 3 se muestra el porcentaje de energía realmente aprovechado y el sistema 2415 alcanza 15,80% con mayor porcentaje de energía realmente aprovechado en el riego; lo que significa que el 84,20% de la energía es disipada por el conjunto bomba-motor, las tuberías, las pérdidas de agua por fuga, los reguladores de presión, aspersores y pérdidas de agua por evaporación y arrastre.

De forma general en las Figuras 1 y 2 se observa que los pivotes centrales de la empresa de Cubasoy presentan menor consumo de energía específica y a su vez mayor energía realmente aprovechada en el riego. Este resultado se debe al análisis de sensibilidad realizado a los indicadores energéticos se obtuvo que por cada 1 kW de potencia medido en el motor eléctrico el consumo de energía específica normalizada en el riego es de 0,25 kWh·mm^-1·ha^-1·00^-1·m^-1. Mientras que, por cada 1 m de desnivel topográfico entre el nivel del agua en el pozo y el aspersor en la condición más desfavorable del sistema, aumenta 0,88% el porcentaje de energía realmente aprovechado. Estos factores también se deben a las características de las curvas de las bombas centrífugas colocadas en los sistemas de riego a presión.

La estratificación de la potencia disipada en cada componente del sistema de riego permitió identificar la estación de bombeo con mayor consumo de energía para su inmediato mantenimiento de sus elementos.

El pivote central 2415 alcanzó el mejor desempeño de los indicadores de eficiencia con un consumo de energía normalizada del conjunto bomba-motor de 0,31 kWh·m^-3·100^-1·m^-1, una energía específica normalizada en el riego de 17,16 kWh·mm^-1·ha^-1·100^-1·m^-1 a una eficiencia de aplicación de 82,80% para 15,80% de energía realmente aprovechado en el riego.

Se reafirma que los criterios de eficiencia contribuyen a la valorización de las tecnologías de riego eficientes para la modalidad de proyecto y en las condiciones específicas de explotación para la óptima productividad del cultivo, a partir de un uso sostenible de los recursos naturales; así como permite mejorar la toma de decisión para el mantenimiento previo.