DOI: http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.25345.66401

ARTÍCULO ORIGINAL

Simulación de obturaciones en emisores mediante la modelación matemática en los sistemas de microirrigación

Simulation of plugging on emitter by mathematical modeling in micro irrigation systems

Dr.C. Dayma Carmenates-Hernández,^I Dr.C. Oscar Brown-Manrrique,^I Dr.C. Albi Mujica-Cervantes,^I Dr.C. Maiquel López-Silva,^I Dr.C. Pedro Paneque-Rondón,^II

^IUniversidad de Ciego de Ávila, Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Estudios Hidrotécnicos, Ciego de Ávila, Cuba.
^IIUniversidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque. Cuba.

RESUMEN

En este trabajo se presentan los resultados obtenidos con el uso de un modelo matemático para simular diferentes situaciones de obturaciones en emisores de sistemas de riego por micoirrigación en el cultivo de la guayaba en dos subunidades de riego (A y B) en la UBPC el Tezón en la Empresa Agroindustrial de Ceballos en la provincia Ciego de Ávila. El modelo consiste en que la uniformidad del caudal de los emisores es afectado por el factor hidráulico, de fabricación y obturación. Para la elaboración de los datos experimentales obtenidos con la implantación de estos procedimientos ha sido desarrollada una herramienta computacional mediante una hoja de cálculo Excel 2010 que posibilita con rapidez y con un amplio margen de seguridad obtener los resultados fundamentales de estos cálculos. El objetivo del trabajo es simular las obturaciones de los emisores mediante la modelación matemática en los sistemas de microirrigación.

Palabras clave: riego, caudal, guayaba, uniformidad, hidráulico.

ABSTRACT

This paper presents the results obtained using a mathematical model, to simulate different situations plugging on issuers irrigation systems micoirrigación in the cultivation of guava in two subunits irrigation the UBPC the Tezón in Ciego de Avila province. The model is that the uniformity of the emitter flow is affected by the hydraulic factor, manufacturing and plugging. For the preparation of the experimental data obtained with the implementation of these procedures has been developed a computational tool using an Excel 2007 worksheet that allows quickly and with a wide margin of safety obtain fundamental results of these calculations. The aim of this work is to simulate seals issuers using mathematical modeling in micro irrigation systems.

Key words: irrigation, flow, guava, uniformity, hydraulic.

INTRODUCCIÓN

Los modelos de simulación en las últimas décadas se han convertido en una herramienta eficaz para el diseño y manejo de los sistemas de riego para la definición de estrategias que maximicen la producción agrícola con un uso eficiente de los recursos agua y energía (López et al., 2009), producto a ser una alternativa de bajo costo, rápida y fácil de utilizar (Hernández et al., 2009; El-Nemr, 2012; Ouazaa et al., 2013; Rodríguez et al., 2014) que permiten un mejor alcance del comportamiento de las variables, hidráulicas, agronómicas, edáficas y energéticas de los sistemas de riego Goyal (2013) y Valipour (2014). Para el control de las obturaciones en los sistemas de microirrigación han sido utilizados durante los últimos años diferentes técnicas, procedimientos y herramientas con resultados satisfactorios (Al-Ghobari, 2012).

Solomon (1985) desarrolló un modelo estadístico de simulación computarizado que posibilitó evaluar con gran rapidez las posibilidades de obturación de una subunidad de riego a partir de los riesgos de obturación. Del mismo modo Feng y Wu (1990), desarrollaronuna herramienta computarizada que teniendo en cuenta la geometría de la red hidráulica, factores topográficos y características del agua y sistema de filtrado evidenciaba con una alta precisión los riesgos de las obturaciones.

Santos et al. (2010), desarrollaron un sistema computarizado de simulación de las obturaciones que posibilitó evaluar en un corto intervalo de tiempo unas 2200 situaciones de obturación, considerando la influencia de otros aspectos como: características del agua, condiciones topográficas, geometría de la red hidráulica y condiciones climáticas. Elwadie et al. (2010), desarrolló un modelo de simulación matemática para evaluar el fenómeno de obturaciones, basado principalmente en que el caudal en emisores es afectado, por los factores de fabricación, hidráulico y obturación. El objetivo del trabajo es simular las obturaciones de los emisores mediante la modelación matemática en los sistemas de microirrigación.

MATERIALES Y MÉTODOS

Las variaciones de los caudales se determinaron experimentalmente en dos subunidades de riego en la Unidad Básica de Producción Agropecuaria (UBPC) “El Tezón” que representaron las subunidades de riego A y B. Se utilizó el método probado por Carmenates et al. (2014), que consiste en la selección de 16 emisores distribuidos uniformemente dentro de la subunidad en cuatro laterales (inicial, a 1/3, a 2/3 y final) en los cuales se seleccionaron cuatro emisores siguiendo el mismo criterio. La presión del sistema se midió a la entrada de cada tratamiento para registrar el valor de la carga de trabajo mediante un manómetro metálico de tipo Bordón con una precisión de 0,10 kg/cm² (9,80) kPa. El aforo de los emisores se realizó mediante el método volumétrico utilizado por Loboa et al. (2011), lo que permitió precisar la variación del caudal respecto al caudal medio teniendo en cuenta el factor hidráulico (Δq_H), de fabricación (Δq_F) y obturación (Δq_O) se determinó mediante la siguiente ecuación:

(1)

donde: Δq es la variación del caudal; i los factores hidráulicos, de fabricación y de obturación; q_i el caudal de los emisores medido de forma experimental por el método del aforo volumétrico (L /h); q_m el caudal medio de los emisores evaluados (L/h).El porcentaje de obturación se obtuvo a través del método de la observación, midiéndose en los tratamientos (A y B) la cantidad de emisores obturados los cuales fueron expresados en porcentaje en cada uno de los años evaluados según la siguiente ecuación:

(2)

donde: O es el porcentaje de emisores obturados (%); NEO el número de emisores obturados; NE el número total de emisores; N número total de observaciones.

Se utilizó un modelo matemático de simulación desarrollado por Elwadie et al. (2010), para la evaluación de diferentes situaciones de obturaciones en una subunidad de riego. El modelo consiste en que la uniformidad del flujo de los emisores es afectado por el factor hidráulico, de fabricación y obturación.

La simulación del funcionamiento del sistema se realizó en cada tratamiento estudiado para diferentes condiciones de manejo asumidas según el criterio de Sammis y Wu (1985). En el caso del coeficiente de variación afectado por el factor hidráulico se evaluó a diferentes porcentajes (8%, 12%, 16%). Para el caso del factor obturación se evaluó a el (10%,20%,30%). Las ecuaciones utilizadas fueron las siguientes:

(3)

(4)

(5)

donde: Δq_HFO = Variación total del caudal afectado por los tres factores: hidráulico, fabricación y obturación; Δq_HF = Variación del caudal del emisor causado por el factor hidráulico y de fabricación; Δq_O variación del caudal producto de la obturación; O = porcentaje de orificios totalmente obturados (%).

La validación del modelo matemático se realizó mediante el criterio del error relativo promedio a partir de la comparación de los valores de variación del caudal debido a la obturación de los emisores observados experimentalmente “(Δq)_obs” y los simulados mediante el modelo matemático empleado “(Δ_O)_sim”. La ecuación empleada fue la siguiente:

(6)

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Análisis de la variación de caudales y porcentaje de obturación para dos subunidades (A y B)

En la Tabla 1 se presentan los resultados alcanzados en condiciones experimentales de las variaciones de caudales y porcentajes de obturación debido al factor hidráulico, de fabricación y de obturación. Se demuestra que los mejores resultados en cuanto a variación del caudal debido al factor hidráulico (Δq_H), porcentaje de obturación (O) y variación del caudal debido al factor de obturación (Δq_O) se encontraron en el tratamiento (A) con un valor del 4,0%; 5,7% y 5,5% respectivamente; mientras que para el tratamiento (B) se obtuvieron valores superiores en relación con estos parámetros con valores de 7,0%, 12,0% y 14,0% respectivamente.

Este comportamiento confirma que bajo las mismas condiciones en la subunidad A se obtienen menos niveles de obturación en relación con la subunidad B, evaluada con el modelo matemático de Elwadie et al. (2010). Resultados similares a las obtenidos en esta investigación los publicó Babatunde y Mofoke (2006), pero con su modelo de simulación matemática en sistemas de riego iguales a los evaluados en esta investigación pero usando aguas residuales y otros modelos de emisores. 

Prueba del modelo de Bralts para condiciones experimentales

La validación del modelo de Bralts se sustentó en los valores de variación del caudal debido al factor hidráulico (Δqh), porcentaje de obturación (O) y variación del caudal debido al factor de obturación (Δqo) obtenidos experimentalmente en los tratamientos (A y B) los cuales al ser introducidos en dicho modelo produjeron los resultados que se exponen en las Tablas 2 y 3. 

Se demostró en ambos tratamientos que los resultados comparativos entre la variación del caudal de los emisores debido al factor de obturación medido de forma experimental en los tres años estudiados y los simulados mediante el modelo de Bralts son muy cercanos entre sí, con un error relativo promedio inferior al 0,23%, lo que demuestra la elevada exactitud de este modelo y su capacidad para predecir este parámetro en los sistemas de microirrigación. Este resultado justifica la utilización del modelo para simular la obturación en diferentes condiciones de manejo del sistema como se explica a continuación.

Simulación del funcionamiento del sistema para diferentes condiciones de manejo

En las Tablas 4, 5 y 6 se presentan los resultados de la simulación del funcionamiento del sistema para las condiciones de manejo basadas en el criterio de Sammis y Wu (1985), para lo cual se evaluaron diferentes porcentajes de Δq_H (8, 12 y 16%) y O (10, 20 y 30%) manteniéndose en cada caso el valor de la variación del caudal debido al factor de fabricación (Δq_F) obtenido experimentalmente que fue de 2,5%. La investigación demostró que la variación del caudal debido al efecto hidráulico y de fabricación (Δq_HF) fue de 0,084; 0,123 y 0,162 para cada condición de manejo simulada.

En las tablas antes mencionadas se observa además que tanto la variación del caudal a consecuencia de los tres factores combinados el hidráulico, el de fabricación y el de obturación (Δq_HFO); así como la variación del caudal debido solo al factor de obturación (Δq_O) manifestaron una tendencia creciente en correspondencia con el aumento del porcentaje de obturación, lo cual es lógico de esperar debido a que el comportamiento hidráulico del sistema de riego bajo estas condiciones contribuye a la aparición de este fenómeno en los emisores que presentan las condiciones más críticas.

NOTA

*La mención de marcas comerciales de equipos, instrumentos o materiales específicos obedece a propósitos de identificación, no existiendo ningún compromiso promocional con relación a los mismos, ni por los autores ni por el editor.

CONCLUSIONES

-El modelo matemático de c resultó muy preciso, ya que el error relativo promedio es muy bajo (menor del 1%) lo que permite su utilización para simular diferentes condiciones de manejo asociadas a las obturaciones de los emisores en sistemas de microirrigación.

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Recibido: 27/12/2015
Aprobado: 08/07/2016

Dayma Carmenates-Hernández, Prof. e Inv., Universidad de Ciego de Ávila, Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Estudios Hidrotécnicos, Ciego de Ávila, Cuba. Email: daymas@unica.cu