INTRODUCTION

In the current context characterized by climate change, the increase in efficiency in the use of water and energy in agriculture is of vital importance, so it is necessary to generate adaptation actions that allow adjusting the planning, operation and irrigation performance evaluation (Selim et al., 2018SELIM, T.; KARLSSON, L.; BOUKSILA, F.; BEN, A.S.; PERSSON, M.: “Evaluation of Different Irrigation Treatments with Saline Water in a Future Climate in Tunisia”, Irrigation and Drainage, 67(4), 2018, ISSN: 1531-0353, DOI: https://doi.org/10.1002/ird.2307.; López-Silva et al., 2019LÓPEZ-SILVA, M.; CARMENATES-HERNÁNDEZ, D.; MUJICA-CERVANTES, A.; PANEQUE-RONDON, P.: “Criterios de eficiencia para la evaluación del riego por aspersión”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 28(3): 1-8, 2019, ISSN: ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054, Publisher: Universidad Agraria de La Habana.).

Irrigation scheduling is highly significant in reducing water and energy consumption in irrigation systems; as well as in the increase of crop yields; However, sometimes the producers do not grant the value of the control of energy consumption in the irrigation activity; to achieve an efficient use of energy (Cisneros-Zayas et al., 2020CISNEROS-ZAYAS, E.; GONZÁLEZ-ROBAINA, F.; HERRERA-PUEBLA, J.; DUARTE-DÍAZ, C.; MATOS-CREMÉ, H.: “Influencia de la programación del riego en los consumos energéticos”, Revista Ingeniería Agrícola, 10(4): 3-11, 2020, ISSN: 2227-8761.).

The study of the energy efficiency of an irrigation network must be carried out based on the energy diagnosis of the system, which allows obtaining a vision of the current state of the network and its possibilities for improvement (Martinez-Aguilar et al., 2020MARTÍNEZ-AGUILAR, F.B.; GUEVARA-HERNÁNDEZ, F.; ARIAS, L.O.; ALEJANDRO, M.; RODRÍGUEZ LARRAMENDI, L.A.; PINTO-RUIZ, R.; AGUILAR-JIMÉNEZ, C.E.: “Caracterización de productores de maíz e indicadores de sustentabilidad en Chiapas”, Revista mexicana de Ciencias Agrícolas, 11(5): 1031-1042, 2020, ISSN: 2007-0934, Publisher: Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias.). The results allow us to develop a model mathematical system to simulate the conditions of the system, carry out water and energy audits of the network and adopt a series of measures that increase energy efficiency with the purpose of reducing energy consumption (Roselló-Tornero, 2018ROSELLÓ-TORNERO, J.: Estudio de la eficiencia energética de la red de riego abastecida por el cabezal número uno en el término de Nules, [en línea], Ed. Editorial: UPV, Valencia, España, Publisher: Universitat Politècnica de València p., publisher: Universitat Politècnica de València, 2018, Disponible en: https://riunet.upv.es/handle/10251/102984.).

The energy efficiency of a pumping system is a measure of the efficiency with which electrical energy is converted into hydraulic energy to move fluid through the pipeline and overcome system head and is defined as the ratio of hydraulic energy delivered by the pump and the electrical energy consumed by the pump (Barreda-Trujillo, 2012BARREDA-TRUJILLO, Á.U.: “Método práctico de obtención de potencia y eficiencias de unidades de bombeo en operación”, Ingeniería hidráulica y ambiental, 33(3): 86-97, 2012, ISSN: 1680-0338.).When the previous definition focuses specifically on the efficiency with which electrical energy is converted into hydraulic energy to irrigate crops; then reference is made to the concept of energy performance of an irrigation system.

The evaluations to determine the energy efficiency of an irrigation system must be supported in the decision-making process considering improvements in the water distribution system, to optimize energy consumption and economic planning (Stambouli et al., 2014STAMBOULI, T.; FACI, J.; ZAPATA, N.: “Water and energy management in an automated irrigation district”, Agricultural Water Management, 142: 66-76, 2014, ISSN: 0378-3774, Publisher: Elsevier.; Tarjuelo et al., 2015TARJUELO, J.M.; RODRIGUEZ-DIAZ, J.A.; ABADÍA, R.; CAMACHO, E.; ROCAMORA, C.; MORENO, M.A.: “Efficient water and energy use in irrigation modernization: Lessons from Spanish case studies”, Agricultural Water Management, 162: 67-77, 2015, ISSN: 0378-3774, Publisher: Elsevier.; Tornés-Olivera et al., 2016TORNÉS-OLIVERA, N.; AJAYI, O.O.; GÓMEZ-MASJUAN, Y.; GUERRERO-ALEGA, A.: “Eficiencia de aplicación máxima del agua y longitud del surco en función de los caudales”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 25(1): 23-27, 2016, ISSN: ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054, Publisher: Universidad Agraria de La Habana.; 2020TORNÉS-OLIVERA, N.; GÓMEZ-MASJUAN, Y.; MYOR-ROBLES, E.; BROWN-MANRIQUE, O.: “Determinación de la eficiencia hídrica y energética en el riego localizado, bajo condiciones protegidas”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 29(1): 46-55, 2020, ISSN: ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054, Publisher: Universidad Agraria de La Habana.; Selim et al., 2019SELIM, T.; KARLSSON, L.; BOUKSILA, F.; BEN-SLIMANE, A.; PERSSON, M.: “Evaluation of different irrigation treatments with saline water in a future climate in Tunisia”, Irrigation and Drainage, 68(2): 281-296, 2019, ISSN: 1531-0353, Publisher: Wiley Online Library.). In this sense, the objective of this work is to determine the general energy yield in the furrow irrigation system in the Dos Amigos farm in the province of Ciego de Ávila.

MATERIALS AND METHODS

The research was carried out at the Tío Pedro farm in the municipality of Venezuela, Ciego de Ávila province, Cuba, which is located at 21°45'04'' North Latitude and 78°46'45'' West Longitude . The experimental area consisted of a completely randomized strip experiment with a length of 251.60 m and a variable width in correspondence with the spacing between rows according to the crop evaluated.

In this surface, 10 representative furrows were selected and subdivided into three subplots with a length of 62.90 m with the purpose of achieving greater control of the experimental variables (Figure 1). The rows evaluated were the three central rows of the four plots.

In the investigation, the crops of: black bean of the ICA PIJAO variety planted with spacing between plants of 10 cm and between rows of 60 cm for a plantation frame of 0.24 m ² and tomato of the L-43 variety were evaluated planted with 34 cm spacing between plants and 90 cm between rows for a planting frame of 1.22 m². These cultivars were planted with an average furrow depth of 20 cm and the norms established for this type of soil were taken into account in accordance with the guidelines of the Ministry of Agriculture (Minag-Cuba, 2000MINAG-CUBA: “Instructivo Técnico para el cultivo del frijol. Lista oficial de variedades comerciales”, La Habana, Cuba, 2000.; 2009MINAG-CUBA: Instructivo Técnico para el cultivo del frijol, Ed. Editorial CIDA, Publisher: Minag, La Habana, Cuba, 2009.). The sowing and harvest dates were those shown in Table 1.

In the study area, an open furrow irrigation system has been established, consisting of a Caprari submerged vertical centrifugal pump type T8C/7/8-71X connected to an asynchronous submerged electric motor with a 100 mm diameter coupling to the hydraulic parts; a hydraulic masonry work for the diversion of water; the main channel dug into the ground and without lining with a superficial width of 1.85 m; base width of 0.12 m; total height of 0.38 m and length of 512 m. This is used to supply water to the internal irrigation network of the farm where the experimental plot is located.

The operating flow of the pump was obtained in the discharge pipe from the measurement of the time in which the masonry work was filled for the flow diversion built next to the pump with dimensions of 3.00 m wide, 2.55 m long and 1.00 m high for a total volume of 7.65 m³. The volumetric method according to Pérez (2022)PÉREZ, V.D.A.: “Diseño del sistema de agua potable por bombeo fotovoltaico para el Cantón Alta Vista, Aldea El Rodeo, San Marcos”, Revista de Investigación Proyección Científica, 4(1): 71-88, 2022, ISSN: 2957-8582, e-ISSN: 2310-2799. was used from the measurement of the time in which the flow diversion work was filled by means of a digital stopwatch with a precision of 0.10 seconds.

The electrical parameters of the motor measured were the current, the voltage and the power factor with the use of the analyzer of electrical networks of the brand SPERRY DSA-500. The variables were measured in each of the irrigations carried out throughout the period and repeated five times to obtain the average value.

The total workload of the pump was obtained by applying the energy balance between two points; that is, between the surface of the water level in the well and at the outlet of the discharge pipe. In this analysis, the reference level was traced through the base of the pumping equipment. If the suction and discharge pressures are canceled because they are points where atmospheric pressure acts, the following mathematical expression is obtained to estimate the total workload of the pump:

Where H_B is the total working load of the pump (m); v_d the velocity in the discharge pipe (m s^-1); g the force of gravity (m s^-2); Z_a the suction height with respect to the base of the pump (m); Z _d the discharge height with respect to the base of the pump (m); Σh_Ta-d the total frictional and localized energy losses (m).

The efficiency of the motor in the pumping system was estimated from the hydraulic power of the pump and the energy losses in the system. The equations used were:

Where η_m is the motor efficiency (%); P_h the hydraulic power (W); ρ the density of water (kg m^-3); g the acceleration due to gravity in (m s^-2); the total energy losses due to friction and located (m); Q _B the flow discharged by the pump (m³ s^-1); H_B the total working load of the pump (m).

The efficiency of the pump was calculated based on the law of conservation of energy. In this case, the total energy in the pumping system is made up of the energy delivered by the pump to the liquid, the energy consumed by the pump, and the energy losses in the system. The following equation was used:

Where η_b is the efficiency of the pump (%); η_em the electromechanical performance of the motor-pump assembly. This performance was determined analytically from the relationship between hydraulic power and motor power as a function of motor supply voltage, electric current consumed by the motor and motor power factor.

The energy evaluation of the pumping equipment under the actual management conditions of the surface irrigation system was carried out in accordance with the criteria of the Institute for Energy Diversification (IDAE) according to Martinez (2015)MARTÍNEZ, M.A.: Estrategia para la evaluación agronómica, hidráulica y energética en jardinería. Aplicación a la gestión de jardines públicos, [en línea], Ed. Editorial: UPV, primera ed., Valencia, España, 120, Publisher: Universitat Politècnica de València, Publisher: Universitat Politècnica de València, 2015, Disponible en: https://riunet.upv.es/handle/10251/53389?show=full., which allow establishing the energy performance from the energy audits in the irrigation systems. Three energy parameters were evaluated: general energy yield, pumping energy yield and energy supply yield of the irrigation system.

The general energy yield of the furrow irrigation system was determined as the product between the energy yield of the pumping and the energy supply yield of the irrigation system. The equation used is the following:

Where η_EG is the general energy yield of the irrigation system (%); η_EB the energy efficiency of pumping (%); η_ES the energy yield of the irrigation system (%).

The energy yield of the pumping was defined through the division of the energy supplied in the pumping with respect to the energy absorbed in the evaluated period. The equations used were the following:

Where η_EB is the energy efficiency of pumping (%); E_SB is the energy supplied in pumping (kWh); E_ABS the energy absorbed in the evaluated period (kWh); P_h the output hydraulic power (kW); T_B the pumping time in each irrigation event i (h); N_r the amount of irrigation performed in the crop cycle; η_b the efficiency of the pump; η_m the performance of the engine; η_v the performance of the variable speed drive.

The energy efficiency of the pumping was calculated by means of the quotient between the energy balance of the supply and the energy load index of the irrigation system. The equations used were the following:

where η_SE is the yield of the energy supply of the irrigation system (%); ΔE the energy balance of the supply (m); ICE the energy load index of the irrigation system (m); (V_R) _i the volume of water required in each irrigation shift i (m³); M_n the net irrigation norm according to Pacheco et al. (2007)PACHECO, J.; ALONSO, N.; PUJOL, P.; CAMEJO, L.E.: Riego y Drenaje, Editorial Félix Varela, 2da ed., La Habana, Cuba, 2007.; (V_B) _i the volume of water pumped in each irrigation shift i (m³); V_LL the volume of water contributed by the rains in the crop cycle (m³); V_T the total volume of water received by the crop in the vegetative cycle (m³).

The evaluation of the general energy yield of the system (η_EG) and the energy yield of the pumping (η _EB) was carried out according to IDAE criteria Martínez (2015)MARTÍNEZ, M.A.: Estrategia para la evaluación agronómica, hidráulica y energética en jardinería. Aplicación a la gestión de jardines públicos, [en línea], Ed. Editorial: UPV, primera ed., Valencia, España, 120, Publisher: Universitat Politècnica de València, Publisher: Universitat Politècnica de València, 2015, Disponible en: https://riunet.upv.es/handle/10251/53389?show=full., as shown in Table 2.

RESULTS AND DISCUSSION

Table 3 and Table 4 show the results of the flow discharged by the pump and the performance of the pump for a value of 1450 revolutions per minute for tomato and bean crops. In the case of tomato cultivation, the average values of the variables specified above had the following behavior for 15 irrigation events: flow discharged by the pump of 60.1 L s¹; pumping time 2.9 h; total working load of the pump of 17.9 m; 10.5 kW output hydraulic powers and 82.1% pump efficiency.

Similarly, in the bean crop, the mean values of the previously indicated variables performed as follows for 14 irrigation events: flow discharged by the pump of 62.0 Ls^-1; pumping time 2.6 h; total working load of the pump of 18.4 m; 11.2 kW output hydraulic power and 88.2% pump efficiency.

In the irrigation of both crops, a value of the pump performance higher than 82.0% was obtained, which is why it is evaluated as acceptable; because a performance greater than 75% is good, while a performance less than 50% is deficient; although this parameter depends on the type of pump, its design, operating conditions and other factors. The results obtained by Ascencios et al.(2020)ASCENCIOS, D.; MEZA, K.; LLUEN, J.; SIMON, G.: “Calibración, validación y automatización del sistema de riego por goteo subterráneo usando un microcontrolador Arduino”, Revista de Investigaciones Altoandinas, 22(1): 95-105, 2020, ISSN: 2313-2957, Publisher: Universidad Nacional del Altiplano. and Pérez (2022)PÉREZ, V.D.A.: “Diseño del sistema de agua potable por bombeo fotovoltaico para el Cantón Alta Vista, Aldea El Rodeo, San Marcos”, Revista de Investigación Proyección Científica, 4(1): 71-88, 2022, ISSN: 2957-8582, e-ISSN: 2310-2799. in investigations carried out with the use of pumping with photovoltaic solar energy and for the irrigation of a subterranean drip irrigation system warn about the need for the pumps to operate with high efficiency to contribute to energy savings.

In order to ensure that the system works properly, it is advisable to carry out the tests under real operating conditions of the pumping equipment, which can be obtained from specific tests that include the measurement of flow, pressure and power at different operating points (Burbano & Narváez, 2021BURBANO, V.; NARVÁEZ, R.: “Evaluación de la pre factibilidad para la generación de energía eléctrica mediante la sinergia entre las energías eólica y almacenamiento por bombeo de agua en la isla San Cristóbal-Galápagos”, Revista Técnica" energía", 17(2): 29-43, 2021, ISSN: 2602-8492.; Rojas-Suarez et al., 2021ROJAS-SUAREZ, J.P.; VERGEL-ORTEGA, M.; ORJUELA-ABRIL, S.: “Investigaciones con CFD aplicadas a bombas centrífugas”, Revista Boletín Redipe, 10(9): 515-525, 2021, ISSN: 2256-1536.).

Table 5 shows the values of the energy supplied in the pumping, the energy absorbed in the evaluated period and the energy yield of the pumping for the tomato and bean crops. The average results achieved were: energy supplied in the pumping of 429.4 kWh; absorbed energy of 631.9 kWh and energy efficiency of pumping of 68.2%, which is evaluated as excellent according to Martinez (2015)MARTÍNEZ, M.A.: Estrategia para la evaluación agronómica, hidráulica y energética en jardinería. Aplicación a la gestión de jardines públicos, [en línea], Ed. Editorial: UPV, primera ed., Valencia, España, 120, Publisher: Universitat Politècnica de València, Publisher: Universitat Politècnica de València, 2015, Disponible en: https://riunet.upv.es/handle/10251/53389?show=full..

Table 6 shows the values of the average volume of water pumped in each irrigation shift, the energy balance of the supply, the energy load index of the irrigation system, the energy yield of the irrigation system and the general energy yield of the irrigation system for tomato and bean crops. The results showed the following average behavior: pumped water volume of 605.7 m³; energy balance of the supply of 7.4 m; energy load index of the irrigation system of 15.2 m; energy yield of the irrigation system of 49.2% and general energy yield of the irrigation system of 34.0%, which indicates, according to Martínez (2015)MARTÍNEZ, M.A.: Estrategia para la evaluación agronómica, hidráulica y energética en jardinería. Aplicación a la gestión de jardines públicos, [en línea], Ed. Editorial: UPV, primera ed., Valencia, España, 120, Publisher: Universitat Politècnica de València, Publisher: Universitat Politècnica de València, 2015, Disponible en: https://riunet.upv.es/handle/10251/53389?show=full., a normal performance, which can be improved with operation and maintenance that the pumping of groundwater for furrow irrigation in tomato and bean crops in red ferralitic soils with flows in the range of 59.0 and 62.6 L s^-1 and average values: irrigation events 15; pumping time 2.8 h; total workload of the pump of 18.2 m and a volume of water pumped of 605.7 m³ provides an excellent energy efficiency of pumping with a value of 68.2% and a general energy efficiency of the irrigation system evaluated as normal with a 34.0%, which is feasible to improve if adequate measures are taken for operation and maintenance.

INTRODUCCION

En el contexto actual caracterizado por el cambio climático, el incremento de la eficiencia en el uso del agua y la energía en la agricultura es de vital importancia, por lo que es necesario generar acciones de adaptación que permitan ajustar el proceso de planificación, operación y evaluación del desempeño del riego (Selim et al., 2018SELIM, T.; KARLSSON, L.; BOUKSILA, F.; BEN, A.S.; PERSSON, M.: “Evaluation of Different Irrigation Treatments with Saline Water in a Future Climate in Tunisia”, Irrigation and Drainage, 67(4), 2018, ISSN: 1531-0353, DOI: https://doi.org/10.1002/ird.2307.; López-Silva et al., 2019LÓPEZ-SILVA, M.; CARMENATES-HERNÁNDEZ, D.; MUJICA-CERVANTES, A.; PANEQUE-RONDON, P.: “Criterios de eficiencia para la evaluación del riego por aspersión”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 28(3): 1-8, 2019, ISSN: ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054, Publisher: Universidad Agraria de La Habana.).

La programación del riego presenta gran significación en la reducción de los consumos de agua y energía en los sistemas de riego; así como en el incremento de los rendimientos de los cultivos; sin embargo, en ocasiones los productores no conceden el valor que tiene el control del consumo energético en la actividad del riego; para lograr un uso eficiente de la energía (Cisneros-Zayas et al., 2020CISNEROS-ZAYAS, E.; GONZÁLEZ-ROBAINA, F.; HERRERA-PUEBLA, J.; DUARTE-DÍAZ, C.; MATOS-CREMÉ, H.: “Influencia de la programación del riego en los consumos energéticos”, Revista Ingeniería Agrícola, 10(4): 3-11, 2020, ISSN: 2227-8761.).

El estudio de la eficiencia energética de una red de riego se debe realizar sobre la base del diagnóstico energético del sistema el cual permite obtener una visión del estado actual de la red y de sus posibilidades de mejora (Martínez-Aguilar et al., 2020MARTÍNEZ-AGUILAR, F.B.; GUEVARA-HERNÁNDEZ, F.; ARIAS, L.O.; ALEJANDRO, M.; RODRÍGUEZ LARRAMENDI, L.A.; PINTO-RUIZ, R.; AGUILAR-JIMÉNEZ, C.E.: “Caracterización de productores de maíz e indicadores de sustentabilidad en Chiapas”, Revista mexicana de Ciencias Agrícolas, 11(5): 1031-1042, 2020, ISSN: 2007-0934, Publisher: Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias.). Los resultados permiten elaborar un modelo matemático para simular las condiciones del sistema, realizar auditorías hídricas y energéticas de la red y adoptar una serie de medidas que aumenten la eficiencia energética con el propósito de reducir el consumo energético (Roselló-Tornero, 2018ROSELLÓ-TORNERO, J.: Estudio de la eficiencia energética de la red de riego abastecida por el cabezal número uno en el término de Nules, [en línea], Ed. Editorial: UPV, Valencia, España, Publisher: Universitat Politècnica de València p., publisher: Universitat Politècnica de València, 2018, Disponible en: https://riunet.upv.es/handle/10251/102984.).

El rendimiento energético de un sistema de bombeo es una medida de la eficiencia con la que se convierte la energía eléctrica en energía hidráulica para mover el líquido a través de la tubería y superar la carga del sistema y se define como la relación entre la energía hidráulica entregada por la bomba y la energía eléctrica consumida por la bomba (Barreda-Trujillo, 2012BARREDA-TRUJILLO, Á.U.: “Método práctico de obtención de potencia y eficiencias de unidades de bombeo en operación”, Ingeniería hidráulica y ambiental, 33(3): 86-97, 2012, ISSN: 1680-0338.). Cuando la definición anterior se enfoca específicamente en la eficiencia con la que se convierte la energía eléctrica en energía hidráulica para irrigar los cultivos; entonces se hace referencia al concepto de rendimiento energético de un sistema de riego.

Las evaluaciones para determinar la eficiencia energética de un sistema de riego deben apoyarse en el proceso de toma decisiones considerando las mejoras en el sistema de distribución de agua, para optimizar el consumo de energía y la planificación económica (Stambouli et al., 2014STAMBOULI, T.; FACI, J.; ZAPATA, N.: “Water and energy management in an automated irrigation district”, Agricultural Water Management, 142: 66-76, 2014, ISSN: 0378-3774, Publisher: Elsevier.; Tarjuelo et al., 2015TARJUELO, J.M.; RODRIGUEZ-DIAZ, J.A.; ABADÍA, R.; CAMACHO, E.; ROCAMORA, C.; MORENO, M.A.: “Efficient water and energy use in irrigation modernization: Lessons from Spanish case studies”, Agricultural Water Management, 162: 67-77, 2015, ISSN: 0378-3774, Publisher: Elsevier.; Tornés-Olivera et al., 2016TORNÉS-OLIVERA, N.; AJAYI, O.O.; GÓMEZ-MASJUAN, Y.; GUERRERO-ALEGA, A.: “Eficiencia de aplicación máxima del agua y longitud del surco en función de los caudales”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 25(1): 23-27, 2016, ISSN: ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054, Publisher: Universidad Agraria de La Habana.; 2020TORNÉS-OLIVERA, N.; GÓMEZ-MASJUAN, Y.; MYOR-ROBLES, E.; BROWN-MANRIQUE, O.: “Determinación de la eficiencia hídrica y energética en el riego localizado, bajo condiciones protegidas”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 29(1): 46-55, 2020, ISSN: ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054, Publisher: Universidad Agraria de La Habana.; Selim et al., 2019SELIM, T.; KARLSSON, L.; BOUKSILA, F.; BEN-SLIMANE, A.; PERSSON, M.: “Evaluation of different irrigation treatments with saline water in a future climate in Tunisia”, Irrigation and Drainage, 68(2): 281-296, 2019, ISSN: 1531-0353, Publisher: Wiley Online Library.). En este sentido, el objetivo de este trabajo es determinar el rendimiento energético general en el sistema de riego por surcos en la finca Dos Amigos de la provincia de Ciego de Ávila.

MATERIALES y METODOS

La investigación se desarrolló en la finca Tío Pedro del municipio de Venezuela, provincia Ciego de Ávila, Cuba que se encuentra ubicada a los 21°45´04’’ de Latitud Norte y 78°46´45’’ de Longitud Oeste. El área experimental consistió en un experimento en franja completamente aleatorizado con una longitud de 251,60 m y un ancho variable en correspondencia con el espaciamiento entre surcos según el cultivo evaluado.

En esta superficie se seleccionaron 10 surcos representativos y se subdividió en tres subparcelas con una longitud de 62,90 m con el propósito de lograr un mayor control de las variables experimentales (Figura 1). Los surcos evaluados fueron los tres surcos centrales de las cuatro parcelas.

En la investigación se evaluaron los cultivos de: frijol negro de la variedad ICA PIJAO sembrado con espaciamiento entre plantas de 10 cm y entre surcos de 60 cm para un marco de plantación de 0,24 m² y tomate de la variedad L-43 sembrado con espaciamiento entre plantas de 34 cm y entre surcos de 90 cm para un marco de plantación de 1,22 m². Estos cultivares fueron sembrados con una profundidad promedio del surco de 20 cm y se tuvieron en cuenta las normas establecidas para este tipo de suelo acorde con las orientaciones del Ministerio de la Agricultura (Minag-Cuba, 2000MINAG-CUBA: “Instructivo Técnico para el cultivo del frijol. Lista oficial de variedades comerciales”, La Habana, Cuba, 2000.; 2009MINAG-CUBA: Instructivo Técnico para el cultivo del frijol, Ed. Editorial CIDA, Publisher: Minag, La Habana, Cuba, 2009.). Las fechas de siembra y cosecha fueron las que se exponen en la Tabla 1.

En el área de estudio se encuentra establecido un sistema de riego por surcos abiertos compuesto por una bomba centrífuga vertical sumergida Caprari del tipo T8C/7/8-71X conectada a un motor eléctrico sumergido asíncrono con acoplamiento de 100 mm diámetro a las partes hidráulicas; una obra hidráulica de mampostería para la derivación del agua; el canal principal excavado en tierra y sin revestimiento con ancho superficial de 1,85 m; ancho de base de 0,12 m; altura total de 0,38 m y longitud de 512 m. Este se utiliza para el suministro de agua a la red interna de riego de la finca donde se encuentra la parcela experimental.

El caudal de operación de la bomba se obtuvo en la tubería de descarga a partir de la medición del tiempo en que se llenó la obra de mampostería para la derivación del caudal construida junto a la bomba con dimensiones de 3,00 m de ancho, 2,55 m de largo y 1,00 m de altura para un volumen total de 7,65 m³. Se empleó el método volumétrico según Pérez (2022)PÉREZ, V.D.A.: “Diseño del sistema de agua potable por bombeo fotovoltaico para el Cantón Alta Vista, Aldea El Rodeo, San Marcos”, Revista de Investigación Proyección Científica, 4(1): 71-88, 2022, ISSN: 2957-8582, e-ISSN: 2310-2799. a partir de la medición del tiempo en que se llenó la obra de derivación del caudal por medio de un cronometro digital con precisión de 0,10 segundos.

Los parámetros eléctricos del motor medidos fueron la corriente, el voltaje y el factor de potencia con la utilización del analizador de redes eléctricas de la marca SPERRY DSA-500. Las variables se midieron en cada uno de los riegos realizados durante todo el periodo y se repitieron cinco veces para la obtención del valor promedio.

La carga total de trabajo de la bomba se obtuvo mediante la aplicación del balance de energía entre dos puntos; es decir, entre la superficie del nivel del agua en el pozo y en la salida de la tubería de descarga. En este análisis el nivel de referencia se trazó por la base del equipo de bombeo. Si se anulan las presiones en la aspiración y la descarga por ser puntos donde actúa la presión atmosférica, se obtiene la siguiente expresión matemática para la estimación de la carga total de trabajo de la bomba:

Donde H_B es la carga total de trabajo de la bomba (m); v_d la velocidad en la tubería de descarga (m s^-1); g la fuerza de gravedad (m s^-2); Z_a la altura de aspiración respecto a la base de la bomba (m); Z_d la altura de descarga respecto a la base de la bomba (m); Σh_Ta-d las pérdidas totales de energía por fricción y localizadas (m).

La eficiencia del motor en el sistema de bombeo se estimó a partir de la potencia hidráulica de la bomba y las pérdidas de energía en el sistema. Las ecuaciones utilizadas fueron:

Donde η_m es el rendimiento del motor (%); P_h la potencia hidráulica (W); ρ la densidad del agua (kg m^-3); g la aceleración de la gravedad en (m s^-2); las pérdidas totales de energía por fricción y localizadas (m); Q_B el caudal descargado por la bomba (m³ s^-1); H_B la carga total de trabajo de la bomba (m).

El rendimiento de la bomba se calculó con base en la ley de conservación de la energía. En este caso, la energía total en el sistema de bombeo se compone de la energía entregada por la bomba al líquido, la energía consumida por la bomba y las pérdidas de energía en el sistema. Se utilizó la siguiente ecuación:

Donde η_b es el rendimiento de la bomba (%); η _em el rendimiento electromecánico del conjunto motor - bomba. Este rendimiento se determinó analíticamente a partir de la relación entre la potencia hidráulica y la potencia del motor en función del voltaje de alimentación del motor, la corriente eléctrica que consume el motor y el factor de potencia del motor.

La evaluación energética de los equipos de bombeo bajo las condiciones de manejo reales del sistema de riego superficial se realizó acorde con los criterios del Instituto de Diversificación Energética (IDAE) según Martínez (2015)MARTÍNEZ, M.A.: Estrategia para la evaluación agronómica, hidráulica y energética en jardinería. Aplicación a la gestión de jardines públicos, [en línea], Ed. Editorial: UPV, primera ed., Valencia, España, 120, Publisher: Universitat Politècnica de València, Publisher: Universitat Politècnica de València, 2015, Disponible en: https://riunet.upv.es/handle/10251/53389?show=full., los cuales permiten establecer el rendimiento energético a partir de las auditorías energéticas en los sistemas de riego. Se evaluaron tres parámetros energéticos: rendimiento energético general, rendimiento energético del bombeo y rendimiento del suministro energético del sistema de riego.

El rendimiento energético general del sistema de riego por surcos se determinó como el producto entre el rendimiento energético del bombeo y el rendimiento del suministro energético del sistema de riego. La ecuación utilizada es la siguiente:

Donde η_EG es el rendimiento energético general del sistema de riego (%); η_EB el rendimiento energético del bombeo (%); η_ES el rendimiento energético del sistema de riego (%).

El rendimiento energético del bombeo se definió a través de la división de la energía suministrada en el bombeo respecto a la energía absorbida en el periodo evaluado. Las ecuaciones utilizadas fueron las siguientes:

Donde η_EB es el rendimiento energético del bombeo (%); E_SB la energía suministrada en el bombeo (kWh); E_ABS la energía absorbida en el periodo evaluado (kWh); P_h la potencia hidráulica de salida (kW); T_B el tiempo de bombeo en cada evento de riego i (h); N_r la cantidad de riego realizado en el ciclo del cultivo; η_b el rendimiento de la bomba; η_m el rendimiento del motor; η_v el rendimiento del variador de velocidad.

El rendimiento energético del bombeo se calculó mediante el cociente entre el balance energético del suministro y el índice de carga energética del sistema de riego. Las ecuaciones utilizadas fueron las siguientes:

Donde η_SE es el rendimiento del suministro energético del sistema de riego (%); ΔE el balance energético del suministro (m); ICE el índice de carga energética del sistema de riego (m); (V_R)_i el volumen de agua requerido en cada turno de riego i (m³); M_n la norma de riego neta según Pacheco et al. (2007)PACHECO, J.; ALONSO, N.; PUJOL, P.; CAMEJO, L.E.: Riego y Drenaje, Editorial Félix Varela, 2da ed., La Habana, Cuba, 2007.; (V_B)_i el volumen de agua bombeado en cada turno de riego i (m³); V_LL el volumen de agua aportado por las lluvias en el ciclo del cultivo (m³); V_T el volumen total de agua recibido por el cultivo en el ciclo vegetativo (m³).

La evaluación del rendimiento energético general del sistema (η_EG) y del rendimiento energético del bombeo (η_EB) se realizó según criterios de IDAE Martínez (2015)MARTÍNEZ, M.A.: Estrategia para la evaluación agronómica, hidráulica y energética en jardinería. Aplicación a la gestión de jardines públicos, [en línea], Ed. Editorial: UPV, primera ed., Valencia, España, 120, Publisher: Universitat Politècnica de València, Publisher: Universitat Politècnica de València, 2015, Disponible en: https://riunet.upv.es/handle/10251/53389?show=full., como se muestra en la Tabla 2.

RESULTADOS Y DISCUSION

En la Tabla 3 y en la Tabla 4 se muestran los resultados de caudal descargado por la bomba y el rendimiento de la bomba para un valor de 1450 revoluciones por minutos para los cultivos de tomate y frijol. En el caso del cultivo del tomate los valores promedio de las variables especificadas anteriormente tuvieron el siguiente comportamiento para 15 eventos de riego: caudal descargado por la bomba de 60,1 Ls¹; tiempo de bombeo de 2,9 h; carga total de trabajo de la bomba de 17,9 m; potencia hidráulica de salida de 10,5 kW y rendimiento de la bomba de 82,1%.

De manera similar en el cultivo del frijol los valores medios de las variables señaladas previamente se desempeñaron de la manera siguiente para 14 eventos de riego: caudal descargado por la bomba de 62,0 Ls¹; tiempo de bombeo de 2,6 h; carga total de trabajo de la bomba de 18,4 m; potencia hidráulica de salida de 11,2 kW y rendimiento de la bomba de 88,2%.

En el riego de ambos cultivos se obtuvo un valor del rendimiento de la bomba superior a 82,0% por lo que se evalúa de aceptable; pues un rendimiento mayor al 75% es bueno, mientras que un rendimiento menor al 50% es deficiente; aunque este parámetro depende del tipo de bomba, su diseño, las condiciones de operación y otros factores. Los resultados obtenidos por Ascencios et al.(2020)ASCENCIOS, D.; MEZA, K.; LLUEN, J.; SIMON, G.: “Calibración, validación y automatización del sistema de riego por goteo subterráneo usando un microcontrolador Arduino”, Revista de Investigaciones Altoandinas, 22(1): 95-105, 2020, ISSN: 2313-2957, Publisher: Universidad Nacional del Altiplano. y Pérez (2022)PÉREZ, V.D.A.: “Diseño del sistema de agua potable por bombeo fotovoltaico para el Cantón Alta Vista, Aldea El Rodeo, San Marcos”, Revista de Investigación Proyección Científica, 4(1): 71-88, 2022, ISSN: 2957-8582, e-ISSN: 2310-2799. en investigaciones realizadas con la utilización del bombeo con energía solar fotovoltaica y para el riego de un sistema de riego por goteo subterráneo alertan sobre la necesidad de que las bombas operen con elevada eficiencia para contribuir al ahorro de energía.

Para lograr que el sistema funcione adecuadamente es recomendable realizar las pruebas en condiciones reales de operación del equipo de bombeo, lo cual se puede obtener a partir de pruebas específicas que incluyen la medición del caudal, la presión y la potencia en diferentes puntos de operación (Burbano y Narváez, 2021BURBANO, V.; NARVÁEZ, R.: “Evaluación de la pre factibilidad para la generación de energía eléctrica mediante la sinergia entre las energías eólica y almacenamiento por bombeo de agua en la isla San Cristóbal-Galápagos”, Revista Técnica" energía", 17(2): 29-43, 2021, ISSN: 2602-8492.; Rojas-Suarez et al., 2021ROJAS-SUAREZ, J.P.; VERGEL-ORTEGA, M.; ORJUELA-ABRIL, S.: “Investigaciones con CFD aplicadas a bombas centrífugas”, Revista Boletín Redipe, 10(9): 515-525, 2021, ISSN: 2256-1536.).

En la Tabla 5 se presentan los valores de la energía suministrada en el bombeo, la energía absorbida en el periodo evaluado y el rendimiento energético del bombeo para los cultivos de tomate y frijol. Los resultados promedios alcanzados fueron: energía suministrada en el bombeo de 429,4 kWh; energía absorbida de 631,9 kWh y rendimiento energético del bombeo de 68,2%, el cual se evalúa de excelente acorde con Martínez (2015)MARTÍNEZ, M.A.: Estrategia para la evaluación agronómica, hidráulica y energética en jardinería. Aplicación a la gestión de jardines públicos, [en línea], Ed. Editorial: UPV, primera ed., Valencia, España, 120, Publisher: Universitat Politècnica de València, Publisher: Universitat Politècnica de València, 2015, Disponible en: https://riunet.upv.es/handle/10251/53389?show=full..

En la Tabla 6 se presentan los valores del volumen de agua bombeado promedio en cada turno de riego, el balance energético del suministro, el índice de carga energética del sistema de riego, el rendimiento energético del sistema de riego y el rendimiento energético general del sistema de riego para los cultivos de tomate y frijol. Los resultados mostraron el comportamiento promedio siguiente: volumen de agua bombeado de 605,7 m³; balance energético del suministro de 7,4 m; índice de carga energética del sistema de riego de 15,2 m; rendimiento energético del sistema de riego de 49,2% y rendimiento energético general del sistema de riego de 34,0% lo que indica según Martínez (2015)MARTÍNEZ, M.A.: Estrategia para la evaluación agronómica, hidráulica y energética en jardinería. Aplicación a la gestión de jardines públicos, [en línea], Ed. Editorial: UPV, primera ed., Valencia, España, 120, Publisher: Universitat Politècnica de València, Publisher: Universitat Politècnica de València, 2015, Disponible en: https://riunet.upv.es/handle/10251/53389?show=full. un desempeño normal, el cual se puede mejorar con medidas de operación y mantenimiento.

CONCLUSIONES

La investigación comprobó que el bombeo de agua subterránea para el riego por surcos en los cultivos de tomate y frijol en suelos ferralíticos rojos con caudales comprendidos en el rango de 59,0 y 62,6 Ls^-1 y valores promedio: eventos de riego 15; tiempo de bombeo 2,8 h; carga total de trabajo de la bomba de 18,2 m y volumen de agua bombeado de 605,7 m³ proporciona un excelente rendimiento energético del bombeo con valor de 68,2% y un rendimiento energético general del sistema de riego evaluado como normal con un 34,0%, el cual es factible de mejorar si se toman medidas adecuadas para la operación y el mantenimiento.