Effect of the salinity of aqueous soil extract in sprinkler irrigation systems

MATERIALS AND METHODS

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Description of the study case

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The study area occupies a total surface of 122.88 hectares in the Laguna Blanca Agricultural Enterprise, in the area known as Avocado, Contramaestre municipality, Santiago de Cuba province. It is proposed to irrigate a surface area of 51.78 ha with an electric central pivot to benefit the cultivation of plantain (CEMSA – variety) and a rectangular plot of 18.5 ha to benefit pasture crops for animal feed with reel irrigation techniques; the rest of the area will be irrigated using other sprinkler irrigation techniques.

The area belongs to UBPC No.1 "4 de abril", bordered to the South by the main canal, to the North by the secondary canal No.1 that supplies machines 3 and 4, to the East by an embankment that divides areas 1 and 3 of said UBPC and to the West by UBPC 2. The coordinates are: 195 000 - 197 000 North and 575 000 - 578 000 East, map sheet 4977-II-b-4 scale 1:10 000 of the ICGC.

Basic data for design

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Source of supply

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Availability and accessibility: The source of supply was the Cauto river, specifically in the place known as Arrollo Blanco, where there is a pumping station on the right bank of the Cauto river equipped with 6 pumps Q = 400 L/s and H = 784 kPa for a total flow of the pumping station Q = 2.4 m³/s.

Water quality for irrigation: Water samples were taken at the supply source to determine its physical and chemical properties and were analysed in the laboratory of the provincial delegation of the INRH, verifying its suitability for irrigation of the proposed crops. For design purposes, a salinity in the irrigation water (CE_AR = 1.2 dS/m), corresponding to irrigation water of medium salinity was used to compare the variants (Pizarro, 1985PIZARRO, F.: Drenaje agrícola y recuperación de suelos salinos, Ed. Editorial Agrícola Española, S.A, 2a ed. ed., Madrid, España, 541 p., publisher: Madrid (Spain) Edit. Agricola Espanola, 1985.).

Soils

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According to the DSF-EALB-Santiago of Cuba (2006) report, the soil of both irrigation plots was classified as Dark Plastic Gleissy, yellowish-grey, on carbonate materials, medium humification (2 to 4 %), slightly eroded, of medium-clay texture, medium gleissy and slightly saline, with a uniform profile up to 0.7 m. It was not possible to measure the salt content in the soil solution in either case, but it was found during the technical visit that the soils have poor natural surface and internal drainage.

In both plots the following limitations were recognised: poor drainage, shallow effective depth and high plasticity. The following hydrophysical properties can be considered common to both plots.

TABLE 1. Hydrophysical properties of the soil

Infiltration rate	(Vi) = 26.0 mm/h (stabilized 50 min)
Field capacity	(CC) = 54.1 % PSS (high)
Productive limit	(LP) ≈ 80.0 % CC
Bulk density	(DA) = 1.02 g/cm³

It was assumed for the design that the plot has a uniform profile up to 0.7 m with a medium-clay texture, the effective depth = 25 cm (shallow), the predominant slope slightly more than 1 % (flat). The recommendations for its use in banana cultivation stipulate planting in beds combined with the application of organic matter and a surface drainage system. In the case of the experimental plot for pasture cultivation, the soil of the plot has a uniform profile and medium texture with a slope of 2% and a storage capacity of 1 mm/cm of soil.

Crops

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The crop to be cultivated with the central pivot irrigation machine was plantain (CEMSA –) with extra-dense technology. The following characteristics were taken into account: root depth 0.7 m, crop coefficient 0.75 potential yield 65 Tn/ha, an allowable management deficit = 40 % and tolerance to flooding of 1 to 2 days. In the case of the experimental plot, a hose reel was used for irrigation, the characteristics of which are given below. Grass crops with a root depth of 67 cm and a permissible management deficit of 55 % of the useful water will benefit.

Climate

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In accordance with the Technical Report, it was assumed for the design of the central pivot (plantain donkey crop), peak needs of 7.5 mm/day, corresponding to the month of April, in the same way it was considered for the design of the plot to be irrigated with the roller, net peak water needs = 6.3 mm/d. A measured prevailing wind speed of Vv = 2.5 m/s is estimated for the area.

Characteristics of irrigation techniques

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In the case of the Central Pivot, it was foreseen to stop irrigation at least 4 hours per day, coinciding with the peak hours of the electricity tariff, with no irrigation-free days, estimating that a water application efficiency of 90 % can be achieved.

Tower spacing 35m (short tower model), eaves length multiple 3m (max. 25m), pivot height 4m, lateral pipe diameter 200 x 189mm, AL, C150 - PN 6.
Sprinkler pressure rating 210 kPa and wetted width at the moving end 7m, maximum travel speed of the last tower 2.1 m/min.
It was decided to use a sprinkler (rotator) of medium size or smaller at its end located in a downpipe to leave it 2.5 m above the ground.

In the case of the Reelers, an irrigation efficiency of EAP = 75% was estimated, irrigation was also planned to stop during the hours of maximum electrical energy demand and up to two irrigation positions per day, separated by at least 1 hour to change from one position to the other, were used. A daily working day of 20 hours was assumed, the technical characteristics of the equipment are referred to in the design procedure.

According to Tarjuelo (2005TARJUELO, M.B.J.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi Prensa, Edición Revisada y Ampliada. Madrid, Barcelona y México ed., Madrid, España, 2005, ISBN: 84-8476-225-4.), the Center Pivot design procedure includes:

Estimation of the length of the Pivot, number of towers and the length of the eaves:

The pivot was located on a square area of 517 800 m ².

Being a square plot, the diameter of the circumscribed circumference to be covered by irrigation is equal to one side of the square (ϕ) = 719.6 m, therefore, the radius of the area to be irrigated by the Pivot will be:

R_{S R} = \frac{ϕ}{2}

(1)

The number of towers will be:

N_{T O R R E S} = \frac{R_{S R}}{\frac{S}{T o r r e s}}

(2)

a machine with 10 towers of 35 m was designed, the remaining 9.8 m were covered with an overhang of 3 m, leaving 6.8 m to be covered by the final sprinkler whose wetted width is 7m.

The area of the circle irrigated by the machine will be:

A_{S R} = π \times R_{S R}^{2}

(3)

as the total area of the table is 51.78 ha, 21.46 % of the plot would remain unirrigated.

Pivot capacity [Q_P (L/s)].

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According to Tarjuelo, (2005)TARJUELO, M.B.J.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi Prensa, Edición Revisada y Ampliada. Madrid, Barcelona y México ed., Madrid, España, 2005, ISBN: 84-8476-225-4., cited by Fernández-Hung et al. (2022)FERNÁNDEZ-HUNG, K.; VARGAS-RODRÍGUEZ, P.; CUETO-RODRÍGUEZ, J.R.; BROWN-MANRIQUE, O.N.: “Capacity of center pivot systems and emitter discharges for citrus irrigation. A case study”, INGE CUC, 18(1): 105-113, 2022, ISSN: 2382-4700, DOI: http://doi.org/10.17981/ingecuc.18.1.2022.09. for irrigation of full cover crops, the following equation has been widely used:

Q p = 2,78 \times \frac{N_{H} \times A_{P R}}{T_{O D} \times E f_{A P}} \times \frac{0,9}{(1 - L R)}

(4)

Where:

the latter term is used when salts are present in the soil solution (when LR > 0.1).

Ef_AP- Application efficiency in the irrigation plot (decimal), is the fraction of water applied with irrigation that is retained in the root zone and available to the plant. Its value depends on soil type, irrigation technique and other factors.

T_OD- Daily operating time of the equipment (h), in the best case it is assumed as 90% of the hourly background to take into account possible interruptions in the peak period USDA (2013)USDA: Manual Nacional de Ingeniería de Riego. Capítulo 7., Ed. USDA, Departamento de Agricultura de Estados Unidos ed., USA, 2013. and USDA-NRCS (2016)USDA-NRCS: Sprinkler Irrigation. National Engineering Handbook, [en línea], Part 623 ed., USA, 2016, Disponible en: https://www.wcc.nrcs.usda.gov/ftpref/wntsc/waterMgt/irrigation/NEH15/ch11., according to MFP- Cuba (2021)MFP- CUBA: Sistema tarifario eléctrico para servicios no residenciales, pertenecientes a empresas y entidades 100% cubanas, Inst. Ministerio de Finanzas y Precios (MFP), Resolución 28/2011. 2021, La Habana, Cuba, publisher: Ministerio de Finanzas y Precios La Habana, Cuba, 2021. a daily operating time of 20 h was assumed.

LR- Represents the flushing requirements, its value depends on the electrical conductivity of the irrigation water [ECiw (dS/m)] and the electrical conductivity of the soil saturation extract [ECse (dS/m)] (CEN, 2013CEN: Máquinas de riego móviles, Inst. Comité Europeo de Normalización (CEN), norma, España, 2013.). According to Keller & Bliesner (1990)KELLER, J.; BLIESNER, R.D.: Sprinkle and trickle irrigation, Ed. Springer, vol. 3, New York, USA, 1990., the term 0.9 is included to take into account the unavoidable percolation losses and assuming that these meet 10% of the flushing requirements, so that 90% of the production is guaranteed due to inappropriate soil saline contents, these authors propose: $L R = \frac{E C i w}{5 (E C s e - E C i w)}$ , for sprinkler and surface irrigation systems. More recently USDA-NRCS (2016)USDA-NRCS: Sprinkler Irrigation. National Engineering Handbook, [en línea], Part 623 ed., USA, 2016, Disponible en: https://www.wcc.nrcs.usda.gov/ftpref/wntsc/waterMgt/irrigation/NEH15/ch11. propose;

L R = 0,18 \times {(\frac{E C i w}{E C s e})}^{3}

(5)

Where:

used for high frequency irrigation and represents the limit of salinity in the root zone that the crop can tolerate without affecting the maximum potential yield.

N_H- It was assumed for the month of maximum needs of the banana crop according to the Technical Task, which was April 2 325 m³/ha = 7.5 (mm/d or L/m²/d):

Timming irrigation

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The time required for the lateral to make one revolution [T_MIN (h)] depends on the maximum travel speed of the last tower [V_MAX (m/min)] and the perimeter to be covered, the maximum speed being set by the manufacturer according to the characteristics of the gearbox in the transmission mechanism. It was obtained from:

T m í n = \frac{2 π * R u t}{V m á x}

(6)

To determine the maximum time to complete a turn [T_MÁX (h)], it was first necessary to estimate the minimum forward speed at which runoff begins to occur at the end of the pivot, according to Dillon et al. (1972)DILLON, R.C.; HILER, E.A.; VITTETOE, G.: “Center-pivot sprinkler design based on intake characteristics”, Transactions of the ASAE, 15(5): 996-1001, 1972., the calculation procedure followed the methodology proposed by this author, recommended by Tarjuelo (2005)TARJUELO, M.B.J.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi Prensa, Edición Revisada y Ampliada. Madrid, Barcelona y México ed., Madrid, España, 2005, ISBN: 84-8476-225-4., in which the maximum rainfall at the end of the pivot [P_MÁX (mm/h)] is obtained, as a function of the capacity of the pivot (L/s), the radius of the irrigated surface (m) and the wetted width at the end of the machine [AM (m)], taking into account the texture and slope of the soil, [T_M (h)] is determined, the maximum time that the equipment can take to pass over a point on the ground (from when it starts to wet it until it stops) so that there is no runoff:

P_{M Á X} = \frac{28800}{π} * \frac{Q p}{R s r * A M}

(7)

from 3.2, for a loam soil, 1% slope and estimated surface storage of 7.6 mm, was obtained: T_M ≈ 0.51 h = 30.6 min. Thus, the minimum equipment travel speed for no runoff was obtained by means of:

V m í n = \frac{A M}{T_{M}}

(8)

The maximum time the machine will take to complete a lap will be:

T m á x = (\frac{2 π * R u t}{V m i n})

(9)

Gross and net doses, average applied dose, limits on frequency of application.

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The highest average gross dose that can be applied without risk of runoff will be the one corresponding to T_MÁX, and the minimum average gross dose will be obtained as a function of T_MÍN, multiplying them by the application efficiency, the corresponding net doses will be obtained, the following expressions solve these parameters:

D b m á x = 0.36 * \frac{(Q p * T m á x)}{A s r}

(10)

D b m í n = 0.36 * \frac{(Q p * T m í n)}{A s r}

(11)

D n m á x = D b m á x * E f a p

(12)

D n m í n = D b m í n * E f a p

(13)

The limits of the maximum and minimum irrigation frequency were obtained by:

I R m á x = \frac{D n m á x}{N H}

(14)

I R m í n = \frac{D n m í n}{N H}

(15)

The pressure required at the inlet of the pivot was determined by means of:

H p i v = H a s p + H f p i v + Δ Z p i v + h p i v

(16)

Where:

H_PIV → Pressure required at pivot inlet (mca).

H_ASP → Nominal pressure of the last sprinkler.

Hf_PIV → Pressure loss due to friction in the pivot pipe (m).

ΔZ_PIV → Geometric difference in level between the pivot point and the end of the pipe.

h_PIV → Height of the pivot pipe above ground.

The head loss along the pipe was determined using the equation proposed by Chu et al. (1980)CHU, S.T.; MOE, M.; GILLEY, G.: Center Pivot Irrigation Design, [en línea], Ed. Agric. Exp. Stn. Tech. Bull, Chu&Moe (1972) ed., vol. 61, 1939-2011 p., 1980, Disponible en: https://openprairie.sdstate.edu/agexperimentsta_tb/61 .

H f p i v o = 0.548 \times H m

(17)

Where:

Hm→ Obtained by the William-Hazen expression assuming intermediate turbulent regime.

The design procedure for the Reelers was taken from the same author:

Calculation of irrigation parameters:

The net irrigation dose [D_N (mm)] was calculated as a function of the soil storage capacity [CA (mm/cm)], the depth to be wetted [Z (cm)] and the allowable moisture deficit [DPM (decimal)], as follows:

D_{N} = C A \times Z \times D P M

(18)

The gross dose to be applied [D_B (mm)] was estimated according to the water losses occurring in the plot, as well as those occurring in the water conduction and distribution system, which are valued through the Irrigation Efficiency [E_R (decimal)], by:

D b = \frac{D_{N}}{E f a p}

(19)

The maximum irrigation frequency [IR_MAX (days)] was obtained from the quotient of the net irrigation rate and the net water requirement of the crop, which was assumed to be 6.3 mm/d as recommended by the Technical Task:

I r m á x = \frac{D_{N}}{N_{H}}

(20)

its value was set to an integer number coincident with the number of bands in the plot [E (m)].

Required average pumping rate [Q_P (L/s)].

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As in the case of the Pivot, it was calculated as the quotient between the volume of water that needs to be applied to the plot in one irrigation and the number of hours needed for this purpose, as it is also an irrigation option that delivers water in motion, the same explanations apply:

Q p = 2,78 \times \frac{N_{H} \times A_{P R}}{T_{O D} \times E f_{A P}} \times \frac{0,9}{(1 - L R)}

(21)

Given the possibility of days with strong winds (Vv ≥ 4 m/s) on which it would be advisable not to irrigate, many manufacturers recommend increasing the flow rate of the equipment by between 15 and 20%, leaving a safety margin to be able to benefit crops with greater demand and in the event of breakdowns. However, design practice establishes that, when considering 20 h of irrigation and not 24 h, the flow rate is increased by more than 25%, more than satisfying this recommendation Tarjuelo (2005)TARJUELO, M.B.J.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi Prensa, Edición Revisada y Ampliada. Madrid, Barcelona y México ed., Madrid, España, 2005, ISBN: 84-8476-225-4..

Sprinkler selection

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It was selected according to the average pumping flow (m3/h) and the range of maximum and minimum pressures in which the sprinkler works best. The catalogue published by Tarjuelo (2005)TARJUELO, M.B.J.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi Prensa, Edición Revisada y Ampliada. Madrid, Barcelona y México ed., Madrid, España, 2005, ISBN: 84-8476-225-4. was used to assume the main characteristics of the sprinkler, which are shown in the following table:

TABLE 2. Main characteristics of the selected sprinkler,

Sprinkler pressure (H _asp)	405.3 kPa	Outlet diameter (ϕ_boq)	32 mm
Sprinkler Flow Rate (Q_asp)	78.7 m³/h	Angle irrigated sector ( $∢ s r$ )	220°
Sprinkler Radius (R_asp)	52 m	Outlet Angle ( $∢ s$ )	22°
Pipe Diameter (ϕ_mang)	110 mm	Reeler height (h_E)	3.15 m
Pipe length (L_mang)	260 m	Local losses (Hf_loc)	98 Pa

Maximum sprinkler rainfall [P_MAX(mm/h)]

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Obtained as a function of the sprinkler discharge and the area it wets and should be less than or equal to the stabilised infiltration rate of the soil to avoid water loss through runoff and/or deep percolation.

P m á x = \frac{Q_{a s p}}{π (0.9 \times R a s p) ² (\frac{(∢ s r) °}{360 °})}

(22)

it was found that this sprinkler will not cause surface runoff problems on bare soil. 90% of the sprinkler's radius of throw was considered, to take into account that (P_MÁX) falls over most of the wetted area, over a surface area greater than the average wetted value Keller & Bliesner (1990)KELLER, J.; BLIESNER, R.D.: Sprinkle and trickle irrigation, Ed. Springer, vol. 3, New York, USA, 1990..

Spacing between irrigation positions

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A prevailing wind speed (V_V = 2.5 m/s) was assumed, this infers that ≈ 68 % of the wetted diameter is wetted by the sprinkler, from this, the bandwidth or separation between irrigation positions was obtained by:

E = 2 \times R a s p \times % m o j a d o

(23)

the equipment was planned to be placed in the shortest dimension of the irrigation plot in order to reduce the displacement of the hose from the Reeler and consequently the friction losses that occur, and the band width was also planned to be of full dimensions and the total number of bands to coincide with 6.3.

Sprinkler ground speed [V_AV (m/h)]

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V_{a v} = \frac{Q a s p}{D b \times E}

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it was found that the value obtained was within the permissible range according to the manufacturer (between 5 and 50 m/h).

Irrigation timming

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The time required to irrigate one position [T_R (h)], depends on the length to be covered and the forward speed. The operating time at the beginning and at the end of the plot was also taken into account, as well as the forward time, and the convenience of carrying out two irrigation positions per day. The calculation included:

The distance at the start [D_INI (m)] between the end of the plot and the starting position of the Reeler was obtained by:

D i n i = \frac{2}{3} \times R a s p

(25)

The duration of irrigation in the initial position of the equipment [T_INI (h)]:

T i n i = \frac{2}{3} \times \frac{(∢ s r) °}{360 °} \times \frac{R a s p}{V_{a v}}

(26)

The duration of irrigation at the end position of the equipment [T_FIN (h)]:

T f i n = \frac{2}{3} \times 1 - \frac{(∢ s r) °}{360 °} \times \frac{R a s p}{V_{a v}}

(27)

The duration of irrigation during the run from the end to the beginning of the plot [T_AV (h)] and where the run length (L_MANG) resulted, in this case, from the difference between the half of the irrigated plot and (D_INI):

T a v = \frac{L m a n g}{V_{a v}}

(28)

The total duration of irrigation in one position resulted:

T_{R} = T i n i + T a v + T f i n

(29)

was assumed up to 1h duration for the change from one position to another of the equipment [T_C (h)], therefore the first irrigation session (in the morning), was obtained by adding up: $T_{R} + T_{C}$ .

The pressure required at the hydrant supplying the Reeler was obtained by adding to the working pressure of the sprinkler given in the manufacturer's catalogue [H_asp (mca)], its height above ground [h_E(m)], the most unfavourable topographical slope [ΔZ_E (m)] and the hose friction losses [Hfmang (mca)], as well as the local losses [Hfmang (mca)], the most unfavourable topographical slope [ΔZ_E (m)] and the friction losses in the hose [Hf_mang (mca)], as well as the local losses [Hf_loc (mca)] that occur in the propulsion and regulation mechanisms, the expression was as follows:

H_{H} = H a s p + h f m a n g + Δ Z_{E} + h f l o c + h e

(30)

Design parameters	Present of salts.	No salts present.
Number of tower.	10	10
Irrigated area.	40.6 ha	40.6 ha
Machine Capacity.	61 L/s	47 L/s
Maximum velocity of pivot.	2.1 m/min	2.1 m/min
Minimum time for one rotation.	17.45 h	17.45 h
Maximum discharge rate.	224 mm/h	171 mm/h
Maximum time to wet one point.	0.09 h	0.13 h
Minimum velocity of pivot.	1.36 m/min	0.9 m/min
Maximum time for a rotation.	27.02 h	40.5 h
Maximum gross deep.	14.71 mm	16.88 mm
Minimum gross deep.	9.50 mm	7.27 mm
Maximum net deep.	13.24 mm	15.19 mm
Minimum net deep.	8.55 mm	6.54 mm
Maximum irrigation frequency.	1.76 d	2.03 d
Minimum irrigation frequency.	1.14 d	0.87 d
Friction losses.	35.49 kPa	21.57 kPa
Pressure head in the Central Pivot.	318 kPa	312 kPa

Design parameters.	Present of salts.	No salts present.
Adjusted net deep	25.2 mm	31.5 mm
Adjusted gross deep	33.6 mm	42.0 mm
Maximum irrigation frequency.	4 d	5 d
Reeler discharge	111 m³/h	78.7 m³/h
Maximum discharge rate.	18.5 mm/h	18.7 mm/h
Bandwidth	88.5 m	71 m
Number of bands	4 bands	5 bands
Equipment feed velocity	37.22 m/h	26.4 m/h
Irrigation time in the initial position.	0.68 h	0.7 h
Irrigation time in the final position.	0.43 h	0.4 h
Equipment lead time	5.89 h	8.4 h
Timming irrigation.	7.0 h	9.5 h
Friction losses.	223.8 kPa	116.5 kPa
Hydrant pressure.	1002 kPa	693.5 kPa

INTRODUCCIÓN

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El agua y la seguridad alimentaria están estrechamente relacionadas. La agricultura es, con gran diferencia, la mayor consumidora de agua, y representa alrededor del 69% de todas las extracciones en todo el mundo y más del 80% en los países en desarrollo. Un acceso fiable y suficiente de agua aumenta los rendimientos agrícolas, proporcionando más alimentos e ingresos más altos en las zonas rurales donde viven las tres cuartas partes de la población hambrienta del mundo. No es de extrañar que los países con mejor acceso al agua suelan ser también los que presentan niveles más bajos de subnutrición FAO (2000)FAO: “El agua como recurso para la producción de alimentos”, En: 26^a Conferencia regional de la F.A.O. para América Latina y el Caribe. Mérida, México, Ed. Food & Agriculture Org. (FAO), Mérida, México, 2000. citado por Baucells & Méndez (2004)BAUCELLS, P.G.; MÉNDEZ, M.A.: “Panorama del riego y el drenaje en cuba”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 13(2): 51-54., 2004, ISSN: 1010-2760..

El suelo y el agua son los dos recursos primarios, no sólo de la agricultura, sino de toda la vida que existe sobre el planeta Tierra, cuando el abastecimiento de agua es suficiente y los suelos son fértiles, la agricultura puede sostener la vida humana civilizada, a condición de que el clima sea favorable según FAO (1996)FAO: Producción de alimentos: Función decisiva del agua, Inst. Food & Agriculture Org. (FAO), Roma. Italia, 1996. citado por Tarjuelo, (2005)TARJUELO, M.B.J.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi Prensa, Edición Revisada y Ampliada. Madrid, Barcelona y México ed., Madrid, España, 2005, ISBN: 84-8476-225-4., aseguran que, en cambio, la falta del agua necesaria, incluso temporalmente, impide las faenas agrícolas y desencadena la inseguridad alimentaria. En la actualidad, la población del mundo y las necesidades de alimentos están aumentando a un ritmo sin precedentes, siendo más difícil incrementar el suministro de agua a los agricultores.

Según Palacios-Vargas (2021)PALACIOS-VARGAS, R.P.: Evaluación de la eficiencia en el uso del agua de riego en la EALB, Inst. Empresa Agropecuaria Laguna Blanca (EALB), Informe de Proyecto de Investigación PS113LH001 032, Santiago de Cuba, Cuba, 2021., en las condiciones climatológicas actuales, caracterizadas por la alternancia de fenómenos naturales adversos como consecuencia directa del Cambio Climático, son significativas las afectaciones en las producciones agrícolas de la mayoría de los escenarios de uso, en ocasiones el potencial agroproductivo del suelo tampoco es tenido en cuenta para seleccionar la técnica de riego a utilizar.

Según refiere Vargas-Ferrer (2022)VARGAS-FERRER, P.: Efecto de la salinidad del extracto acuoso del suelo en la capacidad de Pivotes Centrales, Universidad de Oriente, Informe de tesis de culminación de estudios., Santiago de Cuba. Cuba, 2022., las simplificaciones que se realizan durante el diseño agronómico de los sistemas de riego por aspersión con pivote central y en los sistemas de riego con enrolladores, conlleva a subvalorar las necesidades de agua de los cultivos, y propicia una instalación más susceptible a los problemas de mal drenaje y salinidad, los cuales persisten en los suelos de categoría agroproductiva III y IV, característicos del área objeto de estudio (Barragan-Fernandez & Casañas-Cladellas, 1980BARRAGAN-FERNANDEZ, J.D.; CASAÑAS-CLADELLAS, A.: “Sistemas autopropulsados de riego por aspersión a baja presión”, En: Jornades sobre Recerca, Tecnologia i Societat (1es: 1980: Barcelona, Catalunya), Ed. Universitat Politècnica de Barcelona, Barcelona, Espña, pp. 281-282, 1980.).

En este sentido, la investigación se realiza como una modesta contribución que aborda las implicaciones que tiene la presencia de sales en el extracto acuoso del suelo, en las necesidades totales de agua de los cultivos y por tanto en los parámetros de explotación de las instalaciones de riego por aspersión mecanizado, específicamente las máquinas de pivote central y los enrolladores.

De acuerdo con FAO (2000)FAO: “El agua como recurso para la producción de alimentos”, En: 26^a Conferencia regional de la F.A.O. para América Latina y el Caribe. Mérida, México, Ed. Food & Agriculture Org. (FAO), Mérida, México, 2000. citado por Vargas-Ferrer (2022)VARGAS-FERRER, P.: Efecto de la salinidad del extracto acuoso del suelo en la capacidad de Pivotes Centrales, Universidad de Oriente, Informe de tesis de culminación de estudios., Santiago de Cuba. Cuba, 2022., el análisis de la selección de las instalaciones para el riego por aspersión debe incluir: La correspondencia entre la intensidad media de la lluvia y la capacidad de absorción del suelo; la correspondencia entre las dimensiones y la configuración del territorio irrigado con los parámetros fundamentales y los índices de las instalaciones; el análisis de las condiciones climáticas y topográficas del territorio (la complejidad del relieve del terreno, la pendiente y las propiedades físico - químicas del suelo), así como de las condiciones y posibilidades económicas.

MATERIALES Y MÉTODOS

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Descripción del caso de estudio

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El área del estudio ocupa una superficie total de 122,88 hectáreas en la Empresa Agropecuaria Laguna Blanca, en la zona conocida como Aguacate, municipio Contramaestre, provincia Santiago de Cuba, de ella se propone irrigar con pivote central eléctrico una superficie de 51,78 ha, para beneficiar el cultivo de plátano burro (variedad CEMSA –) y una parcela rectangular de 18,5 ha para beneficiar cultivos de pastos para la alimentación animal con técnicas de riego de enrollador; el resto del área se irrigará utilizando otras técnicas de riego por aspersión.

El área pertenece a la UBPC No.1 "4 de abril", limita al Sur con el canal magistral, al Norte con el canal secundario No.1 que abastece las maquinas 3 y 4, al Este con un terraplén que divide las áreas 1 y 3 de dicha UBPC y al Oeste con la UBPC 2. Las coordenadas son: 195 000-197 000 Norte y 575 000-578 000 Este, hoja cartográfica 4977-II-b-4 escala 1:10 000 del ICGC.

Datos básicos para el diseño

⌅

Fuente de abasto

⌅

Disponibilidad y accesibilidad: La fuente de abasto constituyó el río Cauto específicamente en el lugar conocido como Arrollo Blanco, donde existe una estación de bombeo en la margen derecha del río Cauto equipada con 6 bombas Q = 400 L/s y H = 784 kPa para un caudal total de la estación de bombeo Q = 2,4 m³/s.

Calidad del agua para el riego: Se tomaron muestras de agua en la fuente de abasto para determinar sus propiedades físicas y químicas y se analizaron en el laboratorio de la delegación provincial del INRH, comprobándose su aptitud para el riego de los cultivos propuestos. A los efectos de diseño se utilizó para la comparación de las variantes, una salinidad en el agua de riego (CE_AR = 1,2 dS/m), correspondiente a aguas de riego de salinidad media (Pizarro, 1985PIZARRO, F.: Drenaje agrícola y recuperación de suelos salinos, Ed. Editorial Agrícola Española, S.A, 2a ed. ed., Madrid, España, 541 p., publisher: Madrid (Spain) Edit. Agricola Espanola, 1985.).

Suelos

⌅

De acuerdo con el informe de la DSF-EALB-Santiago de Cuba (2006) se clasificó el suelo de ambas parcelas de riego, como Oscuro Plástico Gleysoso gris amarillento, sobre materiales carbonatados, mediana humificación (2 a 4%), poco erosionado, de textura media-arcillosa, medianamente gleysado y ligeramente salino, de perfil uniforme hasta los 0,7 m. No se pudo medir el contenido de sales en la solución del suelo en ninguno de los dos casos, pero se comprobó durante la visita técnica que, los suelos presentan un drenaje natural superficial e interno deficiente.

En ambas parcelas se reconocieron las siguientes limitantes: mal drenaje, poca profundidad efectiva y alta plasticidad. Las siguientes propiedades hidrofísicas se pueden considerar comunes para ambas parcelas.

TABLA 1. Propiedades hidrofísicas del suelo,

Velocidad de infiltración	(Vi) = 26,0 mm/h (estabilizada 50 min)
Capacidad de Campo	(CC) = 54,1% PSS (alta)
Límite Productivo	(LP) ≈ 80,0% CC
Densidad Aparente	(DA) = 1,02 g/cm³

Se asumió para el diseño que la parcela es de perfil uniforme hasta los 0,7 m con textura mediaarcillosa, la profundidad efectiva = 25 cm (poco profundo), la pendiente predominante ligeramente superior al 1% (llana). Las recomendaciones para su utilización en el cultivo del plátano establecen la siembra en bancales combinada con la aplicación de materia orgánica y de un sistema de drenaje superficial. En el caso de la parcela experimental para el cultivo de pastos, el suelo de la parcela es de perfil uniforme y textura media con una pendiente del 2% y una capacidad de almacenamiento de 1mm/cm de suelo.

Cultivos

⌅

El cultivo a beneficiar con la máquina de riego de pivote central fue el plátano burro (CEMSA –) con tecnología extradenso, se tuvieron en cuenta las siguientes características: profundidad radical 0,7 m, coeficiente de cultivo 0,75 rendimiento potencial 65 t/ha, un déficit permisible de manejo = 40% y tolerancia a la inundación de 1 a 2 días. En el caso de la parcela experimental se utilizó para el riego un enrollador cuyas características se ofrecen más adelante, se beneficiarán cultivos de pastos con una considerar comunes para ambas parcelprofundidad radicular de 67 cm, y un déficit permisible de manejo de 55% del agua útil.

Clima

⌅

De acuerdo con la tarea técnica se asumió para el diseño del pivote central (cultivo de plátano burro), unas necesidades punta de 7,5 mm/día, correspondiente al mes de abril, de igual forma se consideró para el diseño de la parcela a irrigar con el Enrollador, unas necesidades netas puntas de agua = 6,.3 mm/d. Se estima para la zona una velocidad medida de los vientos predominantes Vv = 2,5 m/s.

Características de las técnicas de riego

⌅

En el caso del pivote central, se previó detener el riego al menos 4 horas al día, coincidiendo con las horas pico de la tarifa eléctrica, sin días libres de riego, estimándose que puede alcanzarse una eficiencia de aplicación de agua del 90%.

Separación entre torres 35m (modelo torres cortas), longitud de alero múltiplo 3 m (máximo 25 m), altura del pivote 4 m, diámetro de la tubería lateral 200 x 189 mm, AL, C150 - PN 6.

Presión nominal de los aspersores 210 kPa y anchura mojada en el extremo móvil 7 m, velocidad máxima de desplazamiento de la última torre de 2,1 m/min.

Se decidió utilizar un aspersor (rotator) de tamaño medio o menor en su extremo situado en un tubo bajante para dejarlo a 2,5 m sobre el suelo.

En el caso del enrollador se estimó una eficiencia de riego E_AP = 75%, igualmente se previó detener el riego durante las horas de máxima demanda de energía eléctrica y se procuró realizar hasta dos posiciones de riego diarias, separadas por al menos 1 hora para el cambio de una posición a otra. Se asumió una jornada diaria de 20 h, las características técnicas del equipo se refieren en el procedimiento de diseño.

De acuerdo con Tarjuelo (2005)TARJUELO, M.B.J.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi Prensa, Edición Revisada y Ampliada. Madrid, Barcelona y México ed., Madrid, España, 2005, ISBN: 84-8476-225-4., el procedimiento de diseño del pivote central incluye:

Estimación de la longitud del pivot, el número de torres y la longitud del alero:

El pivote se ubicó en una superficie cuadrada de 517 800 m ².
Al tratarse de una parcela cuadrada, el diámetro de la circunferencia circunscripta a cubrir con el riego es igual a un lado del cuadrado (ϕ) = 719,6 m, por tanto, el radio de la superficie a irrigar por el pivot será:

R_{S R} = \frac{ϕ}{2}

(1)

El número de torres necesarias será:

N_{T O R R E S} = \frac{R_{S R}}{\frac{S}{T o r r e s}}

(2)

se concibió una máquina con 10 torres de 35 m, los 9,8 m restantes se cubrieron con un alero de 3 m, quedando 6,8 m para cubrir con el aspersor final cuya anchura mojada es de 7 m.

La superficie del círculo regado por la máquina será:

A_{S R} = π \times R_{S R}^{2}

(3)

como la superficie total del cuadro es de 51,78 ha, se quedarían sin regar el 21,46% de la parcela.

Capacidad del Pivote [Q_P (L/s)]

⌅

Según a Tarjuelo, (2005)TARJUELO, M.B.J.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi Prensa, Edición Revisada y Ampliada. Madrid, Barcelona y México ed., Madrid, España, 2005, ISBN: 84-8476-225-4., citado por Fernández-Hung et al. (2022)FERNÁNDEZ-HUNG, K.; VARGAS-RODRÍGUEZ, P.; CUETO-RODRÍGUEZ, J.R.; BROWN-MANRIQUE, O.N.: “Capacity of center pivot systems and emitter discharges for citrus irrigation. A case study”, INGE CUC, 18(1): 105-113, 2022, ISSN: 2382-4700, DOI: http://doi.org/10.17981/ingecuc.18.1.2022.09. para el riego de cultivos de cobertura completa se ha generalizado el uso de la siguiente ecuación:

Q p = 2,78 \times \frac{N_{H} \times A_{P R}}{T_{O D} \times E f_{A P}} \times \frac{0,9}{(1 - L R)}

(4)

donde:

el último término se utiliza cuando existe presencia de sales en la solución del suelo, (cuando LR > 0,1).

Ef_AP- eficiencia de aplicación en la parcela de riego (decimal), es la fracción de agua aplicada con el riego que queda retenida en la zona radicular y a disposición de la planta. Su valor depende del tipo de suelo, de la técnica de riego y de otros factores

T_OD- tiempo de operación diario del equipo (h), en el mejor de los casos se asume como el 90% del fondo horario para tener en cuenta posibles interrupciones en el período punta según USDA (2013)USDA: Manual Nacional de Ingeniería de Riego. Capítulo 7., Ed. USDA, Departamento de Agricultura de Estados Unidos ed., USA, 2013. y USDA-NRCS (2016)USDA-NRCS: Sprinkler Irrigation. National Engineering Handbook, [en línea], Part 623 ed., USA, 2016, Disponible en: https://www.wcc.nrcs.usda.gov/ftpref/wntsc/waterMgt/irrigation/NEH15/ch11., de acuerdo con MFP- Cuba (2021)MFP- CUBA: Sistema tarifario eléctrico para servicios no residenciales, pertenecientes a empresas y entidades 100% cubanas, Inst. Ministerio de Finanzas y Precios (MFP), Resolución 28/2011. 2021, La Habana, Cuba, publisher: Ministerio de Finanzas y Precios La Habana, Cuba, 2021. se asumió un tiempo de operación diario de 20 h.

LR- representa las necesidades de lavado, su valor depende de la conductividad eléctrica del agua de riego [CE_ar (dS/m)] y de la conductividad eléctrica del extracto de saturación del suelo [CE_es (dS/m)] (CEN, 2013CEN: Máquinas de riego móviles, Inst. Comité Europeo de Normalización (CEN), norma, España, 2013.). De acuerdo con Keller & Bliesner (1990)KELLER, J.; BLIESNER, R.D.: Sprinkle and trickle irrigation, Ed. Springer, vol. 3, New York, USA, 1990., el término 0,9 se incluye para tener en cuenta las pérdidas por percolación inevitables y suponiendo que estas satisfacen el 10% de las necesidades de lavado, de manera que se garantice el 90% de la producción debido a tenores salinos inapropiados en el suelo, estos autores proponen $L R = \frac{C E a r}{5 (C E e s - C E a r)}$ , para sistemas de riego por aspersión y superficial. Más recientemente USDA-NRCS (2016)USDA-NRCS: Sprinkler Irrigation. National Engineering Handbook, [en línea], Part 623 ed., USA, 2016, Disponible en: https://www.wcc.nrcs.usda.gov/ftpref/wntsc/waterMgt/irrigation/NEH15/ch11. propone;

L R = 0,18 \times {(\frac{C E a r}{C E e s})}^{3}

(5)

donde:

utilizada para riegos de alta frecuencia y representa el límite de salinidad en la zona radicular que el cultivo tolera sin afectación del rendimiento máximo potencial.

N_H- se asumió para el mes de máximas necesidades del cultivo del plátano de acuerdo con la tarea técnica, que resultó el mes de abril de 2 325 m³/ha = 7,5 (mm/d o L/m²/d):

Duración del riego

⌅

El tiempo necesario para que el lateral realice una vuelta [T_MIN (h)] depende de la máxima velocidad de desplazamiento de la última torre [V_MAX (m/min)] y del perímetro a recorrer, la máxima velocidad viene fijada por el fabricante según las características del desmultiplicador en el mecanismo de transmisión. Se obtuvo de:

T m í n = \frac{2 π * R u t}{V m á x}

(6)

Para determinar el tiempo máximo para completar una vuelta [T_MÁX (h)], primero fue necesario estimar la velocidad mínima de avance a la que empieza a haber escorrentía en el extremo del pivote, de acuerdo con Dillon et al. (1972)DILLON, R.C.; HILER, E.A.; VITTETOE, G.: “Center-pivot sprinkler design based on intake characteristics”, Transactions of the ASAE, 15(5): 996-1001, 1972., el procedimiento de cálculo siguió la metodología propuesta por este autor, recomendada por Tarjuelo (2005)TARJUELO, M.B.J.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi Prensa, Edición Revisada y Ampliada. Madrid, Barcelona y México ed., Madrid, España, 2005, ISBN: 84-8476-225-4., en la misma se obtiene la pluviosidad máxima en el extremo del pivote [P_MÁX (mm/h)], en función de la capacidad del pivote (L/s), el radio de la superficie regada (m) y la anchura mojada en el extremo de la máquina [AM (m)], teniendo en cuenta la textura y la pendiente del suelo se determina [T_M (h)], el máximo que puede tardar el equipo en pasar sobre un punto del terreno (desde que empieza a mojarlo hasta que deja de hacerlo) para que no exista escorrentía:

P_{M Á X} = \frac{28800}{π} * \frac{Q p}{R s r * A M}

(7)

donde:

para un suelo franco, pendiente del 1% y almacenaje superficial estimado de 7,6 mm, se obtuvo: TM ≈ 0,51 h = 30,6 min. Así, la mínima velocidad de desplazamiento del equipo para que no haya escorrentía se obtuvo por medio de:

V m í n = \frac{A M}{T M}

(8)

El tiempo máximo que tardará el equipo en dar una vuelta será:

T m á x = (\frac{2 π * R u t}{V m i n})

(9)

Dosis bruta y dosis neta, media aplicada, límites de frecuencia de aplicación

⌅

La dosis bruta media más alta que puede aplicarse sin riesgo de escorrentía será la correspondiente al T_MÁX, y la dosis bruta media mínima se obtendrá en función de T_MÍN, multiplicando las mismas por la eficiencia de aplicación se obtendrían las dosis netas correspondientes, las siguientes expresiones resuelven estos parámetros:

D b m á x = 0.36 * \frac{(Q p * T m á x)}{A s r}

(10)

D b m í n = 0.36 * \frac{(Q p * T m í n)}{A s r}

(11)

D n m á x = D b m á x * E f a p

(12)

D n m í n = D b m í n * E f a p

(13)

Los límites de la frecuencia de riego máxima y mínima se obtuvieron por:

I R m á x = \frac{D n m á x}{N H}

(14)

I R m í n = \frac{D n m í n}{N H}

(15)

La presión necesaria a la entrada del pivote se determinó por medio de:

H p i v = H a s p + H f p i v + Δ Z p i v + h p i v

(16)

donde:

H_PIV → presión necesaria a la entrada del pivote (mca).

H_ASP → presión nominal del último aspersor.

Hf_PIV → pérdida de presión por rozamiento en la tubería del pivote (m).

ΔZ_PIV → desnivel geométrico entre el punto pivote y el extremo de la tubería.

h_PIV → altura de la tubería del pivote sobre el terreno.

La pérdida de carga a lo largo de la tubería se determinó mediante la ecuación propuesta por Chu et al. (1980)CHU, S.T.; MOE, M.; GILLEY, G.: Center Pivot Irrigation Design, [en línea], Ed. Agric. Exp. Stn. Tech. Bull, Chu&Moe (1972) ed., vol. 61, 1939-2011 p., 1980, Disponible en: https://openprairie.sdstate.edu/agexperimentsta_tb/61 .

H f p i v o = 0.548 \times H m

(17)

donde:

Hm→ se obtuvo por la expresión de William-Hazen asumiendo régimen turbulento intermedio.

El procedimiento de diseño para el enrollador se tomó del mismo autor:

Cálculo de los parámetros de riego:

La dosis neta de riego [D_N (mm)] se calculó en función de la capacidad de almacenamiento del suelo [CA (mm/cm)], la profundidad a humedecer [Z (cm)] y el déficit permisible de humedad [DPM (decimal)], así:

D_{N} = C A \times Z \times D P M

(18)

La dosis bruta a aplicar [D_B (mm)] se estimó en función de las pérdidas de agua que tienen lugar en la parcela, así como las que ocurren en el sistema de conducción y distribución del agua, las cuales se valorizan a través de la Eficiencia de riego [E_R (decimal)], por:

D b = \frac{D_{N}}{E f a p}

(19)

La frecuencia de riego máxima [IR_MÁX (días)] se obtuvo a partir del cociente de la dosis de riego neta y las necesidades netas de agua del cultivo, las mismas se asumieron 6,3 mm/d por recomendaciones de la tarea técnica:

I r m á x = \frac{D_{N}}{N_{H}}

(20)

su valor se ajustó a un número entero coincidente con el número de bandas de la parcela [E (m)].

Caudal medio de bombeo necesario [Q_P (L/s)]

⌅

Al igual que en el caso del pivote, se calculó como el cociente entre el volumen de agua que es necesario aplicar a la parcela en un riego y el número de horas necesarias para este propósito, al constituir igualmente una opción de riego que entrega el agua en movimiento, son válidas las mismas explicaciones:

Q p = 2,78 \times \frac{N_{H} \times A_{P R}}{T_{O D} \times E f_{A P}} \times \frac{0,9}{(1 - L R)}

(21)

ante la posibilidad de que ocurran días con vientos fuertes (Vv ≥ 4 m/s) en los cuales convendría no regar, muchos fabricantes recomiendan mayorear entre el 15 y el 20% el caudal del equipo, dejando un margen de seguridad para poder beneficiar cultivos de mayor demanda y para caso de averías. Sin embargo la práctica del diseño establece que, al considerar 20 h de riego (Tarjuelo, 2005TARJUELO, M.B.J.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi Prensa, Edición Revisada y Ampliada. Madrid, Barcelona y México ed., Madrid, España, 2005, ISBN: 84-8476-225-4.).

Selección del aspersor

⌅

Se seleccionó en función del caudal medio de bombeo (m³/h) y el rango de presiones máxima y mínima en la que mejor funciona el aspersor, se utilizó el catálogo publicado por Tarjuelo (2005)TARJUELO, M.B.J.: El riego por aspersión y su tecnología, Ed. Mundi Prensa, Edición Revisada y Ampliada. Madrid, Barcelona y México ed., Madrid, España, 2005, ISBN: 84-8476-225-4., para asumir las características principales del aspersor, las mismas se refieren en la siguiente tabla:

TABLA 2. Características principales del aspersor seleccionado

Presión del aspersor (H_asp)	405,3 kPa	Diámetro de salida (ϕ_boq)	32 mm
Caudal del aspersor (Q_asp)	78,7 m³/h	Angulo sector regado ( $∢ s r$ )	220°
Radio de alcance (R_asp)	52 m	Angulo de salida ( $∢ s$ )	22°
Diámetro de manguera (ϕ_mang)	110 mm	Altura del Enrollador (h_E)	3,15 m
Longitud de manguera (L_mang)	260 m	Pérdidas locales (Hf_loc)	Pa

Pluviometría máxima del aspersor [P_MAX(mm/h)]

⌅

Se obtuvo en función de la descarga del aspersor y la superficie que este humedece y debe ser menor o igual que la velocidad de infiltración estabilizada del suelo para evitar pérdidas de agua por escorrentía y/o percolación profunda.

P m á x = \frac{Q_{a s p}}{π (0.9 \times R a s p) ² (\frac{(∢ s r) °}{360 °})}

(22)

se comprobó que este aspersor no provocará problemas de escorrentía superficial sobre el suelo desnudo. Se consideró el 90% del radio de alcance del aspersor, para tener en cuenta que (P_MÁX) cae en la mayor parte del área mojada, sobre una superficie superior al valor medio humedecido Keller & Bliesner (1990)KELLER, J.; BLIESNER, R.D.: Sprinkle and trickle irrigation, Ed. Springer, vol. 3, New York, USA, 1990..

Separación entre posiciones de riego

⌅

Se asumió una velocidad de los vientos predominantes (VV = 2,5 m/s), esto infiere que se humedece ≈ 68% del diámetro mojado por el aspersor, a partir de esto, el ancho de banda o separación entre posiciones de riego se obtuvo por:

E = 2 \times R a s p \times % m o j a d o

(23)

previendo colocar el equipo en la dimensión más corta de la parcela de riego para que sea menor el desplazamiento de la manguera del enrollador y por consiguiente las pérdidas por rozamiento que tienen lugar, se previó además que el ancho de banda fuera de dimensiones enteras.

Velocidad de avance del aspersor [V_AV (m/h)]

⌅

V_{a v} = \frac{Q a s p}{D b \times E}

(24)

se comprobó que el valor obtenido resultó dentro del rango permisible según el fabricante (entre 5 y 50 m/h).

Duración del riego

⌅

El tiempo necesario para el riego de una posición [T_R (h)], depende de la longitud a recorrer y de la velocidad de avance, se tuvo en cuenta, además, el tiempo de funcionamiento al principio y al final de la parcela, así como el tiempo de avance, y la conveniencia de realizar dos posiciones de riego al día. El cálculo incluyó:

La distancia al inicio [D_INI (m)] entre el extremo final de la parcela y la posición inicial del enrollador, la misma se obtuvo por:

D i n i = \frac{2}{3} \times R a s p

(25)

La duración del riego en la posición inicial del equipo [T_INI (h)]:

T i n i = \frac{2}{3} \times \frac{(∢ s r) °}{360 °} \times \frac{R a s p}{V_{a v}}

(26)

La duración del riego en la posición final del equipo [T_FIN (h)]:

T f i n = \frac{2}{3} \times 1 - \frac{(∢ s r) °}{360 °} \times \frac{R a s p}{V_{a v}}

(27)

La duración del riego durante el recorrido desde el final hasta el inicio de la parcela [T_AV (h)] y donde la longitud recorrida (L_MANG) resultó, en este caso, de la diferencia entre la mitad de la parcela regada y (D_INI):

T a v = \frac{L m a n g}{V_{a v}}

(28)

La duración total del riego en una posición resultó:

T_{R} = T i n i + T a v + T f i n

(29)

se asumió hasta 1h de duración para el cambio de una posición a otra del equipo [T_C (h)], por lo tanto la primera sesión de riego (en la mañana), se obtuvo sumar $T_{R} + T_{C}$ .

La presión necesaria en el hidrante que abastece del Enrollador se obtuvo sumando a la presión de trabajo del aspersor dada en el catálogo del fabricante [H_asp (mca)], la altura de éste sobre el terreno [h_E(m)], el desnivel topográfico más desfavorable [ΔZ_E (m)] y las pérdidas de caga por rozamiento en la manguera [Hf_mang (mca)], así como las pérdidas locales [Hf_loc (mca)]que ocurren en los mecanismos de propulsión y regulación, la expresión fue la siguiente:

H_{H} = H a s p + h f m a n g + Δ Z_{E} + h f l o c + h e

(30)

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

⌅

Referentes de diseño (Tablas 3 y 4, Figuras 1 y 2)

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Cuando la calidad de la información referida al complejo Agua - Suelo - Planta - Clima y a las características de la tecnología de riego, incluidas las prestaciones de los equipos de bombeo, es garantizada de manera oportuna, es posible prever durante la etapa de diseño posibles soluciones que deberá enfrentar el personal dedicado a la explotación de las instalaciones.

Fue necesario conocer la disponibilidad y calidad de la fuente de abasto para compararla con las necesidades anuales de las instalaciones, esto permitió, comprobar la pertinencia de las técnicas de riego, interesó conocer sobre la accesibilidad de la fuente de abasto para verificar las prestaciones de bombeo de la instalación.

Se tuvo en cuenta la aptitud de los suelos para el riego de los cultivos propuestos por Ayers & Westcot (1987)AYERS, R.S.; WESTCOT, D.W.: Water quality for agriculture, no. ser. Estudio FAO. Riego y Drenaje.No.29, Ed. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Editions FAO ed., vol. 29, Rome, Italy, 1987, ISBN: 92-5-102263-1. presentaron información sobre la tolerancia de las plantas a la salinidad, a partir de datos obtenidos por varios autores y los recientes de Mass-Hoffman, estos últimos, propusieron una fórmula que relaciona la producción de los distintos cultivos con la salinidad del suelo.

Aplicando la fórmula de Mass-Hoffman a la gran cantidad de datos recopilados por Ayers & Westcot (1987)AYERS, R.S.; WESTCOT, D.W.: Water quality for agriculture, no. ser. Estudio FAO. Riego y Drenaje.No.29, Ed. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Editions FAO ed., vol. 29, Rome, Italy, 1987, ISBN: 92-5-102263-1. se determinaron los valores de resistencia y sensibilidad a la salinidad de distintos cultivos. Esto conllevó a asumir un valor de salinidad en el extracto acuoso de suelo correspondiente con el 100% de producción de los cultivos a beneficiar en cada caso, se asumió para la comparación entre las variantes, un valor CE_ES = 1,0 dS/m, debido a la presencia de tenores salinos en el suelo, correspondiente a una garantía de producción del 100% (Pizarro, 1985PIZARRO, F.: Drenaje agrícola y recuperación de suelos salinos, Ed. Editorial Agrícola Española, S.A, 2a ed. ed., Madrid, España, 541 p., publisher: Madrid (Spain) Edit. Agricola Espanola, 1985.). Además, interesó conocer la velocidad de infiltración estabilizada y tiempo al cual se estabiliza la misma, la profundidad de la capa activa, la textura y el relieve para prever de manera prioritaria el diseño de un sistema de drenaje superficial y para poder estimar una dosis de lavado que permita programar a corto plazo, lavados de mantenimiento junto con el riego.

Referente a los cultivos fue conveniente conocer, el marco de plantación y sentido de siembra, la profundidad radical, la tolerancia del cultivo a la inundación y a la salinidad, así como el coeficiente de cultivo en las tres fases principales para poder dar seguimiento a las necesidades de agua de los cultivos durante el manejo del riego en las instalaciones. A los efectos del diseño de los sistemas de riego, las mismas fueron asumidas de acuerdo a lo establecido en la tarea técnica de proyección.

TABLA 3. Resultados del diseño agronómico del Pivote Central

Parámetros de diseño.	Con presencia de sales	Sin presencia de sales
Número de torres.	10	10
Superficie irrigada.	40,6 ha	40,6 ha
Capacidad del pivote.	61 L/s	47 L/s
Velocidad máxima	2,1 m/min	2,1 m/min
Tiempo mínimo para una rotación.	17,45 h	17,45 h
Pluviometría máxima.	224 mm/h	171 mm/h
Tiempo máximo para humedecer un punto.	0,09 h	0,13 h
Velocidad mínima	1,36 m/min	0,9 m/min
Tiempo máximo para una rotación.	27,02 h	40,5 h
Dosis bruta máxima.	14,71 mm	16,88 mm
Dosis bruta mínima.	9,50 mm	7,27 mm
Dosis neta máxima.	13,24 mm	15,19 mm
Dosis neta mínima.	8,55 mm	6,54 mm
Frecuencia de riego máxima.	1,76 d	2,03 d
Frecuencia de riego mínima.	1,14 d	0,87 d
Pérdidas por rozamiento.	35,49 kPa	21,57 kPa
Presión en el punto pivot.	318 kPa	312 kPa

TABLA 4. Resultados del diseño agronómico del Enrollador

Parámetros de diseño.	Con presencia de sales.	Sin presencia de sales.
Dosis neta ajustada	25,2 mm	31,5 mm
Dosis bruta ajustada	33,6 mm	42,0 mm
Frecuencia de riego máxima.	4 d	5 d
Caudal que entrega el Enrollador.	111 m³/h	78,7 m³/h
Pluviometría máxima.	18,5 mm/h	18,7 mm/h
Ancho de banda	88,5 m	71 m
Número de bandas	4 bandas	5 bandas
Velocidad de avance del equipo	37,22 m/h	26,4 m/h
Tiempo al inicio de la posición	0,68 h	0,7 h
Tiempo al final de la posición	0,43 h	0,4 h
Tiempo de avance del equipo	5,89 h	8,4 h
Tiempo de riego	7,0 h	9,5 h
Pérdidas por rozamiento.	223,8 kPa	116,5 kPa
Presión en el hidrante.	1002 kPa	693,5 kPa

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

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Se concibió un pivote central para entregar un caudal = 47 L/s, con una presión necesaria a la entrada de la máquina de 32 mca, con posibilidad para completar una rotación entre 17,45 y 40,5 horas, sin que ocurra escorrentía superficial. Como se trata de una técnica de riego que entrega el agua a las plantas en movimiento y la capacidad de almacenamiento del suelo no es homogénea en todo el perfil del suelo y además de que la dosis bruta máxima es elevada (16,88 mm), se recomienda durante el manejo del agua de riego, pronosticar el momento oportuno para el riego en función del contenido de humedad de suelo.

Como el riego se aplicará cada dos días, es conveniente dividir la parcela en dos mitades iguales, cada una de ellas se regará durante una jornada de riego completa (20 horas con doble turno), teniendo en cuenta el déficit permisible de humedad, gpara evitar escorrentía. En el caso de la variante con presencia de sales, al incrementarse el caudal medio de bombeo disminuye la frecuencia de riego máxima y por tanto queda diseñada una instalación más restringida, resultando más complicado particionar el riego, sin aplicar automatismos para programar el riego, ya que la frecuencia de riego máxima resultó 1,76 días.

FIGURA 1. Comportamiento parámetros de diseño del Pivote Central.

Se seleccionó un enrollador con un cañón de riego que descarga 22 L/s con una presión en la base de 42 mca, como resultado del diseño la parcela quedó dividida en 5 bandas de 355 m cada una. La jornada de riego incluye dos posiciones diarias, cada una se concibió para un tiempo de riego de 9h y 30 min, se planificó hasta una hora para el cambio de una posición a otra.

A partir de la presión necesaria en el hidrante y aplicando las ecuaciones de Bernoulli y Continuidad, se pudo obtener la presión necesaria en la válvula prevista a la entrada de la parcela, cuyo valor fue aproximadamente el 70% del que tiene lugar en la variante con presencia de sales, muy similar a lo que sucede con el caudal medio de bombeo necesario para el riego de la parcela.

En el diseño de la variante con presencia de sales, el caudal a aplicar se incrementó el 30%, sin embargo, la dosis bruta ajustada a aplicar durante el riego, disminuye un 20%, esto es debido a que al igual a como ocurre con los pivotes centrales, estas máquinas de riego también entregan el agua en movimiento. En todo caso es necesario verificar durante la explotación el contenido de humedad del suelo, ya que las condiciones de sobre humedecimiento o saturación de los suelos conllevan a facilitar el efecto negativo de las sales en el extracto acuoso del suelo.

FIGURA 2. Comportamiento parámetros de diseño del Enrollador.

Efectos de la salinidad en el extracto acuoso del suelo

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El principal parámetro de diseño que influye en la modificación de la explotación de ambos equipos de riego es el caudal medio de bombeo que es necesario garantizar para la aplicación de las dosis de riego. Como ya se ha comprobado, al tener en cuenta las necesidades de lavado por las ecuaciones (4) $Q p = 2,78 \times \frac{N_{H} \times A_{P R}}{T_{O D} \times E f_{A P}} \times \frac{0,9}{(1 - L R)}$ y (21) $Q p = 2,78 \times \frac{N_{H} \times A_{P R}}{T_{O D} \times E f_{A P}} \times \frac{0,9}{(1 - L R)}$ , el caudal se incrementó un 23% en la máquina de pivote central y un 30% en el caso del enrollador, las consecuencias pueden resultar significativamente negativas para la sostenibilidad de la instalación.

Como la superficie a humedecer es la misma, en el caso de la máquina de Pivote central, la Pluviometría también aumenta, esta situación implica la necesidad de prever los posibles excesos de humedad en el perfil efectivo del suelo y puede hacer más difícil el movimiento de la maquinaria de riego, ya que se incrementan las pérdidas superficiales del riego, al igual que el riesgo de saturación de los suelos y el efecto perjudicial de las sales, esta situación infiere la necesidad de garantizar soluciones de drenaje superficial en el sistema de riego.

En el caso del sistema de riego con Enrollador, esta situación es diferente puesto que numéricamente el valor de la pluviometría se mantiene muy similar en los dos casos; sin embargo, esta situación que en principio parece contradictoria se explica porque en este caso el incremento del caudal medio de bombeo conllevó a seleccionar otro dispositivo de emisión de caudal con otras prestaciones (mayor radio de alcance y mayor presión necesaria para su funcionamiento), esto conllevó a que se incrementara ≈ 20% la superficie a regar en cada posición y por esa razón ambos valores de pluviometría son similares, pero esto no significa que se elimine el riego de saturación del perfil efectivo del suelo.

El hecho de incrementar el volumen de agua aplicado en un tiempo de riego 2,5 horas menor, infiere un riesgo igualmente importante de sobre humedecimiento del suelo debido al riego, con el consecuente efecto negativo de la presencia de sales en el perfil productivo del suelo.

La duración del riego entre ambas variantes no presenta unas diferencias que no se puedan asumir durante la explotación, sin embargo, en el caso del Pivote central, el diseño con presencia de sales en la solución del suelo conlleva a una disminución importante del tiempo máximo para completar una vuelta.

CONCLUSIONES

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La salinidad en el extracto acuoso del suelo presenta efectos negativos sobre el rendimiento de los cultivos, afectando la productividad del agua en las explotaciones agrícolas, estimar las dosis de lavado durante el diseño contribuye a disminuir el efecto negativo de las sales en la solución del suelo.
Incrementar el volumen de agua a aplicar a los cultivos, teniendo en cuenta la salinidad del agua de riego y en el extracto de saturación del suelo, no necesariamente puede incrementar la duración del riego en instalaciones de riego por aspersión móviles, debido a la particularidad de entregar la dosis de riego en movimiento.
El deficiente drenaje natural y la ausencia de sistemas de drenaje superficial condicionan la presencia de tenores salinos perjudiciales en los suelos agrícolas de la Empresa Agropecuaria Laguna Blanca.
Aún falta por instalar sistemas de riego en una superficie agrícola importante de la Empresa Agropecuaria Laguna Blanca, esto implica la necesidad de aplicar criterios de selección de técnicas de riego, utilizando información básica apropiada como una opción válida para incrementar el valor de uso de las fuentes de abasto de la Empresa.
Como resultado se identificó el caudal medio de bombeo, como el parámetro de diseño que influye significativamente en la explotación de estas máquinas de riego; el incremento de este parámetro infiere la necesidad de establecer sistemas de drenaje parcelario para disminuir los efectos de la saturación de los suelos y la presencia de sales en la solución del suelo.

INTRODUCTION

MATERIALS AND METHODS

Description of the study case

Basic data for design

Source of supply

Soils

Crops

Climate

Characteristics of irrigation techniques

Pivot capacity [QP (L/s)].

Timming irrigation

Gross and net doses, average applied dose, limits on frequency of application.

Required average pumping rate [QP (L/s)].

Sprinkler selection

Maximum sprinkler rainfall [PMAX(mm/h)]

Spacing between irrigation positions

Sprinkler ground speed [VAV (m/h)]

Irrigation timming

RESULTS AND DISCUSSION

Design references (Tables 3 y 4, Figures 1 y 2)

ANALYSIS OF THE RESULTS

Effects of salinity on the soil aqueous layer

CONCLUSIONS

ACKNOWLEDGEMENTS

REFERENCES

Efecto de la salinidad del extracto acuoso del suelo en sistemas de riego por aspersión

INTRODUCCIÓN

MATERIALES Y MÉTODOS

Descripción del caso de estudio

Datos básicos para el diseño

Fuente de abasto

Suelos

Cultivos

Clima

Características de las técnicas de riego

Capacidad del Pivote [QP (L/s)]

Duración del riego

Dosis bruta y dosis neta, media aplicada, límites de frecuencia de aplicación

Caudal medio de bombeo necesario [QP (L/s)]

Selección del aspersor

Pluviometría máxima del aspersor [PMAX(mm/h)]

Separación entre posiciones de riego

Velocidad de avance del aspersor [VAV (m/h)]

Duración del riego

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Referentes de diseño (Tablas 3 y 4, Figuras 1 y 2)

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Efectos de la salinidad en el extracto acuoso del suelo

CONCLUSIONES

AGRADECIMIENTOS

Pivot capacity [Q_P (L/s)].

Required average pumping rate [Q_P (L/s)].

Maximum sprinkler rainfall [P_MAX(mm/h)]

Sprinkler ground speed [V_AV (m/h)]

Capacidad del Pivote [Q_P (L/s)]

Caudal medio de bombeo necesario [Q_P (L/s)]

Pluviometría máxima del aspersor [P_MAX(mm/h)]

Velocidad de avance del aspersor [V_AV (m/h)]