Scenery

For the study of the potential behavior of the PEAs, the climatic conditions of Victoria II UBPC located in Camagüey Agricultural Company, in the municipality of the same name, were taken as reference (Figure 1).

Camagüey Municipality is located in the center of Camaguey Province, bordered to the north by the municipalities of Esmeralda, Sierra de Cubitas and Minas, to the south by Vertientes, to the west by Florida and to the east by Jimaguayú and Sibanicú. It presents characteristics typical of a tropical climate of seasonally humid equatorial forests of savannah with humid summer and with a comparatively notable tendency to continental character within the country. In its physical-geographical condition, the plains predominate.

For the study, the UBPC "Victoria II" belonging to Camagüey Agricultural Company, is taken as a reference, as it is the productive unit with the highest level of aerial irrigation activity in the municipality. It has a total area of 403.0 ha distributed in 17 farms, of which 144.0 ha are under irrigation, including 82.0 ha with sprinkler irrigation linked to six semi-stationary systems (medium pressure) and 62.0 ha of irrigation with five electric central pivot machines (Rodríguez, Bonet, Mola and Guerrero, 2018RODRIGUEZ, C.D.; BONET, P.C.; MOLA, F.B.; GUERRERO, P.P.: “Propuesta de estrategia de extensión de buenas prácticas riego en una unidad productiva agrícola”, Revista Ingeniería Agrícola, 8(2): 35-40, 2018, ISSN: 2306-1545, E-ISSN: 2227-8761. ).

For the climatic characterization of the UBPC, the data corresponding to the meteorological station of Camagüey (78355) was used, located at 21º24' North latitude and 77º51' West longitude, with a height of 118 m above sea level, being this the closest and most representative station for the study area.

Studies carried out by Camagüey Meteorology Center (2022)INSMET-CAMAGÜEY: Caracterización climática Camagüey, Centro Meteorológico Camagüey. INSMET, Camagüey, Cuba, 2022. indicate that the average temperature in the study area has oscillated between 22.2°C in January and 27.1°C in July, with an annual average of 24 .9°C; increasing considerably from the months of March to August, they begin to decrease slightly from September until the winter period is over. The mean minimum annual temperature is 20.8°C, ranging between 18.1 and 23.0°C in January and July and August, respectively, with an appreciable upward trend. Average maximum temperatures range from 27.7°C in January to 32.8°C in August with an average annual value of 30.4°C. The absolute maximum temperature record is 37.2°C. The behavior of the average relative humidity ranges from 71% in April to 82% in October, with a historical average value of 77%; the months from September to December show the highest values. The predominant course or direction of the wind is from the East with fluctuations in average monthly speeds between 2.4 and 3.8 m/s, showing the lowest speeds in September and the highest in March.

For the evaluation of evaporation and drag losses, the most represented sprinkler irrigation techniques in the province were selected (Figure 2): central pivot machine, winder (with sprinkler), sprinkler irrigation system and micro-sprinkler irrigation technique.

Characteristics of the Systems Evaluated

Electric center pivot machine. BAYATUSA model; No. towers: 3; length: 202m; height: 2.90m; diffuser nozzles: 102; flow rate: 14L/s; working pressure: 200 kPa.

Winder with sprinkler, Komet Twin 160 model. Sprinkler. Pressure: 350 kPa; : 20 L s^-1; range: 40.0m; nozzle diameter: 31.4 mm; sweep angle: 220º; discharge angle: 24º; Pipeline. Diameter: 110mm; length: 340 m.

Sprinkler irrigation system. Semi-stationary type of 1ha. Sprinkler. Model F-46; nozzle: 3.5 x 2.3mm; working pressure: 250 kPa; range: 12m; flow rate: 900 L/h, discharge angle: 23^o.

Micro-sprinkler irrigation system. Microjet microsprinkler technique. Jet angle: 2 x 140^o mm; diameter: 1mm; flow: 40 L/h; range: 1.5m; working pressure: 150 kPa.

Droplet Size

The size of the sprinkler's drop of water influences in various ways when it hits the ground and the crop; large drops, due to their kinetic energy, can erode the ground upon impact; small drops, especially in areas with strong winds, being dragged more easily, can reduce the uniformity and efficiency of irrigation ( Tarjuelo et al., 2000TARJUELO, J.; ORTEGA, J.; MONTERO, J.; DE JUAN, J.: “Modelling evaporation and drift losses in irrigation with medium size impact sprinklers under semi-arid conditions”, Agricultural Water Management, 43(3): 263-284, 2000, ISSN: 0378-3774.).

Dechmi et al. (2003)DECHMI, F.; PLAYÁN, E.; CAVERO, J.; FACI, J.; MARTÍNEZ-COB, A.: “Wind effects on solid set sprinkler irrigation depth and yield of maize (Zea mays)”, Irrigation science, 22(2): 67-77, 2003, ISSN: 1432-1319., refers that small drops are ideal for clayey soils as long as there is no problem of high wind speeds, those with medium size are ideal for silty soils and moderate wind speeds and finally, the largest drops are ideal for sandy and porous soils, even with strong winds.

As the pressure increases and the nozzle diameter increases, the Thickness Index (IG) represents the size of the drop. Table 1 shows the diameter and pressure parameters for each irrigation technique, taken from the information provided by the manufacturers (TUSA, 2007TUSA: Máquinas de pivot central eléctrica, Catálogo de soluciones de riego, 2007.; IIRD, 2010IIRD-CUBA: Información técnica microaspersor microjet 2 x 140o (1), Inst. Instituto de Investigaciones de Riego y Drenaje, Informe técnico, La Habana, Cuba, 2010.; Komet Twin, 2012KOMET. INNOVATIVE IRRIGATION: Aspersores de gran alcance para sistemas viajeros, pivots y fijos, Komet Twin Catalog, 2012.; CICMA, 2019CICMA-CUBA: Sistemas de Riego por Aspersión modulares de producción nacional, CICMA, Informe técnico, Camagüey, Cuba, Módulo de Sistema de Riego por Aspersión semi estacionario de 1,03 ha, Camagüey, Cuba, 2015.).

These parameters indicate that comparatively the largest drops are produced in the winder system with sprinkler, followed by sprinkler irrigation, while the pivot and microjet machines present the lowest values.

A criterion evaluates the quality of the rain based on the relationship between the working pressure and the nozzle diameter for irrigation with high and medium pressure emitters, and nozzle diameters greater than 16 mm (Table 2).

Applying this qualitative evaluation criterion for sprinklers in winder technology, the category of very thick drops is obtained, which indicates that good irrigation quality results should not be expected with this technique.

According to Tarjuelo (2005)TARJUELO, J.M.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi-Prensa, Tercera ed., Madrid, España, Centro Regional de Estudios del Agua-CREA- Universidad de Castilla-La Mancha, 2005, ISBN: 84-8476-239-4., the drag by the wind varies greatly with the size of the drop produced by the sprinkler. The smaller droplet size index implies smaller droplets that are more easily carried by the wind and facilitate greater evaporation under equal climatic conditions (wind speed, temperature and relative humidity). This author states that the losses by evaporation and dragging decrease rapidly when the droplet diameter goes from 0.3 to 1.0 mm.

Other authors such as Playán et al. (2005)PLAYÁN, E.; SALVADOR, R.; FACI, J.M.; ZAPATA, N.; MARTÍNEZ-COB, A.; SÁNCHEZ, I.: “Day and night wind drift and evaporation losses in sprinkler solid-sets and moving laterals”, Agricultural water management, 76(3): 139-159, 2005, ISSN: 0378-3774., deduce from their tests that the evaporation of the drops in sprinkler irrigation is practically negligible from a droplet diameter of 1.5 to 2.0 mm.

Small drops are easily carried by the wind, distorting the water distribution pattern and increasing evaporation, while thick drops have great kinetic energy, which is transferred to the soil surface (Faci et al., 2001, cited by Bonet and Guerrero (2016)BONET, P.C.; GUERRERO, P.: “Análisis de la calidad de riego de dos sistemas por aspersión de producción nacional”, Revista Ingeniería Agrícola, 6(1): 14-18, 2016, ISSN: 2306-1545, E-ISSN: 2227-8761.. This indicates that in relation to the size of the drops, the most favorable conditions for the production of EDL occur in winder sprinkler irrigation and the most unfavorable in irrigation with a micro-sprinkler.

Jet Height

Different aerial irrigation technologies present different behaviors of water displacement from when it leaves the nozzle until it reaches the soil.

Both the height of the nozzle and the way the water jet is projected condition different heights of the water and travel times from the projection of the jet until it reaches the irrigated soil.

While in the pivot machines, the projection of the jet is carried out from the nozzles downwards, in the rest of the evaluated technologies the projection of the jet is upwards, with the height reached in relation to the position of the nozzles being the minimum in irrigation by micro-sprinkling and very significant in winder sprinkle irrigation. (Figure 3).

The height of the crop influences the EDL, when the crop is higher the flight time of the drop and, therefore, the PEA are lower. At the same height of water emission by the sprinklers, the journey of the water to the crop lasts longer in low-growing crops; therefore, due to differences in the wind profile, the probability that a given drop of water evaporates or is washed away from the irrigated plot is much higher (Tarjuelo, 2005TARJUELO, J.M.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi-Prensa, Tercera ed., Madrid, España, Centro Regional de Estudios del Agua-CREA- Universidad de Castilla-La Mancha, 2005, ISBN: 84-8476-239-4.).

Table 3 shows the values of maximum height of the jet calculated from the height of the nozzle, the angle of departure, projection and reach of the jet.

As the height of the jet increases, the travel time of the water in the air increases, at the same time, a greater height of the jet exposes it to higher wind speeds. These factors condition the potential increase in EDLs, therefore, equally from other conditions, greater losses must be expected in irrigation with the use of the winder sprinkler irrigation and lower in irrigation with micro-sprinkler.

Wind Speed

Results of studies indicate that for wind speeds greater than 4 m/s, 47% of the total losses are due to drag and 53% are due to evaporation, while with winds less than 4 m/s these values are 25 and 75%, respectively (Tarjuelo et al., 2000TARJUELO, J.; ORTEGA, J.; MONTERO, J.; DE JUAN, J.: “Modelling evaporation and drift losses in irrigation with medium size impact sprinklers under semi-arid conditions”, Agricultural Water Management, 43(3): 263-284, 2000, ISSN: 0378-3774.).

Faci and Bercero (1991)FACI, J.; BERCERO, A.: “Efecto del viento en la uniformidady en las perdidas por evaporacion y arrastre en el riego por aspersion”, Investigación agraria. Producción y protección vegetales, 6(2): 171-182, 1991, ISSN: 0213-5000. and Tarjuelo et al. (1994)TARJUELO, J.; CARRIÓN, P.; VALIENTE, M.: “Simulación de la distribución del riego por aspersión en condiciones de viento”, Investigación Agraria: Producción e Protección Vegetal, 9(2): 255-271, 1994, ISSN: 0213-5000., cited by Cisneros et al. (2019)CISNEROS-ZAYAS, E.; VENERO-DELGADO, Y.; PLACERES-MIRANDA, Z.; GONZÁLEZ-ROBAINA, F.: “El viento y su influencia en los parámetros de calidad del riego”, Revista Ingeniería Agrícola, 9(4), 2019, ISSN: 2306-1545, E-ISSN: 2227-8761., place the general wind speed limit above which it is not advisable to irrigate in sprinkler irrigation between 2.5 and 3.5 m/s, and establish a classification (Table 4).

According to information provided by INSMET Camagüey (Camagüey Meteorology Center, 2022INSMET-CAMAGÜEY: Caracterización climática Camagüey, Centro Meteorológico Camagüey. INSMET, Camagüey, Cuba, 2022.), the prevailing wind speeds at a height of 1.5 m in the studied area remain between 2.4 and 3.8 m/s during daylight hours, which classifies them as in the medium speed range.

Based on the information available on the behavior of the wind speed in the area, the average value of 3.1 m/s was taken as a reference, with which the wind speeds at the maximum heights of the jet projection in each technique were estimated. (Table 5).

Maximum Flight Time of the Drop

The maximum flight time of the drops was estimated from the distance traveled from the nozzle, the nozzle diameter and the flow rate (Table 6).

In the case of pivot machines, the smallest and largest nozzles of the selected machine model are indicated (Table 5), it is observed that the flight time coincides, the same happens for the rest of the nozzles of the machine. For the calculation of the route of the drop, the maximum range, the height of the nozzle on the ground and the form of projection of the rain have been considered.

It must be expected that, the flight time in the case of the winder and the sprinkler irrigation system are slightly higher due to wind resistance, but the differences would not be significant.

The average EDL values estimated for corn were appreciably lower than the ones estimated in those same stations and with the same historical series for a prairie. These differences reflect the different wind profile that develops on both crops. In the case of the meadow, the distance that the water drops have to travel from the sprinkler to the crop is much greater, so the opportunity time for the evaporation of these drops or their drag by the wind is greater. In the night periods and in the early hours of the morning, the EDL for a maize crop were quite small and in a few cases they were higher than 15%, a threshold from which it would not be advisable to carry out sprinkler irrigation (Martínez et al. , 2005MARTÍNEZ-COB, A.; ZAPATA-RUIZ, N.; SÁNCHEZ-MARCOS, I.; PLAYÁN-JUBILLAR, E.; ACOSTA, R.M.; FACI-GONZÁLEZ, J.M.: “Variabilidad espacio-temporal de las pérdidas potenciales por evaporación y arrastre en el valle medio del Ebro”, En: XXIII Congreso Nacional de Riegos. Elche, 14-16 de junio de 2005, Ed. Universidad Miguel Hernández, Elche, España, 2005.).

Vapor Pressure Deficit (VPD)

The VPD measures the difference, in terms of pressure, between the water vapor in the air and the saturation point of the air, which is the maximum amount that the air can carry at its current temperature; the full saturation point is also called the dew point.

The VPD can be obtained from equation 1 $ea-es=\mathrm{0,6108}\left\{\left[\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(\frac{\mathrm{17,29}Ta}{Ta+\mathrm{237,3}}\right)\right]-\left[\left(\frac{\mathrm{17,27}Tdew}{Tdew+\mathrm{237,3}}\right)\right]\right\}$ (Allen et al., 1998ALLEN, R.G.; PEREIRA, L.S.; RAES, D.; SMITH, M.: “Evapotranspiración del cultivo: guías para la determinación de los requerimientos de agua de los cultivos”, Roma: FAO, 298(0), 2006.).

where:

ea-es . Vapor Pressure Deficit (kPa);

Ta . Ambient temperature (^oC);

Tdew . Dew point (^oC).

Taking ambient temperature values of 22 ^oC as a reference, a characteristic value of the months with the highest intensity of the irrigation campaign in the study area, a VPD of 0.52 kPa is obtained.

Evaporation and Drag Losses (EDL)

Different methods have been described for the calculation of EDL, they have been described in different conditions and their results tend to be diverse.

For example, the method proposed by Yazar (1984), cited by Tarjuelo (2005)TARJUELO, J.M.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi-Prensa, Tercera ed., Madrid, España, Centro Regional de Estudios del Agua-CREA- Universidad de Castilla-La Mancha, 2005, ISBN: 84-8476-239-4., in which evaporation and wind drift are determined in isolation from evaporation and wind speed. Studying these two aspects separately has no practical significance.

For the purposes of this study, the EDLs have been estimated from equation 2 $EDL=\mathrm{4,85}+\mathrm{0,37}Ws+\mathrm{3,34}VPD$ (Medina, 2006 cited by Martínez et al., 2005MARTÍNEZ-COB, A.; ZAPATA-RUIZ, N.; SÁNCHEZ-MARCOS, I.; PLAYÁN-JUBILLAR, E.; ACOSTA, R.M.; FACI-GONZÁLEZ, J.M.: “Variabilidad espacio-temporal de las pérdidas potenciales por evaporación y arrastre en el valle medio del Ebro”, En: XXIII Congreso Nacional de Riegos. Elche, 14-16 de junio de 2005, Ed. Universidad Miguel Hernández, Elche, España, 2005.).

where:

EDL . Evaporation and drag losses (%);

Ws . Wind speed (m/s);

VPD . Vapor pressure deficit (kPa).

From the VPD value obtained (0.52 kPa) and the wind speeds considered for each technology, the EDL values shown in Table 7 are obtained.

It is observed that despite the low values of wind speed that affect micro-sprinkler techniques and central pivot machines, the EDL values exceed 7%, which indicates that the VPD has a significant weight in them.

Table 8 shows the results of the values obtained from EDL and their relationship with height and flight time.

The results of the evaluations show the highest EDL due to the wind in the irrigation technique using a winder with a sprinkler (9.23%), this indicates that the height reached by the jet and the flight time are more significant in said losses than the size of the drop. In practice, the EDL in irrigation techniques by sprinkler and winder with sprinkler must be significantly higher than the estimated values, due to the longer exposure time of the drops, a factor that the calculation method does not consider.

Talel et al. (2011)TALEL, S.B.; ZAPATA, R.N.; MARTÍNEZ, C.A.; FACI, G.J.M.: “Evaluación de las pérdidas por evaporación y arrastre y de los cambios microclimáticos durante el riego por aspersión de alfalfa”, [en línea], En: XXIX Congreso Nacional de Riegos «Hacia un regadío eficiente y rentable», Córdoba. 7- 9 junio 2011), Ed. Universidad de Córdoba, Córdoba, España, 2011, Disponible en:martinez-coba_comcong2011.pdf. refer that the EDLs can reach values of up to 40%, mostly between 2 and 15%; above 15% irrigation is not recommended.

Martinez et al. (2005)MARTÍNEZ-COB, A.; ZAPATA-RUIZ, N.; SÁNCHEZ-MARCOS, I.; PLAYÁN-JUBILLAR, E.; ACOSTA, R.M.; FACI-GONZÁLEZ, J.M.: “Variabilidad espacio-temporal de las pérdidas potenciales por evaporación y arrastre en el valle medio del Ebro”, En: XXIII Congreso Nacional de Riegos. Elche, 14-16 de junio de 2005, Ed. Universidad Miguel Hernández, Elche, España, 2005. express that some authors indicate that these losses are of the order of 5-10% under conditions of moderate evaporative demand; however, others have indicated that the EDL can exceed 20%.

According to Tarjuelo (2005)TARJUELO, J.M.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi-Prensa, Tercera ed., Madrid, España, Centro Regional de Estudios del Agua-CREA- Universidad de Castilla-La Mancha, 2005, ISBN: 84-8476-239-4. the main effects of wind in sprinkler irrigation are suffered by fixed or stationary irrigation systems and irrigation cannons compared to pivot systems. The lack of uniformity in an irrigation as a consequence of the action of the wind can be compensated in the successive irrigations as the wind conditions change normally, this improvement in accumulated uniformity of several irrigations will be more profitable for the crop than the higher the frequency of irrigation.

Keller and Bliesner (1990)KELLER, J.; BLIESNER, R.D.: Sprinkle and trickle irrigation, Ed. Springer, Van Nostrand Reinhold ed., vol. 3, New York, USA, 1990. cited by Bonet and Guerrero (2016)BONET, P.C.; GUERRERO, P.: “Análisis de la calidad de riego de dos sistemas por aspersión de producción nacional”, Revista Ingeniería Agrícola, 6(1): 14-18, 2016, ISSN: 2306-1545, E-ISSN: 2227-8761. point out that the EDL should range between 5 and 10%, however they recognize that when conditions are severe the values can be considerably higher.

Rodriguez et al. (2012) cited by Uribe et al. (2021)URIBE, C.H.; LAGOS, L.O.; HOLZAPHEL, E.: Pivote central, Inst. Ministerio de Agricultura, Comisión Nacional de Riego. Corporación de Fomento de la Producción. Gobierno de Chile, Informe central, 2021., state that the wind has a great impact on the deterioration of irrigation quality parameters, reducing the effective range radius of the sprinkler. In field evaluations carried out in sprinkler irrigation systems, they were able to verify that as the wind speed increases, the effective range of the sprinkler decreases reciprocally, which brings with it poor water distribution on the plot.

Tarjuelo et al. (1995) cited by Bonet and Guerrero (2016)BONET, P.C.; GUERRERO, P.: “Análisis de la calidad de riego de dos sistemas por aspersión de producción nacional”, Revista Ingeniería Agrícola, 6(1): 14-18, 2016, ISSN: 2306-1545, E-ISSN: 2227-8761. refer that a good irrigation is not the one that uniformly wets the soil surface, but the one that stores water uniformly in the soil profile. They consider that among the disadvantages of sprinkler irrigation is the affecting the uniformity of irrigation when the wind in the region where it is applied is strong.

Martinez et al. (2005)MARTÍNEZ-COB, A.; ZAPATA-RUIZ, N.; SÁNCHEZ-MARCOS, I.; PLAYÁN-JUBILLAR, E.; ACOSTA, R.M.; FACI-GONZÁLEZ, J.M.: “Variabilidad espacio-temporal de las pérdidas potenciales por evaporación y arrastre en el valle medio del Ebro”, En: XXIII Congreso Nacional de Riegos. Elche, 14-16 de junio de 2005, Ed. Universidad Miguel Hernández, Elche, España, 2005. consider that the EDL do not act in an absolute negative way; because of the EDL during sprinkler irrigation, the microclimatic conditions are modified, producing a decrease in the VPD as well as in the air temperature. This contributes to the reduction of crop transpiration and, therefore, to the conservation of humidity in the soil, although, in climatic conditions of the region studied, these microclimatic changes during sprinkler irrigation are reduced to a few hours after irrigation.

Escenario

Para el estudio del comportamiento potencial de las PEA se tomó como referencia las condiciones climáticas de la UBPC Victoria II ubicada en la Empresa Agropecuaria Camagüey, en el municipio del mismo nombre (Figura 1).

El municipio Camagüey se encuentra situado al centro de la provincia, limita al Norte con los municipios Esmeralda, Sierra de Cubitas y Minas, al Sur Vertientes, al Oeste Florida y al Este Jimaguayú y Sibanicú; presenta características propias de clima tropical de bosques estacionalmente húmedo ecuatorial de sabana con verano húmedo y con una tendencia al carácter continental comparativamente notable dentro del país; en su condición físico-geográfico predominan las llanuras.

Para el estudio se toma como referencia la UBPC “Victoria II” perteneciente a la Empresa Agropecuaria Camagüey, por ser la unidad productiva con mayor nivel de actividad de riego aéreo en el municipio; cuenta con un área total de 403,0 ha distribuidas en 17 fincas, de ellas 144,0 ha bajo riego, que incluyen 82,0 ha con riego por aspersión vinculadas a seis sistemas semi estacionarios (media presión) y 62,0 ha de riego con cinco máquinas de pivote central eléctrica (Rodriguez et al., 2018RODRIGUEZ, C.D.; BONET, P.C.; MOLA, F.B.; GUERRERO, P.P.: “Propuesta de estrategia de extensión de buenas prácticas riego en una unidad productiva agrícola”, Revista Ingeniería Agrícola, 8(2): 35-40, 2018, ISSN: 2306-1545, E-ISSN: 2227-8761. ).

Para la caracterización climática de la UBPC se utilizaron los datos correspondientes a la estación meteorológica de Camagüey (78355), ubicada en los 21º24´ de latitud Norte y los 77º51´ de longitud Oeste, con altura de 118 m sobre el nivel del mar, siendo esta la estación más cercana y representativa para la zona de estudio.

Estudios realizados por el Centro Meteorológico de Camagüey INSMET-Camagüey (2022)INSMET-CAMAGÜEY: Caracterización climática Camagüey, Centro Meteorológico Camagüey. INSMET, Camagüey, Cuba, 2022. indican que la temperatura media en la zona de estudio ha oscilado entre 22,2°C en el mes de enero y los 27,1°C en julio, con un promedio anual de 24,9°C; aumentando considerablemente desde los meses de marzo a agosto, comienzan a descender ligeramente a partir de septiembre hasta concluido el periodo invernal. La temperatura mínima media anual es de 20,8°C, oscilan entre los 18,1 y los 23,0°C en enero y julio y agosto respectivamente con una tendencia apreciable al aumento. Las temperaturas máximas medias oscilan entre 27,7°C en enero y 32,8°C en el mes de agosto con un valor promedio anual de 30,4°C. El record de la temperatura máxima absoluta es 37,2°C. El comportamiento de la humedad relativa media oscila desde 71 % en abril hasta el 82 % en octubre, con un valor promedio histórico de 77 %; los meses de septiembre a diciembre muestran los valores más altos. El rumbo o dirección predominante del viento es del Este con fluctuaciones de las velocidades medias mensuales entre 2,4 y 3,8 m/s, mostrándose en septiembre las velocidades más bajas y las más altas en marzo.

Técnica de riego

Para la evaluación de las pérdidas por evaporación y arrastre se seleccionaron las técnica de riego por aspersión más representadas en la provincia (Figura 2): máquina de pivot central, enrollador (con aspersor), sistema de riego por aspersión y microaspersor.

Tamaño de gotas

El tamaño de gota de agua del aspersor influye de diversas formas al impactar sobre el terreno y sobre el cultivo; las gotas grandes, por su energía cinética, pueden llegar a erosionar el terreno en el impacto, las de tamaño pequeño, sobre todo en las zonas con fuertes vientos, al ser arrastradas con mayor facilidad, pueden reducir la uniformidad y la eficiencia del riego (Tarjuelo et al., 2000TARJUELO, J.; ORTEGA, J.; MONTERO, J.; DE JUAN, J.: “Modelling evaporation and drift losses in irrigation with medium size impact sprinklers under semi-arid conditions”, Agricultural Water Management, 43(3): 263-284, 2000, ISSN: 0378-3774.).

Expresan Dechmi et al. (2003)DECHMI, F.; PLAYÁN, E.; CAVERO, J.; FACI, J.; MARTÍNEZ-COB, A.: “Wind effects on solid set sprinkler irrigation depth and yield of maize (Zea mays)”, Irrigation science, 22(2): 67-77, 2003, ISSN: 1432-1319., que las gotas pequeñas son ideales para los suelos arcillosos siempre y cuando no exista el problema de grandes velocidades de viento, las que tienen tamaño mediano son ideales para suelos limosos y velocidades de viento moderadas y finalmente, las gotas más grandes son ideales para suelos arenosos y porosos, incluso con fuertes vientos.

En la medida en que aumenta la presión y el diámetro de boquilla se incrementa el tamaño de la gota, este se representa por el Índice de grosor (IG). En la Tabla 1 se muestran los parámetros de diámetro y presión para cada técnica de riego, tomados de la información brindada por los fabricantes (TUSA, 2007TUSA: Máquinas de pivot central eléctrica, Catálogo de soluciones de riego, 2007.; IIRD-Cuba, 2010IIRD-CUBA: Información técnica microaspersor microjet 2 x 140o (1), Inst. Instituto de Investigaciones de Riego y Drenaje, Informe técnico, La Habana, Cuba, 2010.; KOMET. Innovative irrigation, 2012KOMET. INNOVATIVE IRRIGATION: Aspersores de gran alcance para sistemas viajeros, pivots y fijos, Komet Twin Catalog, 2012.; CICMA-Cuba, 2015CICMA-CUBA: Sistemas de Riego por Aspersión modulares de producción nacional, CICMA, Informe técnico, Camagüey, Cuba, Módulo de Sistema de Riego por Aspersión semi estacionario de 1,03 ha, Camagüey, Cuba, 2015.).

Estos parámetros señalan que comparativamente las gotas mayores se producen en el sistema de enrollador con aspersor, seguido del riego por aspersión, mientras que las máquinas de pivot y el microjet presentarán los valores menores.

Existe un criterio que evalúa la calidad de la lluvia a partir de la relación entre la presión de trabajo y el diámetro de boquilla para el riego con emisores de alta y media presión, y diámetros de boquillas mayores de 16 mm (Tabla 2).

Aplicando este criterio de evaluación cualitativa para aspersores en la tecnología del enrollador, se obtiene la categoría de gotas muy gruesas, lo cual indica que con esta técnica no se deben esperar buenos resultados de calidad del riego.

Según Tarjuelo (2005)TARJUELO, J.M.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi-Prensa, Tercera ed., Madrid, España, Centro Regional de Estudios del Agua-CREA- Universidad de Castilla-La Mancha, 2005, ISBN: 84-8476-239-4., el arrastre por el viento varía mucho con el tamaño de gota producido por el aspersor. El menor índice de tamaño de gota implica gotas más pequeñas que son más fácilmente arrastradas por el viento y facilitan una mayor evaporación en igualdad de condiciones climáticas (velocidad del viento, temperatura, humedad relativa). El propio autor expone que las pérdidas por evaporación y arrastre disminuyen rápidamente cuando el diámetro de gota pasa de 0,3 a 1,0 mm.

Otros autores como Playán et al. (2005)PLAYÁN, E.; SALVADOR, R.; FACI, J.M.; ZAPATA, N.; MARTÍNEZ-COB, A.; SÁNCHEZ, I.: “Day and night wind drift and evaporation losses in sprinkler solid-sets and moving laterals”, Agricultural water management, 76(3): 139-159, 2005, ISSN: 0378-3774. deducen de sus ensayos que la evaporación de las gotas en riego por aspersión es prácticamente despreciable a partir de un diámetro de gota de 1,5 a 2,0 mm.

Las gotas pequeñas son fácilmente arrastradas por el viento distorsionando el modelo de reparto del agua y aumentando la evaporación, mientras que las gotas gruesas tienen gran energía cinética, la cual es transferida a la superficie del suelo (Faci et al., 2001, citados por Bonet y Guerrero (2016)BONET, P.C.; GUERRERO, P.: “Análisis de la calidad de riego de dos sistemas por aspersión de producción nacional”, Revista Ingeniería Agrícola, 6(1): 14-18, 2016, ISSN: 2306-1545, E-ISSN: 2227-8761.,. Esto indica que en lo relativo al tamaño de las gotas, las condiciones más favorables para que se produzcan PEA se presentan en el riego con enrollador con aspersor y las más desfavorables el riego con microaspersor.

Altura del chorro

Diferentes tecnologías de riego aéreo presentan diversos comportamientos del desplazamiento del agua desde que sale de la boquilla hasta llegar al suelo.

Tanto la altura de la boquilla como la forma de proyección del chorro de agua condicionan diferentes alturas del agua y tiempos de recorrido desde la proyección del chorro hasta su llegada al suelo irrigado.

En tanto en las máquinas de pivot la proyección del chorro se realiza desde las boquillas hacia abajo, en el resto de las tecnologías evaluadas la proyección del chorro es hacia arriba, siendo la altura alcanzada en relación a la posición de las boquillas mínima en el riego por microaspersión y muy significativa en riego con enrollador con aspersor (Figura 2).

Las PEA están influidas por la altura del cultivo, cuando el cultivo tiene mayor altura el tiempo de vuelo de la gota y por tanto las PEA son menores. A igualdad de altura de emisión de agua por los aspersores, el viaje del agua hasta el cultivo dura más en los cultivos de porte bajo por lo que, debido a diferencias de perfil de viento, la probabilidad de que una determinada gota de agua sea evaporada o arrastrada fuera de la parcela de riego es bastante mayor (Tarjuelo, 2005TARJUELO, J.M.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi-Prensa, Tercera ed., Madrid, España, Centro Regional de Estudios del Agua-CREA- Universidad de Castilla-La Mancha, 2005, ISBN: 84-8476-239-4.).

En la Tabla 3 se presentan los valores de altura máxima del chorro calculados a partir de la altura de la boquilla, el ángulo de salida, proyección y alcance del chorro.

Al incrementarse la altura del chorro se incrementa el tiempo de desplazamiento del agua en el aire, a la vez, una mayor altura del chorro le expone a mayores velocidades del viento, estos factores condicionan el incremento potencial de las PEA, por tanto, en igualdad de otras condiciones se deben esperar mayores pérdidas en el riego con empleo del enrollador con aspersor y menores en el riego con microaspersión.

Velocidad del viento

Resultados de estudios indican que para velocidades del viento superiores a 4 m/s, el 47% del total de pérdidas son debidas al arrastre y el 53% se deben a la evaporación, mientras que con vientos menores a 4 m/s estos valores son del 25 y el 75% respectivamente (Tarjuelo et al., 2000TARJUELO, J.; ORTEGA, J.; MONTERO, J.; DE JUAN, J.: “Modelling evaporation and drift losses in irrigation with medium size impact sprinklers under semi-arid conditions”, Agricultural Water Management, 43(3): 263-284, 2000, ISSN: 0378-3774.).

Faci y Bercero (1991)FACI, J.; BERCERO, A.: “Efecto del viento en la uniformidady en las perdidas por evaporacion y arrastre en el riego por aspersion”, Investigación agraria. Producción y protección vegetales, 6(2): 171-182, 1991, ISSN: 0213-5000.; Tarjuelo et al. (1994)TARJUELO, J.; CARRIÓN, P.; VALIENTE, M.: “Simulación de la distribución del riego por aspersión en condiciones de viento”, Investigación Agraria: Producción e Protección Vegetal, 9(2): 255-271, 1994, ISSN: 0213-5000., citados por Cisneros-Zayas et al. (2019)CISNEROS-ZAYAS, E.; VENERO-DELGADO, Y.; PLACERES-MIRANDA, Z.; GONZÁLEZ-ROBAINA, F.: “El viento y su influencia en los parámetros de calidad del riego”, Revista Ingeniería Agrícola, 9(4), 2019, ISSN: 2306-1545, E-ISSN: 2227-8761., sitúan entre 2,5 y 3,5 m/s el límite general de velocidad del viento por encima del cual no resulta recomendable regar en riego por aspersión, y establecen una clasificación (Tabla 4).

Según información suministrada por INSMET Camagüey INSMET-Camagüey (2022)INSMET-CAMAGÜEY: Caracterización climática Camagüey, Centro Meteorológico Camagüey. INSMET, Camagüey, Cuba, 2022., las velocidades predominantes del viento a 1,5 m de altura en la zona estudiada se mantienen en horas del día entre 2,4 y 3,8 m/s, lo que las clasifica como en el rango de velocidades medias.

A partir de la información disponible sobre el comportamiento de la velocidad del viento en la zona, se tomó como referencia el valor medio de 3,1 m/s, con el cual se estimaron las velocidades del viento a las alturas máximas de proyección del chorro según cada tecnología (Tabla 5).

Tiempo máximo de vuelo de la gota

El tiempo máximo de vuelo de las gotas se estimó a partir de la distancia recorrida desde la boquilla, el diámetro de boquilla y el caudal (Tabla 6).

En el caso de las máquinas de pivot se señalan (tabla 5) las boquillas menor y mayor del modelo de máquina seleccionado, se observa que el tiempo de vuelo coincide, lo mismo sucede para el resto de las boquillas de la máquina. Para el cálculo del recorrido de la gota se ha considerado el alcance máximo, la altura de la boquilla sobre el terreno y la forma de proyección de la lluvia.

En realidad se debe esperar que el tiempo de vuelo en el caso del Enrollador y el Sistema de Riego por Aspersión sea ligeramente mayor debido a la resistencia del viento, pero las diferencias no serían significativas.

Los valores medios de PEA estimados para el maíz fueron apreciablemente menores a los estimados en esas mismas estaciones y con las mismas series históricas para una pradera, esas diferencias reflejan el diferente perfil de viento que se desarrolla sobre ambos cultivos; en el caso de la pradera, la distancia que tienen que recorrer las gotas de agua desde el aspersor hasta el cultivo es bastante mayor por lo que el tiempo de oportunidad para la evaporación de esas gotas o su arrastre por el viento es mayor. En los periodos nocturnos y en las primeras horas de la mañana, las PEA para un cultivo de maíz fueron bastante pequeñas y en pocos casos fueron superiores al 15%, umbral a partir del cual no sería recomendable realizar riego por aspersión (Martínez-Cob et al., 2005MARTÍNEZ-COB, A.; ZAPATA-RUIZ, N.; SÁNCHEZ-MARCOS, I.; PLAYÁN-JUBILLAR, E.; ACOSTA, R.M.; FACI-GONZÁLEZ, J.M.: “Variabilidad espacio-temporal de las pérdidas potenciales por evaporación y arrastre en el valle medio del Ebro”, En: XXIII Congreso Nacional de Riegos. Elche, 14-16 de junio de 2005, Ed. Universidad Miguel Hernández, Elche, España, 2005.).

Déficit de presión de vapor (DPV)

El DPV mide la diferencia, en términos de presión, entre el vapor de agua en el aire y el punto de saturación del aire, que es la cantidad máxima que el aire puede transportar a su temperatura actual; el punto de saturación completa también se llama punto de rocío.

El DPV se puede obtener a partir de la ecuación 1 $ea-es=\mathrm{0,6108} \left\{\left[\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(\frac{\mathrm{17,29}Ta}{Ta+\mathrm{237,3}}\right)\right]-\left[\left(\frac{\mathrm{17,27}Trocío}{Trocío+\mathrm{237,3}}\right)\right]\right\}$ (Allen et al., 2006ALLEN, R.G.; PEREIRA, L.S.; RAES, D.; SMITH, M.: “Evapotranspiración del cultivo: guías para la determinación de los requerimientos de agua de los cultivos”, Roma: FAO, 298(0), 2006.).

donde:

ea-es . Déficit de presión de vapor (kPa);

Ta . Temperatura ambiente (^oC);

T_rocio . Temperatura de rocío (^oC).

Tomando como referencia valores de temperatura ambiente de 22^oC, valor característico de los meses de mayor intensidad de la campaña de riego en la zona de estudio, se obtiene un DPV de 0,52 kPa.

Pérdidas por evaporación y arrastre (PEA)

Diferentes métodos han sido descritos para el cálculo de las PEA, los mismos han sido descritos en diferentes condiciones y sus resultados suelen ser diversos.

Por ejemplo, el método propuesto por Yazar (1984) ha sido citado por Tarjuelo (2005)TARJUELO, J.M.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi-Prensa, Tercera ed., Madrid, España, Centro Regional de Estudios del Agua-CREA- Universidad de Castilla-La Mancha, 2005, ISBN: 84-8476-239-4., en el mismo la evaporación y el arrastre por el viento se determinan de manera aislada a partir de la evaporación y la velocidad del viento. Estudiar estos dos aspectos por separado no tiene significación práctica.

Para los efectos de este estudio, las PEA han sido estimadas a partir de la ecuación 2 $EDL=\mathrm{4,85}+\mathrm{0,37}Ws+\mathrm{3,34}VPD$ (Medina, 2006 citado por Martínez-Cob et al. (2005)MARTÍNEZ-COB, A.; ZAPATA-RUIZ, N.; SÁNCHEZ-MARCOS, I.; PLAYÁN-JUBILLAR, E.; ACOSTA, R.M.; FACI-GONZÁLEZ, J.M.: “Variabilidad espacio-temporal de las pérdidas potenciales por evaporación y arrastre en el valle medio del Ebro”, En: XXIII Congreso Nacional de Riegos. Elche, 14-16 de junio de 2005, Ed. Universidad Miguel Hernández, Elche, España, 2005..

donde:

PEA . Pérdidas por evaporación y arrastre (%);

Vv . Velocidad del viento (m/s);

DPV . Déficit de presión de vapor (kPa).

A partir del valor de DPV obtenido (0,52 kPa) y las velocidades de viento consideradas para cada tecnología, se obtienen los valores de PEA que se muestran en la Tabla 7.

Se observa que a pesar de los bajos valores de velocidad del viento que inciden en las tecnologías de micro aspersión y en las máquinas de pivot central, los valores de PEA superan el 7 %, lo cual indica que el DPV tiene un peso significativo en las mismas.

En la Tabla 8 se muestran los resultados de los valores obtenidos de PEA y su relación con la altura y el tiempo de vuelo.

Los resultados de las evaluaciones muestran las mayores PEA por el viento en la tecnología de riego con empleo de enrollador con aspersor (9,23 %), esto indica que en dichas pérdidas tienen mayor significación la altura que alcanza el chorro y el tiempo de vuelo que el tamaño de la gota. En la práctica la PEA en las técnicas de riego por aspersión y por enrollador con aspersor deben resultar significativamente mayores a los valores estimados, debido al mayor tiempo de exposición de las gotas, factor que no considera el método de cálculo.

Señalan Talel et al. (2011)TALEL, S.B.; ZAPATA, R.N.; MARTÍNEZ, C.A.; FACI, G.J.M.: “Evaluación de las pérdidas por evaporación y arrastre y de los cambios microclimáticos durante el riego por aspersión de alfalfa”, [en línea], En: XXIX Congreso Nacional de Riegos «Hacia un regadío eficiente y rentable», Córdoba. 7- 9 junio 2011), Ed. Universidad de Córdoba, Córdoba, España, 2011, Disponible en:martinez-coba_comcong2011.pdf. que las PEA pueden alcanzar valores de hasta 40%, mayoritariamente entre 2 y 15%; por encima del 15% no se recomienda el riego.

Martínez-Cob et al. (2005)MARTÍNEZ-COB, A.; ZAPATA-RUIZ, N.; SÁNCHEZ-MARCOS, I.; PLAYÁN-JUBILLAR, E.; ACOSTA, R.M.; FACI-GONZÁLEZ, J.M.: “Variabilidad espacio-temporal de las pérdidas potenciales por evaporación y arrastre en el valle medio del Ebro”, En: XXIII Congreso Nacional de Riegos. Elche, 14-16 de junio de 2005, Ed. Universidad Miguel Hernández, Elche, España, 2005. expresan que algunos autores señalan que estas pérdidas son del orden del 5-10% bajo condiciones de demanda evaporativa moderada, sin embargo, otros han indicado que las PEA pueden superar el 20%.

Según Tarjuelo (2005)TARJUELO, J.M.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi-Prensa, Tercera ed., Madrid, España, Centro Regional de Estudios del Agua-CREA- Universidad de Castilla-La Mancha, 2005, ISBN: 84-8476-239-4. los principales efectos del viento en el riego por aspersión lo sufren los sistemas de riego fijos o estacionarios y los cañones de riego frente a los sistemas pivot; la falta de uniformidad en un riego como consecuencia de la acción del viento puede verse compensada en los riegos sucesivos al ir cambiando normalmente las condiciones del viento, esta mejora de uniformidad acumulada de varios riegos será más aprovechable por el cultivo cuanto mayor sea la frecuencia de riego.

Keller y Bliesner (1990)KELLER, J.; BLIESNER, R.D.: Sprinkle and trickle irrigation, Ed. Springer, Van Nostrand Reinhold ed., vol. 3, New York, USA, 1990. citados por Bonet y Guerrero (2016)BONET, P.C.; GUERRERO, P.: “Análisis de la calidad de riego de dos sistemas por aspersión de producción nacional”, Revista Ingeniería Agrícola, 6(1): 14-18, 2016, ISSN: 2306-1545, E-ISSN: 2227-8761. señalan que las PEA deben oscilar entre 5 y 10%, sin embargo reconocen que cuando las condiciones son severas los valores pueden ser considerablemente mayores.

Rodríguez et al. (2012) citados por Uribe et al. (2021)URIBE, C.H.; LAGOS, L.O.; HOLZAPHEL, E.: Pivote central, Inst. Ministerio de Agricultura, Comisión Nacional de Riego. Corporación de Fomento de la Producción. Gobierno de Chile, Informe central, 2021., exponen que el viento tiene gran incidencia en el deterioro de los parámetros de calidad del riego, reduciendo el radio de alcance efectivo del aspersor; en evaluaciones de campo realizadas en sistemas de riego por aspersión, pudieron comprobar que en la medida en que aumenta la velocidad del viento el alcance efectivo del aspersor disminuye recíprocamente, lo que trae consigo una mala distribución del agua en la parcela.

Exponen Tarjuelo et al. (1995) citados por Bonet y Guerrero (2016)BONET, P.C.; GUERRERO, P.: “Análisis de la calidad de riego de dos sistemas por aspersión de producción nacional”, Revista Ingeniería Agrícola, 6(1): 14-18, 2016, ISSN: 2306-1545, E-ISSN: 2227-8761., que un buen riego no es el que moja uniformemente la superficie del suelo, sino aquel que almacena agua uniformemente en el perfil del suelo y consideran que entre las desventajas del riego por aspersión está la afectación a la uniformidad del riego cuando el viento en la región donde se aplica es fuerte.

Martínez-Cob et al. (2005)MARTÍNEZ-COB, A.; ZAPATA-RUIZ, N.; SÁNCHEZ-MARCOS, I.; PLAYÁN-JUBILLAR, E.; ACOSTA, R.M.; FACI-GONZÁLEZ, J.M.: “Variabilidad espacio-temporal de las pérdidas potenciales por evaporación y arrastre en el valle medio del Ebro”, En: XXIII Congreso Nacional de Riegos. Elche, 14-16 de junio de 2005, Ed. Universidad Miguel Hernández, Elche, España, 2005. consideran que las PEA no actúan de manera absoluta en sentido negativo; como consecuencia de las PEA durante el riego por aspersión se modifican las condiciones microclimáticas, produciéndose un descenso del DPV así como de la temperatura del aire, esto contribuye a la reducción de la transpiración del cultivo y por lo tanto a la conservación de la humedad del suelo; aunque en nuestras condiciones climáticas estos cambios microclimáticos durante el riego por aspersión se reducen a unas pocas horas después del riego.